《叶丝滚筒干燥设备 工艺性能测试规程实验报告》

叶丝滚筒干燥设备工艺性能测试规程技术报告1项目背景1.1目的意义滚筒烘丝机是烟草行业传统的烟丝干燥设备，在行业内被广泛使用，现阶段我国所用滚筒烘丝机主体是具有一定倾斜角度并能旋转的圆筒体，切后烟丝由其一端加入，经过滚筒内部时，与通过筒内的热风，加热壁面及抄板的有效接触而被干燥。滚筒式烘丝机以蒸汽为加热源，通过筒壁传导、热风强制对流传热方式，使烟丝被加热后烘干，除尘排潮系统则把蒸发的水分和灰尘从筒体内快速排出。滚筒式烘丝机按滚筒内腔的具体结构不同，可分为薄板式（如SH6型、KLK、KLK－G烘丝机）、管板式（如ITM烘丝机）、半圆管式（如环形烘丝机）、厚板式（意大利COMAS公司的烘丝机）。滚筒烘丝机具有如下特点：（1）结构简单，操作方便；（2）故障少，维修费用低；（3）加工烟丝的稳定性、适应性和均匀性较好；（4）清扫容易;(5)烟丝在滚筒内停留时间较长。叶丝滚筒干燥设备是卷烟制丝过程的关键主机之一，对提升卷烟产品感官质量、发挥烟叶原料潜质、提高制丝加工质量和生产效率等有直接影响。因此，国内外将叶丝干燥技术视为卷烟加工的关键技术之一进行研究。近年来，随着特色工艺技术的应用、现代卷烟制造工厂的实施，以及中式卷烟品牌专用制丝生产线的建设和品牌的多点生产，设备工艺性能的测试研究是目前行业众多卷烟企业关注的热点。（1）工艺深化研究与质量控制的需要随着工艺技术研究水平的提高，以及卷烟企业技术装备水平的提高，尤其是设备检测与自动化水平的提高，为工艺研究与分析提供了支持，工艺研究与分析水平也提出了更高的要求，如何利用目前的先进设备与检测仪器，更加深入研究工艺加工过程和设备是工艺深化研究的重点，而设备工艺性能能够从“三传一反”等角度深化工艺加工过程的分析与研究。（2）品牌多点加工生产转化的需要品牌多点加工生产是行业卷烟企业卷烟生产的重要方面，在品牌输出过程中，如何采用不同或相同的设备生产出品质较为一致的卷烟是重要研究课题，清楚卷烟生产过程中的工艺性能能够为品牌的转化生产提供相关的方法支持。（3）设备优化与创新的需要中式卷烟品牌专用制丝生产线的建设对设备的优化和创新提出了更高的要求，如何进行优化和创新，其基础是要清楚设备和加工过程的相关工艺性能。但是，行业的相关标准、规范和测试方法，主要是侧重于设备性能、工艺加工质量和加工过程要求等方面，而对反映过程工艺性能的测试分析没有建立相关的标准方法。本标准项目以叶丝滚筒干燥设备的工艺性能测试为重点，研究分析并建立叶丝滚筒干燥设备工艺性能的测试指标和相关测试分析方法，为设备生产应用、研究分析和优化改进提供测试方法和指导。1.2国内外研究进展根据文献检索和调研，本部分将按滚筒干燥技术研究、叶丝滚筒干燥研究和滚筒类设备工艺性能测试三个方面对相关研究成果进行简要综述。1.2.1滚筒干燥技术研究滚筒干燥技术的研究主要包括滚筒中物料输送与运动过程、物料在滚筒中的传质传热两方面。（1）滚筒内物料输送与运动研究由于物料在转筒干燥机内的运动情况与转筒干燥机的干燥效率有很大关系，所以研究较多，但主要集中于物料在滚筒内的滞留时间研究和抄板结构研究方面。滞留时间研究较早，结果大多为经验模型。如Vankerebs，Haftizer(1949)模型，Fridman(1949)模型[1]，Seaman,Mitchell(1954)模型[2]，Glikin(1978)模型[3]，Thorne（1980）模型[4]，MиXAиЛOB（1986）模型，吴培龙（1988）模型[5]，F.Y.Wang(1993)模型[6]等。关于抄板结构影响物料运动方面的研究比滞留时间的研究稍晚一点。近年来人们关于抄板的研究逐渐深入。Glikin(1978)[3]首先提出扬板容积的计算式，它们只适用于折弯型抄板；Bake(1983)提出抄板可设计成多种形式，在转筒干燥机的设计中，为了适应所干燥的物料，抄板的形状和尺寸是非常重要的。PettyandChilton指出大多数转筒干燥机内的扬板数目应在6.6D到9.8D之间，D是以米为单位的转筒直径，这个实验公式在实践中得到广泛应用。Beker（1988）[7]和Kelly（1992）[8]对抄板的结构设计进行了理论研究。刘培坤(1998)等[9]提出固体颗粒在倾斜回转圆筒内的径向、沿弦长（斜面）方向及轴向粒度分布规律，并得出混合粒径固体颗粒在倾斜回转圆筒内发生径向偏析和轴向偏析的结论。杨岗(2000)[10]从颗粒在内置抄板转筒内的运动规律入手，利用理论分析与实验相结合的方法，分析了几种抄板的料幕均匀度特性，得出了它们的料幕均匀度与转筒转速的关系；分析了几种组合抄板对料幕特性的影响。M.E.Sheehan(2005)[11]研究了在不同情况下物料从转筒内抄板上撒落时的运动状态，并得出了相应的物料运动模型，并用计算机进行模拟。通过以上文献调研我们可以发现，传统的研究往往局限于经验、半经验公式或单个粒子的运动行为，直到九十年代才有学者对颗粒的整体运动进行严格的数学分析，用不同与传统的方法分析了颗粒的轴向运动速度、停留时间和物料在抄板上分布的容积量等多方面问题。（2）物料传热传质研究早期关于转筒干燥机内物料传热传质的研究主要是利用一些经验或半经验公式进行计算。Friedman(1949)[11，12]较早研究了转筒干燥机的填充率、物料分布和传热规律，在考虑了热损失的情况下，实验研究了传热和干燥过程，认为以传热的结果可以直接预测传质过程。Myklested(1963)[13]假设气体的温度和物料温度存在线性关系，物料的含水率是物料距转筒入口的函数，并对于其干燥模型在物料恒速阶段干燥进行了实验验证，实验值与预测值比较吻合。Sharples（1964）[14]和Thorne（1977）[15]分别建立了转筒干燥机的数学模型，并利用计算机对转筒干燥机干燥过程进行了初步数值模拟。；Nonhelbel和Mass（1971）[16]根据前人的研究工作，确定了体积传热系数，用质量平衡和能量平衡，把转筒干燥机分为三段：预热段、恒速干燥段和降速段，给出了一般转筒干燥机的设计步骤，用于确定转筒干燥机的操作参数。