滾筒干燥中煙絲停留時間預測模型

李朋，劉朝賢，王樂，劉楷麗，朱光，魯端峰*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業煙草工藝重點實驗室，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

2.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，鄭州高新技術產業開發區科學大道166號 450001

滾筒干燥中煙絲停留時間預測模型

李朋1，劉朝賢1，王樂1，劉楷麗1，朱光2，魯端峰*1

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院煙草行業煙草工藝重點實驗室，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

2.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，鄭州高新技術產業開發區科學大道166號 450001

為準確預測煙絲在滾筒干燥中的停留時間，采用單因素實驗的方法，利用裝有12塊抄板的冷態滾筒設備分別研究了滾筒轉速、筒內氣速、煙絲流量、滾筒傾角和煙絲含水率對停留時間的影響，建立了兩種新的煙絲停留時間預測模型，并將該模型與其他3種經驗預測模型進行了驗證對比。結果表明：①5種試驗因素對停留時間均有影響。其中，滾筒轉速與停留時間為指數關系，筒內氣速、煙絲含水率與停留時間均為線性關系，煙絲流量與停留時間可視為線性或倒數關系，滾筒傾角與停留時間為倒數關系。②所建新模型預測結果與試驗結果一致性較高，更適用于試驗用冷態滾筒設備。

滾筒干燥；煙絲含水率；單因素實驗；停留時間；預測模型

滾筒干燥是煙草行業中干燥工藝的主要方式之一［1］，其過程是一個氣固兩相流動及傳熱傳質耦合的復雜過程，物料停留時間的長短對傳熱傳質過程有顯著影響，因而預測停留時間對于工業過程調控具有重要指導意義。已有學者對滾筒類加工過程中物料的停留時間進行了大量研究，并通過實驗數據建立了相應的經驗預測模型［2-6］，如Friedman-Marshall（F-M）模型［7-10］，Zhu Wenkui模型［7］，Shahhosseini模型［8］，秦國鑫模型［9］等。F-M模型是Friedman和Marshall在總結了大量的工業生產數據和實驗數據后得出的停留時間的預測模型，主要考察了滾筒長度、內徑、傾角、轉速、物料流量、氣體流量和顆粒粒徑等因素對停留時間的影響。該模型應用廣泛，通過修正系數即可適用于其他滾筒和物料等生產條件下。Zhu Wenkui模型通過冷態試驗平臺將F-M模型的參數進行優化，使之適用于預測煙絲在滾筒中的停留時間。但這些模型均未考慮物料含水率的變化對停留時間的影響，Renaud等［10］發現物料含水率對停留時間的影響不可忽視，Shahhosseini模型提出用3個參數對傳統預測模型進行修正，通過實驗數據擬合得到不同含水率下的參數值，并將熱態滾筒軸向分為有限長度，利用每段長度內物料含水率求出各段的停留時間，最終統計得出整個干燥過程的停留時間。該方法預測結果較準確，但因計算過程過于復雜難以推廣應用。秦國鑫將含水率引入F-M模型的系數α中，針對裝有6塊抄板的滾筒對該模型進行了修正。此外，F-M模型中的系數α、β會因試驗材料和試驗條件不同而發生改變，需要適當修正才能進行應用。為此，以B2F單等級煙絲為試驗材料，采用單因素實驗方法，在12塊抄板冷態滾筒試驗平臺上分別研究了不同操作條件（滾筒轉速、筒內氣流速度、煙絲流量、滾筒傾角）和煙絲含水率對停留時間的影響，并通過兩種不同的方法建立新的停留時間預測模型，以提高停留時間的預測精度。

