CN101131344A

CN101131344A - 一种在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法

Info

Publication number: CN101131344A
Application number: CNA2007101474819A
Authority: CN
Inventors: 闫亚明; 刘朝贤; 李斌; 张兰晓; 王宏生; 王兵; 堵劲松
Original assignee: Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC
Current assignee: Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2008-02-27

Abstract

一种在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：首先对卷烟原料进行样品前处理，然后调试烟草热湿处理特性在线分析装置，当达到实验要求的气氛温湿度环境时，称取一定量的样品放入天平篮子，进行对流干燥实验，同时在线记录样品质量和表面温度等数据随时间的变化情况，最后根据实验结果进行数据整理和分析，获得定性表示干燥特性的干燥曲线和定量表征干燥速率的有效扩散系数和表观活化能等动力学参数；本发明的有益效果是：可以获得定性表示干燥特性的干燥曲线和定量表征干燥速率的有效扩散系数和表观活化能等动力学参数，为卷烟加工提供基础性数据。

Description

一种在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法

技术领域

本发明属于烟草(类似烟草的生物质)干燥技术领域，具体说是涉及一种在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法。

背景技术

烟草干燥特性是对烟草进行加工的重要依据，研究烟草干燥特性非常必要。烟草干燥特性的研究主要是通过获得在一定的温度、湿度、气速等条件下烟草样品的质量及表面温度变化数据，绘制出干燥特性曲线，得出表征烟草干燥特性的相关数据。中国烟草总公司郑州烟草研究院所研制的烟草热湿处理特性在线分析装置(公开号CN1793831)具有在线测量烟草样品在一定温湿度下烟草表面温度和质量随时间的变化数据，烟草样品称重范围广，运行稳定且数据重现性良好等优点，能够满足在实验室直接研究烟草干燥特性的需求。

发明内容

本发明的目的正是为了更好使用中国专利公开号为CN1793831的烟草热湿处理特性在线分析装置，而提供一种在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法。该方法能够在线测定烟草干燥特性，并对其进行动力学分析获得相关动力学参数表征烟草干燥特性，为卷烟加工提供基础性数据。

本发明的目的可通过下述技术方案来实现：

本发明的在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法包括以下步骤：首先对卷烟原料进行样品前处理，然后调试烟草热湿处理特性在线分析装置，当达到实验要求的气氛温湿度环境时，称取一定量的样品放入天平篮子，进行对流干燥实验，同时在线记录样品质量和表面温度等数据随时间的变化情况，最后根据实验结果进行数据整理和分析，获得定性表示干燥特性的干燥曲线和定量表征干燥速率的有效扩散系数和表观活化能等动力学参数；

本发明中所述的样品前处理的主要作用是将烟草样品处理为统一规格，均匀含水率的样品；具体包括以下三个步骤：

a、将烟草样品处理为统一规则的片状或丝状，具体可对原烟进行抽梗、切丝(切丝前含水率10～15％，切丝宽度0.8～1.2mm)；

b、对步骤a制得的实验样品进行加湿并平衡水分，具体可先对样品喷洒一定量(喷洒后烟丝含水率25％～60％)蒸馏水，然后放入恒温恒湿箱(温度22～40℃、相对湿度60～90％)内平衡水分；

c、将步骤b处理后的样品密封储存，以备实验使用。

本发明中所述的调试分析装置的主要作用是为在反应器恒温区获得稳定的气氛环境条件(温度、湿度和气速)；调试前，首先打开控制柜电源和数据采集***，实现烟草热湿处理特性在线分析装置通电通气；具体包括以下两个步骤：

