CN1100908A - 烟草膨胀方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明对烟草膨胀方法作了一些改进，这些改进 能令人注目地提高高压烟草浸渍系统的处理量。根 据本发明的各种改进，烟草可在一高压浸渍区进行浸 渍，然后从膨胀区卸出，一个完整周期的时间少于一 分钟，一般少于约15—30秒。此外，按照本发明的 其它内容，通过对高压浸渍区内可用处理室间在使用 上的巨大改进，烟草处理量又有了进一步的提高。而 且，本发明还提供了减少烟草处理膨胀剂用量的一些 方法。

Description

本发明涉及用于膨胀烟草的方法和设备。更具体地说，本发明涉及用来改进烟草膨胀的生产量和经济效益的方法和设备。

在过去的二十年中，烟草膨胀方法已成为香烟制造工艺中的一个重要组成部分。烟草膨胀过程是被用来恢复烟草的松装密度，并且/或者恢复在烟叶加工处理和贮存时所减少的烟草体积。此外，膨胀烟草是许多低焦油及超低焦油香烟的一个重要组分。

有商业价值的烟草膨胀方法在Fredrickson的美国专利3，524，451和Moser等的美国专利3，524，452中有所描述。这些专利描述了将烟草与一种浸渍剂接触，然后迅速加热以挥发掉浸渍剂从而令烟草膨胀的方法。在Fredrickson等的美国专利3，683，937中则描述了对上述方法的一种修改，该专利揭示的烟草膨胀方法是用一种气态的有机化合物来浸渍烟草的，经浸渍的烟草然后通过加热或者迅速减低压力来进行膨胀。

在Utsch的美国专利4，235，250，Burde等的美国专利4，258，729和Sykes等的美国专利4，336，814中揭示了在膨胀烟草中二氧化碳的使用。在这些及相关的方法中，令气态或液态二氧化碳与要浸渍的烟草接触，然后对浸渍过的烟草进行迅速加热让二氧化碳挥发逸出使烟草膨胀。在已知的二氧化碳膨胀方法中，其典型特点是为了使烟草有很显著并且稳定的膨胀，必须对烟草进行剧烈的加热。这种剧烈的加热可能有损烟草的香味，并且还可能产生过量的烟草细屑。另外，在使用液态二氧化碳浸渍烟草时一般会产生含有干冰的固体硬块形式的浸渍烟草，而这些硬块在加热处理前必须加以破碎，这就增加了工艺的复杂性。

Zeihn的美国专利4，461，310和美国专利4，289，148描述了采用超临界氮或氩来浸渍烟草加以膨胀的方法。这些气体在迅速减压时从烟草除去，而烟草则藉加热的气体或微波方法实现膨胀。这些方法中要产生显著的烟草膨胀，都得将烟草在超过2，000或4，000psig直至超过10，000psig的压力下进行处理。

White和Conrad的美国专利4，531，529则描述了一种增加烟草填充容量的方法，它是将烟草与一种低沸点、高挥发性的膨胀剂例如通常是气相的卤化碳或烃在高于或接近膨胀剂的临界压力和临界温度的条件进行浸渍。将压力迅速释放至大气压力就能令烟草膨胀，而无需加热步骤来引起烟草膨胀或使烟草固着于其膨胀的状态。这个方法的压力条件最低为36kg/cm²（512psi），但无已知的上限。曾经采用过低于142kg/cm²（2，000psi）的压力，结果烟草膨胀是令人满意的，并无显著破碎现象。据称高于这个范围的压力一般是不需要的。当用于将膨胀剂的压力增加至所需压力的时间为1至10分钟时，在所需压力下不需要附加的保持时间或仅需甚短的保持时间，即可使烟草获得有效的浸渍。

Conrad和White的美国专利4，554，932描述了一种液压处理设备，它包括一个圆形的壳体和一个往复式滑塞装置，后者的安装可使其在壳体外的一加料位置和壳体内的一处理位置之间运动。在滑塞装置上装有密封元件，使它与壳体紧贴，形成一压力室。有管道可将工作液体引入此压力室。这样的装置就提供了一个适用于材料高压处理（例如为膨胀用的烟草浸渍）的设备，其加料和卸料简便，而将与通常用于高压处理设备的密封与闭锁机构有关的问题减至最小程度乃至消除。因此，这种设备提供了一种为烟草膨胀工艺可用的省时且经济效益好的压力容器。

Kramer的美国专利5，067，293是关于一种处理烟草材料和其它生物材料的方法和设备，该设备具有一种形成动密封的机构，这种动密封就是一些协同运动的表面将一处理室密封住。按此专利所提供的这种动密封系统可用于在较高温度和压力条件下处理烟草，包括在超临界温度和压力条件下的烟草膨胀过程。在此专利中，分批处理过程和连续过程都作了揭示。对烟草的膨胀，揭示了所用超临界流体相对于烟草的重量比大于40∶1，据称此时烟草材料的完全浸渍实际上是瞬间完成的。在减压之前浸渍时间保持1至10分钟，据称烟草的膨胀可以更大。

