EP1033081A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Expansion von Nahrungs- und Genussmitteln - Google Patents

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EP1033081A2
EP1033081A2 EP00102159A EP00102159A EP1033081A2 EP 1033081 A2 EP1033081 A2 EP 1033081A2 EP 00102159 A EP00102159 A EP 00102159A EP 00102159 A EP00102159 A EP 00102159A EP 1033081 A2 EP1033081 A2 EP 1033081A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tobacco
carrier flow
tobacco material
bar
food
Prior art date
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Granted
Application number
EP00102159A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1033081A3 (de
EP1033081B1 (de
Inventor
Frank Plückhahn
Gerald Schmekel
Arno Dr. Weiss
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
Publication of EP1033081A2 publication Critical patent/EP1033081A2/de
Publication of EP1033081A3 publication Critical patent/EP1033081A3/de
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Anticipated expiration legal-status Critical
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for expanding food or Consumable items.
  • the inventive method and the inventive Device for increasing the filling capacity of tobacco material or crushed Serve smoking materials.
  • tobacco material or shredded Tobacco leaf, tobacco rib, tobacco stem, each cut or stripped from smoking materials shredded, reprocessed tobacco and tobacco by-products such as TV and ZHV winnowings be understood.
  • the water content is defined as the mass loss of tobacco based on the Moisture content in mass% in a drying cabinet due to a drying time of 3 Hours at 80 ° C (so-called Salvis moisture).
  • This tobacco is processed as raw material, called raw tobacco, to the factories producing e.g. Cigarettes or other luxury goods based on tobacco.
  • the processing chain from green leaf to raw tobacco leads to severe shrinkage. This volume reduction adversely affects the so-called filling capacity.
  • the tobacco industry describes filling ability as the property with as little mass use as possible nevertheless produce physically stable, solid or hard end products (e.g. cigarettes) to be able to.
  • the filling capacity is also defined as the residual volume in relation to the weighing in in ml / g, which after compression with a 3kg weight in a cylindrical Vessel after an exposure time of 30 seconds).
  • phase change after gaseous heat supply differ essentially by the impregnation / propellant and thus by the phase change. Examples are impregnation with CO 2 (phase change from solid to gaseous), impregnation with fron / liquid gas (phase change from liquid to gaseous) and impregnation with high-tension N 2 (phase change from gaseous)
  • the variants of the chemical processes differ essentially in the type of gas generation reaction such as decomposition of additives by supplying heat in the dryer or by adding another additive to trigger a reaction.
  • Examples include impregnation with NH 3 / CO 2 (thermal decomposition solid to gaseous), impregnation with H 2 O 2 (thermal decomposition liquid to gaseous) and impregnation with N 2 H 4 / H 2 O 2 (exothermic reaction liquid after gaseous).
  • a disadvantage of these processes is the introduction of additional additives and the The need for a pressurized stage in the tobacco treatment process.
  • the impregnation process is usually a complex batch process.
  • DE 195 21 243 describes a method and an apparatus in which batch operation a closed container is pressurized and the material inside is heated. The the upper, well-free area is briefly put under increased pressure. By opening suddenly of the container, the material is ejected into an expansion chamber with atmospheric pressure. The increased pressure acts as a propellant. The water in the good evaporates and the good expands.
  • DE 195 21168 describes the device and method analogous to DE 195 21 243, however the inner container has no holes in the upper, good-free area.
  • DE 195 21167 describes a device analogous to DE 195 21243 and DE 195 21 168 wherein the expansion chamber is rotatable and the expanded material by rotating the drum is carried out in the longitudinal direction.
  • the one used Heating device comprises a fluidized bed chamber in which the material is heated in batches becomes. The material is transferred to the puffing reactor using a branch circuit.
  • An expansion chamber is described in DE 198 06 950, which is designed in two parts is.
  • the first part starts directly at the discharge of the expansion chamber and has a long, slim and conical shape. It is calculated so that there is a laminar flow formed. It flows into the second part, in which normal pressure is reached at the latest. There the flow becomes turbulent.
  • the object of this invention is to overcome the disadvantages of the state set out above overcoming technology.
  • optimal expansion should be possible effectively and with regard to the tobacco material, the mentioned reduction in filling capacity / shrinkage be reversed as far as possible.
  • the invention advantageously enables increases in filling capacity not previously achieved with post-expansion fill capabilities that are up to about ten percent above the values for customary expansion processes, which were previously generally regarded as optimized lie.
  • the positive effects on the economy of smoking article production are enormous with the quantities of tobacco material used in industry. In the area of others There are corresponding advantages to expandable food and beverages.
  • the material continuously passes through an area higher Pressure, then an area of reduced pressure and finally an area atmospheric pressure.
