基于離散元法的煙絲加香機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳玉生，王道銓，李鵬超

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)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(chǎn)品的感官質(zhì)量具有關(guān)鍵作用［1］。而現(xiàn)有加香機(jī)由于滾筒參數(shù)配置以及抄板結(jié)構(gòu)和香精噴霧裝置設(shè)計(jì)等原因容易造成霧化香精外溢，進(jìn)而導(dǎo)致煙絲對香精吸收率低、加香均勻性差、污染外部環(huán)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(zhì)譜聯(lián)用法對目標(biāo)致香化合物進(jìn)行定性和定量分析；李達(dá)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(zhì)譜聯(lián)用（HS-SBSE-TD-GCMS）檢測方法，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了加香工藝參數(shù)；夏東旭等［5］采用均勻設(shè)計(jì)法分析了煙絲加香工藝參數(shù)對感官質(zhì)量的影響。上述研究通過對加香機(jī)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)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(jī)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(dú)立運(yùn)動單元，根據(jù)離散物質(zhì)本身所具有的離散特性建立數(shù)學(xué)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(tǒng)過程處理和生產(chǎn)操作的計(jì)算機(jī)輔助求解軟件，已在農(nóng)業(yè)、礦石開采等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(jī)為研究對象，基于離散元法采用EDEM 仿真軟件對加香機(jī)滾筒的拋料特性進(jìn)行模擬，通過優(yōu)化抄板數(shù)量和滾筒轉(zhuǎn)速等參數(shù)，對煙絲加香機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，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(jī)的主體由滾筒、貫通式直抄板、噴嘴、進(jìn)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(yùn)行過程中滾筒1 圍繞其中心軸線做順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為8 r/min。抄板2 從滾筒1 的進(jìn)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(shù)量為8 片。噴嘴3 安裝在滾筒1 的進(jìn)料端面上，與物料拋撒面相對。煙絲通過進(jìn)料振槽4 進(jìn)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(nèi)呈螺旋式前進(jìn)，最終從滾筒1 的出料端排出。在此過程中噴嘴3 持續(xù)不斷地施加霧化香精，通過煙絲翻滾和拋撒實(shí)現(xiàn)松散、加香和攪拌等功能，從而完成加香工藝任務(wù)。

圖1 改進(jìn)前加香機(jī)主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of major structure of flavoring cylinder before modification

1.2 存在問題

改進(jìn)前加香機(jī)存在霧化香精外溢現(xiàn)象，由此造成煙絲加香均勻性差、香精吸收率低、污染環(huán)境等問題。原因在于：①因滾筒轉(zhuǎn)速和抄板數(shù)量等參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，造成煙絲拋撒時連續(xù)性差，部分香精直接噴灑到筒壁上，導(dǎo)致煙絲粘附在筒壁上。②噴嘴安裝在進(jìn)料端面上，其角度調(diào)節(jié)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(dǎo)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(dǎo)致霧化香精直接吹向滾筒出料端。此外，在進(jìn)料端，煙絲容易被拋回到進(jìn)料振槽上反復(fù)振蕩造成煙絲造碎；在出料端，加香后煙絲在滾筒內(nèi)隨抄板過度翻滾也容易造成煙絲造碎。

2 改進(jìn)方法

2.1 抄板數(shù)量與滾筒轉(zhuǎn)速優(yōu)化

煙絲進(jìn)入加香機(jī)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(yùn)動，當(dāng)煙絲達(dá)到一定高度時開始拋撒并回落至滾筒底部，如此循環(huán)往復(fù)。根據(jù)煙絲在滾筒中的運(yùn)動情況，利用EDEM 仿真軟件分析煙絲顆粒的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動學(xué)特性。

