一種判斷多相混合均勻性的方法
【技術領域】[0001] 本發明涉及一種判斷多相混合均勻性的方法，屬于化學工程技術領域。
【背景技術】[0002] 攪拌是化工、冶金過程中最常見的操作之一。大約在60~80年代期間流體混合技術得 到了飛速的發展，其研究的重點主要是針對常規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、混合時間等宏觀量進行實驗研究。雖然有 大量的設計經驗和關聯式的可用于分析和預測混合體系，但將攪拌反應器從實驗室規模直 接放大到大規模的工業生產中，仍是沒有把握的，至今仍需要通過逐級放大來達到攪拌設 備所要求的傳質、傳熱和混合。這種方法不但耗費財力和大量的人力和物力，而且設計周期 很長，據相關統計顯示美國的化學工業由于攪拌反應器設計不合理所造成的損失每年約為 10~100億美元。因此采用先進的測試手段和建立合理的數學模型獲取攪拌槽中的速度場、 溫度場和濃度場，以及采取有效的衡量流體混合效果的方法，不僅對混合設備的優化設計 具有十分重要的經濟意義，而且對放大和混合的基礎研究具有現實的理論意義。就目前看， 衡量流體混合效果的方法眾多，主要有電導率法、熱電偶法、光學法、脫色法等，其中電導率 法在低粘性流體的攪拌混合中應用很廣，但對攪拌介質的要求高，如要求攪拌介質為去離 子水；熱電偶法則對流場會產生破壞；一般的光學法由于裝置復雜，應用也較少；脫色法用 來測高粘流體和粘彈性流體非常有效，但由于采用肉眼判斷，因而帶有較強的主觀性。
【發明內容】
[0003]本發明克服了上述方法的不足，提供一種具有較高的應用價值的、簡便可行的用 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程中，獲取氣-液-固多相混合過程中連續的攪拌實時圖樣 并保存下來；并利用數字圖像處理技術獲得只有背景和目標的待處理圖樣；將待處理圖樣 中的目標作為研究對象； (2) 根據待處理原始圖樣的尺寸大小，從左上角對應纟=1，左下角對應^ 2，右下角對應 1=1，右上角對應作為起始位置進行網格劃分，分別劃分f個區域楚為自然數，并對每 個小區域編號>5 = 1.2.S;
(4)借助均勻試驗設計理論，在混合時間（前后，會呈現明顯的變化規律；若經歷 充分的混合時間垢，PC切的數值大小波動近于1，若畫出PC切的變化曲線圖，則在甜寸 刻后，Iii就非常接近于1且往后的時間里波動不大，則表示多相混合在_?刻之后達到 混合均勻的狀態。
[0004] 混合過程中獲得實時圖樣網格的劃分如果單從某一個起始位置開始，一般劃分為 i個區域(f為自然數)，區域的劃分原則是根據圖樣和目標大小、混合均勻性判斷精度要求 來確定麥的取值大小，s的取值越大精度越高，小區域的長寬比與原始圖樣的長寬比相等。
[0005] 本發明步驟（1)中獲取氣-液-固多相混合過程中連續的攪拌實時圖樣并保存 下來，并利用數字圖像處理技術獲得只有背景和目標的待處理圖樣；此過程為常規方法，例 如現有技術中利用高速攝像機來獲得多相混合過程中連續的攪拌實時視頻；利用視頻軟件 KMPlayer將視頻轉換為實時圖樣保存下來。
[0006] 在統計學里，均勻試驗設計是只考慮試驗點在試驗范圍內均勻散布的一種試驗設 計方法；根據均勻試驗設計理論，均勻性的度量采用數論方法(偽蒙特卡洛方法)，最普遍
而言之，當試驗區域內點數比與矩形面積比非常接近時，即認為試驗點均勻散布于試驗區 域，我們稱之為多相流混合均勻。
[0007] 本發明的有益效果是： (1) 該方法簡單可行，有統計學之均勻試驗設計理論做支撐； (2) 解決了電導率法、熱電偶法、光學法、脫色法等的不足之處； (3) 可以減少攪拌反應器因不合理的設計造成的經濟損失。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發明的工作過程圖。
[0009]圖2為本發明將左上角作為起始位置的圖樣網格劃分圖；黑色填充部分為 起始位置（S=I)。
[0010] 圖3為本發明將左下角P=I作為起始位置的圖樣網格劃分圖；黑色填充部分為 起始位置（S=I)。
[0011] 圖4為本發明將右下角I擇痛作為起始位置的圖樣網格劃分圖；黑色填充部分為 起始位置（S=I)。
[0012] 圖5為本發明將右上角1?:?!作為起始位置的圖樣網格劃分圖；黑色填充部分為 起始位置（S=I)。
