Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Chemical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

צמיגות של פרופילן גליקול פתרונות
 
Click here for the English version

צמיגות של פרופילן גליקול פתרונות

Overview

מקור: מייקל בנטון וקרי מ. דולי, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס

צמיגות היא מדד להתנגדות של נוזל לזרימה, והיא פרמטר שימושי בעיצוב עיבוד מוצר יעיל ובקרת איכות במגוון רחב של תעשיות. מגוון של ויסקומטרים משמשים כדי להשיג את הקריאות המדויקות ביותר של חומרים ניסיוניים. השיטה הסטנדרטית למדידת צמיגות היא באמצעות ויסקומטר צינור זכוכית, אשר מעריך צמיגות על ידי מדידת כמות הזמן שלוקח לנוזל לזרום דרך צינור נימי עשוי זכוכית1.

ויסקומטרים סיבוביים פועלים על ידי החלת כוחות גיזום ומדידת הזמן שלוקח1זורם . ויסקומטרים אלה עושים שימוש בכוח הזורם של הנוזל, והם יכולים להשתמש במערכת קפיצים או במערכת מקודד דיגיטלית1. קיימות גם מערכות מדידה שונות, כאשר התקן הוא חרוט ומערכת צלחת, שבה נוזל זורם מתחת לצורת החרוט ומעל הצלחת, על מנת למזער את מתח הגיזה1. מערכות לוח מקבילות משתמשות בשתי לוחות מקבילים והיא אידיאלית למדידה על פני שיפועי טמפרטורה, ומאפשרת מעבר חלק1. מערכות Couette להשתמש וחומר מילוי, ואת הנוזל זורם בין שני1. מערכות אלה הן הטובות ביותר עבור חומרים עם צמיגות נמוכה, שכן מערכת זו ממזערת את מתח הגיהה, אבל המערכת היא גם קשה יותר לפעול באופן שגרתי עקב בעיות עם ניקוי צורך בכמויות גדולות יותר של נוזל1.

בניסוי זה, קנון-פנסקה ויסקומטר ישמש למדידת הצמיגות של מספר פתרונות פרופילן גליקול כדי לקבוע את הקשר בין צמיגות והרכב.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

צמיגות קינמטית היא היחס בין צמיגות דינמית לצפיפות. היחס בין מתח הגזירה לקצב הגזירה הוא הצמיגות הדינמית של נוזל, שהוא מדד של ההתנגדות לעיוות בזרימת למינאר לנוזל ניוטוני. יחס זה ייחודי לצמיגות קינאמטית, המאפשרת אינטרפולציה למשתנה לא ידוע על ידי התחשבות בשני משתנים, צמיגות קינאמטית וריכוז.

טמפרטורה, צפיפות והרכב יכולים ליצור שינויים בעיוות הזרימה. לחץ הוא זניח על נוזלים בשלב נוזלי, ולכן זה לא גורם לניסוי זה. צמיגות קינמטית ניתן למדוד באמצעות ויסקומטר בגלל היחסים המוצגים בחוק האגן-Poiseuille, אשר מבטא כי ירידה בלחץ נובעת כוח המשיכה, צמיגות דינמית, וצמיגות קינמטית. צמיגות קינמטית יכולה להיות קשורה גם לזמן באמצעות קבוע צמיג ספציפי לכל זכוכית נימית,

Equation 1

Equation 2איפה הצמיגות הקינטמטית, C הוא קבוע הצמיג, ו t הוא זמן. קבועי ויסקומטר נמדדים בדרך כלל וניתנים על ידי היצרן של הצמיג. המשוואה לעיל משמשת לקביעת צמיגות קינמית, אשר ניתן להמיר לצמיגות דינמית על ידי הכפלה על ידי צפיפות הנוזל,

Equation 3

כאשר μ הוא הצמיגות הדינמית, Equation 2 הוא הצמיגות הקינטמטית, ו ρ הוא הצפיפות. מידע זה יכול לשמש כדי לקשר את הריכוז של צמיגות מנוצלת ודינמית באופן גרפי.

קנון-פנסקה Viscometer נמצא בשימוש נרחב כדי למדוד את הצמיגות של פתרונות שונים. הצמיג שקוע באמבט מים גדול המכיל סליל בקרת טמפרטורה וסנפיר לשמירה על תרמו-קווילביריום קבוע. הנימי מכווץ את זרימת הנוזל כלפי מטה, כך שהזמן הנדרש לנוזל לנוע דרך אזור נימי מוכפל על ידי קבוע הצמיג כדי לתת את הצמיגות הקינטמטית. כלי זכוכית נימיים גדולים יותר משמשים למדידת פתרונות עם צמיגות גבוהה יותר. פתרונות צמיגים נוספים לוקחים יותר זמן לנסוע דרך זכוכית נימית. מידע זה יכול לשמש כדי להשוות את הלא ידוע לריכוזים ידועים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. הכנת הצמיג

