黃鋒，陳清，王樂，竇家宇，王蘇紅，李斌

1 華環(huán)國際煙草有限公司，安徽省滁州市鳳陽縣門臺子工業(yè)園 233121；

2 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(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

制造技術(shù)

片煙增濕與干燥的薄層動力學(xué)模型

黃鋒1，陳清1，王樂2，竇家宇1，王蘇紅1，李斌2

1 華環(huán)國際煙草有限公司，安徽省滁州市鳳陽縣門臺子工業(yè)園 233121；

2 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(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

為研究不同溫濕度條件下煙葉加工中的水分遷移規(guī)律，從水分遷移速率、動力學(xué)模型及參數(shù)應(yīng)用性三個部分分析了攀枝花C2F片煙的增濕及干燥特性。結(jié)果表明，片煙的增濕和干燥都經(jīng)歷升速段、第一降速段和第二降速段三個階段的速率變化過程，通過逐步提高濕度的控制方法可以避免冷凝吸濕，增強片煙增濕的均勻性；考察了6種薄層動力學(xué)模型，其中以Midilli模型對片煙的吸濕和干燥過程擬合效果最好；結(jié)合實際復(fù)烤生產(chǎn)中的潤葉及復(fù)烤水分控制區(qū)間，發(fā)現(xiàn)動力學(xué)參數(shù)與區(qū)間內(nèi)水分變化時間有很好規(guī)律性，對實際生產(chǎn)具有很好的理論和應(yīng)用參考性。

片煙；增濕與干燥；動力學(xué)；薄層模型

在煙草加工過程中，煙葉（或煙絲）的水分控制是加工質(zhì)量控制的重要內(nèi)容，涉及諸如真空回潮、潤葉、復(fù)烤、加料、烘絲等眾多環(huán)節(jié)，在這些工序中，煙草回潮吸濕和干燥解濕過程直接影響在制品的質(zhì)量。煙葉屬于膠體毛細(xì)管多孔物料[1]，熱濕遷移過程都是非穩(wěn)態(tài)傳熱、傳質(zhì)過程，水分變化動力學(xué)是研究煙葉回潮吸濕及干燥解濕特性的重要內(nèi)容，其數(shù)據(jù)可以反映煙葉水分遷移機理和預(yù)測過程變化。回潮干燥動力學(xué)研究在農(nóng)作物方面受到廣泛關(guān)注。Basunia等[2]研究了17.8～45℃溫度范圍內(nèi)的大米增濕特性曲線，并用Page方程對增濕特性曲線進行描述。Sacilik等[3]研究蘋果片干燥特性時，對比多個動力學(xué)模型后發(fā)現(xiàn)Logarithmic模型與實驗值最吻合。Shi等[4]發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓的輻射干燥過程用Thompson模型描述較好，并計算了擴散速率。對于片煙原料，研究復(fù)烤過程溫濕度條件下的吸濕和干燥模型鮮有報道，目前僅發(fā)現(xiàn)鄭松錦等[5]、李斌等[6]通過自主開發(fā)的實驗平臺開展了基于Fick第二定律的擴散吸濕模型研究，研究中未對水分遷移及其它模型進行綜合對比分析。

本文利用煙草熱濕處理特性在線分析裝置[6]，結(jié)合部分實際生產(chǎn)加工條件，同步研究煙葉的吸濕及干燥兩個過程，分析不同熱風(fēng)溫濕度對煙葉水分的影響；同時選擇了6種薄層模型，對比分析片煙的吸濕及干燥動力學(xué)特性，探尋煙葉在模擬實際的加工條件下水分遷移特點，為進一步深入研究煙葉在加工過程中的熱質(zhì)傳遞規(guī)律及有效應(yīng)用提供理論和實驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料及設(shè)備

試驗原料為2012年四川攀枝花C2F等級烤煙，品種為云煙87。樣品前處理按照文獻(xiàn)進行[7]，處理后放干燥器內(nèi)備用，此方法處理能保持煙葉原有吸濕性[8]。

試驗設(shè)備為改進型煙草熱濕處理特性在線分析裝置（鄭州煙草研究院），主要結(jié)構(gòu)和原理見文獻(xiàn)[6]；電子天平感量：(0.0001 g，賽多利斯公司)；DHG-9623A烘箱(上海精宏試驗設(shè)備有限公司)。

1.2 試驗方法

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和煙草熱濕處理特性在線分析裝置調(diào)整到試驗要求條件，設(shè)定每5 s采集一次重量。當(dāng)反應(yīng)器恒溫區(qū)溫度在設(shè)定溫度條件下達(dá)到穩(wěn)定(偏差±0.5℃)后，將處理好的樣品放入樣品室內(nèi)，開始設(shè)定的條件控制程序，連續(xù)進行煙葉的增濕及干燥試驗，使用標(biāo)準(zhǔn)烘箱法測定煙葉最終含水率。

