Способ вспучивания табака (варианты), табачный продукт и установка для пропитки табака

Способ вспучивания табака (варианты), табачный продукт и установка для пропитки табака

Реферат

 

Табак подают в цилиндр, перемещаемый периодически поворачивающейся на определенный угол поворотной платформой, которая перемещает цилиндр последовательно через четыре участка. На втором участке табак уплотняют. На третьем участке порцию табака перемещают в автоклав и охлаждают путем пропускания через нее газообразного диоксида углерода. Вывод диоксида углерода закрывают и нагнетают давление газа с целью достижения эффекта пропитки. Начальное охлаждение таково, что на табаке конденсируется регулируемое количество диоксида углерода. Затем давление сбрасывают, и расширение газа и испарение жидкого диоксида углерода приводят к охлаждению пропитанного табака. На четвертом участке табак выгружают, а затем вспучивают путем нагревания. Способ пригоден при высоких насыпных плотностях табака и способствует повышению производительности. 4 с. и 45 з.п. ф-лы, 20 ил., 5 табл.

Изобретение относится к способам увеличения объема табака. Более конкретно, изобретение относится к вспучиванию табака с использованием углекислого газа.

В технике переработки табака уже давно известна потребность во вспучивании табака с целью увеличения массы или объема табака. Вспучивание табака производят по различным причинам. Одной из давно известных причин вспучивания табака является компенсация потери веса табака в процессе его сушки. Другой причиной является улучшение курительных свойств конкретных компонентов табака, в частности табачных стеблей. Кроме того, желательно также улучшить заполняющие свойства табака, благодаря чему для изготовления курительного продукта, в частности сигареты, которая была бы той же самой плотности и тем не менее выделяла бы меньше дегтя и никотина, чем взятый для сравнения сопоставимый курительный продукт, изготовленный из невспученного табака, обладающего способностью более плотного наполнения, потребовалось бы меньшее количество табака.

Для вспучивания табака были предложены различные способы, включая пропитку табака газом под давлением с последующим сбросом давления, благодаря чему газ вызывает расширение клеток табака с увеличением объема обработанного табака. При осуществлении других способов, которые широко распространены или были предложены, предусматривается обработка табака различными жидкостями, в частности водой или относительно летучими органическими или неорганическими жидкостями, для пропитки ими табака, после чего эти жидкости отгоняют, вспучивая табак. При осуществлении дополнительных способов, которые были предложены, предусматривается обработка табака твердыми материалами, подвергающимися во время их нагревания разложению с образованием газов, которые обеспечивают вспучивание табака. К другим способам относятся те, при осуществлении которых предусмотрена обработка табака газосодержащими жидкостями, в частности водой, содержащей диоксид углерода под давлением, обеспечивающим введение газа в табак, после чего проводят нагревание пропитанного табака или понижают давление, что вызывает вспучивание табака. Для вспучивания табака были разработаны также дополнительные технические приемы, при осуществлении которых предусмотрена обработка табака газами, вступающими в реакцию с образованием внутри табачной массы твердых химических продуктов реакции, причем эти твердые продукты затем способны разлагаться при нагревании с образованием газов, которые вызывают вспучивание табака в процессе их выделения. Более конкретно можно указать следующие литературные источники.

Известны способ и устройство для увеличения объема табака с целью компенсации потерь объема, вызванных сушкой табачных листьев [1]. Для достижения этой цели высушенный и кондиционированный табак приводят в соприкосновение с газом, в качестве которого может служить воздух, углекислый газ или водяной пар под давлением, а затем, когда давление сбрасывают, табак начинает вспучиваться. В описании утверждается, что осуществление такого процесса дает возможность увеличить объем табачной массы приблизительно на 5-15%.

Известна обработка табака углекислым газом и газообразным аммиаком [2], благодаря чему табак насыщается этими газами и по месту использования образуется карбамат аммония. После этого карбамат аммония разлагают нагреванием, которое сопровождается выделением внутри клеток табачного материала газов, что вызывает расширение табачной массы.

