張健平 趙周能

(西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，綿陽 621010) (西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院2，綿陽 621010)

菜籽油是中國主要食用植物油之一，同時(shí)也是僅次于大豆油和棕櫚油的世界第三大食用植物油。因此，菜籽油在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展上具有非常重要的作用和地位，受到了全世界各國的普遍重視[1]。而菜籽油的原料——油菜籽能否安全儲藏是保證菜籽油品質(zhì)亟需解決的關(guān)鍵問題，也是提高菜籽油國際競爭力的主要影響因素。研究表明熱空氣流化床干燥技術(shù)可滿足油菜籽安全儲藏的要求，使其在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到安全儲藏水分的要求，同時(shí)還能提高油菜籽干燥品質(zhì)和干燥效率，降低能耗[2-4]。且在熱空氣流化床干燥過程中，水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能是控制干燥動力學(xué)兩個(gè)最重要的參數(shù)，其中水分有效擴(kuò)散系數(shù)反映了物料在一定干燥條件下的脫水能力，其值越大，物料的脫水效率越高，干燥效率越好，是計(jì)算水分遷移機(jī)理必不可少的參數(shù)之一[5-7]。干燥活化能是干燥過程必須克服的最小能量，干燥時(shí)活化能越大表明干燥所需克服的能量越大，干燥時(shí)水分越難去除，表觀上反映了流化床干燥能耗的大小，是優(yōu)化干燥工藝參數(shù)的重要參數(shù)之一[8-10]。綜上所述，深入分析油菜籽內(nèi)部水分?jǐn)U散動力學(xué)規(guī)律，以及水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能的變化規(guī)律具有非常重要的意義。

國內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)對固體物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能兩個(gè)參數(shù)的大小和變化規(guī)律進(jìn)行了相應(yīng)的研究。曾令彬等[11]基于Fick 擴(kuò)散定律研究分析了白鰱魚塊干燥曲線及其內(nèi)部水分?jǐn)U散特性，結(jié)果表明魚塊的有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨含水率的降低先減小后增大，隨熱風(fēng)溫度和速度的增加而增大，平均有效水分?jǐn)U散系數(shù)為1.3×10-11～4.3×10-11m2/s。賈富國等[12]采用靜態(tài)稱重法求出不同儲藏溫濕度和不同原始含水率條件下糙米籽粒的水分?jǐn)U散系數(shù)，建立了儲藏條件下糙米水分?jǐn)U散系數(shù)的二次回歸方程。Meziane等[13]通過實(shí)驗(yàn)研究了橄欖渣在不同干燥溫度(60、70、80、90 ℃)、熱空氣速度(1.0、1.8 m/s)和干燥厚度(6、9、12 mm)條件下的薄層干燥特性，其相應(yīng)的水分?jǐn)U散系數(shù)為1.256 1×10-9～6.306 1×10-9m2/s，活化能為26.30～37.63 kJ/mol。徐建國等[14]通過實(shí)驗(yàn)分別考察了蓮子在不同干燥溫度(50、60、70、80、90 ℃)下干燥特性，相應(yīng)的有效擴(kuò)散系數(shù)在6.056 7×10-10～1.660 3×10-9m2/s之間，且隨著干燥溫度的增加而增大，活化能為24.268 5 kJ/mol。這些研究表明白鰱魚塊、糙米籽粒、橄欖渣和蓮子等固體物料的水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能兩個(gè)參數(shù)的大小和變化規(guī)律受固體物料初始含水率、熱空氣溫度和速度等因素的影響。除此之外，每一種物料所對應(yīng)的水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能大小和變化規(guī)律各不相同，其主要原因：干燥是一個(gè)復(fù)雜、非穩(wěn)定的質(zhì)熱傳遞過程，伴隨水分含量的下降，物料體積發(fā)生皺縮，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起各固體物料水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能的大小和變化規(guī)律各不相同。但目前有關(guān)油菜籽流化床干燥過程中水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能變化規(guī)律的研究鮮見報(bào)道。因此，本研究通過油菜籽流化床干燥試驗(yàn)，系統(tǒng)深入地探討油菜籽初始含水率、熱空氣溫度和速度對水分比、水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能的影響，以揭示水分比和水分有效擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律，獲得干燥活化能，為提高干燥效率，優(yōu)化干燥工藝參數(shù)提供參考，同時(shí)也為生產(chǎn)工藝條件選擇和干燥設(shè)備設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

