CN1095248A

CN1095248A - 烟草的浸渍与膨胀方法

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Publication number: CN1095248A
Application number: CN93120188A
Authority: CN
Inventors: 邝·H·乔; 托马斯·J·克拉克; 约瑟夫·M·多布斯; 尤金·B·费希尔; 黛安尼·L·莱斯特; 乔斯·M·G·尼波姆西诺; 沃尔特·A·尼科尔斯; 拉维·普拉塞德
Original assignee: Philip Morris Products Inc
Current assignee: Philip Morris Products Inc
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1994-11-23
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: EP0602944B1; TR27137A; RO112465B1; HUT67764A; ATE172604T1; HU219363B; RU2116737C1; EP0602944A2; KR0163205B1; EE03276B1; BG62029B1; SI9300666A; TW307677B; LT3429B; PL173068B1; US5799665A; BG98307A; CN1043842C; FI935686A; ECSP931011A

Abstract

将一批烟草送入一安装在分度转台上的筒中，此转台载运着该筒依次通过四个工段。在第二工段，烟草由冲头压实。在第三工段，这批烟草转运到一压力容器中，并使CO₂气体流过烟草使之冷却。闭合上有关出口使此气体升压来进行浸渍。此初步的冷却使一控制量的CO₂冷凝到烟草上。之后释压，致 CO₂气体膨胀与液态CO₂蒸发来冷却此已浸渍之烟草。在第四工段，将烟草取出，继后由加热使其膨胀。

Description

本发明涉及用来膨胀烟草体积的一种方法，更确切地说，本发明涉及用CO₂来膨胀烟草。

烟草技术界早已熟知需使烟草膨胀来加大它的容积或体积。有多种理由需使烟草膨胀。膨胀烟草的初期目的之一涉及到补偿因烟草干燥过程造成的重量损失。另一目的在于改进烟草的某些特殊部分例如烟梗的吸用特性。也希望来提高烟草的浸渍能力以便用较少量的烟草来生产香烟之类吸食品，使之具有相同的紧密度，但却比由具有较致密烟草填料之未膨胀烟草制得的相当吸食品，输出较低的焦油与尼古丁。

为膨胀烟草已提出过多种方法，包括在压力下以气体浸渍烟草然后再释压，借此使烟草室膨胀以加大此经处理之烟草的体积。其它使用过或已提出过的方法包括用水或较易挥发之有机或无机液等液体来处理烟草，使之浸透烟草，然后驱除这类液体使烟草膨胀。其它已提出的方法，包括用固体物质处理烟草，这类物质在加热时分解产生用来膨胀烟草的气体，另一些方法则包括使用含气体之液体，例如含CO₂的水，在加压下使气体进入烟草，并在已浸渍之烟草加热或减降了环境压力下，使烟草膨胀。还开发了若干膨胀烟草的技术，它们涉及到采用于烟草内反应形成固体化合物反应产物的气体来处理烟草，此咱固体反应产物然后因加热而分解，在烟草中产生经释除后便导致烟草膨胀的气体。更为具体的有：

美国专利1789435号，它描述一种方法与设备来膨胀烟草体积，以补偿干燥烟叶中造成的体积损失。为实现此目的，使干燥与经过调节的烟草与在压力下的一种气体（可以是空气、CO₂或蒸汽）接触，然后释压，烟草便发生膨胀。此专利指出，用这一方法可使烟草体积增大约5-15%。

美国专利3771533号，它业已普遍转让，涉及到一种以CO₂气体与气体氨处理烟草的方法，在此，烟草为这些气体所浸润而在原位形成了氨基甲酸铵。此氨基甲酸铵之后固加热分解，在烟草室内释出气体并促致烟草膨胀。

美国专利4258729号，它业已普遍转让，描述了一种膨胀烟草体积的方法，其中在使CO₂基本上保留在气态条件下来浸渍烟草。把在此浸透工序之前预冷烟草或是在浸渍工序之中由外部装置来冷却烟草床，限制在要避免使CO₂冷凝到任何显著程度。

美国专利4235250，它业已普遍转让，描述了一种用来膨胀草烟体积的方法，其中在使CO₂基本上保留在气态条件下来浸渍烟草。在减压过程中，一部分CO₂会在烟草中转变为部分冷凝态。此项专利指出，此CO₂的热含量经控制到使CO₂的冷凝降到最低限度。

美国专利RE.32013号，它业已普遍转让，描述了用来膨胀烟草体积的一种方法与设备，其中之烟草是以液体CO₂浸渍，在原位使此液体CO₂转变为固体CO₂，然后促致此固体CO₂蒸发以使烟草膨胀。

1991.6.18提出的共决与普遍转让的美国专利申请07/717064号，以及于1992.12.23此0519696A1号公布之相应的欧洲专利申请82305534.7号，公开了一种以CO₂浸渍烟草而后使其膨胀的方法。其中包括有使气态CO₂与烟草接触，以及控制工艺条件以使一受控的CO₂量冷凝到烟草上等步骤。

业已发现，在用气态CO₂进行浸渍的过程中，为使烟草充分浸渍，在此种过程终端（在CO₂从最大压力下排出后），烟草必须达到足够低的出口温度。在排出之际，逸出的CO₂会减降烟草床的温度。

采用气态CO₂来浸透烟草的先有方法并未控制冷凝程度，由于冷却只是借气体膨胀提供，故未能使高松密度之烟草床实现充分冷却。随着这种烟草床的松密度加大，待冷却之烟草质量将增加，而烟草床之间余留的体积或空隙空间以及可供冷却用之气体量便会减小。不经充分冷却，是不可能使已浸渍之烟草达到合格的预膨胀稳定性的。

通常，松填就的烟草床显示出这样的烟草松密度梯度：由于烟草柱重量的压缩效压，随着趋近于底部，松密度也愈高。用气态CO₂和较低松密度之松填烟草床的膨胀方法，会导致烟草冷却不均，从而使烟草的稳定性与膨胀性不均。

深烟草床底部处的松密度有可能成为一种只涉及气体之过程的限制因素，这是因为在一深床底产处的烟草可能具有过大的松密度，以致不能为气体膨胀冷却效应所充分冷却。结果，利用气体CO₂的烟草膨胀方法便局限于较小或较浅的烟草床。尽管这类小型床业已用于实验性开发目的，但通常未能在工业生产中实际应用。

业已发现，尽管高的松密度防碍了先有的采用气态CO₂膨胀方法的成功应用，但申请人等采用CO₂气体受控冷凝之欧洲专利0519696A1的方法，则可以用于高松密度的特别是最初已加以压实的烟草。这已成为可给出较大产量方法的优点。

上述压缩方法可以通过直扫，压缩一批烟草来实现，或通过调配之类若干加工步骤实现。

在本发明的方法中，烟草开始时被压缩成不小于10bl./cu.ft（160.2kg/m³）的一松密度。此松密度最好不超过20lb/cu.ft（320.4kg/m³。松密度应为12-16lg/cu.ft（192.2-256.3kg/m³），最好为13-15lb/cu.ft（208.2-240.3kg/m³）。此压实的烟草在压力下为CO₂浸渍前加以冷却。此咱冷却可以通过将CO₂流经此烟草来实现。在此浸渍阶段，CO₂气体处于或接近饱和，当其与烟草接触，会有足够的CO₂冷凝到烟草上，以确保在继后释压时，CO₂的膨胀与冷凝CO₂的蒸发会把已浸渍之烟草的温度降低到35°-20°F（-37.4°～-6.7℃）内。

随后，按常规方式，例如通过在大气压力下加热来膨胀此已浸渍的烟草。

按本发明浸透的烟草可以用较少的能量来膨胀，例如与采用液体CO₂条件下浸透的烟草比较，可以在可比较的停留时间内采用温度低得多的气流。

此外，本发明可允许在比过所用要广的温度范围内进行膨胀，以在最终的烟草制品中来更好地控制还原糖与生物碱之类的化合物与味觉成分。

此外，与采用在CO₂排出前不使其冷凝条件下的气体CO₂的方法相比，依据本发明浸渍与膨胀的烟草能取得更大的产量。根据本发明，冷凝CO₂的蒸发会提供充分的冷却，使得即使是松密度相当高的烟草也能有效地浸透与膨胀。这种蒸发冷却最好是在高松密度的烟草床中，用来实现足够低的通风后烟草温度，以保证已浸渍烟草的稳定性。

业已发现，当实施本发明时，此通风后烟草温度基本上与烟草松密度无关。

在浸渍前压缩或压紧烟草，不仅能获得高的松密度而且还能在整个床中取得较均匀的密度。据此，除能进一步保证CO₂浸渍的均匀性外，还能提高此方法的总体产量。

当通过本发明一最佳实施例装载上浸透机来提高烟草松密度，亦可提高此方法之产量的。除此，与松散的烟草床相比，压实的烟草床较少可能因重力或气流而沉结，不然这会在浸渍机中构成不希望有的空隙。此外，由于对每磅烟草所压缩的气体体积较小，所发展的压缩热也较小。在加压的后几个阶段，烟草上冷凝的CO₂就能避免使压缩热局部化。由于实现了足够低的通风后温度，即令是对于高松密度的烟草，在浸渍后，本发明的方法也能获得可接受的CO₂保留量与稳定性。

