CN107194113A

CN107194113A - 滚筒干燥实验设备及建立烟草滚筒干燥rea模型的方法

Info

Publication number: CN107194113A
Application number: CN201710452044.1A
Authority: CN
Inventors: 李巧灵; 李跃锋; 陈河祥; 谢卫; 刘泽春; 黄惠贞; 苏明亮; 林志平; 曾强; 王锐亮; 罗登炎
Original assignee: China Tobacco Fujian Industrial Co Ltd
Current assignee: China Tobacco Fujian Industrial Co Ltd
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2017-09-22
Anticipated expiration: 2037-06-15
Also published as: CN107194113B

Abstract

本发明涉及一种滚筒干燥实验设备及建立烟草滚筒干燥REA模型的方法。其中，滚筒干燥实验设备包括：滚筒，所述滚筒上设置有孔，所述孔位于滚筒的旋转轴线上；和采样装置，所述采样装置能够通过所述孔进出滚筒的筒腔。该滚筒干燥实验设备可用于检测烟草干燥过程中的物性参数，进一步建立烟草滚筒干燥REA模型，为研究烟草干燥行为提供了很好的工具。

Description

滚筒干燥实验设备及建立烟草滚筒干燥REA模型的方法

技术领域

本发明属于物料干燥处理领域，具体涉及一种滚筒干燥实验设备及建立烟草滚筒干燥REA模型的方法。

背景技术

在现代大规模卷烟工业生产中，滚筒干燥设备被广泛地应用与烟草物料的干燥脱水。干燥脱水是烟草物料加工中的关键热湿环节，贯穿了烟叶原料从采后初烤、打叶复烤到制丝的整个加工流程。干燥烟草的主要目的是从烟草中去除特定量的水分，使烟草能够满足包装密度的要求，同时还改善烟草的感官质量。烟草干燥过程中，烟草的温湿度的变化对于烟草加工物理质量及感官质量均有着较为显著的影响。理解烟草在滚筒中的干燥行为，对于准确地控制干燥过程、开发和改进干燥***具有重要的意义。

随着数值计算技术的发展，各种干燥模型被广泛应用于描述农作物的干燥特性。Newton、Page、Modified Page、Henderson and Pabis、Logarithmic、Two-term、Wang andSingh和Midilli等人开发了各种半经验或者经验模型。然而，不同的模型的方程的组成差异很大，特定的模型对于特定实验条件的拟合效果较好，当实验条件的范围改变或扩大时，结果通常会有所偏差。如何选择合适的模型评价烟草在大型工业滚筒中的干燥过程，是本领域技术人员面临的难题。

工业滚筒设备体积庞大，一个典型的工业滚筒的直径约为1.9m，长度约为9.6m。在滚筒干燥过程中，只能检测到进料口和出料口的烟草温度和水分参数，对于烟草在滚筒中的具体变化，本领域技术人员不能得知。如何知晓烟草在滚筒中发生的干燥行为，也是本领域技术人员面临的难题。

发明内容

本发明一方面提供一种滚筒干燥实验设备，包括：

滚筒，所述滚筒上设置有孔，所述孔位于滚筒的旋转轴线上；和

采样装置，所述采样装置能够通过所述孔进出滚筒的筒腔。

上述滚筒干燥实验设备的优点是：利用该设备可以在滚筒旋转干燥的过程中采集正在干燥的烟草样品。由于孔位于滚筒的旋转轴线上，采样装置通过所述孔进出滚筒的筒腔时不会影响滚筒的旋转，也不会被滚筒的旋转所干扰，因而能够顺利地采集烟草样品。由于采样时无需停止滚筒的旋转，几乎不影响烟草正常的干燥过程，如此采集的样品参数十分可观、准确。

使用上述滚筒干燥实验设备能够采集在不同干燥温度下，经不同干燥时间的烟草的理化参数，这些参数对于理解烟草的干燥行为，建立烟草干燥模型有重要意义。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的滚筒干燥实验设备，所述采样装置进出筒腔时的移动路径与滚筒的旋转轴线重合。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的滚筒干燥实验设备，所述采样装置上设置有开放的样品槽。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的滚筒干燥实验设备，所述采样装置在一个实施方案中，本发明任一项所述的滚筒干燥实验设备，还包括：

温度传感器(例如红外温度传感器)，所述温度传感器设置在滚筒外且位于所述孔的附近，用于测量采样装置采集的干燥样品的温度。

上述温度传感器能够准确快速地测量烟草样品的温度。

在一个实施方案中，根据本发明任一项所述的滚筒干燥实验设备，滚筒的长度为0.5～2m(例如0.6m、0.8m、1m、1.2m、1.5m、1.7m、1.9m)，直径为1～3m(例如1.5m、1.9m、2m、2.5m)。

