基于确定性筛选设计的膨胀烟丝填充值优化研究.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.3(上)-44-工 业 技 术膨胀烟丝在卷烟配方中具有重要作用1,其填充性能与填充值密切相关。膨胀烟丝有提升卷烟产品质量的潜力,能够改善整体质量,同时提升低级烟草的品质和烟叶的使用水平。膨胀烟丝技术的发展为低焦油卷烟生产提供了新的可能性,并在降低烟草对吸烟者健康的危害方面发挥了积极作用2。膨胀烟丝生产过程中存在膨胀烟丝填充值偏低、影响后续卷接质量的问题。常规的卷烟工艺优化方法主要采用 2 步试验设计。首先,通过筛选关键工艺参数来确定对响应值有显著影响的因子。其次,基于筛选出的关键工艺参数进行响应曲面试验设计,如 BBD 设计(Box-Behnken Design
2、,BBD),其目的是确定一组满足预设响应值标准的关键工艺参数的操作范围3。每个膨胀烟丝生产批次的产量均较大,需要投入大量材料成本4。因此,选择合适的试验设计方法对快速提高成品膨丝填充值具有重要意义。本文将进一步解析膨胀烟丝优质制造核心因素,在有效落实生产流程、设备和工艺优化的基础上5,采用确定性筛选设计试验方法6,持续提升成品膨胀烟丝填充值水平。1 材料与方法1.1 材料与设备本文所用膨胀烟丝原料为中华牌号烟草,由上海烟草集团有限责任公司提供。该烟叶原料性能良好,经初制工序处理后得到的烟丝纤维结构松散,含水率均匀,适合进行膨胀工艺。本文所用生产线为上海卷烟厂 1140kg/h 规格的膨胀烟丝生
3、产线,整线由卷烟机械国内外知名企业所制造,主要包括浸渍系统、膨胀系统和冷却回潮系统 3 个部分。其中浸渍系统的主要设备由德国 Scholz 公司提供,工艺气体风机由德国 REITZ 公司提供,压缩机由德国 Neuman 公司提供。该生产线配套精良,工艺过程可控,能够满足本文对产品质量和过程控制的需求。1.2 方法1.2.1 工艺流程分析膨胀烟丝生产线主要由制丝预处理和浸渍、膨胀和冷却回潮系统组成。制丝预处理包括开箱计量、切片松散回潮、风选除杂、预配、增温增湿以及切丝工序。膨胀烟丝生产的核心工艺是在密闭的金属浸渍器内,利用高压状态的液态二氧化碳对烟丝进行浸渍,通过松散器、振动柜和干冰皮带秤将含有
4、一定量二氧化碳的干冰烟丝送入膨胀塔中。通过高温、高流速工艺气体吹扫,使烟丝内的二氧化碳迅速汽化,实现烟丝组织结构膨胀。后经冷却回潮装置进行烟丝降温和烟丝定型,经过一定量加水回潮和膨胀叶丝风选杂物过滤,最终形成成品膨胀烟丝。烟丝内部结构发生急剧变化的环节主要在烟丝浸渍、烟丝膨胀和冷却回潮工序中。其中,含水率的控制贯穿整个膨丝工序,在不同的含水率、温度控制条件下,膨胀烟丝对液态二氧化碳的吸收能力有差异,会影响膨胀工序、冷却回潮环节的膨胀和冷缩效果。在对原料的强加工工序中,预处理段含水率、温度的控制会直接影响物料对液态二氧化碳的吸收能力,因此对填充值的影响进行研究时,浸渍前工序可以从物料含水率、温度
