一種判斷多相混合均勻性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】[0001] 本發(fā)明涉及一種判斷多相混合均勻性的方法，屬于化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】[0002] 攪拌是化工、冶金過(guò)程中最常見(jiàn)的操作之一。大約在60~80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(méi)有把握的，至今仍需要通過(guò)逐級(jí)放大來(lái)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。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(lái)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】

[0003]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 于判斷多相混合均勻性的方法，具體包括以下步驟： (1) 在透明攪拌槽的混合過(guò)程中，獲取氣-液-固多相混合過(guò)程中連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣 并保存下來(lái)；并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得只有背景和目標(biāo)的待處理圖樣；將待處理圖樣 中的目標(biāo)作為研究對(duì)象； (2) 根據(jù)待處理原始圖樣的尺寸大小，從左上角對(duì)應(yīng)纟=1，左下角對(duì)應(yīng)^ 2，右下角對(duì)應(yīng) 1=1，右上角對(duì)應(yīng)作為起始位置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別劃分f個(gè)區(qū)域楚為自然數(shù)，并對(duì)每 個(gè)小區(qū)域編號(hào)>5 = 1.2.S;

(4)借助均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，在混合時(shí)間（前后，會(huì)呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律；若經(jīng)歷 充分的混合時(shí)間垢，PC切的數(shù)值大小波動(dòng)近于1，若畫(huà)出PC切的變化曲線圖，則在甜寸 刻后，Iii就非常接近于1且往后的時(shí)間里波動(dòng)不大，則表示多相混合在_?刻之后達(dá)到 混合均勻的狀態(tài)。
[0004] 混合過(guò)程中獲得實(shí)時(shí)圖樣網(wǎng)格的劃分如果單從某一個(gè)起始位置開(kāi)始，一般劃分為 i個(gè)區(qū)域(f為自然數(shù))，區(qū)域的劃分原則是根據(jù)圖樣和目標(biāo)大小、混合均勻性判斷精度要求 來(lái)確定麥的取值大小，s的取值越大精度越高，小區(qū)域的長(zhǎng)寬比與原始圖樣的長(zhǎng)寬比相等。
[0005] 本發(fā)明步驟（1)中獲取氣-液-固多相混合過(guò)程中連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣并保存 下來(lái)，并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得只有背景和目標(biāo)的待處理圖樣；此過(guò)程為常規(guī)方法，例 如現(xiàn)有技術(shù)中利用高速攝像機(jī)來(lái)獲得多相混合過(guò)程中連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)視頻；利用視頻軟件 KMPlayer將視頻轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)圖樣保存下來(lái)。
[0006] 在統(tǒng)計(jì)學(xué)里，均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)是只考慮試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻散布的一種試驗(yàn)設(shè) 計(jì)方法；根據(jù)均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，均勻性的度量采用數(shù)論方法(偽蒙特卡洛方法)，最普遍
而言之，當(dāng)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)數(shù)比與矩形面積比非常接近時(shí)，即認(rèn)為試驗(yàn)點(diǎn)均勻散布于試驗(yàn)區(qū) 域，我們稱(chēng)之為多相流混合均勻。
[0007] 本發(fā)明的有益效果是： (1) 該方法簡(jiǎn)單可行，有統(tǒng)計(jì)學(xué)之均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)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。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為本發(fā)明的工作過(guò)程圖。
[0009]圖2為本發(fā)明將左上角作為起始位置的圖樣網(wǎng)格劃分圖；黑色填充部分為 起始位置（S=I)。
[0010] 圖3為本發(fā)明將左下角P=I作為起始位置的圖樣網(wǎng)格劃分圖；黑色填充部分為 起始位置（S=I)。
[0011] 圖4為本發(fā)明將右下角I擇痛作為起始位置的圖樣網(wǎng)格劃分圖；黑色填充部分為 起始位置（S=I)。
[0012] 圖5為本發(fā)明將右上角1?:?!作為起始位置的圖樣網(wǎng)格劃分圖；黑色填充部分為 起始位置（S=I)。
[0013] 圖6為本發(fā)明的|：尤\>>隨時(shí)間變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不限于所述內(nèi)容。
[0015] 實(shí)施例1 借鑒〇14和ZnO在熔融鹽中的多相流反應(yīng)模型，搭建了氣體頂吹攪拌水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)平 臺(tái)，當(dāng)處于初始靜態(tài)狀態(tài)下時(shí)，氧載體以固態(tài)顆粒形式沉降于熔池底部，當(dāng)從反應(yīng)器頂吹鼓 入反應(yīng)氣體〇14后，在氣體的攪拌混合作用下，氧載體會(huì)分散在整個(gè)熔池中，形成如流化床 般的反映體系，即：整個(gè)反應(yīng)是一個(gè)氣-液-固的多相流反應(yīng)；為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置而不失代表 性，選取實(shí)驗(yàn)所需的材料與試劑主要為常見(jiàn)的水、N2以及直徑為0. 45毫米的黑色聚苯乙烯 顆粒；通過(guò)考慮頂吹氣體的不同流量和噴槍浸入的不同深度設(shè)計(jì)多種攪拌條件，然后利用 高速攝像機(jī)拍攝固體小顆粒在頂吹氣體攪拌作用下的流動(dòng)圖樣。
[0016] 具體實(shí)施步驟如下： (I)N2通過(guò)一根垂直移動(dòng)的玻璃管?chē)姌層缮贤聡娚?，噴槍口徑大小固定不變，但是?體流量和噴槍浸入深度可供調(diào)整；水的質(zhì)量以及固體顆粒的質(zhì)量都是一定的，其中聚苯乙 烯黑色顆粒在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)是被平鋪在玻璃反應(yīng)器的底部的，僅僅通過(guò)噴射氮?dú)庾鳛閯?dòng)力進(jìn) 行進(jìn)行混合攪拌，在化學(xué)反應(yīng)器中的N2、聚苯乙烯顆粒和水就是通過(guò)這樣的攪拌方式而形 成一些特殊的流動(dòng)圖樣。
[0017] (2)運(yùn)用圖1中所示高速攝像機(jī)采集豎直斷面的連續(xù)視頻，使用視頻軟件 KMPlayer，捕獲下每一幀的圖樣；然后利用MATLAB實(shí)施數(shù)字?jǐn)?shù)字圖像處理技術(shù)，經(jīng)灰度變 換、高帽變換、濾波運(yùn)算、二值化和開(kāi)運(yùn)算處理得到待處理圖像。
[0018] (2)將待處理圖樣進(jìn)行區(qū)域劃分，從左上角對(duì)應(yīng)1-4左下角對(duì)應(yīng);=2，右下角對(duì)應(yīng) 1=3,右上角對(duì)應(yīng)作為起始位置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別劃分16個(gè)區(qū)域，并對(duì)每個(gè)小區(qū)域編 號(hào)5:、芫1_5::''，:-、:涵:； (3)運(yùn)用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，度量時(shí)刻混合均勻性的方法進(jìn)行如下計(jì)算：


