DE19909318C2

DE19909318C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Expansion von Tabakmaterial

Info

Publication number: DE19909318C2
Application number: DE19909318A
Authority: DE
Inventors: Frank Plueckhahn; Gerald Schmekel; Arno Weiss
Original assignee: British American Tobacco Germany GmbH; BAT Cigarettenfabriken GmbH
Current assignee: British American Tobacco Germany GmbH
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: DE50011878D1; AU2063100A; DE19909318A1; AU758500B2; EP1033081A2; PL192942B1; CA2300022A1; BR0000725A; US20020189624A1; PL338751A1; US6397851B1; EP1033081A3; EP1033081B1; US6834653B2; CA2300022C; ATE313276T1; BR0000725B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Expansion von Tabakmate rial. Insbesondere dienen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung der Erhöhung der Füllfähigkeit von Tabakmaterial bzw. zerkleinerten Rauchmaterialien.

Hierbei sollen unter dem Begriff Tabakmaterial entripptes Tabakblatt, Tabakrippe, Ta bakstengel, jeweils geschnitten oder zerfasert, wiederaufbereiteter Tabak sowie Tabak- Nebenprodukte, wie TV- und ZHV-Winnowings, verstanden werden.

Frisch geerntete, grüne Tabakblätter enthalten relativ hohe Anteile Wasser, welches mit tels unterschiedlicher Curingverfahren auf weniger als 10 Massen-% Wasserrestgehalt vermindert wird. Der Wassergehalt wird definiert als der Massenverlust des Tabaks, bezo gen auf die Feuchteinwaage in Massen-% in einem Trockenschrank durch eine Abtrock nungszeit von 3 Stunden bei 80°C (sogenannte Salvisfeuchte). Dieser so aufbereitete Ta bak gelangt als Rohstoff, genannt Rohtabak, in die Fabriken zur Herstellung von z. B. Zi garetten oder anderen Genußmitteln auf Basis von Tabak. Die Verarbeitungskette vom Grünblatt bis zum Rohtabak führt zu einer starken Schrumpfung. Diese Volumenminde rung wirkt sich nachteilig auf die sogenannte Füllfähigkeit aus.

Die Tabakindustrie bezeichnet Füllfähigkeit als die Eigenschaft, mit möglichst wenig Masseneinsatz dennoch physikalisch stabile, feste bzw. harte Endprodukte (z. B. Zigaret ten) fertigen zu können. (Die Füllfähigkeit wird auch definiert als das Restvolumen, bezo gen auf die Einwaage in ml/g, welches sich nach Kompression mit einem 3-kg-Gewicht in einem zylindrischen Gefäß nach einer Wirkzeit von 30 Sekunden einstellt).

Im Stand der Technik sind physikalische und chemische Verfahrensprinzipien bekannt, um den Schrumpfungsprozeß rückgängig zu machen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß das Zellgerüst von zerkleinerten Tabakmaterialien befähigt ist, das ursprünglich im grünen Blatt vorkommende Volumen wiederzuerlangen.

Die physikalischen Prozesse (Phasenwechsel nach gasförmig durch Wärmezufuhr) diffe renzieren sich im wesentlichen durch das Imprägnier-/Treibmedium und damit durch die Art des Phasenwechsels. Beispiele sind die Imprägnierung mit CO₂ (Phasenwechsel fest nach gasförmig), die Imprägnierung mit Freonen/Flüssiggas (Phasenwechsel flüssig nach gasförmig) sowie die Imprägnierung mit hochgespanntem N₂ (gelöst nach gasförmig).

Weiterhin erwähnenswert sind die vorgeschlagenen Verfahren mit organischen Lösungs mitteln in flüssiger Form und Austreibung als Gas, wobei im wesentlichen alle bekannten Niedrig-Sieder beschrieben worden sind.

Die Varianten der chemischen Prozesse (Erzeugung eines Gases durch thermische Zerset zung bzw. exotherme Reaktion) unterscheiden sich im wesentlichen durch die Art der Gaserzeugungsreaktion, wie Zersetzung von Additiven durch Wärmezufuhr im Trockner oder durch Zugabe eines weiteren Additives zur Auslösung einer Reaktion. Beispiele hierfür sind die Imprägnierung mit NH₃/CO₂ (thermische Zersetzung fest nach gasförmig) und die Imprägnierung mit H₂O₂ (thermische Zersetzung flüssig nach gasförmig).

