本發(fā)明屬于物料干燥處理領(lǐng)域，具體涉及一種滾筒干燥實驗設(shè)備及建立煙草滾筒干燥rea模型的方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代大規(guī)模卷煙工業(yè)生產(chǎn)中，滾筒干燥設(shè)備被廣泛地應(yīng)用與煙草物料的干燥脫水。干燥脫水是煙草物料加工中的關(guān)鍵熱濕環(huán)節(jié)，貫穿了煙葉原料從采后初烤、打葉復(fù)烤到制絲的整個加工流程。干燥煙草的主要目的是從煙草中去除特定量的水分，使煙草能夠滿足包裝密度的要求，同時還改善煙草的感官質(zhì)量。煙草干燥過程中，煙草的溫濕度的變化對于煙草加工物理質(zhì)量及感官質(zhì)量均有著較為顯著的影響。理解煙草在滾筒中的干燥行為，對于準確地控制干燥過程、開發(fā)和改進干燥系統(tǒng)具有重要的意義。

隨著數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，各種干燥模型被廣泛應(yīng)用于描述農(nóng)作物的干燥特性。newton、page、modifiedpage、hendersonandpabis、logarithmic、two-term、wangandsingh和midilli等人開發(fā)了各種半經(jīng)驗或者經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。然而，不同的模型的方程的組成差異很大，特定的模型對于特定實驗條件的擬合效果較好，當實驗條件的范圍改變或擴大時，結(jié)果通常會有所偏差。如何選擇合適的模型評價煙草在大型工業(yè)滾筒中的干燥過程，是本領(lǐng)域技術(shù)人員面臨的難題。

工業(yè)滾筒設(shè)備體積龐大，一個典型的工業(yè)滾筒的直徑約為1.9m，長度約為9.6m。在滾筒干燥過程中，只能檢測到進料口和出料口的煙草溫度和水分參數(shù)，對于煙草在滾筒中的具體變化，本領(lǐng)域技術(shù)人員不能得知。如何知曉煙草在滾筒中發(fā)生的干燥行為，也是本領(lǐng)域技術(shù)人員面臨的難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明一方面提供一種滾筒干燥實驗設(shè)備，包括：

滾筒，所述滾筒上設(shè)置有孔，所述孔位于滾筒的旋轉(zhuǎn)軸線上；和

采樣裝置，所述采樣裝置能夠通過所述孔進出滾筒的筒腔。

上述滾筒干燥實驗設(shè)備的優(yōu)點是：利用該設(shè)備可以在滾筒旋轉(zhuǎn)干燥的過程中采集正在干燥的煙草樣品。由于孔位于滾筒的旋轉(zhuǎn)軸線上，采樣裝置通過所述孔進出滾筒的筒腔時不會影響滾筒的旋轉(zhuǎn)，也不會被滾筒的旋轉(zhuǎn)所干擾，因而能夠順利地采集煙草樣品。由于采樣時無需停止?jié)L筒的旋轉(zhuǎn)，幾乎不影響煙草正常的干燥過程，如此采集的樣品參數(shù)十分可觀、準確。

使用上述滾筒干燥實驗設(shè)備能夠采集在不同干燥溫度下，經(jīng)不同干燥時間的煙草的理化參數(shù)，這些參數(shù)對于理解煙草的干燥行為，建立煙草干燥模型有重要意義。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的滾筒干燥實驗設(shè)備，所述采樣裝置進出筒腔時的移動路徑與滾筒的旋轉(zhuǎn)軸線重合。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的滾筒干燥實驗設(shè)備，所述采樣裝置上設(shè)置有開放的樣品槽。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的滾筒干燥實驗設(shè)備，所述采樣裝置在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的滾筒干燥實驗設(shè)備，還包括：

溫度傳感器(例如紅外溫度傳感器)，所述溫度傳感器設(shè)置在滾筒外且位于所述孔的附近，用于測量采樣裝置采集的干燥樣品的溫度。

上述溫度傳感器能夠準確快速地測量煙草樣品的溫度。

在一個實施方案中，根據(jù)本發(fā)明任一項所述的滾筒干燥實驗設(shè)備，滾筒的長度為0.5～2m(例如0.6m、0.8m、1m、1.2m、1.5m、1.7m、1.9m)，直徑為1～3m(例如1.5m、1.9m、2m、2.5m)。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，使用上述尺寸的滾筒檢測的參數(shù)用于建立卷煙干燥模型，模型的準確度很高。

在一個實施方案中，采樣裝置伸入滾筒部分的長度是滾筒長度的0.5～1倍，例如0.8～1倍。

本發(fā)明又一方面提供一種建立煙草在滾筒中干燥時煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系的方法，包括：

a)在使用本發(fā)明任一項的滾筒干燥實驗設(shè)備干燥煙草的過程中，在不同干燥溫度tb下，在不同干燥時間t，用采樣裝置采集滾筒中的煙草樣品，并分別檢測各煙草樣品的以下參數(shù)：煙草干基重量mt、煙草含水量mw和煙草溫度tt；

b)根據(jù)步驟a)的參數(shù)，建立煙草干燥的rea模型，并根據(jù)rea模型確定煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的方法，煙草溫度是煙草表面溫度。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的方法，還包括：用采樣裝置將檢測后的煙草樣品放置回滾筒筒腔中。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的方法，步驟b)還包括：