油菜籽流化床干燥實(shí)驗(yàn)裝置主要由流化床干燥器、空氣預(yù)熱器、風(fēng)機(jī)和空氣流量與溫度的測量與控制儀表等幾個(gè)部分組成，如圖1所示。油菜籽流化床干燥工藝過程為：新鮮空氣經(jīng)過電加熱管加熱后，由流化床干燥器底部通過15.84%開孔率正三角形均勻布孔的布風(fēng)板，進(jìn)入流化床層內(nèi)將油菜籽流化并進(jìn)行干燥，帶有水蒸氣的濕空氣由干燥器頂部，經(jīng)旋風(fēng)分離器進(jìn)行固氣分離后放空。油菜籽采用間歇操作方式，由干燥器頂部加料口加入，從下部卸料口排出或取樣。流化床干燥試驗(yàn)裝置的直徑為138 mm，高度為676 mm，布風(fēng)板的直徑為138 mm，厚度為8 mm，小孔徑為6 mm。在布風(fēng)板的上方鋪設(shè)了兩層300目不銹鋼絲網(wǎng)，以防止漏料。

其他儀器設(shè)備：TST101A-1型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；W-201B調(diào)速多用振蕩器。

注：1.旁路閥，2.流量調(diào)節(jié)閥，3. 空氣流量計(jì)，4. U型壓差計(jì)5. 加料口，6. 加料閥，7. 旋風(fēng)分離器，8. 放渣閥，9. 玻璃視桶(床層)，10. 取樣口(卸料口)，11. 布風(fēng)板的位置, 12. 電加熱管，13. 風(fēng)機(jī)。圖1 油菜籽流化床干燥實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)原材料

以四川綿陽的油菜籽作研究對象，油菜籽(芥菜型1級油菜籽)含油量≥38%。挑選顆粒飽滿、色澤均勻、無蟲害、表面完整無刮傷的作為原材料。油菜籽平均直徑約為2 mm，形狀為橢圓形，球形度約為0.8。油菜籽的初始含水率根據(jù)文獻(xiàn)[15]規(guī)定的方法測定，測得濕基含水率為10.73%(103 ℃烘3 h獲得)。

2 方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

物料初始含水率、熱空氣溫度及熱空氣流速是固體物料流化床干燥過程中水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能兩個(gè)參數(shù)的主要影響因素[11-14]。因此，本實(shí)驗(yàn)研究這3個(gè)影響因素對油菜籽流化床干燥水分比、水分有效擴(kuò)散系數(shù)和干燥活化能的影響，揭示油菜籽流化床干燥過程中水分?jǐn)U散動力學(xué)規(guī)律。由于四川省綿陽地區(qū)所新收油菜籽的濕基含水率一般在15%～30%范圍內(nèi)，且顆粒細(xì)小、輕、易流化；則在干燥處理時(shí)，最高干燥溫度需控制在75 ℃以下，否則會造成油脂溢出，不利于干燥，同時(shí)還有可能發(fā)生火災(zāi)[16-18]。因此，分別選取油菜籽濕基初始含水率為14.41%～29.72 %，熱空氣溫度為45～65 ℃，以及根據(jù)流化床干燥特點(diǎn)(熱空氣流速可達(dá)2 m/s以上)，結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)要使油菜籽達(dá)到流化狀態(tài)，最小流速需達(dá)1.75 m/s，因此以熱空氣流速為1.75～2.25 m/s作為實(shí)驗(yàn)干燥工藝條件的范圍，其具體的方案詳見表1。

表1油菜籽流化床干燥實(shí)驗(yàn)方案

2.2 方法

在每次油菜籽流化床干燥實(shí)驗(yàn)過程中，油菜籽用量為500 g，干燥結(jié)束時(shí)油菜籽的濕基含水率約取為7%(油菜籽安全儲藏的濕基含水率需小于8.09%[18])。相同條件下，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

