基于離散元法的煙絲加香機優化設計

吳玉生，王道銓，李鵬超

廈門煙草工業有限責任公司，福建省廈門市海滄區新陽路1號 361022

加香是卷煙加工過程中的重要工序之一，對于提升卷煙產品的感官質量具有關鍵作用［1］。而現有加香機由于滾筒參數配置以及抄板結構和香精噴霧裝置設計等原因容易造成霧化香精外溢，進而導致煙絲對香精吸收率低、加香均勻性差、污染外部環境等問題。為此，劉棟［2］建立了一種利用示蹤物的均勻性評價配方煙絲混合均勻性的方法；張珍禛等［3］通過改變噴嘴位置和霧化壓力等措施，采用主成分分析法和超聲提取-氣相色譜質譜聯用法對目標致香化合物進行定性和定量分析；李達等［4］建立了一種頂空-攪拌棒固相微萃取-熱脫附-氣相色譜-質譜聯用（HS-SBSE-TD-GCMS）檢測方法，并在此基礎上優化了加香工藝參數；夏東旭等［5］采用均勻設計法分析了煙絲加香工藝參數對感官質量的影響。上述研究通過對加香機工藝參數進行優化，一定程度上提高了煙絲加香均勻性，但仍未能解決加香機中存在的香精吸收率低、霧化香精外溢等問題。離散元法是一種面向離散物料的分析方法，將物料顆?？醋饕幌盗须x散的獨立運動單元，根據離散物質本身所具有的離散特性建立數學模型，EDEM 仿真軟件［6］是國際通用的基于離散元法模擬分析顆粒系統過程處理和生產操作的計算機輔助求解軟件，已在農業、礦石開采等領域得到廣泛應用，是一種有效的處理分析散體物料的仿真工具。為此，以SJ236B 型加香機為研究對象，基于離散元法采用EDEM 仿真軟件對加香機滾筒的拋料特性進行模擬，通過優化抄板數量和滾筒轉速等參數，對煙絲加香機進行改進，以期提高煙絲加香均勻性和香精吸收率。

1 問題分析

1.1 工作原理

SJ236B 型加香機的主體由滾筒、貫通式直抄板、噴嘴、進料振槽等部分組成，其抄板高度200 mm，滾筒半徑1 000 mm，滾筒傾角3°，見圖1。運行過程中滾筒1 圍繞其中心軸線做順時針或逆時針旋轉，轉速為8 r/min。抄板2 從滾筒1 的進料端貫穿至出料端，與滾筒1 的中心軸線平行且沿滾筒圓周方向均勻分布，數量為8 片。噴嘴3 安裝在滾筒1 的進料端面上，與物料拋撒面相對。煙絲通過進料振槽4 進入滾筒1，在滾筒1 與抄板2 的共同作用下上下翻滾和拋撒并在滾筒1 內呈螺旋式前進，最終從滾筒1 的出料端排出。在此過程中噴嘴3 持續不斷地施加霧化香精，通過煙絲翻滾和拋撒實現松散、加香和攪拌等功能，從而完成加香工藝任務。

圖1 改進前加香機主體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of major structure of flavoring cylinder before modification

1.2 存在問題

改進前加香機存在霧化香精外溢現象，由此造成煙絲加香均勻性差、香精吸收率低、污染環境等問題。原因在于：①因滾筒轉速和抄板數量等參數設置不當，造成煙絲拋撒時連續性差，部分香精直接噴灑到筒壁上，導致煙絲粘附在筒壁上。②噴嘴安裝在進料端面上，其角度調節范圍受限，向出料端方向噴射香精時，在噴射壓力的作用下靠近滾筒出料端的部分香精和煙絲被直接吹出，或吸附在出料罩壁上。③噴嘴的噴射錐角為17°～18°，噴射壓力約為0.16 MPa，噴出的霧化香精與煙絲之間的徑向作用力以及與煙絲接觸面積均較小，導致香精停留在煙絲表面，影響香精吸收率和均勻性。④貫通式直抄板是一塊平板且與滾筒的中心軸線平行，導致霧化香精直接吹向滾筒出料端。此外，在進料端，煙絲容易被拋回到進料振槽上反復振蕩造成煙絲造碎；在出料端，加香后煙絲在滾筒內隨抄板過度翻滾也容易造成煙絲造碎。

2 改進方法

2.1 抄板數量與滾筒轉速優化

煙絲進入加香機滾筒后下落在滾筒底部，在滾筒和抄板的共同作用下沿筒壁向上做勻速圓周運動，當煙絲達到一定高度時開始拋撒并回落至滾筒底部，如此循環往復。根據煙絲在滾筒中的運動情況，利用EDEM 仿真軟件分析煙絲顆粒的運動軌跡和運動學特性。