Wirtschaftliche Bedeutung haben lediglich die physikalischen Verfahren erlangt. Typisch ist die Imprägnierung unter Druck mit anschließender Austreibung des Imprägnierungs mittels im Trockner. Die Bedeutung dieser Prozesse erklärt sich durch die rückstandsfreie Austreibung, preiswerte Treibmittel und die Volumenvergrößerung des Tabakmaterials etwa um den Faktor 2.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist die Einschleusung von zusätzlichen Additiven und die Notwendigkeit einer druckbehafteten Verfahrensstufe in den Tabakbehandlungsprozess. Der Imprägnierprozess gestaltet sich normalerweise als aufwendiger Batchprozess.

Die chemischen Prozesse haben aufgrund der Rückstandsproblematik keinerlei Bedeu tung erlangt. Bei allen Verfahren, die wirtschaftliche Bedeutung erlangt haben, wird der Tabak entweder bei Atmosphären- oder Überdruck mit Stoffen imprägniert, die in einem zweiten Schritt, z. B. in einem Trockner, schnell vom festen oder flüssigen Zustand in einen gasförmigen überführt werden. Dieser Bläheffekt führt zur Volumenvergrößerung der Tabakstrukturen. Aus der DE 31 47 846 C2 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Füllfähigkeit bekannt, bei dem das Tabakmaterial einer Trägerströmung in einer Venturi düse zugeführt und dabei expandiert wird. Nachteilig ist hierbei die noch optimierungs bedürftige Füllfähigkeitssteigerung.

Aus der DE 33 15 274 C2 ist ein Verfahren zur Expansion von Tabakmaterial bekannt, bei dem das Tabakmaterial in einer Dampf enthaltenden Trägerströmung eine Expansi onszone durchläuft, die eine Lavaldüse umfasst. Auf spezielle Effekte bei der Verwen dung von bei einer Lavaldüse kritischen Strömungsgeschwindigkeiten wird nicht einge gangen.

Diese Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, die oben angeführten Nachteile des Stan des der Technik zu überwinden. Insbesondere soll die angesprochene Schrumpfung wäh rend des Curings durch eine möglichst effektive Expansion soweit als möglich rückgän gig gemacht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprü che gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung.

Die Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise bisher nicht erreichte Füllfähigkeitssteige rungen mit Füllfähigkeiten nach der Expansion, die bis zu etwa zehn Prozent über den Werten für übliche, bisher allgemein als optimiert angesehene Expansionsverfahren lie gen. Die positiven Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Rauchartikelherstellung sind bei den in der Industrie verwendeten Tabakmaterialmengen enorm.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchläuft das Tabakmaterial kontinuierlich ein Gebiet höheren Druckes, anschließend ein Gebiet verminderten Druckes und abschlie ßend ein Gebiet atmosphärischen Druckes.

Das Kernprinzip des Verfahrens nutzt die Eigenschaft von Gasen und Dämpfen, Druck energie mittels einer Düse vollständig in kinetische Energie umwandeln zu können (Ex tremfall: Druckabbau bis 0 bar). Dieser extreme Druckabbau gelingt nur, wenn an der engsten Stelle der Düse Schallgeschwindigkeit oder gleichbedeutend das kritische Druck verhältnis erreicht wird. Unter diesen Bedingungen erfolgt ein weiterer Druckabbau und damit Geschwindigkeitssteigerung im erweiterten Abschnitt der Düse.

Die klassisch betriebene Düse ergibt unter den gleichen Bedingungen im erweiterten Teil eine Drucksteigerung und damit Geschwindigkeitsabsenkung. Diese Verhältnisse sind in der beiliegenden Fig. 6 dargestellt, die in der oberen Darstellung einen prinzipiellen Dü senaufbau und darunter die Geschwindigkeits- und Druckverläufe bei verschiedenen Be triebsarten aufzeigt. Der mit einer eingekreisten 1 bezeichnete Verlauf gilt hierbei für eine Düse im unterkritischen Betrieb, während die Verläufe, die mit der eingekreisten 2 be zeichnet sind, für eine Lavaldüse im kritischen Betrieb gelten (mit Überschallgeschwin digkeit), wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Belädt man nun eine Trägerströmung (Beispiel Sattdampf) vor Düseneintritt mit Tabak material, so werden die Partikel je nach Eingangsbedingungen auf die Temperatur und den Druck des Dampfes equilibriert (Beispiel 4 bar, 143°C). Nach dem Eintritt der Zwei phasenmischung in den Unterdruckteil der Lavaldüse (Beispiel 0,2 bar) gerät das feuchte Partikel mit zu hoher Temperatur ins Ungleichgewicht (Siedepunkt Wasser bei 0,2 bar: 60°C), und zur Kühlung wird Tabakfeuchte verdampft. Diese erzwungene Verdampfung wird aus der inneren Energie des Partikels gespeist. Wärmeübertragung aus der Umge bung ist aufgrund der Temperaturverhältnisse (Dampf kälter als Partikel) im Unterdruck gebiet nicht möglich. Wärmetransportprozesse finden durch Wärmeleitung von innen nach außen im Partikel statt. Grundsätzlich ist diese Art der Entfeuchtung/Trocknung verschieden von dem sogenannten Konvektions-Luftstromtrockner, in dem die benötigte Energie zur Verdampfung vom Gas zum Partikel übertragen wird.