White等的美国专利4，962，773描述了一种使香烟棒承受一些条件的过程，使得其切丝填料在包卷纸内进行体积的膨胀。在此专利中描述了各种不同的浸渍条件和浸渍流体，包括高于超临界压力的温度的浸渍条件。在此专利的操作实施例中，使用了一个体积为4.5升的压力容器在超临界条件下浸渍烟草棒。

当采用显著大于大气压力的浸渍压力时，上述烟草膨胀方法以及其它方法必须以分批式或连续方式（Kramer的美国专利5，067，293）进行。分批法需要复杂的处理设备，并且其操作周期时间长，因为开启和关闭容器以及将浸渍剂引入容器和从容器除去均需费时。在改进各种设备以降低周期时间方面已作了一些工作，然而，在已知的分批处理系统中按常规技术能取得的生产量上的显著改进，主要还是靠增加单个系统的体积和/或增加同时采用的分批处理系统的数目来实现的。

本发明对烟草膨胀方法作了一些改进，这些改进能令人注目地提高高压烟草浸渍系统的处理量。根据本发明的各种改进，烟草可在一高压浸渍区进行浸渍，然后从膨胀区卸出，一个完整周期的时间少于一分钟，一般少于约15-30秒。此外，按照本发明的其它内容，通过对高压浸渍区内可用处理空间在使用上的巨大改进，烟草处理量又有了进一步的提高。而且，本发明还提供了减少烟草处理膨胀剂用量的一些方法。

本发明的一个内容是提供了一个其高压浸渍区的可用浸渍空间基本上完全为压缩烟草所填满的高压烟草浸渍方法。将一种浸渍剂引入浸渍区，对压缩烟草进行浸渍。烟草压缩的量一般大于1.25∶1，例如1.5∶1，而压缩至少2∶1至3∶1或更大些则尤佳。这样，浸渍区可用空间的处理量就大为增加，例如增加50%至200%或更多。尽管在浸渍时烟草受了这么大的压缩，较佳实施例表明，烟草膨胀程度仍有了很大的提高，在其填充容量上最少增加50%，可达乃至超过100%。在本发明的较佳实施例中，浸渍压缩烟草所用的周期时间可小于20秒。

除了能显著增加高压处理容器的可用处理量外，本发明的这一内容还能够显著降低浸渍时引入浸渍区的膨胀剂的用量。本发明的这个内容因此提供一种烟草膨胀的方法，其中，用来浸渍烟草的膨胀剂的体积能比烟草的体积（是烟草在松散未经压缩的状态测量）还要小。所用膨胀剂的体积，其典型值可以是烟草体积的一半，甚至还更小些。

本发明的另一个内容是，在将烟草加入到浸渍区之前先对烟草作预热处理，可以显著改进在临界压力和温度附近或其以上的条件下浸渍烟草所需操作周期的时间。在本发明的又一个内容中，发现了在将膨胀剂通入浸渍区之前将它预压和预热到其超临界值以上的压力和温度，可以使烟草为膨胀剂所浸渍经22秒钟即可成功地完成，而获得的浸渍烟草能够产生很大的膨胀。按照本发明的这个内容，包括超临界流体的通入时间、浸渍时间和减压时间在内的整个操作周期可以不到一分钟，较佳地可少于20秒。操作周期还可以为10-12秒或更小，所得烟草填充容量的增加超过50%，达到乃至超过100%。

实施本发明的工艺过程可以采用各种不同的设备。在一个较佳实施例中，使用了Conrad与White的美国专利4，554，932所述的滑塞型烟草膨胀机。这种机器更好地是进行了一些改进，即装上一个能同时将烟草加料并压缩到可动滑塞上去的更好的烟草加料装置。

按照本发明的另一个设备实施例，有一个蓄储器用来将预热的高压流体通到烟草膨胀区。使用这种蓄储器可以使高温高压浸渍过程中所储存的高压高温流体的体积减至最小，从而将对于高压容器的需求减至最小，并减少与工艺过程有关的安全措施问题。

在本发明的更好实施例中，是按White与Conrad的美国专利4，531，529的方法为浸渍烟草提供高于临界温度和临界压力的丙烷流体。发现采用高于2，000psig的丙烷可以减短操作周期。联合使用本发明的各个内容，高压浸渍区的烟草处理量可以比现有技术的处理量大10-30倍以上。将烟草进行压缩可以提供通常处理量的二三倍甚至更多些。采用预热的烟草或者还基本上瞬时地把预热预压的超临界流体通入膨胀区，可以在每分钟操作时间内完成5次或更多次的烟草浸渍循环。因此，在每分钟操作时间内，一个给定容积的膨胀室就可以很容易地用来浸渍其体积超过5倍（较佳情况下会10至15倍乃至更多倍）于浸渍室体积的疏松烟草。

下述的一些附图是本发明原始文件的一部分，这些图中：

图1是本发明一个较佳设备的截面图，其各种不同的操作位置部分地用虚线表示；

图2是沿图1的直线2-2的截面图，它表示了一个将压缩烟草装入图1所示设备的浸渍空间的烟草压缩装置；

图3a，3b，3c是用于图1所示设备的几种较佳蓄储器的截面图，这些蓄储器能将其中处于超临界温度和压力以上的流体基本上瞬时地通入图1的设备；

图4是采用了本发明各个内容的一个较佳流程图；

图5则简示了图1设备操作的一个较佳控制方法。

本发明的各种不同的方法与设备实施例叙述如下。虽然本发明是结合包括附图中的一些特定的方法和设备来叙述的，但要理解，本发明并不打算仅限于此。相反地，本发明包括着根据上述讨论以及下面详细描述可显而易见的种种起同样作用的，经修改的，可供选用的方法和设备。

