CN109271712A - 一种分段式干燥中的水分分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段式干燥中的水分分析方法，包括将待干燥物料在不同干燥条件下进行恒温恒速式干燥时的干燥时间及其的物料水分比，与多个干燥动力学模型进行拟合计算，从而确定出最佳干燥动力学模型；将所述不同干燥条件与所述最佳干燥动力学模型中干燥常数进行拟合计算，从而确定出所述干燥条件与所述干燥常数之间的函数方程；选择干燥阶段数及每个干燥阶段的干燥时间和干燥条件，然后代入所述最佳干燥动力学模型和所述干燥常数方程，从而得出该待干燥物料在该分段式干燥中的水分变化情况。本发明实施例能满足分段式干燥过程中复杂水分变化情况的分析检测需求，有利于设计、优化分段式干燥工艺，提高分段式干燥的产品质量与生产能效。
Description
技术领域
本发明涉及干燥技术领域，尤其涉及一种分段式干燥中的水分分析方法。
背景技术
干燥技术是应用最为广泛的农品加工技术之一，需要消耗大量热能。常用的热风干燥包括恒温恒速式干燥和分段式干燥。分段式干燥是依据被干燥物料的脱水特性，适时改变干燥温度或风速，这可以降低干燥能耗、缩短干燥时间、提高干燥品质，因此分段式干燥被广泛关注和应用。
分段式干燥的工艺设计与优化需要准确把握干燥过程中的水分变化情况，根据被干燥物料内部的水分比确定或修改分段式干燥过程中的阶段变化点和每一阶段的干燥条件，但是现有技术中没有适用于分段式干燥中的水分分析方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种分段式干燥中的水分分析方法，能够满足分段式干燥过程中复杂水分变化情况的分析检测需求，有利于设计、优化分段式干燥工艺，提高分段式干燥的产品质量与生产能效。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种分段式干燥中的水分分析方法，包括以下步骤：
步骤A、选择几组不同干燥条件，并将待干燥物料以每组干燥条件进行恒温恒速式干燥时的干燥时间和各干燥时间结束时的物料水分比，与多个干燥动力学模型进行拟合计算，从而选择拟合优度最好的模型作为该待干燥物料的最佳干燥动力学模型；
步骤B、根据步骤A中所选择的干燥条件确定出干燥条件范围，并根据所述最佳干燥动力学模型，将步骤A中所选择的干燥条件与所述最佳干燥动力学模型中干燥常数进行拟合计算，从而确定出所述干燥条件与所述干燥常数之间的函数方程；将该函数方程作为适用于所述干燥条件范围的干燥常数方程；
步骤C、选择分段式干燥的干燥阶段数以及每个干燥阶段的干燥时间，并从所述干燥条件范围内选择每个干燥阶段的干燥条件，然后代入所述最佳干燥动力学模型和所述干燥常数方程进行计算，从而得出该待干燥物料在该分段式干燥过程中的水分变化情况。
优选地，根据步骤A中所选择的干燥条件确定出干燥条件范围包括：从步骤A所选择的干燥条件中确定出每种干燥条件的最大值和最小值，从而将干燥条件范围确定为：每种干燥条件的取值不小于此种干燥条件的最小值且不大于此种干燥条件的最大值。
优选地，所述代入所述最佳干燥动力学模型和所述干燥常数方程进行计算包括：对于第一个干燥阶段，将待干燥物料的初始水分作为第一个干燥阶段的起始水分；将第一个干燥阶段的干燥条件代入所述干燥常数方程进行计算，从而得出第一个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数；然后将第一个干燥阶段的干燥时间和所述第一个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数代入所述最佳干燥动力学模型进行计算，从而得出第一个干燥阶段结束时的物料水分比。除第一个干燥阶段外，对于其余每一个干燥阶段，根据前一个干燥阶段结束时的物料水分比确定出该干燥阶段的起始水分，并将该干燥阶段的干燥条件代入所述干燥常数方程进行计算，从而得出该干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数；然后将该干燥阶段的干燥时间和所述该干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数代入所述最佳干燥动力学模型进行计算，从而得出该干燥阶段结束时的物料水分比。