Durch den sehr niedrigen Druck am Düsenausgang der Lavaldüse können so vorteilhaft erweise die hohen Füllfähigkeitssteigerungen erzielt werden. Ferner ermöglicht die Erfin dung einen kontinuierlichen Prozeß, integrierbar in den Tabakvorbereitungsprozess ohne Sonderschritte (insbesondere ist eine Integration ohne vorangegangene Tabakausschleu sung in einem Luftstromtrockner möglich). Dabei entsteht nur ein geringer zusätzlicher, apparativer Aufwand, und zusätzliche Tabakvorbereitungs-Prozessschritte, wie Ca sing/Flavour, sind ohne weiteres integrierbar.

Die Trägerströmung kann einen Dampfgehalt von 10 bis 100% Sattdampf und insbeson dere überhitzten Dampf aufweisen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegt der Druck der Trägerströmung vor der Lavaldüse in einem Bereich von weniger als 1 bar bis etwa 30 bar, vorzugsweise 1 bar bis 30 bar und insbesondere 1 bar bis 10 bar, und die Temperatur der Trägerströmung vor der Lavaldüse liegt in einem Bereich von 50°C bis 450°C, vorzugsweise in einem Bereich von 100°C bis 300°C.

Der Druck am Ausgang der Lavaldüse kann bei 0 bar bis 2 bar, vorzugsweise bei 0,2 bar bis 1 bar liegen.

Bevorzugt wird die Trägerströmung vor dem Einbringen des Tabakmaterials überhitzt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchläuft die Trägerströmung eine Einlaufstrecke, eine Düsenvorkammer, die Lavaldüse, einen Einlaufdiffusor und einen Auslaufdiffusor.

Das Tabakmaterial kann dabei der Trägerströmung einerseits in der Einlaufstrecke vor der Lavaldüse, vorzugsweise über eine Zellradschleuse mit einem an die Einlaufstrecke an setzenden Kopfstück, zugeführt werden.

Andererseits besteht die Möglichkeit, das Tabakmaterial der Trägerströmung an der La valdüse im Bereich des minimalsten Druckes, vorzugsweise über eine Zellradschleuse mit einem an die Lavaldüse ansetzenden Kopfstück zuzuführen.

Was die Weiterverarbeitung des Tabakmaterials betrifft, ist es erfindungsgemäß möglich, das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor einem Tabakabschei der, insbesondere einem Fliehkraftabscheider zuzuführen, dessen Unterdruck vorzugswei se mittels einem Unterdruckverdichter aufrechterhalten wird. Das Tabakmaterial kann aber auch nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor zunächst einem Luftstrom trockner und danach einem Tabakabscheider, insbesondere einem Fliehkraftabscheider zugeführt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Gasströmung, welche die an den Auslaufdiffusor anschließenden Bauteile passiert, mittels eines Umluftsystems gesammelt, verdichtet und wieder als Trägerströmungsanteil ver wendet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung, insbesondere einen Wärmetauscher, aufweist, der die Trägerströmung vor dem Einbringen des Tabakmaterials überhitzt.

Die Strömungsführungseinrichtungen umfassen bei einer Ausgestaltung der Vorrichtung eine Einlaufstrecke, eine Düsenvorkammer, die Lavaldüse, einen Einlaufdiffusor und einen Auslaufdiffusor.

Eine Zellradschleuse mit einem an die Einlaufstrecke angesetzten Kopfstück kann vorge sehen sein, mittels der das Tabakmaterial der Trägerströmung in der Einlaufstrecke vor der Lavaldüse zugeführt wird.

Ferner kann die Vorrichtung eine Zellradschleuse mit einem an die Lavaldüse angesetzten Kopfstück aufweisen, mittels der das Tabakmaterial der Trägerströmung an der Lavaldüse im Bereich des minimalsten Druckes, zugeführt wird.

Bevorzugt weist die Vorrichtung einen Tabakabscheider, insbesondere einen Fliehkraft abscheider, auf, dem das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor zugeführt wird und dessen Unterdruck vorzugsweise mittels einem Unterdruckverdichter aufrechterhalten wird.

