柿果浆低温喷雾干燥数值模拟与试验

杜 静,刘 滔,徐 泽,李春美,2,*

(1.华中农业大学食品科技学院,湖北武汉 430070;2.华中农业大学环境食品学教育部重点实验室,湖北武汉 430070)

柿果浆低温喷雾干燥数值模拟与试验

杜 静1,刘 滔1,徐 泽1,李春美1,2,*

(1.华中农业大学食品科技学院,湖北武汉 430070;2.华中农业大学环境食品学教育部重点实验室,湖北武汉 430070)

利用计算机流体力学及算法建立喷雾干燥机结构模型及气体连续相、液滴离散相等数值计算模型,得到柿果浆低温喷雾干燥过程中气相流场、温度场、压力场和颗粒运动轨迹等信息,分析了进风温度和进料速率对喷雾干燥柿粉的水分含量、集粉率和喷雾干燥机出风温度的影响,并将模拟结果与实验结果进行对比。结果表明,水分含量和出风温度的模拟值与实验值接近,且变化规律相同。结合数值模拟和正交实验结果,确定柿果浆最佳低温喷雾干燥工艺参数组合为进风温度388 K、入口进风量0.05 m3/s、进料速率为4.5×10-3L/s,实验集粉率为78.14%。

柿果浆,喷雾干燥,数值模拟,实验验证

柿甘甜多汁、营养丰富[1-2],但保鲜期短,极易腐烂[3-4]。若将其制成柿全粉不但利于贮藏,还能广泛作为配料,开发多种产品[5]。喷雾干燥效率高,能很好地保留果蔬的营养和风味,且产品颗粒均匀细小,分散性和速溶性好,是果蔬粉工业化加工的好方法[6-8]。但柿果小分子糖和有机酸含量高[2],喷雾干燥时易粘壁;热敏性成分含量高,易损失,所以优化喷雾干燥工艺参数非常重要。目前水果喷雾干燥工业化要经过实验-中试-生产调试,工作量大,周期长,费用高,且效果不理想。此外,干燥室中空气的流速和温度,颗粒的大小、运动轨迹和温度的测定非常困难,所以常用数值模拟的方法[9]。数值模拟不但可预测及监测干燥过程中干燥温度和颗粒的运动,而且可优化喷雾干燥工艺参数,减少实验次数、人力、物力和财力[10]。计算机流体力学(the computational fluid dynamics,CFD)用于喷雾干燥过程理论的研究较多,但针对某种水果喷雾干燥过程模拟和工艺优化的研究相对较少。马景林等[11]研究了蜂蜜混合液离心喷雾干燥过程,建立了雾化、水分蒸发、气固两相运动等CFD模型,拟合了干燥过程水分蒸发和颗粒运动情况。Roustapour等[8]用CFD模拟了酸橙汁的喷雾干燥动力学,研究了酸橙汁喷雾干燥过程颗粒分布和水分蒸发情况。但CFD在其他水果喷雾干燥过程的研究尚未见报道。本研究利用CFD模拟柿果浆低温喷雾干燥过程,并优化了喷雾干燥工艺参数,通过实验验证,旨在确定柿果浆低温喷雾干燥数值模拟的可行性。

图1 喷雾干燥机图Fig.1 The graph of the spray dryer注:a:喷雾干燥机结构图,b:喷雾干燥器结构模型图,c:喷雾干燥器网格图。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

恭城月柿 购于湖北省武汉市武昌区沙湖果品批发市场,产地广西恭城;阿拉伯树胶 食品级 北京凤礼精求商贸有限责任公司;辛烯基琥珀酸淀粉钠食品级 广州华汇生物实业有限公司;浓缩乳清蛋白食品级 天津中孚国际集团有限公司。

HJE880型打浆机 德国海氏公司;HH-2型数显恒温水浴锅 常州国华电器有限公司;HX1002Z型电子天平 慈溪市天东衡器厂;JM-L50 型胶体磨 温州市七星乳品设备厂;JHG-54-P60型均质机 上海金山张堰均质机有限公司;101-2AB型干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;YC-1000型喷雾干燥机 上海雅程仪器设备有限公司;2500 hot disk型导热仪 瑞典凯戈纳斯有限公司;Brookfield DV2 Pro型粘度计 美国博勒飞公司。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备 -20 ℃冻藏的成熟恭城月柿-清洗-解冻(3 h,25 ℃)-打浆(5 min)-一层纱布过滤(除去少量柿皮)-胶体磨-加入助剂(15%复配助剂)-均质(30 MPa,2次)-喷雾干燥喷雾干燥结束后立即收集喷雾干燥机中的样品(主要在接料斗和干燥室),并及时测定样品的水分含量,防止吸潮。