八十年代中期，随着研究的进一步深入和计算机技术的发展，人们开始建立转筒干燥机内物料干燥的简单数学模型，并利用计算机进行初步模拟。Kamke等(1986)[17，18]研究了转筒干燥机干燥木屑时,物料滞留时间及传热传质，并对干燥过程进行了模拟，建立了质量平衡方程、能量平衡方程、气体给物料传热方程和物料干燥速率方程，对转筒干燥机干燥木屑进行了模拟研究。Kamke和Wilson根据物料的撒落单元对转筒进行单元划分，在每一单元内，用计算机数值求解以上四个方程，得出每一单元物料出口温度和含水率，气体出口温度和含水率；对整体的干燥过程进行了模拟和实验研究。九十年代以后，计算机技术得到迅速发展，为复杂数学模型的求解提供了可能。这一时期人们对滚筒内物料的干燥过程有了更为深刻的认识，根据不同的转筒干燥机和不同的物料建立起了许多物料传热传质细化模型。国内关于转筒干燥机干燥过程传热传质的模拟也取得了很多成果，并针对一些物料开发出了相应的计算软件。国内的一些学者开始利用计算机对粮食的干燥过程进行研究，曹崇文(1994)[19，20]，张建东（1994）[21]，陈存社(1996)[22]和黄志刚(2004)[23]等分别对混流干燥机，顺流多级干燥机，热风顺流干燥机干燥小麦、玉米、谷物的过程进行了研究，建立了相应的干燥模型，并用计算机对干燥过程进行了数值模拟。J.R.Pkez-Correa等（1998）[24]通过模拟转筒内物料的运动情况和传热传质过程，建立了物料在转筒干燥机内的动力学模型用于转筒干燥的生产控制过程；A.H.Pelegrina等（1998）[25]利用建立数学模型和计算机模拟的方法，设计出一种半连续的多段式转筒烘干机，用于对蔬菜进行干燥。EdgardoR.Canales等（2000）[26]对鱼饵在复合加热式干燥机中的干燥过程进行了研究，把物料的干燥过程划分为升温段和恒速干燥段，分别建立干燥的数学模型，并利用计算机模拟了整个干燥过程。HelgeDidriksen（2002）[27]根据转筒干燥机内的质量、能量、动量守恒建立了转筒干燥机内物料干燥模型，通过计算机模拟用于物料干燥过程的预测和控制；A.Iguaz（2003）[28]对转筒干燥机划分单元建立干燥数学模型，并对批量干燥蔬菜过程进行了计算机模拟；通过文献调研可以发现，转筒干燥机数学模拟的研究通常是建立数学模型，并对模型进行计算机模拟，以期实现对转筒干燥机内部物料传热传质过程状态的预测。同时转筒干燥机内物料的干燥研究主要集中在单一干燥方式（热风干燥）上，且所研究物料形状多为球体或椭球体颗粒。1.2.2叶丝滚筒干燥研究叶丝滚筒干燥技术的研究主要集中在烘后烟丝质量与各工艺参数的关系方面。（1）烟丝结构烟丝结构主要包括整丝率和碎丝率两个指标，烟丝柔韧性的好坏反映在卷制前后烟丝整丝率上，柔韧性好的烟丝抗破碎性能强，整丝率转换率高，即在卷制过程中，烟丝造碎小。反之，转换率低，烟丝造碎大。2001年，司丙喜等[29]通过对顺流式烘丝机试验研究发现，筒壁温度、热风温度和风速以及滚筒转速均影响烟丝物理性能和烟支含丝量。研究发现，筒壁温度不变条件下，热风温度提高，填充值增加，整丝率转换率基本不变，单支含丝量降低，在试验范围内提高热风温度，可提高填充值，而不影响烟丝的柔韧性。试验中发现当壁温超过170℃时，转换率下降幅度较大，说明高壁温条件下，虽然烟丝填充值高，但烟丝柔韧性差，容易出现造碎。随着转速的增加，烘后烟丝填充值有所下降，但整丝率转化率有较大提高。热风风速提高，填充值下降，转换率略有提高。对于二类卷烟，烘丝机最佳工艺参数选择热风温度120℃～130℃，风速0.5m/s，筒壁温度155℃～160℃，转速13rpm，此条件下烟丝物理性能使单支含丝量降到最低水平。（2）填充值烘丝过程可以提高烟丝填充值主要是利用水分蒸发，物体可塑性以及物体温差变形等三大基本原理[30]。在烟丝长度和宽度一定的条件下，烟丝填充值的提高可以有两方面的原因：一是烟丝细胞体积增大，二是烟丝卷曲度增加。烟丝细胞体积的增大主要靠增温增湿使烟丝吸水，细胞胀大，烟丝宽度增加。而烟丝卷曲度增加则是增温增湿和烘丝共同作用的结果。因此可以通过高温水湿膨胀，快速干燥来提高烟丝的卷曲度和填充值。1981年，Wochnowski[31]就不同烘丝方法（顺流、逆流）对烟丝填充能力的影响进行试验研究指出，在环境温度及喂丝含水率一定时，在逆流并且高湿（360g水/kg干空气）的条件下，其填充值较高。1998年，林平等[32]通过研究顺流式烘丝机发现，在保证卷烟内在质量前提下，提高烟丝烘丝温度和含水率可增加烟丝填充值；在烘后烟丝满足工艺要求的前提下适当降低热风温度和滚筒转速，提高筒壁温度，有利于烟丝填充值的增加。滚筒转速以9～11r/min，筒内风速以0.5m/s为宜。1998年，杨松波等[33]利用正交试验通过对顺流式烘丝机的热风温度、热风风速、筒壁温度、滚筒转速、排潮风门排气量和排潮风温6个工作参数的分析研究发现影响填充值的最显著因素为热风风速，其次是滚筒转速和热风温度。并得出四类卷烟最佳烘丝工艺参数，热风温度130℃，热风风速0.5m/s和滚筒转速9r/min。2003年，罗红兵等[34]通过研究发现，烟丝烘后填充值与烘丝热风流向，热风温度，热风风速，及烘丝机筒壁温度和转速有关，并呈现一定的规律。2002年，薛美盛等[35]利用正交优化方法通过对烘丝参数的试验研究发现，滚筒烘丝热风风速、热风温度、滚筒转速都对烟丝烘后填充值有影响，且热风温度大于热风风速的影响。2003年，熊安言等[36]通过对COMAS烘丝机工艺参数与烘丝质量的研究发现，在烘前叶丝含水率和温度一定的情况下，增加烘丝机筒壁温度并与适宜的热风温度及热风风速相配合，有利于提高叶丝质量和填充值。在其它条件一定的情况下，热风风速较低，叶丝的填充值较高，热风温度为0.5m/s左右时，叶丝质量较好。另外研究还发现，适当增大烘丝机流量也可以间接提高叶丝填充值。（3）化学成分烘丝前后烟丝的色、香、味都发生了一定程度的变化，从本质上讲，这些变化是烘丝过程当中烟丝内部发生的一系列变化所致。对于烘丝前后化学成分的变化研究，一般是从烟草的常规化学成分和致香成分分析以及感官评吸等方面进行的[37]。