專利名稱：基于統(tǒng)計(jì)學(xué)及遍歷性理論的判斷多相混合均勻性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種適應(yīng)于冶金、化工領(lǐng)域所有 多相混合過程混合勻性的判斷方法。
背景技術(shù)：
攪拌是化工、冶金過程中最常見的操作之一。大約在60到80年代期間流體混合 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其研究的重點(diǎn)主要是針對(duì)常規(guī)攪拌槳在低粘和高粘非牛頓均相體 系、固液懸浮和氣液分散等非均相體系中的攪拌功耗、混合時(shí)間等宏觀量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。雖 然有大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和關(guān)聯(lián)式的可用于分析和預(yù)測(cè)混合體系，但將攪拌反應(yīng)器從實(shí)驗(yàn)室規(guī) 模直接放大到大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中，仍是沒有把握的，至今仍需要通過逐級(jí)放大來達(dá)到攪 拌設(shè)備所要求的傳質(zhì)、傳熱和混合。這種方法不但耗費(fèi)財(cái)力和大量的人力和物力，而且設(shè)計(jì) 周期很長(zhǎng)，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示美國(guó)的化學(xué)工業(yè)由于攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)不合理所造成的損失每年 約為10-100億美元。因此采用先進(jìn)的測(cè)試手段和建立合理的數(shù)學(xué)模型獲取攪拌槽中的速 度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，以及采取有效的衡量流體混合效果的方法，不僅對(duì)混合設(shè)備的優(yōu)化 設(shè)計(jì)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義，而且對(duì)放大和混合的基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實(shí)的理論意義。近年 來，隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了激光多普勒測(cè)速儀LDV和計(jì)算流體力學(xué)CFD模擬技術(shù)以及電子 斷層成像技術(shù)等的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了流體混合技術(shù)飛快的發(fā)展，就目前看，衡量流體混合效 果的方法眾多，主要有電導(dǎo)率法、熱電偶法、光學(xué)法、脫色法等，其中電導(dǎo)率法在低粘性流體 的攪拌混合中應(yīng)用很廣，但對(duì)攪拌介質(zhì)的要求高，如要求攪拌介質(zhì)為去離子水；熱電偶法則 對(duì)流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生破壞；一般的光學(xué)法由于裝置復(fù)雜，應(yīng)用也較少；脫色法用來測(cè)高粘流體和 粘彈性流體非常有效，但由于采用肉眼判斷，因而帶有較強(qiáng)的主觀性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了上述方法的不足，提供一種具有較高的應(yīng)用價(jià)值的、簡(jiǎn)便可行的用 于判斷多相混合過程混合均勻性的新方法。本發(fā)明判斷多相混合均勻性的方法的技術(shù)方案是采用統(tǒng)計(jì)學(xué)及遍歷性理論來判 斷多相混合均勻性，具體步驟為(1)在混合過程中放入攪拌槽內(nèi)一個(gè)區(qū)別于周圍其它物質(zhì)且不跟任何物質(zhì)發(fā)生化 學(xué)反應(yīng)的示蹤顆粒作為研究對(duì)象；(2)利用電子斷層成像技術(shù)EPT，來獲得多相混合過程中任一個(gè)斷層的連續(xù)的攪 拌實(shí)時(shí)圖樣；(3)根據(jù)斷層面的尺寸大小，將獲得的多相混合過程中該斷層的連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí) 圖樣進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般劃分為η2個(gè)區(qū)域，η為自然數(shù)，并對(duì)其編號(hào)1 η ；(4)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算示蹤顆粒在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過1 η個(gè)區(qū)域中每一個(gè)區(qū) 域的次數(shù)，然后根據(jù)穿過1 η個(gè)區(qū)域的總次數(shù)計(jì)算該示蹤顆粒穿過每一個(gè)區(qū)域中的概率 P，記作 P” i = 1,2,3……η ；