-計算煙草含水率x，

-計算煙草含水率隨時間變化率

-計算煙草溫度隨時間變化率

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的方法，步驟b)還包括：根據(jù)在干燥過程中干燥氣體向煙草傳遞的熱量等于煙草升溫的吸熱量與煙草水分氣化吸熱量之和來計算以下參數(shù)：煙草-干燥氣體界面的傳熱系數(shù)h。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，采用上述方法計算獲得煙草-干燥氣體界面的傳熱系數(shù)h，用于建立煙草干燥模型，所得模型的預(yù)測結(jié)果非常準確。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的方法，步驟b)還包括基于以下等式計算干燥溫度tb下干燥時間t的煙草-干燥氣體界面的傳熱系數(shù)ht,t：

其中，

a為煙草的比表面積；

cp,w為水的比熱容；

cp,t為煙草的比熱容；

δhw為水氣化潛熱。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的方法，通過以下步驟計算煙草-干燥氣體界面的傳熱系數(shù)h：

-在一個干燥溫度tb下，對不同干燥時間t＝t1、t2、t3…tn取樣檢測，求解不同干燥時間對應(yīng)的煙草傳熱系數(shù)求平均值，得

-在不同干燥溫度tb＝t1、t2、t3…tm取樣檢測，獲得不同干燥溫度對應(yīng)的求平均值，得

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的方法，通過以下等式計算煙草-干燥氣體界面的蒸汽的傳質(zhì)系數(shù)hm：

dv為干燥氣體的擴散率；

kb為干燥氣體的導熱系數(shù)；

ρb為干燥氣體的密度。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項所述的方法，所述rea模型包括

和(x-xe)的函數(shù)關(guān)系，即

其中，

為干燥溫度tb下的飽和蒸汽濃度；

為煙草溫度tt下的飽和蒸汽濃度；

ρv,b為干燥溫度tb下的蒸汽濃度；

a為煙草的比表面積；

hm為煙草-干燥氣體界面的蒸汽的傳質(zhì)系數(shù)；

xe為平衡含水率。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項的方法，g(x-xe)是關(guān)于x的一元n次方程，優(yōu)選n大于或等于3。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項的方法，煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系如下：

上述函數(shù)關(guān)系特別適合于上部煙煙葉。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項的方法，煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系如下：

上述函數(shù)關(guān)系特別適合于下部煙煙葉。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項的方法，煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系如下：

u＝165～170，v＝75～80，w＝11～13；

優(yōu)選地，所述函數(shù)關(guān)系如下：

上述函數(shù)關(guān)系適合于各種煙葉。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項的方法，是指相對活化能。

在一個實施方案中，本發(fā)明任一項的方法，

在一個實施方案中，煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系還包括以下參數(shù)：煙草溫度tt。

在一個實施方案中，煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系還包括以下參數(shù)：干燥溫度tb。

在一個實施方案中，煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系還包括以下參數(shù)：平衡含水率xe。

在一個實施方案中，建立煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系是指：建立煙草含水率x、煙草溫度tt與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系。

在一個實施方案中，建立煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系是指建立煙草含水率x、煙草溫度tt、干燥溫度tb與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系。

在一個實施方案中，傳熱系數(shù)h＝1.8～2.2w·m^-2·k^-1(例如1.9、2.0、2.1w·m^-2·k^-1)。

在一個實施方案中，傳質(zhì)系數(shù)hm＝0.0020～0.0026m·s^-1(例如0.002、0.0022、0.0024、0.0026m·s^-1)。

在一個實施方案中，平衡含水率xe為煙草在滾筒中含水率達到平衡時的值。

在一個實施方案中，平衡含水率xe由以下方程進行計算獲得:

根據(jù)不同相對濕度rh測得的平衡含水率xe擬合方程，獲得參數(shù)c和d的值。

在一個實施方案中，煙草包括煙葉、煙梗、煙絲、薄片中的一種或多種。

本發(fā)明又一方面提供一種預(yù)測煙草在工業(yè)滾筒中干燥時含水率值x與干燥時間t的對應(yīng)關(guān)系的方法，包括：

1)檢測煙草的以下參數(shù)：初始煙草干基重量mt0、煙草含水量mw0、煙草溫度tt0，平衡含水率xe，并計算煙草含水率設(shè)定滾筒干燥溫度tt；

2)將mt0、mw0、tt0、x0、tt、xe代入到本發(fā)明上述任一項所述的方法建立的函數(shù)關(guān)系中，計算獲得煙草含水率隨時間變化率

3)根據(jù)下式計算獲得煙草溫度隨時間變化率

4)根據(jù)下式計算一段時間δt后的煙草含水率x1和煙草溫度tt1：

優(yōu)選地，δt≤60s；

5)將步驟4)計算所得煙草含水率和煙草溫度代入步驟2)的函數(shù)關(guān)系，計算δt后的煙草含水率隨時間變化率

6)重復(fù)步驟2)～5)，獲得含水率值x與干燥時間t的對應(yīng)關(guān)系。

在一個實施方案中，一種預(yù)測煙草在工業(yè)滾筒中干燥時含水率值x與干燥時間t的對應(yīng)關(guān)系的方法，包括：

1)檢測煙草的以下參數(shù)：初始煙草干基重量mt0、煙草含水量mw0、煙草溫度tt0，平衡含水率xe，并計算煙草含水率設(shè)定滾筒干燥溫度tt；

2)將mt0、mw0、tt0、x0、tt、xe代入到煙草在滾筒中干燥時煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系中，計算獲得煙草含水率隨時間變化率

3)根據(jù)下式計算獲得煙草溫度隨時間變化率

4)根據(jù)下式計算一段時間δt后的煙草含水率x1和煙草溫度tt1：

優(yōu)選地，δt≤60s；

5)將步驟4)計算所得煙草含水率和煙草溫度代入步驟2)的函數(shù)關(guān)系，計算δt后的煙草含水率隨時間變化率

6)重復(fù)步驟2)～5)，獲得含水率值x與干燥時間t的對應(yīng)關(guān)系。

所述煙草在滾筒中干燥時煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系如下：u＝165～170，v＝75～80，w＝11～13；

為干燥溫度tb下的飽和蒸汽濃度；

為煙草維度tt下的飽和蒸汽濃度；

ρv,b為干燥溫度tb下的蒸汽濃度；

a為煙草的比表面積；

hm為煙草-干燥氣體界面的蒸汽的傳質(zhì)系數(shù)；

xe為平衡含水率。

在一個實施方案中，所述煙草在滾筒中干燥時煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系由本發(fā)明任一項的方法獲得。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明一個或多個實施方案具有以下一項或多項有益效果：

(1)利用本發(fā)明獨創(chuàng)的滾筒干燥實驗設(shè)備，準確合理地檢測了煙草干燥過程中的各項參數(shù)，并將這些參數(shù)用于建立煙草在滾筒中干燥時煙草含水率與干燥時間的函數(shù)關(guān)系；

(2)在眾多模型中優(yōu)選rea模型用于評估煙草滾筒干燥時煙草含水率與干燥時間的函數(shù)關(guān)系，取得了準確的預(yù)測結(jié)果；rea模型將干燥的溫濕度條件都引入模型中作為變量，并獲取片煙的rea特征指紋信息，即屬于片煙的相對活化能(δe/δee)與自由水(x–xe)的關(guān)系，此關(guān)系不受干燥條件的影響，只代表物料的干燥特性，因此使得同一套rea模型的動力學參數(shù)可以描述不同干燥條件下的片煙干燥動力學行為。而常規(guī)的半經(jīng)驗與經(jīng)驗的薄層干燥模型無法獲得片煙的干燥特性，模型中的參數(shù)是基于一定的實驗條件而確定的，一旦某個實驗條件改變，模型中的參數(shù)需要相應(yīng)改變，即不具有通用性。

(3)在確定參數(shù)h和hm時，不使用常規(guī)的經(jīng)典方程，因為煙草并非具有規(guī)格尺寸的物質(zhì)，其用經(jīng)典方程進行計算時，會出現(xiàn)誤差，而本專利根據(jù)干燥過程中的實驗數(shù)據(jù)以及能量守恒方程計算h和hm，準確合理地確定了h和hm值，使得模型預(yù)測結(jié)果準確；

(4)根據(jù)煙草在滾筒中干燥時煙草含水率與干燥時間的函數(shù)關(guān)系預(yù)測煙草經(jīng)特定干燥時間后的含水率，實驗值與預(yù)測值的相對偏差較小，分別為2.5％和1.7％。

(5)實施例使用的rea模型的構(gòu)建簡單，所需要的實驗數(shù)據(jù)少，可以預(yù)測綜合干燥條件下片煙干燥動力學行為，且預(yù)測準確快速。對于煙草企業(yè)而言，獲得片煙在綜合干燥條件下的動力學模型較片煙在特定干燥條件下的動力學模型更具適用性。由于rea模型重在獲取物料的干燥特性，其相對活化能與自由水之間的關(guān)系是由物料的自身干燥特性決定的，不受干燥溫濕度條件的影響，因此它更加符合煙草企業(yè)的需求。

(6)發(fā)明人創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)，對于不同品種的煙草，只要確定該煙草的平衡含水率，結(jié)合本發(fā)明的函數(shù)關(guān)系，就可以預(yù)測煙草在滾筒干燥過程中的干燥時間或含水率。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中：

圖1一個實施例的滾筒干燥實驗設(shè)備的示意圖，

附圖標記說明：1鼓風機；2空氣質(zhì)量流量計；3蒸汽發(fā)生器；4蒸汽流量計；5電控閥；6混合室；7混合室溫度控制器；8混合氣質(zhì)量流量計；9進口氣體溫濕度計；10滾筒溫度控制器；11紅外溫度傳感器；12取樣裝置；13滾筒；14出口氣體溫濕度計；15排潮裝置；

