柿果漿低溫噴霧干燥數(shù)值模擬與試驗(yàn)

杜 靜,劉 滔,徐 澤,李春美,2,*

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖北武漢 430070;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境食品學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430070)

柿果漿低溫噴霧干燥數(shù)值模擬與試驗(yàn)

杜 靜1,劉 滔1,徐 澤1,李春美1,2,*

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院,湖北武漢 430070;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境食品學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430070)

利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)及算法建立噴霧干燥機(jī)結(jié)構(gòu)模型及氣體連續(xù)相、液滴離散相等數(shù)值計(jì)算模型,得到柿果漿低溫噴霧干燥過(guò)程中氣相流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡等信息,分析了進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速率對(duì)噴霧干燥柿粉的水分含量、集粉率和噴霧干燥機(jī)出風(fēng)溫度的影響,并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,水分含量和出風(fēng)溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值接近,且變化規(guī)律相同。結(jié)合數(shù)值模擬和正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定柿果漿最佳低溫噴霧干燥工藝參數(shù)組合為進(jìn)風(fēng)溫度388 K、入口進(jìn)風(fēng)量0.05 m3/s、進(jìn)料速率為4.5×10-3L/s,實(shí)驗(yàn)集粉率為78.14%。

柿果漿,噴霧干燥,數(shù)值模擬,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

柿甘甜多汁、營(yíng)養(yǎng)豐富[1-2],但保鮮期短,極易腐爛[3-4]。若將其制成柿全粉不但利于貯藏,還能廣泛作為配料,開(kāi)發(fā)多種產(chǎn)品[5]。噴霧干燥效率高,能很好地保留果蔬的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味,且產(chǎn)品顆粒均勻細(xì)小,分散性和速溶性好,是果蔬粉工業(yè)化加工的好方法[6-8]。但柿果小分子糖和有機(jī)酸含量高[2],噴霧干燥時(shí)易粘壁;熱敏性成分含量高,易損失,所以?xún)?yōu)化噴霧干燥工藝參數(shù)非常重要。目前水果噴霧干燥工業(yè)化要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)-中試-生產(chǎn)調(diào)試,工作量大,周期長(zhǎng),費(fèi)用高,且效果不理想。此外,干燥室中空氣的流速和溫度,顆粒的大小、運(yùn)動(dòng)軌跡和溫度的測(cè)定非常困難,所以常用數(shù)值模擬的方法[9]。數(shù)值模擬不但可預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)干燥過(guò)程中干燥溫度和顆粒的運(yùn)動(dòng),而且可優(yōu)化噴霧干燥工藝參數(shù),減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、人力、物力和財(cái)力[10]。計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(the computational fluid dynamics,CFD)用于噴霧干燥過(guò)程理論的研究較多,但針對(duì)某種水果噴霧干燥過(guò)程模擬和工藝優(yōu)化的研究相對(duì)較少。馬景林等[11]研究了蜂蜜混合液離心噴霧干燥過(guò)程,建立了霧化、水分蒸發(fā)、氣固兩相運(yùn)動(dòng)等CFD模型,擬合了干燥過(guò)程水分蒸發(fā)和顆粒運(yùn)動(dòng)情況。Roustapour等[8]用CFD模擬了酸橙汁的噴霧干燥動(dòng)力學(xué),研究了酸橙汁噴霧干燥過(guò)程顆粒分布和水分蒸發(fā)情況。但CFD在其他水果噴霧干燥過(guò)程的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究利用CFD模擬柿果漿低溫噴霧干燥過(guò)程,并優(yōu)化了噴霧干燥工藝參數(shù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,旨在確定柿果漿低溫噴霧干燥數(shù)值模擬的可行性。

圖1 噴霧干燥機(jī)圖Fig.1 The graph of the spray dryer注:a:噴霧干燥機(jī)結(jié)構(gòu)圖,b:噴霧干燥器結(jié)構(gòu)模型圖,c:噴霧干燥器網(wǎng)格圖。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

恭城月柿 購(gòu)于湖北省武漢市武昌區(qū)沙湖果品批發(fā)市場(chǎng),產(chǎn)地廣西恭城;阿拉伯樹(shù)膠 食品級(jí) 北京鳳禮精求商貿(mào)有限責(zé)任公司;辛烯基琥珀酸淀粉鈉食品級(jí) 廣州華匯生物實(shí)業(yè)有限公司;濃縮乳清蛋白食品級(jí) 天津中孚國(guó)際集團(tuán)有限公司。

