研究报告
用旋转粘度计法研究非牛顿流体的流变性能
陈朝霞 管 民
(新疆大学化学化工学院 新疆乌鲁木齐 830008)
摘 要 本文主要介绍在5个不同减阻剂浓度(0mg/L,100mg/L,200mg/L,300mg/L,
400mg/L)和不同温度(15℃,20℃,25℃)下,用旋转粘度计法测定减阻剂样品在7min内,剪切速率从0～183.45/s下,研究0号柴油及加入减阻剂后的流变性能。一般情况下,幂律模型适合于大部分非牛顿流体。加剂后的柴油溶液,与空白柴油相比较,稠度都有不同程度的提高。在低剪切速率下,大多数实验结果表现为牛顿流体流变行为,但D241(块)溶液例外,浓度为300mg/L的15℃和20℃及浓度为400mg/L的25℃表现出假塑性流动行为。浓度与粘度的线性关系用关系和指数关系相对于乘幂关系拟合程度较高,而用乘幂关系拟合程度较低。粘度与温度间服从于阿累尼乌斯方程。关键词 减阻剂 旋转粘度计 流变性能碎成粉末状);D241(自制块状样品)组成,分子量分布2×10～5×10。
把不同的减阻剂样品制成粉末状,在天平上精确称重0.100g,加入200mL的空白柴油,然后放在磁力搅拌器上,连续搅拌24h,使高聚物充分溶解在柴油中,用量筒按不同比例配成不同浓度的溶液。本实验测定的浓度分别为:0mg/L,100mg/L,200mg/L,300mg/L,400mg/L。1.2 旋转粘度计
6
6
前言
随着石油产品管输技术的发展,高分子减阻剂已广泛应用于原油和成品油的管输过程。高分子减阻剂本身属粘弹性体,其10%的减阻剂溶液呈现出非常高的粘弹体,较难流动,可拔成很长的丝。高分子减阻剂能溶于原油或成品油中,但不溶于水,遇水将发生分子长链卷曲。减阻剂溶液呈非牛顿特性。低剪切率下粘度高达3000Pa・s,120℃以下不会分解,比较稳定
〔1〕
。目前减阻效应已在世界上得到广本实验用的旋转粘度计是美国BrookfieldDV2II+编程控制式粘度计,液晶显示信息包括粘度、温
泛运用,特别是远距离流体输送,如原油及成品油的管输。减阻剂的使用将使动力消耗、能量消耗大大减小,或在能耗一定的情况下,可大大提高输油量,对管输的节能有着深远的意义。加入减阻剂后柴油的流变行为是评价减阻性能的一种有效方法,对过程设计、评价、建模起着重要作用。高分子减阻剂性能的好坏直接影响其实际应用,而对其性能的评价是多方面的。作为流变测量之一的粘度测量可以获得各种产品的性能、预期信息、处理效应、配方变化以及老化现象等等,以保持每批材料的一致性
〔2〕
度、剪切应力/剪切率、扭矩、转子号/转速等。0～10mV和0～1V的模拟信号输出端子可用于连接外
部显示器件和记录设备,而RS2232C数字信号输出接口则可以用于连接电脑等外围数据处理系统。
本实验使用规格:0号LV转子(直径25.15mm,有效长度92.37mm);盛样容器(直径27.62mm)。把大约30mL的样品倒入UL容器中,需要在恒定的温度中平衡15min。通过TC2102恒温水浴来控制所测的加剂柴油溶液的温度。1.3 数据分析和计算
1.3.1 计算模型 用粘性流变模型评价加入减阻
〔3〕
。
本文用旋转粘度计法研究加入减阻剂后柴油的流变性能的变化,根据粘度测量的结果能够更好地评价柴油的使用性能,进而指导工程上的实际应用。
剂后的不同浓度柴油溶液,有必要通过所测定的剪切速率和剪切应力的变化,以表征加剂柴油的流动行为。采用幂律模型
〔4〕
1 试验部分
1.1 样品的制备
0号柴油;α2烯烃减阻剂系列:DR2142(自制块
:
状样品);DR2142(将DR2142自制块状样品冷冻破
n
τ=Kγ(1)式中,τ是剪切应力,γ是剪切速率;当n=1时,K=η,τ
n2
γ=η;K是稠度系数(Ns/m);n是流动指数。
23
现代仪器(www.moderninstrs.org.cn)
采用下列方程测试柴油的浓度与粘度关系:
η=aCb(2)
()
η=aexpBc(3)η=a+bC(4)式中,C测定溶液的浓度,a和b模型计算参数。
〔6〕
温度与粘度的关系服从阿累尼乌斯方程:
样品种类浓度温度
(mg/L)0
(℃)152025152025152025152025152025DR2142(块)
n
K(cP.s)
二○○七年・第二期
η=AexpB/T
(5)
〔5〕
式中,B常数,B=Ea/R(Ea粘性流动的活化能,R
气体常数);T绝对温度;A频率因子。1.3.2 模型参数 加入减阻剂溶液的模型参数、粘度与浓度的模型常数、不同浓度时粘度与温度的模
2
型常数(R是拟合曲线的方差)(见表1～3)。
DR2142(粉)
D241(块)
R0.
