本發(fā)明屬于工業(yè)攪拌設(shè)備研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種關(guān)于工業(yè)攪拌器自動選型的方法。

背景技術(shù)：

攪拌器的型式和混合特性在很大程度上決定了體系的混合效果，選擇合適的攪拌器是攪拌設(shè)備設(shè)計過程非常關(guān)鍵的一步，攪拌器的型式對攪拌效果及攪拌設(shè)備制造和操作成本有很大的影響。1991年，tatterson等研究發(fā)現(xiàn)化工工業(yè)近半年產(chǎn)值與攪拌槽有關(guān)，由于攪拌器設(shè)計選用不合理導致的損失高達數(shù)百億美元，長期以來攪拌器的設(shè)計參數(shù)繁多復雜且不一致，設(shè)計過程缺乏系統(tǒng)成熟的理論。選型過程過多依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗和專業(yè)知識，選型效率不高，這個問題沒有得到很好的解決。

目前最流行的處理方法是將攪拌設(shè)備選型過程結(jié)合人工智能進行自動化選型，美國的dupont公司、unioncarbide公司等都已開發(fā)了專家系統(tǒng)(expertsystems，簡稱es)，并取得了相當豐厚的回報。此外，1994年美國chemineer公司設(shè)計了一個專家系統(tǒng)軟件agdesign用于渦輪式攪拌設(shè)備設(shè)計，該公司90％的伸入式攪拌器設(shè)備均已采用該軟件進行設(shè)計；芬蘭的kraslawski等在1995年設(shè)計了基于案例推理(case-basedreasoning，簡稱cbr)系統(tǒng)的混合設(shè)備輔助設(shè)計專家軟件，其對使用者的知識和經(jīng)驗性要求較高，操作時需要很強的專業(yè)性；浙江大學馮連芳、王嘉駿等基于es研發(fā)了混合設(shè)備智能化設(shè)計系統(tǒng)(mixicad)，將整個系統(tǒng)分為攪拌器預選型、過程設(shè)計、機械設(shè)計、機械繪圖和經(jīng)濟評估五個部分，使混合設(shè)備設(shè)計更趨于智能化和自動化。系統(tǒng)對于攪拌器選型部分只進行預選型，查找攪拌器參數(shù)，利用層次分析法(analytichierarchyprocess，簡稱ahp)進行手工計算，根據(jù)計算結(jié)果模仿專家推理和判斷。選型過程相當繁瑣，對專業(yè)知識和層次分析法知識理論仍有著很高的要求。西北大學高凱等利用ahp的原理設(shè)計了工業(yè)攪拌器選型軟件，但是僅僅簡化了選型過程中的層次分析法計算過程，需要依靠選型人員的查找攪拌器相關(guān)參數(shù)，并應用層次分析法去建立比較矩陣，未能實現(xiàn)自動化選型。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，本發(fā)明提供了一種對選型設(shè)計人員經(jīng)驗和專業(yè)知識的依賴程度小，可快速完成選型工作，具有較高精確性和普適性的工業(yè)攪拌器自動選型方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：該工業(yè)攪拌器的自動化選型方法，由以下步驟組成：

(1)確定被決策的至少2種攪拌器類型，選擇各類攪拌器的攪拌性能指標，用計算流體動力學模擬同一工況下被決策攪拌器在同一攪拌罐內(nèi)工作下的流場，模擬出各攪拌器類型所對應的攪拌性能指標；

(2)以最優(yōu)攪拌器為目標層，以步驟(1)所確定的攪拌性能指標為準則層的影響因素，以被決策的攪拌器類型為方案層，建立了方案層對準則層的比較矩陣，并利用層次分析法確定出方案層對準則層的比較矩陣對應的模擬權(quán)重向量；