因物料通过率提高而提高了的过程产率会更大地节省生产成本，或通过减小处理设备的尺寸而节省总成本。此外，如下面所述，在一最佳设备中进行的小批量短周期处理，基本上能等效于一种连续过程。

需用之CO₂量减少以及松密度的提高还有益于周围环境，因为对每磅烟草所排放到大气中之气体更少了。

下面简述附图。

本发明之上述的和其它的目的与优点，将通过阅读结合附图阅读下面的细述与代表性实例而获得理解，在附图中：

图1是CO₂-标准的温度一熵图;

图2是据欧洲专利A-0519696号用于膨胀烟草之工艺过程简化的框图;

图2A是图2的一种变型，示明根据本发明一实施例用来压实、浸渍与膨胀烟草的过程;

图3是对于炉挥发物（OV）含量约12%、14%、16.2%与20%之烟草的，从于250psia（1723.5kpa）与-18℃下浸渍过之烟草中放出CO₂重量（%），相对于浸渍后时间的曲线图;

图4是对于三种不同OV含量之烟草中所保留的CO₂重量（%）相对于通风后时间的曲线图;

图5是对于OV含量约12%和约21%之烟草的，已膨胀之烟草平衡CV（柱形体积）相对于膨胀前保持时间的曲线图;

图6是对于OV含量约12%和约21%之烟草的，已膨胀之烟草的比容相对于膨胀前保持时间的曲线图;

图7是已膨胀之烟草的平衡CV相对于膨胀塔出口OV含量的曲线图;

图8是烟草中还原糖减少量（%）相对于膨胀塔出口OV含量的曲线图;

图9是烟草中生物碱减少量（%）相对于膨胀塔出口OV含量的曲线图;

图10是一浸渍容器的示意图，示明了通风后在整个烟草床中不同点处的烟草温度;

图11是已膨胀之烟草的比容相对于膨胀前经浸渍后之保持时间的曲线图;

图12是已膨胀之烟草的平衡CV相对于膨胀前经浸渍后之保持时间的曲线图;

图13是烟草温度相对于烟草OV含量的曲线图，示明了对于在8000psig（5515kpa）下浸渍过之烟草，为实现合适之稳定性（例如在膨胀前约1小时的后排出保持时间）所需的预冷却;

图14是根据本发明对高松密度烟草实施短周期浸渍处理之设备的示意性顶视图;

图15是图14之设备的示意性剖视图;

图16是从与图15观察方向基本上相同方向观察的，通过图15中压力容器的放大剖面图;

图17是类似于图14的顶视图，但涉及到本发明之另一实施例;

图18是一与图15类似的图，但涉及的是图17中之设备;而

图19是一与图16类似的图，但涉及的是图18中之设备。

下面详述本发明。

本发明广义地说涉及一种方法，它采用一种能即购到的较廉价、不可燃和无毒性之膨胀剂，来膨胀烟草。更具体地说，本发明涉及到一种显著减小了密度和提高了充填能力之已膨胀的烟草产品制造方法，制造时，是以饱和的气态CO₂和控制量的冷凝液态CO₂在加压下浸渍烟草，经快速释压，然后促致烟草膨胀。可以通过加热、辐射热或类似的能促致CO₂浸渍剂快速膨胀的热生成条件来实现已浸渍之烟草的膨胀。

为了实施本发明的方法，既可以处理整片的已烘干烟叶、已切断或斩断形式的烟草，也可以处理选定的烟草部分如烟梗甚或可以是重新组成的烟草。在已切碎的形式中，待浸渍之烟草所具粒度最好是从约6至约100目，而更好是不小于约30目。在此所用到目是根据美国的标准筛，而这些值则反映了有多于95%之给定粒度的烟粒能通过一给定目值的筛。

在此，水份%可以看作是与OV等值，因为除水以外，不会有超过烟叶重量0.9%的挥发物。OV的测定是对烟叶在一控制到212°F（100℃）下的循环空气炉中曝放了3小时后，简单测量其重量损失后的结果。此种作为初始重量%的重量损失即是OV含量。

一般，待处理之烟叶所具之OV含量至少约为12%和少于约21%。此待处理烟叶的OV含量最好应约为13%-16%。低于约12%OV时，烟草甚易破碎，造成大量的烟粉。高于约21%OV，就需作超量的预冷却以实现可接收的稳定性同时需要极低的排出后温度，结果形成易碎的脆性烟草。

根据本发明，为了在整个烟草床中实现所需之高松密度或较均匀的密度，或是获得既有高松密度又较均匀的烟草床，常对烟草在以CO₂浸渍之前加以压实或压紧。烟草可在放到加压容器前压实，或在加压容器内时再加以压实，这样可使在压力容器内的烟草最终所具的松密度基本均匀且显著地大于典型松散充填之烟草的松密度。

对于分批式的浸渍作业，最好用CO₂气体冲洗含烟草的压力容器，这种冲洗作业一般进行约1至4分钟。在涉及到高松密度烟草床的最佳实施例中，由于空隙空间可能已最小化且由于对每磅烟草来说压力容器也较小，是有可能减少这种冲洗要求的。在下面结合图14-16所说述的例子中，仅需进行5秒的冲洗步骤。省除这种冲洗步骤不会有损于最终产品。冲洗的优点是能除掉可能干扰CO₂回收之气体，同时除去可能干扰CO₂作全面渗透之外来气体。

用于本发明方法中的气态CO₂通常来自一供应罐，在此罐中CO₂保持在约400-1050psig（2758-7239kpa）压力下形式的饱和液中。此供应罐可充以从压力容器中通入的再进行压缩的气体CO₂。也可以将CO₂一般在压力约215-约305psig（1482kpa-2103kpa）与温度约-20°F-约0°F（-28.9℃～-17.8℃）下保持成液体形式的贮罐中，来取得另外的CO₂。来自这种储罐中的CO₂可与再次进行压缩的和存在供应罐内的气态CO₂混合。另外，对来自储罐中的液态CO₂可进行预热，例如通过绕在供料管道上的适当加热线圈，在把此CO/-2引入到压力容器前，预热到约0°-约84°F（-17.8-29℃）一温度和约300-约1000psig（2068-6894kpa）一压力。在此CO₂引入到压力容器内后，此包括有待处理之烟草的容器内部将一般处于约20°-约80°F（-6.7°-26.7℃）的一个温度，以及足以使此CO₂保持或基本处于饱和态的一个压力下。

烟草的稳定性，亦即已浸渍之烟草经减压后在最终膨胀步骤之前可以储存的且仍能满意膨胀的一段时间，须取决于初始的烟草OV含量亦即预浸渍的OV含量以及在排出压力容器后的烟草温度。俱有较高初始OV含量的烟草与具有较低初始OV含量的烟草相比，为了获得相同程度的稳定性就需有较低的烟草通风后温度。

OV含量对以250psia（1723.5kpa）和-18℃下的CO₂浸渍之烟草的稳定性之影响，是按以下方式作了测定，即把一称重过的烤烟样品，通常约60至约70g，放在一约300cc的压力容器内。然后将此容器浸于一调节到-18℃的温度控制浴内。在此容器达到与浴热平衡后，用CO₂气体冲洗此容器。再将此容器加压到约250psig（1723.5kpa）。通过把此CO₂压力于-18℃保持在CO₂饱和在力下至少20-30psig（1379-2068kpa），以确保气相浸渍。当让烟草在压力下浸渍约15-约60分钟后，此容器压力在与大气相通时即于约3至约4秒内迅速降至大气压力。将通风阀立即关闭，并将保持在压力容器内的烟草浸没在-18℃的温度控制浴中约1小时。经过约1小时后，此容器温度在约两小时后升高到约25℃，以便释除余留在烟草中的CO₂。用一台IBM的兼容计算机以及从实验室工艺公司（Laboratories Technologies Corp.）取得的LABTECH板本4数据搜集软件，对此容器的压力与温度进行了连续的监控。此烟草在恒温下随时间变化而放出的CO₂量能够根据此容器随时间变化的压力加以计算。

图3对于上述的在250psia（1723.5kpa），-18℃下CO₂浸渍的，约12%、14%、16.2%和20%的烤烟之稳定性作了比较。OV含量约20%的烤烟在-18℃经15分钟后损失了它CO₂拾取量的约71%，而OV含量约12%的烤烟经60分钟后仅约损失它CO₂拾取率的约25%。在容器温度增至25℃后所放出的CO₂总量乃是总的CO₂拾取率的一种指标。这一数据指明，对于在可比压力与温度下的浸渍，随着烟草OV含量的增加，烟草的稳定性下降。

为了实现足够的烟草稳定性，当拟加以膨胀的烟草具有约15%的初始OV含量时，此烟草的温度在从压力容器排出后的温度最好近似于约0°-10°F（-17.8°～-12.2℃）。初始OV含量大于约15%的烟叶应具有一低于约0-10°F（-17.8～-12..2℃）的通风后温度，而初始OV含量低于15%的烟草则可保持在一大于约0-10°F（-17.8～-12.2℃）的温度，以便取得可比程度的稳定性。例如，图4表明了在各种OV含量下，烟草通风后温度对烟草稳定性的影响。图4表明，具有一约21%较高OV含量之烟叶需要有一约-35°F（-37.4℃）的较低的出口后温度，以便获得一可与具有约12%之较低OV含量，通风后温度约0-10°F（-17.8～-12.2℃）之烟草的，类似水平的CO₂随时间的保留率。图5与图6分别表明了烟草OV含量与通风后温度，对于在指明的出口后温度下保持指明的一段时间后已膨胀烟草的平衡CV与比容之影响。