0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.2
n
K(cP・S)
表1 加入减阻剂溶液的模型参数
n1.0134
1.0071.01180.98350.98880.99280.98380.98651.02270.96491.01180.98710.96080.94980.93550.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.R
2
n
K(cP・s)
n1.01341.0071.01181.01791.00961.01501.01791.01481.01281.01140.98320.98050.99530.97801.0156n1.01341.0071.01180.99521.01751.01921.00811.00741.00670.88850.87981.00340.90050.92550.85800.0.0.0.1.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.R
2
100
200
300
400
0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0353031202710515043703770582049303820716049904930796071006569999999899999994999299969985998499519950995099399995998999870.03530.03120.02710.03800.03540.03000.04330.03790.03430.04870.04990.04700.0580.05510.04489999999899999999999999999997999699979996999399859996999299620.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.035303120271043903430296045803950347084407820370096006750918999999989999999800009999999999999999999499949999998799989985表2 粘度与浓度的模型常数(剪切速率在36.69s21下)
样品种类
DR2142(块)
温度
(℃)
152025152025152025DR2142(粉)
D241(块)
线性关系
ab
4.04010.00683.46230.00563.13030.00473.62920.00433.17930.00442.61940.00503.62920.00433.19930.00332.84940.0032R0.0.0.0.0.0.0.0.0.2
998599639948999499649953999499559918指数关系ab4.22260.00123.60940.00123.25220.00113.71930.00093.27620.00102.76170.00133.71930.00093.26470.00082.91630.0009R0.99940.99850.99940.99840.99040.99390.99840.99720.99332
1.1.1.1.1.0.1.1.1.a463529482357634927968634634956233395乘幂关系
b0.25130.24320.23000.19470.22210.27560.19470.17490.1849R0.96850.9650.95350.97320.98590.96650.97320.96170.94572
表3 不同浓度时粘度与温度的模型常数(剪切速率在
36.69s下)
21
3种不同样品20℃时剪切速率与剪切应力的关
系(见图1～3)。
样品浓度(mg/L)空白柴油0DR2142(块)100
200300400
DR2142(粉)100
200300400
D241(块)100
2003004000.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.A0018001700110010001100190029018501270033001500330024B2225.2278.2448.2514.2518.2204.2123.1613.1752.2044.2306.2096.2219.21423372954050.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.R99609879995299109940997899799991958199409975965998202
