丁曉炯 廣州市博勒飛粘度計(jì)質(zhì)構(gòu)儀技術(shù)服務(wù)有限公司
摘要:在線年度測(cè)量是目前很多石油、化工、食品、電子、造紙等行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛的技術(shù),在線粘度的測(cè)量方法很多,主要有毛細(xì)管式、旋轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式、注塞式等。而測(cè)量的對(duì)象也各不相同,流體的流變特性也各不相同,應(yīng)用面也各不相同。本文從流變學(xué)的角度出發(fā),對(duì)在線粘度測(cè)量的方法、流體的流變學(xué)類型進(jìn)行分析,討論不同在線粘度測(cè)量方法的特點(diǎn)和應(yīng)用,對(duì)一些常見(jiàn)行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行歸納,并對(duì)在線粘度測(cè)量中的一些常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行流變學(xué)分析,并相應(yīng)提出在線測(cè)量中的處理方法。
關(guān)鍵詞:在線粘度;流變學(xué);牛頓流體;非牛頓流體;剪切變。患羟凶兂
目前,隨著工藝控制要求的不斷提高和測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,在石油、化工、食品、電子、造紙等行業(yè)中在線粘度測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,不同品牌和不同測(cè)量原理的在線粘度計(jì)都有使用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,有使用效果良好的,也有使用效果不理想的,為何會(huì)有不同的效果?除了產(chǎn)品本身的問(wèn)題,如何根據(jù)測(cè)量物料的流變特性來(lái)選擇相應(yīng)的在線粘度計(jì),如何解釋在線粘度測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)的差異,如何獲得穩(wěn)定一致的測(cè)量結(jié)果,這些都可以從流變學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行分析并獲得解決方案。
1 在線粘度測(cè)量技術(shù)
1.1 在線粘度測(cè)量的應(yīng)用
在線粘度計(jì)的測(cè)量技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史,許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中都需要進(jìn)行年度的連續(xù)自動(dòng)測(cè)量與控制。
在石油工業(yè)中,在減壓蒸餾過(guò)程,在柴油、潤(rùn)滑油、燃料油等的在線自動(dòng)調(diào)和過(guò)程,石油的脫蠟脫瀝青過(guò)程等,需要進(jìn)行在線粘度監(jiān)測(cè)來(lái)檢查原料質(zhì)量,監(jiān)視與控制生產(chǎn)、提高產(chǎn)品合格率,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)和及自動(dòng)切換產(chǎn)品等。
在各種聚合工程中,通過(guò)粘度的在線監(jiān)測(cè)來(lái)控制反應(yīng)終點(diǎn)。子啊化纖抽絲錢的熔體粘度在線監(jiān)測(cè)科儀保證纖維的粗細(xì)適當(dāng)、均勻。減少?gòu)U品率及能耗。
此外,在油墨生產(chǎn)、印刷、油漆噴涂、洗滌劑與化妝品生產(chǎn),膠囊生產(chǎn)以及澆涂、浸漬、滾涂等各類材料的涂布過(guò)程也都要進(jìn)行在線粘度測(cè)量。
1.2 在線粘度計(jì)的類型
目前,在線粘度計(jì)的類型很多,根據(jù)測(cè)量原理不同,主要有以下幾種類型:
1.2.1 毛細(xì)管式
毛細(xì)管式在線粘度計(jì)是基于泊氏定律,儀器的主體是一段細(xì)管,細(xì)管與定量泵連接,由定量泵控制流體以恒定的流量進(jìn)入細(xì)管,有壓力監(jiān)測(cè)器測(cè)量細(xì)管兩端的壓力差,根據(jù)泊氏公司計(jì)算流體的粘度。這類在線粘度計(jì)目前一般使用在石化煉油行業(yè),用來(lái)測(cè)量成品油的粘度,測(cè)量范圍一般都不高,在幾百cP以下,但有些特殊的在線粘度計(jì)對(duì)細(xì)管進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)后也可以用來(lái)測(cè)量高粘度的流體,但應(yīng)用相對(duì)較少。