Bei einer anderen Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Luftstromtrockner, und an diesen anschließend einen Tabakabscheider, insbesondere einen Fliehkraftabscheider, auf, denen das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor zugeführt wird.

Von besonderem Vorteil ist es, ein Umluftsystem vorzusehen, mittels dem die Gasströ mung, welche die an den Auslaufdiffusor anschließenden Bauteile passiert, gesammelt, verdichtet und wieder der Trägerströmung zugeführt wird.

Die Erfindung wird im Weiteren anhand der beiliegenden Zeichnungen mittels der Be schreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung einer Expansionsvorrichtung für Tabakmaterial mit einem anschließenden Zyklonabscheider gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 2 eine Schemadarstellung einer Expansionsvorrichtung für Tabakmaterial mit einem anschließenden Trockenturm gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 3 eine Schemadarstellung einer Expansionsvorrichtung für Tabakmaterial mit einem anschließenden Zyklonabscheider und einer Tabakmaterialzuführung an einer La valdüse gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Schemadarstellung einer Expansionsvorrichtung für Tabakmaterial mit einem anschließenden Trockenturm und einer Tabakmaterialzuführung an einer Lavaldü se gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 ein Balkendiagramm, das die Füllfähigkeitssteigerung bei erfindungsgemäßen Verfahren und bei Vergleichsverfahren nach dem Stand der Technik gegenüber stellt; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Düsenquerschnittes mit Druck- und Ge schwindigkeitsverläufen für den kritischen und nicht kritischen Betrieb.

In den Fig. 1 bis 4 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 eine Einlaufstrecke, 2 eine Zell radschleuse, 3 eine Düsenvorkammer, 4 eine Lavaldüse (auch als Treibdüse bezeichnet), 5 ein Kopfstück an der Lavaldüse, 6 einen Einlaufdiffusor, 7 einen Auslaufdiffusor, 8 eine Austragsschleuse, 9 einen Zyklonabscheider, 10 einen Verdichter, 11 ein Umluft system, 12 ein Abluftsystem, 13 eine Trägerströmung, 14 einen Tabakaustrag aus dem Zyklonabscheider, 15 einen Trockenturm, 16 eine optionale Casing/Flavour-Einspeisung, 17 eine Tragluftzufuhr zum Trockenturm und 18 den Austrag aus dem Trockenturm. T weist auf Tabakmaterial hin. Gleiche Bezugszeichen deuten auf gleichartige Komponen ten hin.

Die Fig. 1 und 2 zeigen diejenigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Tabakmaterial in der Einlaufstrecke, also auf der Druckseite der Lavaldüse in die Träger strömung 13 eingespeist wird.

Die Fig. 1 erläutert hierbei eine Ausführungsform mit einer Direktabscheidung im Tabak abscheider 9 nach der Düse 4. Der Tabak wird durch eine Schleuse, vorzugsweise durch eine Zellradschleuse 2, die für größere Differenz- und Absolutdrücke geeignet ist, in die Einlaufstrecke 1 gefördert. Dort wird der Tabak mit der Trägerströmung 13 gemischt, vorgewärmt und bei Verwendung von Dampf aufgefeuchtet. Das Massenstromverhältnis von Trägerströmung zu Tabakmaterial kann einfach durch die Wahl des engsten Quer schnitts in der Lavaldüse 4 (Treibdüse) bei vorgegebenem Massenstrom des Tabakmate rials eingestellt werden. Beispielsweise stellt sich bei 2 bar Sattdampfvordruck (ca. 120°C) ein maximaler Massenstrom von 400 kg/h bei Düsendurchmesser 21,8 mm; hin gegen wird bei 15,4 mm Düsendurchmesser ein maximaler Durchsatz von 200 kg/h er reicht. Das sinnvoll nutzbare Verhältnis liegt im Bereich 0,1-10 kg Trägerströmung je Kilogramm Tabakmaterial. Nach dem Passieren der Düsenvorkammer 3 und der Düse 4 stellt sich nach der adiabatischen Entspannung je nach Art der Trägerströmung, nach Konstruktion des Apparates und nach Verfahrensablauf ein niedriger Druck und damit korrespondie rend eine niedrige Temperatur der Trägerströmung ein. Das Tabakmaterial versucht dem Temperatur-Ungleichgewicht durch Verdampfung und Entzug der inneren Energie, die durch Aufladung im Eingangsbereich dem Tabakmaterial aufgeprägt wurde, entgegenzu wirken. Vorzugsweise werden am Ausgang der Lavaldüse 4 Drücke von weniger als 1 bar eingestellt. Je nach gewünschtem Prozeßdruck im Tabakabscheider 9 muß der Dampf mit Hilfe des Einlauf-/Auslaufdiffusors 6/7 entsprechend komprimiert werden.