发明人发现，使用上述尺寸的滚筒检测的参数用于建立卷烟干燥模型，模型的准确度很高。

在一个实施方案中，采样装置伸入滚筒部分的长度是滚筒长度的0.5～1倍，例如0.8～1倍。

本发明又一方面提供一种建立烟草在滚筒中干燥时烟草含水率X与干燥时间t的函数关系的方法，包括：

a)在使用本发明任一项的滚筒干燥实验设备干燥烟草的过程中，在不同干燥温度T_b下，在不同干燥时间t，用采样装置采集滚筒中的烟草样品，并分别检测各烟草样品的以下参数：烟草干基重量m_t、烟草含水量m_w和烟草温度T_t；

b)根据步骤a)的参数，建立烟草干燥的REA模型，并根据REA模型确定烟草含水率X与干燥时间t的函数关系。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的方法，烟草温度是烟草表面温度。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的方法，还包括：用采样装置将检测后的烟草样品放置回滚筒筒腔中。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的方法，步骤b)还包括：

-计算烟草含水率X，

-计算烟草含水率随时间变化率

-计算烟草温度随时间变化率

在一个实施方案中，本发明任一项所述的方法，步骤b)还包括：根据在干燥过程中干燥气体向烟草传递的热量等于烟草升温的吸热量与烟草水分气化吸热量之和来计算以下参数：烟草-干燥气体界面的传热系数h。

发明人发现，采用上述方法计算获得烟草-干燥气体界面的传热系数h，用于建立烟草干燥模型，所得模型的预测结果非常准确。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的方法，步骤b)还包括基于以下等式计算干燥温度T_b下干燥时间t的烟草-干燥气体界面的传热系数h_T,t：

其中，

A为烟草的比表面积；

C_p,w为水的比热容；

C_p,t为烟草的比热容；

ΔH_w为水气化潜热。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的方法，通过以下步骤计算烟草-干燥气体界面的传热系数h：

-在一个干燥温度T_b下，对不同干燥时间t＝t₁、t₂、t₃…t_n取样检测，求解不同干燥时间对应的烟草传热系数求平均值，得

-在不同干燥温度T_b＝T₁、T₂、T₃…T_m取样检测，获得不同干燥温度对应的求平均值，得

在一个实施方案中，本发明任一项所述的方法，通过以下等式计算烟草-干燥气体界面的蒸汽的传质系数h_m：

D_v为干燥气体的扩散率；

k_b为干燥气体的导热系数；

ρ_b为干燥气体的密度。

在一个实施方案中，本发明任一项所述的方法，所述REA模型包括

和(X-X_e)的函数关系，即

其中，

为干燥温度T_b下的饱和蒸汽浓度；

为烟草温度T_t下的饱和蒸汽浓度；

ρ_v,b为干燥温度T_b下的蒸汽浓度；

A为烟草的比表面积；

h_m为烟草-干燥气体界面的蒸汽的传质系数；

X_e为平衡含水率。

在一个实施方案中，本发明任一项的方法，g(X-X_e)是关于X的一元n次方程，优选n大于或等于3。

在一个实施方案中，本发明任一项的方法，烟草含水率X与干燥时间t的函数关系如下：

上述函数关系特别适合于上部烟烟叶。

上述函数关系特别适合于下部烟烟叶。

U＝165～170，V＝75～80，W＝11～13；

优选地，所述函数关系如下：

上述函数关系适合于各种烟叶。

在一个实施方案中，本发明任一项的方法，是指相对活化能。

在一个实施方案中，本发明任一项的方法，

在一个实施方案中，烟草含水率X与干燥时间t的函数关系还包括以下参数：烟草温度T_t。

在一个实施方案中，烟草含水率X与干燥时间t的函数关系还包括以下参数：干燥温度T_b。

在一个实施方案中，烟草含水率X与干燥时间t的函数关系还包括以下参数：平衡含水率X_e。

在一个实施方案中，建立烟草含水率X与干燥时间t的函数关系是指：建立烟草含水率X、烟草温度T_t与干燥时间t的函数关系。

在一个实施方案中，建立烟草含水率X与干燥时间t的函数关系是指建立烟草含水率X、烟草温度T_t、干燥温度T_b与干燥时间t的函数关系。

在一个实施方案中，传热系数h＝1.8～2.2W·m^-2·K^-1(例如1.9、2.0、2.1W·m^-2·K^-1)。

在一个实施方案中，传质系数h_m＝0.0020～0.0026m·s^-1(例如0.002、0.0022、0.0024、0.0026m·s^-1)。

在一个实施方案中，平衡含水率X_e为烟草在滚筒中含水率达到平衡时的值。

在一个实施方案中，平衡含水率X_e由以下方程进行计算获得:

