專利名稱：一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣液兩相間化學(xué)反應(yīng)速率的測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，為了控制化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化硫的排放，石灰石濕法洗滌是應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硫過程。吸收塔中的強(qiáng)制氧化能加速漿液中的亞硫酸鈣向硫酸鈣的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致形成石膏(CaSO4·2H2O)。目前對強(qiáng)制氧化過程中CaSO3氧化為CaSO4的反應(yīng)機(jī)制和反應(yīng)動(dòng)力參數(shù)的值的認(rèn)識(shí)有著不確定性(在實(shí)際濕法脫硫條件下此反應(yīng)為氣-液異相反應(yīng))。雖然已經(jīng)對此反應(yīng)有了較長時(shí)間的研究，但因?yàn)閬喠蛩猁}氧化反應(yīng)對實(shí)驗(yàn)條件非常敏感，一般的測量方法對反應(yīng)速率的測量結(jié)果很不穩(wěn)定，使得各個(gè)研究者得到的結(jié)果之間很不一致。因此，必須尋找一種能準(zhǔn)確測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的方法，得到大量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，才能在此基礎(chǔ)上對亞硫酸鹽氧化反應(yīng)的規(guī)律有更深入的研究。
亞硫酸鹽溶液與氧氣的反應(yīng)屬于異相反應(yīng)，對異相反應(yīng)的測量必須使氣相和液相反應(yīng)物在可以控制反應(yīng)條件的界面上接觸。目前現(xiàn)有技術(shù)中采用的方案有攪拌式容器和濕壁圓柱(wetted-wall columns)法。
文獻(xiàn)“A.Lancia，D.Musmarra，F(xiàn).PepeUncatalyzed heterogeneous oxidationof calcium bisulfite.Chem.Engng Sci.，1996，51pp.3889～3896”公開的是一種攪拌式容器法。攪拌式容器是最簡單的一種設(shè)計(jì)，基本方法是不斷把反應(yīng)物(亞硫酸鈉溶液和氧氣)送入容器，并在里面攪拌混合，在容器內(nèi)的反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后測量容器入口和出口溶液的亞硫酸根離子濃度，求出反應(yīng)速率。此方案測出系統(tǒng)流入和流出物質(zhì)的成份，作為反應(yīng)方程式兩邊的反應(yīng)物和生成物。參見文獻(xiàn)“A.Lancia，D.Musmarra，F(xiàn).PepeUncatalyzed heterogeneous oxidation of calcium bisulfite.Chem.EngngSci.，1996，51pp.3889～3896”。該方法的缺點(diǎn)是氣相和液相的接觸面積無法直接測量，只能通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。更重要的是液相與氣相接觸的時(shí)間無法測量，只能定性認(rèn)為液相與氣相的接觸時(shí)間隨著攪拌強(qiáng)度的增加而減小，因此測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。
文獻(xiàn)“J.A.Wesselingh and A.C.van′t HoogOxidation of aqueous sulphite solutionsamodel reaction for measurements in gas-liquid dispersions，Trans.Instn Chem.Engrs Vol.48，1970，pp.69-74”中公開了另一種方案即采用濕壁圓柱(wetted-wall columns)法測量亞硫酸鹽的氧化速率，該方法是在已知面積的圓柱管壁上形成亞硫酸鈉溶液的液膜，使該液膜始終處于純氧中，測量指定體積的氧氣被吸收時(shí)所需的時(shí)間，進(jìn)一步可以求出單位面積、單位時(shí)間內(nèi)吸收的氧氣物質(zhì)的量，即反應(yīng)速率。