(5)借助混合遍歷性理論，若經(jīng)歷充分的混合時(shí)間t后，Pi的數(shù)值大小相等或者Pi 的標(biāo)準(zhǔn)差充分的小即趨近于0，若畫出標(biāo)準(zhǔn)差的變化曲線圖，則在t時(shí)刻后，標(biāo)準(zhǔn)差就幾乎 為零且往后的時(shí)間幾乎保持不變，則表示多相混合在t時(shí)刻之后達(dá)到混合均勻的狀態(tài)。示蹤顆粒的選擇必須滿足異于周圍的任何物體，其中密度必須不同于周圍物體， 形狀最好是球形便于捕捉。
所述電子斷層成像技術(shù)EPT，英文為(Electrical Process Tomography，包括電 阻斷層成像系統(tǒng)ERT即Electrical Resistance Tomography)、電容斷層成像系統(tǒng)ECT即 Electrical Capacitance Tomography)禾口電石茲斷層成{象系統(tǒng) EMT,艮口 Electro—magnetic Tomography)三類?；旌线^程中獲得斷連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，區(qū)域的劃分原則是根據(jù) 圖樣和示蹤顆粒大小、混合均勻性判斷精度要求來確定η的取值大小。在系統(tǒng)科學(xué)里，直觀地講，遍歷變換意味著從給定點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過多次迭代之后可接 近任意點(diǎn)，即各態(tài)歷經(jīng)混合變換意味著從任何集合A出發(fā)的點(diǎn)，經(jīng)過多次迭代之后所得之 點(diǎn)屬于集合B的可能性為兩個(gè)集合測(cè)度之積，且與Α，B的位置無關(guān)，即混合均勻，正合變換 則意味著從任何非零測(cè)度集合出發(fā)，經(jīng)過多次迭代之后所得集合的點(diǎn)將充滿整個(gè)空間，即 充分?jǐn)U散，正合蘊(yùn)含遍歷性。簡(jiǎn)而言之，這種遍歷性使得空間中的定點(diǎn)可接近任意點(diǎn)，即到 達(dá)任意點(diǎn)任意區(qū)域的概率是幾乎一樣的，我們稱之為混合均勻。具體方法是(1)在混合過程中放入攪拌槽內(nèi)一個(gè)區(qū)別于周圍其它物質(zhì)且 不跟任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的示蹤顆粒作為研究對(duì)象；(2)利用電子斷層成像技術(shù) EPT (Electrical Process Tomography)，其中包括電阻斷層成像系統(tǒng) ERT (Electrical Resistance Tomography)、^^-WiMECT (ElectricalCapacitance Tomography) 和電磁斷層成像系統(tǒng)EMI^Electro-magneticTomography)三類，來獲得多相混合過程中任 一個(gè)斷層的連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣；(3)根據(jù)斷層面的尺寸大小，將獲得的多相混合過程中 該斷層的連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般劃分為η2個(gè)區(qū)域(η為自然數(shù))，并對(duì)其 編號(hào)1 η ； (4)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算示蹤顆粒在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過1 η個(gè)區(qū)域中每一個(gè) 區(qū)域的次數(shù)，然后根據(jù)穿過1 η個(gè)區(qū)域的總次數(shù)計(jì)算該示蹤顆粒穿過每一個(gè)區(qū)域中的概 率P，記作Pi, i = 1,2,3……n;(5)借助混合遍歷性理論，若經(jīng)歷充分的混合時(shí)間t后，Pi 的數(shù)值大小相等或者Pi的標(biāo)準(zhǔn)差充分的小(趨近于0)，若畫出標(biāo)準(zhǔn)差的變化曲線圖，則在 t時(shí)刻后，標(biāo)準(zhǔn)差就幾乎為零且往后的時(shí)間幾乎保持不變，則表示多相混合在t時(shí)刻之后達(dá) 到混合均勻的狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是1、該方法簡(jiǎn)單可行，有系統(tǒng)科學(xué)之遍歷性理論做支撐；2、解決了電導(dǎo)率法、熱電偶法、光學(xué)法、脫色法等的不足之處；3、可以減少攪拌反應(yīng)器因不合理的設(shè)計(jì)造成的經(jīng)濟(jì)損失。


圖1為本發(fā)明的電子斷層成像系統(tǒng)攪拌設(shè)備混合圖樣采集裝置圖。圖2為本發(fā)明的斷層圖樣網(wǎng)格劃分圖。圖3為本發(fā)明的示蹤顆粒穿過區(qū)域12時(shí)刻的斷層圖。
