響應面優(yōu)化梗絲加香含水率西格瑪水平的應用

張常記，關斌*，賈玉紅，楊超，李品鶴

1. 四川中煙工業(yè)有限責任公司什邡卷煙廠（什邡 648400）；2. 紅云紅河煙草（集團）有限責任公司紅河卷煙廠（彌勒 652399）；3. 四川中煙工業(yè)有限責任公司長城雪茄廠（什邡 648400）

在制梗絲過程中，梗絲干燥的控制直接影響梗絲加香含水率和梗絲的加工質(zhì)量[5-9,15]。試驗應用的工廠梗絲干燥設備是SH885流化床干燥，其采用下進風式對梗絲物料層進行干燥的模式，該設備的主要缺陷是干燥后水分分層較大，熱風干燥熱風橫向進入流化床下部，熱風急轉90°彎縱向進人流化床底部，流化床面上靠近風機一側的熱風風速總是小于另一側的熱風風速，從而造成進入流化床底部的橫向兩側風速存在較大差異，從而造成干燥后梗絲在橫向截面上兩側的含水率差異較大[4,12]。先期工廠針對流化床設備造成的水分分層進行改造，通過風壓儀測量流化床網(wǎng)孔的風壓，根據(jù)風壓分布情況，對熱風管道進行改進，確保在各個區(qū)域內(nèi)梗絲呈流化懸浮狀態(tài)，解決水分分層的現(xiàn)象。但是3個區(qū)內(nèi)熱風壓力不同，如果過程調(diào)節(jié)參數(shù)頻繁，在區(qū)界面處很容易發(fā)生湍流，影響水分的穩(wěn)定性[10-13]。通過單因素試驗和響應面分析法對流化床工藝參數(shù)進行相應優(yōu)化，建立工藝參數(shù)控制模型，減少各區(qū)界面處的湍流，確保梗絲加香含水率的均勻穩(wěn)定[1-4]。

1 材料與方法

1.1 材料

11號梗（四川中煙配方煙梗）。

1.2 儀器與設備

SH885型流化床（江蘇智思機械制造有限公司）。

1.3 梗絲加香含水率的西格瑪水平的計算方法

1.3.1 數(shù)據(jù)采集

每隔30 s采集1個點的值，數(shù)據(jù)不作平滑處理。為保證采集的數(shù)據(jù)是生產(chǎn)過程中穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù)，采集的有效數(shù)據(jù)在起始點前后各刪去3 min的數(shù)據(jù)。物料流量的起止點均為物料瞬時流量＞100 kg/h。出口含水率在起始點設置為＞8%，結束點設置為＜8%。一、三區(qū)溫度起始點與工序出口含水率起始點同步，結束點與工序人口物料流量結束點同步。

1.3.2 西格瑪水平計算方法

區(qū)間概率按（1）計算。

西格瑪水平按式（2）計算。

式中：USL為關鍵質(zhì)量特性的上規(guī)格限；LSL為關鍵質(zhì)量特性的下規(guī)格限；μ為總體均值（用樣本均值估計）；σ為總體標準偏差（用樣本標準偏差估計）。

1.4 試驗設計

1.4.1 單因素影響試驗

主要考察加料出口含水率、二區(qū)風門開度、一區(qū)溫度及三區(qū)溫度等因素對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響。

1.4.2 響應面分析法試驗設計

選擇因素時，主要選擇單因素試驗中對響應值（梗絲加香含水率西格瑪水平）有顯著影響的因素。采用Design-Expert 7.0.2對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析[2-4]。每一自變量的低、中、高試驗水平分別以-1，0和1進行編碼，該模型通過最小二乘法擬合二次多項方程。

2 結果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 加料出口含水率對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

在一區(qū)溫度137 ℃、二區(qū)風門開度65%、三區(qū)溫度70 ℃條件下，考察加料出口含水率對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響，試驗結果如圖1所示。加料出口含水率低于34%時，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨加料出口含水率增加而增加，大于34%后，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨加料出口含水率增加而降低。加料出口含水率33%～35%時，梗絲加香含水率西格瑪水平變換不大，加料出口含水率34%時，梗絲加香含水率西格瑪水平最大，因此最佳加料出口含水率選擇34%。

圖1 加料出口含水率對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.1.2 二區(qū)風門開度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

在加料出口水分34%、一區(qū)溫度137 ℃、三區(qū)溫度70 ℃條件下，考察二區(qū)風門開度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響，試驗結果如圖2所示。二區(qū)風門開度低于55%時，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨二區(qū)風門開度增加而增加，大于55%后，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨二區(qū)風門開度增加而降低。因此最佳二區(qū)風門開度選擇55%。

圖2 二區(qū)風門開度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.1.3 一區(qū)溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

在加料出口水分34%、二區(qū)風門開度55%、三區(qū)溫度70 ℃條件下，考察一區(qū)溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響，試驗結果如圖3所示。在一區(qū)溫度低于137 ℃時，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨一區(qū)溫度升高而增加，大于137 ℃后，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨一區(qū)溫度升高而降低。

圖3 一區(qū)溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.1.4 三區(qū)溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

在加料出口水分34%、二區(qū)風門開度55%、一區(qū)溫度137 ℃條件下，考察三區(qū)溫度對梗絲加香含水率的西格瑪水平的影響，試驗結果如圖4所示。三區(qū)溫度低于66 ℃時梗絲加香含水率的西格瑪水平隨三區(qū)溫度升高而增加，大于66 ℃后，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨三區(qū)溫度升高而降低。

