不同的物料因其化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)、生化等特性不同,其含水情況千差萬別。對煙葉來說,生長在植株上的煙葉其含水量達(dá)12-13%,煙葉制品的含水量在80%左右。煙葉及煙葉制品的含水量又稱含水率,簡稱為水分,常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)表示。煙葉中的含水率有濕基(W.b.)含水率W和干基(d.b.)含水率X兩種表示方法。它們的定義及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系見下式。
由于煙葉在加工過程中,其中的水分是不斷變化的,而干物料的質(zhì)量是基本不變的,所以在工藝設(shè)計中,用干基含水率進(jìn)行物料衡算就顯得十分簡單方便。但濕基含水率代表單位質(zhì)量(濕)物料內(nèi)所含水分,比較直觀,所以在煙制品生產(chǎn)中常用濕基含水率表示煙葉所含的水分。
測量煙葉及其制品中水分的方法有:烘箱加熱法、干燥法、輻射法、電力法、化學(xué)方法等多種。工業(yè)上通常把烘箱加熱法作為測定煙葉含水率的基準(zhǔn)方法,并用來對其它方法進(jìn)行校正。
烘箱加熱法指將待測樣品放入烘箱中,加溫至100℃,持續(xù)2小時,使樣品干燥至恒重,此時樣品的質(zhì)量被認(rèn)為是煙葉的干質(zhì)量,然后依公式計算其含水率。
二、物料中水分的分類
可從不同出發(fā)點(diǎn)對物料中的水分進(jìn)行分類。
(一)根據(jù)水分與物料結(jié)合能大小來分
根據(jù)水分與物料結(jié)合能的大小,可把物料中的水分分為4類。
1、化學(xué)結(jié)合水
化學(xué)結(jié)合水又稱為化學(xué)吸收水、化合水或化學(xué)結(jié)構(gòu)水等。這種水與物料的結(jié)合有準(zhǔn)確的數(shù)量關(guān)系,它由物料與水分組成的化學(xué)成分所決定。它包括水分與物料的離子結(jié)合和結(jié)晶型分子結(jié)合。這時,水分與物料結(jié)合得很牢固,只能在很強(qiáng)的化學(xué)作用或非常強(qiáng)烈的熱加工(如煅燒)時才能將水分除去。通常的干燥條件不能排除化學(xué)結(jié)合水?;瘜W(xué)結(jié)合水的結(jié)合能約為5KJ/mol。
從某種意義上來講,化學(xué)結(jié)合水是物料分子結(jié)構(gòu)中不可分的組成部分,這部分水必須在破壞物料分子結(jié)構(gòu)的條件下才能排除,換句話說,物料在失水后,其化學(xué)結(jié)構(gòu)、物料性質(zhì)*改變。所以,這種化合水的排除不作為脫水、減濕或干燥過程,即不包括在物料干燥的討論中。
2、物理——化學(xué)結(jié)合水
這種水分又稱為吸附結(jié)合水或飽和水。這種水分與物料的結(jié)合沒有嚴(yán)格的數(shù)量關(guān)系。它包括吸附水、滲透水、結(jié)構(gòu)水等幾種。這種水分的結(jié)合能大約為3KJ/mol。
?。?)吸附水分吸附水是指被物料內(nèi)、外表面吸附的水分。因此,吸附水與物料結(jié)合比較牢。此種結(jié)合方式改變了物料中水分的許多物理性質(zhì),如蒸汽壓下降、冰點(diǎn)下降、密度增大、介電常數(shù)大幅度下降等。
?。?)滲透水分物料組織在其邊界會形成壁膜,溶解物便會在壁膜內(nèi)外兩側(cè)形成濃度差,從而形成滲透壓(差)。此滲透壓使組織壁膜內(nèi)外存在滲透水。
?。?)結(jié)構(gòu)水分結(jié)構(gòu)水是指水分與物料形成的膠體中的水分。這種水分只有在膠體受到破壞時,才能從物料中排除。常用加熱方法使膠體中水分變成蒸汽。
3、物理——機(jī)械結(jié)合水
包括毛細(xì)管水、空隙水和潤濕水。
毛細(xì)管依其管內(nèi)半徑! 大小,又分為微毛細(xì)管和巨毛細(xì)管:
半徑r<0.1µm———微毛細(xì)管,其中的水分稱為毛細(xì)管水;
半徑r=0.1-10µm———巨毛細(xì)管,其中的水分也稱為毛細(xì)管水;