此方案的缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)過程中很難在圓柱表面形成均勻的液膜，所以氣液接觸面積誤差較大。另外，氣體與溶液的接觸時(shí)間是確定的，但一般來說接觸時(shí)間很短，所以無法測量反應(yīng)速率隨接觸時(shí)間的變化規(guī)律。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明旨在研究一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的方法，使其能夠直觀的并能連續(xù)的測量各個(gè)階段亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率，測量結(jié)果準(zhǔn)確，測量精度高，從而為研究異相條件下亞硫酸鹽氧化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的方法，其特征在于通過對浸沒在亞硫酸鹽溶液中的孤立靜止的一個(gè)氧氣氣泡的攝像和分析，完成對亞硫酸鹽溶液中孤立氧氣氣泡的體積和氣-液接觸面積的連續(xù)測量，得到單位時(shí)間、單位氣-液相界面面積上反應(yīng)掉的氧氣物質(zhì)的量，直接獲得單位氣液接觸面積上的氧化反應(yīng)速率，其測量方法包括如下步驟(1)建立氧氣氣泡生成與隔離系統(tǒng)，生成一個(gè)單個(gè)的氣泡，將該氣泡浸沒在盛有亞硫酸鹽溶液的反應(yīng)容器中，并控制其氣泡的大小，使之靜止于溶液中；(2)建立由光源、遮光孔、凸透鏡、像屏組成的光路成像系統(tǒng)，將上述單個(gè)氣泡置于該光路中，使光線從氣泡后方投射，獲得輪廓清晰放大的氣泡圖像；(3)利用溫度信號采集系統(tǒng)記錄溶液當(dāng)前溫度，在當(dāng)前溫度下利用攝像機(jī)連續(xù)拍攝該氣泡輪廓圖像序列；(4)通過儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像識(shí)別軟件，從氣泡圖像中識(shí)別得到氣泡輪廓擬合方程、氣泡最高點(diǎn)曲率半徑、表面積、體積，得到氣泡內(nèi)氧氣物質(zhì)的量隨時(shí)間變化的關(guān)系；(5)利用儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理軟件，對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到單位時(shí)間、單位氣-液相界面面積上反應(yīng)掉的氧氣物質(zhì)的量，即為該反應(yīng)條件下亞硫酸鹽氧化反應(yīng)的速率。
實(shí)現(xiàn)上述方法的一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括單個(gè)氧氣氣泡生成與隔離系統(tǒng)，盛有亞硫酸鹽溶液的反應(yīng)容器，由光源、遮光孔、凸透鏡、像屏組成的光路成像系統(tǒng)，溫度信號采集系統(tǒng)，攝像機(jī)以及與攝像機(jī)和溫度信號采集系統(tǒng)相連的儲(chǔ)存有圖像識(shí)別軟件和數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)；所述單個(gè)氧氣氣泡生成與隔離系統(tǒng)主要是由推桿、套管以及設(shè)置在推桿底部的推桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，所述推桿前端套有橡膠套，套管頂端設(shè)置吹管，在套管的一側(cè)設(shè)置有氧氣進(jìn)口及出口，該套管從容器底部豎置插入反應(yīng)容器中。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果本發(fā)明通過對浸沒在亞硫酸鹽溶液中的孤立、靜止的一個(gè)氧氣氣泡的攝像和分析，完成對亞硫酸鹽溶液中孤立氧氣氣泡的體積和氣-液接觸面積的連續(xù)測量，能夠直觀的并較為精確的得到單位時(shí)間、單位氣-液相界面面積上反應(yīng)掉的氧氣物質(zhì)的量，可直接獲得單位氣液接觸面積上的氧化反應(yīng)速率，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測量誤差小。由于產(chǎn)生的是一個(gè)穩(wěn)定的氣泡，因此測量方便，同時(shí)降低了對攝像機(jī)的要求。測量過程中反應(yīng)物消耗極少，可以使用同一溶液連續(xù)測量?？梢栽诜磻?yīng)物濃度和催化劑濃度基本不變的條件下測量各個(gè)溫度的反應(yīng)速率，因?yàn)樵诖诉^程中其它因素的變化可以忽略，這樣就能得到反應(yīng)速率僅僅隨溫度變化的數(shù)據(jù)。這個(gè)特點(diǎn)對于研究單個(gè)因素對反應(yīng)速率的影響非常有利，尤其對實(shí)驗(yàn)條件非常敏感的亞硫酸鹽氧化反應(yīng)來說，這個(gè)特點(diǎn)顯得更加重要。


