Вискозитет на течности и суспензии. Тема: Вискозитет на суспензии и разтвори на полимери Съотношение на течната фаза към единица обем суспензия

Сравнението на свойствата на течности и газове помага да се разбере физиката на течностите. Газовете имат значително по-ниска плътност и техните молекули са разположени на по-голямо разстояние една от друга, отколкото течностите. Следователно те имат по-дълъг свободен път и е по-малко вероятно да се сблъскат един с друг. Именно поради разликата в подвижността на молекулите в газовете и течностите се различават и механизмите на вискозитета на тези вещества. Молекулната структура на течностите може да си представим като кръстоска между структурата на твърдите кристални тела с подредено разположение на молекулите и структурата на газовете, чиито молекули са произволно подредени.

Така вискозитетът на течностите е многократно по-голям от вискозитета на газовете поради по-плътното опаковане на молекулите.

Теоретично и експериментално е установено, че вискозитетът на суспензия от микрочастици винаги надвишава вискозитета на разтворителя. За да разберете защо това е така, помислете за Нютонова течност, чието движение е причинено от движението на повърхностите, които я ограничават, с постоянна скорост. Течността между движещите се повърхности се измества, в резултат на което в нея се получава разсейване на енергия, толкова по-интензивно, колкото по-висок е вискозитетът на течността.

Нека сега приемем, че течността е инжектирана твърда сферичначастици. Те могат да се въртят, но за разлика от течността, чието място са заели, не могат да се деформират. Следователно, със същото изместване на граничните повърхности, както преди, средната скорост на срязване ще се увеличи. Освен това, тъй като течността не може да се плъзга по повърхността на частиците в частта от нея, която е в съседство с частиците, възниква допълнително срязване. И двата ефекта водят до увеличаване на разсейването на енергия в течността и по този начин нейният ефективен вискозитет ще се увеличи. С увеличаване на относителния обем на суспендираните частици трябва да настъпи допълнително увеличение на вискозитета, което се потвърждава експериментално. Но освен ако концентрацията на частиците не е твърде висока, връзката между скоростта на срязване и напрежението на срязване при всяка дадена концентрация е постоянна, т.е. окачването се държи като нютонова течност.

Вискозитетът на суспензия от капчици или деформируеми частици също се увеличава с увеличаване на техния относителен обем, но в по-малка степен, отколкото при същото увеличаване на концентрацията на твърди частици.Въпреки това, с увеличаване на скоростта на срязване в такива суспензии, капките не само се деформират, но и постепенно се ориентират по посока и текат. Това означава, че напрежението на срязване нараства нелинейно с увеличаване на скоростта на срязване. В резултат на това вискозитетът се оказва зависим от скоростта на срязване и съответно суспензията е ненютонова течност.

(Слайд 1-23)В допълнение, поведението на суспензии от твърди и деформируеми частици може да стане по-сложно и не-нютоново в резултат на взаимодействията между частиците. Това взаимодействие се дължи на силите на привличане и отблъскване, както и на факта, че течност, която е променила движението си под въздействието на една частица, променя движението на други частици. Ефективен вискозитет μ sразредена суспензия от твърди невзаимодействащи сферични частици с еднакъв размер, които са неутрално плаващи (т.е. не се утаяват или плават), в течност с вискозитет μ 0 за първи път изчислен през 1906 г. от Алберт Айнщайн. Той прогнозира, че ако обемната концентрация на частици с (в части от единица) е малък в сравнение с 1, тогава относителният вискозитет на суспензията μ отн(равен на съотношението на ефективния вискозитет към вискозитета на течната фаза на суспензията) се определя от съотношението.

Този резултат беше потвърден експериментално за стойностите с , ненадвишаващ приблизително 0,1. За големи стойности с необходимо е да се вземе предвид сложното взаимодействие на частиците и това е свързано с въвеждането на условия, пропорционални на концентрацията на частиците. През 1932 г. Тейлър обобщава заключението на Айнщайн за суспензии от капчици, които поддържат сферична форма, например поради повърхностно напрежение. Съответното отношение има формата

, (1-29)

където е вискозитетът на течността, образуваща капки. Когато стане безкрайно голям, т.е. когато капките се оказват по същество твърди частици, тази връзка се свежда до предишната.

(Слайд 1-24)За да се установи зависимостта на вискозитета на цяла кръв, е необходимо да се конструира зависимост на изместването на напрежението от скоростта на срязване . Въпреки това, както е посочено по-горе, вискозитетът на кръвта и плазмата също се променя с пробите поради разликите в състава. За да се избегнат тези разлики, напрежението на срязване се нормализира към плазмения вискозитет на пробата (привиден вискозитет) и се получава напрежението на срязване/плазмения вискозитет спрямо скоростта на срязване.

Както може да се види, тези данни потвърждават нелинейното поведение, особено при ниски скорости на срязване. Интересно е да се отбележи, че кривите не идват от началото на координатите и за да се движи кръвта, е необходимо да се преодолее определен праг на напрежение .

Слайд 1-24.Експериментална зависимост на нормализирано напрежение на срязване от скоростта на срязване за кръв (Whitmore, 1968)

Ако цялата кръвна връзка следва степенен закон

τ = k γ n

тогава данните могат да бъдат представени чрез праволинейно напрежение на срязване - скорост на срязване в логаритмична скала.

