柿果漿低溫噴霧干燥數值模擬與試驗

杜 靜,劉 滔,徐 澤,李春美,2,*

(1.華中農業大學食品科技學院,湖北武漢 430070;2.華中農業大學環境食品學教育部重點實驗室,湖北武漢 430070)

柿果漿低溫噴霧干燥數值模擬與試驗

杜 靜1,劉 滔1,徐 澤1,李春美1,2,*

(1.華中農業大學食品科技學院,湖北武漢 430070;2.華中農業大學環境食品學教育部重點實驗室,湖北武漢 430070)

利用計算機流體力學及算法建立噴霧干燥機結構模型及氣體連續相、液滴離散相等數值計算模型,得到柿果漿低溫噴霧干燥過程中氣相流場、溫度場、壓力場和顆粒運動軌跡等信息,分析了進風溫度和進料速率對噴霧干燥柿粉的水分含量、集粉率和噴霧干燥機出風溫度的影響,并將模擬結果與實驗結果進行對比。結果表明,水分含量和出風溫度的模擬值與實驗值接近,且變化規律相同。結合數值模擬和正交實驗結果,確定柿果漿最佳低溫噴霧干燥工藝參數組合為進風溫度388 K、入口進風量0.05 m3/s、進料速率為4.5×10-3L/s,實驗集粉率為78.14%。

柿果漿,噴霧干燥,數值模擬,實驗驗證

柿甘甜多汁、營養豐富[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,開發多種產品[5]。噴霧干燥效率高,能很好地保留果蔬的營養和風味,且產品顆粒均勻細小,分散性和速溶性好,是果蔬粉工業化加工的好方法[6-8]。但柿果小分子糖和有機酸含量高[2],噴霧干燥時易粘壁;熱敏性成分含量高,易損失,所以優化噴霧干燥工藝參數非常重要。目前水果噴霧干燥工業化要經過實驗-中試-生產調試,工作量大,周期長,費用高,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、運動軌跡和溫度的測定非常困難,所以常用數值模擬的方法[9]。數值模擬不但可預測及監測干燥過程中干燥溫度和顆粒的運動,而且可優化噴霧干燥工藝參數,減少實驗次數、人力、物力和財力[10]。計算機流體力學(the computational fluid dynamics,CFD)用于噴霧干燥過程理論的研究較多,但針對某種水果噴霧干燥過程模擬和工藝優化的研究相對較少。馬景林等[11]研究了蜂蜜混合液離心噴霧干燥過程,建立了霧化、水分蒸發、氣固兩相運動等CFD模型,擬合了干燥過程水分蒸發和顆粒運動情況。Roustapour等[8]用CFD模擬了酸橙汁的噴霧干燥動力學,研究了酸橙汁噴霧干燥過程顆粒分布和水分蒸發情況。但CFD在其他水果噴霧干燥過程的研究尚未見報道。本研究利用CFD模擬柿果漿低溫噴霧干燥過程,并優化了噴霧干燥工藝參數,通過實驗驗證,旨在確定柿果漿低溫噴霧干燥數值模擬的可行性。

圖1 噴霧干燥機圖Fig.1 The graph of the spray dryer注:a:噴霧干燥機結構圖,b:噴霧干燥器結構模型圖,c:噴霧干燥器網格圖。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

恭城月柿 購于湖北省武漢市武昌區沙湖果品批發市場,產地廣西恭城;阿拉伯樹膠 食品級 北京鳳禮精求商貿有限責任公司;辛烯基琥珀酸淀粉鈉食品級 廣州華匯生物實業有限公司;濃縮乳清蛋白食品級 天津中孚國際集團有限公司。

HJE880型打漿機 德國海氏公司;HH-2型數顯恒溫水浴鍋 常州國華電器有限公司;HX1002Z型電子天平 慈溪市天東衡器廠;JM-L50 型膠體磨 溫州市七星乳品設備廠;JHG-54-P60型均質機 上海金山張堰均質機有限公司;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 上海雅程儀器設備有限公司;2500 hot disk型導熱儀 瑞典凱戈納斯有限公司;Brookfield DV2 Pro型粘度計 美國博勒飛公司。

1.2 實驗方法

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)-一層紗布過濾(除去少量柿皮)-膠體磨-加入助劑(15%復配助劑)-均質(30 MPa,2次)-噴霧干燥噴霧干燥結束后立即收集噴霧干燥機中的樣品(主要在接料斗和干燥室),并及時測定樣品的水分含量,防止吸潮。

