基于數值仿真模擬的“五段式”加香滾筒設計

廖和濱，林天勤，韓梅梅,，江家森，李曉剛，張 峰，鄒冠馳，肖 雄，姜建煜，張 偉*，段志和，李志雄

1.龍巖煙草工業(yè)有限責任公司，福建省龍巖市乘風路1299號 364021

2.中國海洋大學工程學院，山東省青島市嶗山區(qū)沙子口街道松嶺路238號 266100

3.福建中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，福建省廈門市集美區(qū)濱水路298號 361012

加香是卷煙制絲生產過程中的關鍵工序，對于改善卷煙吸味品質和保持卷煙風格具有重要意義。目前卷煙工業(yè)企業(yè)大多采用加香滾筒配合雙介質噴嘴霧化方式施加香料［1］，因此加香滾筒的結構及性能對于煙絲的物理質量、香料吸收均勻性等影響顯著。但傳統(tǒng)的“三段式”加香滾筒因導料板設計結構不合理，容易形成“穿堂風”，導致滾筒周邊區(qū)域香精味濃烈，空氣污染較為嚴重，表明香料在滾筒內被霧化成微小顆粒后，未被煙絲完全吸收而排出滾筒，由此造成香料吸收不均勻，影響成品煙絲質量。此外，加香過程屬于“黑箱”操作，采用傳統(tǒng)的經驗化定性推測和物理實驗等方法，無法考察加香過程中多因素之間的相關性。針對此問題，?，|等［2］將煙絲模擬為圓球，運用Fluent仿真軟件模擬滾筒內煙絲顆粒的運動特性，指出顆粒粒徑越小，顆粒運動包角越大，向滾筒內壁靠近的趨勢越明顯。周重凱等［3］對滾筒內煙絲受力狀況進行模擬，指出滾筒轉速為20 r/min時煙絲整絲率最高。黎西等［4］分析了料液流量、料液溫度、霧化壓力對外混式霧化噴嘴粒徑分布的影響，隨著霧化壓力增加，霧化液滴分布均勻性呈降低趨勢。王宇等［5］研究了雙流體霧化噴嘴粒徑分布特性，指出隨著氣液比增加，索太爾平均直徑減小，分布均勻性指數有所增加；隨著料液溫度增加，索太爾平均直徑減小，分布均勻性指數變化較小。楊歡［6］借助Fluent仿真軟件對噴嘴內部流場進行分析，但未研究料液的二次霧化特性。山澤銀［7］對噴嘴霧化特性進行CFD分析，指出噴射壓力與入射角越大，霧化液滴的粒徑越小。廖惠云等［8］篩選出適用于表征制絲加香工序均勻性的標志物，并研究了取樣量、取樣次數及時間間隔對標志物含量的影響。張珍禛等［9］通過實驗優(yōu)化了香精流量、物料流量、噴嘴數量、噴嘴位置和霧化壓力等指標，并利用超聲提取-氣相色譜質譜聯(lián)用法對加香工序中引入的目標致香化合物進行定性和定量分析。劉振等［10］基于數字化圖像處理技術，開發(fā)了用于識別解耦狀態(tài)下軸向和截面液霧顆粒的測量方法。但對于制絲滾筒類設備，如何實現加香工藝過程向“白箱”系統(tǒng)轉變的研究則鮮見報道。為此，通過研究煙絲在加香滾筒內的運行狀態(tài)，基于數值仿真模擬技術對滾筒內的導料板結構進行優(yōu)化，并采用超聲提取-氣相色譜質譜聯(lián)用法對加香效果進行驗證，以期提高煙絲香料吸收均勻性和有效吸收率。

1 問題分析

1.1 加香滾筒工作原理

加香滾筒主要由進料系統(tǒng)、筒體、出料系統(tǒng)、噴嘴等部分組成，見圖1。煙絲經輸送帶進入滾筒內部，依靠加香滾筒傾角在自身重力作用下，隨旋轉的滾筒向出料口呈螺旋狀前進，同時煙絲被導料板揚起一定高度后下落形成煙絲瀑布面，便于吸收香料。加香滾筒進料口配有1個雙介質噴嘴，通過壓縮空氣引射香料，并形成霧化狀的微小香料顆粒，有利于煙絲吸收香料。生產中采用實時進料流量乘以加香比例的方式計算當前香料瞬時流量，通過變頻控制加香泵，實現香料的精準施加。