Край на работата -

Тази тема принадлежи към раздела:

Биофизика на кръвообращението

Въведение.. докато разработвах този курс в рамките на специалността биомедицинска технология, трябваше да се изправя пред проблема как..

Ако имате нужда от допълнителен материал по тази тема или не сте намерили това, което търсите, препоръчваме да използвате търсенето в нашата база данни с произведения:

Какво ще правим с получения материал:

Ако този материал е бил полезен за вас, можете да го запазите на страницата си в социалните мрежи:

Всички теми в този раздел:

Слайд 1-3.
Нека два цилиндъра с различни диаметри или площи на напречното сечение (A1 и A2) са свързани един с друг с тръба. Ако цилиндрите са отворени към атмосферата, тогава течността ще се утаи на същото ниво

Слайд 1-5.
Както вече казахме, налягането P = сила / площ И, ако силата е изразена в нютони, тогава налягането ще бъде: 1 Newton / m2 = 1 Pascal (Pa) Има един в системата

Законът за запазване на масата гласи, че масата не може да изчезне или да се появи - и този принцип се нарича принцип на запазване на масата
Ако означим масата на втичащата течност като ∫ ρ 1n dA , A1 (където v1n

Слайд 1-11.
Както вече казахме, течността може да се определи като вещество, което постоянно се деформира, когато е изложено на срязващи или тангенциални напрежения. Помислете за две успоредни равнини в дупето

Слайд 1-12
Както може да се види от графиката, Нютоновата течност е представена от права линия, минаваща от началото с наклон μ. За съжаление, не всички течности следват

Хо Хо+ДХ
Слайд 1-13.Сили, действащи върху правоъгълен течен елемент в поток. Нека, например, течен елемент се движи в посока x в прав поток,

Към манометри
Слайд 1-14. Опит на Поазей. На редовни интервали в стената на тръбата се правят малки дупки за измерване на налягането. д

Слайд 1-15.
Както вече отбелязахме, вискозната спирачна сила, с която стената действа върху слоевете течност в съседство с нея, последователно се предава на все по-отдалечени слоеве. Това е условно

N-кинематичен вискозитет (m/r)
Ако заместим размерите в това уравнение, можем да видим, че числото на Рейнолдс Re е безразмерна величина. WhenRe&

Слайд 1-16
Анатомията на кръвоносните съдове на тялото като цяло и в отделен орган се състои както от последователни, така и от паралелни съдови компоненти (вижте слайда) Кръвта, изхвърлена от сърцето, влиза

Загуба на енергия поради съдова стеноза
Очевидно е, че по дължината на тръбата ще има спад на налягането (PE - потенциална енергия) според уравнението на Поазейл. П

Слайд 1-19
Турбулентният поток възниква при плавен поток, когато ламинарният поток се разпадне. В сърдечно-съдовата система това се случва в областта на стесняване на сърдечните клапи или артериалните легла, в м

Слайд 1-20.
Помислете за процесите, които се случват в много дълга права тръба, ако към течността се приложи бавно осцилиращ градиент на налягането. В този случай потокът ще се забави, ще спре, ще се промени

Слайд 1-21.
За да се характеризира такъв поток, много полезен безразмерен параметър е числото на Womersley a, което показва колко се различава профилът на скоростта на Поазей при ламинарен поток.

Промяна на амплитудата и фазата на потока със синусоидален градиент с увеличаване на параметъра a
Тук представяме промяната в амплитудата и фазата на осцилаторния поток при синусоидален градиент на налягането с нарастващ параметър a. В този случай амплитудата характеризира

Слайд 1-25.
Първите кръвни изследвания с помощта на съвременни вискозиметри показват, че вискозитетът на човешката цяла кръв зависи от скоростта на срязване в диапазона от 0,1-120 s-1, докато

Ефект на хематокрит
Основното условие, което определя вискозитета на кръвта, е обемната концентрация на червените кръвни клетки, която се измерва чрез хематокрит H - привидната обемна концентрация на e

Методи за измерване на вискозитета
Слайд 1-28. Вискозитетът на кръвта се измерва главно по два метода: ротационен и капилярен. А) Ротационен метод Ротационен храм

B) Капилярен вискозиметър
В капилярен вискозиметър с радиус R и дължина L, ако дебитът и спадът на налягането могат да бъдат точно измерени, коефициентът на вискозитет се определя от уравнението на Поазей

Хемолиза на кръвта
Както си спомняме от курса по биология, хемолизата на кръвта е процесът на разрушаване на мембраната на еритроцитите. Когато червените кръвни клетки се разрушат, хемоглобинът се освобождава в кръвната плазма. Освен това, според концентрацията на свободни (

UDC 532.5:532.135

Л.В. Равичев, В.Я. Логинов, А. В. Беспалов

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ВИСКОЗИТЕТ НА СУСПЕНЗИИ НА СФЕРИЧНИ ЧАСТИЦИ

Проведено е изследване и е предложен математически модел за определяне на вискозитета на суспензии от сферични частици с диаметър от 30 до 800 микрона в концентрационен диапазон от 1 до 30% обемни с различен характер на тяхното разпределение по размер и при скорости на срязване от 0,1667 до 437,4 s"1.

