專利名稱：基于統(tǒng)計學及遍歷性理論的判斷多相混合均勻性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及屬于化學工程技術領域，具體地說是一種適應于冶金、化工領域所有 多相混合過程混合勻性的判斷方法。
背景技術：
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 技術得到了飛速的發(fā)展，其研究的重點主要是針對常規(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、混合時間等宏觀量進行實驗研究。雖 然有大量的設計經驗和關聯(lián)式的可用于分析和預測混合體系，但將攪拌反應器從實驗室規(guī) 模直接放大到大規(guī)模的工業(yè)生產中，仍是沒有把握的，至今仍需要通過逐級放大來達到攪 拌設備所要求的傳質、傳熱和混合。這種方法不但耗費財力和大量的人力和物力，而且設計 周期很長，據(jù)相關統(tǒng)計顯示美國的化學工業(yè)由于攪拌反應器設計不合理所造成的損失每年 約為10-100億美元。因此采用先進的測試手段和建立合理的數(shù)學模型獲取攪拌槽中的速 度場、溫度場和濃度場，以及采取有效的衡量流體混合效果的方法，不僅對混合設備的優(yōu)化 設計具有十分重要的經濟意義，而且對放大和混合的基礎研究具有現(xiàn)實的理論意義。近年 來，隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了激光多普勒測速儀LDV和計算流體力學CFD模擬技術以及電子 斷層成像技術等的廣泛應用，促進了流體混合技術飛快的發(fā)展，就目前看，衡量流體混合效 果的方法眾多，主要有電導率法、熱電偶法、光學法、脫色法等，其中電導率法在低粘性流體 的攪拌混合中應用很廣，但對攪拌介質的要求高，如要求攪拌介質為去離子水；熱電偶法則 對流場會產生破壞；一般的光學法由于裝置復雜，應用也較少；脫色法用來測高粘流體和 粘彈性流體非常有效，但由于采用肉眼判斷，因而帶有較強的主觀性。

發(fā)明內容
本發(fā)明克服了上述方法的不足，提供一種具有較高的應用價值的、簡便可行的用 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方案是采用統(tǒng)計學及遍歷性理論來判 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一個區(qū)別于周圍其它物質且不跟任何物質發(fā)生化 學反應的示蹤顆粒作為研究對象；(2)利用電子斷層成像技術EPT，來獲得多相混合過程中任一個斷層的連續(xù)的攪 拌實時圖樣；(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)的攪拌實時 圖樣進行網格劃分，一般劃分為η2個區(qū)域，η為自然數(shù)，并對其編號1 η ；(4)運用統(tǒng)計學的方法計算示蹤顆粒在一定時間內經過1 η個區(qū)域中每一個區(qū) 域的次數(shù)，然后根據(jù)穿過1 η個區(qū)域的總次數(shù)計算該示蹤顆粒穿過每一個區(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，若經歷充分的混合時間t后，Pi的數(shù)值大小相等或者Pi 的標準差充分的小即趨近于0，若畫出標準差的變化曲線圖，則在t時刻后，標準差就幾乎 為零且往后的時間幾乎保持不變，則表示多相混合在t時刻之后達到混合均勻的狀態(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)的攪拌實時圖樣進行網格劃分時，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)科學里，直觀地講，遍歷變換意味著從給定點出發(fā)，經過多次迭代之后可接 近任意點，即各態(tài)歷經混合變換意味著從任何集合A出發(fā)的點，經過多次迭代之后所得之 點屬于集合B的可能性為兩個集合測度之積，且與Α，B的位置無關，即混合均勻，正合變換 則意味著從任何非零測度集合出發(fā)，經過多次迭代之后所得集合的點將充滿整個空間，即 充分擴散，正合蘊含遍歷性。簡而言之，這種遍歷性使得空間中的定點可接近任意點，即到 達任意點任意區(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一個區(qū)別于周圍其它物質且 不跟任何物質發(fā)生化學反應的示蹤顆粒作為研究對象；(2)利用電子斷層成像技術 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 一個斷層的連續(xù)的攪拌實時圖樣；(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)的攪拌實時圖樣進行網格劃分，一般劃分為η2個區(qū)域(η為自然數(shù))，并對其 編號1 η ； (4)運用統(tǒng)計學的方法計算示蹤顆粒在一定時間內經過1 η個區(qū)域中每一個 區(qū)域的次數(shù)，然后根據(jù)穿過1 η個區(qū)域的總次數(shù)計算該示蹤顆粒穿過每一個區(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，若經歷充分的混合時間t后，Pi 的數(shù)值大小相等或者Pi的標準差充分的小(趨近于0)，若畫出標準差的變化曲線圖，則在 t時刻后，標準差就幾乎為零且往后的時間幾乎保持不變，則表示多相混合在t時刻之后達 到混合均勻的狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是1、該方法簡單可行，有系統(tǒng)科學之遍歷性理論做支撐；2、解決了電導率法、熱電偶法、光學法、脫色法等的不足之處；3、可以減少攪拌反應器因不合理的設計造成的經濟損失。


圖1為本發(fā)明的電子斷層成像系統(tǒng)攪拌設備混合圖樣采集裝置圖。圖2為本發(fā)明的斷層圖樣網格劃分圖。圖3為本發(fā)明的示蹤顆粒穿過區(qū)域12時刻的斷層圖。