2.1.1 仿真建模和參數(shù)設(shè)置

為減少計(jì)算量并節(jié)省運(yùn)算時間，基于EDEM軟件僅對滾筒內(nèi)加香區(qū)域建模［7］。使 用Solidworks 軟件分別對抄板數(shù)為8、10、12 片的3 種規(guī)格滾筒的加香區(qū)域等比例建立三維幾何模型，保存為IGS 格式后導(dǎo)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(shí)際形狀的煙絲顆粒。為盡可能真實(shí)地模擬出實(shí)際拋料效果且大幅降低運(yùn)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(shù)（如泊松比、剪切模量等）保持不變。煙絲顆粒長度設(shè)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(shù)值模擬參數(shù)［8-9］見表1。設(shè)置煙絲顆?？倲?shù)為5 000 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(qū)域的網(wǎng)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(shù)據(jù)存儲時間間隔為0.05 s。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)Tab.1 Parameters of numerical simulation

2.1.2 煙絲顆粒的仿真運(yùn)動分析

選取抄板數(shù)量、滾筒轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因子，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)對加香過程中煙絲顆粒速度、接觸數(shù)、分離比率等進(jìn)行仿真分析。不同工況下對應(yīng)的抄板數(shù)量和滾筒轉(zhuǎn)速見表2。

表2 不同工況下抄板數(shù)量和滾筒轉(zhuǎn)速Tab.2 Paddle number and cylinder rotational speed under different working conditions

以抄板數(shù)10 片、滾筒轉(zhuǎn)速9 r/min 工況為例分析煙絲顆粒運(yùn)動情況，結(jié)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(lán)色代表速度較小的煙絲顆粒。當(dāng)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(yùn)動；當(dāng)t=2.10 s 時，在抄板的作用下部分煙絲顆粒達(dá)到一定高度后開始做拋撒運(yùn)動，這部分煙絲顆粒的速度大于抄板上的煙絲顆粒；當(dāng)t=2.90 s 時，在重力作用下煙絲顆粒陸續(xù)下落至滾筒底部，且下落速度不斷增大；當(dāng)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(yùn)動過程?？梢?，仿真模擬結(jié)果與煙絲實(shí)際運(yùn)行情況接近。

圖3 抄板數(shù)10 片和滾筒轉(zhuǎn)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(nèi)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(shù)來表征顆粒的混合程度，在EDEM 中以煙絲顆粒的接觸數(shù)Cparticle與煙絲顆?？偨佑|數(shù)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(jì)算方法見公式（1）。其中，煙絲顆粒總接觸數(shù)=煙絲顆粒的接觸數(shù)＋煙絲顆粒與滾筒的接觸數(shù)，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(shù)。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(shù)，個；Ctotal為煙絲顆?？偨佑|數(shù)，個。

在抄板高度、滾筒半徑、滾筒傾角不變的條件下，設(shè)置抄板數(shù)量分別為8、10、12 片，滾筒轉(zhuǎn)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(jié)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(shù)量相比較，滾筒轉(zhuǎn)速減小對分離比率q 的影響較大。抄板數(shù)8 片、滾筒轉(zhuǎn)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(jìn)前工況）下煙絲拋撒均勻性較差。②當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速相同時，抄板數(shù)為10 片的q 明顯小于抄板數(shù)為8 和12 片；當(dāng)抄板數(shù)相同時，q 隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加而減小。③抄板數(shù)為10 片、滾筒轉(zhuǎn)速為10 r/min 時q 隨時間的增加減小得最快，其次是抄板數(shù)為10 片、滾筒轉(zhuǎn)速為9 r/min；滾筒轉(zhuǎn)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(yùn)行速度，縮短加香時間，導(dǎo)致煙絲對香精的吸收率降低。分析可見，抄板數(shù)10 片、滾筒轉(zhuǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對現(xiàn)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(jìn)后設(shè)計(jì)了一種組合式抄板，結(jié)構(gòu)見圖5。根據(jù)上述EDEM 分析結(jié)果在滾筒內(nèi)均布10 組抄板，每組抄板由4 部分組成：①第一抄板1 為進(jìn)料區(qū)，與滾筒中心軸線呈30°～45°傾角，煙絲經(jīng)進(jìn)料振槽5 進(jìn)入滾筒后，通過第一抄板1 被快速輸送到加香區(qū)，避免煙絲拋撒后回落至進(jìn)料振槽5。②第二抄板2 為加香區(qū)，煙絲在第二抄板2 上被連續(xù)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(qū)，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(huán)境污染。④第四抄板4 為出料區(qū)，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(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of combined paddles

