液固两相流中基于电阻抗谱的颗粒形体在线测量方法研究

This proposal aims to establish and develop an electrical impedance spectroscopy based on-line measurement method for monitoring particle size and shape in liquid-solid two-phase flow. The feasibility study and analysis for on-line particle size and shape measurement using electrical impedance spectroscopy in crystallization process will be carried out. Based on the experimental study of effects from particle size, shape, concentration, ionic concentration, zeta potential and flow conditions, the relationship between these effects and impedance parameters (impedance real part, imaginary part, phase angle and relaxation frequency) can be obtained. The work starts studying the electrical impedance spectra of particle suspensions and then obtaining the relationship between particle size/shape and electrical impedance parameters. A mathematical model will be established to describe the relationship between particle size/shape and impedance parameters, including the effects from other factors. Based on this study, the changing of impedance parameters with changing of particle size and shape during crystallization process will be studied by on-line electrical impedance spectroscopy measurement. Liquid-solid two phase flow will be simulated numerically, and the distribution characteristics of particle motion will be analyzed. Further, the changing of 2D tomographic images of impedance parameters caused by changing particle size and shape during crystallization will be studied by electrical impedance tomography. The study will provide important contribution for realizing on-line measurement and monitoring of particle size and shape in liquid-solid two-phase flow in the industrial processes.

本项目主要是运用实验测量和建立理论模型方法建立和发展适用于液固两相流的基于电阻抗谱的颗粒形体（大小和形状）在线测量方法，对电阻抗谱方法在线测量液固两相流中颗粒大小，形状及其在结晶过程中的变化情况进行可行性研究和分析。通过实验研究各种不同物理量，如颗粒大小、形状、浓度、离子浓度、zeta电位、两相流动等对阻抗谱的影响，得到各物理量与阻抗参数的对应关系。该工作首先对颗粒悬浮液的电阻抗谱进行研究，得到颗粒形体（大小和形状）与阻抗参数的实验结果，并建立数学模型描述颗粒形体及其它影响因素与阻抗参数的关系。在此基础上，采用在线测量方法，研究结晶过程中由颗粒大小和形状变化引起的阻抗参数变化情况，数值模拟两相流场并分析颗粒运动分布特征，进一步通过电阻抗层析成像法研究由颗粒大小和形状变化引起的阻抗参数的二维分布图像。该研究对实现工业过程中，液固两相流中颗粒形体（大小和形状）变化的实时检测和控制有重要意义。

基于电阻抗谱法的液固两相流中颗粒形体测量方法对实现工业过程中液固两相流中颗粒形体变化的实时检测和控制有重要意义。该方法利用颗粒表面双电层在外加电场激励下的极化效应，获得颗粒形体与阻抗数据的关系，是较适用于分散相不透明及高浓度液固两相流的一种颇具潜力的在线测量方法。在三年的研究工作中，我们取得了一些重要的研究成果。. 首先，研究获得了颗粒大小、浓度、pH值、zeta电位等物理量的变化对电阻抗谱的影响，并建立了理论模型描述颗粒尺寸与阻抗参数之间的关系。其次，建立了结晶过程中电阻抗谱在线测量装置，并研究结晶过程中电阻抗谱随晶体颗粒生长的变化规律。研究了过程变量，如温度，颗粒浓度，液相离子浓度，流体流动状态等因素对阻抗参数的影响。采用拟合电路法分析电阻抗谱，并得到颗粒大小与阻抗参数的函数关系。再次，对颗粒悬浮液中表征颗粒大小的二维成像方法进行了可行性研究。得到了反映二氧化硅颗粒及其表面双电层效应的阻抗虚部和相位角成像图。最后，研究了不锈钢电极传感器表面受液固两相流冲蚀磨损的影响。获得了不锈钢由于冲蚀而产生的表面磨损和质量损失与冲击角度、冲蚀时间、颗粒浓度、流速等影响因素的关系。. 在本基金的支持下，共发表了10篇SCI期刊论文、7篇EI论文和1篇中文核心刊物，组织了一次多相流测量国内学术会议，申请了两项专利，培养了5名研究生，已毕业1名。