СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЩЕЛОЧНО-АЛЮМИНАТНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N11/00 

Изобретение относится к способам определения реологических характеристик жидкостей и может быть использовано в глиноземном производстве, химической отрасли промышленности и др.

Известен способ экспрессного определения вязкости керосинов и дизельного топлива (патент №2263301, RU) путем измерения плотности топлива ρ_т при t=20°C и последующего расчета вязкости по эмпирической формуле, выведенной по результатам замеров на капиллярном вискозиметре. Недостатком способа является отсутствие учета скорости сдвига, влияющей на точность измерений.

Известен способ по патенту №2091757 RU, основанный на пропуске жидкости через капиллярную трубку с замерами изменяемых уровней в расходной емкости и времени истечения и затем расчете по эмпирической формуле величины вязкости через потерю гидростатического напора на трение. Этот способ также не учитывает скорость сдвига, влияющую на точность измерений.

Известен способ определения кинематической вязкости жидкостей, в частности нефтепродуктов (ГОСТ 33-2000. Изд-во стандартов, 201, с.19), по измерению времени истечения определенного объема термостатированной жидкости под воздействием силы тяжести через калиброванный стеклянный капиллярный вискозиметр и затем расчету величины вязкости по формуле:

ν=С·τ, мм²/сек,

где ν - величина вязкости;

С - калибровочная постоянная вискозиметра, мм²/сек;

τ - время замера истечения жидкости, сек;

температура измерения t=20°С.

Основным недостатком данного способа является отсутствие привязки определяемых значений вязкости к скорости перемещения в капилляре или скорости сдвига S, сек^-1, что сказывается на точности измерений. В соответствии с законом Ньютона при обеспечении ламинарного течения жидкости через сечение, перпендикулярное вектору скорости перемещения, определяемое значение вязкости должно соответствовать S→S_о=0.

Этот способ принят за прототип.

Задачей изобретения является учет скорости сдвига раствора при определении вязкости, что позволит повысить точность определения вязкости.

Технический результат достигается тем, что в способе определения вязкости щелочно-алюминатных растворов, включающем измерение коэффициента вязкости раствора не менее чем тремя капиллярными вискозиметрами с разной площадью сечения капиллярных трубок F_кап при соблюдении ламинарного течения раствора и термостатирования к точкам, соответствующим той или иной площади сечения капиллярных трубок, проводят касательные, которые с горизонтальной прямой образуют углы α_i, величины тангенса угла α_i между касательной и горизонтальной прямой в этих точках будут соответствовать скорости сдвига перемещаемых слоев раствора S_i, а вязкость щелочно-алюминатных растворов ν₀, соответствующую скорости сдвига S_о=0, рассчитывают по формуле:

,

и принимают как среднее значение из выполненных измерений, которому на графике будет соответствовать точка пересечения кривой с осью ординат.

Поясняем эффективность способа на примере двух щелочно-алюминатных растворов разной концентрации Al₂O₃ и Na₂O и с известными справочными данными по вязкости. В данных растворах и для сравнения на воде при термостатировании были определены значения вязкости на трех вискозиметрах типа ВПЖ-1 с разными диаметрами капиллярных трубок (d_кап).

Результаты замеров времени истечения τ_ср, а также расчета Re, F_кап и др. параметров приведены в таблице.

Таблица
Экспериментальные и расчетные данные определения μ_ж воды и щелочно-алюминатных растворов при различных значениях SРазмеры капилляраИстечение жидкостиtgα=S_i (см. чертеж), сек^-1Вязкость жидкостейпо ВПЖ-1 (ν_i), мм²/секРасчетная по формулеμ_ж по справочнику, сП (сСт)ν пр графикам Фиг.1, сСтd_кал, ^ммF_кал,
мм²τ_ср, сек мм/секRe(ν_i), мм²/сек(μ), сПа) Жидкая фаза - вода (t=20°C, μ_ж=1 г/см³)2,13,462,57366720,82,0    1,161,0612,55345160,21,2    0,540,23841588501,01,031,031,007*1,0б) Алюминатный раствор (Al₂O₃=40,3 г/л, Na₂O=79,5 г/л, t=30°C, ρ_ж=1,11 г/см³)2,13,462,28378740,72,01    0,860,583,13542600,11,23    0,540,23100133601,151,151,281,65*1,15         (1,49) в) Алюминатный раствор (Al₂O₃=119,2 г/л, Na₂O=232,5 г/л, t=30°C, ρ_ж=1,31 г/см³)3,7511,040,827062981,08,87    2,93,465,13611630,154,7  8,08*4,25     0 4,265,58(6,17) *Справочник металлурга по ЦМ "Производство глинозема", 1970, с.54-55.