d、调节反应器、预热器的温度至实验设定的温度，然后调节进气量V_气和进水量m_水，进气量和进水量根据实验条件通过式(1)和式(2)计算所得；

式中：u-气流速度，m/s；H-气氛环境绝对湿度，Kg/Kg干空气；T-气氛环境温度，℃；

e、当反应器恒温区温度在设定温湿度实验条件下达到稳定(偏差±0.5℃以内)后进行空白实验，数据采集***实时采集空篮随时间的变化质量G₁。

本发明中所述的对流干燥实验主要目的是获得实验样品在干燥过程中含水率和表面温度随时间变化的实验数据；具体包括以下四个步骤：

f、准确称取若干(1-10g)样品放入天平吊篮，通过液压机将反应器升至顶部，同时实验开始计时；

g、待干燥结束(样品质量不在变化，含水率达到实验条件下的平衡状态)后通过液压机将反应器降下，并保存实验数据；在步骤f至步骤g的过程中数据采集***在线采集干燥过程中实验样品的质量G₂(G₂为样品质量G和空篮质量G₁之和)和表面温度Ts随时间变化的实验数据；

h、取出干燥处理后的样品放入烘箱(80～120℃)烘干2个小时后测定干重G_d，通过式(3)计算得出相应时间的干基含水率M；

M = \frac{G - G_{d}}{G_{d}} = \frac{G_{2} - G_{1} - G_{d}}{G_{d}} - - - (3)

本发明中所述的数据整理与分析的主要目的是根据实验结果对数据进行整理，获得实验样品干燥过程中含水率和表面温度随时间的变化规律，并通过动力学分析获得相关动力学参数表征实验样品的干燥特性；具体包括以下五个步骤：

i、由实验数据通过式(4)计算得到实验样品干燥过程中含水率比随时间变化的干燥曲线；

式中：M-烟丝t时刻干基含水率；M₀-初始含水率；Me-平衡含水率；

j、根据式(5)拟合由步骤i所得到的实验样品含水率比与时间的关系，可得到实验样品在不同温湿度环境条件下有效扩散系数De；

\frac{M - Me}{M_{0} - Me} = \exp (- {(De {(\frac{π}{L})}^{2} t)}^{1.29}) - - - (5)

式中：De-有效扩散系数，m²/s；L-烟丝层厚度，m；t-干燥时间，s。

k、根据式(6)回归由步骤j得到的不同温湿度条件下的有效扩散系数De与空气温湿度之间的关系，得到实验样品的表观活化能E₀；

De = \exp ((0.48 - \frac{1}{RT}) E_{0} (1 + H^{0.4}) - 16.48) - - - (6)

式中：E₀-表观活化能，KJ/mol；

l、根据式(7)回归由步骤h得到的实验样品平衡含水率与气氛环境温湿度之间的关系，可得到实验样品在一定温湿度条件下的平衡含水率；

Me = {[- \frac{\ln (1 - \frac{0.101 H}{(0.622 + H) \exp (9.3876 - 3826.36 / (T - 45.47))})}{CT}]}^{D} - - - (7)

式中：C、D-随物料种类而异的实验常数；

步骤m、将一定温湿度实验条件及由步骤k求得的已知实验样品表观活化能E₀值和由步骤(1)求得的平衡含水率代入式(5)可得到此实验样品在该实验条件下含水率随时间的变化规律，预测干燥过程。

本发明的有益效果是：可以获得定性表示干燥特性的干燥曲线和定量表示干燥速率的有效扩散系数和表观活化能等动力学参数，为卷烟加工提供基础性数据。

附图说明

图1为诸城烤烟C3F在不同温度条件下干燥曲线。

图2为诸城烤烟C3F在不同湿度条件下干燥曲线。

图3为诸城烤烟C3F有效扩散系数的实验值与预测值对比。

图4为诸城烤烟C3F平衡含水率的实验值与预测值对比。

图5为公开号为CN1793831的烟草热湿处理特性在线分析装置的结构原理图。

图5中序号：1.压缩气瓶，2、2-1、2-2.质量流量计，3.计量泵，4.饱和蒸汽发生器，5.预热器，6.混和器，7.反应器，8.表面温度传感器和质量传感器，9.计算机数据采集***，10.智能温控仪，11.多路控温仪，12.液压升降机构，13.表面温度传感器和质量传感器部位的保护气体出口。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例作进一步详述：