2.1.1 仿真建模和參數設置

為減少計算量并節省運算時間，基于EDEM軟件僅對滾筒內加香區域建模［7］。使 用Solidworks 軟件分別對抄板數為8、10、12 片的3 種規格滾筒的加香區域等比例建立三維幾何模型，保存為IGS 格式后導入EDEM 中。煙絲通常呈長絲狀，為降低仿真過程中煙絲顆粒受力誤差，在EDEM 中使用球形顆粒堆疊成接近實際形狀的煙絲顆粒。為盡可能真實地模擬出實際拋料效果且大幅降低運算時間，將煙絲顆粒放大為煙絲顆粒群（以下仍稱為煙絲顆粒），僅增大體積但煙絲參數（如泊松比、剪切模量等）保持不變。煙絲顆粒長度設置為20 mm，仿真模型見圖2。

圖2 煙絲顆粒仿真模型Fig.2 Simulation model of cut tobacco particles

仿真過程中數值模擬參數［8-9］見表1。設置煙絲顆?？倲禐? 000 個，生成速率為5 000 個/s；接觸模型為Hertz-Mindlin 無滑動碰撞；時間步長為Rayleigh 的30%；仿真區域的網格大小為3Rmin（Rmin為最小煙絲顆粒半徑）；仿真時長為21 s（0～1 s 為煙絲顆粒生成時間），數據存儲時間間隔為0.05 s。

表1 數值模擬參數Tab.1 Parameters of numerical simulation

2.1.2 煙絲顆粒的仿真運動分析

選取抄板數量、滾筒轉速作為試驗因子，設計單因素試驗對加香過程中煙絲顆粒速度、接觸數、分離比率等進行仿真分析。不同工況下對應的抄板數量和滾筒轉速見表2。

表2 不同工況下抄板數量和滾筒轉速Tab.2 Paddle number and cylinder rotational speed under different working conditions

以抄板數10 片、滾筒轉速9 r/min 工況為例分析煙絲顆粒運動情況，結果見圖3。圖3 中紅色代表速度較大的煙絲顆粒，綠色代表速度中等的煙絲顆粒，藍色代表速度較小的煙絲顆粒。當t=1.40 s 時，大部分煙絲顆粒落入滾筒底部并在滾筒和抄板的作用下做勻速圓周運動；當t=2.10 s 時，在抄板的作用下部分煙絲顆粒達到一定高度后開始做拋撒運動，這部分煙絲顆粒的速度大于抄板上的煙絲顆粒；當t=2.90 s 時，在重力作用下煙絲顆粒陸續下落至滾筒底部，且下落速度不斷增大；當t=3.25 s 時，有部分煙絲顆粒下落至滾筒底部，開始下一周期的運動過程?？梢姡抡婺M結果與煙絲實際運行情況接近。

圖3 抄板數10 片和滾筒轉速9 r·min-1時煙絲拋撒過程Fig.3 Projecting process of cut tobacco at paddle number of 10 and cylinder rotational speed of 9 r·min-1

2.1.3 煙絲顆粒的分離比率

加香過程中煙絲在滾筒內與香精混合程度越好，表明煙絲與香精混合越充分［10］。Gupta 等［11］提出可以利用顆粒的接觸數來表征顆粒的混合程度，在EDEM 中以煙絲顆粒的接觸數Cparticle與煙絲顆?？偨佑|數Ctotal的比值來表征煙絲顆粒的混合程度，該比值又稱為煙絲顆粒分離比率q，計算方法見公式（1）。其中，煙絲顆?？偨佑|數=煙絲顆粒的接觸數＋煙絲顆粒與滾筒的接觸數，利用EDEM 后處理模塊可以記錄不同時刻煙絲顆粒與煙絲顆粒、煙絲顆粒與滾筒之間的接觸數。通過比較分離比率q 的大小分析煙絲顆粒的混合程度，q 值越小表明煙絲顆粒分布越稀疏、混合越充分，越有利于提高加香均勻性，反之則不利［12］。