Diese Verfahrensvariante nach Fig. 1 ist vorzugsweise bei den der Expansion nachfolgen den Tabaktrocknungsverfahren angezeigt, welche die Trägerströmung 13 nicht als Trocknungs- bzw. Transportmedium nutzen. Dies sind z. B. die Trommel-, Vibro-/Wirbelschicht- oder Bandtrocknung. Diese Trocknungsverfahren erfordern die vorange hende Trennung von Tabakmaterial und Trägerströmung, die mittels eines Tabakabschei ders, vorzugsweise eines Fliehkraftabscheiders 9, wie z. B. Zyklon- oder Tangentialsepa rator, erfolgt. Sollten die Vorteile der Vakuumexpansion ohne anschließende Komprimie rung auf Atmosphärendruck genutzt werden, muß im Sinne der Trommel- bzw. Vibro-/Wirbelschicht- oder Bandtrocknung das Tabakmaterial ebenfalls von der Trägerströmung getrennt werden, wobei der Tabakaustrag 14 vom Unterdruck- in den Atmosphärendruck bereich erfolgt. Der Unterdruck im Tabakabscheider 9 kann beispielsweise durch eine nicht dargestellte Vakuumpumpe aufrecht erhalten werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Tabakmaterial-Abscheidung nach einem Durchlauf eines Luftstromtrockners, hier eines Trockenturmes 15.

Der Tabak wird direkt ohne Abscheidung der Trägerströmung 13 nach Durchlauf des Diffusors 6/7 in den Trockenturm 15 geleitet und nach Abfeuchtung über den Tabakab scheider 9, vorzugsweise eines Fliehkraftabscheiders, wie z. B. Zyklon oder Tangential separator, mittels einer Austragsschleuse 8 ausgeschleust (Pfeil 14). Dazu ist es notwen dig, die Trägerströmung 13 bezüglich Geschwindigkeiten und Druck den Verhältnissen im Trockenturm 15 anzupassen. Bevorzugt wird in diesem Fall eine Betriebsweise der Expansion, bei der im Auslaufdiffusor 7 Drücke vorliegen, die zwischen 0,9-1,1 bar betragen.

Den beiden Varianten nach Fig. 1 und 2 gemeinsam ist die Option der Umluft- /Teilumluft-Betriebsweise mittels Umluftsystem 11 zur erneuten Wiederverwendung der Trägerströmung 13, bevorzugt bei Luft als Trägerströmung 13, die unter Betrachtung der Wirtschaftlichkeit als besonders kostengünstige Lösung herangezogen werden kann.

Ferner erlauben beide Varianten optional das Einbringen von flüssigen/festen Additiven (Casing, Flavour) in den Kopfbereich 5 an der Lavaldüse 4, wie es in Fig. 2 mit dem Be zugszeichen 16 angedeutet ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen erfindungsgemäße Varianten auf, bei denen die Tabakmateri alzufuhr auf der Saugseite der Düse 4 stattfindet.

In Fig. 3 ist der Fall einer Direktabscheidung im Tabakabscheider 9 nach Düse/Diffusor 4, 6/7 aufgezeigt. Hierbei wird also die Vermengung von Tabakmaterial mit der Träger strömung durch das Einbringen des Tabakmaterials in den Kopfbereich 5 an der Lavaldü se 4 bewirkt. Dabei wird das Tabakmaterial direkt über eine Zellradschleuse 2 in den Be reich des minimalen Druckes (0-1 bar) am Auslauf der Düse 4 gebracht. Dies hat den Vorteil, daß der Differenzdruck zur Umgebung am Tabakmaterial-Eintrag weniger als 1 bar beträgt und die Temperatur der Trägerströmung an dieser Stelle deutlich niedriger (< 150°C) ist. Dadurch wird die Schleuse 2 einer geringeren Belastung durch hohe Tempe raturen bei gleichzeitiger "Differenzdruckfestigkeit" (minimale Leckluftmenge) ausge setzt.

Die Apparatur (Düse 4, Einlauf-Diffusor 6) und der Vordruck vor der Düse 4 sollten für diese Verfahrensvariante so gestaltet werden, daß sich am Auslauf der Düse 4 der mini mal erreichbare Druck einstellt. Damit kann die Druckerhöhung, die sich durch die über die Schleuse 2 eintretende Leckluft ergibt, kompensiert werden.