附圖1為本發(fā)明的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖附圖2為單個(gè)氣泡生成與隔離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖附圖3為光線經(jīng)過氣泡的光路圖附圖4為實(shí)際拍攝得到的一幅氣泡照片附圖5為識(shí)別照片上氣泡幾何參數(shù)的流程示意圖附圖6為氣泡邊界識(shí)別后的結(jié)果圖像附圖7為擬合得到的曲線，橫、縱坐標(biāo)分別為點(diǎn)相對中心的極角θ和極半徑ρ附圖8為去噪音、擬合過程的算法流程中1.-反應(yīng)容器2-光源3-遮光孔4-氧氣氣泡5-凸透鏡6-像屏7-攝像機(jī)8-氧氣氣源9-氣泡生成與隔離系統(tǒng)10-吹管11-加熱器12-熱電阻13-計(jì)算機(jī)14-惰性氣體入口15.-惰性氣體出口16-攝像機(jī)屏幕17-橡膠套18-推桿19-外層套管20-進(jìn)氣口21-排氣口22-玻璃膠23-連接頭24-壓桿25-彈簧26-滑塊27-橡皮塞28-壓片具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的機(jī)理、實(shí)現(xiàn)步驟、各部分的具體結(jié)構(gòu)及最佳實(shí)施方式氧氣氣泡由于化學(xué)反應(yīng)的作用，在亞硫酸鹽溶液中將被吸收，因此氣泡體積將縮??；當(dāng)氧氣氣泡進(jìn)入亞硫酸鹽溶液中時(shí)，因?yàn)闅庖合嘟缑娓浇嬖谥鯕夂蛠喠蛩岣x子的反應(yīng)，使得氧氣氣泡逐漸縮小。因此研究單個(gè)氣泡在溶液中縮小的規(guī)律能夠求出各個(gè)時(shí)刻的反應(yīng)速率。
本發(fā)明基于上述機(jī)理，采用了如下技術(shù)解決方案本發(fā)明的測量系統(tǒng)主要包括盛有亞硫酸鹽溶液的反應(yīng)容器1，單個(gè)氧氣氣泡生成與隔離系統(tǒng)9，由光源2、遮光孔3、凸透鏡5、像屏6組成的光路成像系統(tǒng)，溫度信號采集系統(tǒng)，攝像機(jī)7以及與攝像機(jī)和溫度信號采集系統(tǒng)相連的儲(chǔ)存有圖像識(shí)別軟件和數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)13等組成。反應(yīng)容器1是用透明的有機(jī)玻璃制成的長方形箱體，里面盛有一定濃度的亞硫酸鹽溶液(溶液為亞硫酸鈉)，溶液上方的空間持續(xù)通入惰性氣體，例如可使用氮?dú)猓脕砀綦x溶液和空氣中的氧氣，避免由于溶液中的亞硫酸鹽被氧化而造成的溶液濃度的變化。所述溫度信號采集系統(tǒng)是由熱電阻12、變送器、A/D板所組成，通過計(jì)算機(jī)可以連續(xù)記錄反應(yīng)界面上的溫度信號。所述單個(gè)氧氣氣泡生成與隔離系統(tǒng)9是產(chǎn)生氧氣氣泡的裝置，每次產(chǎn)生一個(gè)純氧氣泡，并將氣泡與氣路隔離。該系統(tǒng)主要包括推桿18、套管19以及設(shè)置在推桿底部的推桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，所述推桿前端套有橡膠套17，套管頂端設(shè)置吹管10，在套管的一側(cè)設(shè)置有氧氣進(jìn)口20及出口21，該套管從容器底部豎置插入反應(yīng)容器1中。橡膠塞27被壓片28壓緊在容器底部的孔上，使得橡膠塞與容器間不會(huì)泄漏；套管與進(jìn)氣管20、排氣管21連通。氧氣從容器外的氧氣氣源8經(jīng)過套管慢慢吹入溶液，在吹管口形成氣泡4。由于氣泡體積較小時(shí)氣泡和吹管口間的附著力大于溶液對氣泡浮力，利用這個(gè)物理現(xiàn)象，通過控制氣泡體積，得到了在溶液中穩(wěn)定的較大的氣泡。
