滾筒干燥中煙絲停留時(shí)間預(yù)測(cè)模型

李朋，劉朝賢，王樂(lè)，劉楷麗，朱光，魯端峰*

1.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)煙草工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001

2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)科學(xué)大道166號(hào) 450001

滾筒干燥中煙絲停留時(shí)間預(yù)測(cè)模型

李朋1，劉朝賢1，王樂(lè)1，劉楷麗1，朱光2，魯端峰*1

1.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業(yè)煙草工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2號(hào) 450001

2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)科學(xué)大道166號(hào) 450001

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煙絲在滾筒干燥中的停留時(shí)間，采用單因素實(shí)驗(yàn)的方法，利用裝有12塊抄板的冷態(tài)滾筒設(shè)備分別研究了滾筒轉(zhuǎn)速、筒內(nèi)氣速、煙絲流量、滾筒傾角和煙絲含水率對(duì)停留時(shí)間的影響，建立了兩種新的煙絲停留時(shí)間預(yù)測(cè)模型，并將該模型與其他3種經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)比。結(jié)果表明：①5種試驗(yàn)因素對(duì)停留時(shí)間均有影響。其中，滾筒轉(zhuǎn)速與停留時(shí)間為指數(shù)關(guān)系，筒內(nèi)氣速、煙絲含水率與停留時(shí)間均為線性關(guān)系，煙絲流量與停留時(shí)間可視為線性或倒數(shù)關(guān)系，滾筒傾角與停留時(shí)間為倒數(shù)關(guān)系。②所建新模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較高，更適用于試驗(yàn)用冷態(tài)滾筒設(shè)備。

滾筒干燥；煙絲含水率；單因素實(shí)驗(yàn)；停留時(shí)間；預(yù)測(cè)模型

滾筒干燥是煙草行業(yè)中干燥工藝的主要方式之一［1］，其過(guò)程是一個(gè)氣固兩相流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)耦合的復(fù)雜過(guò)程，物料停留時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)傳熱傳質(zhì)過(guò)程有顯著影響，因而預(yù)測(cè)停留時(shí)間對(duì)于工業(yè)過(guò)程調(diào)控具有重要指導(dǎo)意義。已有學(xué)者對(duì)滾筒類加工過(guò)程中物料的停留時(shí)間進(jìn)行了大量研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型［2-6］，如Friedman-Marshall（F-M）模型［7-10］，Zhu Wenkui模型［7］，Shahhosseini模型［8］，秦國(guó)鑫模型［9］等。F-M模型是Friedman和Marshall在總結(jié)了大量的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后得出的停留時(shí)間的預(yù)測(cè)模型，主要考察了滾筒長(zhǎng)度、內(nèi)徑、傾角、轉(zhuǎn)速、物料流量、氣體流量和顆粒粒徑等因素對(duì)停留時(shí)間的影響。該模型應(yīng)用廣泛，通過(guò)修正系數(shù)即可適用于其他滾筒和物料等生產(chǎn)條件下。Zhu Wenkui模型通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)將F-M模型的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使之適用于預(yù)測(cè)煙絲在滾筒中的停留時(shí)間。但這些模型均未考慮物料含水率的變化對(duì)停留時(shí)間的影響，Renaud等［10］發(fā)現(xiàn)物料含水率對(duì)停留時(shí)間的影響不可忽視，Shahhosseini模型提出用3個(gè)參數(shù)對(duì)傳統(tǒng)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到不同含水率下的參數(shù)值，并將熱態(tài)滾筒軸向分為有限長(zhǎng)度，利用每段長(zhǎng)度內(nèi)物料含水率求出各段的停留時(shí)間，最終統(tǒng)計(jì)得出整個(gè)干燥過(guò)程的停留時(shí)間。該方法預(yù)測(cè)結(jié)果較準(zhǔn)確，但因計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜難以推廣應(yīng)用。秦國(guó)鑫將含水率引入F-M模型的系數(shù)α中，針對(duì)裝有6塊抄板的滾筒對(duì)該模型進(jìn)行了修正。此外，F(xiàn)-M模型中的系數(shù)α、β會(huì)因試驗(yàn)材料和試驗(yàn)條件不同而發(fā)生改變，需要適當(dāng)修正才能進(jìn)行應(yīng)用。為此，以B2F單等級(jí)煙絲為試驗(yàn)材料，采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，在12塊抄板冷態(tài)滾筒試驗(yàn)平臺(tái)上分別研究了不同操作條件（滾筒轉(zhuǎn)速、筒內(nèi)氣流速度、煙絲流量、滾筒傾角）和煙絲含水率對(duì)停留時(shí)間的影響，并通過(guò)兩種不同的方法建立新的停留時(shí)間預(yù)測(cè)模型，以提高停留時(shí)間的預(yù)測(cè)精度。

