一种判断多相混合均匀性的方法
【技术领域】[0001] 本发明涉及一种判断多相混合均匀性的方法，属于化学工程技术领域。
【背景技术】[0002] 搅拌是化工、冶金过程中最常见的操作之一。大约在60~80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。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】
[0003]本发明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 于判断多相混合均匀性的方法，具体包括以下步骤： (1) 在透明搅拌槽的混合过程中，获取气-液-固多相混合过程中连续的搅拌实时图样 并保存下来；并利用数字图像处理技术获得只有背景和目标的待处理图样；将待处理图样 中的目标作为研究对象； (2) 根据待处理原始图样的尺寸大小，从左上角对应纟=1，左下角对应^ 2，右下角对应 1=1，右上角对应作为起始位置进行网格划分，分别划分f个区域楚为自然数，并对每 个小区域编号>5 = 1.2.S;
(4)借助均匀试验设计理论，在混合时间（前后，会呈现明显的变化规律；若经历 充分的混合时间垢，PC切的数值大小波动近于1，若画出PC切的变化曲线图，则在甜寸 刻后，Iii就非常接近于1且往后的时间里波动不大，则表示多相混合在_?刻之后达到 混合均匀的状态。
[0004] 混合过程中获得实时图样网格的划分如果单从某一个起始位置开始，一般划分为 i个区域(f为自然数)，区域的划分原则是根据图样和目标大小、混合均匀性判断精度要求 来确定麥的取值大小，s的取值越大精度越高，小区域的长宽比与原始图样的长宽比相等。
[0005] 本发明步骤（1)中获取气-液-固多相混合过程中连续的搅拌实时图样并保存 下来，并利用数字图像处理技术获得只有背景和目标的待处理图样；此过程为常规方法，例 如现有技术中利用高速摄像机来获得多相混合过程中连续的搅拌实时视频；利用视频软件 KMPlayer将视频转换为实时图样保存下来。
[0006] 在统计学里，均匀试验设计是只考虑试验点在试验范围内均匀散布的一种试验设 计方法；根据均匀试验设计理论，均匀性的度量采用数论方法(伪蒙特卡洛方法)，最普遍
而言之，当试验区域内点数比与矩形面积比非常接近时，即认为试验点均匀散布于试验区 域，我们称之为多相流混合均匀。
[0007] 本发明的有益效果是： (1) 该方法简单可行，有统计学之均匀试验设计理论做支撑； (2) 解决了电导率法、热电偶法、光学法、脱色法等的不足之处； (3) 可以减少搅拌反应器因不合理的设计造成的经济损失。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明的工作过程图。
[0009]图2为本发明将左上角作为起始位置的图样网格划分图；黑色填充部分为 起始位置（S=I)。
[0010] 图3为本发明将左下角P=I作为起始位置的图样网格划分图；黑色填充部分为 起始位置（S=I)。
[0011] 图4为本发明将右下角I择痛作为起始位置的图样网格划分图；黑色填充部分为 起始位置（S=I)。
[0012] 图5为本发明将右上角1?:?!作为起始位置的图样网格划分图；黑色填充部分为 起始位置（S=I)。
[0013] 图6为本发明的|：尤\>>随时间变化图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并 不限于所述内容。