1 材料與方法

1.1 材料、設備及儀器

試驗所用煙絲樣品為河南洛陽產烤煙B2F單等級煙絲，試驗前將煙絲樣品含水率平衡至15%。試驗裝置主要由定量喂料機和冷態滾筒兩部分構成，見圖1。其中，定量喂料機可在0～300 kg/h流量范圍內穩定地向冷態滾筒中連續喂料。冷態滾筒由筒壁驅動系統、氣流循環系統、筒體等部分組成。滾筒內徑0.77 m，長1.85 m，筒壁均勻分布12塊寬0.124 m的抄板，抄板與滾筒內壁夾角為90°，滾筒傾角可在2°～4°范圍內調節，滾筒轉速通過變頻電機調節。采用氣固順流工作方式，筒內氣速在0～0.5 m/s范圍內通過變頻器調節。

圖1 冷態滾筒試驗平臺示意圖

1.2 停留時間的測定

滾筒內煙絲平均停留時間可通過測定穩態工作過程中滾筒內的滯料量和煙絲流量計算獲得［11-12］，計算公式為：

式中：τ—煙絲在滾筒內的平均停留時間，s；H—滾筒內煙絲滯料量，kg；Fs—滾筒內煙絲流量，kg/h。

測定方法：設定冷態滾筒設備的操作參數，將試驗所用煙絲樣品加入料倉，啟動并穩定運行10 min后停止進料，收集滾筒內煙絲，稱量并記錄，該煙絲質量即為該試驗條件下煙絲的滯料量，每組試驗條件重復3次。

1.3 單因素試驗方案

采用單因素試驗研究了5個參數對停留時間的影響，冷態試驗平臺的標準工作狀況為：滾筒轉速9 r/min，筒內氣速0.3 m/s，煙絲流量108 kg/h，滾筒傾角2°和煙絲含水率15%。在改變單個參數時，其余參數保持不變。各參數的試驗設定值見表1。

表1 單因素試驗設定值

2 結果與分析

2.1 試驗條件對停留時間的影響

試驗中分別研究了滾筒轉速、筒內氣速、煙絲流量、滾筒傾角等因素對物料停留時間的影響。圖2為滾筒轉速對物料停留時間的影響。可見，停留時間隨著滾筒轉速的增加呈指數型降低，通過擬合試驗數據可得指數關系式，兩者的相關系數R2為0.99。這是由于隨著滾筒轉速的增加，煙絲拋灑的頻率增加，煙絲隨滾筒及抄板做圓周運動的時間隨之減少，因此加快了煙絲向出口端的運動。

圖2 滾筒轉速對停留時間的影響

圖3為筒內氣速對物料停留時間的影響?？梢姡Ａ魰r間隨著筒內氣速的增加而線性降低，通過擬合數據可得停留時間與筒內氣速的線性關系式，兩者的相關系數R2為0.96。這是由于隨著筒內氣速的增加，氣體作用于煙絲的曳力不斷增加，從而使煙絲在拋物線運動過程中獲得更大的軸向推動力，更快地向出口端運動。

圖3 筒內氣速對停留時間的影響

圖4為煙絲流量對停留時間的影響?？梢?，停留時間隨著煙絲流量的增加而增加，因此停留時間與煙絲流量的數學關系可以擬合為線性關系。另外，也可參考F-M模型的倒數關系進行擬合，得到各關系式及相關系數。兩種擬合方法均能很好地表征其數量關系，且相關性良好。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，煙絲的拋灑過程延長，煙絲做圓周運動的時間增加。而與筒內氣速有關的拋灑運動則未受影響，表現為煙絲的平均停留時間增加。

圖4 煙絲流量對停留時間的影響

圖5為滾筒傾角對停留時間的影響。受試驗平臺限制，選取傾角分別為2°、3°和4°。結果發現在試驗平臺傾角可調范圍內，停留時間隨著滾筒傾角的增大而減少，根據F-M模型中停留時間與滾筒傾角為倒數關系，擬合可得其數學關系式且相關系數R2為0.99。這是由于隨著滾筒傾角的增加，煙絲在拋灑過程中沿滾筒軸向運動的步長增加，停留時間隨之減少。

