EP0515877B1 - Trocknungsverfahren zur Füllfähigkeitssteigerung von Tabakmaterial - Google Patents

Trocknungsverfahren zur Füllfähigkeitssteigerung von Tabakmaterial Download PDF

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EP0515877B1
EP0515877B1 EP92107688A EP92107688A EP0515877B1 EP 0515877 B1 EP0515877 B1 EP 0515877B1 EP 92107688 A EP92107688 A EP 92107688A EP 92107688 A EP92107688 A EP 92107688A EP 0515877 B1 EP0515877 B1 EP 0515877B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drying
gas
drying gas
tobacco material
set forth
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP92107688A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0515877A3 (en
EP0515877A2 (de
Inventor
Werner Dipl.-Ing. Hirsch
Arno Dipl.-Ing. Weiss
Erhard Prof. Dr. Dipl.-Ing. Rittershaus
Gitta Dipl.-Ing. Jünemann
Caspar Henk Koene
Ingo Pautke
Fritz Schelhorn
Herbert Sommer
William John Stone
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
British American Tobacco Germany GmbH
Original Assignee
British American Tobacco Germany GmbH
BAT Cigarettenfabriken GmbH
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Publication date
Application filed by British American Tobacco Germany GmbH, BAT Cigarettenfabriken GmbH filed Critical British American Tobacco Germany GmbH
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Publication of EP0515877A3 publication Critical patent/EP0515877A3/de
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Publication of EP0515877B1 publication Critical patent/EP0515877B1/de
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24B—MANUFACTURE OR PREPARATION OF TOBACCO FOR SMOKING OR CHEWING; TOBACCO; SNUFF
    • A24B3/00—Preparing tobacco in the factory
    • A24B3/18—Other treatment of leaves, e.g. puffing, crimpling, cleaning
    • A24B3/182—Puffing
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24B—MANUFACTURE OR PREPARATION OF TOBACCO FOR SMOKING OR CHEWING; TOBACCO; SNUFF
    • A24B3/00—Preparing tobacco in the factory
    • A24B3/04—Humidifying or drying tobacco bunches or cut tobacco

Definitions

  • the present invention relates to a drying process for increasing the filling capacity of tobacco material.
  • the different target functions can be grouped into three groups that relate to product and process properties.
  • the group of physical product properties essentially comprises the target functions of a good tobacco filling ability, with a relatively low cigarette draw resistance and a low degradation, resulting in stable cigarette ends.
  • the chemical-sensory product properties form the second group, the optimum of which is characterized by high aroma retention, low ingredient influence and a satisfactory smoky taste.
  • the optimal process management as a third group requires the minimized use of energy and, from the point of view of environmental protection, the lowest possible exhaust gas emissions.
  • the individual target functions of the three different target groups are essentially determined by the process parameters shown in the table below, namely the tobacco moisture before and the tobacco moisture after drying, the local heat and mass transfer coefficient between the tobacco surface and the surrounding drying gas during treatment, and the specific Heat of the drying gas.
  • Optimal physical product properties are achieved by a relatively high tobacco moisture before drying, the upper limit of approximately 40% for leaf cut, based on damp tobacco, which is applicable in practice, and a relatively low tobacco moisture after drying, as high as possible, can serve as a guide Heat and mass transfer coefficients during the treatment and the highest possible specific heat of the drying gas, which can be achieved for example by a high water vapor content.
  • optimal chemical-sensory product properties require that the tobacco moisture before drying approximately corresponds to the usual cutting tobacco moisture of about 18% to 20% on a wet basis, and that the tobacco moisture after drying is not lower than the usual cigarette moisture, i.e. H. about 12%, again based on moisture.
  • the local heat and material exchange should now be as low as possible during drying; likewise, to avoid steam distillation, the water vapor content in the drying gas.
  • the process characteristics to be aimed at, in particular with minimal environmental pollution, are represented by the lowest possible exhaust air temperature and the lowest possible moisture difference of the tobacco material before and after drying, and a low water vapor content in the drying gas.
  • DE 34 41 649 A1 discloses a method for reducing the moisture content of expanded tobacco, in which the expanded tobacco is dried in a dryer with hot gas at a temperature within a range from approximately 340 ° C. to approximately 510 ° C.
  • the residence time within one or more dryers connected in series is such that a tobacco product with a moisture content of approximately 3% to approximately 16%, based on the weight at the dryer outlet, is obtained.
  • the temperature of the drying gas inside the dryer was kept constant at around 510 ° C.
  • DE 31 47 846 A1 teaches a method for improving the fillability of tobacco material by expanding the moist tobacco material by reducing the pressure and then drying to processing moisture.
  • the tobacco material is dried with a tobacco moisture content of 15% to 80% to a moisture content of 2% to 16%, based in each case on the moist tobacco material.
  • the temperature of the drying gas is between 50 ° C and 1000 ° C and is preferably above 100 ° C.
  • An expansion device is arranged upstream of a drying section and either separated from the drying section or connected to it to form a unit. Because of the extremely short dwell time of the tobacco material to be dried in the expansion device, drying within the expansion device can be neglected.