1.2 存在問題

以龍巖煙草工業(yè)有限責任公司為例，制絲一區(qū)采用的是SJ238B型加香滾筒（昆明船舶設備集團有限公司），生產能力為7 200 kg/h，運行轉速9 r/min，筒體直徑2 m，長度5 m，傾角3°，滾筒逆時針旋轉（從出料口觀察滾筒）。該滾筒采用的是“三段式”導料板結構，即進料段+加香段+排料段，見圖2。由于煙絲在滾筒內有效填充面積有限，生產中存在以下問題：①在進料段，導料板逐步抬高，煙絲進入滾筒被上揚至3點鐘位置后，迅速進入加香段；②在加香段，導料板采用等高設計且1點鐘為豎直位，煙絲在慣性作用下被拋至1點鐘位置，形成煙絲瀑布面后再下落至7點鐘位置；③在排料段，導料板逐步降低，煙絲下落至3點鐘位置后排出滾筒。由圖3可見，煙絲在滾筒內的有效填充區(qū)域主要為右半邊區(qū)域，面積

圖2 傳統(tǒng)“三段式”加香滾筒導料板結構示意圖Fig.2 Structure of paddle of traditional“three-section”flavaring cylinder

圖3 傳統(tǒng)“三段式”加香滾筒物料分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of material distribution in tradition“three-section”flavoring cylinder

約占50%，導致滾筒左半邊區(qū)域沒有煙絲，從而形成“穿堂風”，被霧化成微小顆粒的香料在氣流的推動下直接被排出滾筒，由此減少了香料與煙絲的接觸面積和時間，影響香料吸收率。

2 系統(tǒng)設計

采用數值仿真模擬技術對加香滾筒進行建模，應用EDEM軟件對滾筒內不同時刻的煙絲運行狀態(tài)進行分析，并根據模擬結果對滾筒內導料板結構進行優(yōu)化。

2.1“三段式”加香滾筒的數值仿真

采用ANSYSWorkbench軟件的Mesh單元對加香滾筒進行網格劃分，基于對異型尺寸適應性較好的多面體網格進行離散，離散后網格見圖4?；緟翟O置：加香滾筒壁面為304不銹鋼材質；煙絲密度80 kg/m3；摩擦系數包括恢復系數、靜摩擦系數和動摩擦系數。其中，保持煙絲顆粒原形狀的恢復系數為0.05，滾筒壁面與煙絲顆粒之間的靜摩擦系數為0.8，煙絲顆粒之間的靜摩擦系數為0.9，煙絲顆粒相對運動的動摩擦系數為0.1。仿真模型由若干個球組成條狀煙絲顆粒，顆粒直徑2 mm，長34 mm，單個球的煙絲質量為0.02 g，見圖5。

圖4 加香滾筒的網格劃分Fig.4 Mesh generation of flavoring cylinder

圖5 煙絲顆粒仿真模型Fig.5 Simulation model of tobacco particles

將加香滾筒進料口確定為顆粒產生源，進料流量與實際流量一致，均為2 kg/s。總計算時間設為100 s，采用歐拉算法，時間步長為0.000 2 s，數據統(tǒng)計間隔為0.05 s，每100迭代步保存一次數據?；贓DEM軟件進行仿真，統(tǒng)計滾筒內煙絲質量。由圖6可見，設煙絲進入滾筒內時間第5 s時，滾筒內煙絲總質量為10.0 kg；在第40 s時，部分煙絲開始排出滾筒，此時滾筒內剩余煙絲質量為9.9 kg；在第80 s時，剩余煙絲質量為5.4 kg；在第100 s時，剩余煙絲質量為3.0 kg。由圖7可見，在第80 s時，煙絲顆粒運動軌跡與煙絲實際運行狀態(tài)基本相符，表明仿真邊界條件設置合理。

圖6 滾筒內煙絲質量變化Fig.6 Variation of cut tobacco weight in cylinder

圖7 第80 s時煙絲顆粒運動軌跡Fig.7 Movement trajectory of tobacco particles at 80 s

2.2“五段式”加香滾筒的數值仿真

針對“三段式”加香滾筒存在物料有效填充面積不足等問題，根據煙絲在滾筒內不同階段的運行狀態(tài)，設計了由進料段+加香段+混合段+阻流段+出料段組成的“五段式”加香滾筒，見圖8。在進料段，煙絲在逐步升高的導料板作用下快速進入加香段；在加香段，煙絲在1點鐘位置下落并形成瀑布面，與香料顆粒充分接觸并吸收；在混合段，導料板的角度與加香段相同但采用錯位的方式設置，使煙絲與未吸收的香料顆粒進一步混合吸收；在阻流段，煙絲在導料板作用下翻滾至滾筒的左半邊區(qū)域，避免形成“穿堂風”，并將未吸收的微小香料顆粒完全吸收；在排料段，煙絲在導料板作用下迅速排出滾筒，避免過度加香。

圖8 “五段式”加香滾筒導料板結構示意圖Fig.8 Structure diagram of paddle of“five-section”flavoring cylinder