国内外对烟草干燥过程中常规化学成分的变化研究进行的较早。大量研究发现，随烘丝条件的增强（热风温度、热风量等），烟丝中的常规化学成分（总糖、总氮、植物碱、氨态氮等）呈下降的趋势，只是减少量有所不同;有的变化不明显（如蛋白质氮等）；也有呈上升趋势（如还原糖、有机酸等）。烘丝工艺参数的不同也会使烟丝化学成分产生不同的变化[38，39]。2002年，廖启斌等[40]通过对卷烟制丝过程烘丝前后香味成分的变化研究发现，烘丝处理后半挥发性碱性成分中吡啶类化合物总含量〈吡啶、2-乙酰吡啶、3-乙酰吡啶三者总和〉呈下降趋势，吡嗪类化合物含量变化较不明显。18种半挥发性成分中，2-甲基-四氢呋喃酮、异佛尔酮、二氢大马酮、大马酮、香叶丙酮、β-紫罗兰酮等6种酮类化合物，以及芳樟醇、香茅醇、肉桂醇和二氢猕猴桃内酯等十种成分的含量均略有降低。相比之下，烟丝经处理前后，半挥发性酸性成分的变化更为显著。从香味成分总含量变化趋势来看，经烘丝处理前后半挥发性碱性成分均呈现较明显的下降趋势；半挥发性中性成分中酮类化合物的总含量明显降低，而醇类总含量却呈增大趋势；半挥发性酸性成分变化最为显著，含量均大幅提高。赵明月等同时指出，通过对卷烟制丝过程烘丝前后样品的化学成分加以分析比较，可以获得该卷烟加工前后烟丝化学成分变化情况，为制丝过程中工艺参数的设计提供科学的理论依据。2003年，罗红兵等[34]通过试验发现随着烘丝温度的提高，焦油量及烟气烟碱量成下降趋势。2004年，于瑞国等[41]指出烟叶的产地、等级、部位的不同，造成了烟叶的吸食品质、化学组成和机械加工性能的差异。烟草行业多采用叶组配方的一次性配叶方式，配方中的叶组均采用一方式方法加工，在加工过程中容易造成低等级烟叶加工不到位和高等级烟叶品质的降低，所以需要针对产品的风格和原料的特性，对加工对象进行细分，对加工参数进行细化，设计不同的工艺加工路线。通过对烘丝工艺过程中的化学成分试验变化研究发现，烟草样品在烘丝过程中化学成分发生明显化，在薄板和HXD两种工艺中，HXD的变化程度要高于薄板烘丝，不同原料采用不同烘丝工艺处理时，化学成分的变化有其特异性，但总体的变化趋势是：还原糖、水溶性糖、挥发碱降低，烟碱、挥发酸、总酸、A/B升高。配方实验中，云南区域配方和高等级配方的化学成分的变化程度要高于河南区域和低等级配方。2004年王蕾等[42]通过对不同工艺处理的烟草中游离态氨基酸含量分析研究发现，生丝分别经薄板干燥和高温气流干燥后氨基酸的含量均呈不同程度的下降。其中以高温气流干燥处理的下降尤为明显；不同的氨基酸对工艺处理的敏感程度表现不一，变化较为显著的几种氨基酸为：天门冬氨酸、脯氨酸、赖氨酸、组氨酸、精氨酸；不同地区的烟丝经工艺处理后游离氨基酸的变化同样表现出不同的差异，薄板干燥处理后烟丝的氨基酸变化不明显，而高温气流干燥处理后烟丝的氨基酸则表现出特征性差异。另外发现云南烟丝经高温气流干燥处理，表现出较为明显的“热”不稳定性，提示我们在工艺处理时应采取分类处理。2004年赖伟玲等[43]进行了烟草制丝过程中游离氨基酸的变化研究，发现氨基酸数量多少和质量的高低会直接影响烟叶的内在品质，所以研究烟叶在不同加工处理过程中游离氨基酸的种类和数量多少及相对变化对于指导烟叶加工工艺，提高烟叶的内在品质都有着重要意义。游离氨基酸的变化与工艺参数密切相关，探索卷烟加工关键工序烟草游离氨基酸的变化规律，对提高卷烟产品的内在质量及其稳定性，合理控制卷烟制品中游离氨基酸的存在量具有重要意义。（4）感官质量烘丝过程中，烟丝受高温处理，部分游离的烟碱和氨类物质的挥发，烟气的刺激性会有减轻，同时还可以去除部分杂气，烟气的透发性增强。此外，高温的作用使糖、酚类物质与氨基酸化合生成棕色化反应产物，以改善吃味、减轻刺激性、去除杂气。由于挥发碱和产生杂气、刺激性物质的降低，使干燥后叶丝的总体质量得到提高，烟气变醇和，口干变好，香气更加纯正和显露。此外，在烘丝过程中，随着干燥脱水量的增加，虽然烟丝香气会有损失，但杂气的去除程度更大，相对来说突出了卷烟香气，从而达到改善卷烟内在香气的作用[44]。同样，不同的烘丝工艺参数对感官质量的影响是不同的。（5）参数控制与分析邓国栋[45]对滚筒烘丝中所涉及的运动、传质传热过程进行了分析，建立了滚筒烘丝过程的数学模型，并进行了求解和实验验证。陈河祥等[46]分析了传统滚筒烘丝机干燥去湿回路控制原理，并对传统单回路干燥控制方式对烟丝物理质量和内在感官质量的影响进行分析。提出调节筒壁温度或工艺气流量的双模式两回路干燥去湿控制方式替代筒壁温度的单回路干燥去湿控制方式，并可根据烟丝特性选择干燥去湿控制模式，以进一步改善烟丝物理特性及内在感官质量。1.2.3滚筒干燥设备工艺性能测试美国化学工程协会于1968年发布了关于连续滚筒干燥设备性能测试的标准[47]，该项标准从滚筒干燥设备传热传质平衡出发，通过测试干燥机各处的热风温度、湿度、风速及物料含水率、温度等，通过物料平衡、热量平衡计算，对滚筒干燥设备的工艺性能进行分析。印度能源署研究发布了针对热风干燥设备热效率测定的标准方法[48]。ISO发布了农业谷物干燥机干燥性能的测定方法标准[49，50]，而且还被等同采用为GBT21163。该项标准对干燥设备的产量、停留时间、进料含水率、蒸发脱水速率、耗电量、耗热量等指标的测试进行了相关规定。GBT6970-1986[51]和GB8876-1988[52]粮食干燥机的相关性能指标的试验方法进行了规定，该项标准的测试指标包括处理量、干燥周期、燃料消耗量、干燥不均匀度、热风温度湿度、风量风压、噪声、粉尘等。DB44T219-2005[53]标准对农产品干燥设备试验测试指标进行相关规定，并给出了相关的测试方法。该项标准的测试指标包括处理量、物料含水率、干燥不均匀度、单位失水量、干燥强度、单位耗热量等。1.3工艺性能指标确定《卷烟工艺规范》[54]和《卷烟工艺测试与分析大纲》[55]中对叶丝滚筒干燥工序加工质量要求和技术要点进行了规范和测试。YC/T66-1996[56]对SH11-18.SH111-112型管式、YC/T67-1996[57]对SH31.SH33.SH35型管板式、YC/T68-1996[58]对SH311.SH313型管板式环型、YC/T69-1996[59]对薄板式滚筒干燥设备的设备性能及其试验方法进行了规定。