卷烟原料干燥动力学分析

摘要：利用烟草热湿处理特性在线分析装置，考察了上部（B2F）、中部（C3F）和下部（X2F）3种部位卷烟原料在不同温度下含水率随时间的变化规律。利用Matlab软件对方程进行非线性拟合，建立了卷烟原料干燥动力学方程，通过方程计算得到表征卷烟原料干燥特性的参数，同时对比分析了不同卷烟原料干燥特性的差异。结果表明，Midilli and Kucuk方程MR=aexp（-ktn）+bt动力学模型可较好地描述卷烟原料的干燥过程，试验值与计算值相关性较好。

关键词：卷烟原料；对流干燥；动力学特性

中图分类号：TS452 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）23-5788-03

干燥动力学是指在干燥过程中物料含水率随时间在各种条件下的变化规律，其影响因素主要包括两个方面：一方面是干燥介质的性质，如热空气的温度、湿度、气速等；另一方面是物料本身的性质，如化学组成、内部结构、形状和大小等。通过干燥动力学的研究，可以确定物料中水分与处理时间的关系，得到干燥介质和物料特性对干燥过程的影响规律，通过控制干燥过程的工艺参数达到控制干燥过程以实现对质量控制的目的。卷烟原料属于胶体毛细多孔介质[1-6]，关于多孔介质的传热传质理论研究发展非常迅速[7-10]。国内外学者在多孔介质干燥领域做了很多的研究工作，对干燥过程的质传递机理提出了重力、浓度梯度、温度梯度及压力梯度这4种质传递推动力及包括力学流动和毛细流动在内的8种质迁移机理[10]。随着中式卷烟特色工艺研究的深入，加强卷烟原料加工特性研究，提升卷烟原料使用价值、实现精细化加工和分组加工，以及计算机模拟卷烟加工过程等，更加需要这方面的研究成果来提供基础性数据，优化加工工艺，指导卷烟生产。

研究利用烟草热湿处理特性在线分析装置[11]，进行卷烟原料对流干燥的动力学分析。通过此项工作的开展，可以建立研究卷烟原料干燥动力学的基本方法和试验装置，深入认识卷烟原料干燥过程的传热传质特性，对比分析不同卷烟原料干燥特性的差异，为特色工艺精细化加工和分组加工及计算机模拟提供基础性数据，并有助于优化卷烟加工工艺参数。

1 材料及方法

1.1 样品与试验装置

试验选用上部烟（B2F）、中部烟（C3F）和下部烟（X2F）等3种部位烟叶作为研究对象，利用自制烟草热湿处理特性在线分析装置（郑州烟草研究院提供）对卷烟原料干燥特性进行分析。

1.2 试验条件

1.3 试验方法

1.3.1 样品前处理 将原烟抽梗后切丝（切丝前水分含量为12%，切丝宽度1 mm）；对制得的烟丝样品喷洒一定量去离子水（喷洒后烟丝水分含量为40%），然后放入恒温恒湿室（温度25 ℃、相对湿度60%）内平衡水分；将平衡水分后的样品密封储存，备用。

把Midilli and Kucuk 方程代入65 ℃不同部位烟叶的相对含水率，图2是关于同一温度下不同部位烟叶的干燥速率，由图2中曲线可以直观地看出卷烟原料整体的干燥特性。降速阶段：此阶段是卷烟原料干燥的主要阶段。具体表现为卷烟原料平均含水率变化由较快逐步过渡到非常缓慢，干燥速率逐渐减小。滞速阶段：此阶段具体表现为卷烟原料平均含水率变化非常缓慢，平均含水率趋近于平衡含水率，干燥速率趋近于零。上部烟（B2F）含水率变化是最慢的，而中部烟（C3F）和下部烟（X2F）的含水率变化在不同的时间段变化不同，下部烟（X2F）在干燥开始阶段干燥速率高于中部烟（C3F），但是当经过一段时间的干燥，下部烟（X2F）的干燥速率又小于中部烟（C3F）。

2.2 同一部位烟叶不同温度下方程的拟合情况

通过图3可以发现Midilli and Kucuk方程在不同温度下比其他几个方程拟合得好，但是方程比较复杂，参数最多有3个，不容易找出参数与试验条件（温度T）的规律性。

把Midilli and Kucuk 方程代入上部烟的相对含水率，图4是关于不同温度下同一部位烟叶的干燥速率。从图4可以证明试验数据是符合函数的，也反过来证明函数可以有效地说明干燥动力学的特性，在干燥过程中的确是分为两个阶段。还可以从图4中直观地看出各个温度下相对含水率的变化率大小为：65 ℃

3 小结与讨论

Yoshihido等[12]采用小型烟叶干燥试验机进行烟叶复烤试验时发现，烟片的干燥速率与热风温度、风速呈正相关，与铺叶厚度、气流湿度呈负相关，烟片本身的特性对其干燥速率也有一定的影响。刘峘[13]在对复烤过程中烟片干燥特性进行研究时也发现了相同的规律。堵劲松等[14]在研究温湿度对白肋烟烘焙质量的影响时指出，干燥区气流湿度对白肋烟处理质量有重要的影响，对不同质量特点的白肋烟应采用不同的温湿度进行加工处理。李善莲[5]对烟叶热风对流干燥研究时进一步指出，随着热风温度的增大，烟叶干燥速率加快，烟叶表面温度上升加快；随着热风湿度的提高，烟叶干燥速率减慢，烟叶表面温度上升加快。

动力学分析结果表明，卷烟原料干燥特性曲线（干基含水率随时间的变化曲线）可以直观反映其干燥特性，卷烟原料对流干燥过程分为降速段、滞速段，可由干燥速率变化情况验证此点。卷烟原料在不同的温度条件下具有不同的干燥特性，但是都可以用Midilli and Kucuk方程来整体描述其干燥特性。用干燥速率表征不同样品干燥特性的差异，上部烟（B2F）含水率变化最慢，干燥速率最小。而中部烟（C3F）和下部烟（X2F）的含水率变化在不同的时间段变化不同，下部烟（X2F）在干燥开始阶段干燥速率高于中部烟（C3F），但是当经过一段时间的干燥后，下部烟（X2F）的干燥速率又小于中部烟（C3F）。

总之，不同部位的卷烟原料干燥特性存在一定差异，用干燥速率表征不同部位卷烟原料干燥特性的差异，干燥速率随着温度的升高呈线性增大。另外，通过对干燥特性曲线的观察得知，卷烟原料对流干燥过程分为降速段、滞速段，不存在恒速干燥阶段或者恒速干燥时间很短。建立了卷烟原料对流干燥过程质传递的动力学分析方法，都可以用Midilli and Kucuk方程来整体描述其干燥特性。

参考文献：

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[11] 中国烟草总公司郑州烟草研究院. 烟草热湿处理特性在线分析装置[P]. 中国专利：200510107366.X，2006-06-28.

[12] YOSHIHIDO S， CHIBA S， ASHIHAPA T， et al. Study on the redrying I： the drying characteristics of bright yellow and burley strips by the through-circulation model[J]. Japanese Monopoly Corporation Central Research Institute Scientific Paper，1966（108）：51-59.

[13] 刘 峘.烟叶叶片复烤机技术报告[J].烟草科技，1987（4）：2-6.

[14] 堵劲松，王宏生，王 兵，等.温湿度对白肋烟处理质量的影响[J].中国烟草学报，2001（3）：1-5.