HJE880型打漿機(jī) 德國(guó)海氏公司;HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州國(guó)華電器有限公司;HX1002Z型電子天平 慈溪市天東衡器廠;JM-L50 型膠體磨 溫州市七星乳品設(shè)備廠;JHG-54-P60型均質(zhì)機(jī) 上海金山張堰均質(zhì)機(jī)有限公司;101-2AB型干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;YC-1000型噴霧干燥機(jī) 上海雅程儀器設(shè)備有限公司;2500 hot disk型導(dǎo)熱儀 瑞典凱戈納斯有限公司;Brookfield DV2 Pro型粘度計(jì) 美國(guó)博勒飛公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備 -20 ℃凍藏的成熟恭城月柿-清洗-解凍(3 h,25 ℃)-打漿(5 min)-一層紗布過(guò)濾(除去少量柿皮)-膠體磨-加入助劑(15%復(fù)配助劑)-均質(zhì)(30 MPa,2次)-噴霧干燥噴霧干燥結(jié)束后立即收集噴霧干燥機(jī)中的樣品(主要在接料斗和干燥室),并及時(shí)測(cè)定樣品的水分含量,防止吸潮。

1.2.2 水分含量測(cè)定 實(shí)驗(yàn)值:參考GB8858-1988 水果、蔬菜產(chǎn)品中干物質(zhì)和水分含量的測(cè)定;模擬值:單位質(zhì)量的物料中的水分減去蒸發(fā)去除的水分后,剩下的水分的量,由CFD數(shù)值求解得到。

1.2.3 集粉率 實(shí)驗(yàn)值:集粉率=噴霧干燥后收集粉的總重/(柿果漿總固形物的質(zhì)量+加入的助劑的質(zhì)量)×100%。模擬值:除去隨熱空氣損失的物料后,剩下的物料占總物料的百分比,由CFD數(shù)值計(jì)算得到。

1.2.4 出風(fēng)口溫度 實(shí)驗(yàn)值:噴霧干燥機(jī)顯示的出風(fēng)口溫度。模擬值:通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬利用軟件數(shù)值求解得到。

1.2.5 單因素實(shí)驗(yàn) 在入口進(jìn)風(fēng)量0.05 m3/s,進(jìn)料速率4.5×10-3L/s的條件下,研究不同進(jìn)風(fēng)溫度(373、388、403 K)對(duì)柿粉的水分含量、出風(fēng)溫度和集粉率的影響。

在入口進(jìn)風(fēng)量0.05 m3/s,進(jìn)風(fēng)溫度388 K的條件下,研究不同進(jìn)料速率(1.5×10-3、3.0×10-3、4.5×10-3L/s)對(duì)柿粉的水分含量、出風(fēng)溫度和集粉率的影響。

1.2.6 噴霧干燥工藝優(yōu)化 通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定噴霧干燥最佳工藝條件,因素水平見(jiàn)表1。

表1 柿果低溫噴霧干燥工藝因素水平表

1.2.7 統(tǒng)計(jì)分析 用spss 16.0對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示,用單因素方差分析分析結(jié)果的顯著,p<0.05表示顯著。

1.3 模型的建立

1.3.1 物理模型建立 以實(shí)驗(yàn)用噴霧干燥機(jī)(YC-1000)為對(duì)象,通過(guò)對(duì)實(shí)體模型實(shí)地測(cè)量,獲得噴霧干燥機(jī)相關(guān)幾何尺寸(如圖1a),然后利用三維建模軟件建立模型,如圖1b所示。網(wǎng)格生成是數(shù)值模擬最重要的一步,本文基于有限體積法計(jì)算生成網(wǎng)格[12]。采用廣泛適用的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)對(duì)噴霧干燥設(shè)備實(shí)體模型進(jìn)行劃分,將構(gòu)建的幾何體進(jìn)行網(wǎng)格化如圖1c所示,本文模型生成的網(wǎng)格總約為32萬(wàn)多個(gè)。

表2 離散相材料特性及霧化器噴嘴參數(shù)