Как видно из приведенных данных, ламинарное течение потока во всех опытах соблюдалось Re=6÷874.

По полученным данным были построены функциональные зависимости ν_i=fF_капi, см. чертеж (кр.1 - вода, кр.2 - щелочно-алюминатный раствор слабой концентрации, кр.3 - щелочно-алюминатный раствор более крепкой концентрации). К точкам, соответствующим той или иной площади стечения капиллярных трубок, проведены касательные, которые с горизонтальной прямой образуют углы α_i (показаны лишь на третьей кривой). Величины tgα_i в этих точках будет соответствовать скорости сдвига S_i. Зная S_i (см.Таблицу, графа 6), определяем по формуле кинематическую вязкость ν_o, соответствующую скорости сдвига S_o=0.

На примере слабого щелочно-алюминатного раствора (ρ_ж=1,11 г/см³) рассчитаем значения ν_o, которые составили:

для 1-го измерения

2-го измерения

3-го измерения

Фактическое расчетное значение кинематической вязкости принимаем, как среднее из выполненных трех измерений а в пересчете на динамическую вязкость μ_оср составит:

μ_оср=ν_ocp·ρ_ж=1,15·1,11=1,28 сП.

Аналогично были подсчитаны соответствующие вязкости для воды (ρ=1 г/см³), ν_ов=1,03 сСт (μ_ов=1,03 сП) и более крепкого раствора (ρ_р=1,31 г/см³) - ν_cp=4,26 сСт (μ_ор=5,58 сП).

Сравнение экспериментальных значений ν_o, найденных по графику, на пересечении кривых ν_i=fF_кап с осью ординат и рассчитанных по формуле, свидетельствует о небольшом их расхождении. В то же время справочные значения вязкости данных двух растворов - 1,65 сП (1,49 сСт) для слабого раствора и 8,07 сП (6,17 сСт) для крепкого расходятся с экспериментальными существенно. На соответствующих кривых чертежа они занимают промежуточное положение. Это значит, что при их определении применялся капилляр на 1-м растворе мм, на 2-м d_кап=3 мм. Разница в определении вязкостей в первом случае составила 1,49-1,15=0,34 сСт (относительная погрешность 23%), во втором 6,17-4,75=1,92 сСт (30%).

Таким образом, заявляемый способ определения вязкости растворов позволяет повысить точность измерений, а это значит, что при расчетах приводов сгустителей, мешалок, гидротранспорта появится возможность устанавливать более экономичный электропривод.

Изобретение может быть использовано в глиноземном производстве, химической отрасли промышленности и др. Способ включает измерение коэффициента вязкости раствора не менее чем тремя капиллярными вискозиметрами с разной площадью сечения капиллярных трубок при соблюдении ламинарного течения раствора и термостатирования. При этом способ учитывает скорость сдвига раствора. Вязкость щелочно-алюминатных растворов, соответствующую скорости сдвига S_o=0, рассчитывают по установленной формуле. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения. 1 ил., 1 табл.

Способ определения вязкости щелочно-алюминатных растворов, включающий измерение коэффициента вязкости раствора не менее чем тремя капиллярными вискозиметрами с разной площадью сечения капиллярных трубок F_кап при соблюдении ламинарного течения раствора и термостатирования, на основании измерений строят функциональную зависимость ν_i=fF_капi к точкам, соответствующим той или иной площади сечения капиллярных трубок, проводят касательные, которые с горизонтальной прямой образуют углы α_i, величины тангенса угла α_i между касательной и горизонтальной прямой в этих точках будут соответствовать скорости сдвига перемещаемых слоев раствора S_i, а вязкость щелочно-алюминатных растворов v₀, соответствующую скорости сдвига S_o=0, рассчитывают по формуле

и принимают как среднее значение из выполненных измерений, которому на графике будет соответствовать точка пересечения кривой с осью ординат.