  • the core principle of the process uses the property of gases and vapors to pressure energy to be able to convert it completely into kinetic energy using a nozzle (extreme case: Pressure reduction up to 0 bar). This extreme pressure reduction only succeeds when at the narrowest point the nozzle reaches the speed of sound or equivalent to the critical pressure ratio becomes. Under these conditions there is a further decrease in pressure and thus an increase in speed in the expanded section of the nozzle.
  • the classically operated nozzle produces one in the extended part under the same conditions Pressure increase and thus speed reduction. These ratios are in the attached Fig. 6, which in the upper representation of a basic nozzle structure and below it shows the speed and pressure curves for different operating modes.
  • the course marked with a circled 1 applies to a subcritical nozzle Operation, while the courses marked with the circled 2 for one Laval nozzle in critical operation apply (at supersonic speed), as in the present Invention is used.
  • the invention enables one continuous process, can be integrated in e.g. a tobacco preparation process without special steps (In particular, there is an integration without previous tobacco removal in one Airflow dryer possible). There is only a small additional outlay on equipment and additional tobacco preparation process steps such as casing / flavor are without further integrable.
  • the carrier flow can have a steam content of 10 to 100% saturated steam and in particular have superheated steam.
  • the pressure of the carrier flow is in front of the Laval nozzle in a range from less than 1 bar to about 30 bar, preferably 1 bar to 30 bar and in particular 1 bar to 10 bar, and the temperature of the carrier flow in front of the Laval nozzle is in a range from 50 ° C to 450 ° C, preferably in a range from 100 ° C to 300 ° C.
  • the pressure at the outlet of the Laval nozzle can be from 0 bar to 2 bar, preferably from 0.2 bar to 1 in cash.
  • the carrier flow is preferably overheated before the material / tobacco material is introduced.
  • the Carrier flow an inlet path, a nozzle antechamber, the Laval nozzle, an inlet diffuser and a spout diffuser.
  • the tobacco material can be the carrier flow on the one hand in the inlet section before Laval nozzle, preferably via a rotary valve with one attached to the inlet section Headpiece, are fed.
  • Tobacco material after passing through the outlet diffuser of a tobacco separator in particular to supply a traction force separator, the negative pressure of which is preferably by means of a vacuum compressor is maintained.
  • the tobacco material can also after the passage through the outlet diffuser first an airflow dryer and then a tobacco separator, in particular a centrifugal separator.
  • the gas flow which passes the components connected to the outlet diffuser by means of a Air circulation system collected, compressed and used again as a carrier flow component.
  • the device according to the invention is preferably characterized in that it comprises a device in particular has a heat exchanger which the carrier flow before introduction of the tobacco material overheats.
  • the flow guidance devices comprise a Inlet section, a nozzle pre-chamber, the Laval nozzle, an inlet diffuser and an outlet diffuser.
  • a rotary valve with a head piece attached to the inlet section can be provided be, by means of which the tobacco material of the carrier flow in the inlet section in front of the Laval nozzle is fed.
  • the device can be a cellular wheel sluice with one attached to the Laval nozzle Have headpiece, by means of which the tobacco material of the carrier flow at the Laval nozzle in Area of the minimum pressure.
  • the device preferably has a tobacco separator, in particular a centrifugal separator, on which the tobacco material is fed after passing through the outlet diffuser , and its negative pressure is preferably maintained by means of a vacuum compressor becomes.
  • a tobacco separator in particular a centrifugal separator, on which the tobacco material is fed after passing through the outlet diffuser , and its negative pressure is preferably maintained by means of a vacuum compressor becomes.
  • the device has and on an airflow dryer then a tobacco separator, in particular a centrifugal separator, on which the Tobacco material is fed after passing through the outlet diffuser.
  • the reference numerals designate: 1 an inlet section, 2 a rotary valve, 3 a nozzle prechamber, 4 a Laval nozzle (also referred to as a driving nozzle), 5 a Head piece on the Laval nozzle, 6 an inlet diffuser, 7 an outlet diffuser, 8 an outlet lock, 9 a cyclone separator, 10 a compressor, 11 a recirculation system, 12 a Exhaust system, 13 a carrier flow, 14 a tobacco discharge from the cyclone separator, 15 a drying tower, 16 an optional casing / flavor feed, 17 an air supply to the drying tower and 18 the discharge from the drying tower.
  • T indicates tobacco material.
  • the same reference symbols indicate similar components.
  • Figures 1 and 2 show those embodiments of the invention in which the tobacco material in the inlet section, i.e. on the pressure side of the Laval nozzle into the carrier flow 13 is fed.
  • the tobacco is passed through a lock, preferably through a Rotary valve 2, which is suitable for larger differential and absolute pressures, into the inlet section 1 funded.
  • a Rotary valve 2 which is suitable for larger differential and absolute pressures
  • There the tobacco is mixed with the carrier flow 13, prewarned and dampened when using steam.