圖2工業(yè)滾筒與實施例的滾筒的示意圖；

圖3滾筒干燥實驗設(shè)備的局部示意圖；

附圖標記說明：滾筒13；孔131；滾筒旋轉(zhuǎn)軸線132；取樣裝置12；樣品槽121；

圖4上部煙的含水率x隨干燥時間t的變化；

圖5下部煙的含水率x隨干燥時間t的變化；

圖6不同干燥溫度下，上部煙的煙草溫度隨時間的變化趨勢；

圖7不同干燥溫度下，下部煙的煙草溫度隨時間的變化趨勢；

圖8平衡含水率xe與溫度和相對濕度的關(guān)系；

圖9上部煙的相對活化能ev/ev,e與自由水x-xe的相關(guān)關(guān)系；

圖10下部煙的相對活化能ev/ev,e與自由水x-xe的相關(guān)關(guān)系；

圖11統(tǒng)一化后的相對活化能與自由水的相關(guān)關(guān)系；

圖12上部煙在105℃/rh0.024條件下干燥，實驗值和模型預(yù)測值的對比；

圖13下部煙在105℃/rh0.024條件下干燥，實驗值和模型預(yù)測值的對比；

圖14河南中部煙在105℃/rh0.024條件下干燥，實驗值和模型預(yù)測值的對比；

圖15上部煙在95℃和115℃干燥，相對濕度rh和平衡含水率xe的預(yù)測結(jié)果；

圖16上部煙在95℃/rh0.034/320s和115℃/rh0.017/250s干燥，含水率x的預(yù)測結(jié)果。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

實施例1

1.1樣品的準備

選用福建三明的上部煙和下部煙，將煙葉物料切絲后于恒溫恒濕室平衡48h，調(diào)節(jié)至濕基含水率23％待用。這2種煙草樣品具有相似的三維尺寸：平均長度2cm，平均寬度0.1cm，平均厚度0.018cm。

煙草樣品的表面積a可以由下式計算得到：

式中m(kg)是煙絲的起始質(zhì)量，不考慮煙絲在干燥過程中的收縮效應(yīng)。本專利中煙絲的起始質(zhì)量為2kg，as(m²)是單根煙絲的表面積，vs(m³)是單根煙絲的體積，ρt(kg·m^-3)是煙絲的真密度。根據(jù)煙草樣品的三維尺寸計算出單根煙絲的面積和體積分布是0.4756cm²和0.0036cm³。假設(shè)上部煙和下部煙的真密度為1.033g.cm^-3，通過計算可得煙草樣品的表面積a為25.6m²。

1.2滾筒干燥實驗設(shè)備

卷煙工業(yè)使用的工業(yè)滾筒干燥設(shè)備是一個長9.6m,直徑1.9m的滾筒干燥器，而在煙草的工業(yè)干燥過程中，只可以檢測到滾筒進口和出口的煙絲溫度以及含水率，對于煙絲在滾筒內(nèi)部所經(jīng)歷的物理化學變化確無法取樣測定。

為了建立煙草在滾筒中干燥時煙草含水率與干燥時間的函數(shù)關(guān)系，本實施例采用如圖1所示的滾筒干燥實驗設(shè)備。該設(shè)備包括：(1)鼓風機；(2)空氣質(zhì)量流量計；(3)蒸汽發(fā)生器；(4)蒸汽流量計；(5)電控閥；(6)混合室；(7)混合室溫度控制器；(8)混合氣質(zhì)量流量計；(9)進口氣體溫濕度計；(10)滾筒溫度控制器；(11)紅外溫度傳感器；(12)取樣裝置；(13)滾筒；(14)出口氣體溫濕度計；(15)排潮裝置；用于使?jié)L筒旋轉(zhuǎn)的滾筒電機。

其中，鼓風機1用于向混合室6輸入空氣?？諝赓|(zhì)量流量計2用于檢測輸入到混合室6中的空氣的量。蒸汽發(fā)生器3用于向混合室6輸入蒸汽。蒸汽流量計4用于檢測蒸汽發(fā)生器3輸入到混合室6中的蒸汽的量。電控閥5用于控制蒸汽發(fā)生器3向混合室6中輸入蒸汽的量?；旌鲜?為空氣和蒸汽提供混合的空間?；旌鲜覝囟瓤刂破?用于控制混合室6的溫度。混合室6能夠向滾筒13輸入干燥氣體。混合氣質(zhì)量流量計8用于控制混合室6輸入到滾筒13的氣體的流量。滾筒13上設(shè)置有進氣口和出氣口。進口氣體溫濕度計9用于測量滾筒進口處氣體的溫濕度。出口氣體溫濕度計14用于測量滾筒出口氣體的溫濕度。滾筒溫度控制器10用于控制滾筒內(nèi)的溫度。排潮裝置15用于排除滾筒排除氣體的潮氣。