[0013] 圖6為本發明的|：尤\>>隨時間變化圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護范圍并 不限于所述內容。
[0015] 實施例1 借鑒〇14和ZnO在熔融鹽中的多相流反應模型，搭建了氣體頂吹攪拌水動力學實驗平 臺，當處于初始靜態狀態下時，氧載體以固態顆粒形式沉降于熔池底部，當從反應器頂吹鼓 入反應氣體〇14后，在氣體的攪拌混合作用下，氧載體會分散在整個熔池中，形成如流化床 般的反映體系，即：整個反應是一個氣-液-固的多相流反應；為簡化實驗裝置而不失代表 性，選取實驗所需的材料與試劑主要為常見的水、N2以及直徑為0. 45毫米的黑色聚苯乙烯 顆粒；通過考慮頂吹氣體的不同流量和噴槍浸入的不同深度設計多種攪拌條件，然后利用 高速攝像機拍攝固體小顆粒在頂吹氣體攪拌作用下的流動圖樣。
[0016] 具體實施步驟如下： (I)N2通過一根垂直移動的玻璃管噴槍由上往下噴射，噴槍口徑大小固定不變，但是氣 體流量和噴槍浸入深度可供調整；水的質量以及固體顆粒的質量都是一定的，其中聚苯乙 烯黑色顆粒在進行實驗時是被平鋪在玻璃反應器的底部的，僅僅通過噴射氮氣作為動力進 行進行混合攪拌，在化學反應器中的N2、聚苯乙烯顆粒和水就是通過這樣的攪拌方式而形 成一些特殊的流動圖樣。
[0017] (2)運用圖1中所示高速攝像機采集豎直斷面的連續視頻，使用視頻軟件 KMPlayer，捕獲下每一幀的圖樣；然后利用MATLAB實施數字數字圖像處理技術，經灰度變 換、高帽變換、濾波運算、二值化和開運算處理得到待處理圖像。
[0018] (2)將待處理圖樣進行區域劃分，從左上角對應1-4左下角對應;=2，右下角對應 1=3,右上角對應作為起始位置進行網格劃分，分別劃分16個區域，并對每個小區域編 號5:、芫1_5::''，:-、:涵:； (3)運用均勻試驗設計理論，度量時刻混合均勻性的方法進行如下計算：
[0019](4)借助均勻試驗設計理論，在混合時間（前后，會呈現明顯的變化規律；若 經歷充分的混合時間垢，的數值大小波動近于1，若畫出沉的的變化曲線圖，則在 甜寸刻后，Ilii就非常接近于1且往后的時間里波動不大，則表示多相混合在甜寸刻之后 達到混合均勻的狀態。
【主權項】
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程中，獲取氣-液-固多相混合過程中連續的攪拌實時圖樣 并保存下來；并利用數字圖像處理技術獲得只有背景和目標的待處理圖樣；將待處理圖樣 中的目標作為研究對象； (2) 根據待處理原始圖樣的尺寸大小，從左上角對應|竭，左下角對應編種，右下角對應 |=沒，右上角對應?= 4作為起始位置進行網格劃分，分別劃分S個區域f為自然數，并對每 個小區域編號S=m ; (3) 運用均勻試驗設計理論，度量ifl寸刻混合均勻性的方法進行如下計算： ① 計算在一個小區域內與整體圖樣內的目標的個數比② 計算在該小區域與整體圖樣的面積比③ 計算目標個數比與區域圖樣面積比的絕對偏差④ 計算絕對偏差的平均值 ⑤ ifl寸刻圖樣的均勻度為： (4) 借助均勻試驗設計理論，在混合時間?前后，會呈現明顯的變化規律；若經歷 充分的混合時間垢，仍的數值大小波動近于1，若畫出仍的變化曲線圖，則在甜寸 刻后，]__就非常接近于1且往后的時間里波動不大，則表示多相混合在ifl寸刻之后達到 混合均勻的狀態。2. 根據權利要求1所述的判斷多相混合均勻性的方法，其特征在于，步驟（2)中小區域 的長寬比與原始圖樣的長寬比相等。
【專利摘要】本發明公開一種判斷多相混合均勻性的方法，屬于化學工程技術領域。本發明所述方法是基于均勻試驗設計理論來判斷多相混合的均勻性，主要應用于化工、冶金攪拌設備中判斷流體混合效果及理論上指導工藝參數的設；計本發明應用在對所有多相之間混合均勻性的判斷，該方法簡單方便，且具有很高的實用價值，對化工、冶金攪拌設備中判斷混合均勻性及理論上指導攪拌反應器的設計，提供了一種可靠實用的方法。
【IPC分類】G01N21/84
【公開號】CN105067621
【申請號】CN201510503871
【發明人】費宇, 徐建新, 肖清泰, 王仕博
【申請人】云南財經大學, 昆明理工大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年8月17日