图1表示一种用于本发明各个方面的较佳设备。这个设备的结构一般来说是按照了1985年11月26日授予Conrad与White的美国专利4，554，932。本发明引用了该专利。为简短起见，该专利中所述的种种细节在此不作重复，若要了解其细节可参阅该专利。

如图1所示，这个设备包括一个具有园柱形壳体12和滑塞装置14的压力容器。壳体12和滑塞装置14可用任何合适的材料制成，包括不锈钢、青铜等。下面将可见到，壳体和滑塞的具体结构和尺寸应足以承受压力容器中预期所用的压力。

滑塞装置14包括两个园盘形端板16和18以及一根连接杆20。当滑塞是如图1所示处在壳体12中时，端板16和18，连接杆20以及壳体12就构成了一个预定体积的环形空间22，此环形空间就是个密封的压力室即压力区。

如图1所示，滑塞装置的位置是水平的，安装得可以在加料位置24（虚线所示），卸料位置26（虚线所示）以及图1中实际的浸渍位置之间往复运动。有一个液压活塞推动的或马达拖动的装置28，通过图1中部分示出的轴30连接到滑塞装置上，使它可在该三个位置之间移动。

当滑塞装置在位置24时，烟草通过一对相向的半园柱形加料部件32加到滑塞的周围。烟草可以是各种形式的，包括烟叶（含有梗和筋）、去梗的烟叶、烟草切丝填料（用于香烟制造的切成或撕成的烟草细条）。这两个加料部件32各通过一连杆34与一作往复运动的加力装置如液压活塞（图中表示）等相连。一批批的烟草料36受力压在滑塞上，最好还对烟草进行了压缩，其详情在下面将结合图2叙述。

滑塞在位置24加了烟草料之后，就移动到浸渍位置。端板16和18都各有其膨胀密封件40和42。这些密封件是液压膨胀的弹性体环，液压液体通过液体管线44流到此弹性体环。液压液体例如食物级的油由一液压储压器45受压流过管线44，流入密封件40使之向外膨胀从而将压力室22密封住不致泄漏。此密封件还包括与之连成一体的耐磨环（图中未示），这是有利的。这种耐磨环的作用是当滑塞在各个位置之间移动时将烟草颗粒从壳体12和烟草加料端的表面括掉。液压液体从滑塞的一端通过一连接杆46中的孔流入管线44，该连接杆与滑塞14的至少一端连接，在图1中只表示了连接杆的一部分。

高压气体管线48和49通过通道50和51与壳体12连通，这两个通道与端板18上位于密封件42之间的环形空间52对准。此环形空间52是通过许多个径向通道54和轴向通道56与连接杆20表面上的槽子58相连通的。因此通道50和51就能在滑塞装置14处于图中所示位置时让高压流体引入和离开高压室22。在连接杆20的周围有一个或多个筛网59，其作用是防止烟草堵塞通道56和槽子58。

在设备上装有一对速动阀60和62供迅速将流体输入和排出浸渍室22之用。这些阀较好地是用球阀，其通道尺寸是直径为0.5英寸至1.5英寸或更大些，视浸渍区的大小而异，要使得高压流体进入或排出浸渍区22基本上瞬时的。这些阀最好是由图中未示的速动液压执行机构开启和关闭。

在设备的输入侧，有高压气体管线48与一蓄储器装置64相连接，该蓄储器装置下面将详细叙述。有一个蒸发器66，其作用是加热进入蓄储器64的气体。也可以用图中未示的装置对蓄储器64加热以维持其中的流体处于受热状态。在蒸发器66的进入端装有一个图中未示的高压泵，其作用是将压力例如为2.500psig的高压流体输入蒸发器66和蓄储器64。

用来将高压流体从浸渍区22排出的高压管线49连接到一气体回收区（图中未示），以回收由浸渍区排出的流体。

在烟草卸料区中有一个气动卸料装置例如无油气体压缩机，当滑塞装置向卸料位置26和离开该位置移动时，此气动卸料装置就将一种流体例如高压空气或氮气喷射到围在滑塞14的烟草上。在滑塞处于卸料位置时卸除的烟草，就落入一个其中有许多交错排列的振动齿的去缠结装置73中，然后进入一回收槽74，烟草在其中可进一步作干燥处理，或视必要加热处理以产生膨胀。

图2是烟草压缩加料装置32，用来将烟草压在滑塞的周围。如图所示，每个加料部件32都是半园柱形的，其安装可以保证它在图中虚线所示的封闭位置80和退开位置之间运动。烟草36通过槽子82喂入烟草装料区。半园柱形的加料部件32然后运动到装料位置80，将烟草36压在滑塞14上，基本上填满了端板16和18之间连接杆周围的环形空间。烟草的量最好应使其在压到滑塞14周围之前的疏松状态体积比该环形空间的体积大得多。