1 材料與方法

1.1 材料、設(shè)備及儀器

試驗(yàn)所用煙絲樣品為河南洛陽(yáng)產(chǎn)烤煙B2F單等級(jí)煙絲，試驗(yàn)前將煙絲樣品含水率平衡至15%。試驗(yàn)裝置主要由定量喂料機(jī)和冷態(tài)滾筒兩部分構(gòu)成，見(jiàn)圖1。其中，定量喂料機(jī)可在0～300 kg/h流量范圍內(nèi)穩(wěn)定地向冷態(tài)滾筒中連續(xù)喂料。冷態(tài)滾筒由筒壁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、氣流循環(huán)系統(tǒng)、筒體等部分組成。滾筒內(nèi)徑0.77 m，長(zhǎng)1.85 m，筒壁均勻分布12塊寬0.124 m的抄板，抄板與滾筒內(nèi)壁夾角為90°，滾筒傾角可在2°～4°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滾筒轉(zhuǎn)速通過(guò)變頻電機(jī)調(diào)節(jié)。采用氣固順流工作方式，筒內(nèi)氣速在0～0.5 m/s范圍內(nèi)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)。

圖1 冷態(tài)滾筒試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

1.2 停留時(shí)間的測(cè)定

滾筒內(nèi)煙絲平均停留時(shí)間可通過(guò)測(cè)定穩(wěn)態(tài)工作過(guò)程中滾筒內(nèi)的滯料量和煙絲流量計(jì)算獲得［11-12］，計(jì)算公式為：

式中：τ—煙絲在滾筒內(nèi)的平均停留時(shí)間，s；H—滾筒內(nèi)煙絲滯料量，kg；Fs—滾筒內(nèi)煙絲流量，kg/h。

測(cè)定方法：設(shè)定冷態(tài)滾筒設(shè)備的操作參數(shù)，將試驗(yàn)所用煙絲樣品加入料倉(cāng)，啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行10 min后停止進(jìn)料，收集滾筒內(nèi)煙絲，稱量并記錄，該煙絲質(zhì)量即為該試驗(yàn)條件下煙絲的滯料量，每組試驗(yàn)條件重復(fù)3次。

1.3 單因素試驗(yàn)方案

采用單因素試驗(yàn)研究了5個(gè)參數(shù)對(duì)停留時(shí)間的影響，冷態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)工作狀況為：滾筒轉(zhuǎn)速9 r/min，筒內(nèi)氣速0.3 m/s，煙絲流量108 kg/h，滾筒傾角2°和煙絲含水率15%。在改變單個(gè)參數(shù)時(shí)，其余參數(shù)保持不變。各參數(shù)的試驗(yàn)設(shè)定值見(jiàn)表1。

表1 單因素試驗(yàn)設(shè)定值

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)條件對(duì)停留時(shí)間的影響

試驗(yàn)中分別研究了滾筒轉(zhuǎn)速、筒內(nèi)氣速、煙絲流量、滾筒傾角等因素對(duì)物料停留時(shí)間的影響。圖2為滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)物料停留時(shí)間的影響。可見(jiàn)，停留時(shí)間隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加呈指數(shù)型降低，通過(guò)擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得指數(shù)關(guān)系式，兩者的相關(guān)系數(shù)R2為0.99。這是由于隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，煙絲拋灑的頻率增加，煙絲隨滾筒及抄板做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間隨之減少，因此加快了煙絲向出口端的運(yùn)動(dòng)。

圖2 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)停留時(shí)間的影響

圖3為筒內(nèi)氣速對(duì)物料停留時(shí)間的影響?？梢?jiàn)，停留時(shí)間隨著筒內(nèi)氣速的增加而線性降低，通過(guò)擬合數(shù)據(jù)可得停留時(shí)間與筒內(nèi)氣速的線性關(guān)系式，兩者的相關(guān)系數(shù)R2為0.96。這是由于隨著筒內(nèi)氣速的增加，氣體作用于煙絲的曳力不斷增加，從而使煙絲在拋物線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲得更大的軸向推動(dòng)力，更快地向出口端運(yùn)動(dòng)。