2.3 噴霧裝置優(yōu)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(zhì)量的物質(zhì)其動能與速度大小呈正相關(guān)。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(jìn)后噴霧裝置結(jié)構(gòu)見圖7。將噴嘴延伸入滾筒內(nèi)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(fèi)及環(huán)境污染。通過調(diào)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(qū)與煙絲拋撒區(qū)重疊，提高煙絲與香精的混合程度。

圖7 改進(jìn)后噴霧裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of atomizing device after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“金砂”牌配方煙絲（由廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

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

測試方法：

（1）設(shè)備條件。優(yōu)化前采用貫通式直抄板，抄板數(shù)為8 片，滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min；優(yōu)化后采用組合式抄板，抄板數(shù)為10 組，滾筒轉(zhuǎn)速為9 r/min，并優(yōu)化噴霧裝置。

（2）香精樣品。使用取樣瓶現(xiàn)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(zhì)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(jī)膜，進(jìn)行GC-MS 分析。（3）煙絲樣品。在生產(chǎn)線上隨機(jī)稱取質(zhì)量約為1 kg 的煙絲樣品6 個，從每個煙絲樣品中再隨機(jī)稱取1.0 g 作為實(shí)驗(yàn)樣品，加入20 mL 乙酸乙酯萃取液（乙酸苯乙酯質(zhì)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(jī)膜，進(jìn)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(dú)有”的原則選擇目標(biāo)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(biāo)。（5）色譜條件和質(zhì)譜方法。色譜柱：DB-5MS毛細(xì)管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣：He；柱流量：1.5 mL/min；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；程序升溫：280 ℃（5 min）；進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)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(zhì)量；依據(jù)QB/T 1780—2014［14］測定1 g 煙絲中苯甲酸芐酯的質(zhì)量；依據(jù)HJ 38—2017［15］測定非甲烷總烴的質(zhì)量濃度。

3.2 結(jié)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(zhì)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(jìn)前后特征香味成分均勻性檢測結(jié)果見表3。可見，改進(jìn)后特征香味成分的質(zhì)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(jìn)后顯著提高了加香均勻性。

表3 加香機(jī)改進(jìn)前后特征香味成分均勻性檢測結(jié)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(jìn)前后特征香味成分解吸率檢測結(jié)果見表4。可見，改進(jìn)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(jìn)后顯著提高了香精吸收率。

表4 加香機(jī)改進(jìn)前后特征香味成分解吸率檢測結(jié)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(jī)周圍空氣中非甲烷總烴質(zhì)量濃度對比

由表5 可知，改進(jìn)后加香機(jī)側(cè)面周圍空氣中非甲烷總烴質(zhì)量濃度平均值下降70.2%；加香機(jī)出口的平均值下降72.1%?？梢姡倪M(jìn)后提高了煙絲對香精的吸收率，外溢到生產(chǎn)環(huán)境中的非甲烷總烴質(zhì)量大幅減少。

表5 加香機(jī)改進(jìn)前后周圍空氣中非甲烷總烴質(zhì)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(jié)論

利用EDEM 軟件對加香機(jī)滾筒的拋料特性進(jìn)行模擬，分析對比了不同參數(shù)下滾筒內(nèi)煙絲運(yùn)動過程和分離比率；基于仿真結(jié)果優(yōu)化了抄板數(shù)量和結(jié)構(gòu)、滾筒轉(zhuǎn)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(shè)備集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的SJ236B 型加香機(jī)為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：煙絲中β-苔黑酚酸甲酯質(zhì)量RSD值由改進(jìn)前的19.81%下降至5.68%，苯甲酸芐酯質(zhì)量RSD 值由改進(jìn)前的16.14%下降至6.06%；β-苔黑酚酸甲酯解吸率由改進(jìn)前的46.49%提高至62.78%，苯甲酸芐酯解吸率由改進(jìn)前的24.34%提高至65.40%；加香機(jī)周圍空氣中的非甲烷總烴質(zhì)量濃度下降70%以上。表明加香機(jī)改進(jìn)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(chǎn)環(huán)境。