根据不同相对湿度RH测得的平衡含水率X_e拟合方程，获得参数C和D的值。

在一个实施方案中，烟草包括烟叶、烟梗、烟丝、薄片中的一种或多种。

本发明又一方面提供一种预测烟草在工业滚筒中干燥时含水率值X与干燥时间t的对应关系的方法，包括：

1)检测烟草的以下参数：初始烟草干基重量m_t0、烟草含水量m_w0、烟草温度T_t0，平衡含水率X_e，并计算烟草含水率设定滚筒干燥温度T_t；

2)将m_t0、m_w0、T_t0、X₀、T_t、X_e代入到本发明上述任一项所述的方法建立的函数关系中，计算获得烟草含水率随时间变化率

3)根据下式计算获得烟草温度随时间变化率

4)根据下式计算一段时间Δt后的烟草含水率X₁和烟草温度T_t1：

优选地，Δt≤60s；

5)将步骤4)计算所得烟草含水率和烟草温度代入步骤2)的函数关系，计算Δt后的烟草含水率随时间变化率

6)重复步骤2)～5)，获得含水率值X与干燥时间t的对应关系。

在一个实施方案中，一种预测烟草在工业滚筒中干燥时含水率值X与干燥时间t的对应关系的方法，包括：

2)将m_t0、m_w0、T_t0、X₀、T_t、X_e代入到烟草在滚筒中干燥时烟草含水率X与干燥时间t的函数关系中，计算获得烟草含水率随时间变化率

3)根据下式计算获得烟草温度随时间变化率

优选地，Δt≤60s；

6)重复步骤2)～5)，获得含水率值X与干燥时间t的对应关系。

所述烟草在滚筒中干燥时烟草含水率X与干燥时间t的函数关系如下：U＝165～170，V＝75～80，W＝11～13；

为干燥温度T_b下的饱和蒸汽浓度；

为烟草维度T_t下的饱和蒸汽浓度；

ρ_v,b为干燥温度T_b下的蒸汽浓度；

A为烟草的比表面积；

h_m为烟草-干燥气体界面的蒸汽的传质系数；

X_e为平衡含水率。

在一个实施方案中，所述烟草在滚筒中干燥时烟草含水率X与干燥时间t的函数关系由本发明任一项的方法获得。

本发明的有益效果

本发明一个或多个实施方案具有以下一项或多项有益效果：

(1)利用本发明独创的滚筒干燥实验设备，准确合理地检测了烟草干燥过程中的各项参数，并将这些参数用于建立烟草在滚筒中干燥时烟草含水率与干燥时间的函数关系；

(2)在众多模型中优选REA模型用于评估烟草滚筒干燥时烟草含水率与干燥时间的函数关系，取得了准确的预测结果；REA模型将干燥的温湿度条件都引入模型中作为变量，并获取片烟的REA特征指纹信息，即属于片烟的相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X–X_e)的关系，此关系不受干燥条件的影响，只代表物料的干燥特性，因此使得同一套REA模型的动力学参数可以描述不同干燥条件下的片烟干燥动力学行为。而常规的半经验与经验的薄层干燥模型无法获得片烟的干燥特性，模型中的参数是基于一定的实验条件而确定的，一旦某个实验条件改变，模型中的参数需要相应改变，即不具有通用性。

(3)在确定参数h和h_m时，不使用常规的经典方程，因为烟草并非具有规格尺寸的物质，其用经典方程进行计算时，会出现误差，而本专利根据干燥过程中的实验数据以及能量守恒方程计算h和h_m，准确合理地确定了h和h_m值，使得模型预测结果准确；

(4)根据烟草在滚筒中干燥时烟草含水率与干燥时间的函数关系预测烟草经特定干燥时间后的含水率，实验值与预测值的相对偏差较小，分别为2.5％和1.7％。

(5)实施例使用的REA模型的构建简单，所需要的实验数据少，可以预测综合干燥条件下片烟干燥动力学行为，且预测准确快速。对于烟草企业而言，获得片烟在综合干燥条件下的动力学模型较片烟在特定干燥条件下的动力学模型更具适用性。由于REA模型重在获取物料的干燥特性，其相对活化能与自由水之间的关系是由物料的自身干燥特性决定的，不受干燥温湿度条件的影响，因此它更加符合烟草企业的需求。

(6)发明人创造性地发现，对于不同品种的烟草，只要确定该烟草的平衡含水率，结合本发明的函数关系，就可以预测烟草在滚筒干燥过程中的干燥时间或含水率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1一个实施例的滚筒干燥实验设备的示意图，

附图标记说明：1鼓风机；2空气质量流量计；3蒸汽发生器；4蒸汽流量计；5电控阀；6混合室；7混合室温度控制器；8混合气质量流量计；9进口气体温湿度计；10滚筒温度控制器；11红外温度传感器；12取样装置；13滚筒；14出口气体温湿度计；15排潮装置；

图2工业滚筒与实施例的滚筒的示意图；

图3滚筒干燥实验设备的局部示意图；

附图标记说明：滚筒13；孔131；滚筒旋转轴线132；取样装置12；样品槽121；

图4上部烟的含水率X随干燥时间t的变化；

图5下部烟的含水率X随干燥时间t的变化；

图6不同干燥温度下，上部烟的烟草温度随时间的变化趋势；

图7不同干燥温度下，下部烟的烟草温度随时间的变化趋势；

图8平衡含水率X_e与温度和相对湿度的关系；

图9上部烟的相对活化能E_v/E_v,e与自由水X-X_e的相关关系；

图10下部烟的相对活化能E_v/E_v,e与自由水X-X_e的相关关系；

图11统一化后的相对活化能与自由水的相关关系；

图12上部烟在105℃/RH0.024条件下干燥，实验值和模型预测值的对比；

图13下部烟在105℃/RH0.024条件下干燥，实验值和模型预测值的对比；

图14河南中部烟在105℃/RH0.024条件下干燥，实验值和模型预测值的对比；

图15上部烟在95℃和115℃干燥，相对湿度RH和平衡含水率X_e的预测结果；

图16上部烟在95℃/RH0.034/320s和115℃/RH0.017/250s干燥，含水率X的预测结果。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

