CN101374592A - 用于控制混合效率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制混合器的混合效率的方法和装置，包括将化学品注入在管道内流动的处理液中，用在第一运行速率下运行的混合器将化学品和处理液混合，其中该方法进一步包括在混合器下游的管道内测量化学品和处理液的混合效率，将测得的混合效率和混合效率的预定范围相比较，控制混合器的运行速率以将混合效率调整到混合效率的预定范围内的步骤。混合效率优选地通过使用设置在管道周围的一组电极进行测量，且混合效率优选地通过使用电阻抗层析成像技术获得。

Description

用于控制混合效率的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制混合器的混合效率的方法和装置，该混合器用于混合两种流体，特别是将一种化学品混入一种处理液中。根据本发明的方法和装置特别适合与一种在化学和机械木材加工工业中用于将一种气态或液态化学品混入一种中浓处理液中的混合器一起使用，不过本发明当然也适合于在其他的相关应用中使用。

背景技术

很多工业过程，例如在纸浆工业和造纸工业中，都会使用多种化学品与浆料例如纸浆混合。为了避免化学浪费，很多加工厂例如纸浆厂都从浆料中去除水分使其变得更为粘稠，例如所谓的中浓度纸浆，其定义是干性固体含量在8％至18％之间的纤维/气/水悬浮液，从而可以阻止继续混入化学品的尝试。可以和纸浆混合的化学品包括，例如，氧气，水蒸汽，过氧化氢，过氧乙酸，二氧化氯和臭氧。为了促进化学品和浆料的混合，经常使用机械式混合器或静态混合器来分散化学品。

化学品和浆料的混合效率是非常重要的，因为良好的混合可以使化学品和浆料之间的接触面积最大化并由此减少了过多使用化学品的需求。化学品的优化使用改善了过程控制和产品质量并降低了环境负荷。加工和购买化学品经常会显著增加生产成本，因此化学品消耗量的减少可以带来明显的成本节约。

另一方面，混合器要消耗能量，或者是机械式混合器的电机消耗能量，或者在静态混合器的情况下是流体的流动要消耗能量。消耗的能量就代表了能耗，这会降低生产过程的整体能效。因此，避免过于强力的混合，也就是避免已经不能再增加末端流体的均匀性或者只能不明显地改善均匀性的混合也是很重要的。

混合效率可以用不同的数量指标来量化，例如混合指数M，其定义为测量值的标准差除以测量值的平均值，或者混合效果E，其定义为：

E＝100*(1-M)％

为了将混合调节到最适宜的水平，应该在混合器的下游在线测量混合效率。混合指数的测试可以在实验室中通过各种方法进行，例如通过使用紫外线追踪材料并在混合器出口处通过光纤探测器进行测量，从而能够在混合器出口处测量并显示分布和标准差。但是，实验室中的测试方法，例如通过紫外线追踪材料进行的测试，通常在加工厂是难以进行的，因此对于加工厂的操作员来说其价值有限。

一种用于度量低温化学品和温度较高的中浓度纸浆流体混合情况的方法是基于通过设置在出料管表面上的热电偶阵列得到的混合器出口处的温度分布情况。不恰当混合的化学品会在一个测量点处显示为低温点而同时另一个没有混入任何冷化学品的测量点则会显示为过热。该方法仅在管道表面的附近区域监测各部分的混合情况。因为基于例如系统各部分的热力时间常数的误差，这种方法的可用性也是有限的。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种用于测量混合器的混合效率的方法和装置，以用来控制混合器的混合效率。

本发明的另一个目标是提供一种用于控制混合器的混合效率的方法和装置以同时确保混合效率的充分和避免过于强力的混合。

为了实现本发明上述以及其他的目标，如所附权利要求所述提出了一种方法。特别地，根据本发明，提出了一种控制混合器混合效率的方法，该方法包括以下步骤：将化学品注入管道内流动的处理液中；用在第一运行速率下运行的混合器将化学品和处理液混合；在混合器下游的管道内测量化学品和处理液的混合效率；将测得的混合效率和混合效率的预定范围相比较并控制混合器的运行速率以将混合效率调整到混合效率的预定范围内。

另外，根据本发明，提出了一种用于将化学品混入处理液并具有可控的混合效率的装置，该装置包括例如用于将化学品注入管道内流动的处理液中的注射器，用于将化学品和处理液混合的混合器，用于测量化学品和处理液在混合器下游管道内的混合效率的测量装置，和用于在测得的混合效率的基础上控制混合器的运行速率的控制器等装置。