  • Another method for increasing the volume of shredded tobacco stems by impregnation with an impregnating agent containing at least water and subsequent heating of the impregnated parts of tobacco stems with a gaseous drying gas containing water vapor is known from DE 30 37 885 A1.
  • the drying gas has a temperature of about 105 ° C to about 250 ° C.
  • the tobacco rib parts are transported by means of a pneumatic transport system through an expansion zone and a drying zone and are held in the expansion and drying zone for at least about 10 seconds and dried to a final moisture content of at least 12.5% by weight.
  • the transport speed of the tobacco rib parts is preferably reduced in the vertical direction in a cross-sectional expansion of the drying zone to such an extent that only the parts which have dried to a certain degree of dryness are conveyed further.
  • the tobacco is introduced into a pipeline through which a gas stream with steam and air at a speed of more than about 30 m / sec at a temperature in the range from about 260 ° C to 370 ° C.
  • the pipeline has an elongated tube with a first and a second section in tandem, the first section having a smaller cross section than the second, so that the pressure in this area decreases as the gas flows through.
  • the tobacco is constantly accelerated within this tube, but without reaching the speed of the gas flow.
  • the invention has therefore set itself the task of creating a method of the generic type in which the disadvantages of the prior art are avoided; in particular, the physical and chemical-sensory properties of tobacco material for cigarette fillings are to be improved and, in a particularly preferred embodiment of the invention, the pollution of the environment associated with such a method is to be kept as low as possible.
  • the advantages achieved by the method according to the invention are based on the fact that the local heat transfer and the local mass transfer coefficient of pretreated, ie cut and moistened tobacco material, within a drying section in which the tobacco material is led to drying in a stream of a hot gas, of very high values at the beginning of the drying section while the flow through it is constantly decreasing and at the downstream end of the drying section has only comparatively low values.
  • the surface of cut individual pieces of tobacco is fixed very quickly, so that a tobacco material which is still moist is created as a kind of "corset" serving shell.
  • the procedure is determined by specifying the maximum speed and maximum temperature of the drying gas at the end of the drying section.
  • the specification of such process parameters according to the invention at the exit is to be seen in close connection with the values of the same parameters on the task in the drying section.
  • the value pairs of process-determining parameters at the task and at the end of the drying section are the result of an optimization for the implementation of tobacco drying while fulfilling target functions of the physical and chemical-sensory product properties and with regard to energy savings, which in turn benefits the reduction of environmental pollution.
  • the method according to the invention is characterized by the specification of pairs of values in the form of minimum and maximum values at the beginning and at the end of the drying process, while the methods known from the prior art remain only vague in this regard and in particular such essential method parameters do not specify for specific locations within a drying system.
  • this drying gas can be achieved by a relatively low mass ratio of drying gas to tobacco material and the resulting large heat and mass transfer area. This further counteracts the overheating of the tobacco.
  • the energy consumption during drying can be kept low because the amount of drying gas to be heated is comparatively small and, as will be shown below, the associated low temperature of the drying gas at the end of the drying process reduces the energy consumption to a minimum.
  • This mass ratio of drying gas to tobacco is expediently set to values between 1 and 3.
  • the local heat transfer coefficient is between 800 and 1000 J / sm2K at the start of drying and between 120 and 180 J / sm2K at the end of drying.
  • the local mass transfer coefficient as a further essential process parameter is preferably 1 to 2 m / s at the beginning and 0.15 to 0.25 m / s at the end of drying.
  • the flow velocity of the hot gas as it flows through the drying section is preferably from a value between 30 and 100 m / s, preferably between 40 and 100 m / s, to a maximum of 15 m / s a value between 8 to 15 m / s, delayed.
  • the larger part of the drying gas separated from the dried tobacco in a separation device is advantageously heated via a directly or indirectly heated hot gas generator in order to reduce the amount of exhaust gas and / or energy consumption, and is returned to the circuit for renewed drying.
  • a directly or indirectly heated hot gas generator in order to reduce the amount of exhaust gas and / or energy consumption, and is returned to the circuit for renewed drying.
  • the remaining smaller part of the drying gas with the vaporized tobacco ingredients distributed therein is prepared in an environmentally friendly manner according to the invention in a biological exhaust gas cleaning system, the investment and operating costs of which increase roughly in proportion to the amount of exhaust gas to be cleaned .
  • Figure 1 shows a schematic representation of a drying device suitable for carrying out the method according to the invention.
  • Cut tobacco material passes through a feed 2 into a moistening device 4, to which water is fed via a feed 6.
  • the moistening device 4 can be formed, for example, by a dampening drum or a dampening tunnel.
  • the tobacco material is brought to a moisture content of 18% to 40%, based on moisture.
  • the swelling process that then takes place increases the volume of the tobacco material.
  • the result of this moisture treatment can additionally be improved by means of water vapor 5.
  • the moistened tobacco material is then conveyed via a gas-tight lock 8 into a pneumatic drying section 12.
  • the drying section 12 essentially consists of two vertical, interconnected sections 10, 14.
  • the tobacco material is introduced into a stream of a drying gas which flows through the drying section 12, which is vertical in the device shown, from top to bottom.