  • the mass flow ratio of carrier flow Tobacco material can be made simply by choosing the narrowest cross section in the Laval nozzle 4 (driving nozzle) can be set for a given mass flow of the tobacco material. For example, at 2 bar saturated steam admission pressure (approx.
  • This method variant according to FIG. 1 is preferably the one following the expansion Displayed tobacco drying process, which the carrier flow 13 is not a drying or Use the transport medium.
  • These are e.g. B. the drum, vibro / fluidized or Belt drying.
  • These drying processes require the prior separation of tobacco material and carrier flow by means of a tobacco separator, preferably one Centrifugal separator 9, such as. B. cyclone or tangential separator.
  • a tobacco separator preferably one Centrifugal separator 9, such as. B. cyclone or tangential separator.
  • the tobacco discharge 14 from negative pressure to atmospheric pressure.
  • the negative pressure in the tobacco separator 9 can be maintained, for example, by a vacuum pump, not shown become.
  • the tobacco material is deposited after a pass through an airflow dryer, here a drying tower 15.
  • the tobacco is produced directly without separating the carrier flow 13 after passing through the diffuser 6/7 passed into the drying tower 15 and after wetting over the tobacco separator 9, preferably a centrifugal separator, such as. B. cyclone or tangential separator, by means of a discharge lock 8 discharged (arrow 14).
  • a centrifugal separator such as. B. cyclone or tangential separator
  • an expansion mode of operation is preferred, in which in the outlet diffuser 7 pressures are present, which are between 0.9-1.1 bar.
  • the two variants according to FIGS. 1 and 2 have in common the option of recirculation / partial recirculation mode by means of a circulating air system 11 for reusing the carrier flow 13, preferably with air as the carrier flow 13, which, when considering the economy as particularly inexpensive solution can be used.
  • both variants optionally allow the introduction of liquid / solid additives (casing, Flavor) in the head area 5 on the Laval nozzle 4, as shown in Fig.2 with the reference drawing 16 is indicated.
  • Figures 3 and 4 show variants according to the invention, in which the tobacco material supply takes place on the suction side of the nozzle 4.
  • the apparatus (nozzle 4, inlet diffuser 6,) and the pre-pressure in front of the nozzle 4 should be for this Process variant be designed so that the minimum achievable at the outlet of the nozzle 4 Pressure. This can increase the pressure caused by the lock 2 leaking air occurs, can be compensated.
  • the tobacco material should be on a before entering the nozzle 4 Preheated to a temperature above 90 ° C (e.g. through a steam tunnel) the tobacco material in the vacuum region of the nozzle 4 ( ⁇ 1 bar) suddenly into that described above Area of a thermodynamic imbalance and thereby water Cooling is evaporated. As already described, it depends on the desired process pressure in the tobacco separator 9, the steam is compressed accordingly with the aid of the outlet diffuser 7.
  • This variant of the method is in turn preferred for those following the expansion Tobacco drying process displayed that the carrier flow 13 is not a drying or Use the transport medium.
  • These are e.g. B. drum, vibro / fluidized bed or belt drying.
  • These drying processes require the prior separation of tobacco and Carrier flow, which by means of a tobacco separator 9, preferably a centrifugal separator, such as B. cyclone or tangential separator.
  • the Tobacco discharge 14 takes place from the vacuum to the atmospheric pressure range.
  • FIG. 4 again shows an embodiment with a separation after passing through an air flow dryer.
  • the Tobacco material in the head area 5 introduced into the device.
  • the further for the Fig. 3 described method is also used (except for the separation in the separator directly after the expansion nozzle). The difference lies in the combination of the contribution of the tobacco material on the suction side of the nozzle with the separation of the tobacco after passing through an air dryer.
  • the tobacco material is directly after again without separating the carrier flow Passing the diffuser 6/7 into the drying tower 15 and after wetting / drying over a tobacco separator 9, preferably a centrifugal separator such.
  • a tobacco separator 9 preferably a centrifugal separator such.
  • the blowing agent is necessary to adapt to the conditions in the drying tower 15 with regard to speeds and pressure.
  • an expansion mode of operation is preferred in which Outlet diffuser 7 pressures are present, which are between 0.9 to 1.1 bar.
  • Both variants (Fig. 3 and 4) is again the option of recirculation / partial recirculation mode (Reference number 11) for reusing the carrier flow together, preferably with air as the carrier flow.
  • FIG. 5 shows a bar diagram which shows the increase in filling capacity in the case of the invention Process and in comparison processes according to the prior art.