2.2.1 樣品制備方法

從原材料中取出相應(yīng)量油菜籽，除雜后，稱取600 g油菜籽，加入相應(yīng)質(zhì)量的去離子水增濕至目標(biāo)濕基含水率(14.41%、21.49%、23.99%和29.72%)，置于自封袋內(nèi)混合均勻，密封后置于振蕩器上振蕩30 min，使水分與油菜籽混合均勻，充分吸收，最后將其置于4 ℃電子恒溫恒濕箱中放置48 h，期間取出1次搖晃均勻，使水分充分吸收至油菜籽內(nèi)部。測其濕基含水率，作為流化床干燥的樣品。樣品需增加水分的計(jì)算公式：

(1)

式中：mw為需加濕的水分質(zhì)量/g；m0為加濕前油菜籽的質(zhì)量/g；W0為加濕前油菜籽的濕基含水率/%；W1為加濕后油菜籽的濕基含水率/%。

2.2.2 油菜籽流化床干燥實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)前，將流化床干燥實(shí)驗(yàn)裝置先運(yùn)行10～20 min，同時(shí)從制備好的樣品中取出5 g(精度為0.001 g，下同)均勻放入1號稱量瓶中，作為干燥過程的第1組數(shù)據(jù)(即起始的含水率)。

當(dāng)流化床層內(nèi)溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度并穩(wěn)定后，從制備好的樣品中取出500 g放入流化床層內(nèi)，分別在不同干燥條件下(表1)進(jìn)行流化干燥。在油菜籽流化床干燥過程中，每隔1 min迅速采集1次試樣(5 g)，放入相應(yīng)編號的稱量瓶后蓋上瓶蓋，稱量，記錄數(shù)據(jù)，直到油菜籽濕基含水率約為7%時(shí)結(jié)束干燥實(shí)驗(yàn)。

干燥過程中某一時(shí)刻油菜籽的濕基含水率根據(jù)文獻(xiàn)[15]規(guī)定的方法進(jìn)行測定，按式(2)對油菜籽濕基含水率進(jìn)行計(jì)算分析。

(2)

式中：Mt為油菜籽在t時(shí)刻的濕基含水率/%；Wt為油菜籽在t時(shí)刻的油菜籽總質(zhì)量/g；Gc為干油菜籽的質(zhì)量/g。

2.2.3 油菜籽平衡含水率的測定

從流化床干燥好的油菜籽取出5組作為實(shí)驗(yàn)樣品，每組精確稱取5 g[精度為0.001 g(下同)]，放入恒溫恒濕環(huán)境[溫度為(20±2 ℃)，濕度為(25±3 %)]的實(shí)驗(yàn)室中繼續(xù)干燥18 h后，每隔2 h稱量1次，當(dāng)相鄰2次稱質(zhì)量差不超過0.005 g時(shí)，則認(rèn)為達(dá)到了動力學(xué)平衡狀態(tài)，此狀態(tài)下油菜籽的含水率即為平衡含水率。各種樣品的平衡含水率采用恒溫箱法，根據(jù)文獻(xiàn)[15]規(guī)定的方法進(jìn)行測定，按式(3)計(jì)算分析油菜籽平衡干基含水率。

(3)

3 干燥參數(shù)的計(jì)算方法

3.1 水分比

油菜籽在流化床干燥過程中，不同干燥時(shí)間油菜籽的水分比按式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(4)

式中：MR為水分比；M0為物料的濕基初始含水率/%。

3.2 水分有效擴(kuò)散系數(shù)

油菜籽在流化床干燥過程中，其水分有效擴(kuò)散系數(shù)通過簡化的Fick第二定律來進(jìn)行描述，其具體表達(dá)式見式(5)[19]：

(5)

式中：Deff為水分有效擴(kuò)散系數(shù)/m2/s；ds為油菜籽顆粒的粒徑/m；t為干燥時(shí)間/s。

由式(5)可知，油菜籽水分有效擴(kuò)散系數(shù)可由斜率法計(jì)算得到，即：

(6)