圖4為本發(fā)明的記錄示蹤顆粒穿過每一個(gè)區(qū)域的概率Pi的標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間變化圖。圖5為本發(fā)明的示蹤顆粒穿過區(qū)域29時(shí)刻的斷層圖。圖6為本發(fā)明的記錄示蹤顆粒穿過每一個(gè)區(qū)域的概率Pi的標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間變化圖。在圖1中攪拌設(shè)備兩側(cè)的黑色點(diǎn)代表了八只傳感器，用于信號(hào)的接受和發(fā)送；其 中，1為漿，2為攪拌設(shè)備，3為斷層面，4為數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，5為圖像重構(gòu)設(shè)備。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 某食品加工廠，運(yùn)用機(jī)械攪拌的方式進(jìn)行混合物料的操作，運(yùn)用如圖1 所示裝置，在攪拌設(shè)備兩側(cè)對(duì)稱安裝有8只傳感器，用于攪拌設(shè)備內(nèi)部豎斷面連續(xù)圖像的 采集，通過判斷出不同質(zhì)量物料在不同的攪拌速度下的混合均勻時(shí)間，從而針對(duì)不同質(zhì)量 的物料可以選出最佳的攪拌速度，即在最短的時(shí)間內(nèi)讓攪拌槽內(nèi)達(dá)到均勻狀態(tài)，有利于提 高食品加工效率。實(shí)施步驟如下1.在攪拌設(shè)備中添加一個(gè)異于物料密度的球狀材料作為示蹤顆 粒。2.運(yùn)用圖1中所示電子斷層成像系統(tǒng)采集豎直斷面的連續(xù)圖樣，記錄下每一時(shí)刻的斷 層圖樣，根據(jù)攪拌設(shè)備豎直斷面實(shí)際尺寸，我們劃分為42個(gè)區(qū)域，η = 4。3.計(jì)算并統(tǒng)計(jì)示蹤 顆粒穿過1 16個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的次數(shù)，在t = 5s的時(shí)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，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差得 0. 0597，繼續(xù)記 錄穿過每個(gè)區(qū)域的次數(shù)，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，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差得0. 0019，一直記錄下去，往后的數(shù)據(jù)顯示標(biāo)準(zhǔn)差已經(jīng)幾乎不發(fā)生 變化，所以，我們分析當(dāng)t = 25s以后，混合進(jìn)入均勻狀態(tài)。如圖4所示。實(shí)施例2 某鋼鐵廠，運(yùn)用機(jī)械攪拌的方式進(jìn)行除硫的操作，運(yùn)用如圖1所示裝置， 在攪拌設(shè)備兩側(cè)對(duì)稱安裝有8只傳感器，用于攪拌設(shè)備內(nèi)部豎斷面連續(xù)圖像的采集，通過 判斷出不同質(zhì)量物料在不同的攪拌速度下的混合均勻時(shí)間，從而針對(duì)不同質(zhì)量的物料可以 選出最佳的攪拌速度，即在最短的時(shí)間內(nèi)讓攪拌槽內(nèi)達(dá)到均勻狀態(tài)，有利于提高脫硫效率。 具體實(shí)施步驟如下1.在攪拌設(shè)備中添加一個(gè)異于物料密度的球狀材料作為示蹤顆粒，該 顆粒不熔于物料內(nèi)部。2.運(yùn)用圖1中所示電子斷層成像系統(tǒng)采集豎直斷面的連續(xù)圖樣，記 錄下每一時(shí)刻的斷層圖樣，根據(jù)攪拌設(shè)備豎直斷面實(shí)際尺寸，我們劃分為82個(gè)區(qū)域，n = 8 如圖5所示，t時(shí)刻示蹤顆粒位于區(qū)域29處。3.計(jì)算并統(tǒng)計(jì)示蹤顆粒穿過1 64個(gè)網(wǎng)格 區(qū)域的次數(shù)，在t = Is的時(shí)候分別計(jì)算P1 P64數(shù)值大小，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差得0. 089，繼續(xù)記錄 穿過每個(gè)區(qū)域的次數(shù)，在t = 250s后，再次計(jì)算P1 P64的數(shù)值大小，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差得0. 019， 在t = 300s后，再次計(jì)算P1 P64的數(shù)值大小，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差得0. 009 一直記錄下去，往后的 數(shù)據(jù)顯示標(biāo)準(zhǔn)差已經(jīng)幾乎不發(fā)生變化，所以，我們分析當(dāng)t = 300s以后，混合進(jìn)入均勻狀 態(tài)。如圖6所示標(biāo)準(zhǔn)差的演化曲線圖。
