[发明专利]基于统计学及遍历性理论的判断多相混合均匀性的方法

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。