5、控制着手,膨胀工序的脱水量慧直接影响膨胀工序膨胀烟丝细胞中干冰迅速升华和水分迅速蒸发的效果。冷却回潮环节的加水对温度相对较高的膨胀烟丝有一定的冷缩效果。因此,对填充值的影响进行研究要同时考虑浸渍工序前物料含水率、温度的控制、冷却回潮以及风选环节含水率控制。1.2.2 因子关联分析收集上海卷烟厂中华牌膨胀烟丝生产线 2022 年 11月 2023 年 4 月从预处理段至膨胀烟丝暂存段的设备参数、工艺参数和检测数据,以生产批次号为索引,将膨胀烟丝全工序参数进行整理和关联分析。其中,对填充值影响较显著的因子的分析如下。1)成品膨胀烟丝含水率与膨胀烟丝填充值呈中等强度负相关关系,皮尔逊相关系数(Pea
6、rson correlation coefficient,PCC)为-0.492,相关系数 0.10.3 为弱相关,0.30.5 为中等相关,0.51.0为强相关。由于成品膨胀烟丝含水率属于最终结果指标,无法直接控制,因此需要通过控制前道工序的含水率、温度,以达到间接控制成品膨胀烟丝含水率和填充值的目的。2)前道工序冷却回潮工序含水率的设定和膨胀叶丝风选负压的控制决定了成品膨胀烟丝含水率。冷却回潮基于确定性筛选设计的膨胀烟丝填充值优化研究张文杨文超袁维鑫(上海烟草集团有限责任公司上海卷烟厂,上海 200082)摘 要:在膨胀烟丝生产工艺中,填充值一直是重点关注的物理指标。本文以提升膨胀烟丝填充
7、值为研究目标,选用干冰法膨胀烟丝生产线为研究对象,主要针对预处理和热端工序进行工艺参数梳理与数据分析,最终确定以预处理松散回潮工序、热端工序参数为突破口。结果表明,松散回潮加水比例、松散回潮回风温度、松散回潮拔风罩压力、松散回潮加蒸汽比例、冷却回潮含水率以及膨胀叶丝风选负压对填充值均值均有一定影响,通过确定性筛选试验设计方法确定最优参数组合,最终提升了成品膨胀烟丝填充值水平。关键词:膨胀烟丝;工艺参数;填充值;确定性筛选中图分类号:TS43文献标志码:A中国新技术新产品2024 NO.3(上)-45-工 业 技 术含水率与膨胀烟丝填充值呈中等强度负相关,相关系数为-0.405;膨胀叶丝风选负压
8、与膨胀烟丝填充值呈弱负相关,相关系数为-0.177。3)在浸渍工序前,膨胀烟丝的含水率、温度控制主要在于松散回潮工序加水量、松散回潮回风温度、松散回潮拔风罩压力和松散回潮加蒸汽比例等的设置。作为膨胀烟丝过程的主要加工工序,松散回潮是膨胀烟片吸收水分的首道工序,烟片对水分的吸收能力是影响后续工序产品质量的关键质量指标。因此将松散回潮主要控制参数即松散回潮加水比例、松散回潮回风温度、松散回潮拔风罩压力以及松散回潮加蒸汽比例等作为填充值的怀疑因子并进行关联分析。松散回潮加水比例与填充值呈中等强度正相关,相关系数为0.402;松散回潮回风温度与填充值呈强正相关,相关系数为 0.548;松散回潮拔风罩压
9、力与填充值呈中等强度正相关,相关系数为 0.327;松散回潮加蒸汽比例与填充值呈弱负相关,相关系数为-0.233。通过上述对比和梳理,本文发现膨胀烟丝生产线预处理和热端工序工艺参数存在一定的关联性,对填充值有一定的可优化空间。2 确定性筛选试验设计方案作为一种小型设计方法,确定性筛选设计的试验次数约为因子数的 2 倍,适用于含 6 个或 6 个以上因子的多因素过程优化。本文将填充值的相关连续因子设定3个水平,可以识别参数对填充值的非线性效应。而在标准筛选设计中,连续因子仅含 2 个水平。确定性筛选设计可以估计主效应、二次效应和二阶交互效应,同时可避免不同效应间的混杂,仅需要较少试验次数即可实现
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