烟草生物质对流干燥内部湿分赋存状态及扩散特性研究

摘要

为探讨烟草材料干燥过程中内部湿分的赋存状态及迁移情况，本文采用低场核磁LF–NMR手段检测并获取新鲜烟叶及3种烟草在制品的自旋–自旋弛豫时间 T2反演谱，分析了不同烟草材料中湿分赋存状态及影响因素。为进一步探讨干燥过程中不同烟草材料内部水分赋存状态的变化情况，分别对新鲜烟叶及3种烟草在制品进行 T2反演谱、MRI成像及失重曲线检测，对比分析不同烟草材料在干燥过程中水分状态的变化规律。同时，研究建立了烟草材料对流干燥传热传质模型，可描述对流干燥过程中水分在烟草材料中的扩散行为。
　　通过试验研究和模型分析，课题主要得出如下结论：
　　(1)对比分析了新鲜烟叶及叶丝、梗丝、再造烟叶3种烟草在制品的T2反演谱特征峰，通过特征峰弛豫时间、幅值分析了不同烟草材料中水分赋存状态。新鲜烟叶T2反演谱呈现弛豫时间在3.511 ms、75.646 ms的两个弛豫峰，分别对应于内部赋存的半结合水和结合水。在10％~35%含水率范围内，烟草在制品的T2反演谱图通常呈现2~4个质子信号峰，其中弛豫时间在0.01~10 ms范围T21主峰反映了烟草中水分的氢质子弛豫信号强度，弛豫时间在1~100 ms范围的T22、T23、T24峰反映了烟草油分物质中的氢质子弛豫信号强度。
　　(2)通过对比分析不同含水率条件及天然/再造两种烟草材料 T2反演谱特征峰，探讨了含水率、微观结构对烟草在制品内部湿分赋存状态的影响。随着烟草材料含水率的增大，叶丝、梗丝、再造烟叶丝的T21峰弛豫时间逐渐增大，烟草材料中迁移性较强的水分比例增大。T21弛豫峰面积与不同烟草材料含水率均存在显著的线性相关，该 T2反演信号可用于烟草材料含水率的定量分析。与再造烟叶相比，天然烟草材料中30μm以上细胞尺度上的孔隙被破坏后，水分弛豫时间明显减小，表明天然烟草材料中水分赋存状态受其微观多孔结构影响明显。
　　(3)采用在线T2反演谱分析、MRI成像考察了新鲜烟叶烘烤过程中水分赋存状态的变化，并探讨了水分状态与干燥过程水分扩散的相关性。新鲜烟叶50~90℃烘烤过程中，内部湿分 T2反演谱特征峰的弛豫时间逐渐减小，即水分活动性逐渐降低。湿基含水率低于73~77%时，对应的弛豫时间降低明显。在相同含水率条件下，片烟干燥温度较高时，其内部湿分的活动性也较强。片烟干燥过程中随含水率的降低，内部水分的活动性逐渐减弱，导致其后续干燥过程中水分的扩散蒸发速率逐渐降低。
　　(4)采用在线T2反演谱分析考察了叶丝、梗丝、再造烟叶丝干燥过程中水分赋存状态的变化，并探讨了反演谱特征峰变化与干燥过程水分扩散的相关性。三种在制品干燥过程中，T2反演谱中湿分特征峰的幅值逐渐降低，其中叶丝干燥过程中弛豫时间降低幅度更大，这表明叶丝干燥过程中其内部水分结合状态的变化更为显著。与新鲜烟叶烘烤过程类似，三种烟草在制品干燥过程中，湿分特征峰弛豫时间与干燥速率的变化一致，即均随干燥速率的降低而减小。
　　(5)采用 COMSOL多物理场模拟软件，建立了烟草材料干燥传热传质模型，用于描述烟草在制品干燥过程内部湿分扩散特征。该干燥传热传质模型采用了连续介质流假设，并考虑了烟草材料的孔隙率特征及弹塑性收缩行为。干燥模型可较好地反映干燥热风温度及物料尺寸等因素对干燥过程的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 烟草生物质干燥技术

1.2 烟草材料水分测量技术

1.3 多孔介质干燥模型

1.4 多孔介质干燥收缩模型

1.5 课题研究意义及内容

1.6 技术路线

第二章 烟草材料内水分赋存状态及影响因素分析

2.1 材料与方法

2.2 结果讨论

2.3 小结

第三章 新鲜烟叶烘烤过程中水分赋存状态及扩散特性

3.1 材料与方法

3.2 结果与讨论

3.3 小结

第四章 烟草在制品干燥过程中水分赋存状态及扩散特性

4.1 材料与方法

4.2 结果与讨论

4.3 小结

第五章 烟草在制品内部湿分扩散过程的干燥模型分析

5.1 连续介质流假设传热传质模型

5.2 弹塑性力学收缩特性分析

5.3 模型求解方法与平台

5.4 烟草材料干燥模拟结果

5.5 烟草干燥模型验证

5.6 小结

第六章 总结与展望

6.1 总结全文

6.2 论文创新点

6.3 进一步研究建议

参考文献

作者简介

致谢