CN101650292A - 一种衡量流体混合效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种衡量流体混合效果的方法。本发明主要应用于化学工程实验中判断流体混合效果及理论上指导实验的设计。具体是：(1)利用粒子测速仪(透明或半透明流体混合)、电子断层成像技术(不透明流体的混合)获得流体混合实时图样；(2)用编写的特定程序计算所获得的实时图样的第0维贝蒂数及第1维贝蒂数大小；(3)通过分别计算整体区域的第0、1维贝蒂数的演化及4区域或者16区域的第0、1维贝蒂数的平均值大小来判断混合效果。本发明应用在对所有流体混合效果的检测，该方法简单方便，且具有很高的实用价值，对化工实验中判断混合效果及理论上指导搅拌反应器的设计，提供了一种可靠实用的衡量方法。
Description
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化工领域所有流体的混合效果的检测的衡量流体混合效果的方法，。
背景技术
混合是化学工程中最常见的关键单元操作之一。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
本发明的目的是克服了上述方法的不足，提供一种具有较高的应用价值的、简便可行的用于衡量化学工业中流体混合效果的方法。
本发明的技术方案是：计算代数拓扑学中，第0维贝蒂数的含义是：区域中连通成分的个数，简单的说就是区域中块的个数。第1维贝蒂数的含义是：区域中洞的个数，说明了区域中含有大的结块(内含有洞)的个数，一定程度上量化了其混合的不均匀性。第1维贝蒂数越大，说明混合不均匀性越差，反之，亦然。借助此理论知识对流体混合的复杂相图进行计算，定量给出该混合区域中块的个数和洞的个数。具体方法是：(1)利用粒子测速仪(透明或半透明流体混合)、电子断层成像技术(不透明流体的混合)获得流体混合实时图样；(2)用编写好的程序计算所获得的实时图样的第0维贝蒂数及第1维贝蒂数大小；(3)将流体混合区域平均分为4区域或者16区域，通过分别计算整体区域的第0、1维贝蒂数的演化及4区域或者16区域的第0、1维贝蒂数，获得混合样本的第0维贝蒂数和第1维贝蒂数的平均值大小，来判断混合效果。
若各个区域0、1维平均贝蒂数大小相差不大，即块的个数和洞的个数基本相等，4区域或16区域的0、1维贝蒂数平均值相差不大，而且整个区域中块的数目较多，即：第0维贝蒂数的平均值较大，且第1维贝蒂数的平均值较小，此时的混合效果最佳。
若流体为均匀相，即分辨不出来各相的界面，则可以加入相应的示踪粒子。
本发明的有益效果是：
1、解决了电导率法、热电偶法、光学法、脱色法等的不足之处；
2、该方法简单可行，有计算代数拓扑学做其理论支撑；
3、可以减少搅拌反应器的不合理设计造成的经济损失，进一步指导实验设计。
本发明应用在对所有流体混合效果的检测，该方法简单方便，且具有很高的实用价值，对化工实验中判断混合效果及理论上指导搅拌反应器的设计，提供了一种可靠实用的衡量方法。
附图说明
图1为本发明的第0维贝蒂数演化图；
图2为本发明的第1维贝蒂数的演化图。
图中虚线代表平均值。
具体实施方式
实施例1：
化学实验中配置某试剂，将几种不同物质放到磁力搅拌器中进行混合，通过粒子测速仪(针对透明或半透明流体)、电子断层成像技术EPT(Electrical Process Tomography)或CT(Computerized Tomography)(针对不透明流体)来获得混合的实时图样，保存数据，然后借助计算机计算贝蒂数的程序进行计算，将第0、1维贝蒂数的变化曲线绘制出来，如图1、2所示。
则可以发现到一定时间后整个区域中的块的个数已经趋于稳定且数目较大，在一定范围内波动，然后再对观察区域平均分为4区域或者16区域，分别计算第0、1维贝蒂数的演化曲线，若四个区域的0、1维贝蒂数也趋于稳定，在一个小范围内变化，则可以得出结论：在某混合条件下，需要多长时间后，达到最佳混合效果。若各个区域的演化趋势基本一样，或者第0、1维贝蒂数的平均值相差很小，只要满足第0维贝蒂数的平均值较大，而第1维贝蒂数的平均值较小，则认为达到最佳的混合效果。若流体为均匀相，即分辨不出来各相的界面，则可以加入相应的示踪粒子。如图2所示第1维贝蒂数的变化则反映了该混合过程的不均匀程度。
实验设计：选定混合的浆的形状，使其最省时，用该方法计算每一种浆的贝蒂数演化，根据整个区域块数达到稳定且数目较大的时间长短及4区域或者16区域中的块数也达到稳定的时间长短，判断采取哪种浆的形状耗时最短，且不均匀程度尽量的小，效果最佳。
Claims (4)
1.一种衡量流体混合效果的方法，其特征在于：该方法采用代数拓扑学中计算同调群的理论和方法，(1)利用粒子测速仪或电子断层成像技术获得流体混合实时图样；(2)用编写好的程序计算所获得的实时图样的第0维贝蒂数及第1维贝蒂数大小；(3)将流体混合区域分为4区域或者16区域，通过分别计算整体区域的第0、1维贝蒂数的演化及4区域或者16区域的第0、1维贝蒂数，获得混合样本的第0维贝蒂数和第1维贝蒂数的平均值大小，来判断混合效果。
2.根据权利要求1所述的衡量流体混合效果的方法，其特征在于：针对透明或半透明流体该方法通过粒子测速仪来获得混合的实时图样。
3.根据权利要求1所述的衡量流体混合效果的方法，其特征在于：针对不透明流体采用电子断层成像技术EPT来获得混合的实时图样。
4.根据权利要求1所述的衡量流体混合效果的方法，其特征在于：实验中针对均相流体可以加入示踪粒子。
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