Overview
Source : Michael G. Benton et Kerry M. Dooley, département de génie chimique, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiane
La viscosité est une mesure de résistance d’un fluide à l’écoulement, et c’est un paramètre utile dans la conception de la transformation des produits efficaces et contrôle de la qualité dans un large éventail d’industries. Une variété de viscosimètres servent à obtenir les lectures plus précises de matériel expérimental. La méthode normalisée de mesure de viscosité est à travers un viscosimètre de tube de verre, qui estime la viscosité en mesurant la quantité de temps qu’il faut le liquide s’écouler à travers un tube capillaire en verre1.
Viscosimètres rotationnels opèrent en appliquant des forces de cisaillement et mesurant le temps qu’il faut un écoulement1. Ces viscosimètres faire usage de la force d’écoulement du fluide, et ils peuvent utiliser un système de ressort ou d’un système de codeur numérique1. Différents systèmes de mesure existent également, avec la norme étant un système de cône et plaque, où le liquide s’écoule sous la forme de cône et sur la plaque, afin de minimiser les contraintes de cisaillement1. Systèmes de plaques parallèles utilisent deux plaques parallèles et est idéales pour mesurer à travers les gradients de température, ce qui permet une transition en douceur1. Systèmes de couette utilisent une tasse et le matériau de remplissage, et le liquide s’écoule entre les deux1. Ces systèmes sont les meilleurs pour les matériaux à faible viscosité, puisque ce système réduit au minimum la contrainte de cisaillement, mais le système est également plus difficile à exploiter systématiquement en raison de problèmes avec nettoyage et qui ont besoin de plus gros volumes de fluide1.
Dans cette expérience, un viscosimètre Cannon-Fenske serviront à mesurer les viscosités de plusieurs solutions de propylène glycol pour déterminer la relation entre viscosité et de la composition.
Principles
La viscosité cinématique est le rapport de la viscosité dynamique à la densité. Le rapport entre la contrainte de cisaillement à la vitesse de cisaillement est la viscosité dynamique du fluide, qui est une mesure de la résistance à la déformation dans l’écoulement laminaire d’un fluide newtonien. Ce ratio est unique à la viscosité cinématique, qui permet à l’interpolation d’une variable inconnue en tenant compte de deux variables, la viscosité cinématique et de concentration.
Température, la densité et la composition peuvent créer des changements dans la déformation du flux. La pression est négligeable sur les fluides de phase liquide, donc il ne pas tenir compte dans cette expérience. Viscosité cinématique peut être mesurée à l’aide d’un viscosimètre en raison du rapport présenté dans la Loi de Hagen-Poiseuille, qui exprime que la chute de pression est due à la gravité, la viscosité dynamique et la viscosité cinématique. Viscosité cinématique peut également être liée à la fois en utilisant un spécifique constante de viscosimètre à chaque verre capillaire,
où 
est la viscosité cinématique, C est la constante de viscosimètre et t est le temps. Constantes de viscosimètre sont généralement mesurées et fournies par le fabricant du viscosimètre. L’équation ci-dessus est utilisée pour déterminer la viscosité cinématique, qui peut être convertie en viscosité dynamique en multipliant par la densité du fluide,
où µ est la viscosité dynamique, est la viscosité cinématique et ρ est la masse volumique. Cette information peut servir à faire le lien entre la concentration de soluté et de viscosité dynamique graphiquement.
Le viscosimètre Cannon-Fenske est largement utilisé pour mesurer la viscosité des solutions différentes. Le viscosimètre est immergé dans un bain d’eau grande qui contient une bobine de contrôle de température et de la nageoire pour maintenir constant thermoequilibrium. Le capillaire s’étrangle le débit baisse du liquide, alors que le temps requis pour le liquide de voyager à travers la région capillaire est multiplié par la constante de viscosimètre à donner la viscosité cinématique. Plus grande verrerie capillaire est utilisé pour mesurer les solutions avec une viscosité plus élevée. Des solutions plus visqueuses prennent plus de temps à voyager à travers un verre capillaire. Cette information peut être utilisée pour comparer l’inconnu à concentrations connues.
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Procedure
1. préparer le viscosimètre
- Préparer sept solutions avec différentes concentrations de propylène glycol dans l’eau (entre 0 - taupe 100 % polypropylène glycol). Toutes les solutions de l’étiquette. Il seront utilisés pour l’étalonnage. Obtenir un échantillon de la concentration inconnue et mettez-le de côté
- Vérifier les échantillons pour la charpie, la poussière ou autre matériaux solides. Si nécessaire, filtrer l’échantillon à travers un filtre en verre fritté ou écran microperforé.