Известен способ увеличения объема табака [4], при осуществлении которого табак пропитывают газообразным диоксидом углерода в таких условиях, при которых диоксид остается практически в газообразном состоянии. В процессе понижения давления некоторое количество диоксида углерода внутри табачной массы переходит в частично сконденсированное состояние. В описании к указанному патенту говорится о том, что энтальпию диоксида углерода регулируют таким образом, чтобы свести к минимуму конденсацию диоксида углерода.

Известен способ и устройство для увеличения объема табака [5], согласно которым табак пропитывают жидким диоксидом углерода, затем превращают жидкий диоксид в твердый диоксид по месту применения, после чего вызывают сублимацию твердого диоксида углерода, что приводит к вспучиванию табака.

В литературе описаны способы пропитывания табака диоксидом углерода с последующим вспучиванием [6, 7]. Данный разработанный процесс включает операции обработки табака газообразным диоксидом углерода и поддержание условий процесса с целью обеспечения контроля количества диоксида углерода, конденсирующегося на табаке.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ увеличения объема табака [3], при осуществлении которого табак пропитывают газообразным диоксидом углерода в таких условиях, при которых диоксид углерода остается практически в газообразном состоянии.

Предварительное охлаждение табака перед стадией пропитки или охлаждения табачного слоя внешними средствами в процессе пропитки ограничивают с целью предотвращения конденсации диоксида углерода в сколько-либо заметной степени.

Было обнаружено, что в процессах пропитки газообразным диоксидом углерода табак должен достигать достаточно низкой температуры на выходе в конце процесса (после сброса максимального давления диоксида углерода) для того, чтобы обеспечить успешную пропитку табака. По мере сброса давления отходящий диоксид углерода снижает температуру слоя табака.

Предшествующие способы пропитки табака с использованием газообразного диоксида углерода без регулируемой конденсации не могут обеспечить достаточное охлаждение слоя табака с высокой насыпной плотностью в силу того, что охлаждение обеспечивается только за счет расширения газа. Так как насыпная плотность табака возрастает, возрастает и масса табака, подлежащего охлаждению, а объем или пространство пустот, остающихся в табачном слое, и возможность использования газа для охлаждения снижается. Без достаточного охлаждения не может быть достигнута приемлемая стабильность пропитанного табака в момент, предшествующий вспучиванию.

Для свободно уложенного слоя табака характерно наличие некоторого градиента насыпной плотности, что означает повышение плотности от верхней его части к нижней за счет эффекта сжатия под воздействием веса табачного слоя. Процессы вспучивания табака с использованием газообразного диоксида углерода и свободно уложенных слоев табака с относительно низкой насыпной плотностью могут привести к неравномерному охлаждению табака, а следовательно, к неоднородной прочности и неравномерному вспучиванию табака.

Насыпная плотность в самом низу слоя табака может быть ограничивающим фактором для процессов, в которых используется исключительно газ, из-за того, что в этой части слоя насыпная плотность слишком велика для эффективного охлаждения табака путем расширения газа. В результате использование процессов вспучивания табака с использованием газообразного диоксида углерода ограничено относительно малыми или тонкими слоями табака. Такие маленькие слои могут быть использованы только для экспериментальных исследований, в промышленности же они практически не встречаются.

Обнаружено, что тогда как высокая плотность препятствует успешному применению предшествующих вспучиванию процессов, в которых используется газообразный диоксид углерода, способ [7], в котором используется регулируемая конденсация газообразного диоксида углерода, пригоден для применения при высоких насыпных плотностях и, в частности, для табака, который был предварительно уплотнен. Другим преимуществом такого способа является более высокая производительность.

Уплотнение может быть выполнено путем непосредственного сжатия порции табака и такой операции как резка.

В способе, предложенном в настоящем изобретении, табак первоначально сжимают до насыпной плотности не менее чем 10 фунт/фут³ (160,2 кг/м³). Предпочтительно, насыпная плотность не должна превышать 20 фунт/фут³ (320,4 кг/м³). Насыпная плотность от 12 до 16 фунт/фут³ (192,2-256,3 кг/м³), а предпочтительнее от 13 до 15 фунт/фут³ (208,2-240,3 кг/м³) является наиболее благоприятной. Перед пропиткой уплотненного табака диоксидом углерода под давлением табак охлаждают. В операции пропитки газообразный диоксид углерода является близким к насыщению или насыщенным, и при контакте с табаком достаточное количество диоксида углерода конденсируется на табаке, гарантируя таким образом, что после сброса давления расширение газообразного и испарение сконденсировавшегося диоксида углерода приведут к снижению температуры импрегнированного табака до пределов от -35 до 20^oF (от -37,4 до -6,7^oC).