1.3.2 數(shù)學(xué)計(jì)算模型建立 CFD作為一種模擬工具,通過(guò)模擬干燥塔內(nèi)氣體連續(xù)相和液滴離散相的流動(dòng),數(shù)值求解流體運(yùn)動(dòng)和傳熱傳質(zhì)的三大守恒定律,預(yù)測(cè)流體的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的轉(zhuǎn)移,預(yù)測(cè)體系內(nèi)速度、溫度及壓力分布輪廓,掌握噴霧干燥塔內(nèi)的空氣流、溫濕度分布及液滴軌跡,對(duì)于研究不同條件如空氣流速霧化方式進(jìn)料速度等對(duì)噴霧干燥過(guò)程的影響具有重要意義。通過(guò)模擬干燥塔內(nèi)的流體分布情況,可以避免塔內(nèi)物料結(jié)塊,減少產(chǎn)品損失和清洗時(shí)間[13-14]。

1.3.2.1 氣體連續(xù)相 干燥過(guò)程中,氣相占據(jù)大量容積,且分布于整個(gè)干燥機(jī)中,因此將熱空氣視為連續(xù)相。噴霧干燥塔內(nèi)氣體湍流流動(dòng)時(shí)均特性的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程可以用歐拉方程,K-ε標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)描述,其控制方程為三維湍流方程,以上各方程可用通式表示:

式(1)

式(1)中,ρ是流體密度,φ是通用變量,可用來(lái)表示氣體焓、氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、速度、湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率等,μφ為輸運(yùn)系數(shù),uj是φ的速度;Sφ包括氣相作用源項(xiàng)以及氣體與顆粒間的作用源項(xiàng)[15]。

1.3.2.2 液滴離散相 將柿漿液滴視為離散相,并將其看作離散存在的一個(gè)個(gè)圓球形顆粒。離散相模型采用歐拉-拉格朗日法求解顆粒運(yùn)動(dòng)方程的運(yùn)動(dòng)模型。首先計(jì)算連續(xù)相流場(chǎng),然后給定顆粒初始速度進(jìn)入特定單元,再結(jié)合流場(chǎng)單元,根據(jù)流場(chǎng)單元求解有限體積內(nèi)顆粒的受力情況,從而確定顆粒的絕對(duì)速度,然后再在時(shí)間間隔dt內(nèi)對(duì)顆粒速度積分,最終獲得顆粒dt后的絕對(duì)位置,由此可以跟蹤每一個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡獲得整個(gè)流場(chǎng)和離散相顆粒運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)信息。通過(guò)對(duì)基于拉格朗日描述的微粒作用力微分方程進(jìn)行積分來(lái)求解離散相顆粒的軌跡。顆粒運(yùn)動(dòng)平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的公式為:

式(2)

式(2)中,μ是流體速度,μp是液滴速度,ρ是流體密度,ρp是液滴密度;方程右邊第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別是單位質(zhì)量顆粒在該方向上所受的氣體曳力和重力;第三項(xiàng)一般包括布朗力、浮力等。在噴霧干燥中,一般只考慮熱風(fēng)、冷風(fēng)對(duì)噴霧顆粒的阻力和顆粒自身的重力和浮力,其它力則忽略不計(jì)[15-16]。從以上公式中可獲得顆粒任意時(shí)刻的速度,然后通過(guò)速度對(duì)時(shí)間積分便可獲得顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡方程,最后通過(guò)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡方程跟蹤噴霧干燥過(guò)程中顆粒在任意時(shí)刻的位置和各時(shí)間段的軌跡等。

顆粒與熱空氣的熱量傳輸模型可用下式描述:

式(3)

式(3)中:mp為液滴的質(zhì)量,cp為液滴的比熱容,Tp為液滴的溫度,h為對(duì)流換熱系數(shù),Ap為液滴的表面積,Tg為熱空氣的溫度,λw為汽化潛熱[15]。

上述流體動(dòng)力學(xué)控制方程、顆粒運(yùn)動(dòng)模型和氣體顆粒熱量傳遞模型構(gòu)成了噴霧干燥過(guò)程中的所有數(shù)學(xué)控制模型。