Математически модел, полимер, вискозитет на суспензията L.V. Равичев, В.Й. Логинов, А.В. Беспалов ИЗСЛЕДВАНЕ НА ВИСКОЗИТЕТ НА СУСПЕНЗИИ НА СФЕРИЧНИ ЧАСТИЦИ

Проведени са изследвания и е предложен математически модел, който позволява да се изчисли вискозитетът на суспензиите на сферични частици с диаметър от 30 до 800 микрона в диапазон на концентрация от 1 до 30% обемни при различен характер на тяхното разпределение по размери и скорост. на изместване от 0,1667 до 437,4 s"1.

Математически модел, полимер, вискозитет на суспензии

За ефективно контролиране на процеса на обработка на концентрирани суспензии е необходимо да се знае зависимостта на вискозитета на такива суспензии от температурата, скоростта на срязване, концентрацията на пълнителя и разпределението на размера на частиците на пълнителя. В допълнение, експериментално е установено, че чрез промяна на фракционния състав на пълнителя е възможно значително да се увеличи общото пълнене на суспензията, като същевременно се поддържа нейният вискозитет на ниво, достатъчно за преработка в крайния продукт.

Съставът "полимер (сферични твърди частици) - глицерин ("инертна" суспензионна среда)" е използван като моделна маса за изследване и математическо моделиране на вискозитетните свойства на суспензиите. За изследване на реологичните свойства на полимерни суспензии в глицерол бяха избрани пет фракции от сферичен полимер с диаметър на частиците 30, 70, 150 ^ 200, 400 ^ 500, 700 ^ 800 микрона. Изследванията са проведени с помощта на ротационен вискозиметър "Reotest-2".

Вместо ефективен вискозитет n е по-удобно да се използва концепцията за относителния вискозитет Potn = C/Tsr, където wcr е вискозитетът на суспензионната среда.

Използването на относителен вискозитет позволява да се сравняват резултатите от експерименти, проведени при различни температури. Нека напишем уравнението за зависимостта на вискозитета на глицерола от температурата във формата:

Vcp = a -10-8 ■ exp ^b j, (1)

където коефициентите a = 1.07979, b = 6069.70 определят зависимостта на вискозитета на глицерина от температурата.

Системата от уравнения за математическото описание на вискозитетните свойства на суспензия от твърди частици в "инертна" среда може да бъде написана в общ вид, както следва:

P- I (Per, Kvz, Fm, F)’ Per - 1 (T) ’ K vz = 1 (]’¥) ’ Fm = 1 (yA¥, ■>) ’ (2)

където А е фракционният състав на пълнителя;) е скоростта на срязване; Kvz е коефициент, който отчита взаимодействието на твърдите частици със суспензионната среда и помежду си; d - диаметър на частиците; Т - температура; F - обемна концентрация на пълнител; Fm - максимална обемна концентрация на пълнител; n е ефективният вискозитет на суспензията; psr - ефективен вискозитет на суспензионната среда; - фактор на формата (за топка y = 1, за несферични частици

форми 0< 1^< 1).

Уравнението на Муни, предложено за изчисляване на вискозитета на концентрирани суспензии и даващо добро съответствие с експерименталните данни, е избрано като основно уравнение за изчисляване на вискозитета на системата „сферични твърди частици - „инертна“ суспензионна среда“:

P-PsR експ

Анализът на уравнението на Mooney показва, че вискозитетът на суспензиите до голяма степен се определя от максималната концентрация на Fm пълнителя. Колкото по-голяма е стойността на Fm, т.е. колкото по-плътно могат да бъдат опаковани частиците на суспензията, толкова по-малък вискозитет ще има цялата система при дадена концентрация F, или при по-високи концентрации на пълнителя суспензията ще запази способността си да тече. В тази връзка максималната концентрация на пълнителя Fm придобива фундаментално значение за характеризиране на технологичните качества на суспензията и прогнозиране на нейните реологични свойства.

Максималната концентрация на пълнител може да бъде изразена като порьозност на слоя, съдържащ същите частици и в същото съотношение като суспензията:

fm -1 ~£, (4)

където B е порьозността на слоя от суспензионни частици - съотношението на кухините в слоя, образуван от суспензионните частици, с тяхната най-плътна опаковка. Често се изразява чрез коефициента на порьозност n:

което е отношението на обема на кухините в слоя към обема на частиците.

Работата представя зависимости, които позволяват да се изчисли порьозността на полифракционна смес, ако са известни коефициентите на порьозност на фракциите yj, които съставляват полифракционната смес, еквивалентните диаметри на частиците на фракциите yr и обемната фракция на фракциите xr (фракционен състав):

yg+) „ % ■ (1 + 2%) % ■(3 + %)

Shch y, 'K": sch, ■ (1 + 2sch,) + (1 -sch,)2' Ki,' sch, ■ (3+ sch,) + (1 -schG (6)

A, = K„p’, = K2, ■ «, +1) -1, i = 1, 2, ..., M - 1, = 1, 2, ..., M - i

Az = E(x, ,), i = 2, 3, ..., M, (7)

A4 - 2 (X A2y-1), * = 1, 2, ..., M - 1, (8)

P - A3 + x* n° + A4, r = 1, 2, ..., M, (9)

Максималната стойност pg се приема като действителната стойност на коефициента на порьозност, което позволява, като се вземат предвид отношенията (5, 4), да се изчисли максималната

концентрация на пълнител.