1.2.2 旋轉(zhuǎn)式
在線粘度測(cè)量中,旋轉(zhuǎn)法的應(yīng)用比其他方法廣些 ,在線旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)室粘度計(jì)相同,根據(jù)轉(zhuǎn)子和傳感器的連接方式,可分為外旋式和內(nèi)旋式兩種,主要是利用轉(zhuǎn)子在流體中以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),直接測(cè)量流體的粘性力大小,計(jì)算出粘度。 這類在線粘度計(jì)是從粘度的物理定義出發(fā),測(cè)量范圍可以很寬,測(cè)量時(shí)的剪切率也不高,除了測(cè)量牛頓流體外,尤其適合于非牛頓流體的測(cè)量。
1.2.3 振動(dòng)式
振動(dòng)式的在線粘度測(cè)量起步相對(duì)較晚,但發(fā)展較快。振動(dòng)法的傳感頭為一圓柱體,以恒定的振幅振動(dòng),當(dāng)它剪切流體時(shí),流體的粘度對(duì)傳感頭振動(dòng)振幅有影響,測(cè)量維持恒定振幅所輸入的功率,計(jì)算得到粘度和密度的乘積。 這類在線粘度計(jì)的理論測(cè)量范圍也很寬,適合于不同的流體測(cè)量,但測(cè)量時(shí)的剪切率不能精確計(jì)算,一般剪切率約在1000 s ,因此實(shí)際使用中,需要根據(jù)流體的流變學(xué)特性正確選用。
1.2.4 注塞式
這類在線粘度計(jì)是利用一個(gè)在流體中水平或垂直運(yùn)動(dòng)的活塞,測(cè)量活塞在固定位置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)計(jì)算出流體的粘度。 這類粘度計(jì)是斷續(xù)式的測(cè)量,并不是完全意義上的在線測(cè)量;同時(shí)由于是依靠活塞的運(yùn)動(dòng),因此流體自身的流動(dòng)將對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。
綜上所述,各類在線粘度計(jì)的測(cè)量原理不同,適用的流體和工藝條件也各不相同,需要根據(jù)測(cè)量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)工藝條件進(jìn)行選擇,不能隨意確定,以免造成不必要的損失。
2 流變學(xué)和流變類型
2.1 流變學(xué)和粘度
流變學(xué)研究的是在外力作用下,物體的變形和流動(dòng)的學(xué)科,研究對(duì)象主要是流體。為粘度是流變學(xué)中一個(gè)很重要的基本概念,粘度是流體流動(dòng)力對(duì)其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示,粘度大表現(xiàn)內(nèi)摩擦力大。分子量越大,碳?xì)浣Y(jié)合越多,這種力量也越大,因此粘度經(jīng)常用來(lái)表征分子量、聚合程度、有效成分含量等。
在實(shí)際測(cè)量中,往往會(huì)發(fā)現(xiàn)同一個(gè)流體的粘度值會(huì)有不同,開(kāi)始懷疑是不是儀器有問(wèn)題。其實(shí)這是粘度測(cè)量中的正,F(xiàn)象,這可以用流變學(xué)理論來(lái)具體分析。
2.2 流體類型
流體分為牛頓流體和非牛頓流體,牛頓流體是指流體的粘度不隨測(cè)量時(shí)的剪切率條件變化而變化,換一句話說(shuō),如果是用同樣的測(cè)量方法和儀器,在不同的轉(zhuǎn)速下測(cè)量,粘度是不變的;而非牛頓流體是指流體的粘度隨著測(cè)量時(shí)剪切率條件變化而變化。 常見(jiàn)的牛頓流體或接近牛頓流體的有:水、有機(jī)溶劑、汽油、柴油等小分子的流體或溶液。一般這類流體的測(cè)量采用毛細(xì)管式的居多。 目前,實(shí)際測(cè)量的流體大部分都是非牛頓流體,而非牛頓流體又可按照流變特性(按剪切率的變化)的不同分為:剪切變稀和剪切變稠 。見(jiàn)圖 1、2、3。
圖1 牛頓流體 圖2 非牛頓流體 剪切變稀 圖3 非牛頓流體剪切變稠
而測(cè)量的化工產(chǎn)品大部分流體又以剪切變稀的居多,聚合物、高分子材料等的熔體或溶液都是。因此,我們常常說(shuō):“粘度不是一個(gè)點(diǎn),而是一條曲線”。既然是一條曲線,那么到底取那個(gè)點(diǎn)更合適,或者說(shuō)測(cè)量到底是在哪個(gè)點(diǎn)上?這就需要根據(jù)儀器的測(cè)量原理和測(cè)試條件具體分析了。單從流體的流變特性和粘度測(cè)量的目的來(lái)看,常用的原則是選用低剪切條件下的測(cè)量值,這樣可以流體在低剪切下測(cè)量,剪切變稀的現(xiàn)象不太明顯,使粘度指標(biāo)的靈敏性得到充分利用,提高監(jiān)測(cè)的靈敏度。