(3)根據(jù)使用需求將步驟(1)所模擬的各類攪拌器的攪拌性能指標按照主次進行排序；

(4)以最優(yōu)攪拌器為目標層，以步驟(1)所確定的攪拌性能指標為準則層的影響因素，以被決策的攪拌器類型為方案層，基于步驟(3)的排序結(jié)果建立了攪拌器選型程序中準則層對目標層的比較矩陣，利用層次分析法確定出準則層對目標層的比較矩陣對應的排序權(quán)重向量；

(5)根據(jù)步驟(2)的模擬權(quán)重向量和步驟(4)的排序權(quán)重向量確定出各個方案層攪拌器的綜合權(quán)重值；

(6)對步驟(5)所確定的各個方案層攪拌器的綜合權(quán)重值按照由大到小的順序進行排序，綜合權(quán)重值最大者為所篩選出的最優(yōu)攪拌器。

進一步說明，上述步驟(1)中用cfd軟件模擬的同一工況為：攪拌介質(zhì)為甘油，粘度為945mpa·s，密度為1259.9kg/m³，重力加速度為9.8m/s²，參考壓力為0.1mpa，溫度25℃。

進一步說明，上述步驟(1)的攪拌罐是平底攪拌罐或者球形底攪拌罐。

進一步說明，上述步驟(2)的模擬權(quán)重向量v^(c)的計算方法為：

假設(shè)方案層對準則層的比較矩陣為pm＝(aij)n×n(i，j＝1，2，3，…，n)，比較矩陣pm的模擬權(quán)重向量為v^(c)＝(ω1，ω2，…，ωn)^t，

其中：aij為方案層對準則層的比較矩陣pm中第i列元素，akj為方案層對準則層的比較矩陣pm中第k列元素，ωi表示vm^(c)中權(quán)重向量的元素。

進一步說明，上述步驟(5)的綜合權(quán)重值w^(c)的計算方法為：

假設(shè)準則層b上n個因素相對于目標層a的權(quán)重向量為：

w^(b)＝(w1^(b)，w2^(b)，…，wn^(b))^t

而方案層c上m個因素對準則層b上n個因素的權(quán)重向量為：

則方案層c上因素對目標層的綜合權(quán)重向量為：

w^(c)＝v^(c)×w^(b)

w^(c)即為綜合權(quán)重值。

進一步說明，上述攪拌性能指標包括循環(huán)流量準數(shù)、功率準數(shù)、剪切性能、無因次混合時間、排出流量準數(shù)、雷諾數(shù)所對應的攪拌器影響因素循環(huán)效果、攪拌效率、剪切性能、混合效率、排出效果以及湍流程度。

進一步說明，上述攪拌器類型選自《中華人民共和國化工行業(yè)標準》hg/t3796.1-2005。

進一步說明，上述攪拌器類型包括槳式攪拌器、開啟渦輪式攪拌器、圓盤渦輪式攪拌器、圓盤鋸齒式攪拌器、三葉后彎式攪拌器、推進式攪拌器、板式螺旋槳攪拌器、螺桿式攪拌器、螺帶式攪拌器以及錨框式攪拌器的所有槳葉類型。

本發(fā)明的工業(yè)攪拌器自動選型的方法是對現(xiàn)有層次分析法標度理論加以修正，建立了一種專用于工業(yè)攪拌器選型的標度方法，應用cfd模擬同一工況下各類攪拌器在攪拌罐內(nèi)工作下的流場，并進行流動相似分析，基于攪拌器實際流場模擬結(jié)果，定量獲得攪拌器的攪拌性能指標，以此基于專用標度方法建立了方案層對準則層的比較矩陣；將各類攪拌器的攪拌性能的影響因素按照攪拌需求進行加權(quán)處理，自動建立準則層對目標層的比較矩陣；根據(jù)自動建立方案層對準則層的比較矩陣和準則層對目標層的比較矩陣得到綜合權(quán)重，對綜合權(quán)重值進行排序選出最優(yōu)攪拌器，最終實現(xiàn)攪拌器自動選型。對比相關(guān)攪拌器選型方法，本方案實現(xiàn)了篩選方法簡單，減小了選型難度，降低了對選型設(shè)計人員經(jīng)驗和專業(yè)知識的依賴，幫助設(shè)計人員快速完成選型工作，增強了應用層次分析法進行工業(yè)攪拌器選型的精確性及普適性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的自動化選型流程圖。