На фиг. Фигура 1 показва зависимостта на относителния вискозитет на монофракционни суспензии на сферичен полимер от обемната концентрация на твърдата фаза. На фиг. Фигура 1 показва, че вискозитетът на суспензиите зависи не само от концентрацията на твърдата фаза, но и от диаметъра на частиците на суспензията и това се проявява най-ясно в областта на ниските скорости на срязване (фиг. 2). Рязко повишаване на вискозитета се наблюдава при суспензии, съдържащи частици с диаметър по-малък от 100 μm.

Di e 500 1 метър] 70; ; D- e1 част *> - 1700-80 ic: 50; □ 0 µm O o "* SP ■ 1- "7

Ориз. 1. Зависимост на относителния вискозитет на суспензии от сферични полимерни частици с различни диаметри от концентрацията на твърдата фаза. Скорост на срязване 1 s-1

Ориз. 2. Зависимост на относителния вискозитет на суспензии от сферични полимерни частици с различни диаметри от скоростта на срязване. Концентрация на суспензията 30 об.

Анализът на резултатите от нашите собствени експериментални изследвания и публикуваните експериментални данни на други изследователи показва, че относителният вискозитет на сферичните полимерни суспензии зависи не само от максималната концентрация на пълнителя, но значително зависи от размера на частиците и намалява рязко, когато диаметърът на частиците е по-малък над 100 микрона.

Преглед на литературни експериментални данни за стойността на порьозността и максималната концентрация на пълнител (различни материали: стомана, кварцов пясък, MaCl, стъкло, титанов диоксид, целулозен нитрат, пироколодий, титан; форма на частиците: сферична, цилиндрична, кубична, ъглова, остро- под ъгъл) показаха, че FM зависи от размера на частиците и намалява рязко, когато еквивалентният диаметър на частиците eq е по-малък от 100 μm (фиг. 3). За частици с диаметър над 100 микрона средната стойност на Fm е 0,614; за частици с диаметър по-малък от 100 микрона максималната концентрация на пълнител значително зависи от диаметъра на частиците.

Анализът на експерименталните данни (фиг. 3) показва, че тази зависимост се апроксимира добре с уравнение от вида

FM = Во + В1 + В2 ■ -ГГ ’ (10)

където B0 = 0,6137; Bx = - 4.970; B2 = 18,930.

Въз основа на резултатите от нашите собствени експериментални изследвания на вискозитета на моно- и полифракционни суспензии на сферичен полимер в глицерол, стойностите на Kvz бяха открити в диапазона на скоростта на срязване от 0,1667^437,4 s-1. Получените стойности на Kvz се вписват в една обобщаваща зависимост (фиг. 4). Характерно е, че екстраполация на получената зависимост

в областта на безкрайно малки скорости на срязване дава стойност на коефициента на взаимодействие, близка до 2,5. тези. до стойността, определена от Айнщайн.

^(Eq), µm

Ориз. 3. Зависимост на максималната концентрация на пълнителя от еквивалентния диаметър

Ориз. 4. Зависимост на коефициента на взаимодействие от скоростта на срязване

Di e 500 meter] ■70; ; D-"s part O- 1 700-80 ic: 50; □ 0 µm) 30; - 40

Диаметри на частиците: C80; n>- 70! A 160: n - 400- :

5(Yu; d- 700-80) микрона

Ориз. 5. Зависимост на относителния вискозитет на суспензии от сферични полимерни частици с различни диаметри от скоростта на срязване. Концентрация на суспензията 30 об. Дадени са експериментални точки. Пунктирана линия - изчисление с помощта на модела

Ориз. 6. Зависимост на относителния вискозитет на трифракционни суспензии на сферичен полимер от скоростта на срязване. Концентрация - 30% об. Дадени са експериментални точки. Пунктирана линия - изчисление с помощта на модела

Зависимостта Kvz = /(/£(/)) е добре апроксимирана с уравнение от вида:

Kvz = a + ax + ax2 + ax3,

където x = ^(]); a0 = 2,344; a1 = 0,290; а2 = 0,204; а3 = 0,067.

Така крайната система от уравнения за математическото описание на вискозитетните свойства на суспензия от сферични частици приема формата:

където m е броят на фракциите на частиците на пълнителя.

Сравнението на експерименталните и изчислените стойности на вискозитета на суспензии от моно- и полифракционни суспензии на сферични полимерни частици в глицерол показва тяхното добро съответствие (фиг. 5, 6).

Трябва да се отбележи, че полученият модел дава възможност да се изчисли вискозитета на суспензиите не само в случай, когато пълнителят е сферични частици, но и когато пълнителят е частици с неправилна форма. В този случай се изчислява еквивалентният диаметър на частицата, който се определя като диаметър на сфера със същия обем като дадената частица.

Разработеният математически модел позволява да се изчисли вискозитета на суспензии, съдържащи сферични частици с различни фракционни състави (диаметър от 30 до 800 μm), в широк диапазон от скорости на срязване (от 0,1667 до 437,4 s-1) и концентрации на твърди частици от От 1 до 30% около. с различно естество на размерното им разпределение.

1. Mooney M. Вискозитетът на концентрирани суспензии от сферични частици // Journal of Colloid Science. 1951. Т.6. № 2. Р.162.

2. Smith T.L., Bruce C.A. Вискозитетът на концентрираните суспензии // J. Colloid and Interface Sci.1979.V.72. номер 1. стр.13.

3. Wickovsci A., Strk F. Porovatosc cial sypkich. Mieszaniny wieloskladnikowe // Cem. сто-сея. A. 1966. 4B. С. 431-447.

4. Равичев Л.В., Логинов В.Я., Беспалов А.В. Моделиране на вискозитетните свойства на концентрираните суспензии // Теоретични основи на химическата технология.. 2008. T.42. № 3. стр. 326-335.