1.1样品的准备

选用福建三明的上部烟和下部烟，将烟叶物料切丝后于恒温恒湿室平衡48h，调节至湿基含水率23％待用。这2种烟草样品具有相似的三维尺寸：平均长度2cm，平均宽度0.1cm，平均厚度0.018cm。

烟草样品的表面积A可以由下式计算得到：

式中m(kg)是烟丝的起始质量，不考虑烟丝在干燥过程中的收缩效应。本专利中烟丝的起始质量为2kg，A_s(m²)是单根烟丝的表面积，V_s(m³)是单根烟丝的体积，ρ_t(kg·m^-3)是烟丝的真密度。根据烟草样品的三维尺寸计算出单根烟丝的面积和体积分布是0.4756cm²和0.0036cm³。假设上部烟和下部烟的真密度为1.033g.cm^-3，通过计算可得烟草样品的表面积A为25.6m²。

1.2滚筒干燥实验设备

卷烟工业使用的工业滚筒干燥设备是一个长9.6m,直径1.9m的滚筒干燥器，而在烟草的工业干燥过程中，只可以检测到滚筒进口和出口的烟丝温度以及含水率，对于烟丝在滚筒内部所经历的物理化学变化确无法取样测定。

为了建立烟草在滚筒中干燥时烟草含水率与干燥时间的函数关系，本实施例采用如图1所示的滚筒干燥实验设备。该设备包括：(1)鼓风机；(2)空气质量流量计；(3)蒸汽发生器；(4)蒸汽流量计；(5)电控阀；(6)混合室；(7)混合室温度控制器；(8)混合气质量流量计；(9)进口气体温湿度计；(10)滚筒温度控制器；(11)红外温度传感器；(12)取样装置；(13)滚筒；(14)出口气体温湿度计；(15)排潮装置；用于使滚筒旋转的滚筒电机。

其中，鼓风机1用于向混合室6输入空气。空气质量流量计2用于检测输入到混合室6中的空气的量。蒸汽发生器3用于向混合室6输入蒸汽。蒸汽流量计4用于检测蒸汽发生器3输入到混合室6中的蒸汽的量。电控阀5用于控制蒸汽发生器3向混合室6中输入蒸汽的量。混合室6为空气和蒸汽提供混合的空间。混合室温度控制器7用于控制混合室6的温度。混合室6能够向滚筒13输入干燥气体。混合气质量流量计8用于控制混合室6输入到滚筒13的气体的流量。滚筒13上设置有进气口和出气口。进口气体温湿度计9用于测量滚筒进口处气体的温湿度。出口气体温湿度计14用于测量滚筒出口气体的温湿度。滚筒温度控制器10用于控制滚筒内的温度。排潮装置15用于排除滚筒排除气体的潮气。

图3示出图1的滚筒干燥实验设备的局部示意图。如图3所示，滚筒13上设置有孔131，孔131位于滚筒13的旋转轴线132上，采样装置12能够通过孔131进出滚筒13的筒腔。采样装置12进出筒腔时的移动路径与滚筒的旋转轴线132重合。采样装置12上设置有开放的样品槽121，且采样装置12被设置成能够绕滚筒13的旋转轴线132翻转。

图2为工业滚筒和实施例的滚筒示意图。如图2所示，工业滚筒的长度约9.6m，直径约1.9m，只能检测烟草在入口和出口处的理化参数，不能知晓烟草在滚筒中的具体干燥行为。实施例使用的滚筒的直径为1.9m，长度为1m，从而使烟丝在滚筒内部的运动状态与实际接近，而且便于取样。

1.3烟草滚筒干燥实验

如图3所示，实验开始时，首先接通设备各处电源，启动鼓风机1和滚筒电机。通过混合室温度控制器7和滚筒温度控制器10设定干燥温度。实施例1仅向滚筒中通入干燥气体，而不通入蒸汽。本领域技术人员可以根据工艺需要向滚筒中通入蒸汽，调整干燥气体与蒸汽的比例，同样属于本发明的技术方案范围。实施例1的具体实验参数如下表1所示。

当整个***达到设定值并稳定一段时间后(30min)，烟丝样品由取样装置12一次性均匀加入到滚筒13内部。具体地，取样装置12的样品槽朝上，盛放烟丝样品，然后将取样装置12通过滚筒13上的孔131伸入滚筒内，翻转取样装置12，使烟草落入到滚筒中，同时开始计时。在预先设定的时间点(30、60、90、120、150、180、210、240、300、360、420、480、600、720、840、960、1080、1200、1500和1800秒)，将取样装置12通过滚筒上的孔伸入伸入滚筒内，样品槽121朝上，保持5秒，使得若干烟草样品落在样品槽121中。然后，将取样装置12及其采集的烟草样品从滚筒中迅速取出，并采用红外温度传感器测定取出的烟草样品的温度，将它作为烟草温度T_t。随后再从取样装置12的取样槽中取10g烟草样品用于测量含水率X，将取样装置中剩余的烟草样品再送回到滚筒中。采用烘箱法测定物料的平均含水率X。接下来，对不同预设时间点的物料平均温度及含水率进行测量。每个条件下的实验重复3次。