图4、5与6根据的是实验49、54与65中的数据。在各个这样的实验中，烤烟是放在一为此种烤烟充填到总容积在3.4立方英尺（.096m³）、2.4立方英尺（.068m³）的压力容器内。在实验54与65中，约有20磅（9.97kg）的20%OV烟草放在此压力容器内。此种烟草在实验54与65中，分别以CO₂气体在约421psig（2902kpa）和约153psig（1055kpa）下通过此容器，在以CO₂气体使之升压到约800psig（5515kpa）之前，预冷约4-5分钟。

浸渍压力、CO₂对烟草的质量比以及烟草的热容可以按下述方式调节，使得在特定环境下，根据冷凝的CO₂蒸发所需的冷却量相对于CO₂气体在减压时膨胀所提供的冷却量是较小的。但是，随着CO₂气体对烟草之质量比的下降，亦即随着烟草松密度的增加，因冷凝的CO₂蒸发所需的冷却量也增加。为了能通过对烟草作预压实来提高过程产率和实现更均的烟草膨胀，必须有控制地形成和蒸发冷凝的CO₂。

在实验49、54与65的每一个中，当达到约800psig（5515kpa）的浸渍压力时，在容器于约90秒内快速地减压到大气压力之前，使系统压力保持在约800psig（5515kpa）约5分钟。在冷却后减压过程中每磅烟草中冷凝之CO₂的质量，在实验54与65中已作了计算并报告如下。浸渍过的烟草在干燥气氛下保持在其通风后温度，直至它在一3英寸（76.2cm）直径的膨胀塔中，通过与调节到该指明之温度和在一约135ft/sec（44.1m/sec）下的蒸汽相接触后，不超过5秒钟。

表1

实验号 54 65

加料,OV% 20.5 20.4

烟草重量(1bs.) 22.5 21.25

(10/2Kg) (9.63Kg)

CO₂流过

冷却压力(psig) 421 153

(2902KPa) (1055KPa)

浸渍压力(psig) 800 772

(5515KPa) (5322KPa)

预冷温度(°F) 10 -20

(12.2℃) (-29.2℃)

通风后温度(°F) 10-20 -35

(12.2℃to-6.7℃) (-37.4℃)

膨胀塔

气体温度(°F) 575 575

(302℃) (302℃)

平衡的CV(cc/g) 8.5 10.0

SV(比容)(cc/g) 1.8 2.5

计算出的CO₂

冷凝的(1b./1b/tob) 0.19 0.58

柱体容积（CV）

“柱体容积”一词是一个用来测定烟叶膨胀度的单位。贯穿这一申请文件中，与这类名词相连系的所用到的一些数值确定如下：

将未膨胀时重20g或膨胀后重10g的烟草填料置于一6cm直径的，型号为DD-60的比重计筒中，此比重计筒为德国汉堡区Hienr.Borgwaldt公司设计。将一重2kg，直径为5.6cm的冲头置于此筒之烟草上30秒钟。读取此受压烟草的最后体积值并除以此烟草试样重量，得出此柱状体积以cc/g表出的值。这一实验结果测定出一定重量之烟草填料的表观体积。此取得的填料体积值作为柱状体积予以报告。此实验是在75°F（24℃）和60%RH（相对湿度）的标准环境状况下进行的;通常，除非另有说明，此试样即于上述环境状况下预调节24-48小时。

比容（SV）

“比容”一词乃是用理想气体定律的基本原理，测量固体对象如烟草等之体积和实际密度的单位。此比容由取密度的倒数测定，用“cc/g”表示。将一已称重的烟草试样，或按“原样”于100℃干燥3小时，或使其平衡化而放置于一个Cpuantachrome Penta比重瓶的室中。然后以氦气冲洗并加压此室。把由烟草所置换之氦气体积与需用来填满一空试样室之氦气体积加以比较，然后据阿基米德原理测定此烟草的体积。贯穿此申请文件中，除非有不同声明，此比容是用测定OV时所用的相同烟草试样进行测定的，亦即此烟草是在一控制在100℃的循环空气炉中经暴放3小时进行了干燥处理。

所要求的烟草稳定性程度，而因此所要求的烟草通风后温度，是取决于多种因素的，其中包括此烟草在减压后和在膨胀前所需的这段时间数。因此，所需通风后温度的选择应根据所需之稳定度作出。根据上述本发明之方法的另一个方面，此浸渍过的烟草要在浸渍与膨胀两道工序间输运而保持烟草对CO₂的保留率。例如，烟草应由一绝热的和冷的输送机运送且应与任何带潮气的空气隔开。

所需要的烟草通风后温度可以由任何下述的适当装置取得。包括：在把烟草引入到压力容器之前使之预冷，用冷的CO₂冲洗或用其它适当装置在原位冷却压力容器中的烟草，或在原位增大通过的CO₂气体流进行真空冷却。真空冷却的优点能降低烟草的OV含量而不会因热降低烟草的品质。真空冷却还能从容器中除去不冷凝的气体，由此可以省去冲洗步骤。真空冷却能有效地和实用地将烟草温度降到低至约30°F（-1℃）。最好是让烟草在压力器皿中原位冷却。

为到理想之烟草通风后温度所需的预冷却或原位冷却量，取决于CO₂气体在减压中由膨胀而提供的冷却量。因CO₂气体膨胀致烟草冷却的数量乃是CO₂气体之质量对烟草质量之比、烟草的热容、最终的浸渍压力以及系统温度的函数。因此，对一定的浸渍过程而言，当烟草的给料与系统的压力、温度与容积固定时，对烟草通风后最终温度的控制可以通过控制允许冷凝在烟草上的CO₂数量来实现。这一因来自烟草上冷凝CO₂之蒸发而致烟草冷却的量，则是冷凝CO₂的质量对烟草质量之比、烟草的热容，以及此系统的温度或压力的一个函数。

在存在有冷凝的CO₂时，松密度的改变不会显著影响出口后温度。当烟草在浸渍前以CO₂压实时，就会得到较大的松密度，允许在一定的浸渍容器内充填有较多的烟草物质。烟草松密度的增加会提高此过程的产率。尽管这一最佳实施例在描述执行压实步骤来实现较大松密度时，包括了采用冲头的机械式压实，但可以利用任何其它的机械装置或非机械的方法或装备来压实烟草的。

所需要的烟草稳定性由对所采用的浸渍与膨胀过程所作之具体设计决定。图13表明了为实现所需之烟草稳定性而需用的烟草通风后温度，在一特定的设计过程中，相对于OV的函数关系。下部的阴影区200表示的是因CO₂气体膨胀所贡献的冷却量，而上部区域250则表明因CO₂液体蒸发，作为烟草OV之函数来提供所需稳定性而需要之另外的冷却量。在此例子中，合适的烟草稳定性是在烟草温度处在或低于“稳定”线所示之温度时实现的。确定此烟草通风后温度的过程变量包括前面讨论过的一些变量，以及其它如下所述但不局限于它们的一些变量：容器温度、容器质量、容器容积、流体的几何构型、设备的取向、对容器壁的热传输速率以及在浸渍与膨胀间的过程设计的保持时间。

对于图13所示明的800psig（5515kpa）过程，通风后保持时间约1小时，为实现所需的稳定性，12%OV的烟草是不需要预冷却的;而对于21%OV的烟草，为了达到约-35°F（-37.4℃）的通风后温度，则需进行充分的预冷却。

当把液体CO₂用作浸渍剂时，所需要的烟草通风后温度是从约-35°F至约20°F（-37.4°～-6.7℃），是显著地高于约-101°F（-79℃）之通风后温度的。这较高的烟草通风后温度和较低的烟草OV，允许在一显著较低的温度下来进行膨胀步骤，结果使已膨胀的烟草较少带烘烤味和较少损失香味。此外，为膨胀烟草所需的能量也较少，还由于只形成即使有的话也是极少的固体CO₂，这样就简化了已浸渍之烟草的处理。与仅仅用液体CO₂浸渍的烟草不同，按照本发明浸渍的烟草不会有形成必须用机械方式破碎的团块之趋势。这样就可获得较大的有用烟草的产率，这是因为省除了会形成小到难以用于香烟中之烟草粉的破碎烟团工序。

此外，在约-35°F（-37.4℃）的约21%OV的烟草以及在约20°F（-6.7℃）约12%OV的烟草，是和在约-110°F（-79℃）任何OV的烟草不同的，它们不脆，因而输送过程中损伤极小。由于在正常运送作业中，例如在从加压容器中卸下或是从加压容器输运到膨胀区中，因机械作业使烟叶破碎得较少，结果就能提高有用烟草的产率。