Впоследствии пропитанный табак вспучивают традиционными способами, например нагреванием при атмосферном давлении.

Табак, пропитанный в соответствии с настоящим изобретением, можно подвергать вспучиванию с меньшими затратами энергии, например, с использованием газового потока значительно более низкой температуры при сопоставимой продолжительности пребывания, чем табак, который пропитывают в условиях, при которых предусмотрено применение жидкого диоксида углерода.

Кроме того, реализация настоящего изобретения позволяет в большей степени регулировать содержание химических и ароматических компонентов, например уменьшать содержание сахара и алкалоидов в конечном табачном продукте, причем вспучивание может быть проведено в более широком интервале температур, чем это осуществлялось ранее.

Более того, пропитка и вспучивание табака в соответствии с настоящим изобретением могут быть выполнены при более высокой производительности процесса по сравнению с процессами, в которых используется газообразный диоксид углерода, при условиях, исключающих конденсацию диоксида углерода до момента выброса. В соответствии с данным изобретением, испарение сконденсировавшегося диоксида углерода обеспечивает достаточное охлаждение, так что даже табак с очень высокой насыпной плотностью может быть эффективно пропитан и вспучен. Такое охлаждение при испарении является предпочтительным для слоев табака с высокой насыпной плотностью для достижения достаточно низкой температуры табака после сброса давления, что обеспечивает стабильность пропитанного табака.

Обнаружено, что в случае применения предлагаемого изобретения температура табака после сброса давления является совершенно независимой от насыпной плотности табака. Изобретение применимо к обработке как большого, так и малого количества табака.

Прессование или уплотнение табака перед пропиткой не только приводит к получению желаемой высокой плотности, но и дает большую однородность плотности по всему объему слоя. Посредством этого в дополнение к гарантированному обеспечению однородности пропитки диоксидом углерода может быть повышена производительность процесса по массе.

Производительность процесса также может быть увеличена путем такой загрузки табака в пропитывающее устройство, при которой достигают более высокой насыпной плотности в соответствии с одним из предпочтительных вариантов воплощения данного изобретения. Кроме того, уплотненный слой табака в меньшей степени, чем свободно насыпанный слой, подвержен оседанию под действием силы тяжести или потока газа, что в противном случае может создавать нежелательное свободное пространство в устройстве для пропитки. Кроме того, при сжатии выделяется меньшее количество тепла в силу того, что меньший объем газа сжимается на каждый фунт табака. Сконденсировавшийся на табаке диоксид углерода на более поздних стадиях сжатия позволяет избежать локализации компрессионного тепла. Благодаря тому что после сброса давления достигают достаточно низкой температуры, способ, изложенный в настоящем изобретении, обеспечивает приемлемое удержание диоксида углерода и стабильность после пропитки даже в случае высокой насыпной плотности табака.

Повышенная производительность процесса, обусловленная повышенной массовой производительностью, позволяет достичь большей экономии в производстве или позволяет сокращать капиталовложения за счет снижения размеров оборудования. Более того, процесс с коротким циклом, при котором обрабатываются малые порции сырья, ведется в практически непрерывном режиме на предпочтительном оборудовании, как описано ниже.

Снижение необходимого количества газообразного диоксида углерода, достигаемое при повышенных насыпных плотностях, также дает определенные экологические выгоды, так как снижается количество сбрасываемого в атмосферу газа в расчете на фунт табака.