圖4 三區(qū)溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.2 響應面優(yōu)化試驗及結果分析

2.2.1 響應面分析試驗

在上述單因素試驗基礎上，根據(jù)Box-Behnken的中心組合設計原理，以一區(qū)溫度、二區(qū)風門開度、三區(qū)溫度3個因素為自變量（分別以A、B、C為代表），以梗絲加香西格瑪水平（以Y為代表）為響應值設計三因素三水平共17個試驗點的響應面分析試驗，其因素水平選取如表1所示，試驗方案與結果如表2所示。

表1 響應面設計因素與水平

表2 響應面分析方案與試驗結果

利用Design-Expert軟件對表2數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到梗絲加香含水率西格瑪水平的二次多項回歸方程：Y=3.136+0.015A-0.021 250B-0.006 25C+0.012 5AB-0.017 5AC+0.02BC-0.166 3A2-0.111 55B2-0.090 5C2。

對回歸模型進行方差分析?；貧w模型方差分析結果見表3。結果表明，模型是顯著的（p=0.000 2），回歸模型的決定系數(shù)為0.998 7，說明該模型能夠解釋99.87%的變化，因此，可用該模型對梗絲加香含水率西格瑪水平進行分析和預測。

表3 回歸模型方差分析結果

2.2.2 梗絲加香含水率西格瑪水平響應面分析優(yōu)化

利用Design-Expert軟件對表2數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應面及其等高線一區(qū)溫度和二區(qū)風門開度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響見圖5，一區(qū)溫度和三區(qū)溫度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響見圖6，二區(qū)風門開度和三區(qū)溫度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響見圖7。

從圖5等高線圖可以看出，三區(qū)溫度66 ℃時，一區(qū)溫度和二區(qū)風門開度對梗絲加香含水率西格瑪水平交互作用顯著。因為等高線的形狀反映交互效應的強弱大小，橢圓形表示兩因素交互作用顯著。一區(qū)溫度132 ℃時，得到較高梗絲加香含水率西格瑪水平需要二區(qū)風門開度60%；一區(qū)溫度提高到137 ℃時，二區(qū)風門開度只需要55%。表明在試驗水平范圍內(nèi)，適當提高一區(qū)溫度有利于梗絲加香含水率西格瑪水平并可減少二區(qū)風門開度。

圖5 一區(qū)溫度和二區(qū)風門開度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

從圖6可看出，二區(qū)風門開度55%時，一區(qū)溫度和三區(qū)溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的交互作用顯著。在一區(qū)溫度132 ℃時，得到較高梗絲加香含水率西格瑪水平需要三區(qū)溫度71 ℃；一區(qū)溫度提高到137 ℃時，三區(qū)溫度只需要66 ℃。這表明，在試驗水平范圍內(nèi)，適當提高一區(qū)溫度有利于梗絲加香含水率的穩(wěn)定出并可減少三區(qū)溫度。

圖6 一區(qū)溫度和三區(qū)溫度開度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

從圖7可看出，一區(qū)溫度137 ℃時，二區(qū)風門開度和三區(qū)溫度比對梗絲加香含水率西格瑪水平的交互作用顯著。隨著二區(qū)風門增加，達到梗絲加香含水率最大西格瑪水平所需要的三區(qū)溫度降低。在一定的二區(qū)風門開度范圍內(nèi)，二區(qū)風門開度的增大，梗絲加香含水率西格瑪水平增加；二區(qū)風門開度超過60%時，梗絲加香含水率西格瑪水平反而下降。

圖7 二區(qū)風門開度和三區(qū)溫度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.3 驗證試驗

通過梗絲加香含水率西格瑪水平的二次多項數(shù)學模型解逆矩陣，得出在一區(qū)溫度137 ℃，二區(qū)風門開度55%，三區(qū)溫度66 ℃的工藝條件下，梗絲加香含水率最大西格瑪水平預測值為3.14?？紤]到加料出口含水率的波動，梗絲干燥工藝參數(shù)修正為加料出口含水率34%±1%，一區(qū)溫度137±5 ℃，二區(qū)風門開度55%±5%，三區(qū)溫度66±5 ℃。來料含水率34%±1%波動時，微調(diào)時調(diào)整三區(qū)溫度或一區(qū)溫度，快速調(diào)整時調(diào)整二區(qū)風門開度。選取2020年1—5月的所有牌號的梗絲對梗絲加香水分西格瑪水平進行驗證，結果如圖8所示，從圖8可以看出，改進后梗絲加香含水率的西格瑪水平從原來的2.57提高到3.2以上。

圖8 改進前后對比

3 結論

1) 此次研究通過單因素試驗和響應面分析法對流化床工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，建立的梗絲加香水分西格瑪水平的二次多項數(shù)學模型具有顯著性（p＜0.000 1），決定系數(shù)為0.968 1。由模型解逆矩陣得到：在一區(qū)溫度137 ℃、二區(qū)風門開度55%、三區(qū)溫度66 ℃條件下，梗絲加香水分西格瑪水平預測值為3.14。

考慮到來料水分的波動，梗絲干燥工藝參數(shù)修正為加料出口含水率34%±1%、一區(qū)溫度137±5 ℃、二區(qū)風門開度55%±5%時，三區(qū)溫度為66±5 ℃，在此工藝條件下，梗絲加香水分西格瑪水平從原來的2.57提高到3.2以上。