- Nettoyez le viscosimètre approprié à l’aide de l’eau et sécher avec de l’air filtré pour éliminer les dernière traces de solvants. Des solutions de viscosité plus faibles vont utiliser la verrerie capillaire 50 taille, taille 100 sera utilisé pour la solution inconnue, et des solutions de viscosité plus élevées utilisera verrerie capillaire 150 de taille.
2. charger le viscosimètre
- Verser l’échantillon dans le viscosimètre qu’elle remplisse au moins de la moitié du bulbe plus gros. Ensuite, essuyez le bras.
- Placez le viscosimètre dans le support et insérez-la dans le bain à température constante. Aligner verticalement sur un petit fil à plomb dans le gros tuyau ou utilisez un support de rotule.
- Laisser l’échantillon est proportionnelle à la température de l’eau du bain. Laisser environ 10 min pour l’échantillon à la température du bain à 40 ° C et 15 min à 100 ° C.
- Appliquer la succion sur le bras et tirer le liquide dans le tube.
3. mesurer l’Efflux
- Utiliser un chronomètre et mesurer le temps nécessaire pour le ménisque de l’échantillon s’écouler entre les repères indiqués. C’est le moment d’efflux
- Répétez les étapes 6 et 7 pour les parcours en double. Et répétez la procédure pour chaque échantillon.
La viscosité est qu'une mesure de résistance d’un fluide à débit et c’est un paramètre utile dans la conception de la transformation des produits efficaces et contrôle de la qualité dans un large éventail d’industries. Viscosité décrit les frottements internes d’un fluide en mouvement. Un fluide ayant une viscosité élevée résiste à l’écoulement, alors qu’un fluide avec une basse viscosité coule plus facilement. Un viscosimètre de tube de verre est couramment utilisé pour déterminer la viscosité, qui mesure le temps qu’il faut pour un fluide à s’écouler à travers un tube capillaire. Viscosimètres rotationnels comme avec une géométrie de plaques parallèles, appliquer des forces de cisaillement et de mesurer le couple nécessaire pour faire tourner le liquide. Cette vidéo illustre les principes de la viscosité, montre comment utiliser un viscosimètre pour déterminer la concentration inconnue d’une solution de propylène glycol et aborde certaines applications industrielles.
Pour commencer, passons en revue les principes de la viscosité. La viscosité dynamique d’un fluide décrit la force par unité de surface, appelée la contrainte de cisaillement, ce qui est requis pour déplacer le liquide, dans ce cas, parallèlement à un plan. Le fluide en contact étroit avec la plaque de fond reste au repos, et le fluide toucher la plaque supérieure est la même vitesse que cette plaque. Ce gradient de vitesse est due à la friction interne entre les couches de fluide et est connu comme le taux de déformation en cisaillement. La viscosité dynamique est définie comme la contrainte de cisaillement, divisée par le taux de déformation en cisaillement. La viscosité peut être influencée par la température, la densité du fluide et la composition. Variations de pression, cependant, ont un effet négligeable. Une fois que la viscosité dynamique est connue, la viscosité cinématique est le rapport de la viscosité dynamique à la densité du fluide. Il s’agit d’une mesure de la résistance du fluide à s’écouler par gravité. Plusieurs instruments mesurent la viscosité cinématique expérimentalement, comme le Canon-Fenske viscosimètre. Cet appareil se compose d’un bain d’eau grande température contrôlée avec ailettes pour maintenir l’équilibre thermique constante. Différentes dimensions tubes capillaires sont utilisés selon la viscosité du fluide approximative. En utilisant cet appareil, le liquide est versé dans le tube et aspiré devant les inscriptions gravées. Puis, le temps requis pour le fluide de voyager à travers le tube capillaire est mesuré, connu comme le temps de l’efflux. Le temps de l’efflux est ensuite multiplié par la constante d’étalonnage viscosimètre, qui est spécifique au verre capillaire utilisé pour donner la viscosité cinématique. Maintenant que vous connaissez les principes fondamentaux de la viscosité, nous allons mesurer la viscosité cinématique de solutions connues propylène glycol pour déterminer la concentration d’un échantillon inconnu.