烟草在压缩前的体积即疏松填充的体积，是用在一个长、宽、高各为1英尺的立方容器中测量密度的方法来求的。将烟草倾倒到此立方容器中，称重求出烟草的疏松填充密度。于是在压缩前烟草一次装料的疏松体积可由料的重量和其疏松填充密度来算出。将烟草料的疏松填充体积除以其压缩体积即其在滑塞上的体积，就得到压缩比。所有这些数值，都是在烟草料喂入浸渍区时实际含水量情况下或校正到这一情况下求得的。因此，若一滑塞具有浸渍体积为25立方英寸，压缩在滑塞上的烟草具有疏松填充体积为50立方英寸，就得到压缩比为2∶1。

显而易见，在滑塞上能供烟草占据用的体积将比供高压流体占据的总空间要小。在这方面，因为滑塞周围还包括流体通道54和56以及槽子58，这些空间能为流体占据，但由于筛网存在的缘故而不能为烟草所占据。结果为烟草占据的“可用体积”即能被烟草在浸渍区内紧密填充所占用的体积，一般比浸渍流体所占用的体积为小。典型的情况是，烟草占用的体积约是浸渍流体占用体积的75-80%，后一体积包括着不能供烟草占用的各种槽子和通道所限定的空间体积。

图3a、3b、3c是用于图1所示设备的较佳蓄储器的截面图，这些蓄储器能够基本瞬时地将其中处于临界温度和压力以上的流体输入图1的设备中。图3a表示了适用于本发明的一种气体/气体蓄贮器。此蓄储器64是用来将一种高温高压浸渍流体，例如温度高于约200°F（129℃），压力为2，555psig的丙烷，提供给图1的滑塞浸渍器中的浸渍区的。蓄储器64包括一个管状的壳体100，它是用能承受高温高压的材料例如优质碳钢制成，并在其内表面102进行了硬化处理。在蓄储器的两端，各有分别含输入高压气体的通道108和110的端件104和106。这两个端件藉螺纹112固定在壳体100的两端。在每个端件上各装有一个吸收冲击的装置，它是一个支撑在一对Bellville垫圈形式的法兰弹簧115上的环形件114。

在中央位置装有一活塞116，它可在壳体100中运动，并将壳体的两侧分隔为两个流体区118和120。活塞116是用磷青铜之类的合适材料制成的。在活塞116的外围装有一滑动密封件119。活塞116在上述温度和压力条件下运动时，这个密封件能够在两个区域118和120之间提供并维持密封。此密封件的材料与流体不起作用，是可变形的，因此能径向地向外膨胀，能在活塞116的外表面与壳体100的内表面之间产生密封力。

图3a所示的就是此密封件19的一个例子，它是围绕在活塞116外表面的5个分开的活塞环120-124，这些活塞环提供着活塞116外表面与壳体100内表面之间的密封接触。靠内的三个活塞环121-123比外侧的两个活塞环120和124的变形性较大些。这些活塞环用GRAFOIL碳模制而成，可自A.W.Chesterson公司作为NS型5300整体模成形环（对121-123）和NS型5600GTPHD整体模成形环（对120，124）的商品购得。然而，也可用其它材料，只要它是惰性的，并能在活塞116运动时为区域118和120之间提供密封就行。

有个环形件126对活塞环120-124产生压缩作用，它是由一环形加压件130的凸缘128轴向地受力压到那些活塞环的。环形加压件则靠一螺栓固定于活塞116，它通过偏置件134施加一预定的偏置力，偏置件134是一对购自A.W.Chesterson公司的5500型3/4英寸法兰弹簧。将螺栓132旋紧，通过螺栓132，加压件130和环形件126施加到活塞环120-124的压缩力足以将法兰弹簧134压平，结果活塞环120-124就径向地朝外膨胀，在滑动活塞116的外表面与壳体100的内表面之间产生了密封力。

在图3a的设备中，一种高压的惰性气体，例如压力为6，000psig的氮气保持在一个流体室118中，而浸渍流体，例如2，500psig的丙烷则保持在另一流体室120中。当高压的浸渍流体从区120释放进入图1的浸渍器时，活塞116会迅速运动，与端件106接触，此时的冲击力为冲击吸收件115所吸收。此后，将浸渍流体再泵入此蓄储器，直至达到预定压力，最好是2，500psig。

图3b图示了另一种实施例的蓄储器，它是靠液压体操作的，对本发明也可适用。与图3a的蓄储器一样，图3b的蓄储器64也是用来将高压浸渍流体如2，500psig的丙烷输送到图1所示的滑塞浸渍器的浸渍区的。蓄储器64在结构的许多方面与上述图3a的气体/气体蓄储器基本上是类似的。例如，图3b所示的蓄储器64也包括一管形壳体100，端件104和106，输入高压气体的通道110和一冲击吸收装置，支撑在Bellville垫圈形式的一对法兰弹簧上面的环形件114。端件104和106的结构如同以上就图3a的蓄储器所述，所不同的是端件104中并无输入高压气体的通道108。如图3b所示，冲击吸收装置还可以包括有冲击吸收凸缘300。