噴霧干燥器中物料顆粒和熱風(fēng)耦合的模擬很復(fù)雜,首先在噴霧干燥器三維模型中采用RNG k-ε兩方程的湍流模型、基于SIMPLEC算法來(lái)計(jì)算連續(xù)相流場(chǎng),然后采用離散相模型及基于壓力-旋流噴嘴霧化模型對(duì)離散相進(jìn)行模擬相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1,從而得到液滴在干燥塔內(nèi)部分布情況。

1.3.3 邊界條件的確定 干燥塔入口邊界為熱空氣,設(shè)置氣體流動(dòng)速度為熱空氣的進(jìn)口速度。考慮到所有變量在出口截面處軸向梯度為零,因此用流出量作為出口邊界條件。顆粒出口邊界條件:顆粒有兩個(gè)出口,一是隨氣流從排風(fēng)管出去;二是在重力作用下由塔底部出去,邊界條件設(shè)置為顆粒逃逸。壁面邊界條件選用無(wú)滑移邊界條件。同時(shí)為了便于得到通道的熱風(fēng)體積流量,把每個(gè)通道出口面設(shè)為內(nèi)部。離散相噴射模型采用壓力-旋流霧化模型。熱空氣進(jìn)口以及壓力出口的邊界條件設(shè)置均包括水力直徑Dh和湍流強(qiáng)度的計(jì)算。其中水力直徑Dh的計(jì)算公式為:

式(4)

式(4)中,x為濕周,即流體與固體接觸部分的邊界長(zhǎng)度;A為過(guò)流斷面的面積[16-17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧干燥模型求解結(jié)果

氣相流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡等信息,一方面為噴霧干燥器的設(shè)計(jì)和干燥過(guò)程的優(yōu)化提供理論依據(jù)[18],另一方面可以驗(yàn)證模型建立是否合理。

圖2 噴霧干燥模型求解結(jié)果Fig.2 The results of spray drying model注:a:速度流線圖;b：對(duì)稱(chēng)截面溫度場(chǎng)分布圖;c:對(duì)稱(chēng)截面壓力分布圖;d:兩顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖;e:高風(fēng)速下離散相顆粒的軌跡圖。

2.1.1 氣相流場(chǎng) 由噴霧干燥機(jī)內(nèi)空氣速度流線圖(圖2a)可知,在干燥塔底部空氣流速由0.4 m/s很快減小到0.1 m/s,這是因?yàn)楦稍锼撞靠拷諝膺M(jìn)口處均存在渦旋。渦旋可增加對(duì)噴霧液滴的擾動(dòng),同時(shí)增加氣液兩相的接觸面積,提高干燥效率。從干燥塔底進(jìn)入的熱空氣與塔中部的噴霧源相遇后,形成渦流,細(xì)小的噴霧液滴顆粒被渦流卷吸進(jìn)行熱量交換而完成干燥過(guò)程,同時(shí)被熱空氣帶走。在干燥塔內(nèi)部流速均勻,但在干燥塔與旋風(fēng)分離器的連接處流速急速增大至0.8 m/s,這是因?yàn)闅夤虄上嗔飨嘤鐾ㄟ^(guò)側(cè)部管道后進(jìn)入旋風(fēng)分離器,橫截面積減小,氣流的速度逐漸增大。在旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流通過(guò)加速帶動(dòng)干燥后的顆粒旋轉(zhuǎn),部分下落到底端的收集器中,部分粘在旋風(fēng)分離器上,而氣相部分則由出風(fēng)口流出。實(shí)驗(yàn)收集柿粉時(shí)發(fā)現(xiàn),粘壁的柿粉主要集中在進(jìn)風(fēng)口上部噴嘴下部的錐形部分和旋風(fēng)分離器的圓柱形部分,這可能與氣相流場(chǎng)的渦流及旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流引起的顆粒旋轉(zhuǎn)有關(guān)。

表3 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)出風(fēng)溫度、水分含量和集粉率影響的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

注:表中同列不同小寫(xiě)字母表示α=0.05水平上差異顯著，表4同。

表4 進(jìn)料速度對(duì)出風(fēng)溫度、水分含量和集粉率的影響的模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