1.2.2 水分含量測定 實驗值:參考GB8858-1988 水果、蔬菜產品中干物質和水分含量的測定;模擬值:單位質量的物料中的水分減去蒸發去除的水分后,剩下的水分的量,由CFD數值求解得到。

1.2.3 集粉率 實驗值:集粉率=噴霧干燥后收集粉的總重/(柿果漿總固形物的質量+加入的助劑的質量)×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數值計算得到。

1.2.4 出風口溫度 實驗值:噴霧干燥機顯示的出風口溫度。模擬值:通過計算機模擬利用軟件數值求解得到。

1.2.5 單因素實驗 在入口進風量0.05 m3/s,進料速率4.5×10-3L/s的條件下,研究不同進風溫度(373、388、403 K)對柿粉的水分含量、出風溫度和集粉率的影響。

在入口進風量0.05 m3/s,進風溫度388 K的條件下,研究不同進料速率(1.5×10-3、3.0×10-3、4.5×10-3L/s)對柿粉的水分含量、出風溫度和集粉率的影響。

1.2.6 噴霧干燥工藝優化 通過正交實驗確定噴霧干燥最佳工藝條件,因素水平見表1。

表1 柿果低溫噴霧干燥工藝因素水平表

1.2.7 統計分析 用spss 16.0對實驗結果進行分析,結果用平均值±標準差的形式表示,用單因素方差分析分析結果的顯著,p<0.05表示顯著。

1.3 模型的建立

1.3.1 物理模型建立 以實驗用噴霧干燥機(YC-1000)為對象,通過對實體模型實地測量,獲得噴霧干燥機相關幾何尺寸(如圖1a),然后利用三維建模軟件建立模型,如圖1b所示。網格生成是數值模擬最重要的一步,本文基于有限體積法計算生成網格[12]。采用廣泛適用的四面體非結構化網格技術對噴霧干燥設備實體模型進行劃分,將構建的幾何體進行網格化如圖1c所示,本文模型生成的網格總約為32萬多個。

表2 離散相材料特性及霧化器噴嘴參數

1.3.2 數學計算模型建立 CFD作為一種模擬工具,通過模擬干燥塔內氣體連續相和液滴離散相的流動,數值求解流體運動和傳熱傳質的三大守恒定律,預測流體的動量、熱量和質量的轉移,預測體系內速度、溫度及壓力分布輪廓,掌握噴霧干燥塔內的空氣流、溫濕度分布及液滴軌跡,對于研究不同條件如空氣流速霧化方式進料速度等對噴霧干燥過程的影響具有重要意義。通過模擬干燥塔內的流體分布情況,可以避免塔內物料結塊,減少產品損失和清洗時間[13-14]。

1.3.2.1 氣體連續相 干燥過程中,氣相占據大量容積,且分布于整個干燥機中,因此將熱空氣視為連續相。噴霧干燥塔內氣體湍流流動時均特性的連續性方程、動量方程、能量方程和組分方程可以用歐拉方程,K-ε標準模型來描述,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,可用來表示氣體焓、氣體質量分數、速度、湍流動能和湍流動能耗散率等,μφ為輸運系數,uj是φ的速度;Sφ包括氣相作用源項以及氣體與顆粒間的作用源項[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個圓球形顆粒。離散相模型采用歐拉-拉格朗日法求解顆粒運動方程的運動模型。首先計算連續相流場,然后給定顆粒初始速度進入特定單元,再結合流場單元,根據流場單元求解有限體積內顆粒的受力情況,從而確定顆粒的絕對速度,然后再在時間間隔dt內對顆粒速度積分,最終獲得顆粒dt后的絕對位置,由此可以跟蹤每一個顆粒的運動軌跡獲得整個流場和離散相顆粒運動的詳細信息。通過對基于拉格朗日描述的微粒作用力微分方程進行積分來求解離散相顆粒的軌跡。顆粒運動平衡方程在笛卡爾坐標系下的公式為:

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;方程右邊第一項和第二項分別是單位質量顆粒在該方向上所受的氣體曳力和重力;第三項一般包括布朗力、浮力等。在噴霧干燥中,一般只考慮熱風、冷風對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[15-16]。從以上公式中可獲得顆粒任意時刻的速度,然后通過速度對時間積分便可獲得顆粒運動軌跡方程,最后通過顆粒運動軌跡方程跟蹤噴霧干燥過程中顆粒在任意時刻的位置和各時間段的軌跡等。