圖3 筒內(nèi)氣速對(duì)停留時(shí)間的影響

圖4為煙絲流量對(duì)停留時(shí)間的影響?？梢?jiàn)，停留時(shí)間隨著煙絲流量的增加而增加，因此停留時(shí)間與煙絲流量的數(shù)學(xué)關(guān)系可以擬合為線性關(guān)系。另外，也可參考F-M模型的倒數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，得到各關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)。兩種擬合方法均能很好地表征其數(shù)量關(guān)系，且相關(guān)性良好。這是由于隨著煙絲流量的增加，使得單塊抄板上煙絲的堆積量增多，煙絲的拋灑過(guò)程延長(zhǎng)，煙絲做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間增加。而與筒內(nèi)氣速有關(guān)的拋灑運(yùn)動(dòng)則未受影響，表現(xiàn)為煙絲的平均停留時(shí)間增加。

圖4 煙絲流量對(duì)停留時(shí)間的影響

圖5為滾筒傾角對(duì)停留時(shí)間的影響。受試驗(yàn)平臺(tái)限制，選取傾角分別為2°、3°和4°。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)平臺(tái)傾角可調(diào)范圍內(nèi)，停留時(shí)間隨著滾筒傾角的增大而減少，根據(jù)F-M模型中停留時(shí)間與滾筒傾角為倒數(shù)關(guān)系，擬合可得其數(shù)學(xué)關(guān)系式且相關(guān)系數(shù)R2為0.99。這是由于隨著滾筒傾角的增加，煙絲在拋灑過(guò)程中沿滾筒軸向運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)增加，停留時(shí)間隨之減少。

圖5 滾筒傾角對(duì)停留時(shí)間的影響

2.2 煙絲含水率對(duì)停留時(shí)間的影響

圖6為煙絲含水率對(duì)停留時(shí)間的影響?？梢?jiàn)，停留時(shí)間隨著煙絲含水率的增加而增加，停留時(shí)間與煙絲含水率的數(shù)學(xué)關(guān)系可以擬合為線性關(guān)系，且相關(guān)性較好。這是由于隨著含水率的增加使煙絲間的相互作用力增加，降低了煙絲的流動(dòng)性，延長(zhǎng)了停留時(shí)間。此外，當(dāng)筒內(nèi)氣速為0和0.3 m/s時(shí)，煙絲停留時(shí)間隨著含水率的增加而增加，但氣速為零時(shí)其增幅較大。這是由于氣速為零時(shí)含水率的增加使煙絲質(zhì)量增加且煙絲間的相互作用力加強(qiáng)，但并未改變煙絲所受的曳力，因而煙絲運(yùn)動(dòng)受阻。但當(dāng)氣速增大時(shí)，筒內(nèi)煙絲含水率會(huì)有所減小，使煙絲質(zhì)量減小且相互間作用力減弱，從而使煙絲運(yùn)動(dòng)加快。

圖6 煙絲含水率對(duì)停留時(shí)間的影響

2.3 建模分析

各因素對(duì)停留時(shí)間的影響均可擬合為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系式。另外，由于煙絲流量對(duì)停留時(shí)間的影響可視為線性關(guān)系或參照F-M模型視為倒數(shù)關(guān)系，并且兩種關(guān)系的相關(guān)性都很好，綜合考慮各單因素對(duì)停留時(shí)間的影響，可以得到以下兩種模型：

（1）線性關(guān)系：

（2）倒數(shù)關(guān)系：

式中：τ為停留時(shí)間，s；FS為干基煙絲的流量，kg/h；X為干基含水率，%；FG為氣體流量，kg/h；s為滾筒傾角，°；n為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4為常數(shù)系數(shù)。

將原試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求解得到以下方程：

（1）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以煙絲流量與停留時(shí)間關(guān)系為線性關(guān)系進(jìn)行擬合得到方程，即模型（4）：

（2）參考F-M模型，以煙絲流量與停留時(shí)間關(guān)系為倒數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合得到方程，即模型（5）：

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型（4）和模型（5）的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了4組不同的操作條件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比可見(jiàn)，停留時(shí)間的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差在8%范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)效果較好。