Commencer l’expérience en préparant des sept solutions d’étalonnage avec des concentrations variables de propylène glycol et d’eau. Toutes les solutions avec la concentration de l’étiquette. Obtenir un échantillon de la concentration inconnue et mettez-le de côté. Vérifiez tous les échantillons de liquides pour les peluches, poussières ou particules solides avant d’utiliser et si nécessaire, filtrer l’échantillon à travers un filtre de verre centré. Ensuite, nettoyez le viscosimètre à l’aide de l’eau et sécher avec de l’air filtré. N’oubliez pas d’utiliser le tube capillaire de verre de taille appropriée pour le viscosimètre, qui dépend de la viscosité approximative de la solution à tester.
Maintenant, versez un échantillon dans le viscosimètre, puis essuyez le bras. Ensuite, placez le viscosimètre dans le support et insérez-la dans le bain. Attendez 10 à 15 minutes afin de laisser l’échantillon est proportionnelle à la température du bain. Puis appliquer la succion sur le bras et tirer l’échantillon dans le tube. Maintenant, prenez un chronomètre et mesurer le temps requis pour l’échantillon s’écouler librement dans le tube capillaire après avoir quitté le repère de la fin. Il s’agit de votre temps d’efflux. Répétez l’opération pour chaque échantillon. Maintenant que toutes les viscosités ont été mesurées, nous allons jeter un oeil à des résultats et déterminer la concentration de l’échantillon inconnu.
Pour trouver la concentration de l’échantillon inconnu utilisation des données des échantillons connus et interpoler la viscosité de la solution inconnue. Tout d’abord, déterminer la viscosité cinématique est en multipliant le temps mesuré par la constante de viscosimètre. Puis convertir la viscosité cinématique viscosité dynamique en multipliant par la masse volumique. Ensuite, tracer la viscosité cinématique est en fonction des molarités des échantillons connus. Le graphique montre que la viscosité augmente avec la concentration de glycol de propylène. Déterminer la relation linéaire entre la viscosité cinématique et de la concentration de propylène. Puis, interpoler la concentration de l’échantillon inconnu à l’aide de sa viscosité mesurée. Dans cette démonstration, l’échantillon inconnu contenue 45 % de mol de propylène glycol. Maintenant que vous avez appris comment la viscosité est utilisée pour déterminer la concentration, examinons les nombreuses applications de la viscosité dans les milieux industriels.
Test de viscosité est important dans de nombreux domaines industriels, allant de la raffinerie de pétrole et de production de cellules solaires à la recherche et les applications biomédicales. La mesure précise de la viscosité dans l’industrie pétrochimique est prioritaire car il est utilisé non seulement pour déterminer la composition du pétrole brut, mais aussi d’évaluer le contrôle de la qualité dans les produits pétrochimiques. Viscosité varie entre pétrole et hydrocarbures liquides, et il faut considérer pour une extraction efficace, la gestion et les conditions opérationnelles de raffinerie. Caractérisation rhéologique des suspensions très concentrées est également obligatoire pour le développement de produits de pomper des fluides complexes, tels que ceux utilisés dans la métallisation de cellules solaires. Les propriétés d’écoulement des pâtes conductrices doivent être soigneusement ajustés pour garantir la transformation intacte, sans défaut et empêcher l’agrégation de particules et de sédimentation. En médecine, micro techniques rhéologiques sont des outils diagnostiques qui examinent la déformabilité des globules rouges et détecter les maladies du sang comme l’anémie falciforme, qui affectent la viscosité du sang. Protocoles utilisant des micro fluidique avec des vitesses de cisaillement réglable et traitement d’images sont utilisées pour déterminer quantitativement l’agrégation des globules rouges dans la microcirculation. Ces protocoles sont également utilisées pour caractériser des tissus humains, comme la substance du cerveau, afin de mieux comprendre la structure et l’ingénieur bio inspiré des matériaux.
Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la viscosité. Vous devriez maintenant savoir fondamentaux principes de viscosité, de pouvoir exploiter un viscosimètre et comprendre l’importance de la viscosité dans un large éventail d’applications. Merci de regarder.
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Results
Dans cette expérience, on a mesuré la viscosité de plusieurs concentrations de propylène glycol. Comme prévu, a trouvé que la viscosité augmente avec la concentration de glycol de propylène. Le temps pour les exemples de solutions traverser le viscosimètre ont été mesurées et utilisées pour déterminer la viscosité cinématique. Nombreuses mesures ont été prélevés afin de minimiser l’erreur aléatoire.