  • the Test parameters are shown below:
  • parameter total area Preferred area Carrier flow pressure in front of the nozzle 1-30 bar 1-10 bar Carrier flow temperature in front of the nozzle 50-450 ° C 100-250 ° C Carrier flow pressure in the nozzle > 0-2 bar 0.2-1.0 bar Carrier flow pressure in outlet diffuser (item 7) > 0-2 bar 0.2-1.1 bar Tobacco moisture in front of the rotary valve 10-60% (wet basis) 17-45% (wet basis) Tobacco temperature in front of the rotary valve 10-100 ° C 20-95 ° C Ratio of carrier flow mass flow / tobacco mass flow 0.1-10 (kg / h) / (kg / h) 0.2-1 (kg / h) / (kg / h) Vapor content carrier flow 10-100% (mass percentage wet basis) 50-100% (mass percentage wet basis)

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  • Manufacture Of Tobacco Products (AREA)
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  • Formation And Processing Of Food Products (AREA)
  • Supplying Of Containers To The Packaging Station (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Expansion von expansionsfähigen Nahrungs- bzw. Genussmitteln, insbesondere von feuchtem Tabakmaterial, wobei das Material in einer Dampf enthaltenden Trägerströmung eine Expansionszone durchläuft, die eine Lavaldüse umfasst, bei der im engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Expansion von Nahrungs- bzw. Genussmitteln. Insbesondere können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung der Erhöhung der Füllfähigkeit von Tabakmaterial bzw. zerkleinerten Rauchmaterialien dienen.
Was das Tabakmaterial betrifft, sollen unter dem Begriff Tabakmaterial bzw. zerkleinerte Rauchmaterialien entripptes Tabakblatt, Tabakrippe, Tabakstengel, 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 mittels unterschiedlicher Curingverfahren auf weniger als 10 Massen% Wasserrestgehalt vermindert wird. Der Wassergehalt wird definiert als der Massenverlust des Tabaks bezogen auf die Feuchteinwaage in Massen% in einem Trockenschrank durch eine Abtrocknungszeit von 3 Stunden bei 80°C (sogenannte Salvisfeuchte). Dieser so aufbereitete Tabak gelangt als Rohstoff, genannt Rohtabak, in die Fabriken zur Herstellung von z.B. Cigaretten oder anderen Genussmitteln auf Basis von Tabak. Die Verarbeitungskette vom Grünblatt bis zum Rohtabak führt zu einer starken Schrumpfung. Diese Volumenminderung 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. Cigaretten) fertigen zu können. (Die Füllfähigkeit wird auch definiert als das Restvolumen bezogen auf die Einwage in ml/g, welches sich nach Kompression mit einem 3kg Gewicht in einem zylindrischen Gefäß nach einer Wirkzeit von 30 Sekunden einstellt).
In der Technik sind physikalische und chemische Verfahrensprinzipien bekannt, um den Schrumpfungsprozess rückgängig zu machen:
Die physikalischen Prozesse (Phasenwechsel nach gasförmig durch Wärmezufuhr) differenzieren sich im wesentlichen durch das Imprägnier/Treibmedium und damit durch den Phasenwechsel. Beispiele sind die Imprägnierung mit CO2 (Phasenwechsel fest nach gasförmig), die Imprägnierung mit Fronen/Flüssiggas (Phasenwechsel flüssig nach gasförmig) sowie die Imprägnierung mit hochgespanntem N2 (Phasenwechsel gelöst nach gasförmig)
Weiterhin erwähnenswert sind die vorgeschlagenen Verfahren mit organischen Lösungsmitteln in flüssiger Form und Austreibung als Gas, wobei im wesentlichen alle bekannten Niedrig-Sieder beschrieben worden sind.
Die Varianten der chemische Prozesse (Erzeugung eines Gases durch thermische Zersetzung 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), die Imprägnierung mit H2O2 (thermische Zersetzung flüssig nach gasförmig) und die Imprägnierung mit N2H4/H2O2 (exotherme Reaktion flüssig nach gasförmig).
Wirtschaftliche Bedeutung haben lediglich die physikalischen Verfahren erlangt. Typisch ist die Imprägnierung im Druckbereich. Die anschließende Austreibung im Trockner erfolgt nach der sogenannten Fixierung, die durch Druckabsenkung/Kühlung auf Atmosphärendruck im Imprägnator und damit zur Bildung eines Gleichgewichtsstoffes bei Atmosphäre herbeigeführt wird. Die Bedeutung dieser Prozesse erklärt sich durch die rückstandsfreie Austreibung, preiswerte Treibmittel und die Volumenvergrößerung in der Größenordnung 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 Bedeutung erlangt. Bei allen bekannten Verfahren 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 das Tabakmaterial einer Trägerströmung in einer Venturidüse zugeführt und dabei expandiert wird. Nachteilig ist hierbei die noch optimierungsbedürftige Füllfähigkeitssteigerung.