  • a drying section 12 can in principle be oriented as desired.
  • the temperature of the drying gas previously heated in the hot gas generator 20 is 200 ° C. to 600 ° C. and its flow rate is 40 to 100 m / s.
  • the drying gas at feed point 9 has a water vapor content of 20 to 90 percent by mass, and the mass ratio of drying gas to tobacco material is between 1 and 3, these values being based on the formula to calculate. Due to the high relative speed of the Drying gas to the tobacco material in connection with the high drying gas temperature and its water vapor content results in an extremely high local heat and material exchange between the drying gas and the humidified tobacco material.
  • the heat transfer coefficient ⁇ is approximately 800 to 1200 J / sm2K and the mass transfer coefficient ⁇ is approximately 1 to 2 m / s.
  • the high heat and mass exchange leads to surface drying and fixation of the tobacco fiber volume swollen in the moisture process.
  • the drying is now controlled so that on the one hand the tobacco surface remains dry in order to avoid softening of the fixed surface by diffusing water from the inside of the fiber, but on the other hand the drying is not too intensive to prevent overheating and the associated taste prevent negative effects on tobacco.
  • the tobacco material in the short first section 10 of the drying section 12 which can be designed as a simple pipe section, is accelerated to approximately drying gas speed, only by the sinking speed of the tobacco particles leading or lagging. Due to the decreasing relative speed between drying gas and tobacco material, the heat and mass exchange during the acceleration process decreases continuously.
  • the drying gas and, together with it, the tobacco material are delayed, thereby further reducing the convection on the tobacco surface.
  • the section 14 of the drying section 12 has at its downstream end a cross-sectional area that is three to five times as large as the cross-sectional area of the section 10.
  • the reduction in the local heat and mass transfer coefficients within the drying section 12 is favored by the low mass ratio of 1 to 3 of drying gas to tobacco material and, as a result, the large heat and mass transfer area.
  • water vapor 27 can also be fed into the circuit of the drying gas via a shut-off valve 31.
  • this measure can be avoided by carefully sealing the circuit against false air.
  • the dried tobacco material is then separated from the drying gas via a separation device 16, for example a cyclone or a tangential separator, and is discharged from the drying device 1 via a further gas-tight lock 18.
  • a separation device 16 for example a cyclone or a tangential separator
  • the drying gas separated from the tobacco material in the separation device 16 is passed through a fan 22, a line 38, 42, 44 to the hot gas generator 20 and heated to the original drying gas temperature of 200 ° C. to 600 ° C.
  • This hot gas generator 20 can optionally be heated directly or indirectly, so that the drying gas stream returned via line 44 is both mixed directly with additional hot drying gas and heated in direct heat exchange with a suitable heating medium can, whereby hot drying gas can also be used as such a heating medium.

Landscapes

  • Drying Of Solid Materials (AREA)
  • Manufacture Of Tobacco Products (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trocknungsverfahren zur Füllfähigkeitssteigerung von Tabakmaterial.
  • Bei einer technologisch anspruchsvollen Stromtrocknung von Schnittabak, bei der das zu trocknende Tabakmaterial in einem Strom eines heißen Trocknungsgases getrocknet wird, geht es darum, eine Kombination sich zum Teil widersprechender Verfahrensziele zu erreichen. Die verfahrenstechnologisch beste Lösung ist folglich als Optimum der relevanten Zielfunktionen anzustreben. Die unterschiedlichen Zielfunktionen lassen sich zu drei, die Produkt- und Prozeßeigenschaften betreffenden Gruppen zusammenfassen. Die Gruppe der physikalischen Produkteigenschaften umfaßt im wesentlichen die Zielfunktionen einer guten Tabakfüllfähigkeit, bei relativ niedrigem Cigarettenzugwiderstand und einer geringen Degradation, resultierend in stabilen Cigarettenenden. Die chemisch-sensorischen Produkteigenschaften bilden die zweite Gruppe, deren Optimum durch hohe Aromaretention, niedrige Inhaltsstoffbeeinflussung und einen befriedigenden Rauchgeschmack charakterisiert ist. Ferner ist an eine optimale Prozeßführung als dritte Gruppe die Forderung eines minimierten Energieeinsatzes sowie, unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes, möglichst niedriger Abgasemissionen zu stellen.
  • Die einzelnen Zielfunktionen der drei unterschiedlichen Zielgruppen werden im wesentlichen durch die in der nachfolgenden Tabelle dargestellten Prozeßparameter bestimmt, nämlich der Tabakfeuchte vor und der Tabakfeuchte nach der Trocknung, dem lokalen Wärme und Stoffaustauschkoeffizienten zwischen der Tabakoberfläche und dem umgebenden Trocknungsgas während der Behandlung, und der spezifischen Wärme des Trocknungsgases.