2.2.1 關鍵特征參數的仿真模擬

“五段式”加香滾筒仿真模型的關鍵特征參數包括導料板數量、混合段導料板高度和阻流段導料板軸向角度。其中，導料板沿周向均布數量分別為11、12、13（原設計）、14和15個；混合段導料板高度分別為76、105、135、184、246（原設計）、310、380和450 mm；阻流段導料板軸向角度分別為60°（原設計）、75°、90°、105°和120°。通過優(yōu)化滾筒特征參數組合，評價滾筒內煙絲顆粒停留總時間和加香區(qū)域煙絲顆粒停留時間。其中，加香區(qū)域定義為香料顆粒與煙絲顆粒的混合空間，尺寸為500 mm×800 mm×1 000 mm，區(qū)域位置見圖9。

圖9 滾筒內加香區(qū)域示意圖Fig.9 Schematic diagram of flavoring area inside cylinder

2.2.2 導料板數量仿真

基于EDEM軟件進行仿真，分別考察導料板均布數量為11、12、13、14和15個時，對滾筒內和加香區(qū)域內煙絲顆粒數量的影響。由圖10 a可見，在相同時間點下，導料板數量越少，停留在滾筒內的煙絲顆粒越少，導料板為12、13、14和15個時煙絲顆粒在滾筒內的運行曲線基本重合，表明導料板數量超過12個時，對煙絲顆粒的運動特性影響不大。由圖10 b可見，導料板為11和12個時，加香區(qū)域內煙絲顆粒數量減少，但煙絲顆粒運動曲線基本相同；導料板為13和14個時，煙絲顆粒數量變化差異不大；導料板為15個時，煙絲顆粒數量增加，但運動曲線斜率也增加，因此煙絲會迅速排出滾筒?？梢?，導料板數量對煙絲顆粒在滾筒內的停留時間影響不大，故保留原13個導料板不變。

2.2.3 混合段導料板高度仿真

導料板高度會影響單次導料的煙絲顆粒數量，分別考察導料板高度為76、105、135、184、246、310、380和450 mm時，對滾筒內以及加香區(qū)域內煙絲顆粒數量的影響。由圖11可見，高度較低的導料板對煙絲顆粒作用較小，煙絲顆?？梢皂樌懦鰸L筒；高度較高的導料板可顯著增加滾筒內以及加香區(qū)域內的煙絲顆粒數量，延長煙絲顆粒在滾筒內的停留時間，但縮短了加香區(qū)域內的停留時間，由此影響香料吸收率。因此，導料板高度取310 mm最優(yōu)。

圖11 不同導料板高度下煙絲顆粒數量對比Fig.11 Comparison of tobacco particle amounts at different paddle heights

2.2.4 阻流段導料板軸向角度仿真

由圖12可見，“三段式”加香滾筒采用1點鐘位置的導料板卸下煙絲，形成煙絲瀑布面。為此，以該點位導料板為基準，將其與通過軸心的X軸之間的夾角定義為阻流段導料板軸向角度，分別考察軸向角度為60°、75°、90°、105°和120°時，對滾筒內以及加香區(qū)域內煙絲顆粒數量的影響。由圖13 a可見，在相同時間點下，軸向角度越大，滾筒內的煙絲顆粒越多，表明軸向角度與煙絲在滾筒內的停留時間正相關；由圖13 b可見，軸向角度＞75°時，加香區(qū)域內的煙絲顆粒運動曲線基本一致。

圖12 導料板阻流段軸向角度示意圖Fig.12 Schematic diagram of axial angle of paddles in spoiler section

圖13 不同阻流段導料板軸向角度下煙絲顆粒數量對比Fig.13 Comparison of tobacco particle amounts at different axial angles of paddles in spoiler section

為進一步提升煙絲在加香滾筒阻流段的均勻性，將阻流段導料板高度設為漸高模式（310～380 mm），取軸向角度為120°，考察煙絲顆粒在不同拋撒高度下形成的煙絲瀑布層，以及不同時刻下煙絲顆粒在滾筒內的分布。由圖14可見，阻流段煙絲卸下形成的瀑布面在不同時刻分布有差異，在第40 s和第70 s時均能夠有效填充滾筒。因此，阻流段導料板高度采用漸高模式，軸向角度為120°時最優(yōu)。

圖14 滾筒內不同時刻下煙絲卸下形成瀑布面的位置Fig.14 Tobacco particle falling position inside cylinder at different time

