《Food and Bioproducts Processing》：Interaction mechanism between two stages of separation explains residual rice husk formation in a multi-baffle separation duct
编辑推荐：
稻壳分离|多级分离器|CFD-DEM耦合模拟|碰撞机制|二次分离优化
周宇骥|贤乐丽|丹赵|郝莉|泽孙|卓壮丽|安琪丽|高原|新蕾王|彦龙韩|付国佳
东北农业大学工程学院，哈尔滨，黑龙江省150030，中国
摘要
谷物清理是大米加工过程中最重要的步骤之一。通过多挡板分离管道，可以利用高喷射速度和高进料速率将稻壳和糙米混合物分离出来。然而，稻壳无法完全从糙米中分离出去，导致清理后的糙米中仍会残留稻壳。因此，有必要探讨稻壳残留的形成机制。在这项研究中，我们结合计算流体动力学（CFD）和离散元方法（DEM）模拟了稻壳与糙米的分离过程，并基于多个挡板之间的相互作用探讨了两个阶段的分离过程。结果表明，初级分离和次级分离之间的相互作用影响了分离效果。具体来说，初级分离区域中稻壳与糙米的碰撞影响了稻壳在次级分离区域的落位情况，而次级分离的效果又与稻壳在次级分离区域的落位位置以及稻壳与从初级分离区域落下的糙米之间的碰撞次数有关。研究表明，通过增加稻壳在次级分离区域的落位位置与糙米出口之间的距离，可以有效减少稻壳的残留。这些研究结果可以为多级分离器及相关设备的设计和参数选择提供理论依据。
引言
使用离心脱壳机处理稻谷时，产生的混合物通常包含稻壳、糙米和稻谷本身。利用空气动力学原理将稻壳从混合物中分离出来是大米加工的重要环节（Li等人，2023年；Zenghui，2019年）。稻壳与糙米的分离程度对后续加工质量至关重要。稻壳的存在会加速机器磨损，从而增加能耗和碎米率，降低加工质量（Chen等人，2022a年）。通过多次分离减少稻谷中的残留稻壳会导致整粒米产量下降和加工成本上升（Duan和Zhou，2019年；Zenghui，2019年；Jianping，1994年）。因此，实现稻壳与糙米的完全分离至关重要。遗憾的是，几乎所有大米加工企业都无法在一次分离过程中完成这一目标。因此，探索如何优化大米加工中的分离过程显得十分必要。
在大米加工过程中，离心脱壳机通常采用重力气流分离装置来分离糙米和稻壳。这种分离方法基于不同物料颗粒的空气动力学特性差异（Shapiro和Galperin，2005年）。在重力气流分离器中，颗粒在气流阻力和重力的共同作用下沿不同轨迹运动，从而实现分离。单腔重力气流分离器因其成本效益高、结构简单、维护方便等优点，在农产品清洗、分级和废物回收等领域得到广泛应用（Li等人，2024年；Khodabakhshian等人，2018年；Aarabi和Ebrahimi，2017年；Ma等人，2015年）。然而，由于其单腔结构，该设备在实际应用中分离效果往往不佳。当提高进料速率以增加处理能力时，分离效果往往会进一步下降。尽管现有研究通过改进分离管道结构（Ma等人，2015年）、调整气流速度（Aderinlewo，2011年；Innocentini等人，2009年；Eissa，2010年；Gamea，2014年）和优化进料参数（Gamea，2014年）来提升分离效果，但仍未达到理想的分离效果。此外，这些研究主要集中在参数优化上，尚未深入探讨分离过程中颗粒分离不完全的内在机制。Chen等人（Chen等人，2022a年）对单腔重力气流分离器中的颗粒分离不完全机制进行了研究，发现颗粒间的相互碰撞是导致分离不完全的关键因素。
