CN101813641A - 用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法。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。具体是：(1)利用电子断层成像技术或高速摄像机来获得多相搅拌混合实时图样；(2)用编写好的程序计算所获得的实时图样的第0维贝蒂数或分形维数；(3)用(2)中的方法每隔一定时间获得相关数据，从而得到相应时间序列；(4)利用0-1test方法判断(3)中得到的时间序列是否混沌从而判断是否混合均匀；(5)然后用(4)中所得数据和1的接近程度来判断混合均匀的程度。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验证方法。
Description
技术领域
本发明具体地说是涉及一种适应于化工领域所有流体的混合效果检测及混合均匀状态及程度验证的方法。属于化学工程技术领域，
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。如果采用经典的最大李雅普诺夫指数法判断混沌，其检验指数小于等于0不能判断是否混沌但有可能是混沌的，造成判断上的盲区。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有方法的不足，发明一种具有较高的应用价值的、简便可行的，速度快，实时性好，适应性强的用于验证化学工业中流体混合均匀性的用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法。
本发明用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法的技术方案是：该方法采用混沌理论以及非线性时间序列分析方法来判断流体的多相搅拌混合均匀程度，具体步骤如下：
(1)利用电子断层成像技术或高速摄像机来获得多相搅拌混合实时图样；
(2)用编写好的程序计算所获得的实时图样的贝蒂数或分形维数；
(3)用(2)的方法每隔一定时间获得相关数据，从而得到相应时间序列；
(4)利用0-1test方法判断(3)得到的时间序列是否混沌从而判断是否混合均匀；
(5)然后用(4)所得数据和1的接近程度来判断混合均匀的程度：贝蒂数或分形维数的时间序列的0-1test计算值接近于0则非混沌，从而说明其还没混合均匀；若接近于1则为混沌从而说明混合均匀，其中位于[0.5，0.8)区间内为一般均匀，位于[0.8，0.95)区间内为中等均匀，位于[0.95，1]区间内为非常均匀。
所述的流体为透明或半透明流体时，采用高速摄像机来获得多相搅拌混合的实时图样。
所述的流体为不透明流体时，采用电子断层成像技术EPT来获得多相搅拌混合的的实时图样。
所述的流体是均相流体时，在实验中加入示踪粒子。
混合实时图样获取是：每隔一定时间截取搅拌反应器横截面或者纵截面来获得，贝蒂数的计算可以用Chomp免费软件获得，如果用分形维数可以使用计算盒子维数的方法即用Matlab程序来得出，从而获得相应时间序列。
本发明在计算代数拓扑学中，在二维的情况下，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。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。分形维数是描述分形最主要的参量。分形维数反映了复杂形体占有空间的有效性，它是复杂形体不规则性的量度，本发明利用该理论来验证多相混合。具体方法是：(1)利用电子断层成像技术或高速摄像机来获得多相搅拌混合实时图样；(2)用编写好的程序计算所获得的实时图样的第0维贝蒂数或分形维数；(3)用(2)中的方法每隔一定时间获得相关数据，从而得到相应时间序列；(4)利用0-1test方法判断(3)中得到的时间序列是否混沌从而判断是否混合均匀；(5)然后用(4)中所得数据和1的接近程度来判断混合程度。
本发明贝蒂数或分形维数的时间序列的0-1test计算值接近于0则非混沌，从而说明其还没混合均匀；若接近于1则为混沌从而说明混合均匀。然后根据具体实例来判断何值为一般均匀，何值为中等均匀，何值为非常均匀。其中位于[0.5，0.8)区间内为一般均匀，位于[0.8，0.95)区间内为中等均匀，位于[0.95，1]区间内为非常均匀。
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，有混沌、同调群、分形理论做其理论支撑；
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验证方法。
附图说明
图1为本发明的贝蒂数的时间序列图。
图2为本发明的分形维数的时间序列图。
图3为本发明的0-1test混沌检测图，其中0-1test计算值为0.782。
