颗粒水分与工艺参数相关性分析

颗粒水分数据在线采集

为了能够找出工艺参数与颗粒水分含量之间的关联关系，需要大量的数据进行研究。我们可以对工艺参数数据进行实时的采集并存储。然而水分数据则不能采用干燥失重法，一方面这样做需要消耗大量的时间，如果采集上万个水分数据，那需要的时间难以估量；另一方面，样品在取出来的过程中，通过与空气接触，难免会产生一定的误差。已经使用近红外光谱建立可以在生产过程中比较准确的预测出颗粒含水率的模型，因此，利用建立的KRR模型实时预测颗粒的含水率。

实时水分数据获取的软件为MicroNIR™ Pro v2.5.1，将建立好的模型导入到软件中，便可以使用近红外探头对颗粒进行扫描，通过建立的回归模型预测得出颗粒的水分含量。水分数据采集装置如下图所示。

实时水分数据采集

制粒过程中近红外探头实时获取颗粒的近红外光谱，通过KRR模型可以直接预测得出颗粒的水分含量。设置光谱采样间隔与工艺参数数据的采样时间一致，保证每一时刻颗粒水分含量和工艺参数相同，从而可以建立工艺参数数据与水分含量的关系模型。其流程如下图所示。

建模流程示意图

利用实验设计方案，在相同的条件下进行10个批次实验，每个批次制粒时间为一小时，设置采谱的时间间隔为2秒，去除无效的数据，一共采集到了17715个有效数据。所得到的数据如下表所示。

生产参数与水分表

序号	物料温度/℃	进风温度/℃	进风量/m3·h-1	排风温度/℃	雾化压力/bar	蠕动泵流量/ml·min-1	水分含量/%
1	30.09	74.12	29.37	30.59	1	3.75	1.8
2	30.25	74.17	29.3	30.56	1	3.75	1.81
3	30.12	74.24	29.33	30.59	1	3.75	1.75
4 5	30.25 30.11	74.31 74.47	29.37 30.35	30.58 30.59	1 1	3.75 3.75	1.77 1.68
… 17712	… 25.7	… 66.08	… 61.13	… 27.43	… 1.2	… 13.12	… 5.87
17713	25.86	66.02	60.98	27.57	1.2	13.12	5.93
17714	25.87	66.26	61.23	27.48	1.2	13.12	6.05
17715	26.01	66.35	61.6	27.42	1.2	13.12	6.13

颗粒水分数据可视化

数据可视化就是将数据通过作图的方式表示出来，数据通过可视化可以比较直观的得出数据的变化趋势，可以使数据更加客观且更具有说服力。将表的水分含量数据通过数据可视化转换成如下图。

水分数据总图

水分含量的总数据用直方图表示如下图。

水分含量直方图

从直方图中可以看出，水分含量在3%到5%之间的样本居多，而小于3%和大于5%的样本较少，基本符合正态分布。

工艺参数相关性

流化床的工艺参数较少，通过传感器可以采集到的工艺参数数据有物料温度、进风温度、排风温度、进风量、雾化压力和蠕动泵流量。流化床制粒是一个非线性、多耦合的过程，通过研究每个工艺参数与水分含量之间的相关性关系，可以更加了解流化床制粒工艺过程。各个工艺参数与颗粒水分含量的皮尔森相关系数图如下图所示。

工艺参数相关系数图

从图中可以看出，蠕动泵流量、雾化压力、排风温度、进风量、物料温度与水分的线性相关关系较大。其中，蠕动泵流量、雾化压力、进风量与颗粒的水分呈现正相关关系，蠕动泵流量越大，喷到颗粒表面的粘合剂越多，水分含量越高；雾化压力的作用是使粘合剂从液滴状通过喷头呈现雾状，Rambali[60]等人认为雾化压力大会使雾滴变小，粘合剂喷洒的就越均匀，这样制得的颗粒粒径会比较小。进风量大小决定物料的流化状态，大的进风量会带走更多的热空气，使得物料水分蒸发的较少，对物料水分含量有正向作用，同时进风量越大也会带走越多的水雾，从而对物料水分的起负向作用。蠕动泵流量、雾化压力和进风量与颗粒水分含量的关系如下图所示。

雾化压力与水分含量关系图

雾化压力与水分的关系图可以用小提琴图表示，可以看出在某个雾化压力下，水分含量集中分布在哪个区域。

蠕动泵流量与水分含量关系图

蠕动泵流量与水分的关系图可以用箱体图表示，能够看出水分含量的中位数和离群点，而且明显的看出是呈现正相关关系的。

进风量与水分含量的关系图

进风量是连续化数据，采用散点图的方式来表示，进风量的大小与含水量的多少也是呈现正相关的趋势。

雾化压力与蠕动泵流量是离散化数据，可以将两个参数结合起来一起分析，如下图所示。从图中可以看出，雾化压力和蠕动泵流量越大，所得的颗粒含水量也就越多。

雾化压力和蠕动泵流量与水分含量关系图

物料温度、进风温度和排风温度和水分是呈现负相关关系，物料的温度与进风温度和蠕动泵流量有直接的关系。不难理解，物料温度越高，喷洒在物料上的粘合剂蒸发的越快，对物料含水率升高起抑制作用；物料温度越低，物料表面的粘合剂蒸发的越慢，对水分的含水率升高起促进作用。在实际生产过程中，工人师傅在不知道颗粒含量具体多少的时候，为了防止制粒过程中发生塌床，一般是控制物料温度不能太低。物料温度、进风温度和排风温度与颗粒水分含量关系图如下图所示。