半徑r>10µm———粗毛細(xì)管,其中的水分稱為空隙水。
?。?)毛細(xì)管水 微毛細(xì)管(r<0.1µm)既可以通過直接與水接觸,也可以通過吸附空氣中的水蒸氣使毛細(xì)管充滿液體。其中的水分在毛細(xì)管力的作用下,可以克服重力作用而運(yùn)動;其水分的蒸氣壓低于同溫下純水的蒸氣壓。水在微毛細(xì)管中既可以液體形式,也可以蒸汽形式移動(水蒸氣分子的自由行程平均值約為<0.1µm 。毛細(xì)管水的結(jié)合能小0.1KJ/mol。
對于巨毛細(xì)管(r>0.1µm),這種毛細(xì)管只有與水直接接觸才能充滿。因毛細(xì)管管徑較大,它產(chǎn)生的毛細(xì)管力、毛細(xì)壓力值均較小。毛細(xì)管中彎月面上方的蒸氣壓"!與純凈游離水在同溫下的飽和蒸氣壓Ps幾乎相等,僅相差1%。水分受重力作用只有較小的運(yùn)動。
(2)空隙水 當(dāng)毛細(xì)管半徑大于0.1µm時,其中的水分稱為空隙水??障端粫姓魵鈮航档偷默F(xiàn)象,與一般游離水特性相同。它主要是殘留在物料組織結(jié)構(gòu)中的細(xì)小容積骨架中的水分。
無論毛細(xì)管徑大小,其中的水分本質(zhì)上都屬于游離水。它們之間的區(qū)別只是在排除水分時所需能量大小不同而已。
?。?)潤濕水指水和物料所形成的機(jī)械混合物中的水分。潤濕水很容易用機(jī)械方法或加熱干燥方法去除。它同毛細(xì)管中的水一樣屬于游離水。
4、非結(jié)合水
非結(jié)合水指物料與水分所形成的混合物中的水分,與上述的空隙水分一樣,是殘留在物料組織結(jié)構(gòu)的小容積骨架中或細(xì)小顆粒之間的水分。排除這種水分只需克服流體流經(jīng)物料骨架的流體阻力即可。非結(jié)合水是上述4種水分中排除水分所需能量級別zui低的水分。常用離心、過濾或加熱干燥等方法排除物料中的非結(jié)合水。
在上述的物理——化學(xué)結(jié)合水和物理——機(jī)械結(jié)合水中,有一部分屬于難脫水的結(jié)合水分,如膠體中的結(jié)構(gòu)水、吸附水、微毛細(xì)管水等;有一部分是可用機(jī)械方法脫除的自由水分,如存在于物料內(nèi)外表面的空隙水、潤濕水等。物料與水分結(jié)合形式不同,排除水分時耗能也就有很大不同。
?。ǘ┌次锪霞訚?mdash;—干燥水分平衡分類
從物料加濕——干燥水分平衡觀點(diǎn)出發(fā),根據(jù)物料含濕量與周圍環(huán)境含濕量的相對關(guān)系,以及水分去除的難易程度可以分別定義:(1)結(jié)合水和非結(jié)合水;(2)平衡水和自由水。這4種水分的關(guān)系見下圖。
(1)結(jié)合水
結(jié)合水又稱束縛水。因結(jié)合水有較低的蒸汽壓等,所以這種水分較難去除。它包括物料的細(xì)胞與細(xì)胞之間孔隙、纖維壁、毛細(xì)管中所含的水分,物料內(nèi)、外表面吸附的水分,物料壁膜內(nèi)外存在的滲透水分、微毛細(xì)管中存在的水分等。
在恒溫恒壓條件下,去除這種水分除需要汽化熱外,還需要額外增加能量。這也是區(qū)別結(jié)合水與自由水的標(biāo)志。這些能量是物料進(jìn)行脫水干燥時耗能的因素之一,不過在物料加熱干燥所需總能耗中所占的比重很小,??陕匀ゲ挥?。
恒溫下排除物料中1mol結(jié)合水,除需汽化熱外,還需增加額外的能量。
2、非結(jié)合水
又稱自由水,即游離水。因?yàn)檫@種水分不會產(chǎn)生較低的蒸汽壓力,用離心、過濾等機(jī)械方法極易去除。它包括物料表面的潤濕水分、巨毛細(xì)管內(nèi)或物料顆粒間及細(xì)胞之間的空隙水分。
3、平衡水
物料在一定的環(huán)境(溫度、濕度、壓力等)條件下可能含有的zui大水分,稱為在此條件下某物料的平衡水分。在一定條件下,物料經(jīng)長時間吸濕、解濕達(dá)到含水量平衡時的物料含水率被稱為平衡含水率或平衡水。此時物料的含水量又稱為在該條件下zui大(吸)濕含量。
4、自由水
自由水是指在某一特定條件下,物料中超過平衡含水率的那部分水分。
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