5. Einstein A. Uber die von der molekularkinetischen Theorie der Warme geforderte

Bewegung von in ruhenden Flussigkeiten suspendierten Teilchen // Annalen der Physik. 1905, 322 (8). P.549-560.

Равичев Леонид Владимирович -

Кандидат на техническите науки, доцент в катедрата по управление на технологичните иновации на Руския химико-технологичен университет. Д. И. Менделеев

Логинов Владимир Яковлевич -

Кандидат на техническите науки, програмист на отдела за лицензиране и акредитация на образователни програми на Руския химико-технологичен университет им. DI. Менделеев

Беспалов Александър Валентинович -

Доктор на техническите науки, професор в катедрата по обща химическа технология на Руския химикотехнологичен университет. DI. Менделеев

Смеси, състоящи се от едно вещество под формата на малки твърди, течни или газообразни частици, диспергирани произволно в друго течно вещество, са доста често срещани в природата и в индустрията. Терминът "суспензия" обикновено се отнася до система от малки твърди частици в течност, въпреки че от динамична гледна точка природата на двете среди е от малко значение и ние ще използваме термина и за система от твърди частици в газ, система от капчици от една течност, диспергирани или в течност (емулсия), или в газ, и система от газови мехурчета в течност. Ще бъде интересно да разберем как ще се държат такива окачвания, когато границите се движат и се прилагат сили. Ако характерната дължина на мащаба на движение на суспензията е голяма в сравнение със средното разстояние между частиците и ще приемем, че това е така, тогава суспензията може да се разглежда като хомогенна течност с механични свойства,

различни от свойствата на околната течност, в която са суспендирани тези частици. Хаотичното разпределение на сферичните частици няма никакво свойство, което да зависи от посоката на движение в средата (частици с форма на дълги пръти могат да създадат такива свойства поради тенденцията им да лежат в определена посока спрямо локалното разпределение на скоростта, въпреки че Браунов движението на суспендираните частици има тенденция да елиминира всяка такава преференциална посока). Следователно, ако заобикалящата среда е „нютонова“ хомогенна течност, тогава еквивалентната суспензия от приблизително сферични частици също е нютонова и се характеризира с вискозитет на срязване (и вероятно също с обемен вискозитет).

В този раздел ще определим ефективния вискозитет на несвиваем флуид, съдържащ суспендирани частици с толкова малки линейни размери, че а) не се взема предвид влиянието на гравитацията и инерцията върху движението на частицата (следователно частицата локално се движи заедно със заобикалящата го течност) и б) числото на Рейнолдс на смутеното движение, възникващо поради наличието на една частица, е малко в сравнение с единица. За по-голяма простота ще приемем, че частиците имат сферична форма; в случай на течни или газообразни частици с малък радиус, повърхностното напрежение има тенденция да поддържа частиците сферични въпреки деформиращия ефект от движението на течността, така че допускането на формата е необходимо само за твърди частици. И накрая, ще приемем, че суспензиите са толкова разредени, че средното разстояние между частиците е голямо в сравнение с техните линейни размери.

При тези условия основното движение на заобикалящия флуид, върху което се наслагва смущеният поток, създаден от присъствието на една частица в него, може да се счита, че се състои от хомогенни транслационни, ротационни и чисто деформационни движения. Частицата се движи транслационно и се върти заедно със заобикалящата я течност, така че смущението е свързано само с чисто деформационно движение (срязване). Нарушаването на деформационното движение, произтичащо от частицата, изглежда неизбежно придружено от увеличаване на общата скорост на разсейване и ефективният вискозитет на суспензията (на срязване или насипно състояние) трябва да бъде по-голям от вискозитета на заобикалящия флуид; По-късно ще се уверим, че това е точно така.

Като начало приемаме, че частиците са несвиваеми, така че суспензията също се държи като несвиваема среда и трябва да се определи само ефективната стойност на коефициента на вискозитет на срязване. Това изисква изрично представяне на смущения поток, генериран от единична несвиваема частица, и следователно разглеждаме съответния проблем на потока с незначителни инерционни сили.

Изобретението може да се използва в производството на двуалуминиев оксид, хидрометалургичното производство, минната промишленост и др. Методът се състои в измерване на вискозитета на течната фаза μ l и суспензията μ c при различни скорости на срязване S i и наблюдаване на температурен контрол на най-малко три суспензии от различни твърди съдържания (1-ε). Графично начертаване на функционалните зависимости μ Жi =ft и μ ci =fS i , (1-ε), определяне на коефициенти, стойности на твърдо съдържание (1-ε), както и стойности на вискозитет μ сi според установеното уравнение. Техническият резултат от изобретението е повишаване на точността на измерванията. 2 ил., 1 табл.

Изобретението се отнася до методи за определяне на вискозитета и реологичните характеристики на нютонови и ненютонови течни среди - суспензии и може да се използва в производството на алуминиев оксид, хидрометалургичното производство, минната промишленост и др.

Известен е метод за измерване на вискозитета на течна среда съгласно авторско свидетелство на СССР № 371478, който се състои в последователно преминаване на течността през две капилярни тръби с еднакъв диаметър, но с различна дължина, измерване на спада на налягането и течността. дебит, от който се изчислява стойността на вискозитета. Този метод може да определи само вискозитета на транспортираната среда, без да измерва скоростта на срязване, което влияе върху стойността на вискозитета.