為了能夠測量氣泡輪廓在溶液中連續(xù)變化的規(guī)律，必須產(chǎn)生浸沒在溶液內(nèi)的、靜止的、體積較大的氣泡。此氣泡應(yīng)該孤立在溶液中，與氣路隔離，這樣氧氣到外界的唯一原因就是在氣液相界面上反應(yīng)掉。具體產(chǎn)生氣泡與隔離氣泡的系統(tǒng)如圖2所示，其方法是先壓緊壓桿24，此時(shí)管內(nèi)氣體不會(huì)進(jìn)入溶液，用過量的純氧將系統(tǒng)內(nèi)的氮?dú)廒s凈(進(jìn)氣口流入，排氣口流出)。產(chǎn)生待測氣泡前使管內(nèi)氧氣壓力大于溶液內(nèi)部壓力，然后將壓桿松開，先讓過量的氧氣進(jìn)入溶液以趕凈最上端管口處殘留的氮?dú)?，然后讓壓桿慢慢回到壓緊的位置。此時(shí)固定在推桿18頂端的橡膠套17起到阻斷氣泡與后面管道的作用。在自然狀態(tài)下彈簧25拉動(dòng)壓桿24，使推桿上端的橡膠套壓緊在吹管10根部。需要注入氣體的時(shí)候?qū)簵U下壓，帶動(dòng)推桿向下移動(dòng)，則橡膠套從吹管口10離開，氧氣即進(jìn)入推桿頂部的空腔，在吹管口處進(jìn)入溶液并形成氣泡4。當(dāng)認(rèn)為氣泡大小合適時(shí)使壓桿保持自然的壓緊狀態(tài)，將氣泡與后面的管路隔離，于是形成了待測的、孤立的氧氣泡。
實(shí)驗(yàn)研究證明，吹管10的材料必須是對水不浸潤的。可以采用直徑在1.8~2.2mm的塑料管比較合適。管口直徑太大會(huì)造成溶液直接流入細(xì)管，直徑太小使能夠停留在管口的氣泡的最大直徑會(huì)變小。吹管10與套管19間應(yīng)用密封膠粘接。套管的底端與推桿18用玻璃膠22粘在一起，這樣套管內(nèi)的氣體只能從上端的開口處流出。壓桿24與推桿底部的連接頭23用滑塊26連接。壓桿的一端固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，另一端與彈簧25相連。
為了獲得清晰、放大的氣泡，設(shè)計(jì)了光路成像系統(tǒng)，該光路成像系統(tǒng)是由光源2、遮光孔3、凸透鏡5、像屏6組成。光源2發(fā)出的光在通過遮光孔3后變得較均勻，成為待測氣泡的背景光。均勻的光從氣泡的后方投射，部分光線直接進(jìn)入攝像機(jī)7，另一部分光經(jīng)過氣泡后會(huì)發(fā)生折射(如圖3)。背景光從氣泡后端入射，光線穿過溶液中的氧氣氣泡4，經(jīng)過兩塊凸透鏡5的折射，在攝像機(jī)前面的像屏6上形成氣泡的放大的正立實(shí)像，這樣，解決了氣泡在容器中央，離鏡頭過遠(yuǎn)的問題。由于光在氣泡邊緣上有全反射的現(xiàn)象，所以從攝像機(jī)一側(cè)看來氣泡邊緣是不透明的，與明亮的背景有明顯的對比。用此光路系統(tǒng)可以得到對比明顯的氣泡圖像(如圖4)。高質(zhì)量的氣泡圖像使得圖像分析軟件在對氣泡圖像進(jìn)行處理時(shí)能精確地識(shí)別出邊緣并得到高精度的尺寸參數(shù)。
氣泡的連續(xù)圖像可以由光路成像系統(tǒng)得到，為了從圖像中獲得氣泡的幾何參數(shù)從而求出反應(yīng)速率，必須用圖像分析軟件對氣泡輪廓圖像進(jìn)行處理。圖像分析系統(tǒng)的功能是處理氣泡照片，獲得氣泡的幾何參數(shù)，包括高度、底邊長、體積、表面積、最高點(diǎn)曲率半徑。附圖5給出了識(shí)別照片上氣泡幾何參數(shù)的流程。
氣泡在像屏上的實(shí)像被拍攝并送入計(jì)算機(jī)13后，由邊界識(shí)別軟件轉(zhuǎn)換為黑白二值圖像，經(jīng)過去噪音、擬合邊界方程的處理，即求出了輪廓曲線，進(jìn)而求出各幾何參數(shù)。
邊界識(shí)別采用標(biāo)準(zhǔn)的邊界識(shí)別方法，比如Canny方法，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值圖像，并保留其中的氣泡輪廓信息。
去噪音，擬和輪廓曲線的方程經(jīng)過邊界識(shí)別得到的圖像如圖6所示，注意到其噪音點(diǎn)集中在氣泡中心和氣泡邊界外側(cè)，因此采用如下步驟濾掉噪音(1)粗略確定氣泡中心；(2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去掉中心的噪音，此時(shí)內(nèi)側(cè)的點(diǎn)即為邊界；(3)用各個(gè)點(diǎn)到中心的距離來判斷是否為外側(cè)的噪音點(diǎn)，濾掉外側(cè)噪音點(diǎn)；(4)此時(shí)得到粗略識(shí)別的邊界，利用它來確定氣泡中心的準(zhǔn)確位置；(5)重復(fù)濾掉噪音步驟，并將輪廓曲線方程擬合為4次曲線ρ＝a1(θ-180)4+a2(θ-180)3+a3(θ-180)2+a4(θ-180)+a5在得到輪廓曲線方程后，以曲線為中心線做一窄帶，找出所有位于窄帶中的點(diǎn)，認(rèn)為這些點(diǎn)全部在輪廓上。找出這些點(diǎn)里面極角最小和最大的點(diǎn)，作為輪廓的起止點(diǎn)。