通过使出口的烟草OV也即紧接膨胀后的烟草OV含量提高到约6%OV或更高，可以减少浸渍之烟草膨胀过程中的化学变化，例如因加热而损失还原糖与生物碱。这可以通过降低膨胀步骤中的温度来完成。通常情况下，烟草出口OV的提高会伴随着降低所达到的膨胀量。这种膨胀量的减少极其依赖于烟草起始进料的OV含量。随着烟草进料的OV降至约13%，即使是在以约6%或更高的烟草水份含量来离开膨胀装置时，也能观察到膨胀程度存在着最小限度的降低。于是，如果进料OV与膨胀温度减少，则当化学变化降到最小时会取得极其良好的膨胀效果。

图7、8与9是以实验号2241至2242和2244至2254为根据的。这些数据列于表2中。在以上各个实验中，是把经过测量的一定烤烟量置于类似于图1所述之容器的一种压力容器中。

表2

实验号 2241 2242 2244-46(第三) 2245(第二)

烟草重量(1b.) 100 100 325 325

冷凝的CO₂未采用未采用 0.36 0.36

(1b./1b.)计算结果

塔的温度(°F) 625 675 500 550

进料:原料的OV 18.8 18.9 17.0 17.2

平衡的OV 12.2 12.1 12.2 12.1

平衡的CV(cc/g) 4.5 4.6 4.8 4.9

SV(cc/g) 0.8 0.9 0.8 0.8

塔:原样的OV 2.5 2.2 4.6 3.3

平衡的OV 11.5 11.2 11.9 11.8

平衡的CV(cc/g) 9.5 10.8 7.1 8.2

SV(cc/g) 3.0 3.1 1.8 2.3

进料:

生物碱* 2.71 2.71 2.71 2.71

还原糖* 13.6 13.6 13.6 13.6

塔出口:

生物碱* 2.12 1.94 2.47 2.42

减少的% 21.8 28.4 8.9 10.7

还原糖* 11.9 10.6 13.3 13.3

减少的% 12.5 22.0 2.2 2.2

*重量%:干重基

表2(续)

实验号 2246(第一) 2247-48(第一) 2248(第二) 2249-50(第一)

烟草重量(1b.) 325 240 240 240

冷凝的CO₂

(1b./1b.)计算结果 0.36 0.29 0.29 0.29

塔的温度(°F) 600 400 450 500

进料:原样的OV 17.5 14.3 14.2 15.2

平衡的OV 12.0 11.6 11.8 11.8

平衡的CV(cc/g) 4.9 5.2 5.3 5.3

SV(cc/g) 0.8 0.8 0.8 0.8

塔:原样的OV 3.1 6.1 4.6 4.4

平衡的OV 11.6 12.0 11.6 11.5

平衡的CV(cc/g) 9.5 7.4 8.7 9.4

SV(cc/g) 2.8 2.2 2.6 2.9

进料:

生物碱* 2.71 2.71 2.71 2.71

还原糖* 13.6 13.6 13.6 13.6

塔出口:

生物碱* 2.12 2.61 2.49 2.36

减少的% 21.8 3.7 8.1 12.9

还原糖* 11.2 13.6 13.6 13.2

减少的% 17.6 0 0 2.9

*重量%:干重基

表2(续)

实验号 2250(第二)2251-52(第一)2252(第二)2253-54(第一)2254(第二)

烟草重量(1b.) 240 210 210 210 210

冷凝的CO₂

(1b./1b.)计算结果 0.29 0.25 0.25 0.25 0.25

塔的温度(°F) 550 375 425 475 525

进料:原样的OV 15.0 12.9 13.0 12.8 12.9

平衡的OV 11.9 12.0 11.6 11.8 12.0

平衡的CV(cc/g) 5.3 5.4 5.4 5.3 5.4

SV(cc/g) 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

塔:原样的OV 2.8 6.5 5.0 3.60 2.9

平衡的OV 11.4 12.2 12.1 11.8 11.7

平衡的CV(cc/g) 9.4 8.6 8.9 8.9 9.1

SV(cc/g) 3.0 2.6 2.8 3.1 3.2

进料:

生物碱* 2.71 2.71 2.71 2.71 2.71

还原糖* 13.6 13.6 13.6 13.6 13.6

塔出口:

生物碱* 2.26 2.54 2.45 2.39 2.28

减少的% 16.6 6.3 9.6 11.8 15.9

还原糖* 13.2 13.6 13.5 13.1 12.9

减少的% 2.9 0 0.7 3.7 5.1

*重量%:干重基

在实验2241与2242中，于430psig（2964kpa）下用液体CO₂浸渍了烟草。此烟草在过量的液体排尽前于此液体CO₂中浸渍了约60秒。然后将容器迅速减压至大气压力，在原位形成了固体CO₂。从容器中取出浸渍过的烟草，破碎有可能形成的任何烟草团块。再使此烟草于一8英寸（203mm）的膨胀塔中，通过与一调节到指定温度下，速度约为85英尺/秒（25.9m/sec）的75%蒸汽/空气的混合物作少于4秒的接触，使之膨胀。

采用Bran Luebbe（以前称之为Tehnicon）的连续流分析系统，测量了烟草在膨胀前后的尼古丁生物碱与还原糖。用含水的醋酸溶液从此烟草中萃取出尼古丁生物碱与还原糖。对此萃取物首先作透析，取出这两种测定物的主要干扰物。还原糖是通过它在一碱性物质中，于85℃下一对羟基苯酸酰肼反应形成一种颜色而予以测定。尼古丁生物碱则是在存在有芳族胺条件下使之与氯化氰反应来测定。尼古丁或还原糖含量减少就表明出此种烟草中的化合物与味觉成份有损失或发生了变化。

实验2244至2254则是依据（后面）在例1中所述之本发明的方法，于800psig（5515kpa）下，以气态CO₂浸渍的结果。为了研究膨胀温度的影响，在不同温度下用单一浸渍方法使烟草发生膨胀。例如，将325磅（147kg）的烟草进行了浸渍，然后用约1小时的实验过程对三个试样于500°F（260℃）、550°FF（288℃）和600°F（315.5℃）下进行了实验与膨胀，分别表示为实验号2244、2245与2246。为了研究OV含量的影响，对OV含量约为13%、15%、17%与19%的几批烟草进行了浸渍。实验号下的记录：第一、第二或第三指明了从一具体浸渍过程中的秩序。此浸渍过的烟草是在一8英寸（203mm）的膨胀塔中，通过与调节到指定温度下而速度约85ft/sec（25.9m/sec）的75%蒸气/空气混合物进行不超过约4秒的接触，使之膨胀的。在与上述相同的方式下测量了生物碱与还原糖的含量。

参看图2，待处理的烟草被引入到干燥器10中，在此使其从约19%-约28%的水份（重量）干燥到约12%-约21%的水份（重量），而最好干燥到约13%-约16%的水份（重量）。要以用任何适当的装置来完成干燥。已干燥的烟草可以大批地贮放于筒仓中从继后浸渍与膨胀用，或在必要时，经适当的温度调节与压缩，直接送入加压容器30之内。

有需要时，则可用称重带来计量一数量已测过的干燥烟草，然后送到烟草冷却装置20中传送带上，作浸渍前的处理。用包括冷冻方法在内的任何传统方法，于冷却装置20内使烟草在送入加在容器30之前，冷却到低于约20°F（-6.7℃），而最好低于约0°F（-17.8℃）。

图2A中之框图与图2中的类似，但是另外表明了一种压实装置80，用来在据本发明这一改进了的实施例以CO₂浸渍烟草之前来压实烟草。此种烟草可以于压力容器中或在一分离的加压站中或是在这两者之中原位压实。这样，压实装置80是以独立于压力容器30或与之成一整体，同时包括适当的压缩以及输送装置。

对于15%OV的烟草，压实装置80将烟草从开始时的蓬散松密度压实到一高达从约12-约16lbs/cu.ft，而最好是从约13-约15lbs/cu.ft的紧致的松密度。业已观察到，经压实到高于约15或16lbs/cu.ft松密度的15%OV之烟草，在从浸渍容器中取出后，显示出某种结团现象。

对于小型的浸渍机（例如约1立方英尺的），烟草所压实的松密度通过机械加压后，在整个烟草床上基本上普遍均匀。对于大型的浸渍机，机械加压能比只靠重力能提供较均匀的松密度。例如，当把25%OV的烤烟松散地装入一约69″高和直径约24″的圆筒中，所测得的松密度是在约23与约25.5lbs/cu.ft之间，在此烟草床的0″与约20″高之间的测量点处，基本上是均匀的，而在约31.5″高度处减少到约21lbs/cu.ft，然后在约31.5″与此床顶之间，则基本上呈线性地从约21下降到约14.5lbs/cu.ft。要是把一烟草床压实到至少是阈值的松密度，则重力压实效应可略去不计，而此松密度将在整个床中基本均匀。

采用了下面的程序来测量烟草床中不同深度处的松密度。将预称量过的例如40磅数量的烟草依次地置入一筒内。在此筒中每放入40磅烟草后放置一标志。当此筒已为烟草填满且在相续两个40磅烟草量之间插好了标志时，将此圆筒仔细地撤出，留下直立的烟柱与上述标志。测量各个标志的高度，并用它们来计算相应40磅量烟草所占据的体积及其松密度。

