基于离散元法（DEM）与动态决策模型（DDM）耦合方法的糙米加湿工艺放大研究

《Powder Technology》：Scale-up of the brown rice humidification process based on DEM-DDM coupling approach

糙米增湿过程通过DEM-DDM耦合模型实现基于弗劳德数的尺度放大，确保喷洒区曝光一致性，提升湿度分布均匀性。

　　

朱亚东|穆中秋|卢一帆|冯晓明|田贵忠|张斌|孟向义

江苏科技大学机械工程学院，镇江212100，中国

摘要

对糙米进行加湿对于提高碾磨质量和发芽均匀性至关重要。然而，在糙米加湿过程放大过程中，颗粒运动和喷雾特性的非线性变化使得无法直接将实验室的最佳结果应用于工业规模生产。本研究开发了一种基于离散元方法（DEM）和滴灌模型（DDM）的放大模型，通过确保每次通过喷雾区域时颗粒都能受到均匀的喷雾处理来实现等效的加湿效果。研究结果表明，基于圆周速度的放大方法会导致颗粒表面速度增加、轴向混合减少以及由于颗粒翻转受限和喷雾区域暴露不均而导致的加湿不均匀。相比之下，基于弗劳德数（Froude number）的放大方法更好地保持了不同尺度下的颗粒流动模式和混合行为，从而实现了更均匀的水分分布和喷雾区域暴露。这些发现为将优化的实验室加湿条件应用于实际工业生产提供了理论基础。

引言

糙米的加湿是改善碾磨特性和促进均匀发芽的关键预处理过程[1],[2]。其均匀性对大米碾磨质量和营养价值有着重要影响[3],[4]。在工业生产中，如何成功地将实验室规模的加湿过程扩展并应用于工业涂层设备已成为该领域亟需解决的核心问题[5],[6]。这一问题源于加湿过程中糙米颗粒的运动状态。随着涂层设备尺寸的增大，碰撞频率、加湿处理时间和喷雾的动态特性等因素表现出非线性变化趋势[7],[8]。在放大加湿过程时，一些颗粒可能会表面水分过多，而另一些颗粒则加湿不足。因此，在从实验室规模放大到更大规模时，确保加湿效果的一致性具有相当大的挑战性。因此，从微观角度了解不同尺度下大米的加湿过程对于开发有效的放大方法至关重要。

喷雾过程的放大一直是学者们关注的问题。Levin等人[9]利用π定理系统地分析并确定了几个显著影响喷雾过程行为的临界参数，包括涂层设备直径、旋转速度、颗粒密度和粘度等。然而，他们的研究并未将这些变量与加湿参数结合起来。Agrawal和Pandey[10]强调了控制涂层设备圆周速度（Cr）或弗劳德数（Fr）以保持不同尺度下颗粒流动相似性的重要性，并结合质量设计（Quality by Design, QbD）框架研究了涂层过程变量对加湿过程的影响。Porter等人[11]提出了一个系统的放大变量框架，重点关注涂层设备参数（如盘载量、旋转速度、喷枪间距）、热力学参数（如进气温度、湿度、蒸发率）和动力学参数（如颗粒-喷雾相互作用时间）。通过初步调整颗粒流动相似性并随后优化喷雾覆盖范围，提高了放大的准确性。在喷雾系统的放大过程中，Kemp等人[12]提出了一种更直接的喷雾速率-负载比方法，可以在宏观层面上确保不同尺度下糙米颗粒的流动性相似，但仅能保证加湿时间恒定。尽管上述方法在一定程度上考虑了颗粒运动对加湿效果的影响，但它们未能分析放大后的细微运动变化，如颗粒速度和在喷雾区域内的停留时间，从而导致放大不准确。此外，无论是弗劳德数还是圆周速度都无法确保颗粒流动状态在微观尺度上完全保持不变[13]。因此，如果不考虑运动特性的变化而直接放大加湿喷雾系统，存在显著局限性。因此，为了在加湿系统放大过程中保持喷雾过程的等效性，分析颗粒运动变化是必要的。为了实现等效的喷雾效果，需要根据放大过程中颗粒微观运动信息的变化调整相关参数。然而，这些微观参数通过实验难以获得，这限制了学者们进一步优化放大方法的能力。幸运的是，数值模拟已被证明是提取这些数据的有效工具，有助于改进糙米加湿的放大过程。

