一种测量搅拌釜混合能力的方法.pdf

本发明属于冶金化工领域，特别涉及一种测量搅拌釜混合能力的方法。本发明通过实时测量搅拌釜的气含率，并在所测数据基础上，利用相关数学模型，将局部气含率转换为混匀时间，通过所得混匀时间可以快速便捷地测量搅拌釜的混匀能力；除了能反映搅拌釜的混匀能力外，本发明还将充气口位置设置在不同位置，并通过对比混匀时间长短，判断出搅拌釜内最佳物料进口位置，从而提高生产效率。

1.  一种测量搅拌釜混合能力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)通过充气口向搅拌釜内连续注入流量恒定的气体，并确定搅拌釜的整体气含率；
步骤2)对所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向分别进行平均划分若干区域，并确定各个区域的局部气含率，所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向分别划分的份数，应保证计算确定的局部气含率与实际的气含率的误差控制在3％以下；
步骤3)根据上述步骤2)确定的各个区域的局部气含率，及上述步骤1)确定的所述搅拌釜的整体气含率，确定所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数；
步骤4)根据步骤3)确定的所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数，对变异系数进行分析，确定混匀时间；
步骤5)改变上述步骤1)的充气口，重复上述步骤1)—4)，确定不同充气口位置的混匀时间，比较不同充气口位置的混匀时间，确定最佳充气口。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中确定搅拌釜的整体气含率，在充气开始之前，测量所述搅拌釜进行搅拌的液面充气之前的液面高度H；然后进行充气过程，当所述搅拌釜的液体的液面波动稳定时，测量液体的液面高度H′；根据液体的液面充气前后的测量高度确定搅拌釜的整体气含率：
VG=πr2(H′-H)πr2H′×100%]]>
所述V_G为搅拌釜的整体气含率；所述r为搅拌釜当量半径，单位m；所述H′为搅拌釜充气后液面高度，单位m；所述H为搅拌釜充气前液面高度，单位m。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数的确定，首先确定所述搅拌釜的水平面方向区域气含率与垂直面方向区域气含率的标准差，如下：
σH=1NHΣi=1NH(Xi-VG)2]]>
σV=1NVΣi=1NV(Yi-VG)2]]>
所述σ_H为所述搅拌釜的水平面方向区域标准差；所述σ_V为所述搅拌釜的垂直面方向区域标准差；所述X_i为所述搅拌釜的水平面方向第i个区域局部气含率；所述Y_i为所述搅拌釜的垂直面方向第i个区域局部气含率；所述N_H为所述搅拌釜的水平面方向区域划分的个数；N_V为所述搅拌釜的垂直面方向区域划分的个数；
根据所述搅拌釜的水平面方向区域气含率与垂直面方向区域气含率的标准差，确定所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向对应的变异系数：
V·CH=σHVG]]>
V·CV=σVVG]]>
所述V·C_H为所述搅拌釜的水平面方向区域的变异系数；所述V·C_V 为所述搅拌釜的垂直面方向区域的变异系数。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中对所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数进行分析，确定搅拌釜的混均时间，所述混均时间满足两个条件：
条件4.1：随着时间的变化，在任意两时刻，垂直面方向区域的平均气含率的变异系数的差值小于等于0.01；
条件4.2：随着时间的变化，水平面方向区域的平均气含率的变异系数小于等于10％。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述搅拌釜述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数和混均时间三者关系如下：
Tmix=TV·CHTV·CH≥TV·CVTV·CVTV·CH≤TV·CV]]>
所述为V·C_H的值达到0.1时所需时间，单位为s；所述为V·C_V的值达到动态平衡时所需时间，单位s；所述T_mix为混匀时间，及达到理想搅拌状态所需要的时间，单位s。

一种测量搅拌釜混合能力的方法
技术领域
本发明属于冶金化工领域，特别涉及一种测量搅拌釜混合能力的方法。
背景技术
搅拌釜是广泛应用于冶金化工等领域的一类重要单元设备。搅拌釜通过机械搅拌，加速釜内物料的动量传递、热量传递、质量传递和化学反应(即“三传一反”)，进而快速地将釜内的物料混合均匀。实际生产中，搅拌釜的造型、尺寸以及工作参数，都会对搅拌釜内物料的混合效果产生影响，而搅拌釜的混合能力是作为研究与设计搅拌釜的一个重要指标。
