響應面優化梗絲加香含水率西格瑪水平的應用

張常記，關斌*，賈玉紅，楊超，李品鶴

1. 四川中煙工業有限責任公司什邡卷煙廠（什邡 648400）；2. 紅云紅河煙草（集團）有限責任公司紅河卷煙廠（彌勒 652399）；3. 四川中煙工業有限責任公司長城雪茄廠（什邡 648400）

在制梗絲過程中，梗絲干燥的控制直接影響梗絲加香含水率和梗絲的加工質量[5-9,15]。試驗應用的工廠梗絲干燥設備是SH885流化床干燥，其采用下進風式對梗絲物料層進行干燥的模式，該設備的主要缺陷是干燥后水分分層較大，熱風干燥熱風橫向進入流化床下部，熱風急轉90°彎縱向進人流化床底部，流化床面上靠近風機一側的熱風風速總是小于另一側的熱風風速，從而造成進入流化床底部的橫向兩側風速存在較大差異，從而造成干燥后梗絲在橫向截面上兩側的含水率差異較大[4,12]。先期工廠針對流化床設備造成的水分分層進行改造，通過風壓儀測量流化床網孔的風壓，根據風壓分布情況，對熱風管道進行改進，確保在各個區域內梗絲呈流化懸浮狀態，解決水分分層的現象。但是3個區內熱風壓力不同，如果過程調節參數頻繁，在區界面處很容易發生湍流，影響水分的穩定性[10-13]。通過單因素試驗和響應面分析法對流化床工藝參數進行相應優化，建立工藝參數控制模型，減少各區界面處的湍流，確保梗絲加香含水率的均勻穩定[1-4]。

1 材料與方法

1.1 材料

11號梗（四川中煙配方煙梗）。

1.2 儀器與設備

SH885型流化床（江蘇智思機械制造有限公司）。

1.3 梗絲加香含水率的西格瑪水平的計算方法

1.3.1 數據采集

每隔30 s采集1個點的值，數據不作平滑處理。為保證采集的數據是生產過程中穩定狀態的數據，采集的有效數據在起始點前后各刪去3 min的數據。物料流量的起止點均為物料瞬時流量＞100 kg/h。出口含水率在起始點設置為＞8%，結束點設置為＜8%。一、三區溫度起始點與工序出口含水率起始點同步，結束點與工序人口物料流量結束點同步。

1.3.2 西格瑪水平計算方法

區間概率按（1）計算。

西格瑪水平按式（2）計算。

式中：USL為關鍵質量特性的上規格限；LSL為關鍵質量特性的下規格限；μ為總體均值（用樣本均值估計）；σ為總體標準偏差（用樣本標準偏差估計）。

1.4 試驗設計

1.4.1 單因素影響試驗

主要考察加料出口含水率、二區風門開度、一區溫度及三區溫度等因素對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響。

1.4.2 響應面分析法試驗設計

選擇因素時，主要選擇單因素試驗中對響應值（梗絲加香含水率西格瑪水平）有顯著影響的因素。采用Design-Expert 7.0.2對試驗數據進行回歸分析[2-4]。每一自變量的低、中、高試驗水平分別以-1，0和1進行編碼，該模型通過最小二乘法擬合二次多項方程。

2 結果與分析

2.1 單因素分析

2.1.1 加料出口含水率對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

在一區溫度137 ℃、二區風門開度65%、三區溫度70 ℃條件下，考察加料出口含水率對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響，試驗結果如圖1所示。加料出口含水率低于34%時，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨加料出口含水率增加而增加，大于34%后，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨加料出口含水率增加而降低。加料出口含水率33%～35%時，梗絲加香含水率西格瑪水平變換不大，加料出口含水率34%時，梗絲加香含水率西格瑪水平最大，因此最佳加料出口含水率選擇34%。

圖1 加料出口含水率對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.1.2 二區風門開度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

在加料出口水分34%、一區溫度137 ℃、三區溫度70 ℃條件下，考察二區風門開度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響，試驗結果如圖2所示。二區風門開度低于55%時，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨二區風門開度增加而增加，大于55%后，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨二區風門開度增加而降低。因此最佳二區風門開度選擇55%。

圖2 二區風門開度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.1.3 一區溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

在加料出口水分34%、二區風門開度55%、三區溫度70 ℃條件下，考察一區溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響，試驗結果如圖3所示。在一區溫度低于137 ℃時，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨一區溫度升高而增加，大于137 ℃后，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨一區溫度升高而降低。

圖3 一區溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.1.4 三區溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

在加料出口水分34%、二區風門開度55%、一區溫度137 ℃條件下，考察三區溫度對梗絲加香含水率的西格瑪水平的影響，試驗結果如圖4所示。三區溫度低于66 ℃時梗絲加香含水率的西格瑪水平隨三區溫度升高而增加，大于66 ℃后，梗絲加香含水率的西格瑪水平隨三區溫度升高而降低。

