工業中試裝置中煙絲的滾筒傳輸特性

朱文魁，李斌，溫若愚，趙維一，鄧國棟，魯端峰

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號450001

2.川渝中煙工業公司技術中心，成都市錦江區成龍大道1段610066

滾筒裝置處理量大、可靈活處理各種物料且操作費用相對低廉[1-2]，因此是干燥、冷卻、混合、增濕等單元操作中普遍采用的一種加工設備。與流化床干燥器等相比，滾筒干燥器由于能夠提供更長的物料滯留時間和更好的混合效果，對物料的加工質量也更為均一[3]，因此在礦產、農產品、醫藥、食品等加工過程廣泛應用。而在煙草加工領域，滾筒干燥是煙草制絲過程物料干燥的主要方式。滾筒干燥器中的物料干燥過程較為復雜，主要涉及傳熱、傳質和物料輸送3個過程[4]。其中，物料在滾筒中的傳輸過程一方面決定了物料在滾筒中的滯留時間，另一方面也會影響物料與筒壁及介質間的熱質傳遞[5]，因而會顯著影響物料的干燥效果。已有部分文獻涉及物料在滾筒中的傳輸特性，其中對不同物料在不同滾筒操作條件下的滯留時間進行了研究，并通過將平均滯留時間與滾筒操作參數和物料特性參數相關聯，提出了滾筒物料滯留時間預測模型，包括經驗、半經驗模型和一些相對簡單的物理模型[6-10]。前述的研究工作涉及的物料多為球形顆粒或可近似視為球形顆粒的粒子，對纖維狀顆粒，如煙絲顆粒等，顆粒形狀差異也必然導致其顆粒相的流動特性與球形顆粒不同，從而可能影響物料的滯留時間和上述模型的適用性。同時，文獻中研究的物料多為干燥的顆粒或可自由流動的顆粒，而當實際過程中物料含水率的變化對顆粒相的流動性能影響較大時，上述研究結果的應用則存在一定限制[11]。基于此，作者在一工業試驗線裝置中研究了冷態穩定傳輸條件下煙絲顆粒的滾筒傳輸特性，考察了不同滾筒操作條件及煙絲含水率對煙絲滯留時間、傳輸速度、筒內升舉—拋灑單元運動時間等影響規律，旨在為煙絲滾筒干燥工藝參數的優化提供參考與依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

宜賓C3L單等級烤煙煙絲，試驗前煙絲濕基含水率分別平衡到12.5%，17.5%和25%，此時實測煙絲堆積密度分別為240，320，380 kg/m3。

試驗在成都卷煙廠300 kg/h的工業中試滾筒裝置中進行。如圖1所示，該裝置為一薄板式滾筒干燥裝置，由傳動系統(主動拖輪、從動拖輪和軌道)、循環風系統(變頻風機、風管)、喂料系統(電子皮帶秤、皮帶機和振槽)、滾筒筒體等組成。采用氣固順流工作方式，物料由振槽均勻喂入滾筒內部，風由進料端進入滾筒，物料在傾斜的滾筒和風作用下，沿滾筒軸向向出料端移動。滾筒內徑0.724 m，長4 m。筒壁上均勻分布4塊寬0.265 m的抄板，抄板與筒壁夾角為26°，滾筒傾角為3°。筒壁轉速通過一變頻電機在0～15 r/min內調節。通過測定的進風管風速及進風管和滾筒內徑計算得到筒內氣速，通過一帶變頻器的回風風機對筒內氣速進行調節。試驗過程中物料流量通過設置在滾筒裝置前的電子皮帶秤測定調節。滾筒出口物料經一振槽被收集和稱重。在該滾筒出口側面處設置有觀察窗，試驗過程中可通過觀察窗對煙絲在滾筒中的運動拍攝連續視頻，以對其在筒內的升舉—拋灑運動單元時間進行觀察統計。

1.2 滯留時間的測定

穩定狀態下，物料在滾筒中的滯留時間依據滯留量法測定，如式(1)所示:

式中:t——煙絲在滾筒中滯留時間(min);Q——煙絲在滾筒中滯留量(kg);Fs——煙絲流量(kg/h)。

煙絲滾筒滯留量測定過程如下:設定風機頻率、滾筒轉速、物料流量;啟動試驗裝置，待滾筒進出料穩定后(約15 min)，關閉試驗裝置，并改為手動控制模式;啟動滾筒傳動電機，將滾筒內物料排出收集，將收集的煙絲在一電子秤上稱量;清理完畢，準備下次試驗。

不同煙絲流量、筒內風速、滾筒轉速及煙絲含水率下煙絲滾筒滯留量的測定試驗均依據單因素試驗安排，具體試驗條件見表1所示。

2 結果與討論

2.1 重復性檢驗

為檢驗試驗結果的可重復性，對煙絲流量249 kg/h、筒內風速0.337 m/s、滾筒轉速12 r/min條件下的煙絲滯留量進行了3次平行的試驗測定，3次測定結果分別為15.1，15.4，16.1 kg。平行測定結果的最大偏差低于4%，表明試驗結果具有較好的重復性。