1.2.2 水分含量测定 实验值:参考GB8858-1988 水果、蔬菜产品中干物质和水分含量的测定;模拟值:单位质量的物料中的水分减去蒸发去除的水分后,剩下的水分的量,由CFD数值求解得到。

1.2.3 集粉率 实验值:集粉率=喷雾干燥后收集粉的总重/(柿果浆总固形物的质量+加入的助剂的质量)×100%。模拟值:除去随热空气损失的物料后,剩下的物料占总物料的百分比,由CFD数值计算得到。

1.2.4 出风口温度 实验值:喷雾干燥机显示的出风口温度。模拟值:通过计算机模拟利用软件数值求解得到。

1.2.5 单因素实验 在入口进风量0.05 m3/s,进料速率4.5×10-3L/s的条件下,研究不同进风温度(373、388、403 K)对柿粉的水分含量、出风温度和集粉率的影响。

在入口进风量0.05 m3/s,进风温度388 K的条件下,研究不同进料速率(1.5×10-3、3.0×10-3、4.5×10-3L/s)对柿粉的水分含量、出风温度和集粉率的影响。

1.2.6 喷雾干燥工艺优化 通过正交实验确定喷雾干燥最佳工艺条件,因素水平见表1。

表1 柿果低温喷雾干燥工艺因素水平表

1.2.7 统计分析 用spss 16.0对实验结果进行分析,结果用平均值±标准差的形式表示,用单因素方差分析分析结果的显著,p<0.05表示显著。

1.3 模型的建立

1.3.1 物理模型建立 以实验用喷雾干燥机(YC-1000)为对象,通过对实体模型实地测量,获得喷雾干燥机相关几何尺寸(如图1a),然后利用三维建模软件建立模型,如图1b所示。网格生成是数值模拟最重要的一步,本文基于有限体积法计算生成网格[12]。采用广泛适用的四面体非结构化网格技术对喷雾干燥设备实体模型进行划分,将构建的几何体进行网格化如图1c所示,本文模型生成的网格总约为32万多个。

表2 离散相材料特性及雾化器喷嘴参数

1.3.2 数学计算模型建立 CFD作为一种模拟工具,通过模拟干燥塔内气体连续相和液滴离散相的流动,数值求解流体运动和传热传质的三大守恒定律,预测流体的动量、热量和质量的转移,预测体系内速度、温度及压力分布轮廓,掌握喷雾干燥塔内的空气流、温湿度分布及液滴轨迹,对于研究不同条件如空气流速雾化方式进料速度等对喷雾干燥过程的影响具有重要意义。通过模拟干燥塔内的流体分布情况,可以避免塔内物料结块,减少产品损失和清洗时间[13-14]。

1.3.2.1 气体连续相 干燥过程中,气相占据大量容积,且分布于整个干燥机中,因此将热空气视为连续相。喷雾干燥塔内气体湍流流动时均特性的连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程可以用欧拉方程,K-ε标准模型来描述,其控制方程为三维湍流方程,以上各方程可用通式表示:

式(1)

式(1)中,ρ是流体密度,φ是通用变量,可用来表示气体焓、气体质量分数、速度、湍流动能和湍流动能耗散率等,μφ为输运系数,uj是φ的速度;Sφ包括气相作用源项以及气体与颗粒间的作用源项[15]。

1.3.2.2 液滴离散相 将柿浆液滴视为离散相,并将其看作离散存在的一个个圆球形颗粒。离散相模型采用欧拉-拉格朗日法求解颗粒运动方程的运动模型。首先计算连续相流场,然后给定颗粒初始速度进入特定单元,再结合流场单元,根据流场单元求解有限体积内颗粒的受力情况,从而确定颗粒的绝对速度,然后再在时间间隔dt内对颗粒速度积分,最终获得颗粒dt后的绝对位置,由此可以跟踪每一个颗粒的运动轨迹获得整个流场和离散相颗粒运动的详细信息。通过对基于拉格朗日描述的微粒作用力微分方程进行积分来求解离散相颗粒的轨迹。颗粒运动平衡方程在笛卡尔坐标系下的公式为:

式(2)

式(2)中,μ是流体速度,μp是液滴速度,ρ是流体密度,ρp是液滴密度;方程右边第一项和第二项分别是单位质量颗粒在该方向上所受的气体曳力和重力;第三项一般包括布朗力、浮力等。在喷雾干燥中,一般只考虑热风、冷风对喷雾颗粒的阻力和颗粒自身的重力和浮力,其它力则忽略不计[15-16]。从以上公式中可获得颗粒任意时刻的速度,然后通过速度对时间积分便可获得颗粒运动轨迹方程,最后通过颗粒运动轨迹方程跟踪喷雾干燥过程中颗粒在任意时刻的位置和各时间段的轨迹等。

颗粒与热空气的热量传输模型可用下式描述:

式(3)

式(3)中:mp为液滴的质量,cp为液滴的比热容,Tp为液滴的温度,h为对流换热系数,Ap为液滴的表面积,Tg为热空气的温度,λw为汽化潜热[15]。

上述流体动力学控制方程、颗粒运动模型和气体颗粒热量传递模型构成了喷雾干燥过程中的所有数学控制模型。

喷雾干燥器中物料颗粒和热风耦合的模拟很复杂,首先在喷雾干燥器三维模型中采用RNG k-ε两方程的湍流模型、基于SIMPLEC算法来计算连续相流场,然后采用离散相模型及基于压力-旋流喷嘴雾化模型对离散相进行模拟相关参数见表1,从而得到液滴在干燥塔内部分布情况。

1.3.3 边界条件的确定 干燥塔入口边界为热空气,设置气体流动速度为热空气的进口速度。考虑到所有变量在出口截面处轴向梯度为零,因此用流出量作为出口边界条件。颗粒出口边界条件:颗粒有两个出口,一是随气流从排风管出去;二是在重力作用下由塔底部出去,边界条件设置为颗粒逃逸。壁面边界条件选用无滑移边界条件。同时为了便于得到通道的热风体积流量,把每个通道出口面设为内部。离散相喷射模型采用压力-旋流雾化模型。热空气进口以及压力出口的边界条件设置均包括水力直径Dh和湍流强度的计算。其中水力直径Dh的计算公式为:

式(4)

式(4)中,x为湿周,即流体与固体接触部分的边界长度;A为过流断面的面积[16-17]。

2 结果与分析

2.1 喷雾干燥模型求解结果

气相流场、温度场和颗粒运动轨迹等信息,一方面为喷雾干燥器的设计和干燥过程的优化提供理论依据[18],另一方面可以验证模型建立是否合理。

图2 喷雾干燥模型求解结果Fig.2 The results of spray drying model注:a:速度流线图;b：对称截面温度场分布图;c:对称截面压力分布图;d:两颗粒运动轨迹图;e:高风速下离散相颗粒的轨迹图。

2.1.1 气相流场 由喷雾干燥机内空气速度流线图(图2a)可知,在干燥塔底部空气流速由0.4 m/s很快减小到0.1 m/s,这是因为干燥塔底部靠近空气进口处均存在涡旋。涡旋可增加对喷雾液滴的扰动,同时增加气液两相的接触面积,提高干燥效率。从干燥塔底进入的热空气与塔中部的喷雾源相遇后,形成涡流,细小的喷雾液滴颗粒被涡流卷吸进行热量交换而完成干燥过程,同时被热空气带走。在干燥塔内部流速均匀,但在干燥塔与旋风分离器的连接处流速急速增大至0.8 m/s,这是因为气固两相流相遇通过侧部管道后进入旋风分离器,横截面积减小,气流的速度逐渐增大。在旋风分离器内气流通过加速带动干燥后的颗粒旋转,部分下落到底端的收集器中,部分粘在旋风分离器上,而气相部分则由出风口流出。实验收集柿粉时发现,粘壁的柿粉主要集中在进风口上部喷嘴下部的锥形部分和旋风分离器的圆柱形部分,这可能与气相流场的涡流及旋风分离器内气流引起的颗粒旋转有关。

表3 进风温度对出风温度、水分含量和集粉率影响的模拟和实验结果比较

注:表中同列不同小写字母表示α=0.05水平上差异显著，表4同。

表4 进料速度对出风温度、水分含量和集粉率的影响的模拟结果和实验结果的比较

2.1.2 温度场 由图2b可见,热空气进口处温度最高约380 K,在喷嘴附近温度迅速降低且喷嘴周围温度梯度变化较大,由能量守恒定律知,在喷嘴附近喷入的湿物料液滴与热空气进行了强烈的传热传质过程[19]。热空气进出口温度差较大约20 K,说明液滴充分吸收了热空气的热量,有利于液滴的干燥。

2.1.3 压力场 如图2c所示,喷雾干燥机内的压力场分布基本均匀约1.1 Pa,可保证干燥塔内颗粒流整体运动不发生碰撞,而旋风分离器内尤其是上部压力呈非均匀分布,且随旋风分离器直径的减小压力急剧下降,在轴心处压力最低接近于0 Pa。从旋风分离器的器壁到其轴心处存在很大的压力梯度,该压力梯度使得流体及颗粒做向心运动[16]。旋风分离器中压力场的情况可用于解释实验中柿粉螺旋状粘壁分布。