Bei dieser Verfahrensvariante sollte das Tabakmaterial vor Eintritt in die Düse 4 auf eine Temperatur oberhalb von 90°C vorgewärmt werden (z. B. durch einen Dämpftunnel), damit das Tabakmaterial im Unterdruckbereich der Düse 4 (< 1 bar) schlagartig in das oben beschriebene Gebiet eines thermodynamische Ungleichgewichtes gerät und dadurch Wasser zur Kühlung verdampft wird. Wie bereits beschrieben, wird abhängig vom ge wünschten Prozeßdruck im Tabakabscheider 9 der Dampf mit Hilfe des Auslaufdiffusors 7 entsprechend komprimiert.

Diese Verfahrensvariante ist wiederum vorzugsweise bei den der Expansion nachfolgen den Tabaktrocknungsverfahren angezeigt, die die Trägerströmung 13 nicht als Trocknungs- bzw. Transportmedium nutzen. Dies sind z. B. die Trommel-, Vibro-/Wir belschicht- oder Bandtrocknung. Diese Trocknungsverfahren erfordern die vorangehende Trennung von Tabak und Trägerströmung, die mittels eines Tabakabscheiders 9, vor zugsweise eines Fliehkraftabscheiders, wie z. B. Zyklon oder Tangentialseparator, erfolgt.

Sollten die Vorteile der Vakuumexpansion ohne anschließende Komprimierung auf At mosphärendruck genutzt werden, muß im Sinne der Trommel- bzw. Vibro- /Wirbelschicht- oder Bandtrocknung Tabakmaterial ebenfalls von der Trägerströmung getrennt werden, wobei der Tabakaustrag 14 vom Unterdruck- in den Atmosphärendruck bereich erfolgt.

Die Fig. 4 zeigt wiederum eine Ausführungsform mit einer Abscheidung nach Luftstrom trockner-Durchlauf. Bei dieser Variante wird - wie anhand der Fig. 3 bereits beschrieben - das Tabakmaterial im Kopfbereich 5 in die Vorrichtung eingebracht. Das im Weiteren für die Fig. 3 beschriebene Verfahren findet ebenfalls seine Anwendung (bis auf die Ab scheidung im Separator direkt nach der Expansionsdüse). Der Unterschied liegt in der Kombination der Einbringung des Tabakmaterials auf der Saugseite der Düse mit der Abscheidung des Tabaks nach vorherigem Durchlauf durch einen Lufttrockner.

Das Tabakmaterial wird dabei wieder direkt ohne Abscheidung der Trägerströmung nach Durchlauf des Diffusors 6/7 in den Trockenturm 15 und nach Abfeuchtung/Trocknung über einen Tabakabscheider 9, vorzugsweise einen Fliehkraftabscheider wie z. B. Zyklon oder Tangentialseparator, ausgeschleust (Pfeil 14). Auch hier ist es wieder notwendig, das Treibmittel bezüglich Geschwindigkeiten und Druck den Verhältnissen im Trockenturm 15 anzupassen. Bevorzugt wird auch in diesem Fall eine Betriebsweise der Expansion, bei der im Auslaufdiffusor 7 Drücke vorliegen, die zwischen 0,9-1,1 bar betragen.

Beiden Varianten (Fig. 3 und 4) ist wiederum die Option der Umluft-/Teilumluft- Betriebsweise (Bezugszeichen 11) zur Wiederverwendung der Trägerströmung gemein sam, bevorzugt bei Luft als Trägerströmung.

Die Fig. 5 zeigt ein Balkendiagramm, das die Füllfähigkeitssteigerung bei erfindungsge mäßen Verfahren und bei Vergleichsverfahren nach dem Stand der Technik gegenüber stellt. Die Versuchsparameter sind im Folgenden aufgezeigt:

Versuch 1 (Lavaldüse)

Tabakmaterial: Standard-Rippenmischung
Anlagenaufbau: siehe

Fig.

1 (ohne Verdichter

10

, ohne Umluft, ohne optionales Ca sing, Flavour)
Düsen-Durchmesser: 15 mm
Trägerströmung: Sattdampf
Parameter: 2,2 bar Vordruck (Pos. 3)
Druck in Düse 0,6 bar (Pos. 6)
Dampftemperatur ca. 123°C in Pos. 3
Dampftemperatur in Zyklon (Pos. 9) ca. 100°C
Dampfdruck in Zyklon (Pos. 9) ca. 1 bar
Trägerströmungsmassenstrom-/Tabakmassenstromverhältnis 0.67
Tabakfeuchte vor Expansionsvorrichtung (vor Schleuse Pos. 2) ca. 40% (Feuchtbasis)
Tabakfeuchte nach Expansionsvorrichtung (nach Zyklon Pos. 9) ca. 43,5% (Feuchtbasis).