表1实验条件的参数

1.4烟草干燥动力学模型：REA模型

发明人出人意料地发现，REA模型用于评价烟草干燥行为，预测结果特别准确。

REA(Reaction Engineering Approach)模型是利用化学反应工程的原理来模拟干燥动力学，它认为干燥过程是一个水分的蒸发和冷凝共同竞争的过程，因此对于烟草的干燥过程，其干燥速率可以由以下方程来描述：

式中：

m_w(kg)和m_t(kg)分别是水和烟草的质量；

T_t为烟草温度(在本实施例中红外温度传感器检测的烟草表面温度)；

X(kg·kg^-1)是烟草的含水率，

h_m(m·s^-1)是传质系数；

A(m²)是烟草的表面积；

(kg·m^-3)是烟草-干燥气体界面上的饱和蒸汽浓度；

ρ_v,b(kg·m^-3)是干燥温度T_b下的蒸汽浓度

ΔE_v(J·mol^-1)是表观活化能。

REA模型假设在不同的干燥条件下，相对活化能与自由水(X-X_e)之间的关系是一致的，因此当烟草在任意条件下干燥时，相对活化能和自由水(X-X_e)的关系如下：

平衡活化能(ΔE_v,e)可以由相对湿度RH＝ρ_v/ρ_v,sat(T)和干燥温度(T_b)计算得到。

X_e是平衡含水率，可以由干燥气体的温度和相对湿度计算得到，采用Henderson方程进行计算:

RH和P_s由Antoine方程计算：

式中：H是绝对湿度，Ps(MPa)是该温度下的饱和蒸气压，C和D为方程参数，可根据实验数据非线性拟合得到。

根据1.3部分表1的压缩空气的温度和相对湿度(28℃/0.77)，可以根据压缩空气的温度先根据方程(7)算出Ps＝0.003781，然后根据方程(6)，算出绝对湿度H＝0.018342，之后不同的温度下下的相对湿度，再根据方程(5)和(6)计算。

根据方程(1)和(4)，方程(3)可变化为:

其中dX/dt可以从烟草干燥实验中获得，ρ_v,sat(Tt)和ρ_v,sat(Tb)可由方程(9)及烟草温度(T_t)和干燥气体温度(T_b)计算得到。饱和水蒸气浓度可由下式表示:

考虑到烟草自身的异型结构特性，本实施例通过实验的方法取估计传热和传质系数。再根据无因次参数：Re，Nu，Pr和Sc，建立传热和传质系数的相关关系。本实施例的传热系数(h)通过如下的热量平衡方程计算得到:

式中：dT_t/dt通过实验获得，ΔH_w(J·kg^-1)为水气化潜热，C_p,w和C_p,t(J·kg^-1·K^-1)分别是水和烟草的比热容。

C_p,t＝1450+2724X (14)

传质***h_m可由以下方程计算得到:

水蒸气扩散率：

干燥气体的比热容：

干燥气体的密度：

干燥气体的导热系数：

干燥气体的粘度：

式中：C_p,b(J·kg^-1·K^-1)是干燥气体的比热容，Pr是Prandtl数，Sc是Schmidt数，k_b(W·m^-1·K^-1)是干燥气体导热系数，D_v(m²·s^-1)是干燥气体的扩散系数，ρ_b(kg·m^-3)andμ_b(kg·s^-1·m^-1)分别是干燥气体的密度和粘度。

通过以上方程，相对活化能(ΔE/ΔE_e)可以通过实验数据计算得到，之后通过一元三次方程拟合得到相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系。由于REA模型强调的是物料的干燥特性，不同的物料，其相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系是不同的，因此此关系可以称为物料的REA特征指纹信息。

1.6实施结果

1.6.1烟草含水率和烟草温度随时间的变化关系

图4～7示出了不同干燥条件下烟草含水率和烟草温度随干燥时间的变化。图4、5分别示出不同干燥温度T_b下(65℃、85℃、105℃、125℃、145℃)，上部烟和下部烟烟草含水率X随干燥时间的变化。图6、7分别示出不同干燥温度T_b下(65℃、85℃、105℃、125℃、145℃)，上部烟、下部烟的烟草温度T_t随时间的变化趋势。从图4、5可以看出，干燥温度对烟丝的干燥速率具有明显影响，干燥温度越高，干燥速率越快，最终达到稳定状态。从图6、7可以看出，在干燥初始阶段，烟草的温度较低，低于同样条件下的烟草的湿球温度，干燥气体提供给烟草的热量大于烟草中水分蒸发所需的能量，烟草的温度逐渐上升；当烟草温度上升至湿球温度时，干燥气体提供给烟草的热量等于烟草中水分蒸发所需的能量，烟草温度会在湿球温度停留一段时间：随着干燥的进行，烟草中水分蒸发越来越困难，干燥气体提供给烟草的热量大于烟草中水分蒸发所需的能量，烟草的温度开始迅速上升，当烟草被干燥至平衡含水率时，烟草温度上升至干燥气体的温度。