圖3示出圖1的滾筒干燥實驗設(shè)備的局部示意圖。如圖3所示，滾筒13上設(shè)置有孔131，孔131位于滾筒13的旋轉(zhuǎn)軸線132上，采樣裝置12能夠通過孔131進出滾筒13的筒腔。采樣裝置12進出筒腔時的移動路徑與滾筒的旋轉(zhuǎn)軸線132重合。采樣裝置12上設(shè)置有開放的樣品槽121，且采樣裝置12被設(shè)置成能夠繞滾筒13的旋轉(zhuǎn)軸線132翻轉(zhuǎn)。

圖2為工業(yè)滾筒和實施例的滾筒示意圖。如圖2所示，工業(yè)滾筒的長度約9.6m，直徑約1.9m，只能檢測煙草在入口和出口處的理化參數(shù)，不能知曉煙草在滾筒中的具體干燥行為。實施例使用的滾筒的直徑為1.9m，長度為1m，從而使煙絲在滾筒內(nèi)部的運動狀態(tài)與實際接近，而且便于取樣。

1.3煙草滾筒干燥實驗

如圖3所示，實驗開始時，首先接通設(shè)備各處電源，啟動鼓風機1和滾筒電機。通過混合室溫度控制器7和滾筒溫度控制器10設(shè)定干燥溫度。實施例1僅向滾筒中通入干燥氣體，而不通入蒸汽。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)工藝需要向滾筒中通入蒸汽，調(diào)整干燥氣體與蒸汽的比例，同樣屬于本發(fā)明的技術(shù)方案范圍。實施例1的具體實驗參數(shù)如下表1所示。

當整個系統(tǒng)達到設(shè)定值并穩(wěn)定一段時間后(30min)，煙絲樣品由取樣裝置12一次性均勻加入到滾筒13內(nèi)部。具體地，取樣裝置12的樣品槽朝上，盛放煙絲樣品，然后將取樣裝置12通過滾筒13上的孔131伸入滾筒內(nèi)，翻轉(zhuǎn)取樣裝置12，使煙草落入到滾筒中，同時開始計時。在預(yù)先設(shè)定的時間點(30、60、90、120、150、180、210、240、300、360、420、480、600、720、840、960、1080、1200、1500和1800秒)，將取樣裝置12通過滾筒上的孔伸入伸入滾筒內(nèi)，樣品槽121朝上，保持5秒，使得若干煙草樣品落在樣品槽121中。然后，將取樣裝置12及其采集的煙草樣品從滾筒中迅速取出，并采用紅外溫度傳感器測定取出的煙草樣品的溫度，將它作為煙草溫度tt。隨后再從取樣裝置12的取樣槽中取10g煙草樣品用于測量含水率x，將取樣裝置中剩余的煙草樣品再送回到滾筒中。采用烘箱法測定物料的平均含水率x。接下來，對不同預(yù)設(shè)時間點的物料平均溫度及含水率進行測量。每個條件下的實驗重復(fù)3次。

表1實驗條件的參數(shù)

1.4煙草干燥動力學模型：rea模型

發(fā)明人出人意料地發(fā)現(xiàn)，rea模型用于評價煙草干燥行為，預(yù)測結(jié)果特別準確。

rea(reactionengineeringapproach)模型是利用化學反應(yīng)工程的原理來模擬干燥動力學，它認為干燥過程是一個水分的蒸發(fā)和冷凝共同競爭的過程，因此對于煙草的干燥過程，其干燥速率可以由以下方程來描述：

式中：

mw(kg)和mt(kg)分別是水和煙草的質(zhì)量；

tt為煙草溫度(在本實施例中紅外溫度傳感器檢測的煙草表面溫度)；

x(kg·kg^-1)是煙草的含水率，

hm(m·s^-1)是傳質(zhì)系數(shù)；

a(m²)是煙草的表面積；

(kg·m^-3)是煙草-干燥氣體界面上的飽和蒸汽濃度；

ρv,b(kg·m^-3)是干燥溫度tb下的蒸汽濃度

δev(j·mol^-1)是表觀活化能。

rea模型假設(shè)在不同的干燥條件下，相對活化能與自由水(x-xe)之間的關(guān)系是一致的，因此當煙草在任意條件下干燥時，相對活化能和自由水(x-xe)的關(guān)系如下：

平衡活化能(δev,e)可以由相對濕度rh＝ρv/ρv,sat(t)和干燥溫度(tb)計算得到。

xe是平衡含水率，可以由干燥氣體的溫度和相對濕度計算得到，采用henderson方程進行計算:

rh和ps由antoine方程計算：

式中：h是絕對濕度，ps(mpa)是該溫度下的飽和蒸氣壓，c和d為方程參數(shù)，可根據(jù)實驗數(shù)據(jù)非線性擬合得到。

根據(jù)1.3部分表1的壓縮空氣的溫度和相對濕度(28℃/0.77)，可以根據(jù)壓縮空氣的溫度先根據(jù)方程(7)算出ps＝0.003781，然后根據(jù)方程(6)，算出絕對濕度h＝0.018342，之后不同的溫度下下的相對濕度，再根據(jù)方程(5)和(6)計算。