2.2.5 “五段式”加香滾筒結構及尺寸

通過仿真模擬，獲得“五段式”加香滾筒最佳結構組合為均布13個導料板、混合段導料板高度310 mm、阻流段導料板角度120°，具體參數見表1。

表1 “五段式”加香滾筒結構尺寸Tab.1 Dimensions of“five-section”tobacco flavoring cylinder

2.3 改進前后加香滾筒的數值仿真

為考察煙絲顆粒在加香滾筒內運動狀況以及導料板對煙絲顆粒的保持效果，分別統(tǒng)計“三段式”與“五段式”加香滾筒內、加香段、混合段和阻流段內煙絲顆粒數量。由圖15 a可見，在進料段，改進前后煙絲顆粒數量基本一致；在加香段，改進后延長了煙絲顆粒停留時間；在排料段，改進后煙絲顆粒運動曲線斜率增加，因此煙絲顆粒排出滾筒速度加快。由圖15 b可見，改進后延長了煙絲顆粒停留時間，加香段煙絲顆粒數量由127個增加至330個。由圖15 c可見，改進后混合段煙絲顆粒數量由59個增加至153個，原因在于提高導料板高度能夠提升煙絲顆粒揚起高度并延長停留時間。由圖15 d可見，改進前后阻流段煙絲顆粒數量基本一致，均保持在50個左右，表明改變阻流段導料板軸向角度不會影響煙絲顆粒在滾筒內滯留時間。圖16為改進前后第50 s時煙絲顆粒運動軌跡對比，可見改進后滾筒能夠將煙絲顆粒填充至滾筒左半邊區(qū)域，提升滾筒內煙絲有效填充面積。

圖15 改進前后煙絲顆粒在加香滾筒內停留時間對比Fig.15 Comparison of residence time of tobacco particles in flavoring cylinder before and after modification

圖16 改進前后滾筒內煙絲顆粒運動軌跡對比Fig.16 Comparison of movement trajectory of tobacco particles in cylinder before and after modification

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“七匹狼（白）”牌卷煙葉絲配方（龍巖煙草工業(yè)有限責任公司提供）。

儀器和設備：SJ238B型加香滾筒（額定生產能力7 200 kg/h，昆明船舶設備集團有限公司）；Clarus 680-SQ8型氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（美國PE公司）；D-78224型超聲波清洗儀（德國Elma公司）。

方法：①依據《煙草加工在線水分儀檢定規(guī)程》［11］進行煙絲取樣，每分鐘取樣1次，共30次；香料取樣1次，檢測5組數據。共計35個樣本。采用超聲提取-氣相色譜質譜聯(lián)用法檢測改進前后“七匹狼（白）”牌卷煙的煙絲和香料中薄荷醇和香茅醇含量并進行對比。②隨機抽取改進前后成品卷煙數條，根據《煙草在制品 感官評價方法》［12］由7名評吸人員進行卷煙感官質量評價。

3.2 數據分析

由表2可見，加香滾筒改進后薄荷醇吸收率由40.29%增至49.38%，增幅22.56%；香茅醇吸收率由30.48%增至53.85%，增幅76.67%。改造前后各致香化合物的變異系數均在15%以內，符合工藝質量要求。卷煙感官評價結果顯示，改進后煙支嗅香濃郁，香氣量充足，滿足產品設計要求。

表2 加香滾筒改進前后兩種香料化學成分檢測結果①Tab.2 Comparison of two flavors in cut tobacco before and after modification of flavoring cylinder

3.3 生產跟蹤

由圖17可見，采用“五段式”加香滾筒后，煙絲在不同功能段導料板作用下，左右兩區(qū)域分別形成不同的煙絲瀑布面，特別是在阻流段，煙絲能夠有效填充滾筒的左半邊區(qū)域，避免在滾筒內形成“穿堂風”，增加了煙絲與微小香料顆粒的接觸面積并延長了停留時間，達到充分吸收香料的目的?，F場觀察發(fā)現，滾筒出料區(qū)域空氣中香精味明顯減弱，霧狀空氣狀況得到改善。

圖17 加香滾筒改進前后生產運行狀況對比Fig.17 Comparison of production and operation of flavoring cylinder before and after modification

4 結論

基于傳統(tǒng)的“三段式”加香滾筒工作原理，通過數值仿真模擬技術，對加香滾筒內煙絲顆粒運動軌跡進行模擬，分別考察了導料板數量、混合段導料板高度和阻流段導料板軸向角度3個特征參數對滾筒內煙絲顆粒數量及停留時間的影響，并在此基礎上設計了“五段式”加香滾筒。以龍巖煙草工業(yè)有限責任公司制絲一區(qū)7 200 kg/h加香滾筒為對象，利用薄荷醇和香茅醇兩種香料化學成分進行跟蹤檢測，結果表明：“五段式”滾筒與“三段式”滾筒相比，薄荷醇吸收率增幅22.56%，香茅醇吸收率增幅76.67%；改進前后各致香化合物的變異系數均在工藝質量要求的15%以內；煙支嗅香濃郁，香氣量充足，有效提升了加香均勻性和香料吸收率。