此经冷却与压实了的烟草即通过它落入的烟草入口31送入加压容器30中。此加压容器30最好是具有垂向延伸纵轴线的一种筒，在此容器30底部上或其邻近处设有一CO₂供给入口33，而在此容器30的顶部或其附近设有一CO₂排出口。但是，可以按任何方便的方向，例如垂向、水平方向、径向，等等方向来达到排出目的，这是由于本发明的方法因均匀地控制了CO₂的冷凝而在烟草床各个地方具有基本均匀的温度。此外，这一烟草床本身实质上是均匀一致的，因而允许在任何方向上有均匀的气流。

然后用气态CO₂冲洗加压容器30，以从其中除任何空气或其它不冷凝的气体。另外，也可在将CO₂引入此压力容器之前，用直空泵抽空此容器，以除去空气或其它气体。要求冲洗是在这样的方式下，即不会使容器30中之烟草显著升温。最好以任何适当的方式来处理此冲洗步骤中的污染物，以回收CO₂供重新使用，或使之经管道34通入大气中。

经冲洗步骤后，从将CO₂保持在约400-约1050psig（2758-7239kpa）的供应罐50中，将CO₂引入容器30中。当容器的内部压力达到约300psig-约500psig（2068-3447kpa）时，便打开CO₂的出口32，让CO₂流过烟草床，使烟草冷却到一基本均匀的温度，同时将容器30的压力保持在约300-约500psig（2068-3447kpa）。在达到一基本均匀的温度后，即关闭上CO₂出口，同时添加CO₂气体，使容器30的压力增加到约700-1000psig（4826-6894kpa），而最好是增加到约800psig（5155kpa）。然后关闭CO₂入口33。此时，烟草床温度近似于CO₂饱和温度。尽管高达1050psig（7239kpa）的压力从经济上考虑是可取的，但等于CO₂临界压力的1057psig（7287kpa）也是可以接收的，对于合用的浸渍压力范围尚无已知的上限，除了需考虑可资利用设备的能力以及超临界CO₂对烟草的影响之外。

在上述压力容器升压过程，循着一热力学路径，允许一控制量的饱和CO₂气体冷凝到烟此烟草上。图1为CO₂的标准温度（°F）-熵（Btu/lb°F）图，画出一线Ⅰ-Ⅴ来示明本发明的一条热力学路径。例如，把在约65°F（18.3℃）的烟草置于一加压容器（在Ⅰ）中，然后将此容器升压到约300psig（2068kpa）（如线Ⅰ-Ⅱ所示）。通入约在300psig（2068kpa）的CO₂使此容器冷却到约0°F（-17.8℃）（如线Ⅱ-Ⅲ所示）。将另外的CO₂气体引向此容器，升压至约800psig（5515kpa）而升温至约67°F（19.4℃）。但由于烟草这时的温度低于CO₂气体的饱和温度，故会有控制量的CO₂气体均匀地冷凝到此烟草上（如线Ⅲ-Ⅳ所示）。在将此系统于约800psig（5515kpa）下保持到所需的一段时间之后，即让容器快速减压到大气压力，而形成一约-5°～-10°F（-20.6°～023.3℃）的通风后温度（如线Ⅳ-Ⅴ所示）。

在升压前原位冷却烟草至约10°F（-12.2℃），一般可使一定数量的CO₂气体冷凝。冷凝的结果一般会使液态CO₂均匀地分布到整个烟草床上。这种液态CO₂在排除步骤过程中的蒸发将有助于在一均匀方式下冷却烟草。均匀的浸渍后的烟草温度会导致膨胀得更均匀的烟草。CO₂在烟草上的这种均匀冷凝以及这样使烟草获得的均匀冷却结果，由于烟草业已被致密压实到一基本均匀的松密度，而得到促进。

上述的均匀的烟草温度示明于图10，这是用于实验28中的浸渍容器之示意图，表明了在整个烟草床各个位置处于通风后的温度（°F）。例如，此烟草床在距容器100顶3英尺（914mm）处横剖面120上的温度，经测得为约11°F（-11.7℃）、7°F（-14℃）、7°F（-14℃）与3°F（-16℃），此时约有OV含量约为15%的1800磅（815kg）的烤烟放置在一5英尺（内径）×8.5英尺（高度）（1524mm×2591mm）的加压容器中此压力容器然后在以CO₂气体加压到约350psig（2413kpa）之前用CO₂气体冲洗约30秒。再通过以350psig（2413kpa）下的冷却剂使此烟草床冷却到约10°F（-12.2℃）。此时再使容器的压力升高到约800psig（5515kpa），并在于约4.5分钟内快速减压之前，保持约60秒。测量了这一烟草床在不同点处的温度，发现其基本上均匀，如图10所示。经计算，每磅烟草上冷凝有约0.26磅的CO₂。

回到图2，压力容器30中的烟草在约800psig（5515kpa）的CO₂压力下保持约1秒至约300秒，而最好是保持约60秒。业已发现，烟草与CO₂气体的接触时间，亦即烟草必须与CO₂保持接触以便吸收所需CO₂量的需用时间，显著地受到烟草OV含量与所用浸渍压力的影响。具有较高初始OV含量的烟草与具有较低初始OV含量的烟草相比，在一定压力下，特别是在较低压力下时，用于获得可比较之浸渍程度所需用的接触时间较短。在较高的压力下，烟草OV含量对于与CO₂气体接触时间的影响减小。此种情况示明于表3。

表3

浸渍压力与烟草OV含量对与CO₂接触时间的影响

实验号 20 14 21 59 49 33 32 35 30 27

初始烟草OV(%)12.2 11.7 11.8 12.3 12.6 16.7 16.4 16.9 16.5 16.0

浸渍压力(psig) 471 462 465 802 800 430 430 430 460 450

在浸渍压力

下的接触 5 15 60 1 5 0.25 5 10 15 20

时间(min)

塔出口:

平衡的CV(cc/g) 7.5 8.7 10.1 9.8 10.4 8.5 9.3 10.5 11.1 10.5

SV(cc/g) 1.8 2.1 2.8 3.1 3.1 2.1 2.6 3.4 3.1 2.9

控制*

平衡的CV(cc/g) 5.3 5.4 5.2 5.6 5.7 5.5 5.5 5.7 5.5 5.5

SV(cc/g) 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

*进料烟草的

CV与SV

当此烟草经充分浸渍之后，取决于加压容器30的尺寸，于约1-约300秒，通过使CO₂首先排出到CO₂回收装置40，然后经管道34通向大气，令此容器快速减压到大气压力。在此排出步骤，业已冷凝到烟草上的CO₂便被蒸发而有助于冷却烟草，获得一从约-35°-约20°F（-37.4°～-6.7℃）的烟草通风后温度。

冷凝在烟草上的CO₂量最好在每磅烟草0.1-0.9磅CO₂的范围。最佳范围是每磅烟草0.1-0.3磅，但在某些环境下每磅烟草允许有高达0.5或0.6磅的CO₂。

从压力容器30中浸渍过的烟草可以用任何适当的装置，例如加入到一膨胀塔70中，立即膨胀。另外，此浸渍过的烟草也可在一种干燥气氛下，即露点低于烟草出口后温度的气氛下，于烟草转运装置中在此通风后温度下保持约1小时，用于继后的膨胀目的。经此膨胀后，必要时可对此烟草重新整序，而把此烟草用于制造包括香烟在内的一类烟草制品。

以下是些供说明用的例子：

例1

将240磅（109kg）具有15%OV含量之烤烟填料试样冷却到约20°F（-6.7℃），然后放入一约2英尺（610mm）直径和约8英尺（2440mm）高的压力容器内。用CO₂气体将此容器加压到约300psig（2068kpa）。然后在将容器压力保持到上述压力条件下，在其以CO₂气体加压到约800psig（5515kpa）之前，以接近饱和状态的CO₂气体冲洗，使之冷却到约0°F（-17.8℃）。此加压容器的压力保持在约800psig（5515kpa）约60秒。通过与大气相通约300秒，使此容器压力下降到大气压力，经此步骤，得知烟草温度约为0°F（-17.8℃）。根据此烟草温度、系统的压力、温度与体积，以及烟草的通风后温度，计算出每磅烟草上冷凝有约0.29磅CO₂。

此浸渍过的试样由于CO₂浸渍而增重约2%。然后将此浸渍的烟草经1小时之后置于一8英寸（203mm）直径的膨胀塔中，与一种约550°F（288℃）而速度约85ft/sec（25.9m/sec）的75%蒸汽/空气混合物接触，作不超过2秒的加热。这一从此膨胀塔出来之产物具有约2.8%的OV含量。将此产物置于75°F和60%RH标准状态下平衡化约24小时。由标准化的比容（CV）实验测量;此已平衡化之产物的充填本领。给出了一在11.4%平衡水份下9.44cc/g的CV值。在一未经膨胀的控制条件下，则得到具有一在12.2%平衡水份下5.3cc/g的比容。于是，这一经过处理后的试样据此CV法测量的结果，充填本领提高了77%。