图3b的蓄储器是用液压液体操纵的。蓄储器64中有一通常的液压活塞件302，它藉同一活塞杆304与活塞件116相连结。图3b的活塞件116的结构与上述图3a的位于中央的活塞件116基本上相同，不同的是它的一端与公用活塞杆304的一端连接。在壳体100的中央，固定安装了一个静止的挡板306，它限定着其两侧的两个流体空间118和120。静止的挡板306上有一个孔307，它适足以容纳活塞杆304，让活塞杆通过此孔作轴向的往复运动。

流体区118备有一个出入口通道308，供液压液体如食物级的油进出流体区118之用。液压液体经通道308打入流体区118，以维持另一流体区中的浸渍流体如丙烷在2，500psig的压力。当高压的浸渍流体从区120排放进入图1的浸渍器时，活塞116会迅速运动，与端件106接触，冲击力则如同上述被冲击吸收件115所吸收。此后，又将浸渍流体再泵入蓄储器达到预定的压力，最好是2，500psig为止。

静止的挡板306还起着分隔泄漏的丙烷和泄漏的液压液体的作用。任何有泄漏的丙烷可通过通道310排列一丙烷回收区。在该处丙烷可烧掉或排放到例如如上所述的供回收由浸渍区排出流体的气体回收区中去，或排放到回收槽74中去。而任何有泄漏的液压液体则通过通道312排到一液压液体回收区例如贮槽（图中未示）中去。

图3b还表示了蓄储器可以在其壳体100的外围有一个加热夹套314。它可以是本技术领域中已知的令容器中的流体加热或保持温度的任何一种类型。本发明中的此加热夹套314是用来加热流体区120中的浸渍流体。因此，如图3b所示，此加热夹套应包围住浸渍流体区120的全部长度。熟练的技术人员也会理解，加热夹套也可以如图3c所示那样，围住蓄储器的整个长度。加热夹套也可以如图3c所示那样，围住蓄储器的整个长度。加热夹套314的供热可以用常规方法，例如将热的油沿管线316和318分别通入和排出。

图3c表示了按本发明有用的另一种蓄储器的实施例。与图3a和3b所示的蓄储器一样，图3c的蓄储器64也是用来将高压浸渍流体如2，500psig的丙烷通入图1滑塞浸渍器的浸渍区。和图3b的蓄储器一样，图3c的蓄储器64在结构上有许多方面基本上与图3a的蓄储器类似。图3c的蓄储器包括一管状壳体100、端件104和106、输入高压气体用的通道110、和一位于中部的活塞件116。活塞116限定着两个分隔的区，区118和至少一个流体区120，它们各在活塞相对的两侧。端件104和106以及活塞116的结构如同前述的图3a蓄储器一样，不同的是端件104中没有输入高压气体的通道108。在本发明的这一实施例中，端件104作了修改，其中有一孔道320与一连接杆322配合，使该杆可通过它作往复运动，其详情下面再述。另外，活塞116在其一端与连接杆322相连，其详情也在下面再述。

图3c中，一液压板引机构或类似的马达装置324通过连接杆322与活塞116相连，以驱动活塞116在蓄储器内的运动。液压执行机构可以是本技术领域中已知的，将液压能转变成机械功的任何类型的机构。例如，图示的液压执行机构324可以包括一管状壳体326。在此液压执行机构的两端各有一个端板328和330。在其中部安装一个可在油缸326中运动的活塞322，它限定了在其相对两侧的分隔的液压液体区334和336。区334和336各有其出入口338和340。如箭头所示，当液压液体由一液压液体源通过管道344经过口338进入时，液压液体则经过口340通过管道346返回液压液体源。液压执行机构324也有一个连接杆348，它从活塞332轴向地装置着，通过流体区334，并通过端板328上的孔350。连接杆348与连接杆322耦连，使得连接杆348的往复运动转变为连接杆322的往复运动，从而带动缸体100中活塞116的运动。

如前所述，浸渍流体例如2，500psig的丙烷是保持在第二流体区120中的。当高压浸渍流体受液压执行机构324的驱动力从区120排出，输入到图1所示的浸渍器时，活塞116会迅速运动，直接与端件106接触，此时的冲击力由冲击吸收件115所吸收。之后，浸渍流体又泵回到浸渍器，直至达到预定压力，最好是2，500psig。

再回到图1，在运转时有一个高压泵（图中未示）用来向蓄储器64的高压流体区输入丙烷。当一气体由蓄储器排出，压力降就由一图中未示的装置监测出来，控制系统即将泵起动，立即开始为蓄储器重新装入高压流体如丙烷。气体蓄储器64可在本发明对图1浸渍区中的烟草进行浸渍期间，以很短的5-30秒时间重新装满。

图4表示了本发明的一个较佳工艺流程。图4的这个流程较好地是按1985年7月30日授予White与Conrad的美国专利4，531，529实施的，该专利已被参考结合入本文。图中方框150表示的是一个高温高压丙烷的储存装置，如图3的蓄储器64。该储存装置150可以不用蓄储器64那种形式。例如，也可用一大体积的均压箱来储存高温高压丙烷。或者也可采用购自Parker Bertea Aerospace，Parker Hannfin Corp，Metal Bellows Division，Moorpark，California 的金属膜箱蓄储器。