2.1.2 溫度場(chǎng) 由圖2b可見(jiàn),熱空氣進(jìn)口處溫度最高約380 K,在噴嘴附近溫度迅速降低且噴嘴周?chē)鷾囟忍荻茸兓^大,由能量守恒定律知,在噴嘴附近噴入的濕物料液滴與熱空氣進(jìn)行了強(qiáng)烈的傳熱傳質(zhì)過(guò)程[19]。熱空氣進(jìn)出口溫度差較大約20 K,說(shuō)明液滴充分吸收了熱空氣的熱量,有利于液滴的干燥。

2.1.3 壓力場(chǎng) 如圖2c所示,噴霧干燥機(jī)內(nèi)的壓力場(chǎng)分布基本均勻約1.1 Pa,可保證干燥塔內(nèi)顆粒流整體運(yùn)動(dòng)不發(fā)生碰撞,而旋風(fēng)分離器內(nèi)尤其是上部壓力呈非均勻分布,且隨旋風(fēng)分離器直徑的減小壓力急劇下降,在軸心處壓力最低接近于0 Pa。從旋風(fēng)分離器的器壁到其軸心處存在很大的壓力梯度,該壓力梯度使得流體及顆粒做向心運(yùn)動(dòng)[16]。旋風(fēng)分離器中壓力場(chǎng)的情況可用于解釋實(shí)驗(yàn)中柿粉螺旋狀粘壁分布。

2.1.4 液滴運(yùn)行軌跡 干燥塔的CFD模擬中單個(gè)顆粒干燥過(guò)程的預(yù)測(cè)非常重要,因?yàn)樗@著影響模擬結(jié)果的三個(gè)方面。第一,決定終產(chǎn)品的水分含量。實(shí)際操作中,水分含量會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的許多方面如粒徑。第二,由于干燥過(guò)程中質(zhì)量的變化而影響顆粒的軌跡。最后,干燥過(guò)程預(yù)測(cè)碰撞過(guò)程中干燥顆粒的狀態(tài)[20]。由兩個(gè)已選定顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡(如圖2d)可知,其中一個(gè)顆粒在“短路流”的輸運(yùn)下由排氣管直接排出,另一個(gè)則在離心力和重力的作用下,運(yùn)動(dòng)至旋風(fēng)分離器底部被收集起來(lái),該圖在一定程度上反映了顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律,即做向下螺旋運(yùn)動(dòng)或向上螺旋運(yùn)動(dòng)[16]。顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)一步解釋了旋風(fēng)分離器中粘壁顆粒的螺旋分布。

但是如果進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)如圖2e所示,顆粒未經(jīng)旋風(fēng)分離器立即隨氣流排出。

2.2 模擬與實(shí)驗(yàn)單因素結(jié)果比較

進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速率對(duì)出風(fēng)溫度、柿粉水分含量和集粉率的影響如表3和表4。可見(jiàn),從絕對(duì)值來(lái)看,不同溫度和進(jìn)料速率條件下出風(fēng)溫度的模擬值大于實(shí)驗(yàn)值,水分含量模擬值小于實(shí)驗(yàn)值,這可能是因?yàn)閲婌F干燥提供的熱量不能全部用于干燥,如壁面熱量損失,致使出風(fēng)溫度的實(shí)驗(yàn)值小于模擬值,柿粉水分含量的實(shí)驗(yàn)值大于模擬值。但水分含量和出風(fēng)溫度的模擬值與測(cè)定值變化趨勢(shì)一致,該測(cè)定結(jié)果與馬景林的結(jié)果相同[11]。隨進(jìn)風(fēng)溫度的增加出風(fēng)溫度的模擬值和實(shí)驗(yàn)值都增加,水分含量模擬值和實(shí)驗(yàn)值都減小;隨進(jìn)料速度的增加出風(fēng)溫度的模擬值和實(shí)驗(yàn)值都減小,水分含量模擬值和實(shí)驗(yàn)值都增加,與理論相符。從集粉率的結(jié)果可看出,實(shí)驗(yàn)值小于模擬值,這是因?yàn)槟M集粉率沒(méi)有去除顆粒與壁面碰撞時(shí)粘壁引起的集粉率的降低,且有少量柿粉收集過(guò)程中損失。隨溫度的升高,模擬集粉率的結(jié)果有所增加但增加值相對(duì)較小,而測(cè)定的集粉率值先升高再減小,收集粉時(shí)發(fā)現(xiàn)熱熔性粘壁[21],即柿粉在干燥條件下熔融形成膠狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)不是粉的形式粘附在干燥塔上,不能得到,所以集粉率相對(duì)有所減小,這可能是干燥溫度為403 K時(shí)溫度太高。隨進(jìn)料速率的升高,集粉率的模擬值稍有增加,而實(shí)驗(yàn)集粉率先升高后略有降低,但差別不大。

