润叶加料工序料液有效利用率的计算方法

关欣,朱波,张东,高依萍,毕思强,郭亮,韩帅,蒙建宝

(1.山东中烟工业有限责任公司 青岛卷烟厂,山东 青岛,266100;2.山东中烟工业有限责任公司 青州卷烟厂,山东 潍坊,262500;3.广西中烟工业有限责任公司 南宁卷烟厂,广西 南宁,530001)

润叶加料工序是卷烟制丝生产的关键工序之一[1]。润叶加料工序的工艺任务是按照配方设计的要求将料液准确均匀地添加到烟片或烟丝上,提高烟片(丝)的内在品质和提高烟片(丝)的耐加工性,并使烟片的水分和温度适当增加[2-3]。在制品经过润叶加料工序的过程,其常规化学成分、物理质量和卷烟产品的感官质量都有着显著的变化[4]。烟叶经过加料后,能够充分发挥烟叶原料的使用价值、改善由于叶组配方缺陷带来的感官不足、提升卷烟产品内在质量[5-6]。近年来,越来越多的研究机构和卷烟企业加强如何对提高润叶加料工序料液有效利用率的研究[7-8]。料液有效利用率是指加料后烟片实际吸收的料液质量与实际加料料液质量之比,该过程中滚筒筒壁粘连料液、随排潮系统排走的潮气中含有的料液以及损失在热风系统管路中的料液,都会使料液有效利用率降低[9]。料液在生产过程中的损失会造成料液未能按照配方的要求准确施加到烟叶中,从而直接影响卷烟的抽吸品质[10]。为确保加料工序的加工质量,须对润叶加料工序的料液有效利用率进行监测。目前测定方法多采用1,2-丙二醇作为标记物的方法,即Q=q物/(q料·w)·100%((Q为料液有效利用率(%),q物为物料中的标记物1,2-丙二醇含量(%),q料为料液中的标记物1,2-丙二醇含量(%),w为料液施加比例(%))[11]。该方法不适用于生产过程中的在线监测,也降低了卷烟制丝过程的生产效率。因此,对润叶加料入口物料状态、料罐料液状态及润叶加料机出口物料状态进行研究,分析出口流量、流量稳定时间、料液实际质量、加料前物料质量、含水率以及生产时间的关系,建立润叶加料料液有效利用率的数学模型,旨在生产过程中对料液有效利用率进行在线监测,为润叶加料工序的工艺优化,设备缺陷改进,过程料液吸收情况等提供数据支持。

1 材料、设备与仪器

1.1 实验材料

山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂“泰山(宏图)”牌号正常生产烟丝;香精香料(配方要求所用的糖料);1,2-丙二醇(颐中集团)。

1.2 设备与仪器

SJ1523型加料机(流量:4 800 kg/h,昆明船舶设备集团有限公司);TM710型在线水分仪(精度:0.1%,美国NDC红外技术公司);普通电子台秤(精度0.01 kg,上海权衡工贸有限公司);7890A-5975C型气质联用仪(美国安捷伦科技有限公司)。

2 出口物料质量的测量方法

2.1 出口物料头料阶段流量变化的时间段测定

从滚筒出口有物料出时计时,每隔6 s进行一次取样,将每6 s内取出的烟叶总质量进行称重,以取出的烟叶质量保持稳定不变时,以到达稳定的第一个时间点终止。分别对同牌号3批次样品进行统计,以出口物料流量随出料时间的变化进行曲线绘制。滚筒出口有物料出时到稳定的第一个时间点为止的时间即为头料阶段的时间。

2.2 出口物料稳定阶段的流量的测定

在生产过程中间时间时,不间断连续取样10次,对每连续6 s取出的烟叶进行称重,通过取样质量与时间计算出口物料稳定阶段的流量。

2.3 出口物料尾料阶段流量变化的时间段测定

从滚筒出口物料由稳定到减少的第一个时间点计时,每隔6 s进行一次取样,将每6 s内取出的烟叶总质量进行称重,直至出口物料质量为零时为终止。分别对同牌号3批次样品进行统计,以出口物料流量随出料时间的变化进行曲线绘制。滚筒出口物料开始减少时到稳定的出口物料为零为止的时间即为尾料阶段的时间。

2.4 生产总时间的测定

从滚筒出口有物料出时计时,直至出口物料质量为零时为终止。所用的时间即为生产总时间。

3 料液有效利用率的计算方法

润叶加料工序料液从料罐经双介质喷嘴喷出,对叶片进行均匀准确加料。在此过程中,会出现滚筒筒壁粘连料液、料液随排潮系统排走的以及料液损失在热风系统管路中等情况发生,都会造成料液的损失。出口物料经过了加料和适当的回潮后,总质量较加料前有所增加。不同的倾斜角度、不同的滚筒尺寸、不同的含水率、不同的滚筒转速,使出口物料流量曲线不一样。通过研究出口物料的变化特性,来确定叶片吸收料液的程度,进而求得料液的有效利用率。