Was die Expansion sonstiger expansionsfähiger Nahrungs- bzw. Genussmittel (z.B. Getreide und Hülsenfrüchte; "Puffen") betrifft, so werden im Stand der Technik mehrere, meist diskontinuierliche Verfahren und Vorrichtungen beschrieben. Zu nennen sind hier die folgenden Schriften:
Die DE 195 21 243 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung wobei im Batch-Betrieb ein geschlossener Behälter unter Druck gesetzt und das darin befindliche Gut erhitzt wird. Der obere gutfreie Bereich wird kurzzeitig unter erhöhten Druck gesetzt. Durch schlagartiges Öffnen des Behälters wird das Gut in eine Expansionskammer mit atmosphärischem Druck ausgestoßen. Dabei wirkt der erhöhte Druck als Treibsatz. Das im Gut befindliche Wasser verdampft und das Gut expandiert.
Die DE 195 21168 beschreibt Vorrichtung und Verfahren analog zur DE 195 21 243, jedoch weist der innere Behälter im oberen gutfreien Bereich keine Löcher auf.
Die DE 195 21167 beschreibt eine Vorrichtung analog zu DE 195 21243 und DE 195 21 168 wobei die Expansionskammer drehbar ist und das expandierte Gut durch Drehung der Trommel in Längsrichtung ausgetragen wird.
Die DE 198 06 951 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Puffen von kornförmigem Gut, insbesondere eine Vorwärmkammer für das zu expandierende Gut. Die verwendete Heizvorrichtung umfasst eine Wirbelbettkammer in dem das Gut batchweise erwärmt wird. Mit Hilfe eines Zweigkreislaufs wird das Gut an den Puffingreaktor überführt.
In der DE 198 06 950 wird eine Expansionskammer beschrieben, die zweiteilig ausgestaltet ist. Der erste Teil beginnt direkt am Austrag der Expansionskammer und hat eine lange, schlanke und kegelförmige Gestalt. Er ist so berechnet, dass sich eine laminare Strömung ausbildet. Er mündet in den zweiten Teil, in dem spätestens Normaldruck erreicht wird. Dort wird die Strömung turbulent.
Auch nach diesem Stand der Technik kann noch nicht optimal expandiert werden, und die im Batch-Betrieb diskontinuierlich arbeitenden Systeme sind aufwendig und wenig effektiv.
Diese Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, die oben angeführten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine optimale Expansion effektiv möglich werden und hinsichtlich des Tabakmaterials soll die angesprochene Verringerung der Füllfähigkeit/Schrumpfung soweit als möglich rückgängig gemacht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung ermöglicht im Tabakbereich vorteilhafterweise bisher nicht erreichte Füllfähigkeitssteigerungen mit Füllfähigkeiten nach der Expansion, die bis zu etwa zehn Prozent über den Werten für übliche, bisher allgemein als optimiert angesehene Expansionsverfahren liegen. Die positiven Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit der Rauchartikelherstellung sind bei den in der Industrie verwendeten Tabakmaterialmengen enorm. Im Bereich anderer expansionsfähiger Nahrungs- und Genussmittel ergeben sich entsprechende Vorteile.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchläuft das Material kontinuierlich ein Gebiet höheren Druckes, anschließend ein Gebiet verminderten Druckes und abschließend ein Gebiet atmosphärischen Druckes.
Das Kernprinzip des Verfahrens nutzt die Eigenschaft von Gasen und Dämpfen Druckenergie mittels einer Düse vollständig in kinetische Energie umwandeln zu können (Extremfall: Druckabbau bis 0 bar). Dieser extreme Druckabbau gelingt nur, wenn an der engsten Stelle der Düse Schallgeschwindigkeit oder gleichbedeutend das kritische Druckverhältnis 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 Düsenaufbau und darunter die Geschwindigkeits- und Druckverläufe bei verschiedenen Betriebsarten aufzeigt. Der mit einer eingekreisten 1 bezeichnete Verlauf gilt hierbei für eine Düse im unterkritischen Betrieb, während die Verläufe, die mit der eingekreisten 2 bezeichnet sind, für eine Lavaldüse im kritischen Betrieb gelten (mit Überschallgeschwindigkeit), wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Belädt man nun eine Trägerströmung (Beispiel Sattdampf) vor Düseneintritt z.B. mit Tabakmaterial, 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 Zweiphasenmischung 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 Umgebung ist aufgrund der Temperaturverhältnisse (Dampf kälter als Partikel) im Unterdruckgebiet nicht möglich. Wärmetransportprozesse finden durch Wärmeleitung von innen nach außen im Partikel statt. Grundsätzlich ist diese Art der Entfeuchtung/Trocknung verschieden von den 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 vorteilhafterweise die hohen Füllfähigkeitssteigerungen erzielt werden. Ferner ermöglicht die Erfindung einen kontinuierlichen Prozess, integrierbar in z.B. einen Tabakvorbereitungsprozess ohne Sonderschritte (insbesondere ist eine Integration ohne vorangegangene Tabakausschleusung in einem Luftstromtrockner möglich). Dabei entsteht nur ein geringer zusätzlicher apparativer Aufwand und zusätzliche Tabakvorbereitungs-Prozessschritte wie Casing/Flavour sind ohne weiteres integrierbar.
