本發(fā)明屬于干燥滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種可定量的滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價方法，主要涉及通過研究分析停留時間分布特征，提取特征參量來評價滾筒結(jié)構(gòu)，利用該方法可得到基于物料返混特性的量化評價指標(biāo)，并用于不同滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇。

背景技術(shù)：

停留時間是指物料通過連續(xù)操作的加工設(shè)備是從進(jìn)入到離開所經(jīng)歷的時間。物料中每個顆粒又具有相應(yīng)的停留時間，即存在停留時間分布（residence time distribution，RTD）。RTD是表征設(shè)備性能的基本參數(shù)，主要用于設(shè)備中物料運動及與流動有關(guān)的混合、傳熱傳質(zhì)其他問題。在煙草加工過程中，物料在干燥滾筒內(nèi)的RTD與該過程的混合質(zhì)量和加工質(zhì)量都有密切聯(lián)系。目前，滾筒類加工設(shè)備結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計通常采用經(jīng)驗方式，比如抄板的數(shù)量通常設(shè)計為6-8D（即6-8倍的滾筒直徑），具體抄板的形狀也通常由經(jīng)驗確定，目前在抄板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面缺乏可定量表征的有效評價方法。

鄭州煙草研究院已授權(quán)的專利“一種煙草物料在加工設(shè)備內(nèi)停留時間分布的測定方法”（專利號CN201010510265.8）已經(jīng)給出了停留時間分布的測定方法，即通過CO₂膨脹煙絲脈沖示蹤的方法進(jìn)行取樣，然后利用CO₂膨脹煙絲和普通煙絲的密度差，在乙酸乙酯和環(huán)己烷的混合溶液下進(jìn)行靜置分離，繼而分別獲得溶液中的上浮物和下沉物，烘干后計算得出CO₂膨脹煙絲占總量的比值，通過連續(xù)取樣測量即可得到煙絲物料在干燥滾筒內(nèi)的停留時間分布信息。隨著此類問題的深入研究，申請者發(fā)現(xiàn)滾筒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后會影響停留時間分布特征，但是僅僅從停留時間分布圖上是不能判斷其影響的大小，需要引入一些指標(biāo)進(jìn)行定量分析。本發(fā)明就是基于上述停留時間分布測試方法，對停留時間分布特征進(jìn)行提煉，通過引入無因次方差和偏度兩個指標(biāo)并將兩者歸一化，形成一維定量指標(biāo)對停留時間分布進(jìn)行定量分析，這個指標(biāo)可便捷反應(yīng)物料在筒內(nèi)的運動特性以及返混特征，通過定量化的描述物料運動特征，為滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價提供了有效的分析方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的正是基于上述現(xiàn)有技術(shù)狀況而提供的一種可定量的滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價方法，主要涉及通過研究分析停留時間分布特征，提取特征參量來評價滾筒結(jié)構(gòu)，利用該方法可得到基于物料返混特性的量化評價指標(biāo)，并用于不同滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種可定量的滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價方法，包括以下步驟：

1.根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的滾筒設(shè)備，首先將設(shè)備正常開啟，煙絲正常進(jìn)入，經(jīng)穩(wěn)定5min后，將膨脹煙絲作為示蹤物加入滾筒入口處煙絲中，在示蹤物選擇時，要考慮筒內(nèi)煙絲的尺寸結(jié)構(gòu)，選擇合適尺寸（1-4cm）的煙絲作為示蹤物，從滾筒入口端一次性加入滾筒中，添加量按照小于筒內(nèi)煙絲物料流量的5%進(jìn)行計算；。

2.添加示蹤物后，滾筒仍正常運作，在滾筒出口端對煙絲樣品進(jìn)行取樣檢測，取樣時需需注意同批次樣品應(yīng)涵蓋整個煙絲通道橫斷面，單次取樣量應(yīng)大于20g,取樣間隔需小于10s。連續(xù)重復(fù)取樣10min后，取樣過程完成。

3.分別測量取樣煙絲中膨脹煙絲的比例，得到該比例隨時間的變化關(guān)系，即煙絲停留時間分布。對膨脹煙絲比例值沿時間序列進(jìn)行排序，后分別求取煙絲停留時間分布的無因次方差和偏度值S，后計算D值，其中定義

（1）

由公式（1）可知，若以偏度為橫坐標(biāo)以無因次方差為縱坐標(biāo)做二維圖，D值表示二位圖中具體點距原點的距離，通過公式（1）將二者耦合后可方便比較不同點無因次方差和偏度的整體大小。即D值可表示為某工況條件下物料返混特征的強(qiáng)弱，其中D值越小物料的返混現(xiàn)象越弱，同批物料在筒內(nèi)停留時間越接近，有利于加工一致性的提高。

4.然后可在不同抄板結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行不同實驗，按照上述方法得到各工況條件下的D值，將其從小到大進(jìn)行排序，其中D值越小，對應(yīng)的抄板結(jié)構(gòu)效果最好，從而實現(xiàn)定量的對滾筒優(yōu)化評價。