圖5 滾筒傾角對停留時間的影響

2.2 煙絲含水率對停留時間的影響

圖6為煙絲含水率對停留時間的影響?？梢?，停留時間隨著煙絲含水率的增加而增加，停留時間與煙絲含水率的數學關系可以擬合為線性關系，且相關性較好。這是由于隨著含水率的增加使煙絲間的相互作用力增加，降低了煙絲的流動性，延長了停留時間。此外，當筒內氣速為0和0.3 m/s時，煙絲停留時間隨著含水率的增加而增加，但氣速為零時其增幅較大。這是由于氣速為零時含水率的增加使煙絲質量增加且煙絲間的相互作用力加強，但并未改變煙絲所受的曳力，因而煙絲運動受阻。但當氣速增大時，筒內煙絲含水率會有所減小，使煙絲質量減小且相互間作用力減弱，從而使煙絲運動加快。

圖6 煙絲含水率對停留時間的影響

2.3 建模分析

各因素對停留時間的影響均可擬合為簡單的數學關系式。另外，由于煙絲流量對停留時間的影響可視為線性關系或參照F-M模型視為倒數關系，并且兩種關系的相關性都很好，綜合考慮各單因素對停留時間的影響，可以得到以下兩種模型：

（1）線性關系：

（2）倒數關系：

式中：τ為停留時間，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為滾筒轉速，r/min；a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4為常數系數。

將原試驗數據進行擬合求解得到以下方程：

（1）根據試驗數據，以煙絲流量與停留時間關系為線性關系進行擬合得到方程，即模型（4）：

（2）參考F-M模型，以煙絲流量與停留時間關系為倒數關系進行擬合得到方程，即模型（5）：

2.4 試驗驗證

為驗證模型（4）和模型（5）的準確性，設計了4組不同的操作條件進行試驗，結果見表2。對比可見，停留時間的預測值與試驗值的標準偏差在8%范圍內，預測效果較好。

表2 停留時間試驗值與預測值的對比①

表3 3種停留時間預測模型的表達式

將所得模型（4）和模型（5）與經典的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鑫模型進行比較，其表達式見表3，對比結果見圖7。由圖7可知，在不同滾筒轉速、筒內氣速、煙絲流量、滾筒傾角和煙絲含水率試驗條件下，模型（4）和模型（5）擬合結果的相對偏差均小于8%。表3中的F-M模型、Zhu Wenkui模型以及秦國鑫模型則與試驗數據偏差較大，分別達34.7%、138.08%和46.39%，其主要原因是試驗物料與滾筒內部結構之間存在差異。當氣流速度為零時，F-M等3種模型的停留時間與煙絲流量不相關，試驗中所建立模型的停留時間與煙絲流量則為線性或倒數關系，顯然這種關系更符合實際情況。

圖7 5種模型預測值與試驗值的對比

3 結論

（1）滾筒轉速、筒內氣速、煙絲流量、滾筒傾角和煙絲含水率對停留時間均有影響。當滾筒其他操作條件一定時，滾筒轉速與停留時間的關系為指數關系，筒內氣速、煙絲含水率與停留時間的關系均為線性關系，煙絲流量與停留時間的關系可視為線性或倒數關系，滾筒傾角與停留時間的關系為倒數關系。

（2）本文中建立了兩種煙絲停留時間預測模型，并進行了試驗驗證且與文獻報道的相關模型進行了對比分析。結果表明，所建模型與試驗結果一致性較好，預測精度顯著提高，更適用于冷態滾筒設備。

［1］朱文魁，李斌，溫若愚，等.工業中試裝置中煙絲的滾筒傳輸特性［J］.煙草科技，2011（7）：10-14.

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［11］Bongo Njeng A S，Vitu S，Clausse M，et al.Effect of lifter shape and operating parameters on the flow of materials in a pilot rotary kiln：Part II.Experimental hold-up and mean residence time modeling［J］.Powder Technology，2015，269：566-576.

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責任編輯 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

國家科學技術部轉制科研院所創新能力專項項目“滾筒干燥多點加工過程轉移技術研究與應用”（212014AK0260）；中國煙草總公司鄭州煙草研究院院長科技發展基金項目“抄板結構對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，等.滾筒干燥中煙絲停留時間預測模型［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.