目前行业对叶丝滚筒干燥设备的工艺性能方面在试验研究和工艺分析中常有应用，但相关标准方法尚未建立。基于章节1.2对国内外滚筒干燥技术研究的综述和分析，以及实际工艺研究与分析的需要，项目确定将烟丝停留时间、滚筒填充率、干燥速度、干燥强度和设备热效率作为叶丝滚筒干燥设备的工艺性能指标，其测量项目主要包括烟丝、筒壁蒸汽、热风介质等方面的特性参数，如下图1所示。图1叶丝滚筒干燥设备工艺性能指标与测量参数2研究内容项目研究内容主要包括以下几方面：（1）测试方法分析与研究根据项目确定的工艺性能测试指标，重点研究分析叶丝滚筒干燥设备的测量项目与计算分析方法。（2）重复性试验测试分析按照初步确定的工艺性能测试方法，重点研究该方法的测试重复性，并对测试方法的实际操作性等进行分析。（3）工艺验证试验研究选择影响叶丝滚筒干燥过程有较大影响的工艺参数，调整不同的参数水平，采用项目的测试方法对各性能指标的变化及其适应性进行分析。（4）标准编制根据项目研究结果，编制《叶丝滚筒干燥设备工艺性能测试规程》。3技术路线项目技术路线如下图2所示。图2项目技术路线4材料方法4.1测试设备测试设备及其结构参数如下表1所示。表1测试设备及其结构参数设备型号：XXX生产能力：500kg/h制造厂家：XXX出厂日期：XXX序号名称符号单位计算公式或数据来源数值1滚筒内径Dm设备资料0.802滚筒长度Lm设备资料6.003抄板个数n/设备资料4.004抄板长度nLm设备资料5.405抄板高度nHm设备资料0.216滚筒体积Vm33.017散热面积Am222.644.2测试原料XXXX牌号配方叶丝。4.3测试工况试验测试的工况参数设置如下表2和表3所示。为了便于验证和比较，工艺验证试验以重复试验测试为基础上下各调整一个水平。表2测试工况设置（重复试验测试）序号名称单位设定值1热风流向/逆流2滚筒转速rpm103滚筒倾角°44烟丝流量kg/h5005筒壁压力bar0.56工艺热风温度℃1107工艺热风体积流量m3/h3008辅助热风温度℃1009辅助热风体积流量m3/h20010出口负压ubar-10表3测试工况设置（工艺验证试验）序号名称单位M1F1F2T1T2S1S2Q2Q1V1V21热风流向/顺逆逆逆逆逆逆逆逆逆逆2滚筒转速rpm1010101010101010108123滚筒倾角°444444444444烟丝流量kg/h5004003005005005005005005005005005筒壁压力bar0.50.50.50.56工艺热风温度℃110110110901221101101101101101107工艺热风体积流量m3/h3003003003003003003002004503003008辅助热风温度℃1001001001001001001001001001001009辅助热风体积流量m3/h20020020020020020020020020020020010出口负压ubar-10-10-10-10-10-10-10-10-10-10-104.4仪器仪表测试所用仪器仪表如下表4所示。表4测量仪器仪表序号类别检测项目仪表名称仪表型号精度离线/在线1烟丝特性烟丝流量电子秤昆船0.1kg/h在线2烟丝含水率//0.01%GB/T22838.83烟丝温度红外温度仪RaytexMT40.1℃离线4烟丝自然堆积密度天平MettlerPL40020.01g离线量筒1000mL/离线5滚筒持料量电子秤100Kg0.1kg离线6蒸汽特性蒸汽流量流量计Rosemont87320.01kg/h在线7蒸汽压力压力变送器Rosemont30510.001bar在线8蒸汽冷凝水温度热电偶RosemontWssp4110.1℃在线9介质特性介质温度温湿度仪Testo6450.1℃离线10介质相对湿度温湿度仪Testo6450.1%离线11介质流速风速仪Kanomax61620.01m/s离线4.5测试方法4.5.1测试方法与内容采用稳态法进行测试，即设备在稳定运行时（滚筒出口烟丝含水率标准偏差≦0.17%），测量干燥过程的相关参数与指标，根据系统物料平衡和热量平衡进行计算。测量项目如下：a)烟丝特性——烟丝流量；——滚筒入口、出口烟丝温度；——滚筒入口、出口烟丝含水率；——滚筒入口、出口烟丝自然堆积密度。——滚筒持料量。b)蒸汽特性——施加筒壁的蒸汽压力；——施加筒壁的蒸汽流量；——筒壁蒸汽冷凝水温度。c)介质特性——环境空气温度、相对湿度；——工艺热风温度、流量；——辅助热风温度、流量；——排潮热风温度、相对湿度和流量。4.5.2测试步骤（1）按表1或表2的设置值设定设备工艺参数。（2）启动设备。（3）系统工艺参数达设定值后，开始喂料。（4）设备稳定运行后，开始测试。——按表5测量相关工艺参数，并记录测试开始时间；——分别在滚筒进料端和出料端取样，用于烟丝含水率和自然堆积密度测试。表5参数检测记录表日期：时间：序号类别名称单位实测值平均值1231烟丝特性烟丝流量kg/h2滚筒入口烟丝含水率%3滚筒入口烟丝温度℃4滚筒出口烟丝含水率%5滚筒出口烟丝温度℃6滚筒入口烟丝自然堆积密度kg/m37滚筒出口烟丝自然堆积密度kg/m38滚筒持料量kg9转出烟丝含水率%10蒸汽特性筒壁蒸汽流量kg/h11筒壁蒸汽压力bar12冷凝水温度℃13介质特性环境空气温度℃14环境空气相对湿度%15工艺热风温度℃16工艺热风体积流量m3/h17辅助热风温度℃18辅助热风体积流量m3/h19排潮热风温度℃20排潮热风相对湿度%21排潮热风体积流量m3/h（5）待参数测试和取样完毕后，停止喂料，同时停止滚筒热力系统、传动系统和风力系统。（6）启动滚筒传动系统，将滚筒内转出的烟丝收集称重即为滚筒持料量，记录表5中。4.5.3测量方法烟丝特性（1）烟丝流量在滚筒进料端采用皮带秤测量，设备稳定运行后，记录烟丝流量，以3分钟为间隔，记录三次取其算术平均值。（2）烟丝含水率设备稳定运行后，分别在滚筒进料端、出料端取样，取样量为50g，按GB/T22838.8进行测量，以3分钟为间隔，测量三次取其算术平均值。