Versuch 2 (Lavaldüse)

Tabakmaterial: Standard-Rippenmischung
Anlagenaufbau: siehe

Fig.

1 (ohne Verdichter

10

, ohne Umluft, ohne optional Casing, Flavour)
Düsen-Durchmesser: 15 mm
Trägerströmung: Sattdampf
Parameter: 2,2 bar Vordruck (Pos. 3)
Druck in Düse 0,65 bar (Pos. 6)
Dampftemperatur ca. 123°C in Pos. 3
Dampftemperatur in Zyklon (Pos. 9) ca. 100°C
Dampfdruck in Zyklon (Pos. 9) ca. 1 bar
Trägerströmungsmassenstrom-/Tabakmassenstromverhältnis 0.43
Tabakfeuchte vor Expansionsvorrichtung (vor Schleuse Pos. 2) ca. 40% (Feuchtbasis)
Tabakfeuchte nach Expansionsvorrichtung (nach Zyklon Pos. 9) ca. 43% (Feuchtbasis).

Versuch 3 (STS-Düse)

Tabakmaterial: Standard-Rippenmischung
Anlagenaufbau: Handelsübliche STS-Vorrichtung
Trägerströmung: Sattdampf
Parameter: Trägerströmungsmassenstrom-/Tabakmassenstromverhältnis 0.67
Tabakfeuchte vor Expansionsvorrichtung ca. 40% (Feuchtbasis)
Tabakfeuchte nach Expansionsvorrichtung ca. 44% (Feuchtbasis).

Versuch 4 (STS-Düse)

Tabakmaterial: Standard-Rippenmischung
Anlagenaufbau: Handelsübliche STS-Vorrichtung
Trägerströmung: Sattdampf
Parameter: Trägerströmungsmassenstrom-/Tabakmassenstromverhältnis 0.47
Tabakfeuchte vor Expansionsvorrichtung ca. 40,7% (Feuchtbasis)
Tabakfeuchte nach Expansionsvorrichtung ca. 44,3% (Feuchtbasis).

Versuch 5 (Lavaldüse)

Tabakmaterial: Standard-Rippenmischung
Anlagenaufbau: siehe

Fig.

1 (ohne Verdichter

10

, ohne Umluft, mit Casing in Saug stutzen (Pos. 5)
Düsen-Durchmesser: 15 mm
Trägerströmung: Sattdampf
Parameter: 2,2 bar Vordruck (Pos. 3)
Druck in Düse 0,6 bar (Pos. 6)
Dampf temperatur ca. 123°C in Pos. 3
Dampftemperatur in Zyklon (Pos. 9) ca. 100°C
Dampfdruck in Zyklon (Pos. 9) ca. 1 bar
Trägerströmungsmassenstrom-/Tabakmassenstromverhältnis 0.67
Tabakfeuchte vor Expansionsvorrichtung (vor Schleuse Pos. 2) ca. 40% (Feuchtbasis)
Tabakfeuchte nach Expansionsvorrichtung (nach Zyklon Pos. 9) ca. 46% (Feuchtbasis).

Es läßt sich ohne weiteres erkennen, daß die Füllfähigkeitssteigerung und die erreichten Absolutwerte bei den Versuchen 1, 2 und 5, die ein erfindungsgemäßes Verfahren ver wendeten, wesentlich größer sind als bei den bisher als optimiert angesehenen STS- Verfahren, deren Ergebnisse durch den Balken zu den Versuchen 3 und 4 dargestellt sind. Es ergeben sich erfindungsgemäß etwa um 10% höhere Füllfähigkeiten. Die positiven Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Rauchartikelherstellung sind hier bei den in der Industrie verwendeten Tabakmaterialmengen enorm.

In der noch abschließend gezeigten Tabelle sind geeignete und bevorzugte Parameter werte für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals zusammenge fasst.

Alle verwendeten Druckangaben sind Absolutwerte.

