基于層次分析和響應面設計的煙絲膨脹工藝優化研究

何婉文

摘 要

本文對CO2膨脹煙絲原理進行分析，并在層次分析與相應面設計的基礎上，通過開展工藝實驗的方式，分別對浸漬時間、工藝溫度、蒸汽量三項因素對綜合質量的影響進行分析。實驗結果表明，在290.82℃的工藝溫度下，浸漬41.60s，加入蒸汽量為500.37kg/h時，模型綜合質量數值為1.052，通過準確度檢驗，發現與預測數值基本相同，具有理想的優化效果。

關鍵詞

層次分析;響應面設計;煙絲膨脹工藝

中圖分類號： TS452.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

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

0 引言

隨著卷煙工業的不斷發展，CO2膨脹煙絲技術不斷進步，煙絲通過膨脹，使自身的某些品質得到改善，填充性得到進一步提升，可取得更多經濟效益。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面設計等方式，對煙絲膨脹工藝進行優化，在提高產品質量的同時，降低生產成本。

1 CO2膨脹煙絲原理

與其他植物一樣，煙葉中包含若干的細胞與其他物質，在未與母體植株脫離之前，細胞中不但包含各類成分，還充滿了水，水分含量達到70%—80%，細胞十分豐滿。煙葉經過一系列加工后，內部水分被排出，細胞收縮，煙葉體積也隨之縮小。在煙絲膨脹方面，主要以低沸點物質為介質，將此類介質深入煙葉之中，在熱氣作用下形成膨脹壓力，使細胞的體積恢復，實現膨脹目標。對于CO2煙草來說，膨脹的主要原理為：將干制煙絲的水分調整到適當數值后，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，使液體狀態轉變為固體，再與高溫氣流相接觸，因CO2升華后，體積開始膨脹，使原本的細胞壁被撐開，煙絲處于蓬松狀態，填充性能隨之提升[1]。

2 CO2膨脹煙絲工藝實驗

2.1 材料與設備

本實驗使用的材料源于安徽中煙卷煙廠生產的膨脹煙絲原料;實驗使用的設備包括：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 實驗方法

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由固態被升華，產生“爆炸”效果，煙絲細胞壁被撐開，帶走焦油等有害物質，降低單箱耗煙絲率，獲得更多社會與經濟效益。

2.2.2 確定因變量權重

本實驗采用層次分析法，對因變量權重進行確定，使多個因變量整合化一，為確定最優參數提供便利，計算煙絲綜合質量分值，即填充量、整絲率與感官質量，以C/T178-2003為依據開展實驗。

2.2.3 指標處理

在系統中因變量之間存在不同意義，量綱也有所區別，為了便于分析，應對數據進行處理，使其符合標準要求。可通過均值化的方式實現處理目標，構建指標數據的原始矩陣，如下：

2.2.4 響應面實驗方法

在對煙絲進行加工之后，對綜合質量數值進行評價，分別對浸漬時間、工藝溫度、蒸汽量三項因素開展實驗，每組實驗循環3次，確定各項因素的綜合質量范圍。在實驗過程中，除三者以外的因素均根據各個因素均值進行加工。以單因素實驗結果為參考，對膨脹煙絲的綜合質量影響因素與范圍進行明確，制定出科學有效的相應面實驗方案。

2.3 數據處理

采用Design-Export 8.0.6等軟件進行統計與處理。

3 實驗結果與討論

3.1 單因素實驗結果

根據實驗結果可知，對綜合質量產生影響的因素如下：浸漬時間、工藝溫度與蒸汽量，由下圖1-3可知，當浸漬時間延長時，綜合質量顯著提升，當浸漬40s時，綜合質量的最大值為1.051，在浸漬后期，綜合質量逐漸平衡，對生產效率進行綜合考慮，最佳時間為40s;工藝溫度產生的影響主要體現在兩個方面，一是感官質量，二是細胞膨脹，當溫度不斷上升時，綜合質量趨勢為先增加、后降低，當溫度為290℃時，質量數值達到最大1.052，因此工藝溫度的最佳值應為290℃;蒸汽量主要對氣熱焓值產生影響，進而使感官質量與脫水率發生改變，當蒸汽量不斷增加時，綜合質量先增加、后降低，質量分數的最大值為1.049，此時蒸汽量為500kg/h，同時也是最佳數值。

3.2 響應面優化結果

在單因素實驗的基礎上，利用Box-Behnken設計原理開展實驗，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，對綜合質量分值進行計算，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果可知，模型P的數值小于0.0001，代表著該模型具有極顯著水平;方程的決定系數為0.9909，說明具有較強的擬合度，可利用該模型，對綜合質量進行預測和探究;失擬項數值為0.1427，與0.05相比較小，說明該模型的失擬不夠明顯，實驗中的誤差處于允許范圍，可應用到綜合質量預測工作中，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 各因素優化

通過對浸漬時間、工藝溫度、蒸汽量三項指標的相互作用進行分析，可對該響應面模型進行求導，得出綜合質量的極值點，即在290.82℃的工藝溫度下，浸漬41.60s，加入500.37kg/h的蒸汽量時，模型綜合質量數值為1.052。與實際生產情況相結合，在291℃的工藝溫度下，浸漬42s，加入500kg/h的蒸汽量時，對上述模型的準確度進行檢驗，得出綜合質量的均值為1.051，與預測數值基本相同。

4 結論

綜上所述，為了提高煙絲品質，通過層次分析與響應面設計等方式，對煙絲膨脹工藝進行優化。實驗表明，浸漬時間、工藝溫度、蒸汽量三項因素對綜合質量具有影響。通過準確度檢驗，發現與預測數值基本相同，可達到理想的優化效果，幫助企業獲得更多經濟與社會效益。

參考文獻

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

[2]韓金民.數值模擬在膨脹塔結構研究和優化設計中的應用[D].華北電力大學（北京），2019.