1.3 模型及分析方法

1.3.1 含濕比、模型評價方法

MRpre,i為含濕比預(yù)測值，MRexp,i為含濕比實驗值，N為實驗值個數(shù)，n為干燥常數(shù)個數(shù)。

1.3.2 數(shù)學(xué)模型

實驗選取了6種主要的薄層模型分別對吸濕和干燥實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，具體見表1。

表1 薄層吸濕和干燥模型Tab.1 Thin layer humidifying and drying dynamic models

1.3.3 動力學(xué)參數(shù)

片煙的增濕和干燥可用Fick第二定律進行描述，對于薄層物料其表達(dá)式可為：

由于L較小t很大，故公式可以簡化為[13]：

如果增濕和干燥同時在薄層的兩面進行，L是薄層厚度的一半；如果只在在薄層的一面進行，L是薄層的厚度。Deff是有效水分?jǐn)U散系數(shù)（m2/s），t是干燥時間（s），MR是含濕比。

溫度對有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff的影響可用阿倫尼烏斯

式中D0為指前因子( m2/s)，Ea為干燥過程的活化能 ( kJ /mol)，R 為氣體常數(shù) 8.314kJ /( mol·K)，T為絕對溫度( K)。對式(5)的兩端取對數(shù)得。

以對數(shù)InDeff對絕對溫度的倒數(shù)1/T 作圖可得一條直線，由直線的斜率可求得活化能Ea。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫濕度對片煙水分遷移速率的影響及機理分析

2.1.1 溫濕度對片煙水分遷移速率的影響

煙葉水分在不同溫濕度下的吸濕含水率變化曲線和干燥含水率變化特性曲線見圖1、圖2。與含水率變化相關(guān)的圖3則為煙葉在60℃、70℃、80℃溫度80%相對濕度及70℃溫度70%相對濕度的吸濕速率曲線。濕度為重要的控制參數(shù)，根據(jù)實際生產(chǎn)中復(fù)烤機一般常用的20%～35%相對濕度控制區(qū)間，結(jié)合華環(huán)公司多年復(fù)烤工藝實際情況選取相對濕度25%為試驗條件。圖4為在25%相對濕度時，60℃、70℃、80℃溫度下30%初始含水率及70℃溫度下20%初始含水率干燥速率曲線（注：試驗中吸濕與干燥為連續(xù)進行，圖4中以吸濕時相同濕度不同溫度平衡水分直接作為初始含水率會有±1%的差別）。

圖1 煙葉在不同溫濕度下的吸濕含水率變化曲線Fig.1 Moisture content of laminas under different temperature and humidity conditions in humidifying process

圖2 煙葉在不同溫濕度下的干燥含水率變化曲線Fig.2 Moisture content of laminas under different temperature and humidity conditions in drying process

圖3 煙葉在不同溫濕度下的吸濕速率曲線Fig.3 Humidifying rate of laminas under different temperature and humidity conditions

圖4 煙葉在不同溫濕度與初始含水率的干燥速率曲線Fig.4 Drying rate of laminas under different temperature and humidity conditions and initial moisture contents

從圖3及圖4可以發(fā)現(xiàn)，煙葉不同條件下吸濕及干燥包含三個階段，即以最大值點為分界點分為升速段和降速段，降速段還可分為第一降速和第二降速段；同等條件下，溫度越高，最大速率也越大;對吸濕過程而言，濕度越高，最大速率也越大，對干燥過程而言，初始含水率越高同樣如此。煙葉為農(nóng)產(chǎn)品，不同的溫度、濕度下都具有一定的平衡含水率，其所處的不同溫濕度環(huán)境及初始含水率決定了煙葉的吸濕或干燥（解濕）狀態(tài)，進而也決定了煙葉吸濕及干燥的速率變化規(guī)律。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，吸濕時相對低的濕度下速率更易達(dá)到零，主要由于低濕下平衡含水率更小而容易達(dá)到平衡；同樣對于干燥過程，初始含水率低更容易達(dá)到干燥平衡。

對比吸濕過程與干燥過程差別，從時間上看，吸濕表現(xiàn)出一定的滯后性，升速段與第一降速段增濕與干燥都較為迅速，但在后半期時間段的第二降速段，增濕達(dá)到平衡更為漫長而干燥平衡時間相對更短。所以，盡管吸濕與干燥存在差異，但實際生產(chǎn)中煙葉水分控制過程也基本不會出現(xiàn)在第二降速段，對實際工藝控制來說兩者具有一定的通用性。

