基于统计学及遍历性理论的判断多相混合均匀性的方法

摘要

本发明公开了一种基于统计学及遍历性理论的判断多相混合均匀性的方法。具体是：(1)在混合过程中放入搅拌槽内一个示踪颗粒作为研究对象；(2)利用电子断层等成像技术来获得任一个断层的连续的搅拌实时图样；(3)根据断层面的尺寸大小，将获得的多相混合过程中该断层的连续的搅拌实时图样进行网格划分；(4)运用统计学的方法计算示踪颗粒在一定时间内经过1～n个区域中每一个区域的次数，然后根据穿过1～n个区域的总次数计算该示踪颗粒穿过每一个区域中的概率P；(5)借助混合遍历性理论，得出多相混合在t时刻之后达到混合均匀的状态。本发明方法简单方便，对化工、冶金搅拌设备中判断混合均匀性及理论上指导搅拌反应器的设计，提供了一种可靠实用的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及属于化学工程技术领域，具体地说是一种适应于冶金、化工领域所有多相混合过程混合匀性的判断方法。

背景技术

搅拌是化工、冶金过程中最常见的操作之一。大约在60到80年代期间流体混合技术得到了飞速的发展，其研究的重点主要是针对常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。虽然有大量的设计经验和关联式的可用于分析和预测混合体系，但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到大规模的工业生产中，仍是没有把握的，至今仍需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。这种方法不但耗费财力和大量的人力和物力，而且设计周期很长，据相关统计显示美国的化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为10-100亿美元。因此采用先进的测试手段和建立合理的数学模型获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场，以及采取有效的衡量流体混合效果的方法，不仅对混合设备的优化设计具有十分重要的经济意义，而且对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。近年来，随着科技的发展，出现了激光多普勒测速仪LDV和计算流体力学CFD模拟技术以及电子断层成像技术等的广泛应用，促进了流体混合技术飞快的发展，就目前看，衡量流体混合效果的方法众多，主要有电导率法、热电偶法、光学法、脱色法等，其中电导率法在低粘性流体的搅拌混合中应用很广，但对搅拌介质的要求高，如要求搅拌介质为去离子水；热电偶法则对流场会产生破坏；一般的光学法由于装置复杂，应用也较少；脱色法用来测高粘流体和粘弹性流体非常有效，但由于采用肉眼判断，因而带有较强的主观性。

发明内容

本发明克服了上述方法的不足，提供一种具有较高的应用价值的、简便可行的用于判断多相混合过程混合均匀性的新方法。

本发明判断多相混合均匀性的方法的技术方案是：采用统计学及遍历性理论来判断多相混合均匀性，具体步骤为：

(1)在混合过程中放入搅拌槽内一个区别于周围其它物质且不跟任何物质发生化学反应的示踪颗粒作为研究对象；

(2)利用电子断层成像技术EPT，来获得多相混合过程中任一个断层的连续的搅拌实时图样；

(3)根据断层面的尺寸大小，将获得的多相混合过程中该断层的连续的搅拌实时图样进行网格划分，一般划分为n²个区域，n为自然数，并对其编号1～n；

(4)运用统计学的方法计算示踪颗粒在一定时间内经过1～n个区域中每一个区域的次数，然后根据穿过1～n个区域的总次数计算该示踪颗粒穿过每一个区域中的概率P，记作P_i，i＝1，2，3……n；

(5)借助混合遍历性理论，若经历充分的混合时间t后，P_i的数值大小相等或者P_i的标准差充分的小即趋近于0，若画出标准差的变化曲线图，则在t时刻后，标准差就几乎为零且往后的时间几乎保持不变，则表示多相混合在t时刻之后达到混合均匀的状态。

示踪颗粒的选择必须满足异于周围的任何物体，其中密度必须不同于周围物体，形状最好是球形便于捕捉。

所述电子断层成像技术EPT，英文为(Electrical Process Tomography，包括：电阻断层成像系统ERT即Electrical Resistance Tomography)、电容断层成像系统ECT即Electrical Capacitance Tomography)和电磁断层成像系统EMT，即Electro-magnetic Tomography)三类。

混合过程中获得断连续的搅拌实时图样进行网格划分时，区域的划分原则是根据图样和示踪颗粒大小、混合均匀性判断精度要求来确定n的取值大小。

在系统科学里，直观地讲，遍历变换意味着从给定点出发，经过多次迭代之后可接近任意点，即各态历经混合变换意味着从任何集合A出发的点，经过多次迭代之后所得之点属于集合B的可能性为两个集合测度之积，且与A，B的位置无关，即混合均匀，正合变换则意味着从任何非零测度集合出发，经过多次迭代之后所得集合的点将充满整个空间，即充分扩散，正合蕴含遍历性。简而言之，这种遍历性使得空间中的定点可接近任意点，即到达任意点任意区域的概率是几乎一样的，我们称之为混合均匀。