将丙烷的压力保持在2000psig以上为佳，在2，500psig至3，000psig尤为有利。本发明已发现，当采用这样高的压力时，就可用极短的浸渍时间（约5至约15秒）来浸渍烟草，且能使得烟草的填充容量有极为令人满意的增加，例如超过50%至100%的增加。将丙烷的温度维持在280°F（138℃）以上是有利的，最好在300°F（149℃）至400°F（204℃）之间，例如约300-315^°F（149-157℃）。这就为加热浸渍区中的烟草提供了大量的显热。

在方框155所示的程序中，最好是呈切丝填料形式的烟草在加入到浸渍区之前予以预热，这较为有利。预热烟草也可为在浸渍区中建立适当短周期时间的条件提供热量。烟草预热至125°F（52℃）以上为佳，预热至约140°F（60℃）或更高些则更佳，例如预热至150-160°F（66-71℃）或更高些。可以向烟草添加水分以提高其柔韧性。本发明有利地采用了约16%至约30%乃至更高的水分含量。

对烟草预热可以采用任一种方式，包括加热鼓、微波能量以及蒸汽喷射供热。据信蒸汽供热是很好的，因为可将热量更为有效地传递给烟草，同时增加其含水量。

预热过的烟草然后在方框160所示的程序中进行压缩。如前所述，烟草以至少1.25∶1的压缩比压缩为佳，压缩比大于1.5∶1更佳，若大于2∶1直至3∶1或更高些则尤为有利。对烟草进行压缩增加了烟草的密度，使得在喂入浸渍区之前烟草的密度大大地大于其压缩前的密度。本领域的技术人员会清楚，疏松填充烟草的密度会变化很大，视烟草是叶形还是切丝填料形、烟草的含水量以及其它因素而异。基于含水量12%计算的填充密度为每立方英尺20磅，用于本发明是很方便的。尽管增加了填充密度会在某种程度上增加达到相同膨胀程度所需的周期时间，但在本发明中已成功地采用了填充密度大于按含水量12%计算的每立方英尺20-30磅，而此时浸渍时间仍小于20秒，烟草的填充容量增加则超过50-100%。

压缩烟草然后在方框165所示的程序中在浸渍区内进行浸渍。若丙烷用作浸渍流体，由经加热的丙烷和加热的烟草提供给浸渍区的累积热量，对于保证浸渍区内的浸渍条件在约240°F（116℃）和约270°F（132℃）之间，更佳是约260°F（127℃）是十分有利的。已发现，当热量既由预热烟草又由预热丙烷提供时，在约5秒甚更短的时间内即可达到约260°F（127℃）和2，500psig的浸渍温度和压力条件。

显然，若丙烷流体预热到更高的温度。则为在浸渍区中达到所需温度条件的烟草预热温度可以较低。然而丙烷能加热的温度可以认为有个上限，高于此上限温度会有害于浸渍区中的烟草。此外，由于本发明较佳实施例中使用了较小体积的浸渍流体，能用于加热烟草的浸渍流体的质量是比较小的。膨胀剂的质量一般与烟草的质量相同或较小些。因此由烟草之类的源来提供热量仍然是需要的。

同样也显然的是，烟草浸渍区中的温度条件可以通过其它手段达到，例如在浸渍区内采用一加热器。然而对于达到极短的周期时间来说，联合采用预热烟草和预热高压丙烷的办法已发现能产生非常合意的结果。预热烟草的有利效应尚不十分清楚其原因，但可能是因为经预热的烟草由于包括烟草柔韧性等因素会比环境温度的烟草以较快速度吸收浸渍流体的缘故。

经压缩和浸渍的烟草在浸渍条件下维持1-2秒至约20秒的短时间。然后在图4方框170所示的程序中卸除其压力。压力卸除最好应基本上是瞬时的，即在约一秒甚更短时间内完成。采用一种大入口的速动阀可以达到迅速卸除压力的目的。然后将压缩烟草几乎立即取出浸渍区，以便烟草产生膨胀。较好地是，烟草还需接受与强制的干空气或加热空气接触处理，使其水分含量保持在例如约10-20%，这是有助于膨胀烟草稳定化的。

当所用的膨胀剂是丙烷或White与Conrad的美国专利4，531，529中所述的某种类似膨胀剂时，无需对烟草加热来使膨胀烟草定形。而且，由于没有用高温加热条件，挥发性香味剂、糖之类的物质也不致有显著的损失。然而本发明也可以用其它膨胀剂，包括为促使烟草膨胀或使膨胀烟草定形必须采用包括加热的膨胀条件的那些膨胀剂。

图5表示用于图1的装置在短于20秒的短周期时间内实现很大膨胀的一种控制方法。为实现周期时间为20秒或更短，包括有能探测膨胀过程中一些条件的传感器的这种或类似的控制系统是十分必要的。本领域的技术人员不难看出，控制硬件可以是气动的、电气的或者以气动或电气为基础的，可以包括一台微处理机。