表2 停留時(shí)間試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比①

表3 3種停留時(shí)間預(yù)測(cè)模型的表達(dá)式

將所得模型（4）和模型（5）與經(jīng)典的F-M模型、未考慮含水率影響的Zhu Wenkui模型以及修正含水率的秦國(guó)鑫模型進(jìn)行比較，其表達(dá)式見(jiàn)表3，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知，在不同滾筒轉(zhuǎn)速、筒內(nèi)氣速、煙絲流量、滾筒傾角和煙絲含水率試驗(yàn)條件下，模型（4）和模型（5）擬合結(jié)果的相對(duì)偏差均小于8%。表3中的F-M模型、Zhu Wenkui模型以及秦國(guó)鑫模型則與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，分別達(dá)34.7%、138.08%和46.39%，其主要原因是試驗(yàn)物料與滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間存在差異。當(dāng)氣流速度為零時(shí)，F(xiàn)-M等3種模型的停留時(shí)間與煙絲流量不相關(guān)，試驗(yàn)中所建立模型的停留時(shí)間與煙絲流量則為線性或倒數(shù)關(guān)系，顯然這種關(guān)系更符合實(shí)際情況。

圖7 5種模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比

3 結(jié)論

（1）滾筒轉(zhuǎn)速、筒內(nèi)氣速、煙絲流量、滾筒傾角和煙絲含水率對(duì)停留時(shí)間均有影響。當(dāng)滾筒其他操作條件一定時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速與停留時(shí)間的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系，筒內(nèi)氣速、煙絲含水率與停留時(shí)間的關(guān)系均為線性關(guān)系，煙絲流量與停留時(shí)間的關(guān)系可視為線性或倒數(shù)關(guān)系，滾筒傾角與停留時(shí)間的關(guān)系為倒數(shù)關(guān)系。

（2）本文中建立了兩種煙絲停留時(shí)間預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證且與文獻(xiàn)報(bào)道的相關(guān)模型進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，所建模型與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，預(yù)測(cè)精度顯著提高，更適用于冷態(tài)滾筒設(shè)備。

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責(zé)任編輯 曹娟

Prediction Model for Residence Time of Cut Tobacco in Cylinder Dryer

LI Peng1,LIU Chaoxian1,WANG Le1,LIU Kaili1,ZHU Guang2,and LU Duanfeng*1
1.Key Laboratory of Tobacco Processing Technology of CNTC,Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou 450001,China
2.School of Food and Bioengineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450001,China

In order to predict the residence time of cut tobacco in a cylinder dryer accurately,the effects of cylinder’s rotational speed,air velocity in cylinder,cut tobacco throughput,cylinder’s inclination angle and moisture content in cut tobacco on the residence time of cut tobacco in a cold-state cylinder dryer equipped with 12 shoveling plates were studied by single factor experiments.Two prediction models were developed and compared with three other empirical prediction models.The results showed that:1）All of the five experimental factors influenced the residence time of cut tobacco,among them,the influence of cylinder’s rotational speed was exponential,that of air velocity in cylinder and moisture content in cut tobacco was linear,that of cut tobacco throughput could be regarded as either linear or reciprocal,and that of cylinder’s inclination angle was reciprocal.2）The predicted results by the developed models well agreed with experiment results,the models were more suitable for experimental cold-state cylinders.

Cylinder；Moisture content in cut tobacco；Single factor experiment；Residence time；Prediction model

TS432

A

1002-0861（2015）11-0069-05

10.16135/j.issn1002-0861.20151113

2015-05-15

2015-07-08

國(guó)家科學(xué)技術(shù)部轉(zhuǎn)制科研院所創(chuàng)新能力專項(xiàng)項(xiàng)目“滾筒干燥多點(diǎn)加工過(guò)程轉(zhuǎn)移技術(shù)研究與應(yīng)用”（212014AK0260）；中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院院長(zhǎng)科技發(fā)展基金項(xiàng)目“抄板結(jié)構(gòu)對(duì)滾筒傳輸煙絲特性的影響”（222014CA0300）。

李朋（1988—），在讀碩士研究生，研究方向：煙草工藝。E-mail：hanyanzhexian@163.com；*

魯端峰，E-mail：paul_lu@ztri.com.cn

李朋，劉朝賢，王樂(lè)，等.滾筒干燥中煙絲停留時(shí)間預(yù)測(cè)模型［J］.煙草科技，2015，48（11）：69-73.

LI Peng，LIU Chaoxian，WANG Le，et al.Prediction model for residence time of cut tobacco in cylinder dryer［J］. Tobacco Science&Technology，2015，48（11）：69-73.