2.3 模擬與實(shí)驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬能否用于噴霧干燥條件優(yōu)化,設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)。由單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果知,水分含量和出風(fēng)口溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值差別不大,所以選擇集粉率為正交工藝條件優(yōu)化指標(biāo),通過(guò)比較模擬和實(shí)驗(yàn)的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到最優(yōu)的工藝條件。

由表5數(shù)值模擬的正交結(jié)果和表6方差分析結(jié)果知,這三個(gè)因素對(duì)模擬集粉率的影響依次為:B>C>A,即:

表5 柿果低溫噴霧干燥正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

入口進(jìn)風(fēng)量>進(jìn)料速率>進(jìn)風(fēng)溫度,噴霧干燥工藝的最佳組合為A2B1C3,即以進(jìn)風(fēng)溫度388 K,入口進(jìn)風(fēng)量0.033 m3/s,進(jìn)料速率為4.5×10-3L/s,且這三個(gè)因素的影響不顯著。通過(guò)驗(yàn)證得到該條件下模擬集粉率為85.3%,實(shí)驗(yàn)集粉率為76.62%。由表5中實(shí)驗(yàn)正交結(jié)果和表6方差分析結(jié)果知,這三個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)集粉率的影響依次為:A>C>B,即:進(jìn)風(fēng)溫度>進(jìn)料速率>進(jìn)風(fēng)量。噴霧干燥工藝的最佳組合為A2B2C3,即以進(jìn)風(fēng)溫度388 K,入口進(jìn)風(fēng)量0.05 m3/s,進(jìn)料速率為4.5×10-3L/s,且進(jìn)風(fēng)溫度影響顯著,進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)料速度影響不顯著。通過(guò)驗(yàn)證得到該條件下模擬集粉率84.6%,實(shí)驗(yàn)集粉率為78.14%。通過(guò)對(duì)比模擬和實(shí)驗(yàn)最佳條件下模擬和實(shí)驗(yàn)的集粉率,發(fā)現(xiàn)兩個(gè)模擬集粉率和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)集粉率之間都相差不大,但在實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)際得到的集粉率略高,所以最終確定最佳的噴霧干燥工藝條件是進(jìn)風(fēng)溫度388 K,入口進(jìn)風(fēng)量0.05 m3/s,進(jìn)料速率為4.5×10-3L/s。

表6 柿果低溫噴霧干燥正交實(shí)驗(yàn)方差分析

3 結(jié)論

本文用數(shù)值模擬了噴霧干燥的不同進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度對(duì)柿粉水分含量、集粉率和出風(fēng)溫度的影響,并優(yōu)化了噴霧干燥條件,同時(shí)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明模擬值能反映物料的實(shí)際干燥情況,可為干燥過(guò)程的優(yōu)化提供參考。本研究結(jié)果表明,柿果漿最佳低溫噴霧干燥工藝參數(shù)組合為進(jìn)風(fēng)溫度388 K、入口進(jìn)風(fēng)量0.05 m3/s、進(jìn)料速率為4.5×10-3L/s,在此條件下,集粉率可達(dá)78.14%。

[1]Nicoleti JF,Silveira V,Telis-Romero J,et al. Influence of drying conditions on ascorbic acid during convective drying of whole persimmons[J]. Drying Technology,2007,25(5):891-899.

[2]Veberic R,Jurhar J,Mikulic-Petkovsek M,et al. Comparative study of primary and secondary metabolites in 11 cultivars of persimmon fruit(Diospyros kaki L.)[J]. Food Chemistry,2010,119(2):477-483.

[3]Benedetti PDECD,Pedro MAM,Telis-Romero J,et al. 2011. Influence of encapsulating materials on water sorption isotherms ofvacuum-dried persimmon powder[J]. Journal of Food Processing and Preservation,2011,35(4):423-431.