化学品和处理液在混合器下游管道内的混合效率有利地通过使用设置在管道周围的一组电极进行测量。电极优选地在管道周围规则地分布。根据本发明的优选实施例，流体的混合效率通过一种公知的，能够提供管道整个横截面上的流体图像的电阻抗层析成像(EIT)感测技术进行测量。

电阻抗层析成像技术是一种非接触性的，高时间分辨率和低成本的技术，它不会造成辐射并且易于实施。电阻抗层析成像技术可以是例如电阻层析成像或者电容层析成像。实际选择哪种方法主要取决于要测量的流体的物理特性。电阻层析成像主要适用于包括连续导电部分的情况，而电容层析成像则用于处理包括不同介电常数的绝缘混合物。最通用的电子层析成像技术是基于相敏检测原理的真实电阻抗层析成像技术，其中的电阻性分量通过同相测量法进行检测而电容性分量通过正交相位测量法进行检测。

美国专利5130661中公开了一种基于电容层析成像的流体成像系统。在应用电容层析成像技术时，测量由设置在管道周围的多对电容极板形成的电容。美国专利5130661还公开了一种用于处理电容测量值以计算出管道内材料分布图像的后向投影算法。通常电容层析成像技术可以被用于观测管路内介电常数ε的分布。电容极板的数量必须足够多以获得所需的空间分辨率，但是也不能太多以便能够在所需的时间分辨率内处理数据。

电阻层析成像技术的原理已经在例如美国专利5807251中被公开。在应用电阻层析成像技术监测管道内材料的电阻率ρ的分布时，在管壁的具有一定间距的多个位置安装多个电极。电极彼此之间电绝缘并被设置为与管道内的材料电接触。输入电信号，通常是激励电流信号，可以被单独加在电基准地极和每个电极之间，并分别输出电信号，通常是在电基准地极和其他的各个电极之间产生的电压信号。测量并处理输出信号以提供材料分布的图像，或者，实际上是沿管道截面的电阻率ρ或电导率σ＝1/ρ分布的图像。

在管壁是由导电材料制成的情况下，管壁自身即可有利地被加工成用作相对于所施加的输入电信号和所测量的输出电信号的基准地极。在此情况下，安装在管壁上的电极与管壁之间电绝缘，并穿过管壁与管道内的材料相接触。如果管壁是不导电的，那么必须采用其他提供基准地极的方法。例如，一种设置在管道内的导电部件即可被加工成用作电极的基准地极。

电信号还可以通过在电极对之间注入电流，并测量来自相同电极的电压或者更常见的是测量其他电极对之间的感应电压来获得。根据这种所谓的邻点法，电流在相邻的电极之间被注入，然后测量其他电极对之间的电压。但是，这种方法在管道中心处的灵敏度较低，因此，更常见地是在相对的电极之间或者是在彼此间隔另一特定距离的电极之间注入电流。

通常电阻抗层析成像技术是基于一组设置在管道或管路周围的电极的使用，和假定电激励被限定在电极的二维平面上。但是，原则上也有可能使用三维的方法，其中，基于从设置在多个平面内的电极所获得的数据，即可得到流体的三维分布情况。

有多种公知的算法用于根据测量的电信号来重建层析图像。这些方法包括，例如，所谓的后向投影法，灵敏度系数法，迭代法，变分法和扰动法。这些方法中的任意一种都能够被用于获得每个重建图像单元内的电阻率ρ或电导率σ的值。

根据本发明的一个优选实施例，混合效率用混合效果E来度量：

E＝100*(1-M)％

其中M是混合指数：

M＝S/<A_N>，

其中S是从位于管道周围的电极的电信号中获取的参数A_N的标准差，而<A_N>是A_N的平均值。参数A_N可以是在测得电信号的基础上形成的层析图像中充满液体混合物的各个单元的电导率值σ或介电常数值ε。

根据另一种更简单的特别适用于管道截面完全被液体充满时的方法，A_N的值是从没有形成实际层析图像的各个电极对L_i，L_j的电信号中获取的参数值A_ij。A_ij的值可以作为例如电信号差值的函数f而被确定，如下式：

