СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ СУСПЕНЗИЙ Российский патент 2009 года по МПК G01N11/14 

Изобретение относится к способам определения вязкости и реологических характеристик ньютоновских и неньютоновских жидких сред - суспензий и может быть использовано в глиноземном производстве, гидрометаллургических производствах, горнодобывающей промышленности и др.

Известен способ измерения вязкости жидкой среды по авторскому свидетельству СССР № 371478, заключающийся в последовательном прохождении жидкости через две капиллярные трубки одинакового диаметра, но разной длины, замере перепада давления и расхода жидкости, по которым рассчитывают величину вязкости. Данным способом можно определить лишь вязкость перемещаемой среды без замера скорости сдвига, оказывающей влияние на величину вязкости.

Более совершенным по отношению к рассмотренному выше является способ определения реологических характеристик вязкопластичных сред по авторскому свидетельству СССР № 520537 на 3-канальном капиллярном вискозиметре путем прокачивания исследуемой среды через три разные системы капилляров, оснащенных капиллярными трубками разной длины и диаметра, с измерением перепада давлений по длине капилляра одного диаметра и расхода жидкости.

Этот способ позволяет по трем параллельным замерам рассчитать потери напора на трение в капиллярных трубках разной длины и диаметра и по этим данным определить значения вязкости исследуемой среды и напряжение сдвига.

Недостатки способа: громоздкость устройства, необходимость оснастки вискозиметра дополнительной системой подачи исследуемой среды, неизбежны погрешности в измерениях, связанные с потерей давления на входе в каждый капилляр. В случае проведения исследований на разбавленных водных суспензиях с быстрорасслаивающейся твердой фазой при ламинарном течении возможно отложение осадка на горизонтальных капиллярных трубках, что приведет к дополнительным погрешностям при измерениях.

Известен более простой способ определения вязкости суспензий [А.Н.Плановский, В.Н.Рамм, С.З.Каган. Процессы и аппараты химической технологии. Госхимиздат, М., 1962, с. 294], включающий измерение вязкости жидкой фазы, соответствующей температуре суспензии, и содержания твердого в суспензии, в котором вязкость суспензии определяют по эмпирическому уравнению:

μ_с=μ_ж[1+4,5(1-ε)],

где μ_ж - коэффициент вязкости жидкой фазы, сП,

ε - доля жидкой фазы в единице объема суспензии, д.е.,

4,5 - коэффициент приведения.

Основной недостаток способа состоит в том, что в нем не учитывается влияние скорости перемещения суспензии. Для ньютоновских жидких сред по мере увеличения скорости перемещения значение коэффициента μ_с повышается, а на неньютоновских, наоборот, - понижается. Поэтому приведенное уравнение не пригодно для определения коэффициента вязкости суспензий, в которых при их перемещении - перемешивании или перекачивании - проявляется тиксотропность, присущая неньютоновским средам.

Последний из рассмотренных способов, как наиболее близкий по существу к заявляемому, принят за прототип.

Задачей изобретения является учет скорости сдвига суспензии при определении ее вязкости с использованием стандартного вискозиметра, на котором возможен замер скорости сдвига и термостатирование перемешиваемой суспензии, что позволит повысить точность определения вязкости суспензии.

Технический результат достигается тем, что способ определения вязкости суспензии включает измерение вязкости жидкой фазы μ_ж и суспензии μ_с при различных скоростях сдвига S_i и соблюдении термостатирования не менее чем на трех суспензиях различного содержания твердого (1-ε), графическое построение функциональных зависимостей μ_жi=ft и μ_ci=fS_i, (1-ε), определение коэффициентов значения содержания твердого (1-ε) и значений вязкости μ_ci по уравнению:

где t - температура суспензии, °С,

- коэффициент, учитывающий влияние относительной скорости сдвига и содержания твердого на изменение структуры суспензии и (1-ε),

K_t - температурный коэффициент (K_t=1 при t≤60°С, K_t=1,07 при t=61-90°С),

K_ОС - коэффициент приведения (К_ОС≠1, 10).

Исследования реологических характеристик суспензий проводились на ротационном вискозиметре системы Брукфилд (Brookfield 2005 Catalog. Viscometers, Rheometers; Texture Analyzers for Laboratory and Process Applications). На данном приборе вязкость определяется через измерение крутящего момента, который возникает на валу шпинделя, погруженного в исследуемую среду - суспензию. Во время измерений можно менять частоту вращения шпинделя (n_шп) посредством переключения тумблера, а также подбирать диаметр шпинделя (d_шп). Суспензия помещается в термостатированный стакан несколько большего диаметра (D_ст) и при необходимости перемешивается в стакане магнитной мешалкой. Частота вращения шпинделя пересчитывается в скорость сдвига (S) по формуле:

где r_шп, R_ст - радиусы шпинделя и стакана соответственно.

Для определения коэффициентов, входящих в уравнение определения вязкости, замеры выполняются при изменении параметров суспензии: содержания твердого Т/Ж или (1-ε), μ_ж и температуры t, а также S (не менее 3-х замеров на каждом параметре).

