基于中性網(wǎng)絡(luò)模型的制鹽結(jié)晶粒度控制方法

李 陽

(中鹽工程技術(shù)研究院有限公司，天津 300450)

隨著人們生活水平不斷提升，消費(fèi)者越來越重視食鹽品質(zhì)，生產(chǎn)者也越來越關(guān)注結(jié)晶粒徑對(duì)食鹽品質(zhì)造成的影響，并希望通過一系列生產(chǎn)加工技術(shù)，達(dá)到縮小鹽結(jié)晶粒徑測量值的目的。在過去較長的一段時(shí)間里，各制鹽公司通過確定鹽生產(chǎn)速度、結(jié)晶懸浮液密度等數(shù)量值間影響關(guān)系的方式，初步判定鹽結(jié)晶粒徑是否滿足消費(fèi)者的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。若仍與理想值間差距較大，則可以通過后續(xù)添加晶種的方式，迫使鹽結(jié)晶粒徑再得到一定程度的降低。但隨著消費(fèi)者理想標(biāo)準(zhǔn)的日益提升，這種方法僅能將鹽結(jié)晶粒徑測量值、理論值間的物理差控制在35 μm～50 μm之間，并不足以達(dá)到理想水平。為解決上述問題，引入中性網(wǎng)絡(luò)模型，通過制鹽設(shè)備重新選型、結(jié)晶過程建模等操作步驟，搭建一種新型的制鹽結(jié)晶粒度控制方法，并在后續(xù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，突出證明該方法的時(shí)效性。

1 制鹽結(jié)晶粒度控制前期準(zhǔn)備——基于中性網(wǎng)絡(luò)模型

中性網(wǎng)絡(luò)是一種具備極高約束精度的模型結(jié)構(gòu)，可以利用輸入層組織對(duì)待運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行基本演算，再通過中間層的推測處理，輸出源數(shù)據(jù)的目的變數(shù)[3]。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，中間層組織不僅可以清晰顯示實(shí)測值的明確結(jié)果，也能根據(jù)待控制信息的具體變化方向，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的修正負(fù)載處理，具體結(jié)構(gòu)模式如圖1所示。

圖1 中性網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural chart of neutral mesh model

作為制鹽結(jié)晶粒度控制方法搭建的主要遵照法則，中性網(wǎng)絡(luò)模型既能按照消費(fèi)者使用需求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的鹽結(jié)晶粒徑數(shù)據(jù)進(jìn)行初期學(xué)習(xí)，并以縮小實(shí)測值、理論值誤差作為目標(biāo)，對(duì)學(xué)習(xí)精度數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化處理[4]。

所謂中性網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)精度數(shù)據(jù)，其實(shí)就是穩(wěn)定化系數(shù)條件，可以根據(jù)鹽結(jié)晶粒徑的理論數(shù)值，確定謂語變項(xiàng)的上、下限活動(dòng)范圍，并根據(jù)既定模型推測法則，得出標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)化條件。設(shè)χ、φ分別代表制鹽中性網(wǎng)絡(luò)謂語變項(xiàng)的上、下限參數(shù)，利用結(jié)晶粒徑穩(wěn)定化系數(shù)k，可將χ、φ的計(jì)算結(jié)果表示為：

(1)

其中，u′、y′分別代表制鹽結(jié)晶粒徑標(biāo)準(zhǔn)的上行、下行條件，i代表中性網(wǎng)絡(luò)謂語變項(xiàng)上限范圍內(nèi)允許存在的最大誤差量，w、q代表兩個(gè)不同的上限參數(shù)求取變化量，p代表下限參數(shù)的求取變化量，er代表網(wǎng)絡(luò)模型控制量為r時(shí)下限參數(shù)的平均變化向量。設(shè)t代表單位時(shí)間內(nèi)中性網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)精度數(shù)據(jù)的變化量，聯(lián)立公式(1)可將制鹽結(jié)晶粒度的穩(wěn)定化系數(shù)表示為：

(2)

其中，s代表與制鹽結(jié)晶粒度條件相關(guān)的控制系數(shù)，α代表學(xué)習(xí)精度數(shù)據(jù)變化量的固定冪次項(xiàng)參量，f、g代表兩個(gè)不同的粒度控制向量差，l代表平均制鹽結(jié)晶粒度條件。在中性網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)筑的基礎(chǔ)上，整合所有參數(shù)變量，完成基于中性網(wǎng)絡(luò)模型的制鹽結(jié)晶粒度控制準(zhǔn)備。

2 制鹽結(jié)晶粒度控制方法搭建

利用前期準(zhǔn)備條件，按照制鹽結(jié)晶設(shè)備選型、結(jié)晶過程建模、動(dòng)態(tài)梯度條件計(jì)算、向量離散化處理的操作流程，完成新型制鹽結(jié)晶粒度控制方法的搭建。

2.1 制鹽結(jié)晶設(shè)備選型

制鹽結(jié)晶設(shè)備選型包含料液性質(zhì)、操作工程技術(shù)要求、制鹽系統(tǒng)占用情況等多項(xiàng)影響因素。通常情況下，待選擇的制鹽結(jié)晶設(shè)備包含模式和非模式兩種。其中，模式制鹽結(jié)晶設(shè)備包含列管式、板式、旋轉(zhuǎn)式三個(gè)主要類型。列管式制鹽結(jié)晶設(shè)備可以有效抑制結(jié)晶粒度的粘度變化，并使食鹽晶體具備更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性；板式制鹽結(jié)晶設(shè)備可充分過濾食鹽晶體中的固體懸浮物，并定向提升整個(gè)結(jié)晶過程中的反應(yīng)速率；旋轉(zhuǎn)式制鹽結(jié)晶設(shè)備具備較強(qiáng)的水分蒸發(fā)能力，可有效提升制鹽晶體的純度系數(shù)[5-6]。非模式制鹽結(jié)晶設(shè)備只具備長管垂直傾斜一種存在形式，可在保持管內(nèi)外同時(shí)蒸發(fā)通氣的前提下，充分利用結(jié)晶熱源的蒸汽供應(yīng)量。完整的制鹽結(jié)晶設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 制鹽結(jié)晶設(shè)備選型原理總結(jié)表Tab.1 Summary table of selection principles ofsalt-making crystallization equipment