圖2為目標層、準則層、方案層的遞進關(guān)系圖。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的工業(yè)攪拌器自動化選型方法由以下步驟實現(xiàn)：

(1)確定被決策的攪拌器類型，選擇各類攪拌器的攪拌性能指標，用cfd模擬同一工況下被決策攪拌器在同一攪拌罐內(nèi)工作下的流場，模擬出各攪拌器類型所對應的攪拌性能指標；

以本實例所選擇的6種常用國標攪拌器為例進行說明，攪拌器類型分別為：直葉槳式攪拌器為pj、斜葉槳式攪拌器為xj、四直葉開啟渦輪式攪拌器為sk、四斜葉開啟渦輪式攪拌器為mk、六直葉圓盤渦輪式攪拌器為py、六斜葉圓盤渦輪式攪拌器為zy。

隨后應用流體動力學分析軟件(cfd)模擬同一工況(具體為：攪拌介質(zhì)為甘油，粘度為945mpa·s，密度為1259.9kg/m³，重力加速度為9.8m/s²，參考壓力為0.1mpa，溫度25℃。)下6種常用國標攪拌器分別在圓柱型平底攪拌罐(槽徑為600mm的圓柱型平底攪拌槽，攪拌器安裝高度c為200mm)或球形底攪拌罐內(nèi)工作下的流場，統(tǒng)計分析攪拌效果相關(guān)的性能指標排出質(zhì)量流量qd，扭矩m，混合時間θm、攪拌功率p。

cfd模擬得到關(guān)于攪拌器的攪拌性能指標參數(shù)如表1。

表1流場性能參數(shù)

查詢攪拌器相關(guān)文獻(王凱，虞軍.攪拌設(shè)備[m].北京:化學工業(yè)出版社,2003)按照文獻公式計算性能參數(shù)獲得了攪拌器性能指標即循環(huán)流量準數(shù)nqc、功率準數(shù)np、無因次混合時間nθm、剪切性能c3無量綱結(jié)果如表2所示。

表2攪拌器無量綱性能指標

在選型中，在這六種常規(guī)攪拌器中選擇參與選型決策的攪拌器。

(2)以最優(yōu)攪拌器為目標層a，以步驟(1)所確定的攪拌性能指標為準則層b的影響因素，以被決策的攪拌器類型為方案層c，如圖2所示，本發(fā)明的層次分析法遞進關(guān)系圖由以下步驟實現(xiàn)：

(a)將最終所需要達到的目標定為最優(yōu)目標以此建立目標層，

(b)以最優(yōu)目標為目標層，根據(jù)要達到的目標確定所需要考慮的比較準則以此建立準則層。

(c)方案層為實現(xiàn)所需達到的目標能夠提高的解決方案以此建立方案層。

利用層次分析法通過成對方式的元素比較及按其特性構(gòu)造，基于專用標度5^0/8～5^8/8建立方案層對準則層的比較矩陣如表3-6所示。

表3方案層對于準則層循環(huán)效果比較矩陣

表4方案層對于準則層攪拌效率比較矩陣

表5方案層對于準則層混合時間比較矩陣

表6方案層對于準則層剪切性能比較矩陣

利用層次分析法確定出方案層對準則層的比較矩陣對應的模擬權(quán)重向量vm^(c)；

假設(shè)方案層對準則層的比較矩陣為pm＝(aij)n×n(i，j＝1，2，3，…，n)，比較矩陣pm的模擬權(quán)重向量為vm^(c)＝(ω1，ω2，…，ωn)^t，