具体方法是：(1)在混合过程中放入搅拌槽内一个区别于周围其它物质且不跟任何物质发生化学反应的示踪颗粒作为研究对象；(2)利用电子断层成像技术EPT(Electrical Process Tomography)，其中包括电阻断层成像系统ERT(Electrical Resistance Tomography)、电容断层成像系统ECT(ElectricalCapacitance Tomography)和电磁断层成像系统EMT(Electro-magneticTomography)三类，来获得多相混合过程中任一个断层的连续的搅拌实时图样；(3)根据断层面的尺寸大小，将获得的多相混合过程中该断层的连续的搅拌实时图样进行网格划分，一般划分为n²个区域(n为自然数)，并对其编号1～n；(4)运用统计学的方法计算示踪颗粒在一定时间内经过1～n个区域中每一个区域的次数，然后根据穿过1～n个区域的总次数计算该示踪颗粒穿过每一个区域中的概率P，记作P_i，i＝1，2，3……n；(5)借助混合遍历性理论，若经历充分的混合时间t后，P_i的数值大小相等或者P_i的标准差充分的小(趋近于0)，若画出标准差的变化曲线图，则在t时刻后，标准差就几乎为零且往后的时间几乎保持不变，则表示多相混合在t时刻之后达到混合均匀的状态。

本发明的有益效果是：

1、该方法简单可行，有系统科学之遍历性理论做支撑；

2、解决了电导率法、热电偶法、光学法、脱色法等的不足之处；

3、可以减少搅拌反应器因不合理的设计造成的经济损失。

附图说明

图1为本发明的电子断层成像系统搅拌设备混合图样采集装置图。

图2为本发明的断层图样网格划分图。

图3为本发明的示踪颗粒穿过区域12时刻的断层图。

图4为本发明的记录示踪颗粒穿过每一个区域的概率P_i的标准差随时间变化图。

图5为本发明的示踪颗粒穿过区域29时刻的断层图。

图6为本发明的记录示踪颗粒穿过每一个区域的概率P_i的标准差随时间变化图。

在图1中搅拌设备两侧的黑色点代表了八只传感器，用于信号的接受和发送；其中，1为浆，2为搅拌设备，3为断层面，4为数据获取设备，5为图像重构设备。

具体实施方式

实施例1：某食品加工厂，运用机械搅拌的方式进行混合物料的操作，运用如图1所示装置，在搅拌设备两侧对称安装有8只传感器，用于搅拌设备内部竖断面连续图像的采集，通过判断出不同质量物料在不同的搅拌速度下的混合均匀时间，从而针对不同质量的物料可以选出最佳的搅拌速度，即在最短的时间内让搅拌槽内达到均匀状态，有利于提高食品加工效率。

实施步骤如下：1.在搅拌设备中添加一个异于物料密度的球状材料作为示踪颗粒。2.运用图1中所示电子断层成像系统采集竖直断面的连续图样，记录下每一时刻的断层图样，根据搅拌设备竖直断面实际尺寸，我们划分为4²个区域，n＝4。3.计算并统计示踪颗粒穿过1～16个网格区域的次数，在t＝5s的时候，P₁＝9/71，P₂＝3/71，P₃＝0/71，P₄＝4/71，P₅＝14/71，P₆＝4/71，P₇＝3/71，P₈＝7/71，P₉＝0/71，P₁₀＝6/71，P₁₁＝3/71，P₁₂＝2/71，P₁₃＝12/71，P₁₄＝0/71，P₁₅＝0/71，P₁₆＝4/71，计算标准差得0.0597，继续记录穿过每个区域的次数，在t＝25s后，P₁＝90/1455，P₂＝93/1455，P₃＝89/1455，P₄＝89/1455，P₅＝94/1455，P₆＝94/1455，P₇＝93/1455，P₈＝91/1455，P₉＝88/1455，P₁₀＝87/1455，P₁₁＝93/1455，P₁₂＝92/1455，P₁₃＝90/1455，P₁₄＝86/1455，P₁₅＝90/1455，P₁₆＝96/1455，计算标准差得0.0019，一直记录下去，往后的数据显示标准差已经几乎不发生变化，所以，我们分析当t＝25s以后，混合进入均匀状态。如图4所示。

实施例2：某钢铁厂，运用机械搅拌的方式进行除硫的操作，运用如图1所示装置，在搅拌设备两侧对称安装有8只传感器，用于搅拌设备内部竖断面连续图像的采集，通过判断出不同质量物料在不同的搅拌速度下的混合均匀时间，从而针对不同质量的物料可以选出最佳的搅拌速度，即在最短的时间内让搅拌槽内达到均匀状态，有利于提高脱硫效率。具体实施步骤如下：1.在搅拌设备中添加一个异于物料密度的球状材料作为示踪颗粒，该颗粒不熔于物料内部。2.运用图1中所示电子断层成像系统采集竖直断面的连续图样，记录下每一时刻的断层图样，根据搅拌设备竖直断面实际尺寸，我们划分为8²个区域，n＝8如图5所示，t时刻示踪颗粒位于区域29处。3.计算并统计示踪颗粒穿过1～64个网格区域的次数，在t＝1s的时候分别计算P₁～P₆₄数值大小，计算标准差得0.089，继续记录穿过每个区域的次数，在t＝250s后，再次计算P₁～P₆₄的数值大小，计算标准差得0.019，在t＝300s后，再次计算P₁～P₆₄的数值大小，计算标准差得0.009一直记录下去，往后的数据显示标准差已经几乎不发生变化，所以，我们分析当t＝300s以后，混合进入均匀状态。如图6所示标准差的演化曲线图。