通常，测量搅拌釜的混合能力主要有两种方法：1)向搅拌釜物料内加入定量的示踪剂，并每隔一段时间对釜内的物料进行取样，测定物料中所含示踪剂的浓度，当所测示踪剂浓度达到理想混匀浓度的90％左右时，记录此刻时间，通过比较达到混匀浓度时间的长短来判断搅拌釜的混匀能力；2)向搅拌釜内加入电解质，并在搅拌釜内安装多处电极，当电极所测搅拌釜内电导率不再发生变化时，记录此刻时间，通过比较釜内电导率到达稳态时间的长短来判断搅拌釜的混匀能力。从已有文献可以看出，以上两种方法的优点是直观、准确，但对测量环境及设备精度要求较高，测量时间较长，不能快速便捷地测量出搅拌釜的混合能力。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术缺陷，通过实时测量搅拌釜的气含率，并在所测数据基础上，利用相关数学模型，将局部气含率转换为混匀时间，通过所得混匀时间可以快速便捷地测量搅拌釜的混匀能力。除了能反映搅拌釜的混匀能力外，本发明还将充气口位置设置在不同位置，并通过对比混匀时间长短，判断出搅拌釜内最佳物料进口位置，从而提高生产效率。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种测量搅拌釜混合能力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)通过充气口向搅拌釜内连续注入流量恒定的气体，并确定搅拌釜的整体气含率；
步骤2)对所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向分别进行平均划分若干区域，并确定各个区域的局部气含率，所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向分别划分的份数，应保证计算确定的局部气含率与实际的气含率的误差控制在3％以下；
步骤3)根据上述步骤2)确定的各个区域的局部气含率，及上述步骤1)确定的所述搅拌釜的整体气含率，确定所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数；
步骤4)根据步骤3)确定的所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数，对变异系数进行分析，确定混匀时间；
步骤5)改变上述步骤1)的充气口，重复上述步骤1)—4)，确定不同充气口位置的混匀时间，比较不同充气口位置的混匀时间，确 定最佳充气口。
优先地，所述步骤1)中确定搅拌釜的整体气含率，在充气开始之前，测量所述搅拌釜中进行搅拌的液体的液面高度H；然后进行充气过程，当所述搅拌釜中搅拌的液体的液面波动稳定时，测量液体的液面高度H′；根据液体的液面充气前后的测量高度确定搅拌釜的整体气含率：
VG=πr2(H′-H)πr2H′×100%]]>
所述V_G为搅拌釜的整体气含率；所述r为搅拌釜当量半径，单位m；所述H′为搅拌釜充气后液面高度，单位m；所述H为搅拌釜充气前液面高度，单位m。
优先地，所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数的确定，首先确定所述搅拌釜的水平面方向区域气含率与垂直面方向区域气含率的标准差，如下：
σH=1NHΣi=1NH(Xi-VG)2]]>
σV=1NVΣi=1NV(Yi-VG)2]]>
所述σ_H为所述搅拌釜的水平面方向区域标准差；所述σ_V为所述搅拌釜的垂直面方向区域标准差；所述X_i为所述搅拌釜的水平面方向第i个区域局部气含率；所述Y_i为所述搅拌釜的垂直面方向第i个区域局部气含率；所述N_H为所述搅拌釜的水平面方向区域划分的个数；N_V为所述搅拌釜的垂直面方向区域划分的个数；
根据所述搅拌釜的水平面方向区域气含率与垂直面方向区域气含率的标准差，确定所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向对应的变异系数：
V·CH=σHVG]]>
V·CV=σVVG]]>
所述V·C_H为所述搅拌釜的水平面方向区域的变异系数；所述V·C_V为所述搅拌釜的垂直面方向区域的变异系数。
优先地，所述步骤4)中对所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数进行分析，确定搅拌釜的混匀时间，所述混匀时间满足两个条件：
条件4.1：随着时间的变化，在任意两时刻，垂直面方向区域的平均气含率的变异系数的差值小于等于0.01；
条件4.2：随着时间的变化，水平面方向区域的平均气含率的变异系数小于等于10％。
优先地，所述搅拌釜述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数和混匀时间三者关系如下：
Tmix=TV·CHTV·CH≥TV·CVTV·CVTV·CH≤TV·CV]]>
所述为V·C_H的值达到0.1时所需时间，单位为s；所述为V·C_V的值达到动态平衡时所需时间，单位s；所述T_mix为混匀时间，及达到理想搅拌状态所需要的时间，单位s。
通过实时测量搅拌釜的气含率，并在所测数据基础上，利用相关数学模型，将局部气含率转换为混匀时间。由于气含率可以通过多种方法方便迅速地获得，所以，通过所得混匀时间可以快速便捷地测量搅拌釜的混匀能力。
除了能反映搅拌釜的混匀能力外，本发明还能将充气口位置设置在不同位置，并通过对比混匀时间长短，判断出搅拌釜内最佳物料进口位置，从而提高生产效率。