优选地，所述的根据前一个干燥阶段结束时的物料水分比确定出该干燥阶段的起始水分包括：以前一个干燥阶段结束时的物料水分比作为该干燥阶段的起始水分。
优选地，所述的干燥动力学模型包括Henderson and Pabis模型、Lewis模型、Page模型、Two-terms模型、Modified Page模型、Wang and Singh模型。
优选地，所述干燥条件包括干燥温度和干燥气流风速，还可以包括干燥环境相对湿度、物料截面大小和物料薄层厚度中的至少一项。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所提供的分段式干燥中的水分分析方法先通过待干燥物料的恒温恒速式干燥数据计算出拟合优度最高的最佳干燥动力学模型，然后拟合出所述最佳干燥动力学模型中干燥常数与干燥条件之间的函数方程，再利用该函数方程和所述最佳干燥动力学模型对分段式干燥过程中各干燥阶段的水分变化情况进行分析，并基于分段式干燥阶段交替时水分质量守恒定理确定每个干燥阶段的水分起始点，从而能够得出每个干燥阶段结束时的物料水分比，进而能够得出整个分段式干燥过程的水分分析图，准确判断出分段式干燥过程中任意时刻的物料水分，这满足了分段式干燥中复杂水分变化情况的水分分析需求，十分有利于设计、优化分段式干燥工艺，提高分段式干燥的产品质量与生产能效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例1所提供的分段式干燥水分分析图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的分段式干燥中的水分分析方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
一种分段式干燥中的水分分析方法，可以包括以下步骤：
步骤A、选择几组不同干燥条件，并将待干燥物料以每组干燥条件进行恒温恒速式干燥时的干燥时间和各干燥时间结束时的物料水分比，与多个干燥动力学模型进行拟合计算，从而选择拟合优度最好的模型作为该待干燥物料的最佳干燥动力学模型。
步骤B、根据步骤A中所选择的干燥条件确定出干燥条件范围，并根据所述最佳干燥动力学模型，将步骤A中所选择的干燥条件与所述最佳干燥动力学模型中干燥常数进行拟合计算，从而确定出所述干燥条件与所述干燥常数之间的函数方程；将该函数方程作为适用于所述干燥条件范围的干燥常数方程。
步骤C、选择分段式干燥的干燥阶段数以及每个干燥阶段的干燥时间，并从所述干燥条件范围内选择每个干燥阶段的干燥条件，然后代入所述最佳干燥动力学模型和所述干燥常数方程进行计算，从而得出该待干燥物料在该分段式干燥过程中的水分变化情况。
具体地，该分段式干燥中的水分分析方法可以包括以下实施方案：
(1)所述的干燥条件包括干燥温度和干燥气流风速，还可以包括干燥环境相对湿度、物料截面大小、物料薄层厚度中的至少一项。
(2)本发明所述的“待干燥物料以每组干燥条件进行恒温恒速式干燥时的干燥时间和各干燥时间结束时的物料水分比”是指对应每组选择的干燥条件，在待干燥物料以该干燥条件进行恒温恒速式干燥时选取至少一组干燥时间及该干燥时间结束时的物料水分比；例如：以西洋参作为待干燥物料，选择以下几组不同的干燥条件：第一组干燥条件是“干燥温度为35℃、干燥气流风速为1.5m/s”，第二组干燥条件是“干燥温度为35℃、干燥气流风速为2.5m/s”，第三组干燥条件是“干燥温度为45℃、干燥气流风速为1.5m/s”，第四组干燥条件是“干燥温度为45℃、干燥气流风速为2m/s”；在待干燥物料以第一组干燥条件进行恒温恒速式干燥时，干燥70h后西洋参水分比为0.00454；在待干燥物料以第二组干燥条件进行恒温恒速式干燥时，干燥70h后西洋参水分比为0.00417；在待干燥物料以第三组干燥条件进行恒温恒速式干燥时，干燥70h后西洋参水分比为0.00428；在待干燥物料以第四组进行恒温恒速式干燥时，干燥70h后西洋参水分比为0。在实际应用中，待干燥物料以某组干燥条件进行恒温恒速式干燥时，选定干燥时间结束时的物料水分比可以采用现有技术进行检测。
(3)所述干燥动力学模型可以采用现有技术中的Henderson and Pabis模型、Lewis模型、Page模型、Two-terms模型、Modified Page模型、Wang and Singh模型等半经验模型，这几个模型的模型方程如下表1所示：