По-напреднал от разгледания по-горе е методът за определяне на реологичните характеристики на вископластични среди съгласно авторско свидетелство на СССР № 520537 на 3-канален капилярен вискозиметър чрез изпомпване на изпитваната среда през три различни капилярни системи, оборудвани с капилярни тръби от различни дължини и диаметри, измервайки спада на налягането по дължината на капиляра със същия диаметър и дебит на флуида.

Този метод позволява, като се използват три паралелни измервания, да се изчислят загубите на главата на триене в капилярни тръби с различни дължини и диаметри и от тези данни да се определят стойностите на вискозитета на изследваната среда и напрежението на срязване.

Недостатъци на метода: обемността на устройството, необходимостта от оборудване на вискозиметъра с допълнителна система за подаване на изследваната среда и неизбежни грешки в измерванията, свързани със загубата на налягане на входа на всяка капиляра. В случай на провеждане на изследвания върху разредени водни суспензии с бързо отделяща се твърда фаза при ламинарен поток, утайката може да се отложи върху хоризонтални капилярни тръби, което ще доведе до допълнителни грешки в измерванията.

Известен е по-прост метод за определяне на вискозитета на суспензиите [A.N. Planovsky, V.N. Ramm, S.Z. Kagan. Процеси и апарати на химичната технология. Госхимиздат, М., 1962, с. 294], включително измерване на вискозитета на течната фаза, съответстваща на температурата на суспензията, и съдържанието на твърдо вещество в суспензията, при което вискозитетът на суспензията се определя от емпиричното уравнение:

μ c = μ w,

където μ l е коефициентът на вискозитет на течната фаза, cP,

ε е делът на течната фаза на единица обем суспензия, единици единици,

4,5 - коефициент на намаление.

Основният недостатък на този метод е, че не отчита влиянието на скоростта на движение на окачването. За нютоновите течни среди с увеличаване на скоростта на движение стойността на коефициента μ c се увеличава, а в ненютоновите течни среди, напротив, намалява. Следователно горното уравнение не е подходящо за определяне на коефициента на вискозитет на суспензии, в които при движение - смесване или изпомпване - се появява тиксотропията, присъща на ненютоновите среди.

Последният от разгледаните методи, като най-близък по същество до заявения, е приет за прототип.

Целта на изобретението е да се вземе предвид скоростта на срязване на суспензията при определяне на нейния вискозитет с помощта на стандартен вискозиметър, който може да измерва скоростта на срязване и да термостатира разбъркваната суспензия, което ще подобри точността на определяне на вискозитета на суспензията.

Техническият резултат се постига чрез факта, че методът за определяне на вискозитета на суспензията включва измерване на вискозитета на течната фаза μ l и суспензията μ c при различни скорости на срязване S i и поддържане на термостатичен контрол за най-малко три суспензии от различни твърдо съдържание (1-ε), графично конструиране на функционални зависимости μ Жi =ft и μ ci =fS i, (1-ε), определяне на коефициентите на стойността на твърдото съдържание (1-ε) и стойностите на вискозитета μ ci според уравнението:

където t е температурата на суспензията, °C,

Коефициент, който отчита влиянието на относителната скорост на срязване и съдържанието на твърдо вещество върху промяната в структурата на суспензията и (1-ε),

K t - температурен коефициент (K t =1 при t≤60°C, K t =1,07 при t=61-90°C),

K OS - коефициент на редукция (K OS ≠1,10).

Изследванията на реологичните характеристики на суспензиите бяха извършени на ротационен вискозиметър Brookfield system (Brookfield 2005 Catalog. Viscometers, Rheometers; Texture Analyzers for Laboratory and Process Applications). На това устройство вискозитетът се определя чрез измерване на въртящия момент, който възниква върху вала на шпиндела, потопен в изпитваната среда - окачването. По време на измерванията можете да промените скоростта на въртене на шпиндела (n sp), като превключите превключвателя и също така да изберете диаметъра на шпиндела (d sp). Суспензията се поставя в термостатирана чаша с малко по-голям диаметър (D st) и при необходимост се разбърква в чашата с магнитна бъркалка. Скоростта на шпиндела се преобразува в скорост на срязване (S) по формулата:

където r sp, R st са радиусите съответно на шпиндела и стъклото.

За да се определят коефициентите, включени в уравнението за определяне на вискозитета, се извършват измервания при промяна на параметрите на суспензията: съдържание на твърдо вещество T/L или (1-ε), μ течност и температура t, както и S (най-малко 3 измервания на всеки параметър).

Използвайки примера на суспензии от червена кал с T/F=1,2; 1.0; 0,5 и 0,33 (1-ε = 0,257; 0,224; 0,126 и 0,087, съответно), и концентрацията на разтвора на Na 2 O = 2,5 g/l и Al 2 O 3 = 2 g/l, термостатирани при t = 25-60 °С и 90°С (μ течност = съответно 0,7 и 0,4) Коефициентите на динамичен вискозитет μ ci са измерени на ротационен вискозиметър при скорост на срязване S = 0,8-1,61-4 s -1 (режимът съответства на движението на суспензията в сгъстителя), S = 8,05-16,6-34,7 s -1 (при смесване във верижни смесители) и S = ​​80,8-159 s -1   (с хидравличен транспорт в тръба).

