何婉文

摘 要

本文對CO2膨脹煙絲原理進(jìn)行分析，并在層次分析與相應(yīng)面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過開展工藝實(shí)驗(yàn)的方式，分別對浸漬時間、工藝溫度、蒸汽量三項(xiàng)因素對綜合質(zhì)量的影響進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在290.82℃的工藝溫度下，浸漬41.60s，加入蒸汽量為500.37kg/h時，模型綜合質(zhì)量數(shù)值為1.052，通過準(zhǔn)確度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與預(yù)測數(shù)值基本相同，具有理想的優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞

層次分析;響應(yīng)面設(shè)計(jì);煙絲膨脹工藝

中圖分類號： TS452.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 44

0 引言

隨著卷煙工業(yè)的不斷發(fā)展，CO2膨脹煙絲技術(shù)不斷進(jìn)步，煙絲通過膨脹，使自身的某些品質(zhì)得到改善，填充性得到進(jìn)一步提升，可取得更多經(jīng)濟(jì)效益。為了減少卷煙焦油釋放量，提高吸煙安全性，可通過層次分析與響應(yīng)面設(shè)計(jì)等方式，對煙絲膨脹工藝進(jìn)行優(yōu)化，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，降低生產(chǎn)成本。

1 CO2膨脹煙絲原理

與其他植物一樣，煙葉中包含若干的細(xì)胞與其他物質(zhì)，在未與母體植株脫離之前，細(xì)胞中不但包含各類成分，還充滿了水，水分含量達(dá)到70%—80%，細(xì)胞十分豐滿。煙葉經(jīng)過一系列加工后，內(nèi)部水分被排出，細(xì)胞收縮，煙葉體積也隨之縮小。在煙絲膨脹方面，主要以低沸點(diǎn)物質(zhì)為介質(zhì)，將此類介質(zhì)深入煙葉之中，在熱氣作用下形成膨脹壓力，使細(xì)胞的體積恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)膨脹目標(biāo)。對于CO2煙草來說，膨脹的主要原理為：將干制煙絲的水分調(diào)整到適當(dāng)數(shù)值后，在特定的溫度與壓力之下，放入液體CO2中浸泡一段時間，使CO2滲透到煙絲之中，然后迅速降低壓力，使液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，再與高溫氣流相接觸，因CO2升華后，體積開始膨脹，使原本的細(xì)胞壁被撐開，煙絲處于蓬松狀態(tài)，填充性能隨之提升[1]。

2 CO2膨脹煙絲工藝實(shí)驗(yàn)

2.1 材料與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用的材料源于安徽中煙卷煙廠生產(chǎn)的膨脹煙絲原料;實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備包括：型號為570kg/h的CO2葉絲膨脹線;型號為YQ-2型的葉絲振動分選篩;型號為YDZ430的煙絲填充測試儀;型號為ABS204-S的電子天平。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 工藝流程

在煙絲膨脹工藝中，煙絲放入浸漬器中被液體CO2進(jìn)行浸漬，隨著壓力不斷降低，液體逐漸成為干冰，并殘留在煙絲之中，剩余的CO2被回收后二次利用，煙絲在溫度為330℃，壓力為-2500Pa，蒸汽為650kg/h的升華器中與氣體混合，CO2由固態(tài)被升華，產(chǎn)生“爆炸”效果，煙絲細(xì)胞壁被撐開，帶走焦油等有害物質(zhì)，降低單箱耗煙絲率，獲得更多社會與經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.2 確定因變量權(quán)重

本實(shí)驗(yàn)采用層次分析法，對因變量權(quán)重進(jìn)行確定，使多個因變量整合化一，為確定最優(yōu)參數(shù)提供便利，計(jì)算煙絲綜合質(zhì)量分值，即填充量、整絲率與感官質(zhì)量，以C/T178-2003為依據(jù)開展實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 指標(biāo)處理

在系統(tǒng)中因變量之間存在不同意義，量綱也有所區(qū)別，為了便于分析，應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其符合標(biāo)準(zhǔn)要求。可通過均值化的方式實(shí)現(xiàn)處理目標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)數(shù)據(jù)的原始矩陣，如下：