表1 煙絲滾筒滯留量測定試驗條件

2.2 煙絲筒內滯留時間、軸向運動速度變化規律

2.2.1 筒內氣速、煙絲流量對煙絲滯留時間與軸向運動速度的影響

不同筒內氣速、煙絲流量和滾筒轉速下測定的煙絲滯留量如表2所示。由表2可知，煙絲滾筒滯留量隨筒內風速和滾筒轉速的增大而降低，而隨煙絲流量和煙絲含水率的增加而增大。由煙絲滯留量，依據式(1)計算可得煙絲在滾筒中的平均滯留時間，由煙絲筒內滯留時間和滾筒筒體長度則可得到煙絲在筒內的平均軸向傳輸速度。煙絲流量和筒內氣速對煙絲滯留時間和軸向傳輸速度的影響分別如圖2，3所示。

由圖3可知，隨筒內風速的增加，煙絲在筒內滯留時間由4.57 min縮短至2.38 min，煙絲軸向運動速度則由0.88 m/min增大至1.68 m/min;由圖2，煙絲流量由206 kg/h逐漸增加至328 kg/h，煙絲筒內滯留時間也有所增加，煙絲軸向運動速度降低。這是因為滾筒內氣體介質與煙絲以氣固順流方式傳輸的過程中，風速遠大于煙絲在軸向上的傳輸速度，氣體和固體之間沿滾筒軸向存在動量傳遞，即沿滾筒軸向傳輸過程中氣體對煙絲存在一定攜帶作用，這種作用在煙絲抄起后的自由飄落階段更為顯著。氣體對煙絲的軸向攜帶作用隨筒內風速的增加而增大，從而使得煙絲在筒內的軸向運動速度增加，平均滯留時間減少;而氣速(即氣體流量)一定的情況下增大煙絲流量，意味著單位時間內滾筒中參與氣固間動量傳遞的固體質量增加，因而固體沿軸向的傳輸速度減小，滯留時間增大。

2.2.2 滾筒轉速對煙絲滯留時間與軸向運動速度的影響

滾筒轉速對煙絲滯留時間和軸向傳輸速度的影響如圖4所示。由圖4可知，滾筒轉速由6 r/min增加至15 r/min，煙絲在滾筒內的滯留量減小，煙絲筒內滯留時間縮短，軸向傳輸速度增加。這是因為增大滾筒轉速減小了煙絲在筒壁和抄板上的升舉時間，增加了煙絲被升舉—拋灑的頻次，由于煙絲拋灑次數的增加，整個傳輸過程中氣體對煙絲的軸向攜帶作用增大，另一方面滾筒轉速的增大也會增加煙絲沿筒壁滾落過程中軸向的移動速度，二者的作用均使煙絲沿軸向的傳輸速度增大，滯留時間減小。

2.2.3 煙絲含水率對煙絲滯留時間與軸向運動速度的影響

相同的筒內氣速與滾筒轉速下，保持一致的煙絲干基流量，考察了12.5%，17.5%，25%不同煙絲含水率對平均滯留時間和軸向傳輸速度的影響，結果如圖5所示。由圖5可以看出，煙絲的干基質量流量不變時，隨煙絲含水率降低，煙絲在筒內平均滯留時間減小、軸向傳輸速度增大。這是因為在煙絲濕基質量流量不變的情況下，增加含水率增大了筒內煙絲的實際流量(即煙絲干基流量)，同時，更高的煙絲含水率也會使得纖維狀煙絲顆粒間的纏繞等作用增強，從而影響了筒內固體顆粒相的流動性能，上述因素的共同作用使得煙絲在筒內平均滯留時間隨含水率的增加而增大、軸向傳輸速度減小。

表2 不同試驗條件下的煙絲滾筒滯留量(kg)

煙絲在滾筒干燥或增濕處理過程中，滾筒軸向上煙絲的干基質量流量一致，而含水率逐漸降低或升高。由上述含水率的影響可以看出，對煙絲在滾筒內的熱濕處理過程，沿滾筒軸向等距各段煙絲的滯留時間和軸向速度并非呈均一分布:對煙絲滾筒干燥過程，隨含水率降低，在接近進口端的滾筒前段，煙絲的滯留時間較長、軸向傳輸速度小，而在接近出口端的滾筒后段，煙絲滯留時間較短、軸向傳輸速度較大;對煙絲滾筒增濕過程，隨含水率增加，在接近進口端的滾筒前段煙絲滯留時間較短、軸向傳輸速度較大，而在滾筒后段煙絲滯留時間較長、軸向傳輸速度較小。

2.3 煙絲單元運動時間、運動次數及運動步長變化規律

2.3.1 煙絲單元運動時間變化規律

采用拍攝連續視頻結合秒表計時，對不同試驗條件下煙絲在筒內軸向傳輸過程中的升舉—拋灑單元運動時間和一個運動單元內在筒壁和抄板上的升舉時間進行統計，結果見表3。由表3可以看出，煙絲筒內單元運動時間和升舉時間隨煙絲流量、筒內氣速的增加無明顯變化，而隨滾筒轉速增加顯著減小。固體顆粒在滾筒內的單元運動時間包括物料在抄板上的升舉時間和從抄板上下落的拋灑時間，其中升舉時間是構成物料單元運動時間的主要部分。滾筒轉速的增大減小了物料與抄板和筒壁接觸的升舉時間，也使得單元運動時間減小。