最高點(diǎn)處曲率半徑、氣泡表面積、體積都可由曲線方程直接得到。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理包括對照片的識(shí)別，然后利用識(shí)別出來的氣泡各個(gè)時(shí)刻的體積、曲率半徑、表面積，綜合溫度、大氣壓、液位等參數(shù)計(jì)算出氧氣物質(zhì)的量，擬合其與時(shí)間的關(guān)系，最終求出此溫度下的反應(yīng)速率。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)就是為了方便、準(zhǔn)確的對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而設(shè)計(jì)的。
其功能是由氣泡各個(gè)時(shí)刻的圖像文件和相應(yīng)時(shí)間的溫度信息，通過綜合運(yùn)算，直接求出所需的反應(yīng)速率，并記錄中間過程各個(gè)參數(shù)的曲線，以方便查詢。
化學(xué)反應(yīng)速率v，可以表示為單位時(shí)間內(nèi)，單位氣液接觸面積上吸收的氧氣的物質(zhì)的量。v=dNSdt]]>N=PO2V8.31T=(Po+PI+PS+PV)V8.31T=(PO+ρgh+2σ/R-PV)V8.31T]]>其中N為氣泡中氧氣物質(zhì)的量，V為氣泡體積，S為總的氣液接觸面積，R為氣泡最高點(diǎn)的曲率半徑，T為溫度(標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo))，t為該氣泡圖像拍攝的時(shí)間，po2為氣泡內(nèi)氧氣的分壓，p0為大氣壓力，p1為溶液產(chǎn)生的壓強(qiáng)，ps為表面張力引起的附加壓強(qiáng)，pv為氣泡內(nèi)水蒸汽的分壓，h為氣泡在溶液內(nèi)的深度，σ為亞硫酸鈉溶液的表面張力系數(shù)，ρ為亞硫酸鈉溶液的密度。
氣泡最高點(diǎn)的曲率半徑R，氣泡體積V，氣液總接觸面積S由圖像識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)氣泡照片求出；氣泡在溶液中的深度h，氣液界面附近的溫度T由實(shí)驗(yàn)測量得到；亞硫酸鈉溶液的密度ρ，表面張力系數(shù)σ，氣泡內(nèi)水蒸汽的分壓力pv可根據(jù)有關(guān)的技術(shù)資料得到。
由于亞硫酸鹽氧化反應(yīng)對實(shí)驗(yàn)條件，尤其是反應(yīng)物純度、催化劑濃度的敏感性，理想的實(shí)驗(yàn)方案是用同一溶液連續(xù)測量各個(gè)工況下的反應(yīng)速率。
具體實(shí)施例具體步驟如下(1)注入一定濃度的亞硫酸鈉溶液于容器中，并用氮?dú)獗Ｗo(hù)；(2)取一個(gè)溶液的樣本，保存于取樣瓶中；(3).溫度控制到指定值，用純氧把注氣系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)氣體趕凈，做好吹氣泡的準(zhǔn)備；(4).利用氧氣氣泡生成與隔離系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)孤立的氧氣泡；(5).調(diào)試光路成像系統(tǒng)，使背景光從氣泡后方入射；(6).拍攝氣泡的第一張照片，同時(shí)開始計(jì)時(shí)；(7).隔一定時(shí)間拍攝一張照片，同時(shí)記錄時(shí)間；(8).當(dāng)氣泡體積減小到一定程度，結(jié)束該溫度下的測量。
(9).將照片從攝像機(jī)的記憶棒里傳入計(jì)算機(jī)中；(10).將溫度調(diào)節(jié)到下一個(gè)待測值，重復(fù)上述步驟，開始下一次測量。
(11).測量完全部溫度，結(jié)束此濃度下反應(yīng)速率的測量。
12)取一個(gè)液體的樣，保存。
(13)本濃度條件下各個(gè)溫度下的反應(yīng)速率測量全部結(jié)束，排出溶液。
(14)測量溶液樣品的亞硫酸根離子濃度，記錄在案。
(15)用圖像處理系統(tǒng)分析拍攝的照片，用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到各個(gè)溫度下的反應(yīng)速率。
權(quán)利要求