附图说明
图1为发明所述的一种测量搅拌釜搅拌能力方法中的搅拌釜垂直面方向平均标记若干等分的示意图；
图2为发明所述的一种测量搅拌釜搅拌能力方法中的搅拌釜水平面方向平均标记若干等分的示意图；
图3为本发明所涉及的一种测量搅拌釜搅拌能力方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
本发明实施例提供了一种测量搅拌釜混合能力的方法。
首先，通过某一充气口向搅拌釜内连续注入流量恒定的气体，利用液面波动高度测量搅拌釜内整体气含率，同时实时测量搅拌釜内的局部气含率。
在充气开始时，首先测量所述搅拌釜的液面充气之前的液面高度H，确定充气前液面的高度后，对所述搅拌釜进行充气，搅拌釜的液面在气体的作用下升高，此时，搅拌釜内已含有一定量的气体，当所述液面波动稳定时，测量所述搅拌釜的液面高度H′，根据所述搅拌釜的液面充气前后的测量高度确定搅拌釜的整体气含率：
VG=πr2(H′-H)πr2H′×100%---(1)]]>
所述V_G为搅拌釜的整体气含率；所述r为搅拌釜当量半径，单位m；所述H′为搅拌釜充气后液面高度，单位m；所述H为搅拌釜充气前液面高度，单位m。
其次，对所述搅拌釜在垂直面方向和水平面方向分别进行平均划分，划分成若等分区域，如图1与图2所示，对上述搅拌釜的垂直面方向与水平面方向的划分等分区域分别进行标注，垂直面方向各个等分划分区域用n₁,n₂,…,n_n标注，水平面方向各个等分划分区域用r₁,r₂,…,r_n标注。根据上述划分等分区域对每个区域的局部气含率，根据标记的水平面方向及垂直面方向平均标记的等分区域数量及对应的局部气含率和上述公式(1)确定的所述搅拌釜整体气含率V_G，分别计算得得出所述搅拌釜的水平面方向区域气含率与垂直面方向区域气含率的标准差，如下：
σH=1NHΣi=1NH(Xi-VG)2---(2)]]>
σV=1NVΣi=1NV(Yi-VG)2]]>
所述σ_H为所述搅拌釜的水平面方向区域标准差；所述σ_V为所述搅拌釜的垂直面方向区域标准差；所述X_i为所述搅拌釜的水平面方向第i个区域局部气含率；所述Y_i为所述搅拌釜的垂直面方向第i个区域局部气含率；所述N_H为所述搅拌釜的水平面方向区域划分的个数；N_V为所述搅拌釜的垂直面方向区域划分的个数。
通过对上述搅拌釜在垂直面方向和水平面方向平均划分得出若干等分区域，对所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方法划分的区域的个数可以相同也可以不同，并测量这些等分区域的局部气含率，通过等分区域局部气含率转换为搅拌釜其对应方向的整体气含率标准差，此标准差可以反映其对应方向实际气含率与理想混匀气含率的偏差程度。理论上等分区域越多，所得到对应的气含率标准差越接近真实结果，但计算量也随之增加，所以，划分等分区域数量应由实际计算能力而定。
根据上述得出的所述搅拌釜的水平面方向区域气含率与垂直面方向区域气含率的标准差，利用公式(1)确定的搅拌釜的整体气含率V_G，分别得出所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向对应的变异系数。
V·CH=σHVG---(3)]]>
V·CV=σVVG]]>
所述V·C_H为所述搅拌釜的水平面方向区域的变异系数；所述V·C_V为所述搅拌釜的垂直面方向区域的变异系数。
根据上述确定的所述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数，对上述两种变异系数进行分析，随着时间的变化，当垂直面方向区域的平均气含率变异系数达到动态平衡，并且水平面方向区域的平均气含率的变异系数小于等于10％(即达到理想混匀程度的90％)时，此刻时间为搅拌釜的混匀时间，通过比较混匀时间的长短来判断搅拌釜的混匀能力，混匀时间越短，搅拌釜的混合能力越强。所述搅拌釜述搅拌釜的水平面方向与垂直面方向的变异系数和混匀时间三者关系如下：
Tmix=TV·CHTV·CH≥TV·CVTV·CVTV·CH≤TV·CV---(4)]]>
所述为V·C_H的值达到0.1时所需时间，单位为s；所述为V·C_V的值达到动态平衡时所需时间，单位s；所述T_mix为混匀时间，及达到理想搅拌状态所需要的时间，单位s。
此外，将充气口设置在不同位置，重复上述过程，得出不同充气口的混匀时间，通过比较对应的混匀时间长短，可以判断搅拌釜的物料充气口最佳位置。
下面以具体实施案例对本发明作进一步阐述。
以容积为0.04m³的标准Rushton搅拌釜为例，在搅拌釜工作过程中，从底部注入充气量为2×10^-4m³/s的空气，根据液面高度变化计算出搅拌釜的整体气含率V_G。沿搅拌釜水平面方向分为四等分，垂直面方向分为六等分，分别计算得出水平面方向区域和垂直面方向区域气含率的标准差后，得出相应的变异系数，并结合变异系数得出混匀时间。实施过程中，以搅拌釜转速100rpm、200rpm、300rpm、400rpm和600rpm为例说明本发明的试验效果，表1为以上五个转速下搅拌釜的变异系数及混匀时间。从表中可以看出，转速增大，混匀时间逐渐减少，当转速为300rpm时，混匀时间最短，混合能力最佳，随着搅拌速度继续增大，混合能力也随之逐渐变差。
表1 不同转速下搅拌釜的变异系数及混匀时间