圖4為本發(fā)明的記錄示蹤顆粒穿過每一個區(qū)域的概率Pi的標準差隨時間變化圖。圖5為本發(fā)明的示蹤顆粒穿過區(qū)域29時刻的斷層圖。圖6為本發(fā)明的記錄示蹤顆粒穿過每一個區(qū)域的概率Pi的標準差隨時間變化圖。在圖1中攪拌設備兩側的黑色點代表了八只傳感器，用于信號的接受和發(fā)送；其 中，1為漿，2為攪拌設備，3為斷層面，4為數(shù)據(jù)獲取設備，5為圖像重構設備。
具體實施例方式實施例1 某食品加工廠，運用機械攪拌的方式進行混合物料的操作，運用如圖1 所示裝置，在攪拌設備兩側對稱安裝有8只傳感器，用于攪拌設備內部豎斷面連續(xù)圖像的 采集，通過判斷出不同質量物料在不同的攪拌速度下的混合均勻時間，從而針對不同質量 的物料可以選出最佳的攪拌速度，即在最短的時間內讓攪拌槽內達到均勻狀態(tài)，有利于提 高食品加工效率。實施步驟如下1.在攪拌設備中添加一個異于物料密度的球狀材料作為示蹤顆 粒。2.運用圖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，記錄下每一時刻的斷 層圖樣，根據(jù)攪拌設備豎直斷面實際尺寸，我們劃分為42個區(qū)域，η = 4。3.計算并統(tǒng)計示蹤 顆粒穿過1 16個網格區(qū)域的次數(shù)，在t = 5s的時候,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，計算標準差得 0. 0597，繼續(xù)記 錄穿過每個區(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，計算標準差得0. 0019，一直記錄下去，往后的數(shù)據(jù)顯示標準差已經幾乎不發(fā)生 變化，所以，我們分析當t = 25s以后，混合進入均勻狀態(tài)。如圖4所示。實施例2 某鋼鐵廠，運用機械攪拌的方式進行除硫的操作，運用如圖1所示裝置， 在攪拌設備兩側對稱安裝有8只傳感器，用于攪拌設備內部豎斷面連續(xù)圖像的采集，通過 判斷出不同質量物料在不同的攪拌速度下的混合均勻時間，從而針對不同質量的物料可以 選出最佳的攪拌速度，即在最短的時間內讓攪拌槽內達到均勻狀態(tài)，有利于提高脫硫效率。 具體實施步驟如下1.在攪拌設備中添加一個異于物料密度的球狀材料作為示蹤顆粒，該 顆粒不熔于物料內部。2.運用圖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 錄下每一時刻的斷層圖樣，根據(jù)攪拌設備豎直斷面實際尺寸，我們劃分為82個區(qū)域，n = 8 如圖5所示，t時刻示蹤顆粒位于區(qū)域29處。3.計算并統(tǒng)計示蹤顆粒穿過1 64個網格 區(qū)域的次數(shù)，在t = Is的時候分別計算P1 P64數(shù)值大小，計算標準差得0. 089，繼續(xù)記錄 穿過每個區(qū)域的次數(shù)，在t = 250s后，再次計算P1 P64的數(shù)值大小，計算標準差得0. 019， 在t = 300s后，再次計算P1 P64的數(shù)值大小，計算標準差得0. 009 一直記錄下去，往后的 數(shù)據(jù)顯示標準差已經幾乎不發(fā)生變化，所以，我們分析當t = 300s以后，混合進入均勻狀 態(tài)。如圖6所示標準差的演化曲線圖。
權利要求
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)計學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一個區(qū)別于周圍其它物質且不跟任何物質發(fā)生化學反應的示蹤顆粒作為研究對象；(2)利用電子斷層成像技術EPT，來獲得多相混合過程中任一個斷層的連續(xù)的攪拌實時圖樣；(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)的攪拌實時圖樣進行網格劃分，一般劃分為n2個區(qū)域，n為自然數(shù)，并對其編號1～n；(4)運用統(tǒng)計學的方法計算示蹤顆粒在一定時間內經過1～n個區(qū)域中每一個區(qū)域的次數(shù)，然后根據(jù)穿過1～n個區(qū)域的總次數(shù)計算該示蹤顆粒穿過每一個區(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，若經歷充分的混合時間t后，Pi的數(shù)值大小相等或者Pi的標準差充分的小即趨近于0，若畫出標準差的變化曲線圖，則在t時刻后，標準差就幾乎為零且往后的時間幾乎保持不變，則表示多相混合在t時刻之后達到混合均勻的狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求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)的攪拌實時圖樣進行網格劃分時，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)計學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一個示蹤顆粒作為研究對象；(2)利用電子斷層等成像技術來獲得任一個斷層的連續(xù)的攪拌實時圖樣；(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)的攪拌實時圖樣進行網格劃分；(4)運用統(tǒng)計學的方法計算示蹤顆粒在一定時間內經過1～n個區(qū)域中每一個區(qū)域的次數(shù)，然后根據(jù)穿過1～n個區(qū)域的總次數(shù)計算該示蹤顆粒穿過每一個區(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時刻之后達到混合均勻的狀態(tài)。本發(fā)明方法簡單方便，對化工、冶金攪拌設備中判斷混合均勻性及理論上指導攪拌反應器的設計，提供了一種可靠實用的方法。
文檔編號B01F7/20GK101822957SQ20101014023
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權日2010年4月7日
發(fā)明者孫輝, 徐建新, 朱道飛, 王仕博, 王 華 申請人:昆明理工大學