圖 4 東菱化工流體產(chǎn)品粘度-剪切率曲線
如圖 4 所示的是東菱化工的兩個(gè)不同產(chǎn)品,從流變曲線可以發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)產(chǎn)品是剪切變稀的非牛頓流體,在低剪切時(shí)藍(lán)色樣品粘度比紅色樣品要高,而隨著剪切率的提高,兩者粘度同時(shí)下降,但下降趨勢(shì)不同,在剪切率大于 1500 s 后,兩者的粘度大小關(guān)系正好相反,因此該客戶試用振動(dòng)式在線粘度計(jì)時(shí),由于儀器固有的剪切率較高,因此和最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)結(jié)果差異非常大,大小關(guān)系也正好相反,而選用旋轉(zhuǎn)式在線粘度計(jì)后,測(cè)量的結(jié)果和最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)結(jié)果相符,同時(shí),在線粘度值作為反應(yīng)終點(diǎn)判斷的靈敏度也很高,獲得了預(yù)期的在線測(cè)量目的。類似的應(yīng)用實(shí)例在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn) 中都有闡述。
3 在線粘度計(jì)的應(yīng)用
根據(jù)以上的儀器測(cè)量原理和流變學(xué)的理論和實(shí)際現(xiàn)象,本人認(rèn)為在選用在線粘度測(cè)量?jī)x器時(shí),首先需要對(duì)測(cè)量流體的流變特性有一定的了解,根據(jù)被測(cè)流體的實(shí)際情況來(lái)選擇相應(yīng)合適的儀器,而不能隨意選用在線粘度計(jì),以免造成不必要的損失。
根據(jù)一些行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況,簡(jiǎn)單做了一些歸納,供大家參考:
A、低粘度流體,一般小于 500 mPa*s:這類流體一般為成品油、小分子的聚合物溶液,接近于牛頓流體,最佳的在線測(cè)量方法是毛細(xì)管式,其次可以使用旋轉(zhuǎn)式、活塞式和振動(dòng)式。
B、中等粘度流體,一般在幾百到 10000 mPa*s:這類樣品基本都是剪切變稀的非牛頓流體,剪切變稀的傾向十分明顯,最佳的在線測(cè)量方法是旋轉(zhuǎn)式,其次是活塞式和振動(dòng)式。
C、高粘度流體,一般在 10000 mPa*s 以上:這類樣品基本也都是剪切變稀的非牛頓流體,在線測(cè)量的結(jié)果往往和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果差異很大,一方面是由于測(cè)量條件的差異,另一方面有時(shí)樣品是在實(shí)驗(yàn)室用溶劑溶解后再測(cè)量,這樣由于測(cè)量條件和方法的不同會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的差異。最佳的在線測(cè)量方式是旋轉(zhuǎn)式,其次是特殊的毛細(xì)管式和振動(dòng)式。 當(dāng)然,這些歸納是從流體的類型角度來(lái)考慮的,在實(shí)際應(yīng)用中,還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求,主要考慮安裝的要求,是安裝在管道上,還是安裝在反應(yīng)釜或容器上;是敞開(kāi)體系,還是密閉的高溫高壓體系等;流體是否具有腐蝕性;流體會(huì)不會(huì)固化等來(lái)綜合考慮。
4 在線測(cè)量中的常見(jiàn)問(wèn)題
由于流體的流變特性和粘度測(cè)量的特性,在線粘度測(cè)量過(guò)程中經(jīng)常遇到一些常見(jiàn)的問(wèn)題,在此我們做一歸納并給出解決方案。
4.1 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)的對(duì)比問(wèn)題