（3）烟丝温度设备稳定运行后，分别在距离滚筒进料端和出料端用红外测温仪在距离烟丝100～300mm处测量烟丝温度，以3分钟为间隔，测量三次取其算术平均值。（4）烟丝自然堆积密度设备稳定运行后，分别在滚筒进料端、出料端取样，将取样的烟丝自然快速装入一定体积（1000mL量筒）的容器内，不得掐压，容器盛满为止，不考虑烟丝下陷和添加，称量容器内的烟丝质量，计算烟丝的自然堆积密度，以3分钟为间隔，测量三次取其算术平均值。（5）滚筒持料量采用滞留法进行测试，即设备在稳定运行时，停止喂料，同时停止滚筒传动系统、热力系统和风力系统。启动滚筒传动系统，将滚筒内转出的烟丝收集称重测定滚筒持料量。蒸汽特性（1）蒸汽压力在筒壁蒸汽入口端采用压力表或压力变送器测量，设备稳定运行后，记录蒸汽压力，以3分钟为间隔，记录三次取其算术平均值。（2）蒸汽流量在筒壁蒸汽入口端采用流量计测量，设备稳定运行后，记录蒸汽流量，以3分钟为间隔，记录三次取其算术平均值。（3）蒸汽冷凝水温度在筒壁蒸汽出口端采用温度表或温度传感器测量，设备稳定运行后，记录蒸汽冷凝水温度，以3分钟为间隔，记录三次取其算术平均值。介质特性（1）介质温度和湿度在系统进新风旁、滚筒工艺热风和辅助热风入口端、滚筒排潮端采用温湿度仪或温湿度传感器测量，设备稳定运行后，记录介质的温度和相对湿度，以3分钟为间隔，记录三次取其算术平均值。（2）介质流量在工艺热风管道、辅助热风和排潮管道上设置测风速孔，测风孔距离弯道1.5m以上，在管道同一截面上均匀设置5个测试点，测量其风速值，每点测定3次，计算风速平均值，再根据管道内径计算介质流量。以3分钟为间隔，测量三次取其算术平均值。4.5.4结果计算烟丝停留时间烟丝停留时间是指烟丝在滚筒内的停留时间，以滚筒内干基烟丝持料量与干基烟丝流量的比值表示，单位为秒，按式（1）计算。 （1）式中：t——烟丝停留时间，s；H——滚筒持料量，kg。F1——烟丝流量，kg/h。w1、w3——分别为滚筒入口和滚筒内转出烟丝的含水率，%。滚筒填充率滚筒填充率是指滚筒内烟丝所占体积与滚筒体积的百分比，以%表示，按式（2）计算。 （2）式中：f——滚筒填充率，%。D——滚筒内径，m。L——滚筒长度，m。，烟丝平均自然堆积密度，kg/m3。、——滚筒入口、出口烟丝自然堆积密度，kg/m3。干燥速度单位时间内所去除水分的质量，以kg/h表示，按式（3）计算。 （3）式中：W——干燥速度，kg/h。w2——滚筒出口烟丝含水率，%。干燥强度按筒壁和抄板散热面积计算的单位时间内所去除水分的质量，以干燥速度与散热面积的比值表示，单位为kg/(h.m2)，按式（4）计算。 （4）式中：As——干燥强度，kg/(h.m2)。A——滚筒和抄板的散热面积，m2。设备热效率设备热效率是指烟丝干燥脱水和升温所需热量与供给总热量的百分比，以%表示，其计算公式如下。（1）烟丝脱水所需热量烟丝脱水所需热量按式（5）计算。 （5）式中：Q1——烟丝脱水所需热量，kJ/h。T3——排潮热风温度，℃。t1——滚筒入口烟丝温度，℃。（2）烟丝升温所需热量烟丝升温所需热量按式（6）计算。 （6）式中：Q2——烟丝升温所需热量，kJ/h。，干基烟丝流量，kg/h。cps——烟丝的比热容，kJ/(kg.℃)。t2——滚筒出口烟丝温度，℃。F2——滚筒出口烟丝流量，kg/h。（3）筒壁蒸汽供给热量筒壁蒸汽提供热量按式（7）计算。 （7）式中：Qn——筒壁蒸汽提供热量，kJ/h。Fs——施加筒壁的蒸汽流量，kg/h。——蒸汽汽化潜热，kJ/kg。Hs1、Hs2——施加筒壁蒸汽温度和蒸汽冷凝水温度下水的焓值，kJ/kg。（4）热风提供热量热风提供热量按式（8）计算。 （8）式中：Qk——热风提供热量，kJ/h。Ga1、Ga2——分别为工艺热风、辅助热风的质量流量，kg/h。I0、I1、I2——分别为环境空气、工艺热风和辅助热风的湿焓，kJ/kg。（5）设备热效率设备热效率按式（9）计算。 （9）式中：η——设备热效率，%。5重复试验测试根据项目确定的测试方法，采用同样的参数设置分别进行三次重复的实际测试，其测试结果如下表6所示。表6重复性试验测试结果序号类别名称单位R1R2R31烟丝特性烟丝流量kg/h500.0500.0500.02滚筒入口烟丝含水率%19.3219.2719.203滚筒入口烟丝温度℃30.730.730.74滚筒出口烟丝含水率%12.3312.2912.345滚筒出口烟丝温度℃45.845.445.06滚筒入口烟丝自然堆积密度kg/m395.6095.6095.607滚筒出口烟丝自然堆积密度kg/m364.4264.4264.428滚筒持料量kg67.368.467.69转出烟丝含水率%11.1210.7010.7710蒸汽特性一区筒壁蒸汽流量kg/h8.198.307.9811一区筒壁蒸汽压力Mpa0.510.510.5012一区筒壁蒸汽冷凝温度℃93.394.595.013二区筒壁蒸汽流量kg/h47.8847.2246.5414二区筒壁蒸汽压力Mpa0.510.490.4915二区蒸汽冷凝温度℃102.7103.5103.016介质特性环境空气温度℃30.730.730.717环境空气相对湿度%48.448.448.418工艺热风温度℃110.0110.0110.019工艺热风体积流量m3/h307.00300.00300.0020辅助热风温度℃100.0100.0100.021辅助热风体积流量m3/h199.00201.33200.0022排潮热风温度℃60.259.455.623排潮热风相对湿度%39.841.248.724排潮热风体积流量m3/h1059.361009.481054.61计算结果如表7所示，由表可以看出，在设备稳定运行的条件下，各性能指标的测试计算误差较小。