    Figure imgb0001
  • Optimale physikalische Produkteigenschaften werden durch eine relativ hohe Tabakfeuchte vor der Trocknung, als Anhaltswert kann dazu die in der Praxis geltende Obergrenze von ungefähr 40 % für Blattschnitt, bezogen auf den feuchten Tabak, gelten, ferner eine relativ geringe Tabakfeuchte nach der Trocknung, möglichst hohe lokale Wärme- und Stoffaustauschkoeffizienten während der Behandlung und eine möglichst hohe spezifische Wärme des Trocknungsgases, was beispielsweise durch einen hohen Wasserdampfgehalt erreicht werden kann, erzielt. Demgegenüber erfordern optimale chemisch-sensorische Produkteigenschaften, daß die Tabakfeuchte vor der Trocknung in etwa der üblichen Schneid-Tabakfeuchte von ungefähr 18 % bis 20 % auf Feuchtbasis bezogen entspricht, und die Tabakfeuchte nach der Trocknung nicht niedriger ist als die übliche Cigarettenfeuchte, d. h. ungefähr 12 %, wiederum auf Feuchtbasis bezogen. Der lokale Wärme- und Stoffaustausch sollte nun während der Trocknung möglichst gering sein; ebenso, zur Vermeidung von Wasserdampfdestillation, der Wasserdampfgehalt im Trocknungsgas. Die anzustrebenden Prozeßcharakteristika bei insbesondere minimaler Umweltbelastung werden durch eine möglichst niedrige Ablufttemperatur und eine möglichst geringe Feuchtedifferenz des Tabakmaterials vor und nach der Trocknung sowie einen geringen Wasserdampfgehalt im Trocknungsgas repräsentiert.
  • Aus der DE 34 41 649 A1 ist ein Verfahren zum Reduzieren des Feuchtegehalts von expandiertem Tabak bekannt, bei dem der expandierte Tabak mit heißem Gas bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von ungefähr 340 °C bis ungefähr 510 °C in einem Trockner getrocknet wird. Dabei ist die Verweilzeit innerhalb eines oder mehrerer hintereinander geschalteter Trockner so bemessen, daß ein Tabakerzeugnis mit einem Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr 3 % bis ungefähr 16 %, bezogen auf das Gewicht am Trocknerausgang, erhalten wird. Insbesondere wird die Temperatur des Trocknungsgases innerhalb des Trockners konstant auf etwa 510 °C gehalten.
  • Durch die DE 31 47 846 A1 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Füllfähigkeit von Tabakmaterial durch Expansion des feuchten Tabakmaterials durch Druckreduktion und anschließende Trocknung auf Verarbeitungsfeuchte gelehrt. Dabei wird das Tabakmaterial mit einer Tabakfeuchte von 15 % bis 80 % auf einen Feuchtegehalt von 2 % bis 16 %, jeweils bezogen auf das feuchte Tabakmaterial, getrocknet. Die Temperatur des Trocknungsgases liegt zwischen 50 °C und 1 000 °C und beträgt bevorzugterweise über 100 °C. Eine Expansionsvorrichtung ist dabei stromauf von einer Trocknungsstrecke angeordnet und entweder von der Trocknungsstrecke getrennt oder mit ihr zu einer Einheit verbunden. Wegen der äußerst geringen Verweilzeit des zu trocknenden Tabakmaterials in der Expansionsvorrichtung kann die Trocknung innerhalb der Expansionsvorrichtung vernachlässigt werden.
  • Ein weiteres Verfahren zur Volumenvergrößerung von zerkleinerten Tabakrippen durch Imprägnieren mit einem mindestens Wasser enthaltenden Imprägniermittel mit anschließender Erhitzung der imprägnierten Tabakrippenteile mit einem gasförmigen, Wasserdampf enthaltenden Trocknungsgas ist aus der DE 30 37 885 A1 bekannt. Das Trocknungsgas weist eine Temperatur von etwa 105 °C bis etwa 250 °C auf. Die Tabakrippenteile werden mittels eines pneumatischen Transportsystems durch eine Expansionszone und eine Trocknungszone transportiert und mindestens etwa 10 Sekunden in der Expansions- und Trocknungszone gehalten sowie auf eine Endfeuchte von mindestens 12,5 Gew.-% getrocknet. Die Transportgeschwindigkeit der Tabakrippenteile wird vorzugsweise in vertikaler Richtung in einer Querschnittserweiterung der Trocknungszone so weit herabgesetzt, daß nur die Teile, die auf einem bestimmten Trocknungsgrad getrocknet sind, weiterbefördert werden.
  • Bei einem aus der DE 32 46 513 A1 bekannten Verfahren zum Trocknen und Auflockern von geschnittenem Tabak wird der Tabak in eine Rohrleitung eingeführt, durch die ein Gasstrom mit Dampf und Luft mit einer Geschwindigkeit von mehr als etwa 30 m/sec bei einer Temperatur im Bereich von etwa 260 °C bis 370 °C geleitet wird. Die Rohrleitung weist ein langgestrecktes Rohr mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt in Tandemanordnung auf, wobei der erste Abschnitt einen kleineren Querschnitt besitzt als der zweite, so daß beim Hindurchströmen des Gases der Druck in diesem Bereich abnimmt. Der Tabak wird innerhalb dieses Rohres ständig beschleunigt, ohne jedoch die Geschwindigkeit des Gasstroms zu erreichen.