在实验2132-1至2135-2中，研究了在膨胀之前经浸渍后的保持时间对已膨胀之烟草的CV和均衡化之CV的影响。在2132-1、2132-2、2134-1、2134-2、2135-1与2135-2的各个实验中，都是将15%OV含量的225磅烤烟置于一与例1所述相同的压力容器中。用CO₂气体将此容器加压到约250-约300psig（1723-2068kpa）。然后依同于例1所述方式在保持为上术容器压力条件下使烟草冷却。再用CO₂气体将此容器加压到约800psig（5515kpa）。在将容器以约300秒通向大气压力之前，将此压力保持60秒。将此浸渍过的烟草在膨胀前保持在一露点低于烟草通风后温度的条件下。图11示明了浸渍后保持时间对已膨胀之烟草比容的影响。图12则示明了浸渍后保持时间对已膨胀烟草之平衡化CV的影响。

例2

将具有15%OV含量之烤烟填料试样15磅置于一3.4立方英尺（0.096m³）的加压容器中。然后用CO₂气体将此容器加压到约185psig（1276kpa）。在保持上述容器压力同时，在以CO₂气体使之加压到约430psig（2695kpa）之前，用接近饱和状态的CO₂气体冲洗约5分钟，使烟草冷却到约-25°F（（-31.7℃）。经通向大气约60秒钟使此容器的压力降至大气压。根据此烟草的温度，系统的压力、温度与体积，计算出每磅烟草上冷凝有约0.23磅的CO₂。

此浸渍过的试样因CO₂浸渍增重约2%。然后将此已浸渍的烟草经1小时后，在一3英寸（76.2mm）直径的膨胀塔中，通过与在约525°F（274℃）和约135ft/sec（41m/sec）速度下之100%蒸汽接触加热不超过2秒。从此膨胀塔出来的产物具有约3.8%的OV含量。此产物在75°F（24℃）与60%RH的标准状态下平衡化约24小时。用标准化的比容（CV）实验测量了此已平衡化产物的充填本领。这样就给出了一在11.0%平衡水份下的10.1cc/g的平衡化CV值。在一未经膨胀的控制条件下，得到一在11.6%平衡水份下的5.8cc/g的CV值。于是，此处理后的试样根据上述CV法测量结果，增加了74%的充填本领。

如上所述，本发明的方法有利于按较小的批量对烟草作短周期的浸渍，使得此种方法基本上属连续性方法。下面参看图14-19描述据本发明之设备来实施此种方法的一个最佳实施例。所描述的实施例涉及到一种小批量短周期的浸渍方法与设备，用来浸渍OV含量约为15%的烟草，出料量约500磅/小时，松密度约14lbs/cu.ft。

图14是用来实施本发明最佳方法之设备的示意性顶视图。在机架1上安装一固定台2′（图15），而在台2′上安装一转台2。转台2依反时针方向（箭头R）绕一基本垂直的轴线A转动。上架1′则依如下所述方式载承一压力容器30。

转台2为气动器、马达与可锁定的齿轮组或步进马达之类的驱动装置，按基本上90°的节距转动（箭头R示向），此种驱动装置未于图中示明，属于熟悉本项技术之人周知的装置。转台2上安装有如下所述的四个相似的柱形管，即示明于给料或填料位置的管4、示明于加压位置的管5、示明于浸渍段位置下的管6以及示明于排料位置中的管7。当驱动装置使转台2按90°的转动节距转动时，各个管4、5、6与7即在约4秒钟内转到各自继后的工作段，并如下所述于此保持约96秒。

图15是图14之设备的柱状剖面图。转台2直接安装在支承于机架1的固定台2′上。可设置通常的轴承来支承固定台2′上的转台2，允许它们作相对转动。管4、5、6与7分别装于转台2一相应孔中，使各管的顶与底通过此转台2中时保持敞开。在各管底部可设一与台2′擦接的刮件，以防烟草聚积于转台2与台2′间的空隙。

有一给料输送器9将松散的烟草（例如15%OV含量之烟草），按基本上为连续流（箭头F）的方式输给一缓冲溜槽或缓冲管11内。烟草在为输送器9输送之前，例如可由图2标明的干燥器10与冷却器20进行预处理。此烟草落经缓冲管11并通一敞开的滑动闸门12进入给料位置中的管4。烟草的给料速率控制成，在约96秒的一工段周期时间内，能使管4基本上充满到顶部。然后转台2在约4秒内使管4运动到图15中为管5所占据之压实或加压段，此一般与图2a中压实装置80相对应。

当转台2在相继的两个停止位置间按所述方式转动时，滑动闸门12即关闭而停止松散烟草的流动，这些烟草然后即备存或堆填在缓冲管11内，直到下一个管（例如管7）位于闸门12下方，此时闸门12即打开。

每个管长约24″，内径约14″，壁厚可经受对烟草的压实力。当一已填料管处于管5的加压位置时，便起动一压实冲头组件13。此组件一般相当于图2a的压实装置，但也可以是例如一种液力驱动的活塞与缸体。冲头组件13将烟草压缩到它初始松散充填体积的一半并约两倍于其初始松填的松密度，也即使其松密度提高到约13lbs/cu.ft。

在将烟草压实后，冲头组件13即在它已经历约96秒的一个工段周期时间之前撤回。然后该盛有已压实烟草的管便于约4秒内转动至管6的浸渍位置且与台2′的孔61对准。有一加压容器冲头组件14从转台2下虚线所示位置经过孔61并穿过管6。冲头组件14将预压实过的烟草带出管6并送入压力容器30。此组件14然后进一步将烟草压至一约14lbs/cu.ft的松密度。至此，锁定销15将冲头组件14锁定就位，而以压力容器30内的CO₂按下面更具体所述来浸渍此已压实的烟草。

之后，锁定销15便运动到一脱开位置，而冲头组件14即自容器30撤出，同时有一顶推冲头16向下驱动，以确保浸渍的烟草床完全脱离开压力容器30。一旦冲头组件14撤回到它起始位置，管6便可转动将浸渍的烟草载运到图15中管7的排出段。

排料组件，例如一冲头，向下通过管7，保证已浸渍之烟草完全脱离管7，然后回撤。此烟草经台21′中的孔71而后落入一排料漏斗组件17。漏斗组件17是隔热的，并以温度低于烟草出口后温度的激冷干燥空气冷却之，以保持烟草的CO₂浸渍剂。漏斗组件17包括一缓冲漏斗18和一批带销滚筒或所谓开幅辊19。此漏斗组件使一批批的浸渍烟草（本例中每批约14磅）均匀地成为烟草的一条连续整体流，同时重整此烟草流的形状，以防“带塞”膨胀设备。烟草在此漏斗组件17中历经了一段在制烟工艺中称之为疏松时间的一段保持时间。此疏松时间的长短取决于漏斗组件17从浸渍器接收烟草的频次。较短的浸渍周期能缩短每批烟草的松散时间，减少CO₂停留在烟草内的稳定性要求。由于CO₂的稳定性与烟草的通风后温度成相反关系，较短的周期不仅能在稳定性降低条件下进行有效的作业，还能比较长的周期具有相同的较高的通风后温度。

图16是图15中压力容器30的放大剖面图，表示的是压力容器冲头14业已将一预压实的烟草床（为醒目起见未示明）推入此容器内，并对烟草作进一步压实，且业已为锁定销15销定就位后的情况。压力容器30包括一个筒34，例如可自蒸压器工程公司（Autoclave Engineeriag，Inc）或压力制品公司（Pressare Products，Znc.）购得，此筒的内径为14″。筒34最好衬以厚约0.125″的隔热衬里35。推顶冲头组件16装配成能依箭头16′方向，通过一在筒34顶部之中配有一压力密封37的孔。冲头组件16的轴38载承一上部气体分配板39a、上部气体室板41a和一上部屏42a。

屏42a、板41a与板39a形成一上部气体分配器组件58a，其尺寸能使之紧密地配合在隔热衬里35内但能于其中运动，在屏42a周围安装有一刮件43a。在压力容器30的相对端，冲头组件14包括一带刮件43b的屏42b、下部气体室板41b与下部气体分配板39b组成的类似装置。部件42b、41b与39b构成一下部气体分配器组件58b，其尺寸例如小于14″，使之能滑配合入筒34的内径范围内。

这样就形成了一种可含烟草的空腔，在径向上为衬里35之内壁界定，顶部为屏42a限定而底部为屏42b所界定。围绕推顶冲头16之轴的压力密封37以及一围绕压力容器冲头14上部的压力密封44，乃是把CO₂气体限制在浸渍压力的高压密封。在气体分配板39a与筒34顶板间设有一低压密封45a，而在下部气体分配器组件58的周边与筒34内壁之间则设有低压密封45b。此低压密封45a与45b可以是一种O形环密封件，只要它能承受在各个气体分配板、气体室板、屏以及烟草床上之间的低压力差。密封45a与45b保证了能在整个气体分配器组件上，因而在整个烟草床上使气体均匀分配，而不只是沿着压力容器的壁部通过。

为了以CO₂浸渍压实的烟草，打开一控制阀（未示明）使CO₂气体引导过气体入口33，然后通过气体强制通风系统46b、板39b与41b以及屏42b以渗透烟草床，同时流过相应的上部部件42a、41a、39a、46a与32。