Die Trägerströmung kann einen Dampfgehalt von 10 bis 100% Sattdampf und insbesondere 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.
Im Weiteren werden insbesondere Ausführungsformen für die Expansion von Tabakmaterial beschrieben. Diese Ausführungsformen sind jedoch grundsätzlich auf die Expansion anderer Nahrungs- bzw. Genussmittel anwendbar. Hierunter fällt die Verarbeitung von festen, faser-, korn- bzw. bohnenförmigen, oder blattförmigen Nahrungs- bzw. Genussmittel, z.B. Getreide und Hülsenfrüchte, Cerealien, Gerste, Mais, Bohnen, Weizen, Reis oder Erbsen. Vorrichtungsbestandteile, wie beispielsweise Abscheider sind dann dem jeweiligen zu verarbeitenden Material angepasst.
Bevorzugt wird die Trägerströmung vor dem Einbringen des Materials/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 ansetzenden Kopfstück, zugeführt werden.
Andererseits besteht die Möglichkeit, das Tabakmaterial der Trägerströmung an der Lavaldüse 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 Tabakabscheider, insbesondere einem Fliebkraftabscheider zuzuführen, dessen Unterdruck vorzugsweise mittels einem Unterdruckverdichter aufrechterhalten wird. Das Tabakmaterial kann aber auch nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor zunächst einem Luftstromtrockner 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 verwendet.
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 vorgesehen 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 Fliehkraftabscheider, 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 einem Fliehkraftabscheider, auf, denen das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor zugeführt wird.
Von besonderem Vorteil ist es, ein Umluftsystem vorzusehen, mittels dem die Gasströmung, welche die an den Auslaufdiffusor anschließenden Bauteile passiert, gesammelt, verdichtet und wieder der Trägerströmung zugeführt wird.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der beilegenden Zeichnungen mittels der Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
eine Schemadarstellung einer Expansionsvorrichtung für Tabakmaterial mit einem anschließenden Zyklonabscheider gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2
eine Schemadarstellung einer Expansionsvorrichtung für Tabakmaterial mit einem anschließenden Trockenturm gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3
eine Schemadarstellung einer Expansionsvorrichtung für Tabakmaterial mit einem anschließenden Zyklonabscheider und einer Tabakmaterialzuführung an einer Lavaldüse gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4
eine Schemadarstellung einer Expansionsvorrichtung für Tabakmaterial mit einem anschließenden Trockenturm und einer Tabakmaterialzuführung an einer Lavaldüse gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig.5
ein Balkendiagramm, das die Füllfähigkeitssteigerung bei erfindungsgemäßen Verfahren und bei Vergleichsverfahren nach dem Stand der Technik gegenüberstellt; und
Fig. 6
eine schematische Darstellung eines Düsenquerschnittes mit Druck- und Geschwindigkeitsverläufen für den kritischen und nicht kritischen Betrieb.
In den Figuren 1 bis 4 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 eine Einlaufstrecke, 2 eine Zellradschleuse, 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 Umluftsystem, 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 Komponenten hin.
Die Figuren 1 und 2 zeigen diejenigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen das Tabakmaterial in der Einlaufstrecke, also auf der Druckseite der Lavaldüse in die Trägerströmung 13 eingespeist wird.
Die Fig. 1 erläutert hierbei eine Ausführungsform mit einer Direktabscheidung im Tabakabscheider 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, vorgewännt und bei Verwendung von Dampf aufgefeuchtet. Das Massenstromverhältnis von Trägerströmung zu Tabakmaterial kann einfach durch die Wahl des engsten Querschnitts in der Lavaldüse 4 (Treibdüse) bei vorgegebenem Massenstrom des Tabakmaterials eingestellt werden. Beispielsweise stellt sich bei 2 bar Sattdampfvordruck (ca. 120°C) ein maximaler Massenstrom von 400 kg/h bei Düsendurchmesser 21,8 mm; hingegen wird bei 15,4 mm Düsendurchmesser ein maximaler Durchsatz von 200 kg/h erreicht. Das sinnvoll nutzbare Verhältnis liegt im Bereich 0,1-10 kg Trägerströmung je kg 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 korrespondierend 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, entgegenzuwirken. 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 nachfolgenden 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 vorangehende Trennung von Tabakmaterial und Trägerströmung, die mittels eines Tabakabscheiders, vorzugsweise eines Fliehkraftabscheiders 9, wie z. B. Zyklon- oder Tangentialseparator, erfolgt. Sollten die Vorteile der Vakuumexpansion ohne anschließende Komprimierung 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 Atmosphärendruckbereich 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 Tabakabscheider 9, vorzugsweise einen Fliehkraftabscheider, wie z. B. Zyklon oder Tangentialseparator, mittels einer Austragsschleuse 8 ausgeschleust (Pfeil 14). Dazu ist es notwendig, 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 Bezugszeiehen 16 angedeutet ist.