  • Zum Stand der Technik gehörende Verfahren zur Verbesserung der Füllfähigkeit von Tabakmaterial werden zum Teil in der Weise durchgeführt, daß der Tabak mit einer verdampfbaren Flüssigkeit oder einem verflüssigten Gas, zum Beispiel Wasser, CO₂, organische Lösungsmittel, Freon und dergleichen, imprägniert und dieses Imprägnierungsmittel anschließend schnell verdampft bzw. sublimiert wird. Diese Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie zwar ein expandiertes Produkt mit erhöhter Füllfähigkeit liefern, die dabei erzeugte Tabakstruktur jedoch nicht besonders stabil ist. Vielmehr wird beispielsweise bei Cigaretten mit diesen Produkten ein sogenannter "Hot Collapse" beobachtet, wodurch das Zusammenbrechen der Tabakstruktur beim Abrauchen umschrieben wird.
  • Aus der DE-PS 31 30 778 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Füllfähigkeit von Tabakmaterial durch eine sogenannte Schockbehandlung bekannt, bei dem entsprechend konditioniertes Tabakmaterial in einem Strom eines heißen und schnell strömenden Gases in sehr kurzer Zeit, nämlich in weniger als 1 Sekunde, getrocknet wird. Durch diese schockartige Behandlung trocknet die Tabakoberfläche innerhalb kürzester Zeit ab und bildet so eine Art Stützschale für das noch feuchte Tabakinnere. Mit diesem Verfahren lassen sich zwar zufriedenstellende physikalische Produkteigenschaften erzielen, die chemisch-sensorischen und die ökonomisch-ökologischen Gesichtspunkte bleiben jedoch größtenteils außer acht.
  • Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden; dabei sollen insbesondere die physikalischen und chemisch-sensorischen Eigenschaften von Tabakmaterial für Cigarettenfüllungen verbessert und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die mit einem solchen Verfahren verbundene Belastung der Umwelt möglichst gering gehalten werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden durch die Merkmale der Unteransprüche offenbart.
  • Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Vorteile beruhen darauf, daß der lokale Wärmeübergangs- und der lokale Stoffübergangskoeffizient von vorbehandeltem, d. h. geschnittenem und befeuchtetem Tabakmaterial, innerhalb einer Trocknungsstrecke, in der das Tabakmaterial zur Trocknung in einem Strom eines Heißgases geführt wird, von sehr hohen Werten zu Beginn der Trocknungsstrecke während deren Durchströmung ständig abnimmt und am stromabwärtigen Ende der Trocknungsstrecke nur noch vergleichsweise niedrige Werte aufweist. Dadurch wird, wie bei der bereits erwähnten Schockbehandlung, die Oberfläche von geschnittenen einzelnen Tabakstücken sehr rasch fixiert, so daß für das noch feuchte Tabakmaterial eine als eine Art "Korsett" dienende Schale erzeugt wird. Im weiteren Verlauf des Trocknungsvorganges wird dann jedoch die Konvektion zwischen der Tabakoberfläche und des sie umgebenden Heißgases durch Verzögern der Strömungsgeschwindigkeit dieses Heißgases und des Tabakmaterials verringert und infolge davon der örtliche Wärmeübergangs- und Stoffübergangskoeffizient zwischen dem Tabakmaterial und dem Heißgas vermindert. Diese Verfahrensführung gewährleistet einerseits, daß die anfänglich abgetrocknete und fixierte Oberfläche des im Feuchtprozeß vergrößerten Tabakfaservolumens im weiteren Verlauf der Trocknung trocken bleibt, obwohl ständig Feuchtigkeit aus dem Faserinneren an die fixierte Oberfläche nachdiffundiert, andererseits aber die Trocknung nicht so intensiv verläuft, daß das Tabakmaterial überhitzt und geschmacklich in unerwünschter Weise verändert werden könnte.
  • Nach der Erfindung wird die Verfahrensführung durch Spezifikation von Höchstgeschwindigkeit und Höchsttemperatur des Trocknungsgases am Ende der Trocknungsstrecke mitbestimmt. Dabei ist die erfindungsgemäße Angabe solcher Verfahrensparameter am Ausgang in engem Zusammenhang mit den Werten der gleichen Parameter an der Aufgabe in die Trocknungsstrecke zu sehen. Die Wertepaare von verfahrensbestimmenden Parametern an der Aufgabe und am Ende der Trocknungsstrecke sind das Ergebnis einer Optimierung für die Durchführung der Tabaktrocknung unter Erfüllung von Zielfunktionen der physikalischen und chemisch-sensorischen Produkteigenschaften und hinsichtlich einer Energieeinsparung, was seinerseits der Verringerung von Umweltbelastungen zugutekommt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Angabe von Wertepaaren in Form von Mindest- und Höchstwerten zu Beginn und am Ende des Trocknungsvorganges aus, während die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren diesbezüglich lediglich recht vage bleiben und insbesondere solche wesentlichen Verfahrensparameter nicht für bestimmte Stellen innerhalb einer Trocknungsanlage angeben.