$A_{\mathrm{ij}}=f(S_{\mathrm{ij}}-S_{\mathrm{ij}}^0),$

其中电信号S_ij可以是例如电极L_i和L_j之间观测到的电容值或者是电流脉冲注入到电极L_i和地极之间时在电极L_j和地极之间观测到的电压值，而是针对管道内充满均匀的对应液体的混合物时的对应信号。1999年，Lampinen，J.，Vehtari，A.和Leinonek K.在格陵兰岛康克鲁斯瓦格召开的第11届斯堪的纳维亚图像分析会议SCIA′99上提出了一种基于使用贝叶斯神经网络的反向统计分析，不需要重建图像，即可用于计算目标变量例如混合指数的有利方法。

根据本发明的一个优选实施例，混合器的运行速率被调节为使混合效率处于预定范围内。通常混合效率需要高于由某适合参数确定的某个混合效率最小值，例如最小混合效果E_min。因此，如果测得的混合效果E低于最小混合效果E_min，那么混合器的运行速率就被以一个预定的微小幅度增加。

另一方面，当混合器不必要的高运行速率造成过多的动力损失时，避免过高的运行速率就是有益的。在混合效率是混合器运行速率的单调函数的情况下，可以简单地通过确定混合效率的最大值，例如不应被超过的最大混合效果E_max，来避免过多的动力消耗。因此，如果混合效果E高于最大混合效果E_max，那么混合器的运行速率就被以一个预定的微小幅度降低。

但是，由于确定混合效果的分辨率相对较低，可能会无法确定可有效测量的最大混合效果E_max。在这样的情况下，可以在最小混合效果E_min被超过已达某一预定时间时，通过以一个预定的微小幅度降低混合器的运行速率而使动力损失最小化，从而避免不必要的连续强力混合的可能性。

也有可能混合效率不是混合器运行速率的单调函数，而是在某运行速率下保持稳定或者具有最大值并在运行速率高于某确定值时再次降低。这样的特性可以通过根据本发明的装置观测到，并相应地对混合器的运行速率进行优化。

根据本发明的一个优选实施例，混合器的运行速率通过调节机械式混合器转子的旋转速率或叶片角度而进行控制。如果混合器是静态混合器，混合器的运行速率可以通过调节混合促进部件例如混合器的阻流部件或者肋片的角度或位置而进行控制。

附图说明

以下参照附图更详细地描述根据本发明的方法和装置，其中：

图1示出了根据本发明优选实施例的装置。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的优选实施例装置10，该装置包括管道12，其中有流动的第一部分处理液14，和用于将一部分化学品18注入处理液的装置16。通过使用机械式混合器20将化学品与处理液混合，混合器20包括带有混合叶片24的转子22和用于旋转转子22的电机26。混合器的运行速率能够被控制器28所控制，控制器28控制了混合器20的转子22的旋转速度。另外地或可选地，混合叶片24的叶片角度可以是可控的，且控制器28可以被设计用于控制混合叶片24的叶片角度。

一组电极30优选被规则地设置在在混合器20下游的管道12的壁32周围。电极的数量通常至少为8个，但是也可以更多，例如12个或16个。电极30可以被安装在管壁30的内侧以接触混合流体34，或者，在使用电容测量装置时，被安装在壁32的内侧或外侧，以处于流体34附近。电极通常具有扩展的探测区域，以增加由电极获得的电信号，但是在某些应用中，使用探测区域相对较小的电极可能是有益的。

电极32有利地被连接至多路复用器36，电流源38和电压表40，由此电流脉冲即可在选中的电极之间被注入，且电压即可在同一对电极之间或者在选中的其他电极之间被测量。根据另一种解决方案，注入脉冲是电压而测量信号是电流脉冲。注入脉冲也可以在选中的电极和地极之间被注入，由此测量脉冲可以在选中的其他电极和地极之间被测量。

测得的信号，通常是测得的电压，被传送至一装置，通常是计算机42以用于计算混合器20的混合效率。通过使用公知的图像重建算法，计算机42可以被用于计算混合流体34内的电阻率ρ或介电常数ε分布的层析图像。可选地，通过使用另一种算法，例如基于使用神经网络而无需成形完整的层析图像的算法，也能够根据测得的电信号而推算出混合效率。