根據(jù)方程(1)和(4)，方程(3)可變化為:

其中dx/dt可以從煙草干燥實驗中獲得，ρv,sat(tt)和ρv,sat(tb)可由方程(9)及煙草溫度(tt)和干燥氣體溫度(tb)計算得到。飽和水蒸氣濃度可由下式表示:

考慮到煙草自身的異型結(jié)構(gòu)特性，本實施例通過實驗的方法取估計傳熱和傳質(zhì)系數(shù)。再根據(jù)無因次參數(shù)：re，nu，pr和sc，建立傳熱和傳質(zhì)系數(shù)的相關(guān)關(guān)系。本實施例的傳熱系數(shù)(h)通過如下的熱量平衡方程計算得到:

式中：dtt/dt通過實驗獲得，δhw(j·kg^-1)為水氣化潛熱，cp,w和cp,t(j·kg^-1·k^-1)分別是水和煙草的比熱容。

cp,t＝1450+2724x(14)

傳質(zhì)系統(tǒng)hm可由以下方程計算得到:

水蒸氣擴散率：

干燥氣體的比熱容：

干燥氣體的密度：

干燥氣體的導熱系數(shù)：

干燥氣體的粘度：

式中：cp,b(j·kg^-1·k^-1)是干燥氣體的比熱容，pr是prandtl數(shù)，sc是schmidt數(shù)，kb(w·m^-1·k^-1)是干燥氣體導熱系數(shù)，dv(m²·s^-1)是干燥氣體的擴散系數(shù)，ρb(kg·m^-3)andμb(kg·s^-1·m^-1)分別是干燥氣體的密度和粘度。

通過以上方程，相對活化能(δe/δee)可以通過實驗數(shù)據(jù)計算得到，之后通過一元三次方程擬合得到相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系。由于rea模型強調(diào)的是物料的干燥特性，不同的物料，其相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系是不同的，因此此關(guān)系可以稱為物料的rea特征指紋信息。

1.6實施結(jié)果

1.6.1煙草含水率和煙草溫度隨時間的變化關(guān)系

圖4～7示出了不同干燥條件下煙草含水率和煙草溫度隨干燥時間的變化。圖4、5分別示出不同干燥溫度tb下(65℃、85℃、105℃、125℃、145℃)，上部煙和下部煙煙草含水率x隨干燥時間的變化。圖6、7分別示出不同干燥溫度tb下(65℃、85℃、105℃、125℃、145℃)，上部煙、下部煙的煙草溫度tt隨時間的變化趨勢。從圖4、5可以看出，干燥溫度對煙絲的干燥速率具有明顯影響，干燥溫度越高，干燥速率越快，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖6、7可以看出，在干燥初始階段，煙草的溫度較低，低于同樣條件下的煙草的濕球溫度，干燥氣體提供給煙草的熱量大于煙草中水分蒸發(fā)所需的能量，煙草的溫度逐漸上升；當煙草溫度上升至濕球溫度時，干燥氣體提供給煙草的熱量等于煙草中水分蒸發(fā)所需的能量，煙草溫度會在濕球溫度停留一段時間：隨著干燥的進行，煙草中水分蒸發(fā)越來越困難，干燥氣體提供給煙草的熱量大于煙草中水分蒸發(fā)所需的能量，煙草的溫度開始迅速上升，當煙草被干燥至平衡含水率時，煙草溫度上升至干燥氣體的溫度。

1.6.2煙草平衡含水率xe的計算結(jié)果

從圖4～7可以看出，不同干燥溫度下煙草達到平衡含水率的時間均在1200-1800s，這是由于同一作物相同的土壤類型，施肥量和環(huán)境條件。但由于不同光照強度和采收時間，上部和下部煙表現(xiàn)出不同的xe數(shù)值。根據(jù)方程(5)-(7)，上部和下部煙的xe與溫濕度的擬合相關(guān)關(guān)系如圖8所示，擬合度分別為0.9988和0.9998。通過擬合，方程(5)中的參數(shù)c和d結(jié)果如下表2所示。由于參數(shù)c受指數(shù)影響非常敏感，所以上部煙和下部煙的參數(shù)c值差異較大。

表2參數(shù)c和d的計算結(jié)果

1.6.3傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)的確定

利用實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)方程(11)可以得到每個時刻的傳熱系數(shù)ht,t，之后將所有時刻的傳熱系數(shù)求平均值，得到不同干燥條件下的平均化ht,ave。根據(jù)方程(15.1)計算對應(yīng)干燥條件下的傳質(zhì)系數(shù)hmt、，計算結(jié)果下表3。從表3的結(jié)果可以看出，傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)受干燥條件的影響很小，因此對，進一步上部煙和下部煙的ht,ave和hmt分別求平均值。進一步，對上部煙和下部煙的值求平均值，得到所有干燥條件下總體的傳熱系數(shù)h和傳質(zhì)系數(shù)hm。