剪切速率(s21)
图1 D241(块)剪切速率与剪切应力关系
24
二○○七年・第二期
研究报告
于1,浓度为300mg/L在15℃和20℃时,n值为
0.8885和0.8798,溶液的流动已经表现出假塑性行为。溶液浓度在400mg/L时,在3个温度点都表现出假塑性流动行为,n值都偏离1较大。在低剪切速率下,所测的溶液的实验结果,都较高地符合幂律模型。低剪切速率下,大分子处于高度缠结的拟网状结构,流动阻力很大。由于剪切速率低,虽然能够部分破坏缠结结构,但破坏的速度又等于形成的速度,故粘度保持恒定的最高值,表现为牛顿流体流动
〔7〕
行为。而对于加入减阻剂D241(块)后的柴油溶液,浓度较高时,剪切速率相对于样品DR2142(块)和DR2142(粉)较高,大分子在剪切力作用下发生构象变化,粘度并不恒定,表现出假塑性流体流动行为。2.2 粘度与浓度间的依赖关系
21
表2给出表观粘度在剪切速率为36.69s下的
剪切速率(s21)
图2 DR2142(块)剪切速率与剪切应力关系
剪切速率(s21)
图3 DR2142(粉)剪切速率与剪切应力关系
注:1mg/L=1ppm;10D/cm2=1N/m;1mPa.s=1cP
2 结果与讨论
2.1 高分子溶液的牛顿行为和非牛顿行为
回归模型参数。实验数据拟合出的相关系数较高,
说明本文所提出的模型可以充分描述浓度的变化。对于线性关系,减阻剂DR2142(块)和D241(粉)溶液所拟合的参数a随着温度升高而下降,DR2142(粉)的参数a随着温度升高而上升,所有的减阻剂参数b随着温度升高而下降。对于指数关系和乘幂关系,参数a随着温度升高而下降。指数关系中,参数b随温度的变化不明显。对于减阻剂DR2142(块)和D241(块)溶液,参数b的变化类似于线性关系,但样品DR2142(粉)参数b随着温度升高反而上升。三种减阻剂的粘度与浓度有很清晰的线性关系,拟合程度接近1。参数a和b基本上随着温度升高而减小,说明这三种减阻剂样品的表观粘度与
〔8〕
浓度的依赖性较小。2.3 粘度与温度间的依赖关系本文用阿累尼乌斯方程研究粘度与温度的关系,测定粘度温度范围在15～25℃。对于牛顿流体,剪切应力斜率就决定高分子溶液粘度。而对于非牛顿流体,是在一定剪切速率下来测定表观粘度。表3是通过实验数据,用指数模型拟合出的系数,可看出拟合程度相当高,说明它服从于阿累尼乌斯方程。表中列出频率因子、表观活化能和相关系数。减阻剂DR2142(块)溶液拟合出的B值,随着柴油量的增加而减小,这是在预料中,由于柴油量增加,会导致粘度和表观活化能下降。DR2142(粉)溶液拟合出B值与DR2142(块)溶液拟合出B值变化恰好相反,随着柴油量增加而增加。在相同的溶剂量的情况下,浓度最高的减阻剂溶液,活化能最低的是
25
根据表1得出如下规律:加入减阻剂后的K值与空白柴油相比较,都有不同程度的提高。浓度较低时,随着温度的降低,有向假塑性转变的趋势;浓度较高时,随着温度的升高,也有向假塑性转变的趋势溶液。20℃时,空白柴油及加入减阻剂DR2142(块),DR2142(粉)和D241(块)后柴油的流变行为的比较(见图1～3)。其中加入DR2142(块)的柴油溶液,K值增加的幅度较大,即较大的增加柴油的稠
〔9〕
度,经实验室环道测定,在浓度为10mg/L时,其减阻率可达到45%,减阻性能较好;而DR2142(粉)的柴油溶液,K值增加的幅度较小,其减阻率在相同浓度下只有28%,其减阻性能较差。加入减阻剂D241(块)的溶液,K值接近DR2142(粉)的柴油溶液,测定在相同浓度下减阻率仅28%,其减阻性能也较差。
加入减阻剂DR2142(块)的5个不同浓度溶液,在15～25℃的大部分实验结果的n值接近1,但溶液浓度为400mg/L,温度在20℃和25℃时,柴油有向假塑性变化的趋势,n值稍微偏离1。DR2142(粉)在所测的浓度和温度范围内,n值非常接近于1。加入减阻剂D241(块)的柴油,当浓度为100mg/L和200mg/L时的3个温度点,所拟合的n值接近
现代仪器(www.moderninstrs.org.cn)
加入减阻剂DR2142(粉)溶液,减阻剂DR2142(块)溶液活化能最高,与其他两个减阻剂样品相比,它受温度影响较大。
二○○七年・第二期
斯方程。在相同溶剂量的情况下,浓度最高的减阻
剂溶液,活化能最低的是样品DR2142(粉),减阻剂DR2142(块)溶液的活化能最高,与其他两个减阻剂样品相比,它受温度影响较大。
参考文献
1 于慎卿.减阻技术在我国石油管道上的应用[J],油气储
3 结论
本文研究柴油加入减阻剂后的流变性能,并分