2.1.2 機理分析與討論

試驗中煙葉的吸濕與干燥速率都出現(xiàn)升速階段，而在煙草研究中并未出現(xiàn)升速階段的報道，只有降速階段[5]，但其它相似物料的干燥過程則有升速段出現(xiàn)的報道[14]。主要由于進樣方法的原因，吸濕時煙葉是由干燥空氣中先放入，稍平穩(wěn)后按程序自動開啟濕度，所以并不會出現(xiàn)瞬間冷凝增濕過程，而煙葉組織內(nèi)部的毛細(xì)管多孔結(jié)構(gòu)具有非常高的吸濕勢能，使水分迅速進入煙葉內(nèi)部甚至直接形成結(jié)合水，所以吸濕速率由環(huán)境濕度控制為主，從相對濕度的變化速率曲線對比看與出現(xiàn)的升速段時間接近（見圖3中小圖）；經(jīng)過短暫升速段后，內(nèi)部組織的吸附層的快速飽和就轉(zhuǎn)為內(nèi)部擴散控制的降速階段。隨后，通過濕度變化直接轉(zhuǎn)為干燥過程，盡管濕度轉(zhuǎn)換過程未發(fā)現(xiàn)加速過程（見圖4中小圖），但由于自由水蒸發(fā)本身還涉及表面蒸發(fā)和內(nèi)部擴散的速率影響，所以綜合環(huán)境濕度作用先形成升速階段，后續(xù)進入內(nèi)部擴散控制轉(zhuǎn)為降速干燥過程。

在復(fù)烤過程中，基本采用溫度由低到高后降低的多干燥區(qū)梯度烘烤工藝。初始溫度較低，即可避免煙葉擴散溫差大也發(fā)揮整體預(yù)熱煙葉溫度作用利于減少水分的不均，隨后再采用更高溫度進行快速脫水；另外復(fù)烤含水率一般都采用過臨界含水率拐點[15]，即初步進入第二降速階段，以利于水分的均勻性。這也體現(xiàn)了掌握煙葉水分變化規(guī)律對水分均勻性控制的重要應(yīng)用價值。

2.2 吸濕與干燥模型的建立

圖5與圖6分別為不同條件下片煙的吸濕含濕比與干燥含濕比隨時間變化曲線，應(yīng)用表1中6個模型對片煙吸濕及干燥曲線進行擬合，吸濕模型和干燥模型擬合結(jié)果分別見表2和表3。從表2的吸濕模型擬合看，通過4個條件對比發(fā)現(xiàn)擬合效果最好的為Midilli模型、其次為Page模型、Logarithmic模型等，其中Midilli模型擬合最好的為溫度60℃，相對濕度80%結(jié)果（R2=0.9992，χ2=4.57×10-5），并且其它模型都出現(xiàn)相同的規(guī)律，即相同相對濕度條件下，溫度越低擬合效果越好，可能原因為在高溫高濕下，溫度越高控制的不穩(wěn)定性也可能越高。另外從擬合效果最好的Midilli模型與Page模型發(fā)現(xiàn)，相關(guān)的參數(shù)a、b、k、n都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，如參數(shù)k隨溫度、相對濕度升高而增大。

圖5 煙葉在不同溫濕度下的吸濕含濕比隨時間變化曲線Fig.5 Humidifying moisture ratio of laminas under different temperature and humidity conditions

圖6 不同溫度與初始含水率下的干燥含濕比隨時間變化曲線Fig.6 Drying moisture ratio of laminas under different temperature and humidity conditions and initial moisture contents

相對于吸濕擬合結(jié)果，各模型對片煙干燥都表現(xiàn)出更高擬合度。如Midilli干燥模型，其R2基本都在0.9999以上，χ2則在低至10-6級別數(shù)。說明相對片煙的吸濕，各模型更適合擬合片煙的干燥情況。干燥解濕與吸濕擬合表現(xiàn)的差異性，主要由于吸濕本身存在一定的滯后性，另外在吸濕初期煙葉的水分吸附與擴散作用過程更為復(fù)雜。另外，與吸濕類似，相關(guān)模型參數(shù)變化也隨溫度表現(xiàn)出一定規(guī)律性。

通過6種模型的擬合分析，片煙的增濕與干燥水分遷移的動力學(xué)變化都符合應(yīng)用多種模型進行描述，這也為綜合考察片煙的增濕與干燥動力學(xué)提供了理論參考。各模型中以Midilli模型為最佳，最高模型擬合度R2可以達(dá)到0.99997，卡方χ2則低至2.29×10-6，說明該模型能夠比較精確的描述和預(yù)測片煙水分變化規(guī)律，具有很高的參考應(yīng)用價值。

表2 6種不同模型對片煙吸濕模型擬合結(jié)果Tab.2 Statistical results of humidifying laminas obtained from six models

表3 6種不同模型對片煙干燥模型擬合結(jié)果Tab.3 Statistical results of drying laminas obtained from sixmodels