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合轉(zhuǎn)化為-ln(MR)-t，并進(jìn)行線性回歸擬合，根據(jù)式(6)計(jì)算出水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff。

3.3 活化能

水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff與絕對溫度T的相關(guān)性遵循Arrhenius公式[20-21]，即：

(7)

式中：D0為Arrhenius方程的指數(shù)前因子/m2/s；Ea為活化能/KJ/mol；T為絕對溫度/K；R為氣體常數(shù)/KJ/(mol·K)，取為8.314×10-3KJ/(mol·K)。

對式(7)兩邊取對數(shù)，可得：

(8)

由式(8)可知，對lnDeff與絕對溫度倒數(shù)(1/T)的進(jìn)行線性擬合，可由直線的斜率-Ea/R求得活化能Ea。

4 結(jié)果與分析

4.1 油菜籽流化床干燥水分?jǐn)U散規(guī)律的動力學(xué)分析

根據(jù)表1進(jìn)行油菜籽流化床干燥實(shí)驗(yàn)，分析不同油菜籽初始含水率、熱空氣流速和熱空氣溫度下油菜籽水分比隨干燥時(shí)間的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過線性回歸擬合轉(zhuǎn)化為-ln(MR)-t曲線，根據(jù)3.2節(jié)式(6)計(jì)算出相應(yīng)的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff，從而揭示水分有效擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律。

4.1.1 油菜籽初始含水率的影響

圖2 油菜籽初始含水率與水分有效擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系曲線

由圖2可以看出，油菜籽初始含水率為14.41%～29.72%之間所對應(yīng)的水分有效擴(kuò)散系數(shù)為6.485×10-10～10.133×10-10m2/s。水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著油菜籽初始含水率增大而增加，其中29.72 %油菜籽初始含水率的水分有效擴(kuò)散系數(shù)是14.41%的1.6倍。其主要原因在于：當(dāng)熱空氣流速和熱空氣溫度一定時(shí)，油菜籽初始含水率越大，油菜籽內(nèi)部水分通過擴(kuò)散作用向外遷移所需的推動力(水分濃度梯度)越大，則水分有效擴(kuò)散系數(shù)增加[22]。

4.1.2 熱空氣流速的影響

由圖3可以看出，熱空氣流速在1.75～2.25 m/s范圍內(nèi)所對應(yīng)的油菜籽流化床干燥水分有效擴(kuò)散系數(shù)在7.296×10-10～9.525×10-10m2/s之間；且熱空氣流速增加，水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大，其中2.25 m/s熱空氣流速的水分有效擴(kuò)散系數(shù)是1.75 m/s的1.3倍。其主要原因是：在熱空氣溫度及油菜籽初始含水率一定時(shí)，熱空氣流速越大，油菜籽流態(tài)化越好，其表面的熱空氣流速越快，油菜籽水分蒸發(fā)面上的熱空氣層越薄，使得水分傳遞的阻力減小，傳遞速率加快，則水分有效擴(kuò)散系數(shù)升高[23]。

圖3 熱空氣流速與水分有效擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系曲線

4.1.3 熱空氣溫度的影響

由圖4可以看出，熱空氣溫度在45～65 ℃范圍內(nèi)所對應(yīng)的水分有效擴(kuò)散系數(shù)在5.269×10-10～8.917×10-10m2/s之間。當(dāng)熱空氣溫度升高時(shí)，水分有效擴(kuò)散系數(shù)增加，65 ℃熱空氣溫度的水分有效擴(kuò)散系數(shù)是45 ℃的1.7倍。其可能原因在于：熱空氣溫度升高，濕空氣達(dá)到飽和所需的水蒸氣越多，傳質(zhì)推動力增大，加快水分蒸發(fā)，提高油菜籽降水速率，從而導(dǎo)致水分有效擴(kuò)散系數(shù)增加[24]。