[0019](4)借助均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，在混合時(shí)間（前后，會(huì)呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律；若 經(jīng)歷充分的混合時(shí)間垢，的數(shù)值大小波動(dòng)近于1，若畫(huà)出沉的的變化曲線圖，則在 甜寸刻后，Ilii就非常接近于1且往后的時(shí)間里波動(dòng)不大，則表示多相混合在甜寸刻之后 達(dá)到混合均勻的狀態(tài)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種判斷多相混合均勻性的方法，其特征在于，具體包括以下步驟： (1) 在透明攪拌槽的混合過(guò)程中，獲取氣-液-固多相混合過(guò)程中連續(xù)的攪拌實(shí)時(shí)圖樣 并保存下來(lái)；并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得只有背景和目標(biāo)的待處理圖樣；將待處理圖樣 中的目標(biāo)作為研究對(duì)象； (2) 根據(jù)待處理原始圖樣的尺寸大小，從左上角對(duì)應(yīng)|竭，左下角對(duì)應(yīng)編種，右下角對(duì)應(yīng) |=沒(méi)，右上角對(duì)應(yīng)?= 4作為起始位置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別劃分S個(gè)區(qū)域f為自然數(shù)，并對(duì)每 個(gè)小區(qū)域編號(hào)S=m ; (3) 運(yùn)用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，度量ifl寸刻混合均勻性的方法進(jìn)行如下計(jì)算： ① 計(jì)算在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)與整體圖樣內(nèi)的目標(biāo)的個(gè)數(shù)比② 計(jì)算在該小區(qū)域與整體圖樣的面積比③ 計(jì)算目標(biāo)個(gè)數(shù)比與區(qū)域圖樣面積比的絕對(duì)偏差④ 計(jì)算絕對(duì)偏差的平均值 ⑤ ifl寸刻圖樣的均勻度為： (4) 借助均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，在混合時(shí)間?前后，會(huì)呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律；若經(jīng)歷 充分的混合時(shí)間垢，仍的數(shù)值大小波動(dòng)近于1，若畫(huà)出仍的變化曲線圖，則在甜寸 刻后，]__就非常接近于1且往后的時(shí)間里波動(dòng)不大，則表示多相混合在ifl寸刻之后達(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，步驟（2)中小區(qū)域 的長(zhǎng)寬比與原始圖樣的長(zhǎng)寬比相等。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種判斷多相混合均勻性的方法，屬于化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述方法是基于均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論來(lái)判斷多相混合的均勻性，主要應(yīng)用于化工、冶金攪拌設(shè)備中判斷流體混合效果及理論上指導(dǎo)工藝參數(shù)的設(shè)；計(jì)本發(fā)明應(yīng)用在對(duì)所有多相之間混合均勻性的判斷，該方法簡(jiǎn)單方便，且具有很高的實(shí)用價(jià)值，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。
【IPC分類(lèi)】G01N21/84
【公開(kāi)號(hào)】CN105067621
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510503871
【發(fā)明人】費(fèi)宇, 徐建新, 肖清泰, 王仕博
【申請(qǐng)人】云南財(cái)經(jīng)大學(xué), 昆明理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年8月17日