Claims

1. Verfahren zur Expansion von Tabakmaterial (T), bei dem das Tabakmaterial in einer Dampf enthaltenden Trägerströmung (13) eine Expansionszone durchläuft, die eine La valdüse (4) umfaßt, bei der im engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerströmung (13) ei nen Dampfgehalt von 10 bis 100% aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger strömung (13) Sattdampf aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger strömung (13) überhitzten Dampf aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Trägerströmung (13) vor der Lavaldüse in einem Bereich von weniger als 1 bar bis etwa 30 bar, vorzugsweise 1 bar bis 30 bar und insbesondere 1 bar bis 10 bar liegt, und daß die Temperatur der Trägerströmung (13) vor der Lavaldüse (4) in einem Bereich von 50°C bis 450°C, vorzugsweise in einem Bereich von 100°C bis 300°C liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck am Ausgang der Lavaldüse (4) bei 0 bar bis 2 bar, vorzugsweise bei 0,2 bar bis 1 bar liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabak eingangsfeuchte 10% bis 60% (Feuchtbasis), vorzugsweise 17% bis 45% (Feuchtba sis) beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf der Trägerströmung (13) vor dem Einbringen des Tabakmaterials überhitzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger strömung eine Einlaufstrecke (1), eine Düsenvorkammer (3), die Lavaldüse (4), einen Einlaufdiffusor (6) und einen Auslaufdiffusor (7) durchläuft.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Tabakmaterial der Trä gerströmung (13) in der Einlaufstrecke (1) vor der Lavaldüse (4), vorzugsweise über ei ne Zellradschleuse (2) mit einem an die Einlaufstrecke (1) angesetzten Kopfstück (5), zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Tabakmaterial der Trä gerströmung (13) an der Lavaldüse (4) im Bereich des minimalen Druckes, vorzugswei se über eine Zellradschleuse (2) mit einem an die Lavaldüse (4) angesetzten Kopfstück (5), zugeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ta bakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor (7) einem Tabakabscheider (9), insbesondere einem Fliehkraftabscheider zugeführt wird, dessen Unterdruck vor zugsweise mittels einer Unterdruckverdichter aufrechterhalten wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ta bakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor (7) zunächst einem Luft stromtrockner (15) und danach einem Tabakabscheider (9), insbesondere einem Flieh kraftabscheider zugeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas strömung, welche die an den Auslaufdiffusor (7) anschließenden Bauteile passiert, mit tels eines Umluftsystems (11) gesammelt, verdichtet und wieder als Trägerströmungsan teil verwendet wird.

15. Vorrichtung zur Expansion von feuchtem Tabakmaterial (T), mit Strömungsführungs einrichtungen (1, 3, 4, 6, 7), in denen das Tabakmaterial (T) in einer Dampf enthalten den Trägerströmung (13) eine Expansionszone durchläuft, bei der die Strömungsfüh rungseinrichtungen eine Lavaldüse (4) umfassen, die so betrieben wird, daß in ihrem engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführungseinrichtungen eine Einlaufstrecke (1), eine Düsenvorkammer (3), die Lavaldüse (4), einen Einlaufdiffusor (6) und einen Auslaufdiffusor (7) umfassen und dadurch, daß sie eine Zellradschleuse (2) mit einem an die Einlaufstrecke (1) angesetz ten Kopfstück (5) aufweist, mittels der das Tabakmaterial der Trägerströmung (13) in der Einlaufstrecke (1) vor der Lavaldüse (4) zugeführt wird.

16. Vorrichtung zur Expansion von feuchtem Tabakmaterial (T), mit Strömungsführungs einrichtungen (1, 3, 4, 6, 7), in denen das Tabakmaterial (T) in einer Dampf enthalten den Trägerströmung (13) eine Expansionszone durchläuft, bei der die Strömungsführungseinrichtungen eine Lavaldüse (4) umfassen, die so betrieben wird, daß in ihrem engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführungseinrichtungen eine Einlaufstrecke (1), eine Düsenvorkammer (3), die Lavaldüse (4), einen Einlaufdiffusor (6) und einen Auslaufdiffusor (7) umfassen und dadurch, daß sie eine Zellradschleuse (2) mit einem an die Lavaldüse (4) angesetzten Kopfstück (5) aufweist, mittels der das Tabakmaterial der Trägerströmung (13) an der Lavaldüse (4) im Bereich des minimalen Druckes, zugeführt wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Tabakabscheider (9), insbesondere einen Fliehkraftabscheider, aufweist, dem das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor (7) zugeführt wird, und dessen Unterdruck vorzugsweise mittels einer Unterdruckverdichter aufrechterhalten wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Trockenturm (15) insbesondere Luftstromtrockner und an diesen anschließend ei nen Tabakabscheider (9), insbesondere einen Fliehkraftabscheider, aufweist, denen das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor (7) zugeführt wird.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Umluftsystem (11) aufweist, mittels dem die Gasströmung, welche die an den Auslauf diffusor (7) anschließenden Bauteile passiert, gesammelt, verdichtet und wieder der Trägerströmung zugeführt wird.