На примере суспензий красного шлама с Т/Ж=1,2; 1,0; 0,5 и 0,33 (1-ε=0,257; 0,224; 0,126 и 0,087 соответственно), и концентрацией раствора по Na₂O=2,5 г/л и Al₂О₃=2 г/л, термостатированных при t=25-60°С и 90°С (μ_ж=0,7 и 0,4 соответственно) были измерены на ротационном вискозиметре коэффициенты динамической вязкости μ_ci при скоростях сдвига S=0,8-1,61-4 с^-1 (режим соответствует перемещению суспензии в сгустителе), S=8,05-16,6-34,7 с^-1 (при перемешивании в цепных мешалках) и S=80,8-159 с^-1 _{(при гидротранспорте в трубе).}

Результаты измерений μ_ci представлены на фиг.1 в виде функциональной зависимости μ_ci=fT/Ж для приведенных выше значений S_i, t и μ_ж:

S=0,8-4 с^-1, кривая 1 (t≤60°С), кривая 2 (t=90°C),

S=8,05-34,7 с^-1, кривая 3 (t≤60°С), кривая 4 (t=90°C),

S=80,8-159 с^-1, кривая 5 (t≤60°С), кривая 6 (t=90°C).

ТаблицаРасчетные значения коэффициентов, входящих в уравнениеНаименование параметраЗначение коэффициентов, д.е.Т/Ж (1-ε)1,2 (0,257)1,0 (0,224)0,5 (0,126)0,33 (0,087)K_S1t, °Cμ_жS=0,8-4,0 с^-1 (при сгущении)600,74,34,244,184,12900,4K_S2600,7S=8,05-34,7 с^-1 (при перемешивании)4,043,933,773,56900,4K_S3600,7S=80,8-159 с^-1 (при гидротранспорте)3,963,713,233,01900,4К_ос=14 кругом, K_t=1 при t≤60°С, K_t=1,07 при t=61-90°C кругом

Для нахождения промежуточных значений коэффициентов K_S построен по данным таблицы график на фиг.2 зависимости K_S=fS для:

1. Т/Ж=1,2 или (1-ε)=0,257,

2. 1,0 (0,224),

3. 0,5 (0,126),

4. 0,33 (0,087).

Пригодность уравнения с использованием коэффициентов таблицы проверялась на примере нижеприведенного расчета.

Пример. В суспензии красного шлама была измерена на ротационном вискозиметре вязкость μ_С=3000 сП при скорости сдвига S=1,61 с^-1, определены содержание твердого Т/Ж=0,33 или (1-ε)=0,087 и концентрация раствора (жидкой фазы), для которой значение μ_ж=0,7 при температуре 25°С. Подставляя значения коэффициентов из таблицы, соответствующие условиям измерения, определим расчетную величину вязкости данной суспензии по предложенному выше уравнению:

μ_ci=0,7·(1+0,087·14^4,12·1)=0,7+0,061·14^4,12;

lg(μ_ci-0,7)=lg0,061+4,12·lg14=-1,215+4,12·1,146=-1,215+4,72=3,505;

μ_ci=0,7+3200=3200,7 сП.

По вискозиметру μ_с=3000 сП. Следовательно, относительная погрешность измерения составит:

Δ^max=(3200,7-3000)·100/3000=6,69%.

На более густой суспензии с Т/Ж=1,2 измеренная величина вязкости при прочих равных условиях составила 12000 сП, а расчетное значение - 12284 сП, для которых Δ^min=2,37%.

Таким образом, погрешность расчета по уравнению была в пределах 2,4-6,7%, что вполне допустимо при замерах ротационным вискозиметром такого вида суспензий.

Изобретение может быть использовано в глиноземном производстве, гидрометаллургических производствах, горнодобывающей промышленности и др. Способ заключается в том, что измеряют вязкость жидкой фазы μ_ж и суспензии μ_c при различных скоростях сдвига S_i и соблюдении термостатирования не менее чем на трех суспензиях различного содержания твердого (1-ε). Производят графическое построение функциональных зависимостей μ_жi=ft и μ_ci=fS_i, (1-ε), определение коэффициентов , значения содержания твердого (1-ε), а также значений вязкости μ_сi по установленному уравнению. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 2 ил., 1 табл.

Способ определения вязкости суспензии, включающий измерение вязкости жидкой фазы μ_ж и суспензии μ_c при различных скоростях сдвига S_i и соблюдении термостатирования не менее чем на трех суспензиях различного содержания твердого (1-ε), графическое построение функциональных зависимостей μ_жi=ft и μ_ci=fS_i, (1-ε), определение коэффициентов , значения содержания твердого (1-ε) и значений вязкости μ_ci по уравнению

,

где t - температура суспензии;

- коэффициент, учитывающий влияние относительной скорости сдвига и содержания твердого на изменение структуры суспензии и (1-ε);

K_t - температурный коэффициент (K_t=1 при t≤60°C, K_t=1,07 при t=61-90°С),

K_ОС - коэффициент приведения (K_ОС≠1, 10).