表7重复测试计算结果与分析指标单位R1R2R3平均值极差相对偏差（%）平均停留时间s533.81544.76537.58538.7210.952.03滚筒填充率%29.4630.0729.729.740.612.05干燥速度kg/h39.8739.7939.1339.600.741.87干燥强度kg/(m2.h)1.761.761.731.750.031.71设备热效率%69.7370.0569.6769.820.380.546工艺验证试验选择对叶丝滚筒干燥过程影响较大的滚筒转速、烟丝流量、蒸汽压力、热风流向、热风温度、热风风量，设置不同的参数水平，分别进行工艺验证试验。6.1滚筒转速滚筒转速工艺验证试验测试与计算结果如下表8所示，由表可以看出，滚筒转速主要影响烟丝停留时间和滚筒填充率，随着滚筒转速的增大，烟丝停留时间和滚筒填充率呈减少的趋势。表8滚筒转速工艺验证试验测试与计算结果序号类别名称单位8rpm10rpm12rpm1烟丝特性烟丝流量kg/h500.0500.0500.02滚筒入口烟丝含水率%19.6719.2019.873滚筒入口烟丝温度℃28.430.729.24滚筒出口烟丝含水率%12.8512.3413.035滚筒出口烟丝温度℃45.045.045.66滚筒入口烟丝自然堆积密度kg/m395.6095.6092.727滚筒出口烟丝自然堆积密度kg/m364.4264.4269.548滚筒持料量kg80.367.660.79转出烟丝含水率%10.9810.7711.7810蒸汽特性一区筒壁蒸汽流量kg/h7.427.987.6711一区筒壁蒸汽压力Mpa0.500.500.5012一区筒壁蒸汽冷凝温度℃95.095.094.013二区筒壁蒸汽流量kg/h47.7946.5446.6914二区筒壁蒸汽压力Mpa0.500.490.5115二区蒸汽冷凝温度℃102.0103.0102.016介质特性环境空气温度℃28.430.729.217环境空气相对湿度%61.348.460.018工艺热风温度℃110.0110.0110.019工艺热风体积流量m3/h300.00300.00300.0020辅助热风温度℃100.0100.0100.021辅助热风体积流量m3/h200.00200.00200.0022排潮热风温度℃57.455.649.423排潮热风相对湿度%46.048.756.624排潮热风体积流量m3/h1043.941054.611343.2225计算结果平均停留时间s640.70537.58481.1626滚筒填充率%35.3929.7026.2127干燥速度kg/h39.1339.1339.3228干燥强度kg/(m2.h)1.731.731.7429设备热效率%70.2869.6771.046.2烟丝流量烟丝流量工艺验证试验测试与计算结果如下表9所示，由表可以看出，烟丝流量对各项工艺性能指标均有较大影响，随着烟丝流量的增大，各项性能指标均呈增大的趋势。表9烟丝流量工艺验证试验测试与计算结果序号类别名称单位300kg/h400kg/h500kg/h1烟丝特性烟丝流量kg/h300.0400.0500.02滚筒入口烟丝含水率%19.6519.5119.203滚筒入口烟丝温度℃4滚筒出口烟丝含水率%10.0911.2112.345滚筒出口烟丝温度℃48.046.545.06滚筒入口烟丝自然堆积密度kg/m398.0895.5595.607滚筒出口烟丝自然堆积密度kg/m369.3766.2964.428滚筒持料量kg35.059.667.69转出烟丝含水率%8.4310.1510.7710蒸汽特性一区筒壁蒸汽流量kg/h9.637.047.9811一区筒壁蒸汽压力Mpa0.500.500.5012一区筒壁蒸汽冷凝温度℃94.093.595.013二区筒壁蒸汽流量kg/h38.1244.2346.5414二区筒壁蒸汽压力Mpa0.500.500.4915二区蒸汽冷凝温度℃103.0102.5103.016介质特性环境空气温度℃17环境空气相对湿度%60.060.048.418工艺热风温度℃110.0110.0110.019工艺热风体积流量m3/h300.00300.00300.0020辅助热风温度℃100.0100.0100.021辅助热风体积流量m3/h200.00200.00200.0022排潮热风温度℃61.257.755.623排潮热风相对湿度%40.344.548.724排潮热风体积流量m3/h817.101040.371054.6125计算结果平均停留时间s478.65598.78537.5826滚筒填充率%14.9225.9429.7027干燥速度kg/h31.9037.3939.1328干燥强度kg/(m2.h)1.411.651.7329设备热效率%68.6469.5669.676.3蒸汽压力蒸汽压力工艺验证试验测试与计算结果如下表10所示，由表可以看出，蒸汽压力主要影响干燥速度、干燥强度和设备热效率，并且随着蒸汽压力的增大，干燥速度和干燥强度呈增大的趋势，设备热效率先增大后有所减少。表10蒸汽压力工艺验证试验测试与计算结果序号类别名称单位0.5bar1.0bar1.5bar1烟丝特性烟丝流量kg/h500.0500.0500.02滚筒入口烟丝含水率%19.2019.4619.523滚筒入口烟丝温度℃30.729.529.44滚筒出口烟丝含水率%12.3410.8110.095滚筒出口烟丝温度℃45.045.347.06滚筒入口烟丝自然堆积密度kg/m395.6096.9292.667滚筒出口烟丝自然堆积密度kg/m364.4264.8367.848滚筒持料量kg67.665.967.39转出烟丝含水率%10.779.349.2510蒸汽特性一区筒壁蒸汽流量kg/h7.989.9818.3211一区筒壁蒸汽压力Mpa0.500.991.5112一区筒壁蒸汽冷凝温度℃95.0105.0115.013二区筒壁蒸汽流量kg/h46.5457.2558.2014二区筒壁蒸汽压力Mpa0.490.991.5115二区蒸汽冷凝温度℃103.0112.0119.016介质特性环境空气温度℃30.729.529.417环境空气相对湿度%48.453.758.418工艺热风温度℃110.0110.0110.019工艺热风体积流量m3/h300.00300.00300.0020辅助热风温度℃100.0100.0100.021辅助热风体积流量m3/h200.00200.00200.0022排潮热风温度℃55.658.661.223排潮热风相对湿度%48.750.445.524排潮热风体积流量m3/h1054.611039.191141.3225计算结果平均停留时间s537.58534.10546.3926滚筒填充率%29.7028.8829.6327干燥速度kg/h39.1348.4952.4428干燥强度kg/(m2.h)1.732.142.3229设备热效率%69.6772.6572.106.4热风流向热风流向工艺验证试验测试与计算结果如下表11所示，由表可以看出，热风流向主要影响烟丝停留时间、滚筒填充率和设备热效率，，顺流模式下烟丝停留时间和滚筒填充率较逆流模式小，但设备热效率以逆流模式高。