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為液滴的質量,cp為液滴的比熱容,Tp為液滴的溫度,h為對流換熱系數,Ap為液滴的表面積,Tg為熱空氣的溫度,λw為汽化潛熱[15]。

上述流體動力學控制方程、顆粒運動模型和氣體顆粒熱量傳遞模型構成了噴霧干燥過程中的所有數學控制模型。

噴霧干燥器中物料顆粒和熱風耦合的模擬很復雜,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算法來計算連續相流場,然后采用離散相模型及基于壓力-旋流噴嘴霧化模型對離散相進行模擬相關參數見表1,從而得到液滴在干燥塔內部分布情況。

1.3.3 邊界條件的確定 干燥塔入口邊界為熱空氣,設置氣體流動速度為熱空氣的進口速度?？紤]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:顆粒有兩個出口,一是隨氣流從排風管出去;二是在重力作用下由塔底部出去,邊界條件設置為顆粒逃逸。壁面邊界條件選用無滑移邊界條件。同時為了便于得到通道的熱風體積流量,把每個通道出口面設為內部。離散相噴射模型采用壓力-旋流霧化模型。熱空氣進口以及壓力出口的邊界條件設置均包括水力直徑Dh和湍流強度的計算。其中水力直徑Dh的計算公式為:

式(4)

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

2 結果與分析

2.1 噴霧干燥模型求解結果

氣相流場、溫度場和顆粒運動軌跡等信息,一方面為噴霧干燥器的設計和干燥過程的優化提供理論依據[18],另一方面可以驗證模型建立是否合理。

圖2 噴霧干燥模型求解結果Fig.2 The results of spray drying model注:a:速度流線圖;b：對稱截面溫度場分布圖;c:對稱截面壓力分布圖;d:兩顆粒運動軌跡圖;e:高風速下離散相顆粒的軌跡圖。

2.1.1 氣相流場 由噴霧干燥機內空氣速度流線圖(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,這是因為干燥塔底部靠近空氣進口處均存在渦旋。渦旋可增加對噴霧液滴的擾動,同時增加氣液兩相的接觸面積,提高干燥效率。從干燥塔底進入的熱空氣與塔中部的噴霧源相遇后,形成渦流,細小的噴霧液滴顆粒被渦流卷吸進行熱量交換而完成干燥過程,同時被熱空氣帶走。在干燥塔內部流速均勻,但在干燥塔與旋風分離器的連接處流速急速增大至0.8 m/s,這是因為氣固兩相流相遇通過側部管道后進入旋風分離器,橫截面積減小,氣流的速度逐漸增大。在旋風分離器內氣流通過加速帶動干燥后的顆粒旋轉,部分下落到底端的收集器中,部分粘在旋風分離器上,而氣相部分則由出風口流出。實驗收集柿粉時發現,粘壁的柿粉主要集中在進風口上部噴嘴下部的錐形部分和旋風分離器的圓柱形部分,這可能與氣相流場的渦流及旋風分離器內氣流引起的顆粒旋轉有關。

表3 進風溫度對出風溫度、水分含量和集粉率影響的模擬和實驗結果比較

注:表中同列不同小寫字母表示α=0.05水平上差異顯著，表4同。

表4 進料速度對出風溫度、水分含量和集粉率的影響的模擬結果和實驗結果的比較

2.1.2 溫度場 由圖2b可見,熱空氣進口處溫度最高約380 K,在噴嘴附近溫度迅速降低且噴嘴周圍溫度梯度變化較大,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行了強烈的傳熱傳質過程[19]。熱空氣進出口溫度差較大約20 K,說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 如圖2c所示,噴霧干燥機內的壓力場分布基本均勻約1.1 Pa,可保證干燥塔內顆粒流整體運動不發生碰撞,而旋風分離器內尤其是上部壓力呈非均勻分布,且隨旋風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動[16]。旋風分離器中壓力場的情況可用于解釋實驗中柿粉螺旋狀粘壁分布。

2.1.4 液滴運行軌跡 干燥塔的CFD模擬中單個顆粒干燥過程的預測非常重要,因為它顯著影響模擬結果的三個方面。第一,決定終產品的水分含量。實際操作中,水分含量會影響產品質量的許多方面如粒徑。第二,由于干燥過程中質量的變化而影響顆粒的軌跡。最后,干燥過程預測碰撞過程中干燥顆粒的狀態[20]。由兩個已選定顆粒的運動軌跡(如圖2d)可知,其中一個顆粒在“短路流”的輸運下由排氣管直接排出,另一個則在離心力和重力的作用下,運動至旋風分離器底部被收集起來,該圖在一定程度上反映了顆粒在旋風分離器內的流動規律,即做向下螺旋運動或向上螺旋運動[16]。顆粒的運動軌跡進一步解釋了旋風分離器中粘壁顆粒的螺旋分布。