实例

本发明的在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法包括以下步骤：

a、对诸城烤烟C3F抽梗、切丝(切丝前含水率12％，切丝宽度1mm)，处理为统一规则烟丝；

b、对此烟丝喷洒一定量(喷洒后烟丝含水率40％)，然后放入恒温恒湿箱(温度25℃、相对湿度80％)内平衡水分；

c、将平衡水分后的烟丝样品密封储存，以备实验使用；

打开控制柜电源和数据采集***，实现烟草热湿处理特性在线分析装置通电通气，之后再进行下述步骤：

d、调节反应器、预热器的温度至实验设定的温度，然后调节进气量V_气和进水量m_水，进气量和进水量根据实验条件(见表1)通过式(1)和式(2)计算所得；

e、当反应器恒温区温度在设定温湿度实验条件下达到稳定(偏差±0.5℃以内)后进行空白实验，数据采集***实时采集空篮随时间的变化质量G₁；

f、准确称取2g样品放入天平吊篮，通过液压机将反应器升至顶部，同时实验开始计时；

g、待干燥结束(样品质量不在变化，含水率达到实验条件下的平衡状态)后通过液压机将反应器降下，并保存实验数据。在步骤(7)至步骤(8)的过程中数据采集***在线采集实验样品干燥过程中的质量G₂(G₂为样品质量G和空篮质量G₁之和)和表面温度Ts随时间变化的实验数据；

h、取出样品放入烘箱(105℃)烘干2个小时后测定干重G_d，通过式(3)计算得出相应时间的干基含水率M；

i、由实验数据通过式(4)计算得到实验样品干燥过程中含水率比随时间变化的干燥曲线，如图1和图2所示；

j、根据式(5)拟合由步骤i所得到的实验样品含水率比与时间的关系，得到实验样品在不同温湿度环境条件下有效扩散系数De(实验值)，见表2。

k、根据式(6)回归由步骤j得到的不同温湿度条件下的有效扩散系数De与空气温湿度之间的关系，得到诸城烤烟烟丝C3F的表观活化能E₀＝20.95KJ/mol，据此计算得到一定温湿度条件下的有效扩散系数De(预测值)，实验值与预测值的对比如图3所示。

l、根据式(7)回归由步骤h得到的实验样品平衡含水率Me(实验值)与气氛环境温湿度之间的关系，得到诸城烤烟C3F的C、D值分别为0.000083311、0.74414，据此计算得到实验样品在一定温湿度条件下的平衡含水率Me(预测值)，见表2。平衡含水率的实验值与预测值的对比如图4所示。

m、将一定温湿度实验条件及由步骤k求得的诸城烤烟C3F表观活化能E₀值和由步骤1求得的平衡含水率代入式(5)可得到诸城烤烟烟丝C3F在该实验条件下含水率随时间的变化规律，预测其干燥过程。

表1实验条件

实验编号	温度(℃)	湿度(Kg/Kg)	干空气流量(L/min)	蒸馏水流量(g/h)
实验编号	温度(℃)	湿度(Kg/Kg)	干空气流量(L/min)	蒸馏水流量(g/h)	T3H3T1H3T2H3T4H3T5H3T3H1T3H2T3H4T3H5	1008090110120100100100100	0.20.20.20.20.200.10.30.4	11.412.011.711.110.815.113.010.29.2	161.9171.1166.4157.7153.7092.2216.5260.5

表2实验结果

实验编号	De(实验值)10^-8m²/s	R	De(预测值)10^-8m²/s	R	Me(实验值)(％)	Me(预测值)(％)
实验编号	De(实验值)10^-8m²/s	R	De(预测值)10^-8m²/s	R	Me(实验值)(％)	Me(预测值)(％)	T3H3T1H3T2H3T4H3T5H3T3H1T3H2T3H4T3H5	1.82E-088.97E-091.33E-082.45E-082.73E-083.04E-082.26E-081.90E-081.71E-08	0.99860.98730.99850.99290.97880.99750.99840.99660.9965	1.85E-081.04E-081.40E-082.40E-083.09E-082.92E-082.06E-081.70E-081.60E-08	0.99850.96280.99630.99270.96840.99620.99170.98660.9919	10.727.844.973.933.030.553.026.547.56	10.997.265.133.762.840.003.226.637.88