3.1 工艺流程

4 800kg/h叶片处理段生产线工艺流程图见图1。

3.2 润叶加料出口物料的变化特性

选择同牌号3批次样品进行试验,统计出口流量与时间的对应关系。如图2所示,t头为头料阶段出口物料由零到达物料流量稳定的时间;t尾为尾料阶段出口物料流量由稳定到达零的时间。如图3所示F1为出口物料稳定阶段的流量。

选择同牌号3批次样品头料阶段和尾料阶段的出口物料流量数据进行线性回归分析。头料阶段,在出口物料稳定前,物料流量随时间呈线性正相关,相关系数分别为0.998、0.997、0.999;尾料阶段,物料流量随时间呈线性负相关,相关系数分别为0.919、0.934、0.933。出口物料流量在非料头和非料尾阶段基本保持稳定。

由于需要计算物料的增加质量,需要通过物料的干基物质进行换算。图4为头料和尾料阶段出口物料流量关系与含水率关系的对比,由图4可知,不同批次头料阶段出口物料流量由零到达流量稳定的时间一致,尾料阶段出口物料流量由稳定到达流量为零的时间也一致。不同批次头料阶段出口物料含水率曲线一致,尾料阶段出口物料含水率曲线也一致。并且不同批次头料阶段出口物料流量由零到达流量稳定的时间与出口物料含水率由零点到达含水率稳定的时间相同不同批次尾料阶段出口物料流量由稳定到达流量为零的时间与出口物料含水率由稳定到达零点的时间相同。

3.3 料液有效利用率的计算方法

因在头料阶段物料流量随时间呈线性正相关,过程中物料流量基本为直线,尾料阶段物料流量随时间呈线性负相关,为计算方便,将变化曲线近似看作直线,以滚筒出口物料流量随时间变化的规律作图。整体形状为梯形,通过计算阴影梯形面积计算加料出口总质量。如图5所示。

式中:M1为出口物料总质量;F1出口物料稳定时的流量;t头为头料阶段出口物料流量由零到达流量稳定的时间;t尾为尾料阶段出口物料流量由稳定到达流量为零的时间。

物料经过加料滚筒后,含水率有适当增高,并且又吸收了绝大部分的料液,出口物料质量总体增加,根据滚筒前后物料质量(干物质)守恒:

式中:M0为加料前物料质量;M物为出口物料增加的料液重量;M水为出口物料增加水分的质量。

将式(1)代入式(2)得:

式中:m2为头料阶段的平均含水率;m1为出口物料稳定后的平均含水率;m3为尾料阶段的平均含水率;m0为加料前物料的平均含水率。

将式(4)代入式(3)得:

在实际生产过程中,料罐中的料液只按照糖料配方比例进行加料,由于料液质量相对过少,生产过程中不能很好的对烟叶进行施加料液。所以在配料时,要根据实际生产满足设备对烟叶施加料液的实际情况按照配方要求进行料液与水的配比进行配料。

式中:M实为按配方要求实际料液质量;M罐为生产过程中每批次料罐减少的质量;W为料罐中料液所占的比例。

式中:Q为料液的有效利用率。

将式(5)、式(6)代入式(7)得:

4 生产验证

以青岛卷烟厂4 800 kg/h润叶加料机为例,在所有参数一致的前提下,生产5批次泰山(宏图)分别对料液有效利用率采用标记物的方法和料液有效利用率的计算方法进行F检验,结果见表1。由表1可知,最大相对误差为1.66%,F值为 0.17,P=0.687＞0.05,说明通过料液有效利用率的计算方法可以代表料液有效利用率的实测值。

表1 不同批次料液有效利用率标记物法、计算法的F检验结果

5 结论

根据出口流量、流量稳定时间、料液实际质量、加料前物料质量、含水率以及生产时间的关系,建立润叶加料料液有效利用率的数学模型,得到料液有效利用率的计算方法。该方法较传统的1,2-丙二醇作为标记物的方法操作简单,并且在生产过程中对料液有效利用率可以进行在线监测。该方法计算得到的料液有效利用率与1,2-丙二醇作为标记物的方法进行F检验,最大相对误差为1.66%,F值为0.17,P=0.687＞0.05,计算结果可代表实测值。该方法可应用于料液有效利用率的在线监测,为润叶加料工序的工艺优化,设备缺陷改进,过程料液吸收情况等提供数据支持。