随着CO₂气体流入，空气即被从烟草床中驱出，并通过屏42a、板41a与39a逸出，然后经气体强制通风系统46a通过气体出口32而来到一控制阀（未示明），由此，CO₂气体可以排放到大气或回收到一回收装置40（图2）中。最好将入口33设在强制通风系统46b之底部或底部附近，便于排出任何冷凝物，同时把出口32设在强制通风系统46a顶部上或顶部附近，以便使任何压缩热排出而不形成陷获的“热点”。

另一方面，通过对压力容器加真空，可以从此容器中驱出空气或其它的气体。真空冲洗特别适用于本实施例中的压力容器，这是因为此容器含有较低的气体容积，因而于5秒钟内便可达到足够的真空。

起始时，上部控制阀完全打开，允许进行约5秒钟的空气冲洗。然后将上部控制阀调节到约250psig的压力，由此使压力容器于约2秒内升压到约250psig，但同时还有极少量的气体仍可经上部控制阀逸出。为了按照本发明来冷却烟草，使约250psig的饱和CO₂气体流过此床约56秒钟。将此烟草床均匀冷却到CO₂在约250psig的饱和状态（例如参看图1）。

此时将上部控制阀调节到约800psig，在此使CO₂流入床内并于约6秒之内升到约800psig，同时仍有少量气体会从此上部控制阀逸出。随着压力在整个床内均匀升高，气体的饱和温度（因而在整个床内也）均匀地升高，使得CO₂均匀地通过床冷凝到冷的烟草上。由于冷凝的结果使烟草变暖，烟草的温度便滞后于CO₂气体饱和温度的增长。这样便可继续形成冷凝物，直到达到约800psig。

业已发现，在选定的约750psig或更高的压力下，对于约15%OV的烟草，为了实现充分的浸渍，在此选定的高压下是不需要另外的浸渍时间的。于是，当达到约800psig的压力时，便可打开上下两个控制阀，让CO₂气体依上下箭头32′示向，经入口33与出口32用约15秒排出，降回到大气压力。通过从底部与顶部两处对床进行排气处理，可以缩短所需的排出时间。这一短周期的于每小时产生约500磅密度约为14lbs/cu.ft之浸渍烟草的过程总结于后面的表4中。本发明这种短周期浸渍过程可以在约100秒内完成，这是因为冲洗、加压与排出步骤都可以迅速地进行，同时由于有高压下的“浸渍时间”和其它的克服压缩热等步骤都可省掉。

表4 作业顺序

近似时间(秒) 作业

4 使压力容器冲头与推顶冲头向上运动

以加入烟草

2 锁合上锁定销

5 通入CO₂来清除空气

2 升压至250psig

56 在250psig下通入CO₂

6 升压至800psig

0 在800psig下流过"浸渍时间"

15 通风

4 使压力容器冲头与推顶冲头向下运动

以从浸渍器中取出烟草

4 使转台转过约90°

100 近似的分批作业时间

在排出步骤中，通过气体的膨胀提供某种程度的冷却，而绝大部分的致冷效应则是由冷凝之CO₂蒸发来提供的。在此例中，这种冷却效应均我地使烟草床温度达到约0°F或更低。可以通过控制烟草的预冷以及流过压力与最大压力之类升压周期参数，来控制出口后温度，以便控制所达到的冷凝量。于是可以在不考虑烟草床密度条件下来达到均匀冷却、浸渍与出口后稳定性。

本发明之短周期浸渍法的另一优点是，通过上述的作业步骤，能够以约100秒的各个分批式周期的总时间和约14-15磅的批料量（对于压缩到约14lbs/cu.ft的初始OV含量约15%的烟草），来实现约500-520lbs/hr的基本上属连续式的出料。事实上，上述的实施例便是设计用来正好获得刚好在500lbs/hr以上的额定出料量的。只需适当地重新设计设备的尺寸与过程变量就可实现其它的出料率。

图17是上述设备另一种变型的示意顶视图。此设备与前述的类似且依一般相似的方式操作，但是将填料位置与压缩位置两者相结合。

在这一实施例中，有三个相似的管：示明于加料或填料位置处的管4、示明于浸渍段位置下的管6以及示明于排料位置处的管7。当驱动装置将转台2按120°转动节距转动时，各个管4、6与7于约4秒内转动到各自相续的工作段，并如下所述于此保持约102秒。

图18是图17所示设备的柱状剖面图。对照图15所作的描述普遍适用于图18。但是，只有三个管4、6与7各自安装在转台2的对应孔中。管4包括一在转台2上转动的上管4a和一安装在固定台2′上的下管4b。当转台2转动到各相继的停动位置时，管4a、6与7将依序地在上方对准到下管4b。在各个管4a，6与7中设有相应的压实套4′、6′与7′。在此实施例中，各个套约13″长，内径约13.5″，壁厚约0.25″。这些套相对于有关的管4a、6或7紧密地配合但可于其中运动。各套最好都以隔热材料制成，且最好如以下所述由几个压力均衡孔贯穿。

将烟草的加料速率控制成能于约90秒内将所需的烟草量加入到管4b与套4′内。然后将滑动闸板12闭合并使压实辅助板48于约2秒钟内运动（依箭头48′示向）到管4a顶部处的位置。另外，可将部件12与48合成一个组件。然后用一压实件于约10秒内将烟草压实。压实件13的起始位置可以根据每次需加入的烟草量来调节。转台2然后在约4秒内将充填有已压实之烟草的管4a与套4′转动到管6的浸渍位置。

使一压力容器冲头组件14从台2′下虚线所示位置运动通过孔61并通过管6。冲头组件14将压实套6“与其中盛放的已预压实之烟草带出管6并送入压力容器30内。然后由锁定销15将冲头组件14锁合就位，而如一般所述方式以压力容器30内的CO₂来浸渍此经压实的烟草。

将锁定销15运动到脱开位置，从容器30中撤出冲头组件14，同时将推顶冲头16下驱，以使压实套6′与已浸渍的烟草床完全脱离此压力容器。一旦冲头组件14脱离管6的底部和冲头16回撤向其起始位置，管6便可转动，将含有已浸渍烟草的且在此管6内的套6′带到图18中管7的排料段处。

图19是图18中压力容器装置30的放大剖面图，此时加压容器冲头14业已将盛有已预压实之烟草床（为醒目起见未予示明）的压实套6′推入到此压力容器内，并已由锁定销15锁合就位。本实施例中的筒并无隔热衬里35而是纳置下此隔热套6′。

这样便形成了一装盛烟草的空腔，它在径向上为筒6′的内壁、在顶部上为屏42a而在底部上为屏42b所界定。在气体分配器组件58a与筒34顶部间设有一低压力密封。在组件58a与套6′的顶部边缘间设有安装在组件58a上的低压力密封52a。在组件58b与套6的底部边缘间设有低压力密封52b。安装在组件58a上的低压力密封45a与52a和安装在组件58b上的低压力密封45b与52b，它们可以是那种O形密封件，只须承受位在各个气体分配器板上的、气体室板上的、屏上的与烟草床上的低压力差。这些密封确保了气体能通过上述屏作合适的分配，而不是沿着压力容器的壁部通过。套6′可以由孔6″贯穿，以保证在此筒的壁上不存在有压力差。

在此实施例中，出口32是设在筒34的顶部中以供向上排放用（如箭头32′示向）。气体强通风系统46a则是作为上部分配器组件58a的一个腔而形成。

浸渍过程与上述的类似，并总结于表4中。但在此实施例中，升压至约250psig是在约2秒内完成，在约250psig下的流过则是在约61秒中进行完，而升压到约800psig则是在约7秒内实现的。这样，全部浸渍周期约需102秒。

在另一个例子中，其中有已浸渍过之压实烟草的管，则具有4.724英寸（120mm）的内径和12英寸（305mm）的高度，给出一个0.1217立方英寸（345cc）的容积。将一按约为4比1之比例的烤烟与白肋烟的混合物调配成不同的初始OV含量，如下面的表5所示。在浸渍管中的此整个烟草是有表5所示的不等之松密度的。将CO₂气体引入到加压容器的底部，而压力则增高到230-250psig（1586-1723.5kpa），在此压力下，可使CO₂气体流过烟草，直至烟草床顶部的温度达到约-2°F。然后将此容器的出口闭合，使压力升高到700-800psig（4826-5515kpa）。在送到此最大压力后的一分钟内，从容器的顶部与底部两处释放掉气体减压。表5示明了在不同初始松密度和OV含量下的几个实验结果。表中的“流过比例”表示用于冷却目的之CO₂的重量对烟草的重量比。表中的“流通终端温度”是指加压容器闭合上时的温度。“平均PVT”是释压后之烟草通风后温度，而“平均CO₂保留率”则指经通风后，烟草中所保留的CO₂重量，它被表示为总重量的一个百分率。