2.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方法

在對煙絲進(jìn)行加工之后，對綜合質(zhì)量數(shù)值進(jìn)行評價，分別對浸漬時間、工藝溫度、蒸汽量三項(xiàng)因素開展實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)循環(huán)3次，確定各項(xiàng)因素的綜合質(zhì)量范圍。在實(shí)驗(yàn)過程中，除三者以外的因素均根據(jù)各個因素均值進(jìn)行加工。以單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果為參考，對膨脹煙絲的綜合質(zhì)量影響因素與范圍進(jìn)行明確，制定出科學(xué)有效的相應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Export 8.0.6等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對綜合質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素如下：浸漬時間、工藝溫度與蒸汽量，由下圖1-3可知，當(dāng)浸漬時間延長時，綜合質(zhì)量顯著提升，當(dāng)浸漬40s時，綜合質(zhì)量的最大值為1.051，在浸漬后期，綜合質(zhì)量逐漸平衡，對生產(chǎn)效率進(jìn)行綜合考慮，最佳時間為40s;工藝溫度產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一是感官質(zhì)量，二是細(xì)胞膨脹，當(dāng)溫度不斷上升時，綜合質(zhì)量趨勢為先增加、后降低，當(dāng)溫度為290℃時，質(zhì)量數(shù)值達(dá)到最大1.052，因此工藝溫度的最佳值應(yīng)為290℃;蒸汽量主要對氣熱焓值產(chǎn)生影響，進(jìn)而使感官質(zhì)量與脫水率發(fā)生改變，當(dāng)蒸汽量不斷增加時，綜合質(zhì)量先增加、后降低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值為1.049，此時蒸汽量為500kg/h，同時也是最佳數(shù)值。

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken設(shè)計(jì)原理開展實(shí)驗(yàn)，以浸漬時間、工藝溫度與蒸汽量為核心因素，各個因素選擇三個水平，對綜合質(zhì)量分值進(jìn)行計(jì)算，回歸方程如下：

Y=0.02473A+0.10185B+0.39525C-0.003D+1.25000E-0.0058A2-0.25181B2-5.2628E2

通過模型回歸分析結(jié)果可知，模型P的數(shù)值小于0.0001，代表著該模型具有極顯著水平;方程的決定系數(shù)為0.9909，說明具有較強(qiáng)的擬合度，可利用該模型，對綜合質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測和探究;失擬項(xiàng)數(shù)值為0.1427，與0.05相比較小，說明該模型的失擬不夠明顯，實(shí)驗(yàn)中的誤差處于允許范圍，可應(yīng)用到綜合質(zhì)量預(yù)測工作中，其中A與B的P值均小于0.05，這意味著二者對綜合質(zhì)量的影響較大，C的P值大于0.05，說明蒸汽量對其的影響相對較小，其中，A代表的是浸漬時間，B代表的是工藝溫度，C代表的是蒸汽量。

3.3 各因素優(yōu)化

通過對浸漬時間、工藝溫度、蒸汽量三項(xiàng)指標(biāo)的相互作用進(jìn)行分析，可對該響應(yīng)面模型進(jìn)行求導(dǎo)，得出綜合質(zhì)量的極值點(diǎn)，即在290.82℃的工藝溫度下，浸漬41.60s，加入500.37kg/h的蒸汽量時，模型綜合質(zhì)量數(shù)值為1.052。與實(shí)際生產(chǎn)情況相結(jié)合，在291℃的工藝溫度下，浸漬42s，加入500kg/h的蒸汽量時，對上述模型的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，得出綜合質(zhì)量的均值為1.051，與預(yù)測數(shù)值基本相同。

4 結(jié)論

綜上所述，為了提高煙絲品質(zhì)，通過層次分析與響應(yīng)面設(shè)計(jì)等方式，對煙絲膨脹工藝進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明，浸漬時間、工藝溫度、蒸汽量三項(xiàng)因素對綜合質(zhì)量具有影響。通過準(zhǔn)確度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與預(yù)測數(shù)值基本相同，可達(dá)到理想的優(yōu)化效果，幫助企業(yè)獲得更多經(jīng)濟(jì)與社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1]李成剛，許克靜，王愛霞，等.基于S400殘煙機(jī)的煙絲回收工藝優(yōu)化[J].食品與機(jī)械，2018（7）：215-219.

[2]韓金民.數(shù)值模擬在膨脹塔結(jié)構(gòu)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].華北電力大學(xué)（北京），2019.