1.6.2烟草平衡含水率X_e的计算结果

从图4～7可以看出，不同干燥温度下烟草达到平衡含水率的时间均在1200-1800s，这是由于同一作物相同的土壤类型，施肥量和环境条件。但由于不同光照强度和采收时间，上部和下部烟表现出不同的X_e数值。根据方程(5)-(7)，上部和下部烟的X_e与温湿度的拟合相关关系如图8所示，拟合度分别为0.9988和0.9998。通过拟合，方程(5)中的参数C和D结果如下表2所示。由于参数C受指数影响非常敏感，所以上部烟和下部烟的参数C值差异较大。

表2参数C和D的计算结果

1.6.3传热系数和传质系数的确定

利用实验数据，并根据方程(11)可以得到每个时刻的传热系数h_T,t，之后将所有时刻的传热系数求平均值，得到不同干燥条件下的平均化h_T,ave。根据方程(15.1)计算对应干燥条件下的传质系数h_mT、，计算结果下表3。从表3的结果可以看出，传热系数和传质系数受干燥条件的影响很小，因此对，进一步上部烟和下部烟的h_T,ave和h_mT分别求平均值。进一步，对上部烟和下部烟的值求平均值，得到所有干燥条件下总体的传热系数h和传质系数h_m。

表3传热和传质系数的计算结果

发明人发现，热处理条件和烟草种类对传热系数h和传质系数h_m的影响不明显。发明人创造性地使用h＝2.0W·m^-2·K^-1和h_m＝0.0024m·s^-1作为烟草的传热系数和传质系数，用于建立REA模型，预测结果十分准确。

1.6.4建立相对活化能与含水率的相关关系(建立烟草在滚筒中干燥时烟草含水率X与干燥时间t的函数关系)

下面以上部烟在T_b＝105℃条件下滚筒干燥的实验进行赋值举例。

根据方程(8)，烟草在不同干燥条件下的相对活化能可以由干燥曲线计算得到，例如

(1)根据实验可以得到在各个时刻的烟丝温度T_t，含水率X，以及含水率变化率dX/dt，如下表4所示。干燥温度T_b为设定温度105℃，烟丝质量mt为1.55kg，传质系数h_m为0.0024m·s^-1，烟丝表面积A为25.6m²，平衡含水率X_e＝0.027。根据方程(9.1)可计算对应烟丝温度下的饱和水蒸气浓度ρ_v,sat(Tt)，根据方程(9.2)计算对应干燥温度下的饱和水蒸气浓度ρ_v,sat(Tb)＝0.688kg.m^-3，根据方程(10)计算对应干燥温度条件下的水蒸气浓度ρ_v,b＝0.0165kg.m^-3。将所有数据代入方程(8)可计算得到各个时刻的相对活化能ΔE_v/ΔE_v,e，如下表4所示。

表4

图9～11展示了相对活化能(ΔE_v/ΔE_v,e)与自由水(X-X_e)的关系曲线。图9为上部烟的相对活化能与自由水的相关关系；图10为下部烟的相对活化能与自由水的相关关系；图11为上部烟和下部烟的数据统一化后的相对活化能与自由水的相关关系。

在干燥的初始阶段，相对活化能较低，烟草中的自由水较多，随着干燥的继续，水分不断蒸发，烟草中的水分减少至平衡含水率，此时的相对活化能为1，说明干燥已达到平衡，不再继续干燥。从图9～11中可以看出，在不同的干燥条件下，相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系曲线基本重合，说明相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系受干燥条件的影响可以忽略。利用一元三次方程进行拟合，结果如下：

上部烟(R²＝0.9599)：

下部烟(R²＝0.9456)：

由于在卷烟的实际生成中，需要将不同部位的烟丝混合后在相同干燥条件下进行干燥，因此本专利试图建立一个统一的相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系。将上部烟和下部烟的数据同时进行拟合，见图11，拟合后的方程见方程(25)：

统一化处理后相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系(R²＝0.9501)：

1.6.5模型的拟合结果与实验值进行对比

通过以下步骤，将烟草干燥参数导入REA模型，利用REA模型对烟草的干燥特性曲线进行拟合：

(1)烟草的起始质量和含水率以及干燥的温湿度条件，都与实验条件一致赋值；

(2)根据实验数据计算得到相对活化能与(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的一元三次方程；

(3)根据方程(1)计算干燥速率dX/dt，根据方程(11)计算温度变化率dT_t/dt；

(4)下一时刻烟草的质量根据起始烟草质量以及计算得到的干燥速率求得；

(5)根据步骤(4)可以计算下一时刻烟草的含水率和温度，然后重复(2)～(5)步骤，得到干燥全过程的烟草含水率和温度随时间的变化值。

赋值举例，以上部烟105℃干燥为例：

(1)初始含水率X为0.29，烟丝温度T_t为28℃，干燥温度T_b为105℃，根据方程(5)～(6)得到此时对应的相对湿度RH为0.024，平衡含水率X_e为0.027，则X-Xe＝0.29-0.027＝0.263；