  • Desweiteren läßt sich durch ein relativ geringes Massenverhältnis von Trocknungsgas zu Tabakmaterial und der dadurch großen Wärme- und Stoffaustauschfläche ein rascher Temperaturabfall dieses Trocknungsgases erreichen. Somit wird der Überhitzung des Tabaks weiter entgegengewirkt. Der Energieverbrauch bei der Trocknung kann gering gehalten werden, weil die Menge des zu erhitzenden Trocknungsgases vergleichsweise klein ist und, wie noch gezeigt werden wir, die damit verbundene niedrige Temperatur des Trocknungsgases am Ende des Trocknungsvorganges den Energieverbrauch auf ein Minimum reduziert. Zweckmäßigerweise wird dieses Massenverhältnis von Trocknungsgas zu Tabak auf Werte zwischen 1 und 3 eingestellt.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Steuerung des Verfahrens liegt der lokale Wärmeübergangskoeffizient zu Beginn der Trocknung zwischen 800 und 1000 J/sm²K und zum Ende der Trocknung zwischen 120 und 180 J/sm²K. Der lokale Stoffübergangskoeffizient als weiterer wesentlicher Verfahrensparameter beträgt bevorzugt 1 bis 2 m/s zu Beginn und 0,15 bis 0,25 m/s zum Ende der Trocknung.
  • Als weitere, die lokalen Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten beeinflussende Größe wird die Strömungsgeschwindigkeit des Heißgases beim Durchströmen der Trocknungsstrecke von einem Wert zwischen 30 und 100 m/s, vorzugsweise zwischen 40 und 100 m/s, auf höchstens noch 15 m/s, bevorzugt auf einen Wert zwischen 8 bis 15 m/s, verzögert.
  • Neben dem vergleichsweise hohen Tabakanteil im Gemischstrom aus Trocknungsgas und Tabakmaterial trägt, wie eine kurze Betrachtung der Energiebilanz zeigt, eine niedrige Temperatur des Trocknungsgases nach der Trocknung dazu bei, den Energieverlust gering zu halten. Unter Vernachlässigung der Energieverluste an die Umgebung und der Verdampfungswärme zum Verdampfen von Tabakinhaltsstoffen wird Energie hauptsächlich für die Verdampfung des im Tabakmaterial enthaltenden Wassers benötigt. Der zur Charakterisierung der Effizienz der Trocknung dienende thermische Wirkungsgrad läßt sich durch die Formel
    Figure imgb0002
    darstellen. Aus der Energiebilanz ergibt sich die zugeführte Energie zu: mc p T aus + Δm W h W
    Figure imgb0003
     mit
    • m
    : Abgasmenge
    cp
    : mittlere spezifische Wärmekapazität des Abgases von 0 °C bis Taus
    Taus
    : Temperatur des Trocknungsgases am Ende der Trocknung
    ΔmW
    : verdampfte Wassermenge
    hW
    : Verdampfungswärme von Wasser bei 0 °C
    so daß sich für den thermischen Wirkungsgrad ergibt:
    Figure imgb0004
    Aus dieser einfachen Abschätzung wird deutlich, daß der thermische Wirkungsgrad um so besser ist, je geringer die Abluftmenge und -temperatur sind. Erfindungsgemäß soll die Ablufttemperatur unter 130 °C, vorzugsweise auf 100 °C bis 130 °C, eingestellt werden. Nach dem erfindungsgemaßen Verfahren können so Wirkungsgrade von bis zu 85 %, jedoch wenigstens 80 %, erzielt werden.
  • Der in einer Trennungseinrichtung, beispielsweise einem Tangentialseparator oder einem Zyklon, vom getrockneten Tabak getrennte größere Teil des Trocknungsgases wird zur Reduzierung der Abgasmenge und/oder des Energieverbrauchs vorteilhafterweise über einen direkt oder aber indirekt beheizten Heißgaserzeuger erhitzt und für die neuerliche Trocknung wieder dem Kreislauf zugeführt. Um die Umweltbelastung durch Abgasemissionen so gering wie möglich zu halten, wird der verbleibende kleinere Teil des Trocknungsgases mit den darin verteilten, verdampften Tabakinhaltsstoffen erfindungsgemäß in einer biologischen Abgasreinigung umweltverträglich aufbereitet, wobei deren Investitions- und Betriebskosten in etwa einfach proportional mit der zu reinigenden Abgasmenge steigen.
  • Weitere Merkmale der Erfindung und damit erzielbare Vorteile werden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der Zeichnung offenbart.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Trocknungsvorrichtung.
  • Über eine Zuführung 2 gelangt geschnittenes Tabakmaterial in eine Befeuchtungseinrichtung 4, der über eine Zuführung 6 Wasser zugeführt wird.
  • Die Befeuchtungseinrichtung 4 kann beispielsweise durch eine Feuchttrommel oder einen Feuchttunnel gebildet sein. In der Befeuchtungseinrichtung 4 wird das Tabakmaterial auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 18 % bis 40 %, auf Feuchtbasis bezogen, gebracht. Durch den daraufhin erfolgenden Quellvorgang vergrößert sich das Volumen des Tabakmaterials. Das Ergebnis dieser Feuchtebehandlung kann zusätzlich mittels Wasserdampf 5 noch verbessert werden.