其中：其中：aij為方案層對準則層的比較矩陣pm中第i列元素，akj為方案層對準則層的比較矩陣pm中第k列元素，ωi表示vm^(c)中權(quán)重向量的元素。

(3)根據(jù)使用需求將步驟(1)所模擬的各類攪拌器的攪拌性能的影響因素按照主次進行排序處理，例如得到順序依次為：剪切性能、功率準數(shù)、循環(huán)流量準數(shù)、無因次混合時間。

(4)以最優(yōu)攪拌器為目標層a，以步驟(1)所確定的攪拌性能指標為準則層b的影響因素，以被決策的攪拌器類型為方案層c，如圖2，基于步驟(3)的排序結(jié)果，利用層次分析法通過成對方式的元素權(quán)重結(jié)果比較再根據(jù)表6的排序結(jié)果對應標度值建立準則層對目標層的比較矩陣如表7所示。

表6排序結(jié)果對應標度值

表7準則層對目標層的比較矩陣

利用層次分析法確定出準則層對目標層的比較矩陣對應的排序權(quán)重向量w^(b)，即計算公式可參照步驟(2)。

(5)根據(jù)步驟(2)的模擬權(quán)重向量和步驟(4)的排序權(quán)重向量確定出各個方案層攪拌器的綜合權(quán)重值；

層次分析法在求解過程中依次沿著遞階層次關(guān)系從最高層到最底層逐層計算，求出方案層上各因素相對于目標層的優(yōu)先權(quán)重，也就是綜合權(quán)重值，假設(shè)已經(jīng)算出準則層b上n個因素相對于目標層a的排序權(quán)重向量w^(b)為：

w^(b)＝(w1^(b)，w2^(b)，…，wn^(b))^t

而方案層c上m個因素對準則層b上n個因素的模擬權(quán)重向量v^(c)為：

則方案層c上因素對目標層的綜合權(quán)重值為：

w^(c)＝v^(c)×w^(b)

w^(c)即為綜合權(quán)重值，w^(c)值從大到小的排序結(jié)果就是層次分析法總排序結(jié)果。

(6)對步驟(5)所確定的各個方案層攪拌器的綜合權(quán)重值w^(c)按照由大到小的順序進行排序，綜合權(quán)重值w^(c)最大者為所篩選出的最優(yōu)攪拌器，結(jié)合選擇的被決策攪拌器和攪拌性能指標的排序結(jié)果可自動得到被決策攪拌器中的最優(yōu)攪拌器結(jié)果。

上述的攪拌性能指標可選自《中華人民共和國化工行業(yè)標準》hg/t3796.1-2005所記載的攪拌器類型，如槳式攪拌器、開啟渦輪式攪拌器、圓盤渦輪式攪拌器、圓盤鋸齒式攪拌器、三葉后彎式攪拌器、推進式攪拌器、板式螺旋槳攪拌器、螺桿式攪拌器、螺帶式攪拌器、錨框式攪拌器中所有槳葉類型等，依據(jù)使用者需求進行選擇。

對于攪拌器的性能指標也不僅限于上述的四種，還可以是無因次混合時間、排出流量準數(shù)、雷諾數(shù)所對應的攪拌器影響因素循環(huán)效果、攪拌效率、剪切性能、混合效率、排出效果以及湍流程度等，根據(jù)使用者實際需求進行分析。

本發(fā)明根據(jù)選擇參與決策的攪拌器，自動給出攪拌器的方案層對準則層比較矩陣，根據(jù)得到的方案層對準則層比較矩陣，準則層對目標層比較矩陣，進行層次分析得到最優(yōu)的攪拌器選型方案，完成自動化選型，并直接獲得選型結(jié)果，無需選型人員的查找攪拌器相關(guān)參數(shù)，也無需依靠專業(yè)人員的經(jīng)驗和專業(yè)知識。