續(xù)表3

表4 片煙吸濕與干燥的動力學(xué)參數(shù)Tab.4 Dynamic parameters of laminas in humidifying and drying processes

圖7 lnDe與絕對溫度1/(T+273.15)關(guān)系圖Fig.7 Relationship between lnDe and 1/(T+273.15)

2.3 擴散系數(shù)及應(yīng)用性分析

結(jié)合公式[6]可計算出不同溫度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff，由于為雙面擴散葉片厚度為實測平均值一半即L=0.6×10-4m，根據(jù)阿侖尼烏斯公式，以InDeff對1/T作圖擬合得一條直線（見圖7），通過斜率計算即可得到相對濕度80%時，片煙的干燥和吸濕活化能Ea。采用Fick傳質(zhì)方程，可以用于預(yù)測未知操作條件下的干燥與吸濕動力學(xué)參數(shù)，進而預(yù)測煙葉的含水率；而使用經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭荒苡糜陬A(yù)測已知條件下不同時刻的煙葉含水率。比較兩種分析方法，可以看出經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c實驗數(shù)據(jù)吻合度較高，但是不同操作條件下的擬合參數(shù)之間的規(guī)律不明顯，基于Fick傳質(zhì)方程的表觀擴散系數(shù)具有明確的物理意義，不同環(huán)境條件下參數(shù)變化規(guī)律明顯，故其適用范圍較大。

濕度作為重要的控制影響因素，通過與實際生產(chǎn)中潤葉及復(fù)烤設(shè)備常用的控制條件區(qū)間結(jié)合，可為實際生產(chǎn)中的水分遷移變化規(guī)律做應(yīng)用參考。從表4可以看出，擴散系數(shù)隨溫度升高而增大，只有在吸濕時，溫度為70℃、80℃出現(xiàn)一定偏差，但都相對60℃對比相符。對比吸濕擴散系數(shù)和干燥擴散系數(shù)，干燥過程中其擴散系數(shù)更大，與文中含水率變化相符合。另外對比實際生產(chǎn)中的潤葉及復(fù)烤過程一般的增濕及干燥水分變化范圍(見表4中表注1、注2)，發(fā)現(xiàn)區(qū)間內(nèi)水分變化時間與相對應(yīng)擴散系數(shù)大小趨勢想符合，說明以水分變化大區(qū)間得到的擴散系數(shù)相對應(yīng)實際生產(chǎn)中的水分變化小區(qū)間的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

在所考察的溫濕度范圍內(nèi)，吸濕與干燥均存在升速段、第一降速段和第二降速段三個階段，與實際生產(chǎn)過程中復(fù)烤工藝操作條件設(shè)置相結(jié)合，通過逐步提高濕度控制方法合理控制濕度可以避免冷凝吸濕，增強片煙增濕的均勻性。

對比了6種薄層動力學(xué)方程，所選模型對吸濕和干燥均能進行很好模擬與預(yù)測，其中Midilli模型擬合效果最好。通過動力學(xué)模型可對生產(chǎn)過程中水分遷移進行預(yù)測，更好的控制復(fù)烤過程含水率指標(biāo)及均勻性。

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Study on thin-layer dynamic models of humidifying and drying of tobacco strips

HUANG Feng1,CHEN Qing1,WANG Le2,DOU Jiayu1,WANG Suhong1,LI Bin2
1 Huahuan International Tobacco Co.,Ltd.,Chuzhou 233121,Anhui,China；
2 Key Laboratory of Tobacco Processing Technology,Zhengzhou Tobacco Research Institute,China National Tobacco Corporation,Zhengzhou 450001,China

C2F tobacco strips from Panzhihua were investigated on features of humidifying and drying from the perspective of moisture migration rate,dynamic model and parameters application in order to study the law of moisture migration in tobacco strips during processing under different temperature and humidity conditions.Results showed that humidifying and drying of tobacco both experienced a changing process of increasing stage,first decreasing stage and second decreasing stage.According to mechanism analysis it was found that moisture condensation could be avoided and uniformity of tobacco humidifying could be enhanced by increasing humidity gradually.Six thin-layer dynamic models were examined and the model Midilli fit best in both process of humidifying and drying.Dynamic parameters and interval time of moisture change was highly correlated if moisture control of ordering and redrying in the processing was taken into account.Such correlation would render good reference for actual production.

tobacco strips; humidifying and drying; dynamics; thin layer-mathematical model

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.06.006

TS45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-5708（2014）06-0034-07

安徽省煙草專賣局資助項目（20120551010）

黃鋒（1984—），碩士，主要從事煙葉原料及打葉復(fù)烤工藝研究，E-mail：huangf004@163.com

李斌（1976—），博士，研究員，主要從事煙草工藝技術(shù)研究，E-mail：lib@ztri.com.cn

2013-12-09