  1. הכן שבעה פתרונות עם ריכוזים שונים של פרופילן גליקול במים (בין 0 - 100 מול % פוליפרופילן גליקול). סמן את כל הפתרונות. אלה ישמשו לכיול. השגו דגימה של הריכוז הלא ידוע והניחו אותו בצד
  2. בדוק את הדגימות עבור מוך, אבק, או חומר מוצק אחר. במידת הצורך, סנן את הדגימה באמצעות מסנן זכוכית מסונטרת או מסך רשת עדין.
  3. נקה את הצמיג המתאים באמצעות מים, ויבש עם אוויר מסונן כדי להסיר את העקבות הסופיים של ממסים. פתרונות צמיגות נמוכים יותר ישתמשו בכלי זכוכית נימיים בגודל 50, גודל 100 ישמש לפתרון הלא ידוע, ופתרונות צמיגות גבוהים יותר ישתמשו בכלי זכוכית נימיים בגודל 150.

2. טעינת הצמיג

  1. יוצקים את הדגימה לתוך הצמיג עד שהוא ממלא לפחות חצי מהנורה הגדולה יותר. לאחר מכן, לנגב את היד נקייה.
  2. מניחים את הצמיג לתוך המחזיק ומכניסים אותו לאמבט הטמפרטורה הקבועה. יישר אותו אנכית עם בוב אינסטלציה קטן בצינור הגדול או השתמש במחזיק יישור עצמי.
  3. אפשר לדגימה להתכווות לטמפרטורת אמבט המים. אפשר כ 10 דקות עבור המדגם לבוא לטמפרטורת האמבטיה ב 40 °C (55 °F) ו 15 דקות ב 100 °C (50 °F).
  4. החל יניקה לזרוע ולמשוך את הנוזל לתוך הצינור.

3. מדידת השפכים

  1. השתמש בשעון עצר ומדוד את הזמן הנדרש עבור המניסקוס של המדגם לזרום בין הסימנים שצוינו. זה זמן השפכים.
  2. חזור על שלבים 6 ו- 7 עבור ריצות כפולות. ולחזור על כל ההליך עבור כל דגימה.

צמיגות היא מדד להתנגדות של נוזל לזרימה והיא פרמטר שימושי בעיצוב עיבוד מוצר יעיל ובקרת איכות במגוון רחב של תעשיות. צמיגות מתארת את החיכוך הפנימי של נוזל נע. נוזל עם צמיגות גבוהה מתנגד לזרימה, ואילו נוזל עם צמיגות נמוכה זורם בקלות רבה יותר. צמיג צינור זכוכית משמש בדרך כלל כדי לקבוע צמיגות, אשר מודד את הזמן שלוקח לנוזל לזרום דרך צינור נימי. ויסקומטרים סיבוביים כגון עם גיאומטריה צלחת מקבילה, להחיל כוחות גיזה ולמדוד את המומנט הנדרש כדי לסובב את הנוזל. וידאו זה ממחיש את עקרונות הצמיגות, מדגים כיצד להשתמש צמיג כדי לקבוע את הריכוז הלא ידוע של פתרון פרופילן גליקול, ודן כמה יישומים תעשייתיים.

בתור התחלה, בואו נסקור את עקרונות הצמיגות. הצמיגות הדינמית של נוזל מתארת את הכוח לכל שטח פנים ליחידה, המכונה לחץ הגזזה, הנדרש כדי להזיז נוזלים, במקרה זה, במקביל למישור. הנוזל במגע קרוב עם הצלחת התחתונה נשאר במנוחה, והנוזל שנוגע בצלחת העליונה הוא באותה מהירות כמו הצלחת. שיפוע מהירות זה נובע מחיכוך פנימי בין שכבות נוזל, והוא ידוע כקצב עיוות הגיזה. הצמיגות הדינמית מוגדרת כלחץ הגיסה חלקי קצב עיוות הגיסה. הצמיגות יכולה להיות מושפעת מטמפרטורה, צפיפות נוזלים והרכב. עם זאת, לשינויי לחץ יש השפעה זניחה. ברגע שהצמיגות הדינמית ידועה, הצמיגות הקינטמטית היא היחס בין צמיגות דינמית לצפיפות הנוזל. זהו מדד להתנגדות הנוזל לזרימה עקב כוח המשיכה. מספר מכשירים מודדים צמיגות קינמטית באופן ניסיוני, כגון ויסקומטר קנון-פנסקה. מנגנון זה מורכב מאמבט מים מבוקר טמפרטורה גדול עם סנפירים כדי לשמור על שיווי משקל תרמו קבוע. צינורות נימיים בגודל שונה משמשים בהתאם לצמיגות של הנוזל המשוער. באמצעות מנגנון זה, נוזל נשפך לתוך הצינור ויניקה בעבר סימונים חרוטים. לאחר מכן, הזמן הנדרש עבור הנוזל לנסוע בחזרה דרך הצינור נימי נמדד, המכונה זמן השפכים. זמן השפכים מוכפל לאחר מכן על ידי קבוע כיול ויסקומטר, אשר ספציפי זכוכית נימי המשמשת כדי לתת את הצמיגות הקינטמטית. עכשיו שאתה יודע את היסודות של צמיגות, בואו למדוד את הצמיגות הקינטמטית של פתרונות פרופילן גליקול ידועים כדי לקבוע את הריכוז של מדגם לא ידוע.

