煙草熱濕處理特性在線分析裝置在干燥研究中的應用

1、煙草熱濕處理特性在線分析裝置在干燥研究中的應用李斌，王宏生，張?zhí)m曉，王兵，劉朝賢煙草行業(yè)煙草工藝重點實驗室（鄭州煙草研究院），鄭州高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001 摘要：介紹已公開發(fā)明專利（公開號： CN1793831）煙草熱濕處理特性在線分析裝置結(jié)構原理和特性，通過相關測試結(jié)果表明，在線分析裝置具有商業(yè)上類似原理的熱重天平所不具備的專有特性。 1可以在線測量煙草樣品在一定溫度（0300）和濕含量為（0100）下煙草表面溫度和重量隨時間的變化數(shù)據(jù)。2煙草樣品稱重范圍廣0.0001g10g，可以選擇有代表性的樣品。關鍵詞：煙草；熱濕處理特性；失重曲線；表面溫度曲線；在線分析1、前言：當

2、前的食品加工行業(yè)中，對于干燥和回潮的研究頗為廣泛，尤其在煙草加工領域，更是如此。煙草加工過程需要經(jīng)過若干干燥和回潮過程，所以研究干燥和回潮過程中煙草加工特性非常必要。在研究煙草的干燥或回潮動力學和加工過程中品質(zhì)的變化特性時，需要關注煙草在加工過程中失水或吸濕以及溫度的變化規(guī)律，才能對加工過程中參數(shù)的選擇與調(diào)整理性的決策?，F(xiàn)階段國內(nèi)外的研究中，熱重分析研究是研究干燥動力學的主要手段，其基本原理是在處理環(huán)境程序升溫或是恒溫過程中，研究被測物質(zhì)質(zhì)量隨時間的變化規(guī)律，特點是能夠定量、準確的測量物質(zhì)質(zhì)量的變化和變化的速度。目前，熱重分析已應用于：無機物、有機物及聚合物的熱分析；金屬在高溫下受各種氣體的腐

3、蝕過程；礦物的煅燒和冶煉；煤的熱解氣化過程；含濕量、揮發(fā)物含量的測定；反應動力學的研究；反應機制的研究等眾多的物理化學過程。熱重分析的實施是在熱天平裝置上實現(xiàn)，它是在加熱或冷卻試樣時連續(xù)稱量試樣質(zhì)量的裝置，其發(fā)展過程只有短短的幾十年。我國現(xiàn)有熱天平主要由溫控、稱重、記錄及氣氛等部分組成。煙草樣品干燥回潮動力學的研究主要是把煙草樣品制備成已知規(guī)格的樣品放入熱天平的試樣籃中，考察樣品在一定的溫度、氣體組成、氣速等條件下樣品的質(zhì)量變化。現(xiàn)有的熱天平在做此類分析時樣品量太少，通常一次試驗樣品量在10mg100mg左右，由于煙草堆密度較小，可以試驗的樣品量更少，對煙草干燥和回潮過程的研究不具有代表性，且

4、多數(shù)干燥和回潮氣氛條件無法保證，尤其是在中低溫、高濕度的條件難以保證，同時樣品表面溫度變化無法在線測定。正是為了克服上述技術中的的不足之處，而研究開發(fā)一種適用于研究煙草加工特性的熱濕處理特性在線分析裝置。該分析裝置能夠在一定溫度濕度條件下進行干燥及回潮等方面的503性質(zhì)研究，采集重量和表面溫度隨處理時間的在線數(shù)據(jù)，用于相關熱物理參數(shù)、干燥或回潮動力學參數(shù)的分析，同時剩余一定量的樣品可以做化學分析和感官評價。本文將以干燥過程為例，探討其在研究中的應用。2、在線分析儀的結(jié)構特點、工作原理與基本操作2.1結(jié)構特點煙草熱濕處理特性在線分析儀的結(jié)構特點：見圖1所示，主要包括液壓升降機構，依此設置在液壓升

5、降機構上的由飽和蒸汽發(fā)生器、預熱器、混和器組成的氣氛預處理裝置和由反應器、表面溫度和重量傳感器組成的測量裝置；所述飽和蒸汽發(fā)生器、預熱器通過連接管路以及設置在管路上的質(zhì)量流量計分別與壓縮氣源相連接；為預熱器提供定量水源的計量泵通過連接管路與預熱器相結(jié)合；飽和蒸汽發(fā)生器溫度、預熱器溫度及恒溫區(qū)溫度分別由智能溫控儀和多路控溫儀控制，表面溫度傳感器和重量傳感器與計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接，采用的表面溫度傳感器為在線式紅外測溫儀。1.壓縮空氣或氮氣 2.質(zhì)量流量計 3.計量泵 4.飽和蒸汽發(fā)生器5.預熱及蒸汽發(fā)生裝置 6.混和器 7.管式爐 8.表面溫度與重量傳感器9.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 10.智能控溫儀 1

