[发明专利]一种利用柱状图表征多相混合效果的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学工程技术领域，具体地说是一种适应于化工领域所有多相流的利用柱状图表征多相混合效果的方法。

背景技术

混合效果的好坏对于化学工程过程是非常重要的。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，以及采取有效的表征多相混合效果的方法，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，随着科学技术的不断发展，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PET等的广泛应用，促进了流体混合技术飞速的发展，就目前看，表征多相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、简便可行的利用柱状图表征化学工业中多相混合效果的方法。

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，简单的说就是区域中大块的个数；柱状图，也称条图、长条图、条状图，是一种以长方形的长度为变量的表达图形的统计报告图，由一系列高度不等的纵向条纹表示数据分布的情况(不同时间或者不同条件)，只有一个变量，通常利用于较小的数据集分析；本发明用第0维贝蒂数来表征混合效果的均匀程度，用第1维贝蒂数来表征混合效果的非均匀程度，用柱状图来比较两个或以上的价值，对混合过程中图像的第0维贝蒂数和第1维贝蒂数进行柱状图分析，利用其分布的特点来判断混合是否最佳。详细的步骤如下：该方法采用统计学的柱状图方法，通过计算多相混合流体混合图样的第0维贝蒂数和第1维贝蒂数，分别获得多相流混合样本的第0维贝蒂数和第1维贝蒂数时间序列的柱状图，第0维贝蒂数和第1维贝蒂数柱状图的横坐标分别表示混合效果的均匀程度和非均匀程度，而柱状图的纵坐标则表示时间，其中第0维贝蒂数时间序列柱状图的横坐标中相对较大值所占的区域面积越大，而第1维贝蒂数时间序列柱状图的横坐标中相对较小值所占的区域面积越大，即：第0维贝蒂数越大，第1维贝蒂数越小，混合效果越好。最后，若某工况下的混合样本的第0维贝蒂数和第1维贝蒂数时间序列的柱状图分布同时能够很好的符合正态分布，即符合经典的钟形曲线，则表示该工况下的混合效果最佳。

本发明的有益效果是：

1、解决了常用表征混合效果方法等的不足之处；

2、该方法简单可行，直观；

3、可以降低因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多相混合效果的判断，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表征方法。

附图说明

图1为本发明第0维贝蒂数柱状图；

图2为本发明第1维贝蒂数柱状图。

具体实施方式

实施例1：

化学实验中涉及到气体液体和固体三相之间的混合反应，需将几种不同物质放到磁力搅拌器中进行混合反应，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，然后保存图像数据，借助计算机计算贝蒂数的程序CHomP进行计算，获得第0维贝蒂数和第1维贝蒂数的时间序列，最后画出所有工况下(转速为0-3000rpm)第0维贝蒂数和第1维贝蒂数的时间序列的柱状图，观测其是否符合正态分布，结果发现转速为1000rpm的时候，其第0维贝蒂数和第1维贝蒂数的柱状图分布同时符合正态分布，而且发现其第0维贝蒂数较大值分布区域较大，第1维贝蒂数较大值分布区域较小，换句话说，此工况下的相分布块数最多，大块的分布数最少，混合效果最佳。如图1和图2所示。其柱状图符合正态分布，即：经典的钟形曲线。