表11热风流向工艺验证试验测试与计算结果序号类别名称单位顺流逆流1烟丝特性烟丝流量kg/h500.0500.02滚筒入口烟丝含水率%19.7519.203滚筒入口烟丝温度℃29.630.74滚筒出口烟丝含水率%12.8712.345滚筒出口烟丝温度℃49.245.06滚筒入口烟丝自然堆积密度kg/m395.3795.607滚筒出口烟丝自然堆积密度kg/m366.0264.428滚筒持料量kg58.267.69转出烟丝含水率%10.1410.7710蒸汽特性一区筒壁蒸汽流量kg/h7.387.9811一区筒壁蒸汽压力Mpa0.430.5012一区筒壁蒸汽冷凝温度℃94.095.013二区筒壁蒸汽流量kg/h48.7546.5414二区筒壁蒸汽压力Mpa0.430.4915二区蒸汽冷凝温度℃101.0103.016介质特性环境空气温度℃29.630.717环境空气相对湿度%53.848.418工艺热风温度℃110.0110.019工艺热风体积流量m3/h540.00300.0020辅助热风温度℃100.0100.021辅助热风体积流量m3/h180.00200.0022排潮热风温度℃59.955.623排潮热风相对湿度%32.548.724排潮热风体积流量m3/h1423.231054.6125计算结果平均停留时间s469.22537.5826滚筒填充率%25.6929.7027干燥速度kg/h39.4839.1328干燥强度kg/(m2.h)1.741.7329设备热效率%65.3269.676.5热风温度热风温度工艺验证试验测试与计算结果如下表12所示，由表可以看出，在试验测试范围内，热风温度对干燥速度和干燥强度有影响，但对烟丝停留时间、滚筒填充率和设备热效率的影响不显著。表12热风温度工艺验证试验测试与计算结果序号类别名称单位90℃110℃120℃1烟丝特性烟丝流量kg/h500.0500.0500.02滚筒入口烟丝含水率%19.6019.2019.293滚筒入口烟丝温度℃29.730.729.24滚筒出口烟丝含水率%13.0612.3412.825滚筒出口烟丝温度℃43.045.044.56滚筒入口烟丝自然堆积密度kg/m394.8995.6089.297滚筒出口烟丝自然堆积密度kg/m367.9964.4263.798滚筒持料量kg68.867.667.69转出烟丝含水率%10.0610.7710.7810蒸汽特性一区筒壁蒸汽流量kg/h7.707.987.6311一区筒壁蒸汽压力Mpa0.450.500.5012一区筒壁蒸汽冷凝温度℃92.095.094.013二区筒壁蒸汽流量kg/h45.1546.5443.1914二区筒壁蒸汽压力Mpa0.370.490.5015二区蒸汽冷凝温度℃96.0103.0101.016介质特性环境空气温度℃29.730.729.217环境空气相对湿度%58.448.458.518工艺热风温度℃90.0110.0122.019工艺热风体积流量m3/h300.00300.00300.0020辅助热风温度℃100.0100.0100.021辅助热风体积流量m3/h200.00200.00200.0022排潮热风温度℃55.855.657.323排潮热风相对湿度%48.548.743.924排潮热风体积流量m3/h1043.941054.611071.2525计算结果平均停留时间s554.14537.58538.0426滚筒填充率%30.1329.7031.1427干燥速度kg/h37.6139.1337.1128干燥强度kg/(m2.h)1.661.731.6429设备热效率%70.3969.6769.676.6热风风量热风风量工艺验证试验测试与计算结果如下表13所示，由表可以看出，热风风量对烟丝停留时间、滚筒填充率、干燥速度、干燥强度和设备热效率均有影响，并且随着热风风量的增大，烟丝停留时间、滚筒填充率、干燥速度、干燥强度呈增大的趋势，设备热效率呈减少的趋势。表13热风风量工艺验证试验测试与计算结果序号类别名称单位2003004501烟丝特性烟丝流量kg/h500.0500.0500.02滚筒入口烟丝含水率%19.7019.2019.343滚筒入口烟丝温度℃29.430.729.34滚筒出口烟丝含水率%12.9312.3411.525滚筒出口烟丝温度℃41.045.043.06滚筒入口烟丝自然堆积密度kg/m394.5295.6090.237滚筒出口烟丝自然堆积密度kg/m364.2664.4267.848滚筒持料量kg62.867.668.69转出烟丝含水率%11.2810.7710.1310蒸汽特性一区筒壁蒸汽流量kg/h7.627.987.7311一区筒壁蒸汽压力Mpa0.500.500.5012一区筒壁蒸汽冷凝温度℃93.095.093.013二区筒壁蒸汽流量kg/h46.0246.5449.1614二区筒壁蒸汽压力Mpa0.500.490.5015二区蒸汽冷凝温度℃101.0103.0102.016介质特性环境空气温度℃29.430.729.317环境空气相对湿度%58.448.453.118工艺热风温度℃110.0110.0110.019工艺热风体积流量m3/h200.00300.00450.0020辅助热风温度℃100.0100.0100.021辅助热风体积流量m3/h200.00200.00200.0022排潮热风温度℃59.355.655.623排潮热风相对湿度%49.448.745.224排潮热风体积流量m3/h833.721054.611302.8425计算结果平均停留时间s499.57537.58550.3226滚筒填充率%27.8229.7030.6027干燥速度kg/h38.8839.1344.1928干燥强度kg/(m2.h)1.721.731.9529设备热效率%71.9569.6769.577结论（1）确定了叶丝滚筒干燥设备工艺性能的测试指标，包括烟丝停留时间、滚筒填充率、干燥速度、干燥强度和设备热效率；（2）建立了基于稳态法（滚筒出口烟丝含水率标准偏差≦0.17%）的叶丝滚筒干燥设备工艺性能测试方法，以及基于热质平衡的测试结果计算方法。