上述方法中采用的無因次方差具體含義和計算方法如下。方差用來度量隨機(jī)變量和其數(shù)學(xué)期望（即均值）之間的偏離程度。統(tǒng)計中的方差（樣本方差）是各個數(shù)據(jù)分別與其平均數(shù)之差的平方的和的平均數(shù)。表示了隨機(jī)變量的取值對于其數(shù)學(xué)期望的離散程度。無因次方差是方差與期望平方的比值，計算方法如公式（2）所示，無因次方差越大，數(shù)據(jù)序列越分散，對于停留時間分布來說就是停留時間分布越分散，即同時進(jìn)入的物料會在一個較寬的時間段內(nèi)連續(xù)卸出，因而會影響干燥質(zhì)量。如圖1中的曲線b；無因次方差越小，說明其停留時間分布越集中，即卸出的物料越均勻，如圖1中的a。

無因次方差: （2）

式中t為物料停留時間， 物料平均停留時間，F(xiàn)(t)停留時間為t的物料所占總物料的比例。

上述方法中采用的偏度S具體含義和計算方法如下。偏度是統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布偏斜方向和程度的度量，是統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布非對稱程度的數(shù)字特征。S>0稱分布具有正偏離，也稱右偏態(tài)，此時數(shù)據(jù)位于均值右邊的比位于左邊的少，直觀表現(xiàn)為右邊的尾部相對于與左邊的尾部要長，因為有少數(shù)變量值很大，使曲線右側(cè)尾部拖得很長，如圖2中a；反之亦然。而S接近0則可認(rèn)為分布是對稱的，因此對于同時進(jìn)入干燥滾筒的物料，其停留時間分布的偏度值趨近于零時，有利于加工過程的質(zhì)量均勻性提高。S計算方法見公式（3）。

偏度： （3）

需要注意的是，雖然物料停留時間分布特征可用無因次方差和偏度去表征，但是往往會出現(xiàn)無因次方差較大而偏度接近零、或者無因次方差較小而偏度較大的情況，使得無法簡單的用這兩個指標(biāo)去比較不同工況下的結(jié)果，給實際操作帶來不便，本文正是提出了將無因次方差和偏度進(jìn)行耦合的方法定義了物料返混特征指標(biāo)D，使得不同的結(jié)果可定量且可比較，從而實現(xiàn)滾筒設(shè)備的優(yōu)化評價。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、提出了量化評價滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的方法，方便不同條件的結(jié)果對比；

2、該方法可在冷態(tài)條件下進(jìn)行評價，簡化了實驗操作難度；

3、將無因次方差與偏度指標(biāo)耦合計算，將二維信息轉(zhuǎn)換為一維數(shù)據(jù)，便于使用者對比分析；

4、示蹤物法測量物料停留時間分布成熟可靠，所得結(jié)果可靠度高。

附圖說明

圖1 停留時間分布特征的無因次方差；

圖2 停留時間分布特征的偏度；

圖3 不同抄板數(shù)量條件下物料停留時間分布；

圖4 不同抄板高度條件下物料停留時間分布；

圖5不同抄板數(shù)量條件下物料停留時間分布無因次方差與偏度的關(guān)系；

圖6不同抄板高度條件下物料停留時間分布無因次方差與偏度的關(guān)系。

具體實施方式

首先根據(jù)前文所述的方法，進(jìn)行停留時間分布冷態(tài)試驗，然后根據(jù)前文所述的計算公式（2）和（3）可以分別求得每個停留時間分布曲線的無因次方差值和偏度值，然后以偏度為x軸，無因次方差為y軸進(jìn)行畫圖，根據(jù)公式（1）計算二維圖中各點與坐標(biāo)原點的距離，篩選出距離最小的實驗條件，作為優(yōu)化選擇的結(jié)果。

具體方案：在冷態(tài)滾筒試驗平臺試驗裝置上，測定不同抄板結(jié)構(gòu)條件下的停留時間分布。

1．滾筒加工設(shè)備穩(wěn)定運行10 min后，在某一時刻將一定量的膨脹煙絲在滾筒加工設(shè)備入口加入，并將該時刻記為時間零點(t=0)，同時在出口以10s的時間間隔取樣，每次在滾筒出口接取完整煙絲截面，采用漂浮分離法測定膨脹煙絲比例隨時間的變化。通過改變抄板數(shù)量、高度可以得到一系列停留時間分布特征，如圖3、圖4所示。

2．以偏度為橫坐標(biāo)，無因次方差為縱坐標(biāo)進(jìn)行二維作圖，如圖5、圖6所示。

3．在根據(jù)偏度值越小抄板結(jié)構(gòu)相對較優(yōu)和無因次方差越小抄板結(jié)構(gòu)相對較優(yōu)兩條原則可以判斷不同條件下的抄板之間的優(yōu)劣。例如根據(jù)圖5可知，在滾筒抄板數(shù)量為12時，其對應(yīng)的停留時間無因次方差與偏度均較小，因此可判斷對于本試驗所對應(yīng)的滾筒抄板數(shù)量為8時，有利于加工過程質(zhì)量穩(wěn)定性的提高。同理根據(jù)圖6可知，滾抄板高度為9.4cm時，其對應(yīng)的停留時間無因次方差與偏度均較小，因此可判斷對于本試驗所對應(yīng)的滾筒抄板高度為9.4cm時，有利于加工過程質(zhì)量穩(wěn)定性的提高。具體實驗條件和D值參見表1所示。

表1 實驗條件及對應(yīng)D值

注:表中陰影部分表示D值最小值。