基于层次分析和响应面设计的烟丝膨胀工艺优化研究

何婉文

摘 要

本文对CO2膨胀烟丝原理进行分析，并在层次分析与相应面设计的基础上，通过开展工艺实验的方式，分别对浸渍时间、工艺温度、蒸汽量三项因素对综合质量的影响进行分析。实验结果表明，在290.82℃的工艺温度下，浸渍41.60s，加入蒸汽量为500.37kg/h时，模型综合质量数值为1.052，通过准确度检验，发现与预测数值基本相同，具有理想的优化效果。

关键词

层次分析;响应面设计;烟丝膨胀工艺

中图分类号： TS452.1                   文献标识码： A

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

0 引言

随着卷烟工业的不断发展，CO2膨胀烟丝技术不断进步，烟丝通过膨胀，使自身的某些品质得到改善，填充性得到进一步提升，可取得更多经济效益。为了减少卷烟焦油释放量，提高吸烟安全性，可通过层次分析与响应面设计等方式，对烟丝膨胀工艺进行优化，在提高产品质量的同时，降低生产成本。

1 CO2膨胀烟丝原理

与其他植物一样，烟叶中包含若干的细胞与其他物质，在未与母体植株脱离之前，细胞中不但包含各类成分，还充满了水，水分含量达到70%—80%，细胞十分丰满。烟叶经过一系列加工后，内部水分被排出，细胞收缩，烟叶体积也随之缩小。在烟丝膨胀方面，主要以低沸点物质为介质，将此类介质深入烟叶之中，在热气作用下形成膨胀压力，使细胞的体积恢复，实现膨胀目标。对于CO2烟草来说，膨胀的主要原理为：将干制烟丝的水分调整到适当数值后，在特定的温度与压力之下，放入液体CO2中浸泡一段时间，使CO2渗透到烟丝之中，然后迅速降低压力，使液体状态转变为固体，再与高温气流相接触，因CO2升华后，体积开始膨胀，使原本的细胞壁被撑开，烟丝处于蓬松状态，填充性能随之提升[1]。

2 CO2膨胀烟丝工艺实验

2.1 材料与设备

本实验使用的材料源于安徽中烟卷烟厂生产的膨胀烟丝原料;实验使用的设备包括：型号为570kg/h的CO2叶丝膨胀线;型号为YQ-2型的叶丝振动分选筛;型号为YDZ430的烟丝填充测试仪;型号为ABS204-S的电子天平。

2.2 实验方法

2.2.1 工艺流程

在烟丝膨胀工艺中，烟丝放入浸渍器中被液体CO2进行浸渍，随着压力不断降低，液体逐渐成为干冰，并残留在烟丝之中，剩余的CO2被回收后二次利用，烟丝在温度为330℃，压力为-2500Pa，蒸汽为650kg/h的升华器中与气体混合，CO2由固态被升华，产生“爆炸”效果，烟丝细胞壁被撑开，带走焦油等有害物质，降低单箱耗烟丝率，获得更多社会与经济效益。

2.2.2 确定因变量权重

本实验采用层次分析法，对因变量权重进行确定，使多个因变量整合化一，为确定最优参数提供便利，计算烟丝综合质量分值，即填充量、整丝率与感官质量，以C/T178-2003为依据开展实验。

2.2.3 指標处理

在系统中因变量之间存在不同意义，量纲也有所区别，为了便于分析，应对数据进行处理，使其符合标准要求。可通过均值化的方式实现处理目标，构建指标数据的原始矩阵，如下：

2.2.4 响应面实验方法

在对烟丝进行加工之后，对综合质量数值进行评价，分别对浸渍时间、工艺温度、蒸汽量三项因素开展实验，每组实验循环3次，确定各项因素的综合质量范围。在实验过程中，除三者以外的因素均根据各个因素均值进行加工。以单因素实验结果为参考，对膨胀烟丝的综合质量影响因素与范围进行明确，制定出科学有效的相应面实验方案。

2.3 数据处理

采用Design-Export 8.0.6等软件进行统计与处理。

3 实验结果与讨论

3.1 单因素实验结果

根据实验结果可知，对综合质量产生影响的因素如下：浸渍时间、工艺温度与蒸汽量，由下图1-3可知，当浸渍时间延长时，综合质量显著提升，当浸渍40s时，综合质量的最大值为1.051，在浸渍后期，综合质量逐渐平衡，对生产效率进行综合考虑，最佳时间为40s;工艺温度产生的影响主要体现在两个方面，一是感官质量，二是细胞膨胀，当温度不断上升时，综合质量趋势为先增加、后降低，当温度为290℃时，质量数值达到最大1.052，因此工艺温度的最佳值应为290℃;蒸汽量主要对气热焓值产生影响，进而使感官质量与脱水率发生改变，当蒸汽量不断增加时，综合质量先增加、后降低，质量分数的最大值为1.049，此时蒸汽量为500kg/h，同时也是最佳数值。

3.2 响应面优化结果

在单因素实验的基础上，利用Box-Behnken设计原理开展实验，以浸渍时间、工艺温度与蒸汽量为核心因素，各个因素选择三个水平，对综合质量分值进行计算，回归方程如下：

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

通过模型回归分析结果可知，模型P的数值小于0.0001，代表着该模型具有极显著水平;方程的决定系数为0.9909，说明具有较强的拟合度，可利用该模型，对综合质量进行预测和探究;失拟项数值为0.1427，与0.05相比较小，说明该模型的失拟不够明显，实验中的误差处于允许范围，可应用到综合质量预测工作中，其中A与B的P值均小于0.05，这意味着二者对综合质量的影响较大，C的P值大于0.05，说明蒸汽量对其的影响相对较小，其中，A代表的是浸渍时间，B代表的是工艺温度，C代表的是蒸汽量。

3.3 各因素优化

通过对浸渍时间、工艺温度、蒸汽量三项指标的相互作用进行分析，可对该响应面模型进行求导，得出综合质量的极值点，即在290.82℃的工艺温度下，浸渍41.60s，加入500.37kg/h的蒸汽量时，模型综合质量数值为1.052。与实际生产情况相结合，在291℃的工艺温度下，浸渍42s，加入500kg/h的蒸汽量时，对上述模型的准确度进行检验，得出综合质量的均值为1.051，与预测数值基本相同。

4 结论

综上所述，为了提高烟丝品质，通过层次分析与响应面设计等方式，对烟丝膨胀工艺进行优化。实验表明，浸渍时间、工艺温度、蒸汽量三项因素对综合质量具有影响。通过准确度检验，发现与预测数值基本相同，可达到理想的优化效果，帮助企业获得更多经济与社会效益。

参考文献

[1]李成刚，许克静，王爱霞，等.基于S400残烟机的烟丝回收工艺优化[J].食品与机械，2018（7）：215-219.

[2]韩金民.数值模拟在膨胀塔结构研究和优化设计中的应用[D].华北电力大学（北京），2019.