表1
注：表1中的MR表示水分比，t表示干燥时间，a、b、n、k、k0、k1均为干燥常数。
(4)所述的拟合计算可以采用现有技术中的各类线性拟合或非线性拟合。
(5)所述的根据步骤A中所选择的干燥条件确定出干燥条件范围包括：从步骤A所选择的不同干燥条件中确定出每种干燥条件的最大值和最小值，从而将干燥条件范围确定为：每种干燥条件的取值不小于此种干燥条件的最小值且不大于此种干燥条件的最大值。例如：上述西洋参例子中，选择了以下几组干燥条件：第一组干燥条件是“干燥温度为35℃、干燥气流风速为1.5m/s”、第二组干燥条件是“干燥温度为35℃、干燥气流风速为2m/s”、第三组干燥条件是“干燥温度为35℃、干燥气流风速为2.5m/s”、第四组干燥条件是“干燥温度为45℃、干燥气流风速为1.5m/s”，其中只有干燥温度和干燥气流风速两种干燥条件，并且干燥温度的最小值为35℃、干燥温度的最大值为45℃，干燥气流风速的最小值为1.5m/s、干燥气流风速的最大值为2.5m/s，从而应将干燥条件范围确定为：35℃≤干燥温度≤45℃，1.5m/s≤干燥气流风速≤2.5m/s。
(6)所述的代入所述最佳干燥动力学模型和所述干燥常数方程进行计算包括：
①对于第一个干燥阶段，第一个干燥阶段的起始时间点为零，待干燥物料的初始水分作为第一个干燥阶段的起始水分；将第一个干燥阶段的干燥条件代入所述干燥常数方程进行计算，从而得出第一个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数；然后将第一个干燥阶段的干燥时间和第一个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数代入所述最佳干燥动力学模型进行计算，从而得出第一个干燥阶段结束时的物料水分比。
②除第一个干燥阶段外，对于其余每一个干燥阶段，根据前一个干燥阶段结束时的物料水分比确定出该干燥阶段的起始时间点和起始水分，并将该干燥阶段的干燥条件代入所述干燥常数方程进行计算，从而得出该干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数；然后将该干燥阶段的干燥时间和该干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数代入所述最佳干燥动力学模型进行计算，从而得出该干燥阶段结束时的物料水分比。在实际应用中，基于分段式干燥阶段交替时水分质量守恒定理，可以将前一个干燥阶段结束时的物料水分比直接作为该干燥阶段的起始水分。
③当每个干燥阶段结束时的物料水分比都计算出来后，就可以得出整个分段式干燥过程的水分分析图，实现分段式干燥中的水分分析。
进一步地，本发明所提供的分段式干燥中的水分分析方法先通过待干燥物料的恒温恒速式干燥数据计算出拟合优度最高的最佳干燥动力学模型，然后拟合出所述最佳干燥动力学模型中干燥常数与干燥条件之间的函数方程，再利用该函数方程和所述最佳干燥动力学模型分析分段式干燥过程中各干燥阶段的水分变化情况，并基于分段式干燥阶段交替时水分质量守恒定理确定每个干燥阶段的水分起始点，从而能够每个干燥阶段结束时的物料水分比，进而得出整个分段式干燥过程的水分分析图，实现分段式干燥中的水分分析。
综上可见，本发明实施例能够满足分段式干燥过程中复杂水分变化情况的分析检测需求，有利于设计、优化分段式干燥工艺，提高分段式干燥的产品质量与生产能效。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的分段式干燥中的水分分析方法进行详细描述。
实施例1
一种分段式干燥中的水分分析方法，可以包括以下步骤：
步骤A1、以西洋参作为待干燥物料，并根据《西洋参快速干燥技术研究》(出自《吉林大学》的2006年硕士论文，作者纪庆晓)中的八组西洋参恒温恒速式干燥实验结果数据，将这八组干燥条件下的干燥时间和各干燥时间结束时的物料水分比，分别与Hendersonand Pabis模型、Lewis模型、Page模型、Two-terms模型、Modified Page模型、Wang andSingh模型这六个半经验干燥动力学模型进行拟合计算，该拟合结果如下表2和表3所示：
表2
表3
注：在表2和表3中，MR表示水分比，t表示干燥时间，R2表示拟合优度，a、b、n、k、k0、k1均为干燥常数。