Резултатите от измерването μ ci са представени на фиг. 1 под формата на функционална зависимост μ ci =fT/F за горните стойности на Si, t и μ F:

S=0,8-4 s -1, крива 1 (t≤60°C), крива 2 (t=90°C),

S=8.05-34.7 s -1, крива 3 (t≤60°C), крива 4 (t=90°C),

S=80.8-159 s -1, крива 5 (t≤60°C), крива 6 (t=90°C).

За да се намерят междинни стойности на коефициентите K S, е построена графика на фиг. 2 на зависимостта K S = fS според табличните данни за:

1. T/F=1,2 или (1-ε)=0,257,

4. 0,33 (0,087).

Пригодността на уравнението с помощта на коефициентите на таблицата беше проверена с помощта на примера за изчисление по-долу.

Пример. В суспензия от червена кал вискозитетът μ C = 3000 cP се измерва на ротационен вискозиметър при скорост на срязване S = 1,61 s -1, съдържанието на твърдо вещество T/L = 0,33 или (1-ε) = 0,087 и концентрацията на разтворът (течна фаза), за който стойността μ l =0,7 при температура 25°C. Замествайки стойностите на коефициентите от таблицата, съответстващи на условията на измерване, определяме изчислената стойност на вискозитета на тази суспензия съгласно предложеното по-горе уравнение:

μ ci =0,7·(1+0,087·14 4,12·1)=0,7+0,061·14 4,12;

log(μ ci -0.7)=log0.061+4.12·lg14=-1.215+4.12·1.146=-1.215+4.72=3.505;

μ ci =0,7+3200=3200,7 cP.

Според вискозиметъра μ c = 3000 cP. Следователно относителната грешка при измерване ще бъде:

Δ max =(3200,7-3000)·100/3000=6,69%.

За по-гъста суспензия с T/F = 1,2, измерената стойност на вискозитета, при равни други условия, е 12000 cP, а изчислената стойност е 12284 cP, за която Δ min = 2,37%.

По този начин грешката на изчислението според уравнението беше в диапазона 2,4-6,7%, което е напълно приемливо при измерване на този тип суспензия с ротационен вискозиметър.

Метод за определяне на вискозитета на суспензия, включващ измерване на вискозитета на течната фаза μ l и суспензията μ c при различни скорости на срязване S i и поддържане на термостатичен контрол за най-малко три суспензии с различно твърдо съдържание (1-ε), графично начертаване на функционалните зависимости μ течност = ft и μ ci =fS i , (1-ε), определяне на коефициентите , стойности на твърдо съдържание (1-ε) и стойности на вискозитет μ ci съгласно уравнението

където t е температурата на суспензията;

Коефициент, отчитащ влиянието на относителната скорост на срязване и съдържанието на твърдо вещество върху промените в структурата на суспензията и (1-ε);

K t - температурен коефициент (K t =1 при t≤60°C, K t =1,07 при t=61-90°C),

Изобретението може да се използва в производството на двуалуминиев оксид, хидрометалургичното производство, минната промишленост и др. Методът се състои в измерване на вискозитета на течната фаза l и суспензията c при различни скорости на срязване S i и наблюдаване на температурен контрол за най-малко три суспензии от различно твърдо вещество съдържание (1 -). Извършва се графично начертаване на функционалните зависимости, zhi =ft и ci =fS i, (1-), определяне на коефициентите , стойности на съдържанието на твърдо вещество (1-), както и стойности на вискозитет ci според установеното уравнение. Техническият резултат от изобретението е повишаване на точността на измерванията. 2 ил., 1 табл.

Чертежи за RF патент 2343452

Изобретението се отнася до методи за определяне на вискозитета и реологичните характеристики на нютонови и ненютонови течни среди - суспензии и може да се използва в производството на алуминиев оксид, хидрометалургичното производство, минната промишленост и др.

Известен е метод за измерване на вискозитета на течна среда съгласно авторско свидетелство на СССР № 371478, който се състои в последователно преминаване на течността през две капилярни тръби с еднакъв диаметър, но с различна дължина, измерване на спада на налягането и течността. дебит, от който се изчислява стойността на вискозитета. Този метод може да определи само вискозитета на транспортираната среда, без да измерва скоростта на срязване, което влияе върху стойността на вискозитета.

По-напреднал от разгледания по-горе е методът за определяне на реологичните характеристики на вископластични среди съгласно авторско свидетелство на СССР № 520537 на 3-канален капилярен вискозиметър чрез изпомпване на изпитваната среда през три различни капилярни системи, оборудвани с капилярни тръби от различни дължини и диаметри, измервайки спада на налягането по дължината на капиляра със същия диаметър и дебит на флуида.

Този метод позволява, като се използват три паралелни измервания, да се изчислят загубите на главата на триене в капилярни тръби с различни дължини и диаметри и от тези данни да се определят стойностите на вискозитета на изследваната среда и напрежението на срязване.

Недостатъци на метода: обемността на устройството, необходимостта от оборудване на вискозиметъра с допълнителна система за подаване на изследваната среда и неизбежни грешки в измерванията, свързани със загубата на налягане на входа на всяка капиляра. В случай на провеждане на изследвания върху разредени водни суспензии с бързо отделяща се твърда фаза при ламинарен поток, утайката може да се отложи върху хоризонтални капилярни тръби, което ще доведе до допълнителни грешки в измерванията.