(2)根据方程(25)算出初始的(ΔE_v/ΔE_v,e)＝0.06855，根据方程(4)计算出ΔE_e＝11726.0J.mol^-1，则此时的ΔE_v＝0.06855×11726.0＝803.8J.mol^-1。

(3)根据方程(9.1)和(9.2)可分别计算对应温度下ρ_v,sat(Tt)和ρ_v,sat(Tb)，值分别为0.027kg.m^-3和0.688kg.m^-3，则ρ_v,b可根据方程(10)计算得到ρ_v,b＝0.688×0.024＝0.0165kg.m^-3。传质系数h_m为0.0024m·s^-1，烟丝表面积A为25.6m²。将所有数据代入方程(1)，计算得到dX/dt＝-0.00013s^-1；传热系数h为2.0W·m^-2·K^-1，起始烟丝的质量m_t为1.55kg，起始水分的质量m_w为0.45kg。水的汽化潜热ΔH_w由方程(12)计算得到，值为-2365.27KJ·kg^-1。水和烟草的比热容由方程(13)和(14)计算得到，值分别为C_p,w＝4190.58J·kg^-1·K^-1和C_p,t＝2240J·kg^-1·K^-1。将所有数据代入方程(11)，计算得到dT_t/dt＝0.648K.s^-1。

(4)以10s为一个计算周期，下一时刻10s的含水率X＝0.29+10×dX/dt＝0.289，烟丝温度T_t＝28+10×dT_t/dt＝34.48℃，根据步骤(4)得到10s时的含水率和烟草温度。

(5)重复(2)～(4)步骤，得到干燥全过程的烟草含水率和温度随时间的变化值，见下表5所示。

对REA模型所预测的干燥速率与烟丝温度与实验值进行对比。图12和13分别展示了上部烟在105℃/RH0.024干燥条件下以及下部烟在85℃/RH0.050干燥条件下的REA模型与实验测量结果的对比图。从图中可以看出，在不同实验条件下对于不同的烟草，REA模型均能准确预测烟草的干基水分含量和温度随干燥时间的变化趋势；烟草的干基水分含量和温度的预测值与实验测量值非常接近。

在REA模型中，把相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系认为是不同干燥物质的指纹图谱，由于不同的干燥物质的物理化学结构的差异，其表现出来的相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系也不同。虽然上部烟和下部烟可以得到各自的相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系，但是统一化后的相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系也可以对上部烟和下部烟的干燥行为进行模拟，且模拟效果较好，这说明上部烟和下部烟都属于烟草，它们之间总体的干燥特性差别不大，而主要决定上部烟和下部烟干燥特性的是它们之间的不同的平衡含水率。为了验证这个推论，用统一化后的相对活化能(ΔE/ΔE_e)与自由水(X-X_e)的关系，即方程(25)，对河南中部烟在105℃/RH0.024的干燥行为进行模拟，此时的平衡含水率X_e是0.031，图14示出河南中部烟在105℃/RH0.024条件下干燥实验值和REA预测值的对比结果图，从图中可以看出，预测结果与实验结果基本符合。因此，发明人创造性地发现，只要确定混合后烟丝在对于温湿度条件下的平衡含水率，根据方程(25)就可以预测混合后烟丝的干燥行为。

2.4.5模型的实际应用

在一个具体实施例中，预测烟草干燥至特定含水率所需时间。

在烟草工业干燥过程中，需要将烟草水分从22.5±0.1％脱除至12.0±1.0％。可见，在不同干燥条件下监测及控制出***水率稳定是至关重要的。为此，利用上述建立的REA模型预测上部烟烟草在95℃and115℃下干燥至12.0％时所需的时间。通过方程(4)-(6)算烟草在95℃and115℃下的相对湿度和X_e，结果如图15所示。图16为上部烟在95℃/RH0.034/320s和115℃/RH0.017/250s干燥下含水率的预测结果。图16从图16可以看出，上部烟烟草在95℃/RH0.034and 115℃/RH0.017条件下干燥至含水率12％时需要的时间分别是320和250s。

实验检测：分别在95℃/RH0.034and 115℃/RH0.017条件下在干燥实验，并在320和250s取样测得含水率分别为12.3％和11.8％，与预测值的相对偏差为2.5％和1.7％，符合工艺指标要求。由此可知，本发明建立的烟草含水率与干燥时间的函数关系很准确。