權(quán)利要求
一種判斷多相混合均勻性的方法，其特征在于該方法采用統(tǒng)計(jì)學(xué)及遍歷性理論來判斷多相混合均勻性，具體步驟為(1)在混合過程中放入攪拌槽內(nèi)一個(gè)區(qū)別于周圍其它物質(zhì)且不跟任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的示蹤顆粒作為研究對(duì)象；(2)利用電子斷層成像技術(shù)EPT，來獲得多相混合過程中任一個(gè)斷層的連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣；(3)根據(jù)斷層面的尺寸大小，將獲得的多相混合過程中該斷層的連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般劃分為n2個(gè)區(qū)域，n為自然數(shù)，并對(duì)其編號(hào)1～n；(4)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算示蹤顆粒在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過1～n個(gè)區(qū)域中每一個(gè)區(qū)域的次數(shù)，然后根據(jù)穿過1～n個(gè)區(qū)域的總次數(shù)計(jì)算該示蹤顆粒穿過每一個(gè)區(qū)域中的概率P，記作Pi，i＝1，2，3……n；(5)借助混合遍歷性理論，若經(jīng)歷充分的混合時(shí)間t后，Pi的數(shù)值大小相等或者Pi的標(biāo)準(zhǔn)差充分的小即趨近于0，若畫出標(biāo)準(zhǔn)差的變化曲線圖，則在t時(shí)刻后，標(biāo)準(zhǔn)差就幾乎為零且往后的時(shí)間幾乎保持不變，則表示多相混合在t時(shí)刻之后達(dá)到混合均勻的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的判斷多相混合均勻性的方法，其特征在于示蹤顆粒的選擇 必須滿足異于周圍的任何物體，其中密度必須不同于周圍物體，形狀最好是球形便于捕捉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的判斷多相混合均勻性的方法，其特征在于所述電子斷層成 像技術(shù)EPT，英文為(Electrical Process Tomography，包括電阻斷層成像系統(tǒng)ERT即 Electrical Resistance Tomography)、電容斷層成像系統(tǒng)ECT 艮口 Electrical Capacitance Tomography)禾口電磁斷層成像系統(tǒng) EMT，艮口 Electro—magnetic Tomography)三類。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的判斷多相混合均勻性的方法，其特征在于混合過程中獲得 斷連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，區(qū)域的劃分原則是根據(jù)圖樣和示蹤顆粒大小、混 合均勻性判斷精度要求來確定η的取值大小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)及遍歷性理論的判斷多相混合均勻性的方法。具體是(1)在混合過程中放入攪拌槽內(nèi)一個(gè)示蹤顆粒作為研究對(duì)象；(2)利用電子斷層等成像技術(shù)來獲得任一個(gè)斷層的連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣；(3)根據(jù)斷層面的尺寸大小，將獲得的多相混合過程中該斷層的連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣進(jìn)行網(wǎng)格劃分；(4)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法計(jì)算示蹤顆粒在一定時(shí)間內(nèi)經(jīng)過1～n個(gè)區(qū)域中每一個(gè)區(qū)域的次數(shù)，然后根據(jù)穿過1～n個(gè)區(qū)域的總次數(shù)計(jì)算該示蹤顆粒穿過每一個(gè)區(qū)域中的概率P；(5)借助混合遍歷性理論，得出多相混合在t時(shí)刻之后達(dá)到混合均勻的狀態(tài)。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單方便，對(duì)化工、冶金攪拌設(shè)備中判斷混合均勻性及理論上指導(dǎo)攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，提供了一種可靠實(shí)用的方法。
文檔編號(hào)B01F7/20GK101822957SQ20101014023
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者孫輝, 徐建新, 朱道飛, 王仕博, 王 華 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)