Вышеуказанные и другие задачи и преимущества настоящего изобретения будут понятны при рассмотрении следующего подробного описания и поясняющих его примеров, сопровождаемых иллюстрациями, в которых одинаковые позиции служат для обозначения одинаковых во всех случаях параметров или характеристик и на которых изображено: фиг. 1 - стандартная диаграмма "температура-энтропия" для углекислого газа; фиг. 2 - упрощенная блок-схема технологического процесса вспучивания табака [7]; фиг. 3 - вариант фиг. 2, на котором показан процесс сжатия, пропитки и вспучивания табака, соответствующий одному из примеров реализации настоящего изобретения; фиг. 4 - график зависимости количества диоксида углерода (в мас.%), выделяющегося из табака, пропитанного под избыточным давлением 250 фунт/дюйм² (1723,5 кПа) и при температуре 18^oC, от времени, прошедшего после пропитки, для табака с содержанием ЛП приблизительно 12, 14, 16,2 и 20%; фиг. 5 - график зависимости количества диоксида углерода (в массовых процентах), удерживаемого табаком, от времени, прошедшего после сброса давления, для табаков с тремя различными величинами содержания ЛП; фиг. 6 - график зависимости равновесной величины ОЦ вспученного табака от времени удерживания до вспучивания для табаков с содержанием ЛП приблизительно 12 и 21%; фиг. 7 - график зависимости удельного объема вспученного табака от времени удерживания до вспучивания для табаков с содержанием ЛП приблизительно 12 и 21%; фиг. 8 - график зависимости равновесной величины ОЦ вспученного табака от содержания ЛП на выходе из расширительной колонны; фиг. 9 - график зависимости снижения процентного содержания редуцирующих сахаров в табаке от содержания ЛП на выходе из расширительной колонны; фиг. 10 - график зависимости снижения процентного содержания в табаке алкалоидов от содержания ЛП на выходе из расширительной колонны; фиг. 11 - схематическое изображение сосуда для пропитки с указанием температуры табака в различных точках по всему слою табака после сброса давления; фиг. 12 - график зависимости удельного объема вспученного табака от времени удержания после пропитки, но перед вспучиванием; фиг. 13 - график зависимости равновесной величины ОЦ вспученного табака от времени удержания после пропитки, но перед вспучиванием; фиг. 14 - график зависимости температуры табака от содержания ЛП в табаке, указывающий на степень предварительного охлаждения, которая необходима для достижения требуемой стабильности (например, приблизительно 1 ч удерживания после сброса давления перед вспучиванием) для табака, пропитанного под избыточным давлением 800 фунт/дюйм² (5515 кПа); фиг. 15 - схематичный вид сверху конструктивного оформления установки для проведение процесса с коротким циклом пропитки табака с высокой насыпной плотностью в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 16 схематически представлен вертикальный разрез установки фиг. 15; фиг. 17 - увеличенное сечение сосуда высокого давления (автоклава) фиг. 16, показанного с той же стороны, что и вид на фиг. 16; на фиг. 18, как и на фиг. 15, изображен вид сверху установки для проведения процесса, предложенного в настоящем изобретении, но в другом конструктивном оформлении; фиг. 19 аналогична фиг. 16, но для установки, представленной на фиг. 18; фиг. 20 аналогична фиг. 17, но для установки, представленной на фиг. 19.

В широком смысле настоящее изобретение относится к способу вспучивания табака с использованием легкодоступного, относительно недорогого, негорючего и нетоксичного вспучивающего агента. Более конкретно, настоящее изобретение относится к получению вспученного табачного продукта с существенно пониженной плотностью и повышенной наполнительной способностью, причем такой продукт получают пропиткой табака под давлением насыщенным газообразным диоксидом углерода и регулируемым количеством сконденсированного жидкого диоксида углерода, быстрым снижением давления, в результате чего происходит вспучивание табака. Это вспучивание может быть осуществлено путем воздействия на пропитанный табак тепловой, лучистой или подобной энергии, создающей условия для быстрого расширения пропитывающего диоксида углерода.

При реализации настоящего изобретения обработке можно подвергать цельный высушенный табачный лист, резаный и рубленый табак, либо отобранные части табака, в частности табачные стебли или, возможно, даже восстановленный табак. Предпочтительные размеры частиц табака в измельченной форме, подвергающиеся пропитке, составляют приблизительно от 6 до 100 меш (3,36-0,149 мм), а в более предпочтительном случае размеры частиц табака должны составлять не менее примерно 30 меш (0,59 мм). Указанные в данном описании размеры в мешах соответствуют стандартным ситам Соединенных Штатов, причем эти величины свидетельствуют о том, что более 95% частиц данного размера могут просеиваться через сито с указанной величиной в мешах.