在图5中的方框200，有合适的传感器用来证实滑塞装置是否在其装料位置24，并且证实是否有合适量的烟草料已经在位待装。如果这些条件满足，控制则传递至下一步的方框205，此时两个加料部件32就运动，将烟草压到滑塞14上去。有一个合适的传感机构例如位置挡板证实了两个加料部件都在合适的加料位置后，控制就传递至下一步的方框210。在方框210的程序中，就起动液压活塞28，令滑塞移动到压力容器的壳体12中，有一个合适的传感器例如位置挡板之类证实了滑塞已在壳体中的合适位置后，控制则传递至下一步的方框215。

在方框215的程序中，有个阀开启令液压液体由液压蓄液器45流出，给密封件40和42充液。此液压蓄液器45最好应能装足够量的液压液体，可以在约一秒或短于一秒（最好比一秒短很多）的时间内对密封件40和42加压至3，000psig的压力。有一个合适的传感器能探测密封件40和42中的液体压力，当压力到达所需压力如3，000psig时，控制即传递至下一步的方框220。

在方框220的程序中，快速充料阀60开启，同时一定时器开始工作。结果加热加压的浸渍流体例如压力大于2，000psig，温度约300°F（149℃）或更高的丙烷就进入浸渍区22。在这样的条件下，特别若浸渍区的烟草受过预热的话，浸渍过程是很快的，因此定时器可以设定在几秒至约15-20秒的很短时间。根据浸渍区22中烟草的含水量、温度和密度情况，可以调节浸渍时间的定时。一当定时器到达所设定的时间，控制即传递至下一步的方框225，此时充料阀关闭。一传感器证实了此阀关闭后，控制就立即传递至下一步方框230，令排放阀62立即开启。

控制于是传递至下一步方框235，此时浸渍区压力的传感器就不断给出读数，直至浸渍区内的压力降至一预定的低压力，如10-20psig。在此时刻，控制传递至下一步方框240，此时有一个阀开启，令液压液体流出密封件40和42。有个合适的传感器在测量着密封件中液压液体的压力，当此压力降到一所需的低压力时，控制即传至下一步的方框245。

在方框245的程序中，液压活塞就启动，将滑塞14移动至其卸料位置26。与此同时，压缩机72也开动，当滑塞到达位置26时，将高压空气或氮气喷向滑塞。在方框250的程序中，一合适的传感器探测着活塞的位置，一当滑塞到达了最高卸料位置，液压活塞28就立即改变运动方向，令滑塞回到装料位置。然后控制传递到方框255，此时一传感器测出滑塞在室12中的位置，压缩机于是就停止工作。然后整个控制程序又由方框220再次开始。

在本发明中所述烟草膨胀过程的各个方面是具体结合使用丙烷作为引起膨胀的浸渍剂，使用邻近或高于超临界温度的浸渍温度条件以及接近或高于超临界压力的高压条件，并具体结合较佳设备来讨论的。然而，这里所述的各种有效的烟草膨胀过程和设备，也可认为适用于其它一些烟草膨胀过程、膨胀流体和设备。例如，对烟草进行压缩，可显著增加随后进行烟草膨胀的许多在高压如大于100psig的各种容器中进行烟草浸渍过程的处理量。同样，使用其体积显著小于进入浸渍区烟草的疏松填充体积的烟草膨胀剂，可以提高许多烟草浸渍和膨胀工艺的经济效益，包括浸渍时在浸渍区中的膨胀剂是气体或液体或气液都有的那些工艺。

同样，将高温高压浸渍流体例如邻近或高于超临界温度和超临界压力的二氧化碳基本上瞬时地通入浸渍区，可用来显著缩短浸渍周期时间。同样地，当浸渍液体是用来在较高温度条件浸渍烟草时，本发明的烟草预热步骤也可显著地缩短浸渍周期时间。

这里所指的烟草填充容量按通常方法使用一电子自动填充容量测定仪进行测量。该测定仪中采用一直径3.625英寸的实心活塞装在一同样直径的筒体中，并可在其中滑动，该活塞将每平方英寸2.6磅的压力施加在筒体中的烟草样品上。这些参数被认为是模拟烟草在香烟制造机中成形香烟棒过程中所承受的填充情况的。对于膨胀烟草，使用重量为50g的被测烟草样品。对于未经膨胀的烟草，则使用重量为100g的样品。

本发明已结合一些较佳实施例进行了描述。但是在不偏离本说明书所述的和后面的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行许多改变和修正。

Claims (32)

1、一种膨胀烟草的方法，其特征在于它包括下述的步骤：

将一经压缩的烟草料置入一能承受高压条件的浸渍室中，烟草料的量应是其疏松填充体积至少约为该浸渍室有效浸渍体积的150%；

将浸渍室中的压缩烟草用一膨胀剂进行浸渍，所用的浸渍条件足以产生当置于膨胀条件下能膨胀至少约50%的浸渍烟草。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述压缩烟草料的量是其疏松填充体积至少是浸渍室有效浸渍体积的约200%。