表3傳熱和傳質(zhì)系數(shù)的計算結(jié)果

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，熱處理條件和煙草種類對傳熱系數(shù)h和傳質(zhì)系數(shù)hm的影響不明顯。發(fā)明人創(chuàng)造性地使用h＝2.0w·m^-2·k^-1和hm＝0.0024m·s^-1作為煙草的傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)，用于建立rea模型，預(yù)測結(jié)果十分準確。

1.6.4建立相對活化能與含水率的相關(guān)關(guān)系(建立煙草在滾筒中干燥時煙草含水率x與干燥時間t的函數(shù)關(guān)系)

下面以上部煙在tb＝105℃條件下滾筒干燥的實驗進行賦值舉例。

根據(jù)方程(8)，煙草在不同干燥條件下的相對活化能可以由干燥曲線計算得到，例如

(1)根據(jù)實驗可以得到在各個時刻的煙絲溫度tt，含水率x，以及含水率變化率dx/dt，如下表4所示。干燥溫度tb為設(shè)定溫度105℃，煙絲質(zhì)量mt為1.55kg，傳質(zhì)系數(shù)hm為0.0024m·s^-1，煙絲表面積a為25.6m²，平衡含水率xe＝0.027。根據(jù)方程(9.1)可計算對應(yīng)煙絲溫度下的飽和水蒸氣濃度ρv,sat(tt)，根據(jù)方程(9.2)計算對應(yīng)干燥溫度下的飽和水蒸氣濃度ρv,sat(tb)＝0.688kg.m^-3，根據(jù)方程(10)計算對應(yīng)干燥溫度條件下的水蒸氣濃度ρv,b＝0.0165kg.m^-3。將所有數(shù)據(jù)代入方程(8)可計算得到各個時刻的相對活化能δev/δev,e，如下表4所示。

表4

圖9～11展示了相對活化能(δev/δev,e)與自由水(x-xe)的關(guān)系曲線。圖9為上部煙的相對活化能與自由水的相關(guān)關(guān)系；圖10為下部煙的相對活化能與自由水的相關(guān)關(guān)系；圖11為上部煙和下部煙的數(shù)據(jù)統(tǒng)一化后的相對活化能與自由水的相關(guān)關(guān)系。

在干燥的初始階段，相對活化能較低，煙草中的自由水較多，隨著干燥的繼續(xù)，水分不斷蒸發(fā)，煙草中的水分減少至平衡含水率，此時的相對活化能為1，說明干燥已達到平衡，不再繼續(xù)干燥。從圖9～11中可以看出，在不同的干燥條件下，相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系曲線基本重合，說明相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系受干燥條件的影響可以忽略。利用一元三次方程進行擬合，結(jié)果如下：

上部煙(r²＝0.9599)：

下部煙(r²＝0.9456)：

由于在卷煙的實際生成中，需要將不同部位的煙絲混合后在相同干燥條件下進行干燥，因此本專利試圖建立一個統(tǒng)一的相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系。將上部煙和下部煙的數(shù)據(jù)同時進行擬合，見圖11，擬合后的方程見方程(25)：

統(tǒng)一化處理后相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系(r²＝0.9501)：

1.6.5模型的擬合結(jié)果與實驗值進行對比

通過以下步驟，將煙草干燥參數(shù)導入rea模型，利用rea模型對煙草的干燥特性曲線進行擬合：

(1)煙草的起始質(zhì)量和含水率以及干燥的溫濕度條件，都與實驗條件一致賦值；

(2)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算得到相對活化能與(δe/δee)與自由水(x-xe)的一元三次方程；

(3)根據(jù)方程(1)計算干燥速率dx/dt，根據(jù)方程(11)計算溫度變化率dtt/dt；

(4)下一時刻煙草的質(zhì)量根據(jù)起始煙草質(zhì)量以及計算得到的干燥速率求得；

(5)根據(jù)步驟(4)可以計算下一時刻煙草的含水率和溫度，然后重復(fù)(2)～(5)步驟，得到干燥全過程的煙草含水率和溫度隨時間的變化值。

賦值舉例，以上部煙105℃干燥為例：

(1)初始含水率x為0.29，煙絲溫度tt為28℃，干燥溫度tb為105℃，根據(jù)方程(5)～(6)得到此時對應(yīng)的相對濕度rh為0.024，平衡含水率xe為0.027，則x-xe＝0.29-0.027＝0.263；

(2)根據(jù)方程(25)算出初始的(δev/δev,e)＝0.06855，根據(jù)方程(4)計算出δee＝11726.0j.mol^-1，則此時的δev＝0.06855×11726.0＝803.8j.mol^-1。