Приведенную в данном описании процентную влажность можно рассматривать эквивалентной содержанию летучих при сушке в печи (ЛП), поскольку помимо воды, содержание летучих в табаке не превышает примерно 0,9 мас.% от массы табака. Определение содержания летучих при сушке в печи проводят простым измерением потери массы табака после его выдержки в течение 3 ч в сушильном шкафу с током воздуха, температуру которого поддерживают на уровне 212^oF (100^oC). Потеря веса в процентах от первоначальной величины и является содержанием летучих при сушке в печи.

Обычно содержание ЛП в подвергаемом обработке табаке составляет по меньшей мере около 12%, но меньше 21%. По предпочтительному варианту содержание ЛП в обрабатываемом табаке должно находиться в интервале приблизительно от 13 до 16%. В случае Содержания ЛП ниже примерно 12% табак слишком легко ломается, что вызывает образование большого количества табачной пыли. При содержании ЛП свыше около 21% для достижения приемлемой стабильности требуется избыточная степень предварительного охлаждения и необходима очень низкая температура после сброса давления, что приводит к образованию хрупкого табака, который легко крошится.

В соответствии с представленным изобретением, для того чтобы достичь требуемой высокой насыпной плотности или более однородной плотности в слое табака или же и того и другого, табак уплотняют или прессуют перед пропиткой его диоксидом углерода. Табак может быть уплотнен перед помещением его в автоклав или внутри автоклава, или и тем и другим способом, так что результирующая насыпная плотность табака в автоклаве в основном однородна и заметно выше, чем насыпная плотность в случае обычной свободной укладки табака.

В ходе проведения периодического процесса пропитки автоклав, в котором содержится табак, предпочтительнее продувать газообразным диоксидом углерода, причем продолжительность операции продувки составляет приблизительно от 1 до 4 мин. В выбранном варианте воплощения при обработке слоя табака с высокой насыпной плотностью требования к продувке могут быть снижены, так как может быть сведен к минимуму объем пустот и, таким образом, вместимость автоклава может быть меньше 1 фунта табака. В примере, детально описанном ниже со ссылками на фиг. 15 - 17, операция продувки занимает только 5 с. Операцию продувки можно и исключить без ухудшения качества конечного продукта. Преимущества же этой операции состоят в удалении газов, которые способны мешать удалению углекислого газа и удалять посторонние газы, которые способны препятствовать полному проникновению углекислого газа.

Газообразный диоксид углерода, который используют при осуществлении способа настоящего изобретения, обычно получают из расходной емкости, в которой он содержится в насыщенной жидкой форме под повышенным давлением около от 400 до 1050 фунт/дюйм² (2758-7239 кПа). Питание этой расходной емкости можно осуществлять повторно сжатым газообразным диоксидом углерода, который отводят из автоклава после сброса давления. Дополнительные количества диоксида углерода можно получать из емкости-хранилища, в котором его поддерживают в жидком состоянии, обычно под избыточным давлением около от 215 до 305 фунт/дюйм² (от 1482 до 2103 кПа), и при температуре приблизительно от -20 до 0^oF (от -29 до -18^oC). Поступающий из сосуда-хранилища жидкий диоксид углерода можно смешивать с повторно сжатым газообразным диоксидом углерода и хранить в расходной емкости. По другому варианту жидкий диоксид углерода из емкости-хранилища можно предварительно подогревать, например, с помощью соответствующих змеевиковых нагревателей, которые охватывают питающую линию, до температуры приблизительно от 0 до 84^oF (от -18 до 29^oC), доводя ее давление до уровня примерно от 300 до 1000 фунт/дюйм² (2068-6894 кПа), а затем вводить в автоклав. После введения в автоклав диоксида углерода температура внутри автоклава, включая и температуру подвергаемого обработке табака, обычно находится в пределах приблизительно от 20 до 80^oF (от 6,7 до 26,7^oC), а избыточное давление в нем должно быть достаточным для поддержания газообразного диоксида углерода в насыщенном или практически насыщенном состоянии. Стабильность табака, то есть промежуток времени, в течение которого пропитанный табак можно хранить после сброса давления и до заключительной стадии вспучивания и в течение которого он остается удовлетворительно вспученным, зависит от исходного содержания в табаке ЛП, то есть от содержания ЛП до пропитки и температуры табака после сброса давления в автоклаве. Для достижения той же самой степени стабильности табак с более высоким начальным содержанием ЛП требует более низкой температуры после сброса давления над табаком, чем табак с более низким начальным содержанием ЛП.