[4]Du J,Ge ZZ,Xu Z,et al. 2014. Comparison of the Efficiency of Five Different Drying Carriers on the Spray Drying of Persimmon Pulp Powders[J]. Drying Technology,2014,32(10):1157-1166.

[5]畢金峰,陳芹芹,劉璇,等.果蔬粉:農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的新寵[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工,2013,(6):4-5.

[6]Ferrari CC,Germer SPM,de Aguirre JM. Effects of Spray-Drying Conditions on the Physicochemical Properties of Blackberry Powder[J]. Drying Technology,2011,30(2):154-163.

[7]Yousefi S,Emam-Djomeh Z,Mousavi SM. Effect of carrier type and spray drying on the physicochemical properties of powdered and reconstituted pomegranate juice(Punica Granatum L.)[J]. J Food Sci Technol,2011,48(6):677-684.

[8]Roustapour OR,Hosseinalipour M,Ghobadian B. An experimental investigation of lime juice drying in a pilot plant spray dryer[J]. Drying Technology,2006,24(2):181-188.

[9]Kuriakose R,Anandharamakrishnan C. Computational fluid dynamics(CFD)applications in spray drying of food products[J]. Trends in Food Science & Technology,2010,21(8):383-398.

[10]Mezhericher M,Levy A,Borde I. Spray drying modelling based on advanced droplet drying kinetics[J]. Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,2010,49(11):1205-1213.

[11]馬景林,韓志萍,葉劍芝,等.蜂蜜噴霧干燥過(guò)程的模擬與仿真[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,(2):849-860.

[12]魏新利,張海紅,王定標(biāo).旋風(fēng)分離器流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2005,(1):57-60.

[13]弓志青,祝清俊,王文亮,等. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)在噴霧干燥中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].糧油食品科技,2012,20(1):19-21.

[14]楊嘉寧,趙立杰,王優(yōu)杰,等.計(jì)算流體力學(xué)在噴霧干燥中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜,2013,44(7):729-733.

[15]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[16]孫化鵬.旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2013.

[17]吳望一.流體力學(xué)[M]. 北京:北京大學(xué)出版社,1982.

[18]張麗麗,周慎杰,陳舉華.氣流式噴嘴流體霧化干燥過(guò)程的CFD分析[J]. 計(jì)算機(jī)仿真,2008,(12):329-341.

[19]陳有慶,胡志超,胡良龍,等.噴霧干燥過(guò)程的數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2008,(10):37-43.

[20]Woo MW,Daud WRW,Mujumdar AS,et al. Comparative study of droplet drying models for CFD modelling[J]. Chemical Engineering Research and Design,2008,86(9):1038-1048.

[21]Goula AM,Adamopoulos KG. 2010. A new technique for spray drying orange juice concentrate[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies,2010,11(2):342-351.

Numberical simulation and experiment verification study on low temperature spray-drying of persimmon pulp

DU Jing1,LIU Tao1,XU Ze1,LI Chun-mei1,2,*

(1.College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China;2. Key Laboratory of Environment Correlative Dietology,Ministry of Education,College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

The physical model and the numerical model were built to acquire some information on gas flow field,temperature field,pressure field and particle trajectory by the computational fluid dynamics(CFD)model and algorithm. The effects of inlet temperature and feed rate on the water content of spray drying persimmon,powder recovery and outlet temperature were analyzed. The results showed that the values obtained from numberical simulation were very close to that of the orthogonal experiment. The optimal technical parameters of spray drying persimmon powders were established to be inlet temperature of 388 K,air feed volume of 0.05 m3/s and feed rate of 4.5×10-3L/s by combination of CFD and orthogonal experiment. Under the optimal conditions,the powder recovery was 78.14%. The results suggested that CFD could be used to simulate the process of spray drying persimmon powder effectively.

Persimmon pulp;spray drying;numberical simulation;experiment verification

2015-01-15

杜靜(1989-)，女，碩士研究生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工研究，E-mail：dj890520@126.com。

*通訊作者:李春美(1973-)，女，博士，教授，研究方向：果蔬加工化學(xué)，E-mail：lichmyl@126.com。

公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)“現(xiàn)代柿產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)示范”(201203047)；武漢市科技攻關(guān)項(xiàng)目“柿子低溫噴霧干燥新技術(shù)及系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)”(20130205010186)。

TS205

B

1002-0306(2015)21-0237-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.041