  • Anschließend wird das gefeuchtete Tabakmaterial über eine gasdichte Schleuse 8 in eine pneumatische Trocknungsstrecke 12 gefördert. Die Trocknungsstrecke 12 besteht im wesentlichen aus zwei senkrecht stehenden, miteinander verbundenen Abschnitten 10, 14. Am Aufgabepunkt 9 der Trocknungsstrecke 12 wird das Tabakmaterial in einen Strom eines Trocknungsgases eingeleitet, der die in der dargestellten Vorrichtung senkrecht stehende Trockenstrecke 12 von oben nach unten durchströmt. Neben dem hier erläuterten Verfahren, bei dem das Tabakmaterial und das Trocknungsgas im Abstrom geführt werden, kann eine solche Trocknungsstrecke 12 grundsätzlich beliebig orientiert sein.
  • Am Aufgabepunkt 9 beträgt die Temperatur des zuvor in dem Heißgaserzeuger 20 erhitzten Trocknungsgases 200 °C bis 600 °C und seine Strömungsgeschwindigkeit 40 bis 100 m/s. Dabei weist das Trocknungsgas am Aufgabepunkt 9 einen Wasserdampfgehalt von 20 bis 90 Massenprozent auf, und das Massenverhältnis von Trocknungsgas zu Tabakmaterial liegt hier zwischen 1 und 3, wobei sich diese Werte nach der Formel
    Figure imgb0005
    berechnen. Aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit des Trocknungsgases zum Tabakmaterial in Verbindung der hohen Trocknungsgastemperatur sowie dessen Wasserdampfgehalt ergibt sich kurzzeitig an dieser Stelle ein extrem hoher lokaler Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem Trocknungsgas und dem befeuchteten Tabakmaterial. Hierbei stellt sich der Wärmeübergangskoeffizient α zu etwa 800 bis 1200 J/sm²K und der Stoffübergangskoeffizient β zu etwa 1 bis 2 m/s ein. Der hohe Wärme- und Stoffaustausch führt zu einer oberflächenliche Abtrocknung und Fixierung des im Feuchteprozeß gequollenen Tabakfaservolumens. Im weiteren Verlauf wird die Trocknung nun so gesteuert, daß einerseits die Tabakoberfläche trocken bleibt, um das Erweichen der fixierten Oberfläche durch nachdiffundierendes Wasser aus dem Faserinneren zu vermeiden, andererseits ist die Trocknung jedoch nicht zu intensiv, um einer eventuellen Überhitzung und der damit verbundenen geschmacklich negativen Beeinflussung des Tabaks vorzubeugen. Um dies zu vermeiden, wird das Tabakmaterial in dem kurzen ersten Abschnitt 10 der Trocknungsstrecke 12, der als einfaches Rohrstück ausgebildet sein kann, auf annähernd Trocknungsgasgeschwindigkeit, lediglich um die Sinkgeschwindigkeit der Tabakpartikel voroder nacheilend, beschleunigt. Durch die abnehmende Relativgeschwindigkeit zwischen Trocknungsgas und Tabakmaterial nimmt der Wärme- und Stoffaustausch während des Beschleunigungsvorganges ständig ab. In dem sich anschließenden zweiten Abschnitt 14 der Trocknungsstrecke 12 werden das Trcknungsgas und gemeinsam damit das Tabakmaterial verzögert und dadurch die Konvektion an der Tabakoberfläche weiter verringert. Während des Verzögerungsvorganges nimmt die Relativgeschwindigkeit und damit der Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem Tabakmaterial und dem Heißgas mit fortschreitender Trocknung kontinuierlich ab. Zu diesem Zweck weist der Abschnitt 14 der Trocknungsstrecke 12 an seinem stromabwärtigen Ende eine Querschnittsfläche auf, die drei- bis fünfmal so groß ist wie die Querschnittsfläche des Abschnitts 10. Somit stellt sich an diesem stromabwärtigen Ende des Abschnitts 14 ein lokaler Wärmeübergangskoeffizient α = 120 bis 180 J/sm²K und ein lokaler Stoffübergangskoeffizient β = 0,15 bis 0,25 m/s, sowie eine Tabakfeuchte von 12 % bis 15 %, bezogen auf Feuchtbasis, eine Trocknungsgastemperatur von 100 °C bis 130 °C und eine Trocknungsgasgeschwindigkeit von 8 bis 15 m/s ein.
  • Ferner wird die Reduzierung der lokalen Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten innerhalb der Trocknungsstrecke 12 durch das niedrige Massenverhältnis von 1 bis 3 von Trocknungsgas zu Tabakmaterial und der, als Folge davon, großen Wärme- und Stoffaustauschfläche begünstigt.
  • Zur Erhöhung des Wasserdampfgehaltes des Trocknungsgases kann Wasserdampf 27 über ein Absperrventil 31 zusätzlich in den Kreislauf des Trocknungsgases eingespeist werden. Diese Maßnahme kann jedoch bei sorgfältiger Abdichtung des Kreislaufs gegen Falschluft vermieden werden.