Влияние содержания ЛП на стабильность табака, пропитанного газообразным диоксидом углерода под избыточным давлением 250 фунт/дюйм² (1723,5 кПа) и при температуре -18^oC, определяли введением взвешенного образца светлого табака, обычно в количестве приблизительно от 60 до 70 г, в автоклав емкостью 300 мл. Затем автоклав погружали в баню, температуру которой поддерживали на уровне -18^oC. После достижения температурного равновесия между автоклавом и баней автоклав продували газообразным диоксидом углерода. Далее в автоклаве избыточное давление доводили приблизительно до 250 фунт/дюйм² (1723,5 кПа). Газофазную пропитку осуществляли, поддерживая избыточное давление диоксида углерода в интервале по меньшей мере на 20-30 фунт/дюйм² (137,9-206,8 кПа) ниже давления насыщения диоксида углерода при температуре -18^oC. После пропитки табака под давлением в течение приблизительно от 15 до 60 мин давление в автоклаве резко снижали до атмосферного в течение примерно от 3 до 4 с, соединяя автоклав с атмосферой. Немедленно после этого вентиляционный клапан закрывали и табак выдерживали в автоклаве, погруженном в баню с температурой, поддерживаемой на уровне -18^oC, в течение приблизительно 1 ч. По истечении этого времени температуру в автоклаве повышали до уровня приблизительно 25^oC в течение примерно 2 ч с целью удаления из табака оставшегося в нем диоксида углерода. Постоянный контроль температуры и давления в автоклаве осуществляли посредством компьютера IBM, совместимого с четырехпараметрической программой версии LABTECH, полученной от фирмы "Laboratories Technologies Corp. ". Количество диоксида углерода, которое выделяется табаком в течение определенного времени при постоянной температуре, можно рассчитать, основываясь на давлении в автоклаве по времени.

На фиг. 4 сопоставлена стабильность светлых табаков с содержанием ЛП приблизительно 12, 14, 16,2 и 20%, пропитанных газообразным диоксидом углерода под избыточным давлением 250 фунт/дюйм² (1723,5 кПа) и при температуре -18^oC, как это изложено выше. Табак с содержанием ЛП приблизительно 20% терял примерно 71% поглощенного им диоксида углерода после 15-минутной выдержки при температуре -18^oC, тогда как табак с содержанием ЛП приблизительно 12% терял лишь около 25% поглощенного им диоксида углерода после выдержки в течение 60 мин. Общее количество диоксида углерода, которое выделилось после повышения температуры в сосуде до 25^oC, является показателем общего количества поглощенного диоксида углерода. Эти данные указывают на то, что для процедур пропитки при сопоставимых давлении и температуре с повышением содержания ЛП в табаке стабильность табака возрастает.

Для достижения достаточной стабильности табака предпочтительный интервал температур табака должен соответствовать пределам приблизительно от 0 до 10^oF (от -18 до -12^oC) после сброса давления в сосуде, если начальное содержание ЛП в табаке, который подвергают вспучиванию, составляет около 15%. Для достижения сопоставимой степени стабильности температура табака с начальным содержанием ЛП, превышающим 15%, после сброса давления должна быть ниже, чем примерно от 0 до 10^oF (от -18 до -12^oC), тогда как табак с первоначальным содержанием ЛП менее 15% следует выдерживать при температуре, более высокой, чем в предыдущем случае. Так, например, фиг. 5 иллюстрирует влияние температуры табака после сброса давления на стабильность табака при различных величинах содержания ЛП. Фиг. 5 показывает, что табак с более высоким содержанием ЛП, равным приблизительно 21%, требует более низкой температуры выдержки после сброса давления, равной примерно -35^oF (-37^oC), для достижения той же самой степени удержания диоксида углерода по времени в сравнении с табаком с более низким содержанием ЛП, равным приблизительно 12%, при температуре выдержки после сброса давления примерно от 0 до 10^oF (от -18 до -12^oC). На фиг. 6 и 7 показано соответственно влияние содержания ЛП в табаке и температуры после сброса давления на равновесную величину ОЦ и удельный объем табака, вспученного после его выдержки при указанной для него температуре после сброса давления для указанного промежутка времени.