1.一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的方法，其特征在于通過對浸沒在亞硫酸鹽溶液中的孤立靜止的一個(gè)氧氣氣泡的攝像和分析，完成對此氣泡的體積和氣-液接觸面積的連續(xù)測量，得到單位時(shí)間、單位氣-液相界面面積上反應(yīng)掉的氧氣的物質(zhì)的量，直接求得單位氣液接觸面積上的氧化反應(yīng)速率，其測量方法包括如下步驟(1)設(shè)計(jì)氣泡生成與隔離裝置，生成一個(gè)單個(gè)的氣泡，使該氣泡浸沒在盛有亞硫酸鹽溶液的反應(yīng)容器中，控制氣泡的大小使之穩(wěn)定于溶液中；(2)建立由光源、遮光孔、凸透鏡、像屏組成的光路成像系統(tǒng)，將上述單個(gè)氣泡置于該光路中，使光線從氣泡后方投射，獲得輪廓清晰放大的氣泡圖像；(3)利用溫度信號采集系統(tǒng)記錄溶液當(dāng)前溫度，在當(dāng)前溫度下利用攝像機(jī)連續(xù)拍攝獲得該氣泡的輪廓圖像序列；(4)通過儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像識(shí)別軟件，從氣泡圖像中識(shí)別得到氣泡輪廓擬合方程、氣泡最高點(diǎn)曲率半徑、表面積、體積，由一個(gè)氣泡按時(shí)序拍攝的多幅圖像的識(shí)別結(jié)果，得到該氣泡內(nèi)氧氣物質(zhì)的量隨時(shí)間變化的關(guān)系；(5)利用儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理軟件，對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到單位時(shí)間、單位氣-液相界面面積上反應(yīng)掉的氧氣物質(zhì)的量，即為該反應(yīng)條件下亞硫酸鹽氧化反應(yīng)的速率。
2.照權(quán)利要求1所述的一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的方法，其特征在于所述氣泡輪廓擬合方程為ρ＝a1(θ-180)4+a2(θ-180)3+a3(θ-180)2+a4(θ-180)+a5
3.一種采用如權(quán)利要求1所述方法的使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括單個(gè)氧氣氣泡生成與隔離系統(tǒng)，盛有亞硫酸鹽溶液的反應(yīng)容器，由光源、遮光孔、凸透鏡、像屏組成的成像光路系統(tǒng)，溫度信號采集系統(tǒng)，攝像機(jī)以及與攝像機(jī)和溫度信號采集系統(tǒng)相連的儲(chǔ)存有圖像識(shí)別軟件和數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)；所述單個(gè)氧氣氣泡生成與隔離系統(tǒng)主要是由推桿、套管以及設(shè)置在推桿底部的推桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，所述推桿前端套有橡膠套，套管頂端設(shè)置吹管，在套管的一側(cè)設(shè)置有氧氣進(jìn)口及出口，該套管從反應(yīng)容器底部豎置插入容器中。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的系統(tǒng)，其特征在于在所述反應(yīng)容器的上部設(shè)有惰性保護(hù)氣體氣進(jìn)口及出口。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的系統(tǒng)，其特征在于所述的氣泡生成與隔離系統(tǒng)中的吹管直徑為1.8-2.2mm。
6.按照權(quán)利要求3或4所述的一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的系統(tǒng)，其特征在于所述的推桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由彈簧、壓桿、裝在壓桿上的滑塊以及具有一定自由度的連接頭所組成。
全文摘要
一種使用圖像法測量亞硫酸鹽氧化反應(yīng)速率的方法及系統(tǒng),涉及氣液兩相間化學(xué)反應(yīng)速率的測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過對浸沒在亞硫酸鹽溶液中靜止的單個(gè)氧氣氣泡的攝像和分析,完成對該氣泡的體積和氣—液接觸面積的連續(xù)測量,可直接求得單位氣、液接觸面積上的氧化反應(yīng)速率。該測量方法簡單、方便,獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,測量精度高,而且具有直觀性,可以在反應(yīng)物濃度和催化劑濃度基本不變的條件下測量各個(gè)溫度的反應(yīng)速率,減小了因溶液成分變化而造成的測量誤差。
文檔編號G01N21/75GK1335495SQ0113089
公開日2002年2月13日 申請日期2001年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者李彥, 史建 申請人:清華大學(xué)