q=（Cparticle/Ctotal）×100% （1）

式中：q 為煙絲顆粒分離比率，%；Cparticle為煙絲顆粒的接觸數，個；Ctotal為煙絲顆粒總接觸數，個。

在抄板高度、滾筒半徑、滾筒傾角不變的條件下，設置抄板數量分別為8、10、12 片，滾筒轉速分別為8、9、10 r/min，9 種工況下分離比率q 隨煙絲拋撒時間變化曲線見圖4。結果顯示：①9 種工況的q 整體上均隨時間增大呈減小趨勢。與抄板數量相比較，滾筒轉速減小對分離比率q 的影響較大。抄板數8 片、滾筒轉速8 r/min 的q 較大且位于其他曲線上方，表明該工況（即改進前工況）下煙絲拋撒均勻性較差。②當滾筒轉速相同時，抄板數為10 片的q 明顯小于抄板數為8 和12 片；當抄板數相同時，q 隨著滾筒轉速的增加而減小。③抄板數為10 片、滾筒轉速為10 r/min 時q 隨時間的增加減小得最快，其次是抄板數為10 片、滾筒轉速為9 r/min；滾筒轉速過大會造成分離比率q 曲線異常突變，并且增加煙絲沿滾筒中心軸線的運行速度，縮短加香時間，導致煙絲對香精的吸收率降低。分析可見，抄板數10 片、滾筒轉速9 r/min 的加香效果較佳。

圖4 不同工況下分離比率q 隨煙絲在滾筒內拋撒時間的變化曲線Fig.4 Variation curves of separation ratio q of cut tobacco inside cylinder alone with projecting time under different working conditions

2.2 抄板結構優化

針對現有貫通式直抄板造成的煙絲過度拋撒、霧化香精外溢等問題，改進后設計了一種組合式抄板，結構見圖5。根據上述EDEM 分析結果在滾筒內均布10 組抄板，每組抄板由4 部分組成：①第一抄板1 為進料區，與滾筒中心軸線呈30°～45°傾角，煙絲經進料振槽5 進入滾筒后，通過第一抄板1 被快速輸送到加香區，避免煙絲拋撒后回落至進料振槽5。②第二抄板2 為加香區，煙絲在第二抄板2 上被連續均勻地拋撒，提高煙絲與香精的混合程度。③第三抄板3 為擋料區，其高度大于第二抄板，第三抄板3 在拋撒混合煙絲的同時能夠阻擋霧化香精吹向滾筒出料端，避免煙絲吸附在出料罩上以及香精外溢造成環境污染。④第四抄板4 為出料區，與滾筒中心軸線呈30°～45°傾角，以降低煙絲拋撒高度，在第四抄板4 作用下煙絲快速脫離滾筒，避免過度拋撒，減少煙絲造碎。

圖5 組合式抄板結構示意圖Fig.5 Structure of combined paddles

2.3 噴霧裝置優化

圖6 為噴嘴噴射的香精速度在滾筒軸向和徑向上的分解示意圖?？傻茫?/p>

圖6 噴嘴噴射的香精速度分解示意圖Fig.6 Schematic diagram of speed of flavor ejected by nozzle

式中：v 為香精沿噴嘴軸線的速度，m/s；va為香精沿滾筒軸向的分速度，m/s；vr為香精沿滾筒徑向的分速度，m/s；θ為噴嘴軸線與滾筒中心軸線的夾角，（°）。

可見，θ越大，香精沿滾筒軸向的速度越小，沿徑向的速度越大。一定質量的物質其動能與速度大小呈正相關。因此，增加噴嘴軸線與滾筒中心軸線之間的角度，可以減小霧化香精向滾筒出料端方向的噴射動能，增大對滾筒筒壁的沖擊力。

改進后噴霧裝置結構見圖7。將噴嘴延伸入滾筒內部，使香精噴射方向與滾筒中心軸線接近垂直，以減小香精沿滾筒軸向的分速度，避免煙絲和霧化香精向滾筒出料端沖擊外溢而造成原料浪費及環境污染。通過調整香精的噴射壓力0.12 MPa 及噴嘴的噴射錐角35°～40°，使香精霧化區與煙絲拋撒區重疊，提高煙絲與香精的混合程度。

圖7 改進后噴霧裝置結構示意圖Fig.7 Structure of atomizing device after modification

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“金砂”牌配方煙絲（由廈門煙草工業有限責任公司提供）。

設備與儀器：SJ236B 型加香機（滾筒直徑2 000 mm，抄板高度200 mm，滾筒傾角3°，昆明船舶設備集團有限公司）；7890A/5977C 型氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent 公司）。

測試方法：

（1）設備條件。優化前采用貫通式直抄板，抄板數為8 片，滾筒轉速為8 r/min；優化后采用組合式抄板，抄板數為10 組，滾筒轉速為9 r/min，并優化噴霧裝置。