表5

实验号充填密度烟草OV 流过比例流遍终端温度平均PVT 平均CO₂

1bs/cu.ft % 1b.CO₂/1b tob °F °F %

5 18 21 7 -1.7 -3.9 1.53

6 20 21 7 -2.6 -2.4 1.02

13 10 21 13 -2.4 -4.8 0.89

14 16 21 7 -1.8 -5.1 1.32

7 10 12.6 15 -2.0 -3.8 1.65

8 12 12.6 9 -4.0 -7.3 1.59

9 14 12.6 7 -2.0 -5.2 1.35

10 16 12.6 9 -1.9 -1.8 1.50

11 18 12.6 7 -2.7 -3.5 1.65

12 20 12.6 9 -2.2 -3.1 1.92

15 10 15 12 na -9.9 1.94

16 16 15 9 -2.1 -3.6 1.56

当如所述，在依小批量，短周期浸渍，于一基本上连续作业的设备中来实施本发明的方法时，所用的浸渍容器在各个周期之中有可能进一步变冷，这样就可能发生冷凝或结霜。要是在所需的作业条件下出现了“滚雪球效应”这样的问题，则可如图16与图19所示，在气体强制通风系统中设置加热器35a与35b或隔热装置。图16中的隔热衬里35以及力力9中的套6，都是用来使金属筒34与冷的烟草床和气体进行热绝缘的。可将上述加热器控制到例如是在浸渍周期内起动工作，来避免在上述筒等的金属表面上激冷过度和导致结霜的。除此方法，也可在浸渍周期之间将加热到约70°-约150°F的空气之类的热气体，引入到加压容器中。

尽管在已述的最佳实施例中采用了转动机架，但本发明之装置的各个工作段是可以取线性排列形式或是具有一般工程知识的人所知的其它这样装置。

虽然本发明业已参照最佳实施例作了具体的描述和说明，但熟悉本项技术的人当知，在不脱离本发明的精神与范围之前提下，是可以在形式与细节上对此作出种种变动的。例如，当用来浸渍烟草之设备的尺寸有了变化后，则用来达到所需压力、或是通风、或是为合适地冷却烟草床的时间也将变化。

在此说明书中所有的以psig表示的数值均已换算为kpa，但应知这些都是指仪表的计示压力的。

Claims

1、一种用来膨胀烟草的方法，它包括如下几个步骤：

(a)使烟草与CO₂气体接触，此时的压力是约400-约1057psig(2758-7287kpa)，而此时的温度使得此CO₂气体处在或接近饱和状态；

(b)让烟草与此CO₂保持接触一段足以使烟草为CO₂浸渍的时间；

(c)释压；

(d)之后，使烟草处于得以膨胀的条件下；

(e)在步骤(a)之前，将烟草压实到松密度不小于10lb/cu.ft(160.2kg/m³)并从烟草上除去足够的热量以致能有一控制量的CO₂冷凝到烟草上，使得此烟草能在步骤(c)的释压之后，冷却到约-35°-约20°F(-37.4～(6.7℃)的一个温度。

2、一种用来膨胀烟草的方法，它包括在400-1057psig（2758-7287kpa）的压力下以CO₂气体浸渍烟草，同时冷却此烟草/CO₂系统，使得此CO₂气体在浸渍过程中处在或接近饱和状态，然后释压和加热此烟草来释除此CO₂浸渍剂而由此来使烟草膨胀，特征在于：此烟草在浸渍前被压实到一不小于10lb/cu.ft（160.2kg/m³）的松密度，并在此浸渍步骤前实施冷却使CO₂足以在此浸渍步骤中冷凝到烟草之上，由此，通过释压、使CO₂气体膨胀并蒸发此冷凝的CO₂，而令烟草的温度降至-35°-20°F（-37.4～-6.7℃）之间的一个温度。

3、如权利要求1或2所述的一种方法，其中：此烟草被压实到一10-20bl/cu.ft（160.2-320.4kg/m³）的松密度。

4、如权利要求1或2所述的一种方法，其中：此烟草被压实到一12-16lb/cu.ft（192.2-256.3kg/m³）的一个松密度。

5、如权利要求1或2所述的一种方法，其中：此烟草被压实到一13-15lb/cu.ft（208.2-240.3kg/m³）的松密度。

6、如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中：烟草在接触步骤前具有一13-16%的OV含量。

7、如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：对烟草的冷却是通过使CO₂气体流过此烟草来实现的。

8、如权利要求7所述的方法，其中：在此CO₂气体进行冷却过程中的压力低于500psig（3447kpa）。

9、如权利要求7或8所述的方法，其中：在冷却后使CO₂气体的压力升高到，能使此CO₂气体于烟草上冷凝。

10、如权利要求9所述的方法，其中：所升高的压力是升高到750-950psig（5170-6459kpa）。

11、如权利要求10所述的方法，其中：在冷却过程中的压力是在200-250psig（1387-1723kpa）。

12、如权利要求7所述的方法，其中：在以CO₂气体进行冷却过程的压力低于200psig（1379kpa），然后此压力升到高于400psig（2758kpa），以便CO₂气体冷凝到烟草上。

13、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：在接触步骤中来冷却烟草使CO₂气体冷凝到烟草上时，包括在使烟草与CO₂气体接触之前进行预冷。

14、如权利要求13所述的方法，其中：预冷是使烟草处于部分真空态下进行的。

15、如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中：烟草具有一15-19%的初始OV含量，但在与CO₂气体接触前，使之处于部分真空态下来减少其OV含量并使之冷却。

16、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：烟草是被冷却到10°F（-12.2℃）或更低的一个温度。

17、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：冷凝到烟草上的CO₂量是在每磅烟草上有0.1到0.6磅的范围。

18、如权利要求1至16中任一项所述的方法，其中：冷凝到烟草上的CO₂量是在每磅烟草上有0.1至0.3磅的范围。

19、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：接触步骤是在1到300秒一段时间内进行的。

20、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：在接触步骤后的释压是在1至300秒的一段时间内进行的。

21、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：在释压后与膨胀前的浸渍烟草被保持在这样的气氛中，此气氛的露点不大于释压后烟草的温度。

22、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：烟草是在温度处于约300-800°F（149°-427℃）的环境中加热，保持约0.1-约5秒的一段时间而膨胀。

23、如权利要求1至21中任一项所述的方法，其中：烟草是在其与处于约350°-550°F（177°-288℃）时的蒸汽和/或空气接触不超过4秒而膨胀的。

24、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：烟草在释压后的温度低于10°F（12.2℃）。

25、如权利要求1所述的一种方法，其中：在步骤（e），烟草是由CO₂气体冷却到10°F或更低的一个温度下，然后由饱和的CO₂气体使之升压到400-1057psig，由此形成一包括烟草与冷凝之CO₂的系统，而此系统则在压力下保持与CO₂气体相接触以进行浸渍，在此，当于步骤CO中释压时，此烟草即为冷凝之CO₂的蒸发以及此CO₂气体所冷却。

26、如权利要求23所述的方法，其中：冷却是通过使CO₂气体流经上述系统而实现的，而后升高此气体的压力来实现冷凝与浸渍。

27、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：经释压后，已浸渍过的烟草保留有1-4%重量的CO₂。

28、如上述各权利要求中任一项所述的方法，其中：烟草在被引入到一用于浸渍步骤之压力容器内前，于一独立的容器内压实到一不小于10lb/cu.ft（160.2kg/m³）的松密度。

29、如权利要求28所述的方法，其中：烟草在此压力容器内进一步压实。

30、如权利要求28或29中所述方法，其中：使CO₂气体流过此压力容器中的烟草来冷却烟草。

31、如权利要求28至30中任一项所述方法，其中，将用于处理之烟草保持于若干筒罐中而输送过一系列的工作段，这些工作段包括：将烟草引入一筒罐中的加料段;使烟草批料在其间转运到压力容器、冷却、浸渍并返回到前述筒罐中的浸渍段;以及在其间使已浸渍之烟草批料从前述筒罐中取出的卸料段。

32、如权利要求31中所述的方法，其中：对烟草的压实是在此加料段中进行的。

33、如上述各权利要求中任一项所述方法，其中：用来进行浸渍之压力容器的容积不超过2.5立方英尺（0.07m³），而最好不超过1.5立方英尺（0.042m³）。

34、一种烟草制品，它包括依据上述任一项权利要求所制备的已膨胀之烟草。

35、用来以CO₂来浸渍烟草的设备，它包括：一种烟草浸渍容器，用来装盛烟草和纳置用来在压力下浸渍此烟草的CO₂气体;一种烟草压实器，用来在把烟草放入上述浸渍容器前来压实此烟草;一种输送装置，它带有筒罐，用来将各批烟草从此压实器输送到浸渍容器;以及转运装置，用来将烟草批料从一个筒罐转运到浸渍容器，并在浸渍后将此容器返运回此筒罐。

36、如权利要求35所述的设备，其中，所述转运装置使上述各个筒罐依次通过一列工段，即：加料段，在此对筒罐加料;浸渍段，上述浸渍容器即位于其间;以及卸料段，在此工段中将已浸渍之烟草从筒罐中取出。

37、如权利要求36所述的设备，其中：压实器是位于加料段之中。

38、如权利要求36所述的设备，其中：压实器是位于前述之加料段与浸渍段之间的一个压实段之中。

39、如权利要求35至38中任一项权利要求所述的设备，此设备还包括有在卸下一批已浸渍之烟草后用来使浸渍容器升温的装置。

40、如权利要求1或25中所述的方法，其中，步骤（a）、（b）和（c）在不超过300秒-最好不超过100秒的累积时间中进行。