单腔重力气流分离器的结构简单导致颗粒停留时间较短。当稻壳在分离区域与糙米碰撞时，稻壳会直接从错误出口排出。因此，从根本上解决单腔分离器中的颗粒分离不完全问题具有挑战性。延长颗粒在分离管道中的停留时间是解决这一问题的前提。Eduard Lukas等人发现，通过合理布置管道可以实现多级分离，从而有效延长颗粒停留时间，提高分离效率（Lukas等人，2020年）。为了进一步提高分离效率，一些学者（Mann等人，2017年；Zhong等人，2020年；Yang等人，2024年）通过改变多级分离器的级数、通道段之间的弯曲角度等因素进行了研究。这些研究表明，优化多级分离管道的参数后，分离效果和进料速率都有显著提升，但结果仍不尽如人意。这是因为各个分离阶段之间存在相互作用，可能导致每个分离阶段的分离机制不同。而在单通道系统中这些特性完全不存在，之前的研究也未系统探讨过。因此，明确多级分离之间的相互作用机制有助于进一步改进分离器。遗憾的是，目前尚未有关于多级分离之间相互作用机制的研究报道。
由于颗粒材料的不透明性以及流动环境的复杂多变，实验获得的微观信息非常有限。此外，一些微观信息（如气流场的变化、颗粒的瞬时速度和颗粒间的相互作用力）难以测量，导致数据存在不确定性（Li等人，2023年）。幸运的是，近年来计算机模拟技术的进步使得CFD-DEM耦合成为研究多相流动的关键工具（de Almeida等人，2019年；Ma等人，2022年）。例如，我们的团队通过CFD-DEM耦合成功模拟了单腔分离器中糙米和稻壳的分离过程（Chen等人，2022a年），如图1(a)所示。研究显示，当颗粒以高喷射速度和高进料速率进入单腔分离器时，过短的停留时间会阻碍颗粒与气流的充分相互作用，从而影响分离效果。因此，我们尝试通过设置多个挡板将分离管道划分为不同区域，延长颗粒停留时间，并利用挡板间的相互作用实现稻壳的二次分离。图1(b)展示了稻壳与糙米的分离过程：未在初级分离区域分离的稻壳进入次级分离区域进行进一步分离。两个分离阶段之间的相互作用对分离效率有显著影响。不同的挡板参数会导致不同的分离效果。理论上，确定挡板的最佳位置可以实现稻壳与糙米的完全分离。因此，本研究旨在探讨高喷射速度和高进料速率下的两阶段分离机制。这不仅有助于进一步阐明稻壳分离不完全的机制，还为分离管道的设计优化提供了指导。此外，这对理解二元混合物的多级分离具有重要的科学意义。
基于以上分析，并验证了模拟的准确性，本研究首先利用CFD-DEM耦合模拟了稻壳与糙米在两级分离管道中的分离过程，明确了分离管道各区域的功能。其次，通过分析流体（空气）对颗粒（稻粒和稻壳）的影响以及颗粒在分离管道内的运动轨迹和相互作用，研究了两个分离阶段之间的相互作用机制。最后，根据稻壳残留的形成机制提出了分离管道的改进方案。
仿真数学模型
在本研究中，我们使用DEM软件（EDEM 2018；DEM Solutions Ltd.，爱丁堡，英国）进行了颗粒相的计算。模型假设稻谷不含内聚力和液桥力（Han等人，2016年），因此采用Hertz-Mindlin接触模型描述颗粒或颗粒与分离管道之间的接触。
仿真结果与实验结果对比
通过检查离散相和流体相，验证了仿真结果的准确性。图6(a)和(b)分别展示了仿真和实验中的颗粒分布情况。可以看出，仿真中的颗粒分布与实验结果非常吻合。图6(c)显示了分离管道中的气流速度分布及采样点的位置，图6(d)展示了采样点的气流速度值。
结论
本研究结合实验和CFD-DEM耦合仿真，探讨了两级分离管道中稻壳残留的形成机制。主要研究结论如下：
•稻壳与糙米之间的碰撞是稻壳在初级分离区域无法完全分离的主要原因。这种碰撞还会影响未分离稻壳在次级分离区域的落位位置。
作者贡献声明
卓壮丽：指导、数据管理。泽孙：研究、概念构思。高原：研究、数据分析。安琪丽：数据分析、形式化分析。彦龙韩：撰写-审稿与编辑、指导、资源协调、概念构思。新蕾王：研究、数据分析。周宇骥：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法论研究、数据分析、概念构思。付国佳：资源协调、项目支持
利益冲突声明
我们声明与任何可能影响我们工作的个人或组织没有财务或个人关系，对任何可能影响本文观点或评审结果的产品、服务或公司没有任何形式的利益冲突。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：11802057）和黑龙江省博士后科学基金（项目编号：LBH-Z22008、LBH-Z23098）的财政支持。