  • Das getrocknete Tabakmaterial wird nun über eine Trennungseinrichtung 16, beispielsweise einen Zyklon oder einen Tangentialseparator, von dem Trocknungsgas getrennt und über eine weitere gasdichte Schleuse 18 aus der Trocknungsvorrichtung 1 ausgetragen.
  • Das von dem Tabakmaterial in der Trennungseinrichtung 16 getrennte Trocknungsgas wird durch einen Ventilator 22, eine Leitung 38, 42, 44 zu dem Heißgaserzeuger 20 geführt und auf die ursprüngliche Trocknungsgastemperatur von 200 °C bis 600 °C erwärmt. Dieser Heißgaserzeuger 20 kann wahlweise direkt oder indirekt beheizt werden, so daß der über die Leitung 44 zurückgeführte Trocknungsgasstrom sowohl direkt mit zusätzlichem heißen Trocknungsgas gemischt als auch in in direktem Wärmetausch mit einem geeigneten Wärmemedium erwärmt werden kann, wobei heißes Trocknungsgas auch als ein solches Wärmemedium eingesetzt sein kann.
  • Ein kleinerer Teil des Trocknungsgases, nämlich die Abgasmenge, wird an der Stellle 36 von einem Ventilator 24 über eine Abgasleitung 29 und ein Regelventil 30 einem Gaswäscher 28 und anschließend einer biologischen Abgasreinigung 29 zugeführt.

Claims (15)

  1. Trocknungsverfahren zur Füllfähigkeitssteigerung von Tabakmaterial, bei dem
    a) das geschnittene und befeuchtete Tabakmaterial in einem Trocknungsgasstrom befördert, innerhalb einer röhrenförmigen Trocknungsstrecke (12) getrocknet und anschließend vom Trocknungsgas getrennt wird,
    b) das Trocknungsgas an einer Aufgabe (9) in die Trocknungsstrecke (12) eine Temperatur von mindestens 200 °C und eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 30 m/s besitzt, und
    c) die Strömungsgeschwindigkeit des Trocknungsgases in der Trocknungsstrecke (12) verringert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    d) daß die Strömungsgeschwindigkeit des Trocknungsgases an der Aufgabe (9) höchstens 100 m/s beträgt;
    e) daß zur Verringerung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten und des lokalen Stoffübergangskoeffizienten zwischen der Oberfläche des Tabakmaterials und dem umgebenden Trocknungsgas mit der Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Trocknungsgases auch die Strömungsgeschwindigkeit des Tabakmaterials in der Trocknungsstrecke (12) verringert wird;
    f) daß die Strömungsgeschwindigkeit des Trocknungsgases am Ende der Trocknungsstrecke (12) höchstens 15 m/s beträgt; und
    g) daß das Trocknungsgas am Ende der Trocknungsstrecke (12) eine Temperatur von höchstens 130 °C aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lokale Wärmeübergangskoeffizient zu Beginn der Trocknung 800 bis 1000 J/sm²K und zum Ende der Trocknung 120 bis 180 J/sm²K beträgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lokale Stoffübergangskoeffizient zu Beginn der Trocknung 1 bis 2 m/s und zum Ende der Trocknung 0,15 bis 0,25 m/s beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Massen von Trocknungsgas zu Tabakmaterial während der Trocknung 1 bis 3 beträgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknungsgas zum Ende der Trocknungsstrecke (12) eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 8 m/s aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögern der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches aus Trocknungsgas und Tabakmaterial durch Querschnittserweiterung und/oder Temperaturerniedrigung erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erniedrigung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten und des lokalen Stoffübergangskoeffizienten in weniger als 1 Sekunde erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknungsgas zum Beginn der Trocknung einen Wasserdampfgehalt von 20 bis 90 Massenprozent aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Trocknungsgas Wasserdampf zugeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknungsgas zu Beginn der Trocknungsstrecke (12) eine Temperatur von höchstens 600 °C und am Ende der Trocknungsstrecke (12) eine Temperatur von mindestens 100 °C aufweist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Tabak zu Beginn der Trocknung einen Feuchtegehalt von 18 % bis 40 % und das getrocknete Tabakmaterial einen Feuchtegehalt von 12 % bis 15 %, jeweils bezogen auf das feuchte Tabakmaterial, aufweisen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Wirkungsgrad der Trocknung zumindest 80 % beträgt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Trocknungsgas und Tabakmaterial nach der Trocknung getrennt und ein größerer Teil des Trocknungsgases wieder dem Trocknungsvorgang zugeführt wird; vorzugsweise wird ein kleinerer Teil des Trocknungsgases in einer biologischen Abgasreinigung gereinigt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Trocknungsvorgang zuzuführende Trocknungsgas in einem Heißgaserzeuger (20), der wahlweise direkt oder indirekt beheizbar ist, auf seine Betriebstemperatur erwärmt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Trocknungsgases eine röhrenförmige Trocknungsstrecke (12) zur Führung des Gemisches aus Trocknungsgas und Tabakmaterial verwendet wird, die an ihrem stromabwärtigen Ende (15) eine Querschnittsfläche aufweist, die drei- bis fünfmal so groß ist wie die Querschnittsfläche an dem stromaufwärtigen Ende (9) der Trocknungsstrecke (12).
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