在前面我們提到,粘度的測(cè)量方法很多,實(shí)驗(yàn)室和在線粘度測(cè)量的方法和儀器也很多,這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)一定要注意測(cè)量條件的一致性,這個(gè)一致性包括了測(cè)量方法和測(cè)量條件,測(cè)量條件又包括了測(cè)量溫度、壓力、流速、儀器的測(cè)量條件(剪切率)等,只有這些條件完全一致,測(cè)得的結(jié)果才會(huì)一致。 但是實(shí)際應(yīng)用中這些條件很難一致,在這種情況下,很多人會(huì)考慮是否可以找到一個(gè)相互換算或轉(zhuǎn)換的方法,這種思路是正確的,但在實(shí)施過(guò)程中,由于這種關(guān)系的摸索需要一定數(shù)據(jù)的積累,而且最后的結(jié)果往往不是線性的,因此會(huì)對(duì)后續(xù)的直接使用造成一定的影響。
圖 5 實(shí)驗(yàn)室粘度和在線粘度數(shù)據(jù)對(duì)比圖(時(shí)間-粘度)
如圖 5 所示,這是用 Brookfield 的實(shí)驗(yàn)室粘度計(jì) DV-II+pro 和在線粘度計(jì) TT-100 對(duì)同一樣品在同一時(shí)間和粘度為坐標(biāo)下的實(shí)時(shí)曲線,我們可以不必去關(guān)心這兩者之間的關(guān)系如何,只要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)(可以是中間產(chǎn)品,也可以是成品)的控制點(diǎn)和上下限,相應(yīng)地通過(guò)時(shí)間,找到在線粘度的控制點(diǎn)和上下限,這樣就省去了很多復(fù)雜的計(jì)算,在最短時(shí)間內(nèi)獲得在線測(cè)量和控制的最佳點(diǎn)。
4.2 溫度補(bǔ)償問(wèn)題
由于實(shí)驗(yàn)室采樣測(cè)量的溫度和現(xiàn)場(chǎng)溫度經(jīng)常是不同的,而且現(xiàn)場(chǎng)的溫度也會(huì)有波動(dòng),因此很多使用者會(huì)關(guān)心和需要溫度補(bǔ)償,這種需要也是很實(shí)際和必要的。目前市場(chǎng)上的在線粘度計(jì)產(chǎn)品都會(huì)提供溫度補(bǔ)償功能,但在實(shí)際使用中還是會(huì)有問(wèn)題,問(wèn)題到底在哪里呢?目前溫度補(bǔ)償?shù)睦碚撘罁?jù)是,通過(guò)設(shè)置參數(shù)對(duì)粘度進(jìn)行不同溫度點(diǎn)的計(jì)算,這在理論上是對(duì)的,一般都是根據(jù) ASTM D341 進(jìn)行計(jì)算,但是沒(méi)有注意到的是,這需要先行測(cè)量流體的粘度-溫度曲線,經(jīng)過(guò)計(jì)算才能獲得真實(shí)的參數(shù),而不是根據(jù)公式簡(jiǎn)單的設(shè)置幾個(gè)參數(shù),需要對(duì)測(cè)量的流體的粘-溫特性有所詳細(xì)了解后才能設(shè)置,不能隨意。由于實(shí)驗(yàn)室的溫度控制精度,一般都要比流程控制精度高,我們建議可以采用 4.1 所介紹的方法只進(jìn)行幾個(gè)控制點(diǎn)的直接換算,除了對(duì)一些對(duì)溫度控制和溫度敏感性特別高的流體外,沒(méi)有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償,如果需要溫度補(bǔ)償就一定要獲得完整的粘度-溫度曲線。
5 結(jié)論
綜上所述,隨著在線粘度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,在實(shí)際使用中也產(chǎn)生了一些問(wèn)題,這些問(wèn)題的由來(lái)主要是由于對(duì)流體的流變特性、實(shí)驗(yàn)室粘度測(cè)量方法、在線粘度測(cè)量方法和在線粘度計(jì)的特點(diǎn)了解不夠而造成的。在考慮在線粘度測(cè)量時(shí),需要對(duì)被測(cè)流體的流變特性有一個(gè)基本了解,這樣可以選擇合適的在線粘度測(cè)量方法,選擇相應(yīng)的在線粘度計(jì);同時(shí)在做數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí),需要考慮實(shí)驗(yàn)室粘度的測(cè)量方法,并考慮是否需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償,可以利用 4.1和 4.2 所介紹的方法獲得相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換。 流體粘度的測(cè)量需要根據(jù)流體的流變特性,選擇相應(yīng)的測(cè)試方法和儀器,針對(duì)一些成品油、低粘度接近于牛頓流體的物料,采用毛細(xì)管在線粘度計(jì);針對(duì)一些中、高粘度的流體,需要考察其流變特性,建議選用低剪切的旋轉(zhuǎn)式在線粘度計(jì)。