圖4 熱空氣溫度與水分有效擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系曲線

4.2 油菜籽流化床干燥活化能

根據(jù)油菜籽在不同干燥溫度(45、50、55、60、65 ℃)下所得到的結(jié)果，繪制lnDeff與1/T的關(guān)系曲線圖，并對曲線進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，在一定溫度范圍內(nèi)lnDeff與1/T的線性擬合度較高(R2=0.977 3)，表明可用Arrhenius方程描述油菜籽的水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的變化關(guān)系。

圖5 lnDeff與1/T的關(guān)系曲線

根據(jù)3.3節(jié)式(8)可知，由圖8中直線的斜率-Ea/R求得活化能Ea，其斜率-Ea/R=-2 747.7，由此計(jì)算可得油菜籽的平均活化能為22.84 kJ/mol。

4.3 油菜籽流化床干燥失水規(guī)律的模擬

以熱空氣進(jìn)口溫度為65 ℃，熱空氣流速為2.25 m/s，初始干基含水率為29.72%油菜籽流化床干燥實(shí)驗(yàn)為例，選擇4個(gè)常用的非線性農(nóng)產(chǎn)品物料干燥數(shù)學(xué)模型(表2)來模擬油菜籽流化床干燥的失水規(guī)律。采用決定系數(shù)R2和離差平方和χ2評價(jià)指標(biāo)對模型的擬合度進(jìn)行評價(jià)，較大的決定系數(shù)R2和較小的離差平方和χ2是最佳模型的主要標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式[25]：

(9)

(10)

式中：MRexp,i為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值；MRpre,i為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的模型預(yù)測值；N為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；z為回歸模型中參數(shù)的個(gè)數(shù)。

表2 4種常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型

注：k、n、a和b模型參數(shù)；t為干燥時(shí)間/s。

4種模型模擬油菜籽流床化床干燥失水規(guī)律的具體模型參數(shù)、決定系數(shù)R2和離差平方和χ2見表3。由表中的決定系數(shù)R2和離差平方和χ2可知，以上4種干燥數(shù)學(xué)模型在一定精度范圍內(nèi)都可用于模擬油菜籽流化床干燥的失水規(guī)律。相比其他模型，在相同干燥條件下，Page模型所對應(yīng)的R2最大(0.999 3)、χ2最小(0.000 8)，擬合程度最好。因此，Page模型適用性最佳。

表3 干燥數(shù)學(xué)模型的擬合結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Page模型的正確性，本文另采用表1中其他干燥工藝條件進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步考查Page模型的擬合度，結(jié)果如圖6所示。由圖6

圖6 不同干燥工藝條件下Page模型的線性擬合

可以看出，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的各干燥條件下，ln[-ln(MR)]對lnt均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系(決定系數(shù)R2≥0.997)，Page模型預(yù)測的水分比與實(shí)驗(yàn)測得的水分比基本一致，其相對誤差≤5.4%。因此，Page模型能夠準(zhǔn)確地模擬油菜籽流化床干燥的失水規(guī)律。

5 結(jié)論

5.1 14.41%～29.72 %初始含水率、1.75～2.25 m/s熱空氣流速及45～65 ℃熱空氣溫度所對應(yīng)水分有效擴(kuò)散系數(shù)分別為6.485×10-10～10.133×10-10m2/s、7.296×10-10～9.525×10-10m2/s和5.269×10-10～8.917×10-10m2/s；水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著油菜籽初始含水率、熱空氣流速和熱空氣溫度增加而增大，其中29.72%初始含水率的水分有效擴(kuò)散系數(shù)是14.41%的1.6倍；2.25 m/s熱空氣流速的水分有效擴(kuò)散系數(shù)是1.75 m/s的1.3倍；65 ℃熱空氣溫度的水分有效擴(kuò)散系數(shù)是45 ℃的1.7倍。

5.2 Arrhenius方程可較好地描述油菜籽水分有效擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系；油菜籽流化床干燥的平均活化能為22.84 kJ/mol。

5.3 油菜籽流化床干燥失水規(guī)律可用Page模型準(zhǔn)確模擬，其決定系數(shù)R2≥0.997，相對誤差≤5.4%。