Die Figuren 3 und 4 zeigen erfindungsgemäße Varianten auf, bei denen die Tabakmaterialzufuhr 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 Trägerströmung durch das Einbringen des Tabakmaterials in den Kopfbereich 5 an der Lavaldüse 4 bewirkt. Dabei wird das Tabakmaterial direkt über eine Zellradschleuse 2 in den Bereich 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 Temperaturen bei gleichzeitiger "Differenzdruckfestigkeit" (minimale Leckluftmenge) ausgesetzt.
Die Apparatur (Düse 4, Einlaufdiffusor 6,) und der Vordruck vor der Düse 4 sollten für diese Verfahrensvariante so gestaltet werden, dass sich am Auslauf der Düse 4 der minimal 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 gewünschten Prozessdruck im Tabakabscheider 9 der Dampf mit Hilfe des Auslaufdiffusors 7 entsprechend komprimiert.
Diese Verfahrensvariante ist wiederum vorzugsweise bei den der Expansion nachfolgenden Tabaktrocknungsverfahren angezeigt, die die Trägerströmung 13 nicht als Trocknungs- bzw. Transportmedium nutzen. Dies sind z. B. die Trommel-, Vibro-/ Wirbeischicht- oder Bandtrocknung. Diese Trocknungsverfahren erfordern die vorangehende Trennung von Tabak und Trägerströmung, die mittels eines Tabakabscheiders 9, vorzugsweise eines Fliehkraftabscheiders, wie z. B. Zyklon oder Tangentialseparator, erfolgt.
Sollten die Vorteile der Vakuumexpansion ohne anschließende Komprimierung auf Atmosphärendruck 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 Atmosphärendruckbereich erfolgt.
Die Fig. 4 zeigt wiederum eine Ausführungsform mit einer Abscheidung nach Luftstromtrockner-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 Abscheidung 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 bis 1,1 bar betragen.
Beiden Varianten (Fig. 3 und 4) ist wiederum die Option der Umluft-/Teilumluft-Betriebsweise (Bezugszeichen 11) zur Wiederverwendung der Trägerströmung gemeinsam, bevorzugt bei Luft als Trägerströmung.
Die Fig. 5 zeigt ein Balkendiagramm, das die Füllfähigkeitssteigerung bei erfindungsgemäßen Verfahren und bei Vergleichsverfahren nach dem Stand der Technik gegenübersteht. Die Versuchsparameter sind im Folgenden aufgezeigt:
Versuch 1 (Lavaldüse):
Tabakmaterial:
Standard-Rippenmischung,
Anlagenaufbau:
siehe Fig. 1 (ohne Verdichter 10, ohne Umluft, ohne optionales Casing, 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 Saugstutzen (Pos. 5),
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. 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 verwendeten, 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 Parameterwerte für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nochmals zusammengefasst.
Parameter Gesamtbereich Bevorzugter Bereich
 
Trägerströmungs-Druck vor Düse 1-30 bar 1-10 bar
Trägerströmungs-Temperatur vor Düse 50-450°C 100-250°C
Trägerströmungs-Druck in Düse >0-2 bar 0,2-1,0 bar
Trägerströmungs-Druck in Auslaufdiffusor (Pos. 7) >0-2 bar 0,2-1,1 bar
Tabakfeuchte vor Einlass-Zellradschleuse 10-60% (Feuchtbasis) 17-45% (Feuchtbasis)
Tabaktemperatur vor Einlass-Zellradschleuse 10-100°C 20-95°C
Verhältnis Trägerströmungsmassenstrom/Tabakmassenstrom 0,1-10 (kg/h)/(kg/h) 0,2-1 (kg/h)/(kg/h)
Dampfgehalt Trägerströmung 10-100% (Massenprozent Feuchtbasis) 50-100% (Massenprozent Feuchtbasis)
Alle verwendeten Druckangaben sind Absolutwerte.
Es wurden auch Versuche zur Expansion anderer Nahrungs- und Genussmittel durchgeführt, und zwar mit guten Expansionsergebnissen. Insbesondere eigneten sich Gerste und Mais für die erfindungsgemäße Expansion, um gepuffte Formen herzustellen. Der Versuchsaufbau entsprach hierbei grundsätzlich demjenigen nach dem oben beschriebenen Versuch 1, was Anlagenaufbau und Trägerströmung betrifft.