参考文献[1]FriedmanSJ.Studiesinrotarydrying,Part1:Holdupanddusting[J].ChemEngProg,1949,45:573.[2]SeamanW.C.andMitchellT.R.Analysisofrotarydryersandcoolerperformance[J].ChemEngProg,1954,50(9):467－475.[3]P.G.Glikin.Transportofsolidsthroughflightedrotatingdrums[J],TransIChemEng.,1978，56：120－126.[4]ThorneB,KellyJJ.Amathematicalmodelfortherotarydryer[J].Drying,1980,80:160.[5]吴培龙，朱明.物料颗粒在滚筒式干燥机内停留时间的确定[J].农业工程学报，1988，3：63－70.[6]F.Y.Wang.Adistributedparameterapproachtothedynamicofrotarydryingprocesses[J].DryingTechnology,1993,11(7)，1641-1656.[7]BakerCGJ,Thedesignofflightsincascadingrotarydryers[J].DryingTechnology,1988:631.[8]KellyJ.Flightdesigninrotarydryers[J].DryingTechnology,1992,10(4);979.[9]刘培坤陈文梅.低速回转圆筒内磷铵颗粒粒度分布规律研究[J].化学工程.1998,26(2)：41-44.[10]杨岗.回转圆筒内扬板性能的优化模拟：[D].成都：四川大学，2000.[11]M.E.Sheehan,P.F.Britton,P.A.Schneider.Amodelforsolidstransportinflightedrotarydryersbasedonphysicalconsiderations[J].ChemicalEngineeringScience,2005,60:4171-4182.[11]FriedmanSJ.Studiesinrotarydrying,Part1:Holdupanddusting[J].ChemEngProg,1949,45:573.[12]FriedmanSJ.Studiesinrotarydrying,Part2:Heatandmasstransfer[J].ChemEngProg,1949,45:573.[13]MyklestedO.Heatandmasstransferinrotarydryers[J].ChemEngProg,1963:129.[14]SharplesK,GlikinPG,WarneR.Computersimulationofrotarydryer[J].TransInst.ChemEng,1964,42:275.[15]ThorneB,KellyJJ.Amathematicalmodelfortherotarydryer[J].Drying,1980,80:160.[16]NonhebelG.Mosscontinuousrotarydryers[J].DryingofSolidinChemIndustry,1971:180.[17]KamkeFA.Computersimulationofarotarydryer,Part1:Retentiontime[J].AICHEJournal,1986,32(2):263-268.[18]KamkeFA,WilsonTB.Computersimulationofarotarydryer,Part2:Heatandmasstransfer[J].AICHEJournal,1986,32(2):269-275.[19]刘强，曹崇文.混流谷物干燥机沿通气盒纵向粮层气流分布均匀性的研究[J].农业工程学报，1994,10(1):76-82.[20]郑国生，曹崇文.散粒物料气流干燥中的传热特性[J].北京农业工程大学学报，1994，14（1）：54－61.[21]张建东，杨凌，曹崇文.玉米多级顺流干燥过程的模拟模型[J].北京机械学院学报,1994,9(1):80-89.[22]陈存社.转筒干燥机的模拟与实验研究：[D].北京：中国农业大学，1996.[23]黄志刚.转筒干燥器中颗粒物料流动和传热传质过程的研究：[D].北京：中国农业大学，2004.[24]J.R.Pkez-Correa,F.Cubillos,E.Zavala,C.SheneandP.I.Alvarez.Dynamicsimulationandcontrolofdirectrotarydryers[J].FoodControl，1998，9（4）,195-203.[25]A.H.Pelegrina,M.P.Elustondo&M.J.UrbicainPLAPIQUI(UNS-CONICET).DesignofaSemi-continuousRotaryDrierforVegetables[J].JournalofFoodEngineerinq,19