2.1.4 液滴运行轨迹 干燥塔的CFD模拟中单个颗粒干燥过程的预测非常重要,因为它显著影响模拟结果的三个方面。第一,决定终产品的水分含量。实际操作中,水分含量会影响产品质量的许多方面如粒径。第二,由于干燥过程中质量的变化而影响颗粒的轨迹。最后,干燥过程预测碰撞过程中干燥颗粒的状态[20]。由两个已选定颗粒的运动轨迹(如图2d)可知,其中一个颗粒在“短路流”的输运下由排气管直接排出,另一个则在离心力和重力的作用下,运动至旋风分离器底部被收集起来,该图在一定程度上反映了颗粒在旋风分离器内的流动规律,即做向下螺旋运动或向上螺旋运动[16]。颗粒的运动轨迹进一步解释了旋风分离器中粘壁颗粒的螺旋分布。

但是如果进风口风速过大则会出现如图2e所示,颗粒未经旋风分离器立即随气流排出。

2.2 模拟与实验单因素结果比较

进风温度和进料速率对出风温度、柿粉水分含量和集粉率的影响如表3和表4。可见,从绝对值来看,不同温度和进料速率条件下出风温度的模拟值大于实验值,水分含量模拟值小于实验值,这可能是因为喷雾干燥提供的热量不能全部用于干燥,如壁面热量损失,致使出风温度的实验值小于模拟值,柿粉水分含量的实验值大于模拟值。但水分含量和出风温度的模拟值与测定值变化趋势一致,该测定结果与马景林的结果相同[11]。随进风温度的增加出风温度的模拟值和实验值都增加,水分含量模拟值和实验值都减小;随进料速度的增加出风温度的模拟值和实验值都减小,水分含量模拟值和实验值都增加,与理论相符。从集粉率的结果可看出,实验值小于模拟值,这是因为模拟集粉率没有去除颗粒与壁面碰撞时粘壁引起的集粉率的降低,且有少量柿粉收集过程中损失。随温度的升高,模拟集粉率的结果有所增加但增加值相对较小,而测定的集粉率值先升高再减小,收集粉时发现热熔性粘壁[21],即柿粉在干燥条件下熔融形成胶状结构的物质不是粉的形式粘附在干燥塔上,不能得到,所以集粉率相对有所减小,这可能是干燥温度为403 K时温度太高。随进料速率的升高,集粉率的模拟值稍有增加,而实验集粉率先升高后略有降低,但差别不大。

2.3 模拟与实验正交实验结果

为了进一步验证数值模拟能否用于喷雾干燥条件优化,设计了正交实验。由单因素实验结果知,水分含量和出风口温度模拟值与实验值差别不大,所以选择集粉率为正交工艺条件优化指标,通过比较模拟和实验的正交实验结果,得到最优的工艺条件。

由表5数值模拟的正交结果和表6方差分析结果知,这三个因素对模拟集粉率的影响依次为:B>C>A,即:

表5 柿果低温喷雾干燥正交实验结果

入口进风量>进料速率>进风温度,喷雾干燥工艺的最佳组合为A2B1C3,即以进风温度388 K,入口进风量0.033 m3/s,进料速率为4.5×10-3L/s,且这三个因素的影响不显著。通过验证得到该条件下模拟集粉率为85.3%,实验集粉率为76.62%。由表5中实验正交结果和表6方差分析结果知,这三个因素对实验集粉率的影响依次为:A>C>B,即:进风温度>进料速率>进风量。喷雾干燥工艺的最佳组合为A2B2C3,即以进风温度388 K,入口进风量0.05 m3/s,进料速率为4.5×10-3L/s,且进风温度影响显著,进风量和进料速度影响不显著。通过验证得到该条件下模拟集粉率84.6%,实验集粉率为78.14%。通过对比模拟和实验最佳条件下模拟和实验的集粉率,发现两个模拟集粉率和两个实验集粉率之间都相差不大,但在实验条件下实际得到的集粉率略高,所以最终确定最佳的喷雾干燥工艺条件是进风温度388 K,入口进风量0.05 m3/s,进料速率为4.5×10-3L/s。

表6 柿果低温喷雾干燥正交实验方差分析

3 结论

本文用数值模拟了喷雾干燥的不同进风温度和进料速度对柿粉水分含量、集粉率和出风温度的影响,并优化了喷雾干燥条件,同时用实验验证,结果表明模拟值能反映物料的实际干燥情况,可为干燥过程的优化提供参考。本研究结果表明,柿果浆最佳低温喷雾干燥工艺参数组合为进风温度388 K、入口进风量0.05 m3/s、进料速率为4.5×10-3L/s,在此条件下,集粉率可达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

杜静(1989-)，女，硕士研究生，主要从事农产品加工研究，E-mail：dj890520@126.com。

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

公益性行业专项“现代柿产业关键技术研究与试验示范”(201203047)；武汉市科技攻关项目“柿子低温喷雾干燥新技术及系列产品开发”(20130205010186)。

TS205

B

1002-0306(2015)21-0237-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.041