Приведенные на фиг. 5, 6 и 7 величины получены на основании данных экспериментов 49, 54 и 65. В ходе проведения каждого из таких экспериментов светлый табак помещали в автоклав общим объемом 3,4 фут³ (0,096 м³), из которых 2,4 фут³ (0,068 м³) было занято табаком. В ходе проведения экспериментов 54 и 65 в автоклав помещали приблизительно по 22 фунта (9,98 кг) табака с содержанием ЛП 20%. Этот табак подвергали предварительному охлаждению током газообразного диоксида углерода, пропускаемым через сосуд, под давлением соответственно около 421 и 153 фунт/дюйм² (2902 и 1055 кПа) для экспериментов 54 и 65, в течение примерно 4 и 5 мин перед сжатием посредством углекислого газа до избыточного давления примерно 800 фунт/дюйм² (5515 кПа).

Давление пропитки, величину массового соотношения между диоксидом углерода и табаком и теплоемкость табака можно варьировать таким образом, чтобы в данных конкретных условиях степень охлаждения, достигаемая при испарении сконденсировавшегося диоксида углерода, оказалась незначительной в сравнении с тем охлаждением, которое достигается за счет расширения газообразного диоксида углерода после сброса давления. Однако поскольку снижается массовое соотношение газообразного диоксида углерода к табаку, то есть возрастает насыпная плотность, постольку увеличивается и потребность в охлаждении от испарения сконденсировавшегося диоксида углерода. Для повышения производительности процесса и более однородного вспучивания табака путем его предварительного уплотнения существенно достижение регулируемой структуры и испарения сконденсированного диоксида углерода.

В ходе проведения каждого из экспериментов 49. 54 и 65 после создания давления пропитки около 800 фунт/дюйм² (5515 кПа) давление в системе поддерживали на уровне примерно 800 фунт/дюйм² (5515 кПа) в течение приблизительно 5 мин, после чего давление в автоклаве резко сбрасывали до атмосферного в течение примерно 90 с. Массу диоксида углерода, которая сконденсировалась на 1 фунте (0,454 кг) табака в процессе создания давления после охлаждения, рассчитали для экспериментов 54 и 65; она указана в приведенной ниже табл. 1. Пропитанный табак выдерживали при его температуре после сброса давления в сухой атмосфере до вспучивания его в расширительной колонне диаметром 3 дюйма (76,2 мм) путем обработки водяным паром, подаваемым при указанной температуре со скоростью примерно 135 фут/с (41,1 м/с) в течение менее 5 с.

Объем цилиндра (ОЦ) Термин "объем цилиндра" служит для обозначения единицы измерения степени вспучивания табака. Использованные в данном подробном описании величины, связанные во всех случаях с этим термином, определяют следующим образом.

Табак-наполнитель весом 20 г (невспученный) или 10 г (вспученный) помещают в денсиметрический цилиндр диаметром 6 см модели М DD-60, выпускаемый компанией "Heinr. Borgwaldt Company, Heinr. Borgwaldt GmbH, Schnackenburgallee No. 15, Postfack 54 07 02, 2000 Hamburg 54, West Germany. На табак, находящийся в цилиндре, помещают двухкилограммовый поршень диаметром 5,6 см на 30 с. После этого измеряют объем спрессованного табака и делят его на массу образца табака, получая объем цилиндра в см³/г. Проведение такого испытания позволяет определить действительный объем заданной навески табака-наполнителя. Полученный объем наполнителя при этом является объемом цилиндра. Такое испытание проводят в стандартных условиях окружающей среды, то есть при температуре 75^oF (24^oC) и относительной влажности 60%, причем во всех случаях, за исключением специально оговоренных, образец выдерживают в данных условиях окружающей среды в течение 24-48 ч.