由表2和表3所示的拟合结果可知：Modified Page模型和Page模型的拟合优度最高且相同；在此基础上对这两个模型的另一拟合优度RSS值进行对比，其结果如表4所示：
表4
由表4可知：Modified Page模型的RSS值更小，即Modified Page模型的拟合优度最好，从而将Modified Page模型MR＝exp[-(kt)n]作为西洋参的最佳干燥动力学模型。
步骤B1、根据步骤A1中所选择的干燥条件确定出干燥条件范围(该干燥条件范围确定为：35℃≤干燥温度≤55℃，1.5m/s≤干燥气流风速≤2.5m/s)，并根据所述最佳干燥动力学模型MR＝exp[-(kt)n]，将步骤A1中所选择的干燥条件与所述最佳干燥动力学模型中干燥常数进行拟合计算，拟合计算公式(公式1和公式2)如下：
k＝x1+x2T+x3V (公式1)
n＝y1+y2T+y3V (公式2)
上述公式1和公式2中，k、n均为最佳干燥动力学模型MR＝exp[-(kt)n]的干燥常数，T表示干燥温度，V表示干燥气流风速，x1、x2、x3、y1、y2、y3均为未知数；从而可以确定出所述干燥条件与所述干燥常数之间的函数方程，如下面公式3和公式4所示：
k＝-0.081+0.004T+0.015V (公式3)
n＝3.163-0.033T-0.264V (公式4)
上述公式3和公式4中，k、n均为最佳干燥动力学模型MR＝exp[-(kt)n]的干燥常数，T表示干燥温度，V表示干燥气流风速；将这两个函数方程(即公式3和公式4)作为适用于“35℃≤干燥温度≤55℃，1.5m/s≤干燥气流风速≤2.5m/s”这一干燥条件范围的干燥常数方程。
步骤C1、将西洋参分段式干燥的干燥阶段数设为2段，第一个干燥阶段的干燥时间是1.5小时，第一个干燥阶段的干燥条件是“干燥温度为40℃，干燥气流风速为2m/s”，第二个干燥阶段的干燥时间是7.5小时，第二个干燥阶段的干燥条件是“干燥温度为55℃，干燥气流风速为1m/s”。
步骤D1、第一个干燥阶段的起始时间点为零，将待干燥物料的初始水分1.0％作为第一个干燥阶段的起始水分；将第一个干燥阶段的干燥条件(即“干燥温度为40℃，干燥气流风速为2m/s”)代入所述干燥常数方程(即公式3和公式4)进行计算，从而得出第一个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数；将第一个干燥阶段的干燥时间(即1.5小时)和所述第一个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数代入所述最佳干燥动力学模型(即MR＝exp[-(kt)n])进行计算，从而得出第一个干燥阶段结束时的物料水分比为0.916。
步骤E1、基于分段式干燥阶段交替时水分质量守恒定理，可以将第一个干燥阶段结束时的物料水分比直接作为第二个干燥阶段的起始水分。将第二个干燥阶段的干燥条件(即“干燥温度为55℃，干燥气流风速为1m/s”)代入所述干燥常数方程(即公式3和公式4)进行计算，从而得出第二个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数；将第二个干燥阶段的干燥时间(即7.5小时)和所述第二个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数代入所述最佳干燥动力学模型(即MR＝exp[-(kt)n])进行计算，从而得出第二个干燥阶段结束时的物料水分比为0.351。
具体地，根据步骤C1、步骤D1和步骤E1可以得出如图1所示的分段式干燥水分分析图。如图1所示，西洋参的该分段式干燥过程分成两个干燥阶段，即曲线1和曲线2。曲线1是分段式干燥过程中第一个干燥阶段所选择干燥条件下的干燥动力学模型曲线，其实线oa段是第一个干燥阶段实际干燥过程，干燥用时△toa，虚线部分是未参与过程。基于分段式干燥阶段交替时水分质量守恒定理，第一个干燥阶段向第二个干燥阶段转变过程中，第二个干燥阶段的起始点(即b点)与第一个干燥阶段终止点(即a点)的水分比相同，因此曲线2上的b点与曲线1上的a点对应的纵轴位置相同。曲线2是分段式干燥过程中第二个干燥阶段所选择干燥条件下的干燥动力学模型曲线，其实线bc段是第二个干燥阶段实际干燥过程，干燥用时△tbc，虚线部分是未参与过程。西洋参的该分段式干燥过程中全部干燥用时为第一阶段干燥用时△toa与第二阶段干燥用时△tbc之和。根据该分段式干燥水分分析图可以准确判断出该分段式干燥过程中任意时刻的西洋参水分，这满足了分段式干燥中复杂水分变化情况的水分分析需求。