圖4 三區溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.2 響應面優化試驗及結果分析

2.2.1 響應面分析試驗

在上述單因素試驗基礎上，根據Box-Behnken的中心組合設計原理，以一區溫度、二區風門開度、三區溫度3個因素為自變量（分別以A、B、C為代表），以梗絲加香西格瑪水平（以Y為代表）為響應值設計三因素三水平共17個試驗點的響應面分析試驗，其因素水平選取如表1所示，試驗方案與結果如表2所示。

表1 響應面設計因素與水平

表2 響應面分析方案與試驗結果

利用Design-Expert軟件對表2數據進行二次多元回歸擬合，得到梗絲加香含水率西格瑪水平的二次多項回歸方程：Y=3.136+0.015A-0.021 250B-0.006 25C+0.012 5AB-0.017 5AC+0.02BC-0.166 3A2-0.111 55B2-0.090 5C2。

對回歸模型進行方差分析。回歸模型方差分析結果見表3。結果表明，模型是顯著的（p=0.000 2），回歸模型的決定系數為0.998 7，說明該模型能夠解釋99.87%的變化，因此，可用該模型對梗絲加香含水率西格瑪水平進行分析和預測。

表3 回歸模型方差分析結果

2.2.2 梗絲加香含水率西格瑪水平響應面分析優化

利用Design-Expert軟件對表2數據進行二次多元回歸擬合，所得到的二次回歸方程的響應面及其等高線一區溫度和二區風門開度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響見圖5，一區溫度和三區溫度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響見圖6，二區風門開度和三區溫度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響見圖7。

從圖5等高線圖可以看出，三區溫度66 ℃時，一區溫度和二區風門開度對梗絲加香含水率西格瑪水平交互作用顯著。因為等高線的形狀反映交互效應的強弱大小，橢圓形表示兩因素交互作用顯著。一區溫度132 ℃時，得到較高梗絲加香含水率西格瑪水平需要二區風門開度60%；一區溫度提高到137 ℃時，二區風門開度只需要55%。表明在試驗水平范圍內，適當提高一區溫度有利于梗絲加香含水率西格瑪水平并可減少二區風門開度。

圖5 一區溫度和二區風門開度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

從圖6可看出，二區風門開度55%時，一區溫度和三區溫度對梗絲加香含水率西格瑪水平的交互作用顯著。在一區溫度132 ℃時，得到較高梗絲加香含水率西格瑪水平需要三區溫度71 ℃；一區溫度提高到137 ℃時，三區溫度只需要66 ℃。這表明，在試驗水平范圍內，適當提高一區溫度有利于梗絲加香含水率的穩定出并可減少三區溫度。

圖6 一區溫度和三區溫度開度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

從圖7可看出，一區溫度137 ℃時，二區風門開度和三區溫度比對梗絲加香含水率西格瑪水平的交互作用顯著。隨著二區風門增加，達到梗絲加香含水率最大西格瑪水平所需要的三區溫度降低。在一定的二區風門開度范圍內，二區風門開度的增大，梗絲加香含水率西格瑪水平增加；二區風門開度超過60%時，梗絲加香含水率西格瑪水平反而下降。

圖7 二區風門開度和三區溫度交互作用對梗絲加香含水率西格瑪水平的影響

2.3 驗證試驗

通過梗絲加香含水率西格瑪水平的二次多項數學模型解逆矩陣，得出在一區溫度137 ℃，二區風門開度55%，三區溫度66 ℃的工藝條件下，梗絲加香含水率最大西格瑪水平預測值為3.14。考慮到加料出口含水率的波動，梗絲干燥工藝參數修正為加料出口含水率34%±1%，一區溫度137±5 ℃，二區風門開度55%±5%，三區溫度66±5 ℃。來料含水率34%±1%波動時，微調時調整三區溫度或一區溫度，快速調整時調整二區風門開度。選取2020年1—5月的所有牌號的梗絲對梗絲加香水分西格瑪水平進行驗證，結果如圖8所示，從圖8可以看出，改進后梗絲加香含水率的西格瑪水平從原來的2.57提高到3.2以上。

圖8 改進前后對比

3 結論

1) 此次研究通過單因素試驗和響應面分析法對流化床工藝參數進行了優化，建立的梗絲加香水分西格瑪水平的二次多項數學模型具有顯著性（p＜0.000 1），決定系數為0.968 1。由模型解逆矩陣得到：在一區溫度137 ℃、二區風門開度55%、三區溫度66 ℃條件下，梗絲加香水分西格瑪水平預測值為3.14。

考慮到來料水分的波動，梗絲干燥工藝參數修正為加料出口含水率34%±1%、一區溫度137±5 ℃、二區風門開度55%±5%時，三區溫度為66±5 ℃，在此工藝條件下，梗絲加香水分西格瑪水平從原來的2.57提高到3.2以上。