La viscosité cinématique a été déterminée en utilisant le temps mesuré et la constante de viscosimètre :
Ensuite, la viscosité cinématique a été multipliée par la densité à donner la viscosité dynamique :
La concentration inconnue a été calculée et comparée aux solutions échantillon connu. Interpolation linéaire a été utilisée pour estimer la concentration, et la relation était meilleur ajustement à une fonction linéaire (Figure 1).
Pour l’équation ci-dessus, points de deux données connues de la viscosité cinématique et de concentration ont été utilisés, et x a été mis sur la viscosité mesurée de la solution inconnue. La solution a résolu pour y trouver la concentration de l’échantillon inconnu. Excel traçant la courbe caractéristique peut également être utilisé pour tracer une courbe de tendance à travers l’ensemble de données et de donner une équation de régression.
Figure 1 : La relation entre la concentration de solution et de la viscosité a démontré un ajustement linéaire.
Ce graphique montre que le logarithme naturel de viscosité et la composition suivre une relation linéaire. Comme solute composition augmente dans une solution, viscosité augmente également. Connaissant cette relation, la concentration de la solution inconnue est facile à trouver en mesurant sa viscosité et en rapport avec la relation connue entre la concentration et de la viscosité. L’exactitude expérimentale peut être améliorée en mesurant plus de concentrations connues ou en utilisant un thermomètre plus précis.
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Applications and Summary
L’objectif de cette expérience était de tester la relation entre viscosité et composition en utilisant la viscosité de la substance inconnue pour rechercher sa composition. Un certain nombre de solutions de concentration connue de propylène glycol et une solution de concentration inconnue ont été testé. Relations entre la densité, la viscosité dynamique et la viscosité cinématique ont été utilisées pour comparer les solutions. Puisque les solutions deviennent plus visqueuses comme ils sont devenus plus concentrées, nous avons pu limiter la concentration de la solution inconnue à une petite plage. Interpolation linéaire a été utilisée pour estimer la concentration, et la relation était meilleur ajustement à une fonction linéaire. Pour cette expérience, accroître la précision du thermomètre pourrait avoir diminué notre incertitude, puisque c’est la principale source d’erreur. Les concentrations plus pourraient également ont été testées afin d’augmenter la précision.
Test de viscosité précise est important pour une variété de domaines. Dans l’industrie de transformation des aliments, aliments doivent être testés pour viscosité tout au long de sa création comme il est transporté dans une installation2. Ces mesures sont utilisées pour optimiser l’efficacité du processus et d’établir des normes pour la production de2. La viscosité est importante pour l’industrie alimentaire, car il permettra de déterminer combien de temps transport de denrées alimentaires à travers un tuyau ou processeur prendra combien de temps il faudra les aliments à sécher, et le temps il faudra pour distribuer des aliments dans l’emballage pour le transport et la vente au détail2 . Ingénieurs utilisera la viscosité pour optimiser l’écoulement du produit par le biais de tuyauterie afin d’économiser l’énergie et maximiser le produit, sans pour autant diminuer la qualité du produit fini2. Viscosité est également importante d’établir des normes de sécurité pour la force qui peut être appliquée aux matériaux et produits sans l’endommager2.
Dans l’industrie du pétrole, la viscosité est un contrôle important pour l' évaluation de qualité3. Lors de l’achat ou la transformation du pétrole brut, sociétés doivent mesurer la viscosité pour déterminer le traitement approprié3. La viscosité fournit des informations importantes concernant la composition du pétrole brut3. Huile de différentes compositions est utilisé pour créer différents produits3. Certaines raffineries ne peuvent traiter que des huiles d’une certaine viscosité, tests précis est donc important de déterminer quels matériaux ils peuvent utiliser pour le raffinage3. Dans le raffinage du pétrole, la viscosité de l’huile est utilisée pour planifier les méthodes les plus efficaces pour l’extraction, le transport et raffinage méthode3. La température peut avoir également un impact sur la viscosité de l’huile, donc les contrôles doivent être mis en place pour avoir de l’huile à une température appropriée pour sa viscosité3. En outre, la viscosité d’une huile déterminera la façon dont il est nettoyé dans le cas d’une fuite de3.
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References
- Basic Introduction to Viscometry." A Basic Introduction to Viscometry. N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
- Scientific. "What is Viscosity, and Why is Measuring Viscosity Important?" What is Viscosity, and Why is Measuring Viscosity Important? N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
- Applications." Anton Paar. N.p., n.d. Web. 13 Jan. 2017.