2.3.2 筒內氣速和煙絲流量對單元運動次數和運動步長的影響

由煙絲筒內滯留時間和升舉—拋灑單元運動時間可以得到煙絲在筒內經歷的升舉—拋灑的單元運動次數，由單元運動次數和滾筒筒體長度則可得到煙絲的運動步長，即煙絲在一次升舉—拋灑運動單元中沿滾筒軸向傳輸的距離。煙絲流量、筒內氣速對單元運動次數和運動步長的影響如圖6，圖7所示。由圖6可知，在試驗范圍內，隨煙絲流量增大，煙絲在筒內的單元運動次數增加，運動步長減小，但變化幅度不大。與對煙絲筒內滯留時間的影響類似，由圖7可知，由于筒內氣體對煙絲較強的軸向攜帶作用，筒內風速對煙絲在筒內的單元運動次數和運動步長影響同樣較為顯著，隨筒內風速增大，煙絲的單元運動次數由55降低至29，而運動步長由0.07 m增加至0.14 m。

表3 煙絲單元運動時間與升舉時間①(s)

圖6 煙絲流量對煙絲單元運動次數與運動步長影響

2.3.3 滾筒轉速對單元運動次數和運動步長的影響

滾筒轉速對單元運動次數和運動步長的影響如圖8所示。由圖8可知，隨滾筒轉速的增大，煙絲在筒內的單元運動次數增加，運動步長減小，其中滾筒轉速在6～9 r/min范圍內變化時其影響較顯著，而滾筒轉速在9～15 r/min范圍內變化時，煙絲在筒內的單元運動次數和運動步長變化幅度不大。煙絲在筒內的總滯留時間和煙絲升舉—拋灑的單元運動時間均隨著滾筒轉速增大而降低，但由表3可知煙絲單元運動時間在轉速6～9 r/min之間變化幅度較大，而在9～15 r/min范圍內變化幅度較小，導致煙絲在筒內的單元運動次數和運動步長也在較低和較高的滾筒轉速范圍內也呈現不同的變化趨勢。

2.3.4 煙絲含水率對單元運動次數和運動步長的影響

一定的筒內氣速與滾筒轉速下，保持一致的煙絲濕基流量，不同煙絲含水率(12.5%，17.5%，25%)對單元運動次數和運動步長影響如圖9所示。由圖9可以看出，隨煙絲含水率降低，煙絲在筒內經歷的升舉—拋灑運動單元次數降低，而運動步長增加。這一結果表明，對滾筒干燥過程，煙絲沿滾筒軸向運動過程中，隨含水率的降低，在接近滾筒進口端的前段煙絲經歷的升舉—拋灑運動單元次數較多，在一次升舉—拋灑過程中煙絲軸向傳輸的距離也較短，而在滾筒后段煙絲經歷的升舉—拋灑次數較少，一次升舉—拋灑過程中軸向傳輸的距離較長。煙絲滾筒增濕過程則與之相反。

圖9 煙絲含水率對單元運動次數與運動步長影響

4 結論

(1)穩態條件下，煙絲在滾筒內的滯留量隨滾筒轉速、筒內風速的增加而減小，隨煙絲流量、煙絲含水率的增加而減小。

(2)筒內風速、煙絲流量一定時，隨滾筒轉速增加，煙絲滯留時間減小，軸向傳輸速度增大;滾筒轉速、煙絲流量一定時，隨筒內風速增加，煙絲滯留時間減小，軸向傳輸速度增大;筒內風速、滾筒轉速一定時，隨煙絲流量增加，煙絲滯留時間增大，軸向傳輸速度增加。

(3)煙絲干基流量一定時，隨煙絲含水率增加，煙絲滾筒滯留時間增大，筒內軸向傳輸速度減小。這一結果表明，對煙絲滾筒熱濕處理過程，沿滾筒軸向等距各段煙絲的滯留時間和軸向傳輸速度并非呈均一分布:對煙絲滾筒干燥過程，隨含水率降低，在接近進口端的滾筒前段，煙絲的滯留時間較長、軸向傳輸速度小，而滾筒后段煙絲滯留時間較短、軸向傳輸速度較大;對煙絲滾筒增濕過程，隨含水率增加，在接近進口端的滾筒前段煙絲滯留時間較短、軸向傳輸速度較大，而在滾筒后段煙絲滯留時間較長、軸向傳輸速度較小。

(4)穩態條件下，煙絲在滾筒內的單元運動次數隨滾筒轉速、煙絲流量、煙絲含水率的增大而增加，隨筒內風速的增加而減小;煙絲在滾筒內的運動步長隨滾筒轉速、煙絲流量、煙絲含水率的增加而減小，隨筒內風速的增加而增加。

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