Claims

1.一种在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：首先对卷烟原料进行样品前处理，然后调试烟草热湿处理特性在线分析装置，当达到实验要求的气氛温湿度环境时，称取一定量的样品放入天平篮子，进行对流干燥实验，同时在线记录样品质量和表面温度等数据随时间的变化情况，最后根据实验结果进行数据整理和分析，获得定性表示干燥特性的干燥曲线和定量表征干燥速率的有效扩散系数和表观活化能等动力学参数。

2.根据权利要求1所述的在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法，其特征在于：样品前处理包括以下三个步骤：

a、将烟草样品处理为统一规则的片状或丝状，切丝前含水率含量为10～15％，切丝宽度为0.8～1.2mm；

b、对步骤a制得的片状或丝状实验样品进行加湿并平衡水分，使烟丝含水率含量达到25％～60％，然后放入恒温恒湿箱中，在温度22～40℃、相对湿度60～90％条件下进行平衡水分。

c、将步骤b处理后的样品密封储存，以备实验使用。

3.根据权利要求1所述的在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法，其特征在于：调试在线分析装置包括以下两个步骤：

e、当反应器恒温区温度在设定温湿度实验条件下达到稳定后进行空白实验，数据采集***实时采集空篮随时间的变化质量G₁。

4.根据权利要求1所述的在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法，其特征在于：对流干燥实验包括以下三个步骤：

f、准确称取1-10g实验样品放入天平吊篮，通过液压机将反应器升至顶部，同时实验开始计时；

g、待实验样品质量不再变化，含水率达到实验条件下的平衡状态时，干燥过程结束；之后，通过液压机将反应器降下，并保存实验数据；在步骤f至步骤g的过程中数据采集***在线采集干燥过程中实验样品的质量G和吊篮净重G₁之和G₂，以及表面温度Ts随时间变化的实验数据；

h、取出干燥处理后的样品放入烘箱，在80～120℃的条件下烘干2个小时后测定干重G_d，通过式(3)计算得出相应时间的干基含水率M；

M = \frac{G - G_{d}}{G_{d}} = \frac{G_{2} - G_{1} - G_{d}}{G_{d}} - - - (3) .

5.根据权利要求1所述的在线测定烟草干燥特性及动力学分析方法，其特征在于：数据整理和分析包括以下五个步骤：

\frac{M - Me}{M_{0} - Me} = \exp (- {(De {(\frac{π}{L})}^{2} t)}^{1.29}) - - - (5)

式中：De-有效扩散系数，m²/s；L-样品薄层厚度，m；t-干燥时间，s；

k、根据式(6)回归由步骤j得到的不同温湿度条件下的有效扩散系数De与空气温湿度之间的关系，可得到实验样品的表观活化能E₀；

De = \exp ((0.48 - \frac{1}{RT}) E_{0} (1 + H^{0.4}) - 16.48) - - - (6)

式中：E₀-表观活化能，KJ/mol；

1、根据式(7)回归由步骤h得到的实验样品平衡含水率与气氛环境温湿度之间的关系，可得到实验样品在一定温湿度条件下的平衡含水率；

Me = {[- \frac{\ln (1 - \frac{0.101 H}{(0.622 + H) \exp (9.3876 - 3826.36 / (T - 45.47))})}{CT}]}^{D} - - - (7)

式中：C、D-随物料种类而异的实验常数；

m、将一定温湿度实验条件及由步骤k求得的已知实验样品表观活化能E₀值和由步骤1求得的平衡含水率代入式(5)可得到此实验样品在该实验条件下含水率随时间的变化规律，预测干燥过程。