Известен е по-прост метод за определяне на вискозитета на суспензиите [A.N. Planovsky, V.N. Ramm, S.Z. Kagan. Процеси и апарати на химичната технология. Госхимиздат, М., 1962, с. 294], включително измерване на вискозитета на течната фаза, съответстваща на температурата на суспензията, и съдържанието на твърдо вещество в суспензията, при което вискозитетът на суспензията се определя от емпиричното уравнение:

C = w,

където w е коефициентът на вискозитет на течната фаза, cP,

Делът на течната фаза на единица обем на суспензията, единици,

4,5 - коефициент на намаление.

Основният недостатък на този метод е, че не отчита влиянието на скоростта на движение на окачването. За нютоновите течни среди с увеличаване на скоростта на движение стойността на коефициента c се увеличава, а за ненютоновите течни среди, напротив, намалява. Следователно горното уравнение не е подходящо за определяне на коефициента на вискозитет на суспензии, в които при движение - смесване или изпомпване - се появява тиксотропията, присъща на ненютоновите среди.

Последният от разгледаните методи, като най-близък по същество до заявения, е приет за прототип.

Целта на изобретението е да се вземе предвид скоростта на срязване на суспензията при определяне на нейния вискозитет с помощта на стандартен вискозиметър, който може да измерва скоростта на срязване и да термостатира разбъркваната суспензия, което ще подобри точността на определяне на вискозитета на суспензията.

Техническият резултат се постига чрез факта, че методът за определяне на вискозитета на суспензията включва измерване на вискозитета на течната фаза l и суспензията c при различни скорости на срязване S i и поддържане на температурен контрол за най-малко три суспензии с различно твърдо съдържание ( 1-), графично начертаване на функционалните зависимости l i =ft и ci =fS i , (1-), определяне на коефициентите на стойността на твърдото съдържание (1-) и стойностите на вискозитета ci съгласно уравнението:

където t е температурата на суспензията, °C,

Коефициент, който отчита влиянието на относителната скорост на срязване и съдържанието на твърдо вещество върху промяната в структурата на суспензията и (1-),

K t - температурен коефициент (K t =1 при t 60°C, K t =1,07 при t=61-90°C),

K OS - коефициент на намаление (K OS 1, 10).

Изследванията на реологичните характеристики на суспензиите бяха извършени на ротационен вискозиметър Brookfield system (Brookfield 2005 Catalog. Viscometers, Rheometers; Texture Analyzers for Laboratory and Process Applications). На това устройство вискозитетът се определя чрез измерване на въртящия момент, който възниква върху вала на шпиндела, потопен в изпитваната среда - окачването. По време на измерванията можете да промените скоростта на въртене на шпиндела (n sp), като превключите превключвателя и също така да изберете диаметъра на шпиндела (d sp). Суспензията се поставя в термостатирана чаша с малко по-голям диаметър (D st) и при необходимост се разбърква в чашата с магнитна бъркалка. Скоростта на шпиндела се преобразува в скорост на срязване (S) по формулата:

където r sp, R st са радиусите съответно на шпиндела и стъклото.

За определяне на коефициентите, включени в уравнението за определяне на вискозитета, се извършват измервания при промяна на параметрите на суспензията: съдържание на твърдо вещество T/L или (1-), l и температура t, както и S (най-малко 3 измервания на всяко параметър).

Използвайки примера на суспензии от червена кал с T/F=1,2; 1.0; 0,5 и 0,33 (1- =0,257; 0,224; 0,126 и 0,087, съответно) и концентрацията на разтвора на Na 2 O = 2,5 g/l и Al 2 O 3 = 2 g/l, термостатирани при t = 25-60° C и 90°C (w =0,7 и 0,4, съответно), динамичните коефициенти на вискозитет ci бяха измерени на ротационен вискозиметър при скорости на срязване S = 0,8-1,61-4 s -1 (режимът съответства на движението на суспензията в сгъстителя) , S = 8,05-16,6-34,7 s -1 (при смесване във верижни смесители) и S = ​​80,8-159 s -1 (с хидравличен транспорт в тръба).

Резултатите от измерването ci са представени на фигура 1 под формата на функционална зависимост ci =fT/W за горните стойности на Si, t и x:

S=0.8-4 s -1, крива 1 (t 60°C), крива 2 (t=90°C),

S=8.05-34.7 s -1, крива 3 (t 60°C), крива 4 (t=90°C),

S=80.8-159 s -1, крива 5 (t 60°C), крива 6 (t=90°C).

За да се намерят междинни стойности на коефициентите K S, е построена графика на фиг. 2 на зависимостта K S = fS според табличните данни за:

1. T/F=1,2 или (1-)=0,257,

4. 0,33 (0,087).

Пригодността на уравнението с помощта на коефициентите на таблицата беше проверена с помощта на примера за изчисление по-долу.

Пример. В суспензия от червена кал вискозитетът C = 3000 cP се измерва на ротационен вискозиметър при скорост на срязване S = 1,61 s -1, съдържанието на твърдо вещество T/L = 0,33 или (1-) = 0,087 и концентрацията на разтвора (течна фаза) бяха определени., за които стойността x = 0.7 при температура 25°C. Замествайки стойностите на коефициентите от таблицата, съответстващи на условията на измерване, ние определяме изчислената стойност на вискозитета на тази суспензия, като използваме уравнението, предложено по-горе.