图4为本发明的0-1test非混沌检测图，其中0-1test计算值为0.316。
具体实施方式
下面结合附图实施例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
实施例1：
某造纸厂用一种以木薯根碎纸碎木屑混合物为原材料制作纸浆的方法，一开始就使用混合原材料，其中木薯根的成分多少都可以，但比重在5-50％比较合适，其他的物质为碎纸及碎木屑，比重为95-50％，以上比例是重量比。现在实验室条件下进行混合均匀判断去适量原料放在搅拌器中加水混合。
通过电子断层成像技术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维贝蒂数的时间序列计算出来，进行0-1test方法计算。则可以发现1m值为0.156，10m值为0.208，25m值为0.721，30m值为0.746，后趋于稳定且在0.735附近波动，则可以得出结论：在此混合条件下，30分钟时间后，达到最佳混合效果。经计算属一般均匀程度。
实施例2：
在一种工业制备催化剂方法中将铜、锌、铝的可溶性盐类共溶于去离子水，将模板剂在另一个容器中溶于去离子水，然后将这两种水溶液在强搅拌下充分混合，生成一种均匀的混合溶液，现在实验室条件下进行混合实验通过粒子测速仪(半透明流体)、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维贝蒂数的时间序列计算出来，进行0-1test方法计算。则可以发现到10s值为0.102，50s值为0.217，180s值为0.878，200s值为0.901，后趋于稳定且在0.905附近波动，则可以得出结论：在该混合条件下，需要200s时间后，达到最佳混合效果。经计算属中等均匀程度
实施例3：
化学实验中配置某试剂，将NaCl、(NH4)2SO4、、NH4Cl固体放到磁力搅拌器中加水进行混合，由于放在水中属于均相，故需加入示踪粒子来监控，其混合状态。通过粒子测速仪(针对透明流体)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维贝蒂数的时间序列计算出来，进行0-1test方法计算。则可以发现到10s值为0.288，70s值为0.797位于[0.7，0.8)区间内，所以处于一般均匀，90s值为0.832位于[0.8，0.95)区间内，所以处于中等均匀110m值为0.964位于[0.95，1]区间内，所以处于非常均匀，120s值为0.990，后趋于稳定且在0.986附近波动，则可以得出结论：在该混合条件下，需要120s时间后，达到最佳混合效果。经计算属非常均匀程度。
Claims (5)
1.一种用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法，其特征在于：该方法采用混沌理论以及非线性时间序列分析方法来判断流体的多相搅拌混合均匀程度，具体步骤如下：
(1)利用电子断层成像技术或高速摄像机来获得多相搅拌混合实时图样；
(2)用编写好的程序计算所获得的实时图样的贝蒂数或分形维数；
(3)用(2)的方法每隔一定时间获得相关数据，从而得到相应时间序列；
(4)利用0-1test方法判断(3)得到的时间序列是否混沌从而判断是否混合均匀；
(5)然后用(4)所得数据和1的接近程度来判断混合均匀的程度：贝蒂数或分形维数的时间序列的0-1test计算值接近于0则非混沌，从而说明其还没混合均匀；若接近于1则为混沌从而说明混合均匀，其中位于[0.5，0.8)区间内为一般均匀，位于[0.8，0.95)区间内为中等均匀，位于[0.95，1]区间内为非常均匀。
2.根据权利要求1所述的用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法，其特征在于：所述的流体为透明或半透明流体时，采用高速摄像机来获得多相搅拌混合的实时图样。
3.根据权利要求1所述的用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法，其特征在于：所述的流体为不透明流体时，采用电子断层成像技术EPT来获得多相搅拌混合的的实时图样。
4.根据权利要求1所述的用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法，其特征在于：所述的流体是均相流体时，在实验中加入示踪粒子。
5.根据权利要求1所述的用于验证多相搅拌混合均匀状态及程度的方法，其特征在于：混合实时图样获取是：每隔一定时间截取搅拌反应器横截面或者纵截面来获得，贝蒂数的计算可以用Chomp免费软件获得，如果用分形维数可以使用计算盒子维数的方法即用Matlab程序来得出，从而获得相应时间序列。
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