[0015] 实施例1 借鉴〇14和ZnO在熔融盐中的多相流反应模型，搭建了气体顶吹搅拌水动力学实验平 台，当处于初始静态状态下时，氧载体以固态颗粒形式沉降于熔池底部，当从反应器顶吹鼓 入反应气体〇14后，在气体的搅拌混合作用下，氧载体会分散在整个熔池中，形成如流化床 般的反映体系，即：整个反应是一个气-液-固的多相流反应；为简化实验装置而不失代表 性，选取实验所需的材料与试剂主要为常见的水、N2以及直径为0. 45毫米的黑色聚苯乙烯 颗粒；通过考虑顶吹气体的不同流量和喷枪浸入的不同深度设计多种搅拌条件，然后利用 高速摄像机拍摄固体小颗粒在顶吹气体搅拌作用下的流动图样。
[0016] 具体实施步骤如下： (I)N2通过一根垂直移动的玻璃管喷枪由上往下喷射，喷枪口径大小固定不变，但是气 体流量和喷枪浸入深度可供调整；水的质量以及固体颗粒的质量都是一定的，其中聚苯乙 烯黑色颗粒在进行实验时是被平铺在玻璃反应器的底部的，仅仅通过喷射氮气作为动力进 行进行混合搅拌，在化学反应器中的N2、聚苯乙烯颗粒和水就是通过这样的搅拌方式而形 成一些特殊的流动图样。
[0017] (2)运用图1中所示高速摄像机采集竖直断面的连续视频，使用视频软件 KMPlayer，捕获下每一帧的图样；然后利用MATLAB实施数字数字图像处理技术，经灰度变 换、高帽变换、滤波运算、二值化和开运算处理得到待处理图像。
[0018] (2)将待处理图样进行区域划分，从左上角对应1-4左下角对应;=2，右下角对应 1=3,右上角对应作为起始位置进行网格划分，分别划分16个区域，并对每个小区域编 号5:、芫1_5::''，:-、:涵:； (3)运用均匀试验设计理论，度量时刻混合均匀性的方法进行如下计算：
[0019](4)借助均匀试验设计理论，在混合时间（前后，会呈现明显的变化规律；若 经历充分的混合时间垢，的数值大小波动近于1，若画出沉的的变化曲线图，则在 甜寸刻后，Ilii就非常接近于1且往后的时间里波动不大，则表示多相混合在甜寸刻之后 达到混合均匀的状态。
【主权项】
1. 一种判断多相混合均匀性的方法，其特征在于，具体包括以下步骤： (1) 在透明搅拌槽的混合过程中，获取气-液-固多相混合过程中连续的搅拌实时图样 并保存下来；并利用数字图像处理技术获得只有背景和目标的待处理图样；将待处理图样 中的目标作为研究对象； (2) 根据待处理原始图样的尺寸大小，从左上角对应|竭，左下角对应編種，右下角对应 |=沒，右上角对应?= 4作为起始位置进行网格划分，分别划分S个区域f为自然数，并对每 个小区域编号S=m ; (3) 运用均匀试验设计理论，度量ifl寸刻混合均匀性的方法进行如下计算： ① 计算在一个小区域内与整体图样内的目标的个数比② 计算在该小区域与整体图样的面积比③ 计算目标个数比与区域图样面积比的绝对偏差④ 计算绝对偏差的平均值 ⑤ ifl寸刻图样的均匀度为： (4) 借助均匀试验设计理论，在混合时间?前后，会呈现明显的变化规律；若经历 充分的混合时间垢，仍的数值大小波动近于1，若画出仍的变化曲线图，则在甜寸 刻后，]__就非常接近于1且往后的时间里波动不大，则表示多相混合在ifl寸刻之后达到 混合均匀的状态。2. 根据权利要求1所述的判断多相混合均匀性的方法，其特征在于，步骤（2)中小区域 的长宽比与原始图样的长宽比相等。
【专利摘要】本发明公开一种判断多相混合均匀性的方法，属于化学工程技术领域。本发明所述方法是基于均匀试验设计理论来判断多相混合的均匀性，主要应用于化工、冶金搅拌设备中判断流体混合效果及理论上指导工艺参数的设；计本发明应用在对所有多相之间混合均匀性的判断，该方法简单方便，且具有很高的实用价值，对化工、冶金搅拌设备中判断混合均匀性及理论上指导搅拌反应器的设计，提供了一种可靠实用的方法。
【IPC分类】G01N21/84
【公开号】CN105067621
【申请号】CN201510503871
【发明人】费宇, 徐建新, 肖清泰, 王仕博
【申请人】云南财经大学, 昆明理工大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年8月17日