(3)根據(jù)方程(9.1)和(9.2)可分別計算對應(yīng)溫度下ρv,sat(tt)和ρv,sat(tb)，值分別為0.027kg.m^-3和0.688kg.m^-3，則ρv,b可根據(jù)方程(10)計算得到ρv,b＝0.688×0.024＝0.0165kg.m^-3。傳質(zhì)系數(shù)hm為0.0024m·s^-1，煙絲表面積a為25.6m²。將所有數(shù)據(jù)代入方程(1)，計算得到dx/dt＝-0.00013s^-1；傳熱系數(shù)h為2.0w·m^-2·k^-1，起始煙絲的質(zhì)量mt為1.55kg，起始水分的質(zhì)量mw為0.45kg。水的汽化潛熱δhw由方程(12)計算得到，值為-2365.27kj·kg^-1。水和煙草的比熱容由方程(13)和(14)計算得到，值分別為cp,w＝4190.58j·kg^-1·k^-1和cp,t＝2240j·kg^-1·k^-1。將所有數(shù)據(jù)代入方程(11)，計算得到dtt/dt＝0.648k.s^-1。

(4)以10s為一個計算周期，下一時刻10s的含水率x＝0.29+10×dx/dt＝0.289，煙絲溫度tt＝28+10×dtt/dt＝34.48℃，根據(jù)步驟(4)得到10s時的含水率和煙草溫度。

(5)重復(fù)(2)～(4)步驟，得到干燥全過程的煙草含水率和溫度隨時間的變化值，見下表5所示。

對rea模型所預(yù)測的干燥速率與煙絲溫度與實驗值進行對比。圖12和13分別展示了上部煙在105℃/rh0.024干燥條件下以及下部煙在85℃/rh0.050干燥條件下的rea模型與實驗測量結(jié)果的對比圖。從圖中可以看出，在不同實驗條件下對于不同的煙草，rea模型均能準確預(yù)測煙草的干基水分含量和溫度隨干燥時間的變化趨勢；煙草的干基水分含量和溫度的預(yù)測值與實驗測量值非常接近。

在rea模型中，把相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系認為是不同干燥物質(zhì)的指紋圖譜，由于不同的干燥物質(zhì)的物理化學結(jié)構(gòu)的差異，其表現(xiàn)出來的相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系也不同。雖然上部煙和下部煙可以得到各自的相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系，但是統(tǒng)一化后的相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系也可以對上部煙和下部煙的干燥行為進行模擬，且模擬效果較好，這說明上部煙和下部煙都屬于煙草，它們之間總體的干燥特性差別不大，而主要決定上部煙和下部煙干燥特性的是它們之間的不同的平衡含水率。為了驗證這個推論，用統(tǒng)一化后的相對活化能(δe/δee)與自由水(x-xe)的關(guān)系，即方程(25)，對河南中部煙在105℃/rh0.024的干燥行為進行模擬，此時的平衡含水率xe是0.031，圖14示出河南中部煙在105℃/rh0.024條件下干燥實驗值和rea預(yù)測值的對比結(jié)果圖，從圖中可以看出，預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果基本符合。因此，發(fā)明人創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)，只要確定混合后煙絲在對于溫濕度條件下的平衡含水率，根據(jù)方程(25)就可以預(yù)測混合后煙絲的干燥行為。

2.4.5模型的實際應(yīng)用

在一個具體實施例中，預(yù)測煙草干燥至特定含水率所需時間。

在煙草工業(yè)干燥過程中，需要將煙草水分從22.5±0.1％脫除至12.0±1.0％?？梢?，在不同干燥條件下監(jiān)測及控制出口含水率穩(wěn)定是至關(guān)重要的。為此，利用上述建立的rea模型預(yù)測上部煙煙草在95℃and115℃下干燥至12.0％時所需的時間。通過方程(4)-(6)算煙草在95℃and115℃下的相對濕度和xe，結(jié)果如圖15所示。圖16為上部煙在95℃/rh0.034/320s和115℃/rh0.017/250s干燥下含水率的預(yù)測結(jié)果。圖16從圖16可以看出，上部煙煙草在95℃/rh0.034and115℃/rh0.017條件下干燥至含水率12％時需要的時間分別是320和250s。

實驗檢測：分別在95℃/rh0.034and115℃/rh0.017條件下在干燥實驗，并在320和250s取樣測得含水率分別為12.3％和11.8％，與預(yù)測值的相對偏差為2.5％和1.7％，符合工藝指標要求。由此可知，本發(fā)明建立的煙草含水率與干燥時間的函數(shù)關(guān)系很準確。

以上實施例中所使用的參數(shù)計算方程如下：

干燥氣體：

干燥氣體比熱容cp,b(j·kg^-1·k^-1)，

干燥氣體密度ρb(kg·m^-3)，

干燥氣體粘度μb(kg·s^-1·m^-1)，

干燥氣體導熱系數(shù)kb(w·m^-1·k^-1)，

水蒸氣：

水蒸氣擴散率dv(m²·s^-1)，

煙草-干燥氣體界面上的飽和蒸汽濃度(kg·m^-3)，

水：

水的汽化潛熱δhw(j·kg^-1)，

水的比熱容cp,w(j·kg^-1·k^-1)，

煙絲：

煙絲的比熱容cp,t(j·kg^-1·k^-1),

cp,t＝1450+2724x

最后應(yīng)當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制；盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者對部分技術(shù)特征進行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請求保護的技術(shù)方案范圍當中。