在大米加工领域，离散元方法（DEM）已广泛应用于我们之前的研究中，以改善碾磨后大米的质量。Li等人[14]分析了研磨室内糙米颗粒的运动学和动力学相似性，并提出了基于相对压实体积（RCV）的参数放大规则，适用于摩擦式碾米机。Li等人[15]提出了一种测量颗粒床内部应力的方法。Liang等人[16]首次利用第一原理和离散元方法建立了片剂涂层过程的放大机制模型。该模型整合了涂层设备规格、热力学性质和动力学数据等关键参数，模拟颗粒动态，并结合喷雾放大方法（恒定喷雾流量、恒定干燥时间、恒定膜厚度），实现了对涂层结果的机械预测。虽然它可以预测和比较不同尺度下片剂的涂层均匀性，但其基于公式计算的预测准确性存在局限性，且结果未通过实验验证。因此，提出了一种直接模拟加湿的方法[17]，该方法能够捕获微观信息，从而能够根据需要调整喷雾速率，确保颗粒每次通过喷雾区域时都能获得相同量的水分。

在本研究中，首先通过确保弗劳德数或圆周速度的一致性，实现了不同尺度下糙米颗粒在盘式涂层设备中的相似运动行为。然后通过数值模拟获得了颗粒级别的运动信息。通过建立颗粒运动与喷雾特性之间的关联，实现了不同尺度下每个颗粒通过喷雾区域时水分吸收的一致性。在此基础上，提出了一种加湿设备和过程的放大方法。采用DEM-DDM耦合方法比较了放大前后的颗粒运动特性（如速度、混合行为）和加湿结果（如水分分布、变异系数），从而验证了所提出放大方法的准确性和适用性。这项工作为糙米加湿设备和涂层相关过程的优化提供了理论指导。

部分摘录

盘式涂层设备

在进行加湿过程放大研究时，需要遵循某些放大准则。首先，不同尺寸的涂层设备应满足几何相似性[18]，$\frac{D_1}{L_1}=\frac{D_2}{L_2}$其中D和L分别表示盘式涂层设备的直径和长度（图1）。

盘载量

开始加湿过程之前，必须首先确定批量大小（即盘载量）。在放大到更大尺寸的涂层设备时，保持恒定的填充比（FR）对于确保过程一致性和性能至关重要。

离散元模型

离散元方法（DEM）是一种数值技术，用于分析由具有特定形状和质量的离散颗粒组成的复杂颗粒系统的运动学和力学行为。在本研究中，使用了商业软件EDEM（Altair Engineering Inc., Troy, MI, USA）来模拟不同尺度下的盘式涂层设备中的加湿过程[22]。采用了Hertz-Mindlin接触模型来模拟糙米颗粒之间的接触。

不同尺度下糙米运动行为的比较

为了了解不同尺度下颗粒运动行为的差异，比较涂层设备中糙米颗粒的运动模式是必要的。图4展示了来自不同模拟的时间平均床层剖面曲线。为了便于比较不同尺度下的颗粒床层，床层剖面根据涂层设备的比例放大进行了归一化。如图4所示，不同尺度下的颗粒床层剖面

结论

本研究基于DEM-DDM耦合方法建立了糙米加湿过程的放大准则，旨在确保不同设备尺寸下颗粒的水分吸收一致性。根据颗粒运动和加湿结果评估了所提出方法的准确性和适用性。主要结论如下：

当按照盘式涂层设备的圆周速度进行放大时，颗粒表面速度随设备尺寸的增加而增加，而

作者贡献声明

朱亚东：撰写——原始稿件、方法论、数据管理、概念构思。穆中秋：监督、概念构思。卢一帆：撰写——审稿与编辑。冯晓明：调查、数据管理。田贵忠：监督、资源协调。张斌：资金获取。孟向义：撰写——原始稿件、监督、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，也没有任何形式的专业或其他个人利益涉及任何产品、服务和/或公司，这些利益可能会影响本文所述内容或对手稿“基于DEM-DDM耦合方法的糙米加湿过程放大”的评审。

致谢

作者感谢江苏省研究生研究与实践创新计划（SJCX25_2525）、江苏科技大学科研项目（编号1022932215）、中国农业科学院创新项目（31-NIAM-05）以及所有在此研究过程中提供支持的人士。