（2）香精樣品。使用取樣瓶現場取樣約50 mL，稱取0.01 g 香精樣品于50 mL 錐形瓶中，加入1.0 g 未加香煙絲、20 mL 乙酸乙酯萃取液（乙酸苯乙酯質量濃度為2 μg/mL）、10 mL 飽和食鹽水，超聲萃取20 min，萃取液過無水硫酸鈉柱和有機膜，進行GC-MS 分析。（3）煙絲樣品。在生產線上隨機稱取質量約為1 kg 的煙絲樣品6 個，從每個煙絲樣品中再隨機稱取1.0 g 作為實驗樣品，加入20 mL 乙酸乙酯萃取液（乙酸苯乙酯質量濃度為2 μg/mL）、10 mL飽和食鹽水，超聲萃取20 min，取上層清液過無水硫酸鈉柱和有機膜，進行GC-MS 分析。（4）煙絲特征香味成分。按照“未加香煙絲中不含有而加香香精中獨有”的原則選擇目標香味成分，確定β-苔黑酚酸甲酯（苔香特征成分）和苯甲酸芐酯（膏香特征成分）作為分析目標。（5）色譜條件和質譜方法。色譜柱：DB-5MS毛細管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣：He；柱流量：1.5 mL/min；進樣口溫度：250 ℃；程序升溫：280 ℃（5 min）；進樣模式：不分流；GC-MS 傳輸線溫度：280 ℃；電離方式：電子轟擊離子源（EI）；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；電子能量：70 eV；掃描模式：選擇離子掃描。

（6）檢測標準。采用氣相色譜-質譜聯用法（GC-MS）檢測特征香味成分的均勻性和解吸率；采用離子法［13］測定1 g 煙絲中β-苔黑酚酸甲酯質量；依據QB/T 1780—2014［14］測定1 g 煙絲中苯甲酸芐酯的質量；依據HJ 38—2017［15］測定非甲烷總烴的質量濃度。

3.2 結果與分析

3.2.1 煙絲特征香味成分均勻性對比

利用特征香味成分的質量RSD 值表征煙絲加香均勻性，RSD 值越低，煙絲加香均勻性越好。改進前后特征香味成分均勻性檢測結果見表3?？梢?，改進后特征香味成分的質量RSD 值均顯著下降，β-苔黑酚酸甲酯由19.81%下降至5.68%，苯甲酸芐酯由16.14%下降至6.06%，表明改進后顯著提高了加香均勻性。

表3 加香機改進前后特征香味成分均勻性檢測結果①Tab.3 Test results of uniformity of characteristic aroma components before and after modification of flavoring cylinder （μg）

3.2.2 煙絲特征香味成分解吸率對比

利用特征香味成分的解吸率表征煙絲對香精的吸收率，解吸率越高，香精吸收率越好。改進前后特征香味成分解吸率檢測結果見表4。可見，改進后特征香味成分的平均解吸率均明顯提升，β-苔黑酚酸甲酯由46.49%提高到62.78%，苯甲酸芐酯由24.34%提高到65.40%，表明改進后顯著提高了香精吸收率。

表4 加香機改進前后特征香味成分解吸率檢測結果Tab.4 Test results of desorption rate of characteristic aroma components before and after modification of flavoring cylinder （%）

3.2.3 加香機周圍空氣中非甲烷總烴質量濃度對比

由表5 可知，改進后加香機側面周圍空氣中非甲烷總烴質量濃度平均值下降70.2%；加香機出口的平均值下降72.1%。可見，改進后提高了煙絲對香精的吸收率，外溢到生產環境中的非甲烷總烴質量大幅減少。

表5 加香機改進前后周圍空氣中非甲烷總烴質量濃度對比Tab.5 Concentration of total non-methane hydrocarbon in the air around flavoring cylinder before and after modification （mg·m-3）

4 結論

利用EDEM 軟件對加香機滾筒的拋料特性進行模擬，分析對比了不同參數下滾筒內煙絲運動過程和分離比率；基于仿真結果優化了抄板數量和結構、滾筒轉速以及噴霧裝置，提高了煙絲對香精的吸收率和加香均勻性。以昆明船舶設備集團有限公司生產的SJ236B 型加香機為對象進行測試，結果表明：煙絲中β-苔黑酚酸甲酯質量RSD值由改進前的19.81%下降至5.68%，苯甲酸芐酯質量RSD 值由改進前的16.14%下降至6.06%；β-苔黑酚酸甲酯解吸率由改進前的46.49%提高至62.78%，苯甲酸芐酯解吸率由改進前的24.34%提高至65.40%；加香機周圍空氣中的非甲烷總烴質量濃度下降70%以上。表明加香機改進后顯著提升了煙絲加香效果，有效減少了霧化香精外溢量，改善了生產環境。