3、根据权利要求1所述的方法；其特征在于所述烟草料是烟草切丝填料。

4、根据权利要求1所述的方法；其特征在于所述浸渍步骤的温度是大约等于或高于膨胀剂的超临界温度。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于浸渍步骤的压力是大约等于或高于膨胀剂的超临界压力。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述膨胀剂是丙烷。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于浸渍步骤的时间短于1分钟。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于浸渍步骤的时间短于约30秒钟。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于浸渍步骤的时间短于约20秒钟。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述膨胀剂是以温度高于流体的超临界温度，压力高于流体的超临界压力的流体状态通入所述浸渍室的。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在浸渍步骤中，是将压力大于约2000psig，温度高于约240^°F(116℃）的丙烷流体通入浸渍室的。

12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于烟草在置入浸渍区之前先预热至一较高温度。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于烟草预热至至少125°F（52℃）的温度。

14、根据权利要求12所述的方法，其特征在于由预热烟草和预热膨胀流体向浸渍室提供的累积热量可以使该室达到约240°F至270°F（116℃至132℃）的温度。

15、根据权利要求1所述的方法，其特征在于它还包括将经浸渍的压缩烟草由浸渍室除去的步骤以及使经浸渍的压缩烟草处于足以使烟草膨胀的条件的步骤。

16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述除去步骤包括将足够多的膨胀剂从所述浸渍室除去，以便将其中的压力降低到大约为大气压力。

17、根据权利要求15所述的方法，其特征在于它是将不同烟草料的烟草放置、浸渍和除去的步骤相继重复进行，而烟草的放置、浸渍和除去的进行务使通过所述浸渍室的烟草处理量按其疏松填充体积计至少是每分钟五倍于浸渍室的可用体积。

18、用于浸渍烟草的设备，其特征在于包括有：

有高压条件下处理烟草的室装置；

适合于并安装得能够将烟草料进行压缩并装入该室的装置；

将膨胀流体通入该室以浸渍该烟草料的装置；

将经浸渍的压缩烟草从该室卸出的装置。

19、根据权利要求18所述的设备，其特征在于该室包括：

一个园柱形管状的壳体；

一滑塞装置，其安装使它能在壳体外的至少一个位置和壳体内的处理位置之间作往复运动，该滑塞装置是由两个园盘形端板和一根位于这两个端板之间并将这两个端板固定在一起的连接杆构成的，这两个端板与连接杆限定着在杆周围的环形空间；

一密封装置，当该滑塞装置位于处理位置时它用来在两个园盘形端板和壳体之间形成密封，使得壳体、端板与密封装置构成一压力室。

20、根据权利要求19所述的设备，其特征在于所述的装料和压缩装置包括：

在所述滑塞装置的相对两侧有一对相向的通道；

一套烟草压缩装置，其安装使它能在每一通道中的后退位置和前伸位置之间作往复运动以推动烟草通过通道，并将烟草压入所述滑塞装置的该环形空间中，此烟草压缩装置包括两个半园柱形的端面，此两端面的尺寸与形状拼合起来恰能在所述滑塞的该环形空间周围围成一个园柱体。

21、用一膨胀剂浸渍烟草的设备，其特征在于包括有：

一个在高压条件下限装烟草料的室；

一个将流体状态的膨胀剂通入该室以浸渍烟草的装置；

一个与所述膨胀剂的引入装置相连接的蓄储器它是用来维持一个在较高温度和压力的所述膨胀剂的供应源，此蓄储器含有一个限定至少一个流体区并能改变此流体区体积的可动部件，此流体区中装有所述膨胀剂。

22、根据权利要求21所述的设备，其特征在于所述可动部件限定着至少两个分隔开的流体区，其中一个区装有所述膨胀剂，而另一个区装有一气态的加压流体。

23、根据权利要求21所述的设备，其特征在于所述可动部件限定着至少两个分隔开的流体区，其中一个区装有所述膨胀剂，而另一个区装有一液压加压液体。

24、根据权利要求21所述的设备，其特征在于所述可动部件与一液压执行机构耦合，用以改变所述流体区的体积。

25、根据权利要求21、22、23或24所述的设备，其特征在于所述可动部件构成了对流体的密封，当所述膨胀流体保持在高于约2，000psig的压力和高于约200°F（93℃）的温度时，此密封就能防止有显著量的膨胀流体从膨胀流体区漏失出去。

26、根据权利要求21、22、23、24或25所述的设备，其特征在于所述的膨胀剂是丙烷。

27、根据权利要求22所述的设备，其特征在于所述加压流体是氮气，而所述膨胀剂是丙烷。

28、根据权利要求27所述的设备，其特征在于所述膨胀剂保持在高于约2，000psig的压力以及高于约200°F（93℃）的温度，而所述加压流体保持在高于6，000psig的压力。

29、根据权利要求21所述的设备，其特征在于所述蓄储器包括一个管状壳体，所述可动部件装在该壳体中，可以运动。

30、根据权利要求29所述的设备，其特征在于它还包括：

在所述壳体相对两端各有一个端件；

在所述端件的内表面各装有一个冲击吸收装置。

31、根据权利要求29所述的设备，其特征在于所述可动部件还含有位于该部件周边的起润滑作用的装置，此装置在可动部件的外表面与壳体内表面之间起润滑作用。

32、根据权利要求29所述的设备，其特征在于所述可动部件还含有位于该部件周边的密封装置，此装置在可动部件的外表面与壳体内表面之间起密封接触的作用。

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