2.2 結(jié)晶操作過程

制鹽結(jié)晶操作必須與物理傳熱、化學(xué)傳質(zhì)變化伴隨發(fā)生，且晶核產(chǎn)生、晶體聚集破碎等過程完全遵照結(jié)晶物系的守恒粒數(shù)衡算方程[7]。在保證食鹽結(jié)晶生成速率、晶體動(dòng)力學(xué)特性保持不變的前提下，可按照?qǐng)D2操作原理，完成制鹽結(jié)晶操作過程。

圖2 制鹽結(jié)晶操作過程原理圖Fig.2 Principle diagram of salt crystallization process

2.3 結(jié)晶粒度的動(dòng)態(tài)梯度條件計(jì)算

制鹽結(jié)晶粒度動(dòng)態(tài)梯度條件在設(shè)備選型原理的支持下，針對(duì)結(jié)晶操作工程進(jìn)行的溶液狀態(tài)與離子特性間的變量對(duì)比操作[8-9]。假設(shè)在制鹽結(jié)晶過程中，晶體粒子自身的物理密度為ρ，初始制鹽溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)為j∞，聯(lián)立公式(2)，可將結(jié)晶粒度的動(dòng)態(tài)梯度條件表示為：

(3)

2.4 控制向量的離散化處理

控制向量離散化處理是新型制鹽結(jié)晶粒度控制方法搭建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以通過奇函數(shù)表達(dá)的形式，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶粒度控制向量從無理化到有理化的轉(zhuǎn)變[10]。設(shè)v代表離散積分的上限極值，n代表離散積分的下限極值，聯(lián)立公式(3)，可將制鹽結(jié)晶粒度控制向量的離散化處理結(jié)果表示為：

(4)

其中，σb代表控制離散量為b時(shí)的食鹽結(jié)晶條件，U、O分別代表最大和最小的食鹽結(jié)晶粒徑。整合上述理論依據(jù)，完成基于中性網(wǎng)絡(luò)模型的制鹽結(jié)晶粒度控制方法搭建。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于中性網(wǎng)絡(luò)模型制鹽結(jié)晶粒度控制方法的時(shí)效性，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選取兩組結(jié)晶情況相同的制鹽蒸發(fā)皿作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用現(xiàn)有技術(shù)手段和新型技術(shù)方法，控制食鹽晶體的粒度直徑，其中，前者作為對(duì)照組，后者作為實(shí)驗(yàn)組。在保持其它影響因素不變的前提下，分別記錄實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化情況。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

表2反應(yīng)了相關(guān)實(shí) 驗(yàn)參數(shù)設(shè)置情況及各實(shí)驗(yàn)器材型號(hào)。

表2 實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備表Tab.2 Pre-experiment preparation table

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組實(shí)驗(yàn)參數(shù)始終保持一致。

3.2 制鹽結(jié)晶粒徑的測量值與理論值對(duì)比

在控制制鹽蒸發(fā)皿、制鹽純度等外界條件保持不變的前提下，以50 min作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，分別記錄在該段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組方法后，制鹽結(jié)晶粒度測量值的變化情況。具體實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 制鹽結(jié)晶粒徑測量值與理論值對(duì)比圖(實(shí)驗(yàn)組)Fig.3 Contrast diagram between measured and theoretical diameter of salt-making crystalline grain

分析圖3可知，實(shí)驗(yàn)組制鹽結(jié)晶粒度測量值始終分布在理論值左右，理論值最高能夠接近70 μm，測量值雖然還不能超過理論值，但兩者間差值極小；理論值最小可低于20 μm，測量值最小雖未達(dá)到20 μm，但二者間差值依然不超過10 μm，符合理想要求標(biāo)準(zhǔn)。

分析圖4可知，對(duì)照組制鹽結(jié)晶粒度測量值與理論值間的差異較大，理論值最高能夠接近70 μm 而測量值最大值可超過90 μm；在最小值方面，理論值與測量值間的差值相對(duì)較小，但從平均變化量方面來看，對(duì)照組制鹽結(jié)晶粒度測量值與理論值間的誤差遠(yuǎn)超10 μm，不符合理想要求標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 制鹽結(jié)晶粒徑測量值與理論值對(duì)比圖(對(duì)照組)Fig.4 Contrast diagram between measured and theoretical diameter of salt-making crystalline grain

4 結(jié)束語

新型制鹽結(jié)晶粒度控制方法全面結(jié)合了中性網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用優(yōu)勢，且能夠在滿足結(jié)晶設(shè)備選型需求的基礎(chǔ)上，對(duì)控制向量、梯度條件等物理量進(jìn)行有效規(guī)劃出來。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面來看，應(yīng)用該新型控制方法后，制鹽結(jié)晶粒度測量值、理論值間的相符程度得到大幅提升，從根本上滿足了制鹽結(jié)晶粒度的控制標(biāo)準(zhǔn)。