进一步地，在本发明实施例1在实施过程中，西洋参分段式干燥的干燥阶段数可以根据需求分成更多分段，只需先确定每个干燥阶段的干燥时间和干燥条件，再按照本发明的上述内容对除第一个干燥阶段外的每一个干燥阶段重复以上步骤E1的过程即可。
综上可见，本发明实施例能够满足分段式干燥过程中复杂水分变化情况的分析检测需求，有利于设计、优化分段式干燥工艺，提高分段式干燥的产品质量与生产能效。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种分段式干燥中的水分分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、选择几组不同干燥条件，并将待干燥物料以每组干燥条件进行恒温恒速式干燥时的干燥时间和各干燥时间结束时的物料水分比，与多个干燥动力学模型进行拟合计算，从而确定出该待干燥物料的最佳干燥动力学模型；
步骤B、根据步骤A中所选择的干燥条件确定出干燥条件范围，并根据所述最佳干燥动力学模型，将步骤A中所选择的干燥条件与所述最佳干燥动力学模型中干燥常数进行拟合计算，从而确定出所述干燥条件与所述干燥常数之间的函数方程；将该函数方程作为适用于所述干燥条件范围的干燥常数方程；
步骤C、选择分段式干燥的干燥阶段数以及每个干燥阶段的干燥时间，并从所述干燥条件范围内选择每个干燥阶段的干燥条件，然后代入所述最佳干燥动力学模型和所述干燥常数方程进行计算，从而得出该待干燥物料在该分段式干燥过程中的水分变化情况。
2.根据权利要求1所述的分段式干燥中的水分分析方法，其特征在于，所述的根据步骤A中所选择的干燥条件确定出干燥条件范围包括：从步骤A所选择的干燥条件中确定出每种干燥条件的最大值和最小值，从而将干燥条件范围确定为：每种干燥条件的取值不小于此种干燥条件的最小值且不大于此种干燥条件的最大值。
3.根据权利要求1和2所述的分段式干燥中的水分分析方法，其特征在于，所述的代入所述最佳干燥动力学模型和所述干燥常数方程进行计算包括：
对于第一个干燥阶段，将待干燥物料的初始水分作为第一个干燥阶段的起始水分；将第一个干燥阶段的干燥条件代入所述干燥常数方程进行计算，从而得出第一个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数；然后将第一个干燥阶段的干燥时间和所述第一个干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数代入所述最佳干燥动力学模型进行计算，从而得出第一个干燥阶段结束时的物料水分比；
除第一个干燥阶段外，对于其余每一个干燥阶段，根据前一个干燥阶段结束时的物料水分比确定出该干燥阶段的起始水分，并将该干燥阶段的干燥条件代入所述干燥常数方程进行计算，从而得出该干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数；然后将该干燥阶段的干燥时间和所述该干燥阶段中最佳干燥动力学模型的干燥常数代入所述最佳干燥动力学模型进行计算，从而得出该干燥阶段结束时的物料水分比。
4.根据权利要求1和2所述的分段式干燥中的水分分析方法，其特征在于，所述的根据前一个干燥阶段结束时的物料水分比确定出该干燥阶段的起始水分包括：以前一个干燥阶段结束时的物料水分比作为该干燥阶段的起始水分。
5.根据权利要求1和2所述的分段式干燥中的水分分析方法，其特征在于，所述的干燥动力学模型包括Henderson and Pabis模型、Lewis模型、Page模型、Two-terms模型、Modified Page模型、Wang and Singh模型。
6.根据权利要求1和2所述的分段式干燥中的水分分析方法，其特征在于，所述干燥条件包括干燥温度和干燥气流风速。
7.根据权利要求6所述的分段式干燥中的水分分析方法，其特征在于，所述干燥条件还包括干燥环境相对湿度、物料截面大小和物料薄层厚度中的至少一项。
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