但是如果進風口風速過大則會出現如圖2e所示,顆粒未經旋風分離器立即隨氣流排出。

2.2 模擬與實驗單因素結果比較

進風溫度和進料速率對出風溫度、柿粉水分含量和集粉率的影響如表3和表4?？梢?從絕對值來看,不同溫度和進料速率條件下出風溫度的模擬值大于實驗值,水分含量模擬值小于實驗值,這可能是因為噴霧干燥提供的熱量不能全部用于干燥,如壁面熱量損失,致使出風溫度的實驗值小于模擬值,柿粉水分含量的實驗值大于模擬值。但水分含量和出風溫度的模擬值與測定值變化趨勢一致,該測定結果與馬景林的結果相同[11]。隨進風溫度的增加出風溫度的模擬值和實驗值都增加,水分含量模擬值和實驗值都減小;隨進料速度的增加出風溫度的模擬值和實驗值都減小,水分含量模擬值和實驗值都增加,與理論相符。從集粉率的結果可看出,實驗值小于模擬值,這是因為模擬集粉率沒有去除顆粒與壁面碰撞時粘壁引起的集粉率的降低,且有少量柿粉收集過程中損失。隨溫度的升高,模擬集粉率的結果有所增加但增加值相對較小,而測定的集粉率值先升高再減小,收集粉時發現熱熔性粘壁[21],即柿粉在干燥條件下熔融形成膠狀結構的物質不是粉的形式粘附在干燥塔上,不能得到,所以集粉率相對有所減小,這可能是干燥溫度為403 K時溫度太高。隨進料速率的升高,集粉率的模擬值稍有增加,而實驗集粉率先升高后略有降低,但差別不大。

2.3 模擬與實驗正交實驗結果

為了進一步驗證數值模擬能否用于噴霧干燥條件優化,設計了正交實驗。由單因素實驗結果知,水分含量和出風口溫度模擬值與實驗值差別不大,所以選擇集粉率為正交工藝條件優化指標,通過比較模擬和實驗的正交實驗結果,得到最優的工藝條件。

由表5數值模擬的正交結果和表6方差分析結果知,這三個因素對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驗結果

入口進風量>進料速率>進風溫度,噴霧干燥工藝的最佳組合為A2B1C3,即以進風溫度388 K,入口進風量0.033 m3/s,進料速率為4.5×10-3L/s,且這三個因素的影響不顯著。通過驗證得到該條件下模擬集粉率為85.3%,實驗集粉率為76.62%。由表5中實驗正交結果和表6方差分析結果知,這三個因素對實驗集粉率的影響依次為:A>C>B,即:進風溫度>進料速率>進風量。噴霧干燥工藝的最佳組合為A2B2C3,即以進風溫度388 K,入口進風量0.05 m3/s,進料速率為4.5×10-3L/s,且進風溫度影響顯著,進風量和進料速度影響不顯著。通過驗證得到該條件下模擬集粉率84.6%,實驗集粉率為78.14%。通過對比模擬和實驗最佳條件下模擬和實驗的集粉率,發現兩個模擬集粉率和兩個實驗集粉率之間都相差不大,但在實驗條件下實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風溫度388 K,入口進風量0.05 m3/s,進料速率為4.5×10-3L/s。

表6 柿果低溫噴霧干燥正交實驗方差分析

3 結論

本文用數值模擬了噴霧干燥的不同進風溫度和進料速度對柿粉水分含量、集粉率和出風溫度的影響,并優化了噴霧干燥條件,同時用實驗驗證,結果表明模擬值能反映物料的實際干燥情況,可為干燥過程的優化提供參考。本研究結果表明,柿果漿最佳低溫噴霧干燥工藝參數組合為進風溫度388 K、入口進風量0.05 m3/s、進料速率為4.5×10-3L/s,在此條件下,集粉率可達78.14%。

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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，主要從事農產品加工研究，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，E-mail：lichmyl@126.com。

公益性行業專項“現代柿產業關鍵技術研究與試驗示范”(201203047)；武漢市科技攻關項目“柿子低溫噴霧干燥新技術及系列產品開發”(20130205010186)。

TS205

B

1002-0306(2015)21-0237-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.041