以上实施例中所使用的参数计算方程如下：

干燥气体：

干燥气体比热容C_p,b(J·kg^-1·K^-1)，

干燥气体密度ρ_b(kg·m^-3)，

干燥气体粘度μ_b(kg·s^-1·m^-1)，

干燥气体导热系数k_b(W·m^-1·K^-1)，

水蒸气：

水蒸气扩散率D_v(m²·s^-1)，

烟草-干燥气体界面上的饱和蒸汽浓度(kg·m^-3)，

水：

水的汽化潜热ΔH_w(J·kg^-1)，

水的比热容C_p,w(J·kg^-1·K^-1)，

烟丝：

烟丝的比热容C_p,t(J·kg^-1·K^-1),

C_p,t＝1450+2724X

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种滚筒干燥实验设备，包括：

采样装置，所述采样装置能够通过所述孔进出滚筒的筒腔。

2.根据权利要求1所述的滚筒干燥实验设备，所述采样装置进出筒腔时的移动路径与滚筒的旋转轴线重合。

3.根据权利要求1所述的滚筒干燥实验设备，所述采样装置上设置有开放的样品槽。

4.根据权利要求3所述的滚筒干燥实验设备，所述采样装置被设置成能够绕滚筒的旋转轴线翻转。

5.根据权利要求1所述的滚筒干燥实验设备，还包括：

6.根据权利要求1所述的滚筒干燥实验设备，滚筒的长度为0.5～2m，直径为1～3m。

7.一种建立烟草在滚筒中干燥时烟草含水率X与干燥时间t的函数关系的方法，包括：

c)在使用权利要求1～6的滚筒干燥实验设备干燥烟草的过程中，在不同干燥温度T_b下，在不同干燥时间t，用采样装置采集滚筒中的烟草样品，并分别检测各烟草样品的以下参数：烟草干基重量m_t、烟草含水量m_w和烟草温度T_t；

d)根据步骤a)的参数，建立烟草干燥的REA模型，并根据REA模型确定烟草含水率X与干燥时间t的函数关系。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：用采样装置将检测后的烟草样品放置回滚筒筒腔中。

9.根据权利要求7所述的方法，步骤b)还包括：

-计算烟草含水率X，

-计算烟草含水率随时间变化率

-计算烟草温度随时间变化率

10.根据权利要求7所述的方法，步骤b)还包括：根据在干燥过程中干燥气体向烟草传递的热量等于烟草升温的吸热量与烟草水分气化吸热量之和来计算以下参数：烟草-干燥气体界面的传热系数h。

11.根据权利要求10所述的方法，步骤b)还包括基于以下等式计算干燥温度T_b下干燥时间t的烟草-干燥气体界面的传热系数h_T,t：

<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>t</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dT</mi> <mi>t</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>&Delta;H</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>m</mi> <mi>t</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>X</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

其中，

A为烟草的比表面积；

C_p,w为水的比热容；

C_p,t为烟草的比热容；

ΔH_w为水气化潜热。

12.根据权利要求11所述的方法，通过以下步骤计算烟草-干燥气体界面的传热系数h：

-在一个干燥温度T_b下，对不同干燥时间t＝t₁、t₂、t₃…t_n取样检测，

求解不同干燥时间对应的烟草传热系数求平均值，得

13.根据权利要求12所述的方法，通过以下等式计算烟草-干燥气体界面的蒸汽的传质系数h_m：

<mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> </msubsup> <mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mi>b</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>D</mi> <mi>v</mi> </msub> <msub> <mi>&rho;</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>k</mi> <mi>b</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>/</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msup> <mo>;</mo> </mrow>

D_v为干燥气体的扩散率；

k_b为干燥气体的导热系数；

ρ_b为干燥气体的密度。

14.根据权利要求7～13任一项所述的方法，所述REA模型包括和(X-X_e)的函数关系，即

其中，

<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&Delta;E</mi> <mi>v</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&Delta;E</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mo>,</mo> <mi>e</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>t</mi> </msub> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>t</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>X</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>h</mi> <mi>m</mi> </msub> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>&rho;</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>&rho;</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>b</mi> </msub> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>&rho;</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mo>,</mo> <mi>b</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&rho;</mi> <mrow> <mi>v</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

为干燥温度T_b下的饱和蒸汽浓度；

为烟草维度T_t下的饱和蒸汽浓度；

ρ_v,为干燥温度T_b下的蒸汽浓度；

A为烟草的比表面积；

h_m为烟草-干燥气体界面的蒸汽的传质系数；

X_e为平衡含水率。

15.一种预测烟草在工业滚筒中干燥时含水率值X与干燥时间t的对应关系的方法，包括：

1)检测烟草的以下参数：初始烟草干基重量m_t0、烟草含水量m_w0、烟草温度T_t0，并计算烟草含水率设定滚筒干燥温度T_t；

2)将m_t0、m_w0、T_t0、X₀、T_t代入到根据权利要求7～14任一项所述的方法建立的函数关系中，计算获得烟草含水率随时间变化率

3)根据下式计算获得烟草温度随时间变化率

<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dT</mi> <mi>t</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>h</mi> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&Delta;H</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>m</mi> <mi>t</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>X</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>t</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>X</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>X</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dX</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>dT</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

优选地，Δt≤60s；

6)重复步骤2)～5)，获得含水率值X与干燥时间t的对应关系。

16.一种预测烟草在工业滚筒中干燥时含水率值X与干燥时间t的对应关系的方法，包括：

3)根据下式计算获得烟草温度随时间变化率

优选地，Δt≤60s；

6)重复步骤2)～5)，获得含水率值X与干燥时间t的对应关系。

为干燥温度T_b下的饱和蒸汽浓度；

为烟草维度T_t下的饱和蒸汽浓度；

ρ_v,b为干燥温度T_b下的蒸汽浓度；

A为烟草的比表面积；

h_m为烟草-干燥气体界面的蒸汽的传质系数；

X_e为平衡含水率。