析温度和浓度的变化关系,得出以下结论:(1)加入减阻剂样品DR2142(块)DR2142(粉)和D241(块)后的柴油溶液,K值与空白柴油相比较,稠度都有不同程度提高,可见都有一定的减阻性能。其中加入减阻剂样品DR2142(块)柴油溶液,稠度增加幅度较大,其减阻性能较好。在低剪切速率下,大多数实验结果表现为牛顿流体流变行为。但D241(块)溶液在浓度为300mg/L的15℃和20℃及浓度为400mg/L的25℃表现出假塑性流动行为。浓度较高时,剪切速率相对于样品DR2142(块)和DR2142(粉)较高,大分子在剪切力作用下发生构象变化,粘度并不恒定,表现出假塑性流体流动行为。(2)加减阻剂后柴油溶液浓度与粘度的关系用线性关系和指数关系相对于幂律模型拟合程度较高,而用乘幂关系拟合程度较低。从线性关系上可看出,3种
〔8〕
减阻剂样品表观粘度与浓度的依赖性较小。(3)加减阻剂后柴油溶液粘度与温度间服从于阿累尼乌
运,9(2)
2 张钦哉.流变学及粘度检测技术新发展,石油仪器,1997,
11(1)
3 DV2II_POperatingInstructions粘度计说明书4 沈崇棠,刘鹤年.非牛顿流体力学及应用[M],北京:高等
教育出版社,19895 MicheleMarcotte,AliR.TaherianHoshahili,H.S.Ra2
maswamy,Rheologicalproperityofselectedhydrocolloidsasafunctionofconcentrationandtemperature.FoodResearchInternational2001,34
7 金日光,华幼卿.高分子物理[M],北京:化学工业出版
社,1996
6～8 F.S.Güner,M.Baranak,S.Soytas,A.T.Erciyes,Flow
behaviorofoil2modifiedpolymersolutions.ProgressinOrganiccoatings.2004
9 管民,李惠萍,卢海鹰.减阻剂室内环道评价方法〔J〕,新
疆大学学报(自然科学版),2005,(1)
Studyonrheologicalproperitiesofnon2newtonianfluidsbyusing
arotationalviscometer
ChenZhaoxia GuanMin
(CollegeofChemistryandChemicalengineering,XinjiangUniversity,Urumqi 830046)
Abstract Inthispaper,rheologicalpropertiesof0#dieseloilthatwasdissolveddragreductionpolymerswaseval2uatedbyusingarotationalviscometeratfiveconcentrations(0～400mg/L)andthreetemperatures(15,20and25℃).Samplesweresubjectedtoaprogrammedshearrateincreasing0～183.45sinsevenminutes.Ingeneral,thepowerlawmodelfittedmostofnon2Newtonianfluids.Fordieseloilofdragreductionpolymersolutions,com2paredwiththedieseloil,viscositywasadvancedtosomeextent.Attheatlowshearrate,mostoftheexperimentalresultsbehavedasNewtonianfluids.D241solutionswereexceptions,behavedaspseudoplasticfluids.Threemodels(leaner,exponential,power)wereusedtoevaluatetheviscosity2concentrationrelationship.
Itshowsthatleaner
andexponentialmodelswerehigherthanpowermodel.Arrheniusmodelwasusedtoinvestigatetheviscosity2tem2peraturerelationship.Aftercomparingwiththethreesamples,wesuggestedthatnubbysample(DR2142)wasmostlyaffectedbytemperature.
Keywords Dragreductionpolymers Rotationalviscometer Rheology26
21
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容