Удельный объем (УО) Термин "удельный объем" служит для обозначения единицы измерения объема и истинной плотности твердых материалов, например табака, с использованием фундаментальных принципов закона идеальных газов. Удельный объем определяют как величину, обратную плотности, и выражают ее в см³/г. Взвешенный образец табака либо "как есть", высушенный при температуре 100^oC в течение 3 ч, либо кондиционированный, помещают в ячейку квантахромного пента-пикнометра. Затем эту ячейку продувают и нагнетают в нее гелий. Объем гелия, вытесняемый табаком, сопоставляют с объемом гелия, требующегося для заполнения пустой ячейки для образца, и согласно закону Архимеда определяют объем табачной навески. Во всех случаях, за исключением специально оговоренных, в данном подробном описании удельный объем определяли с использованием того же самого образца табака, что был использован для определения ЛП, то есть табака, высушенного после выдержки в течение 3 ч в сушильном шкафу с принудительной циркуляцией воздуха, температуру в котором поддерживали на уровне 100^oC.

Требуемая степень стабильности табака и, следовательно, желаемая температура после сброса давления зависят от многих факторов, к которым относятся длительность периода времени после сброса давления и перед вспучиванием табака. Таким образом, для достижения необходимого уровня стабильности следует выбрать желаемую температуру после сброса давления.

Желаемой температуры после сброса давления можно достичь с помощью любых приемлемых средств, включая предварительное охлаждение табака перед введением его в автоклав, охлаждение табака по месту обработки в автоклаве путем продувки холодным углекислым газом или другое приемлемое средство, или же вакуумное охлаждение по месту обработки, которое усиливают током пропускаемого углекислого газа. Достоинство вакуумного охлаждения состоит в снижении содержания ЛП в табаке без термического разложения табака. Вакуумное охлаждение позволяет также удалить из автоклава неконденсирующиеся газы, что дает возможность исключить необходимость операции продувки. Вакуумное охлаждение можно эффективно использовать практически для снижения температуры табака до уровня всего приблизительно 30^oF (-1^oC). По предпочтительному варианту табак следует охлаждать по месту обработки в автоклаве.

Степень предварительного охлаждения или охлаждения по месту обработки, которая требуется для достижения желаемой температуры табака после сброса давления, зависит от степени охлаждения, которая обеспечивается расширением газообразного диоксида углерода во время сбрасывания давления. Степень охлаждения табака вследствие расширения газообразного диоксида углерода зависит от величины соотношения между массами газообразного диоксида углерода и табака, теплоемкости табака, конечной температуры пропитки и температуры в системе. Таким образом, в том случае, когда исходный табак и давление в системе, температура и объем остаются неизменными, для данной пропитки конечную температуру табака после сброса давления можно регулировать путем изменения количества диоксида углерода, которому позволяют конденсироваться в табаке. Степень охлаждения табака вследствие испарения из табака сконденсированного диоксида углерода зависит от величины соотношения между массами сконденсированного диоксида углерода и табака, теплоемкости табака и температуры или давления в системе.

В присутствии сконденсировавшегося диоксида углерода изменения в насыпной плотности не оказывают существенного влияния на температуру после сброса давления. В случае, когда табак подвергают уплотнению перед операцией пропитки диоксидом углерода, большая насыпная плотность позволяет помещать в данный сосуд для пропитки большую массу табака. Повышение насыпной плотности может привести к повышению производительности процесса. Следовательно, в предпочтительном варианте реализации данного изобретения операцию уплотнения табака для достижения более высокой насыпной плотности осуществляют путем механического уплотнения поршнем или, напротив, немеханических способов или установки.

Требуемая стабильность табака зависит от конкретных вариантов осуществления способа пропитки и вспучивания. На фиг. 14 представлена температура табака после сброса давления, которая необходима для достижения желаемой стабильности табака как функция содержания ЛП для конкретного варианта осуществления способа настоящего изобретения. Нижняя, заштрихованная зона 200 иллюстрирует степень охлаждения, обусловленного расширением газообразного диоксида углерода, а верхняя зона 250 иллюстрирует степень дополнительного охлаждения за счет испарения жидкого диоксида углерода в зависимости от содержания ЛП в табаке, который требуется для достижения необходимой стабильности. В данном конкретном примере требуемая стабильность табака достигается в том случае, когда температура табака равна или ниже температуры, обозначенной линией "стабильности". К