6、1.多路控溫儀 12液壓升降器 13 氣體出口圖1 煙草熱濕處理特性在線分析系統(tǒng)2.2工作原理工作原理是所述氣氛預處理裝置主要功能是能夠創(chuàng)造氣氛溫度范圍為0300和氣氛中的水蒸氣分壓范圍為0100任意混和氣氛，用此來處理卷煙原料樣品。氣氛預處理裝置主要包括干空氣進氣及控制、進水及控制、預熱器及溫度控制、飽和水蒸汽發(fā)生器及溫度控制和氣體混和器等五部分。干空氣氣源（來源為高壓氣瓶或空氣壓縮機）分為兩路，分別通過質(zhì)量流量計進入預熱器和飽和蒸汽發(fā)生器（通常是根據(jù)需要單路或雙路使用），與蒸餾水（預熱后成為蒸汽）或飽和蒸汽（低于100）定量配比經(jīng)混和器進入反應器中；蒸餾水是通過注塞式計量泵精確控制水的流量

7、后進入預熱器；預熱器的作用是將進入此部分的504空氣和水增溫氣化至設定溫度（常壓下溫度高于100），在經(jīng)過預熱器后進入混和器；預熱器為一加熱爐，通過設置在預熱器和混和器中的熱電偶與智能控溫儀連接，用于控制混合器中氣氛溫度；飽和蒸汽發(fā)生器的作用是為了產(chǎn)生低溫高濕環(huán)境氣氛，由飽和蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽通過輸送管路與一定比例的經(jīng)過預熱器預熱后的空氣進入混和器內(nèi)，經(jīng)混和器將一定比例的空氣和水蒸氣或飽和蒸汽均勻混和后（形成低溫高濕環(huán)境氣氛）再進入反應器。所述測量裝置包括反應器部分、表面溫度與重量傳感器、測量部分的保護氣設置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。反應器部分是由加熱爐和反應器及智能控溫儀組成，加熱爐和反應器

8、呈現(xiàn)一體化設計，反應器為不銹鋼材料，具有較長的恒溫區(qū)，智能控溫儀的溫度控制是通過測試反應器恒溫區(qū)的溫度實現(xiàn)的，反應器的下方與氣體混和器的出口相結(jié)合，上方為反應器的出口；表面溫度傳感器采用在線紅外測溫儀，紅外信號通過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)接嬎銠C中，使用范圍為0200；在線重量傳感器是稱量樣品的重量變化，經(jīng)數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)接嬎銠C中，天平精度為0.1mg，最大載重為200g；測量部分的保護氣設置通過前端質(zhì)量流量計控制；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將表面溫度和重量通過接口與計算機連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)采集，分析和處理。另外反應器和預處理部分的總體升降是通過液壓設備完成。2.3 基本操作壓縮空氣通過質(zhì)量流

9、量計控制其空氣流量進入預熱器。經(jīng)過計算得到所用的蒸餾水的量，通過計量泵控制水流量進入預熱器，預熱器溫度控制應略高于氣氛所要求的溫度，一定量的空氣和水經(jīng)過預熱器進入混和器，混和器中出口溫度控制在設定的氣氛溫度上，出口直接進入反應器，反應器的溫度應控制在設定值，等此過程穩(wěn)定后，把已知質(zhì)量的樣品放入天平籃子（天平采用吊籃式）中等待進入反應區(qū)。天平穩(wěn)定后，整個反應器通過液壓升降器將反應器部分升至如圖1位置處，此時樣品處于反應器中部恒溫區(qū)，反應開始計時，計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄過程中樣品重量和表面溫度的數(shù)據(jù)，經(jīng)設定時間后，通過液壓升降器將反應器從如圖位置降下，調(diào)整相應參數(shù)或關電關氣結(jié)束本次實驗，將計算

10、機中數(shù)據(jù)保存以便整理分析。3、干燥實驗圖2是2g山東C3F在環(huán)境溫度90,氣速0.04m/s情況下熱風對流干燥時的煙絲質(zhì)量和表面溫度變化規(guī)律。質(zhì)量變化數(shù)據(jù)和表面溫度變化數(shù)據(jù)分別由分析天平和紅外測溫儀在線采集獲得。由圖2可以看出，對流干燥初期煙絲質(zhì)量迅速減少，表面溫度快速升高，隨著干燥過程的進行，直至煙絲質(zhì)量不再變化，表面溫度趨近于環(huán)境干球溫度。5052.1山東C3F900.04m/s熱風干燥1002.080煙絲質(zhì)量(g)601.8401.7201.61.55001000150020002500300003500干燥時間t(s)表面溫度T()1.9圖2 山東C3F熱風對流干燥煙絲質(zhì)量和表面溫度變化規(guī)律本分析儀不僅能夠測定熱風干燥情況下的質(zhì)量和表面溫度變化規(guī)律，還能測定任意濕含量情況下煙絲干燥時質(zhì)量和表面溫度變化情況。圖3為山東C3F煙絲在環(huán)境溫度120,氣速0.04m/s，濕含量931g/Kg干空氣情況下的對流干燥。由圖3可見高溫高濕干燥時初始階段有一明顯的增重情況，但隨后進入規(guī)律性的失重和增溫階段。山東C3F1200.04m/s931g/Kg干空氣干燥12010080煙絲質(zhì)量(g)401.7205001000150020002500300035