Claims (24)

  1. Verfahren zur Expansion von expansionsfähigen Nahrungs- bzw. Genussmitteln, bei dem die Nahrungs- bzw. Genussmittel in einer Dampf enthaltenden Trägerströmung (13) eine Expansionszone durchlaufen, die eine Lavaldüse (4) umfasst, bei der im engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Tabakmaterial, insbesondere feuchtes Tabakmaterial (T) expandiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass feste, faser-, korn- bzw. bohnenförmige, oder blattförmige Nahrungs- bzw. Genussmittel expandiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der folgenden Nahrungs- bzw. Genussmittel expandiert werden: Getreide und Hülsenfrüchte, Cerealien, Gerste, Mais, Bohnen, Weizen, Reis, Erbsen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerströmung (13) einen Dampfgehalt von 10 bis 100 % aufweist, und/oder die Tabakeingangsfeuchte 10 bis 60 % (Feuchtbasis) vorzugsweise 17 bis 45 % (Feuchtbasis) beträgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerströmung (13) Sattdampf aufweist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerströmung (13) überhitzten Dampf aufweist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerströmung (13) vor dem Einbringen der Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere des Tabakmaterials überhitzt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerströmung eine Einlaufstrecke (1), eine Düsenvorkammer (3), die Lavaldüse (4), einen Einlaufdiffusor (6), und einen Auslaufdiffusor (7) durchläuft.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial der Trägerströmung (13) in der Einlaufstrecke (1) vor der Lavaldüse (4), vorzugsweise über eine Zellradschleuse (2) mit einem an die Einlaufstrecke (1) ansetzenden Kopfstück (5), zugeführt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial der Trägerströmung (13) an der Lavaldüse (4) im Bereich des minimalen Druckes, vorzugsweise über eine Zellradschleuse (2) mit einem an die Lavaldüse (4) angesetzten Kopfstück (5), zugeführt werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor (7) einem Abscheider, insbesondere einem Tabakabscheider (9), speziell einem Fliehkraftabscheider zugeführt werden, dessen Unterdruck vorzugsweise mittels einer Unterdruckpumpe aufrechterhalten wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor (7) zunächst einem Luftstromtrockner (15) und danach einem Abscheider, insbesondere einem Tabakabscheider (9), speziell einem Fliehkraftabscheider zugeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung, welche die an den Auslaufdiffusor (7) anschließenden Bauteile passiert, mittels eines Umluftsystems (11) gesammelt, verdichtet und wieder als Trägerströmungsanteil verwendet wird.
  17. Vorrichtung zur Expansion von Nahrungs- bzw. Genussmitteln, insbesondere feuchtem Tabakmaterial (T) mit Strömungsführungseinrichtungen (1, 3, 4, 6, 7), in denen die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial (T) in einer Dampf enthaltenden Trägerströmung (13) eine Expansionszone durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungseinrichtungen eine Lavaldüse (4) umfassen, die so betrieben wird, dass in ihrem engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit erreicht wird.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung, insbesondere einem Wärmetauscher aufweist, der die Trägerströmung (13) vor dem Einbringen des Tabakmaterials überhitzt.
  19. Verfahren nach Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführungseinrichtungen eine Einlaufstrecke (1), eine Düsenvorkammer (3), die Lavaldüse (4), einen Einlaufdiffusor (6), und einen Auslaufdiffusor (7) umfassen.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zellradschleuse (2) mit einem an die Einlaufstrecke (1) ansetzenden Kopfstück (5) aufweist, mittels der die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial der Trägerströmung (13) in der Einlaufstrecke (1) vor der Lavaldüse (4) zugeführt werden.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zellradschleuse (2) mit einem an die Lavaldüse (4) ansetzenden Kopfstück (5) aufweist, mittels der die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial der Trägerströmung (13) an der Lavaldüse (4) im Bereich des minimalsten Druckes, zugeführt werden.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Abscheider, insbesondere einen Tabakabscheider (9), speziell einem Fliehkraftabscheider, aufweist, dem die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor (7) zugeführt werden, und dessen Unterdruck vorzugsweise mittels einer Unterdruckpumpe aufrechterhalten wird.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Luftstromtrockner (15) und an diesen anschließend einen Abscheider, insbesondere einen Tabakabscheider (9), speziell einem Fliehkraftabscheider, aufweist, denen die Nahrungs- bzw. Genussmittel, insbesondere das Tabakmaterial nach dem Durchgang durch den Auslaufdiffusor (7) zugeführt werden.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Umluftsystem (11) aufweist, mittels dem die Gasströmung, welche die an den Auslaufdiffusor (7) anschließenden Bauteile passiert, gesammelt, verdichtet und wieder der Trägerströmung zugeführt wird.
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