计算机42被连接至控制器28，用于根据测得的混合效率来控制混合器20的运行速率。根据本发明的优选实施例，混合效率的期望范围被输入计算机42，混合器20的运行速率被控制用于将混合器20的混合效率保持在混合效率的期望范围内。混合效率的期望范围优选地包括下限，如果测得的混合效率低于下限，那么混合器的运行速率就被增加一个微小的幅度。混合效率的期望范围优选地也包括上限，如果测得的混合效率高于上限，那么混合器20的运行速率就被增加一个微小的幅度。

在某些情况下，测量的精度可能会很低以致于无法确定混合效率期望范围的单独上限。特别在这样的情况下，调节混合器的控制过程使得如果测得的混合效率超过期望的下限已达某一预定时间时，混合器的运行速率就再次被减小一个微小的幅度，这样做可能是有益的。由此可以确保不会由于混合器过高的运行速率造成过多的能量损失。

在某些应用中，混合效率不是混合器运行速率的单调函数，而是在某确定的运行速率下具有最大值并在运行速率更高时再次降低。为了避免由于这种特性造成过度消耗能量，将混合器的性能特性数据存储在计算机42中，并且通过考虑这样的特性来进行对混合器的控制，这样做是有利的。例如，如果混合效率随着混合器运行速率的增加而降低，那么明智的后续做法是马上降低运行速率。相应地，如果混合效率随着混合器运行速率的降低而增加，那么明智的后续做法仍然是继续降低运行速率。

图1中所示的混合器是包括用于旋转转子的电机的机械式混合器。根据本发明的另一个实施例，混合器也可以是具有可调节的混合促进部件例如肋片或者挡板的静态混合器。结合与图1所示的实施例相关的上述内容，本发明也可以基于测得的混合效率，通过控制混合促进部件的角度或位置而被应用于静态混合器，

应该注意本发明的上述公开内容仅仅介绍了相关的几个示范性解决方案。这些解决方案不应该理解为将本发明仅仅限制在上述的细节中，而应该理解为本发明仅由所附权利要求和其中的定义所限定。

Claims (19)

1.一种控制混合器的混合效率的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将化学品注入处理液中，

b)用在第一运行速率下运行的混合器将所述化学品和处理液混合，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

c)在混合器下游测量所述化学品和处理液的混合效率，

d)将测得的混合效率和混合效率的预定范围相比较，和

e)控制所述混合器的运行速率以将混合效率调整到混合效率的预定范围内。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，所述混合效率是通过使用位于在混合器下游设置的管道或容器周围的一组电极进行测量的。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的一组电极被用于电阻抗层析成像中。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括计算处理液的电导率或介电常数的分布的步骤。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括无需重建层析图像即可计算混合效率的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合效率通过基于使用神经网络的方法进行计算。

7.如上述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，所述混合器的运行速率通过调节所述混合器的转子的旋转速率或者叶片角度来进行控制。

8.如上述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述混合器是静态混合器，并且在步骤e)中所述混合器的运行速率通过调节所述混合器的混合促进部件来进行控制。

9.如上述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述混合效率的预定范围包括下限，并且如果测得的混合效率低于下限，那么就在步骤e)中增大所述混合器的运行速率。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述混合效率的预定范围包括上限，并且如果测得的混合效率高于上限，那么就在步骤e)中减小所述混合器的运行速率。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，如果所述混合效率连续地高于下限达到一预定时间，那么就减小所述混合器的运行速率。

12.如上述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述化学品在所述混合器的上游被注入在管道内流动的处理液中。

13.如上述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述处理液是中浓度纸浆。

14.一种用于将化学品混入处理液并具有可控的混合效率的装置，所述装置包括：

-用于将化学品注入处理液中的注射器和/或注射连接装置，

-用于将化学品和处理液混合的混合器，

其特征在于所述装置包括：

-能够在所述混合器的下游确定所述化学品和处理液的混合效率的测量装置，

-连接至所述测量装置和混合器用于在测得的混合效率的基础上控制所述混合器的运行速率的控制器。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述装置包括设置在所述混合器下游的管道或容器，并且所述测量装置包括一组设置在所述管道或容器周围的电极。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述测量装置包括用于生成所述管道或容器内的电导率或介电常数分布的层析图像的装置。

17.如权利要求14至16中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述控制器包括用于调节混合器转子的旋转速率或叶片角度的装置。

18.如权利要求14至17中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述混合器是静态混合器，所述控制器包括用于调节所述混合器的混合促进部件的装置。

19.如权利要求14至18中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述混合器用于将气态或液态的化学品与中浓度纸浆混合。

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