התחל את הניסוי על ידי הכנת שבעה פתרונות לכיול בריכוזים שונים של פרופילן גליקול ומים. סמן את כל הפתרונות בריכוז. להשיג מדגם של הריכוז הלא ידוע, ולהניח אותו בצד. בדוק את כל הדגימות הנוזליות עבור מוך, אבק, או חלקיקים מוצקים לפני השימוש, ואם יש צורך, לסנן את המדגם דרך מסנן זכוכית ממורכז. לאחר מכן, לנקות את viscometer באמצעות מים ולייבש אותו עם אוויר מסונן. זכור להשתמש בצינור נימי זכוכית בגודל המתאים עבור viscometer, אשר תלוי צמיגות משוערת של הפתרון להיבדק.

עכשיו, לשפוך דגימה לתוך viscometer, ולאחר מכן לנגב את הזרוע נקייה. לאחר מכן, מניחים את הצמיג לתוך המחזיק ומכניסים אותו לאמבט הטמפרטורה. המתן 10 עד 15 דקות כדי לאפשר לדגימה להתפרק לטמפרטורת האמבטיה. לאחר מכן להחיל יניקה לזרוע, ולמשוך את המדגם לתוך הצינור. עכשיו לקחת סטופר ולמדוד את הזמן הנדרש עבור המדגם לזרום בחופשיות במורד הצינור נימי לאחר שעזב את נקודת הקצה המסומנת. זה זמן השפכים שלך. חזור על ההליך עבור כל דגימה. עכשיו שכל הצמיגות נמדדה, בואו נסתכל על התוצאות ולקבוע את הריכוז של המדגם הלא ידוע.

כדי למצוא את הריכוז של המדגם הלא ידוע להשתמש בנתונים של הדגימות הידועות ולאינטרפולציה את הצמיגות של הפתרון הלא ידוע. ראשית, לקבוע את הצמיגות הקינטמטית על ידי הכפלת הזמן הנמדד על ידי קבוע הצמיג. לאחר מכן להמיר את הצמיגות הקינטמטית לצמיגות דינמית על ידי הכפלה על ידי צפיפות המסה. לאחר מכן, התווה את הצמיגות הקינקמטית כפונקציה של הטוחנות של הדגימות הידועות. הגרף מראה כי צמיגות עולה עם הגדלת ריכוז פרופילן גליקול. לקבוע את הקשר הליניארי בין צמיגות קינמטית וריכוז פרופילן. לאחר מכן, אינטרפולציה הריכוז של המדגם הלא ידוע באמצעות צמיגותו הנמדדת. בהדגמה זו, המדגם הלא ידוע הכיל 45 אחוז מול של פרופילן גליקול. עכשיו שלמדת כיצד הצמיגות משמשת לקביעת ריכוז, בואו נבחן את היישומים הרבים של צמיגות בהגדרות תעשייתיות.

בדיקת צמיגות חשובה בתחומים תעשייתיים רבים, החל מבית זיקוק לנפט וייצור תאים סולאריים ועד יישומים ומחקר ביו-רפואיים. המדידה המדויקת של צמיגות בתעשייה הפטרוכימית היא בעדיפות גבוהה כי הוא משמש לא רק כדי לקבוע את הרכב הנפט הגולמי, אלא גם כדי להעריך בקרת איכות במוצרים פטרוכימיים. צמיגות משתנה מנפט גולמי לפחמימנים נוזליים, ויש לשקול אותה לתנאי תפעול יעילים של מיצוי, טיפול ובתי זיקוק. אפיון רולוגי של מתלים מרוכזים מאוד הוא גם חובה לפיתוח המוצר של יישומים מעורבים נוזלים מורכבים, כגון אלה המשמשים מתכות של תאים סולאריים. יש להתאים בקפידה את תכונות הזרימה של משחות מוליכות כדי להבטיח עיבוד ללא הפרעה וללא פגמים ולמנוע משקעים וצבירה של חלקיקים. ברפואה, טכניקות מיקרו-רולוגיות הן כלי אבחון שחוקרים עיוותים של תאי דם אדומים, ומזהים מחלות דם כגון אנמיה חרמשית, המשפיעות על צמיגות הדם. פרוטוקולים המשתמשים במיקרו נוזלים עם קצבי גיסת מתכווננים ועיבוד תמונה מנוצלים כדי לקבוע כמותית צבירת תאי דם אדומים במיקרו-סירקולציה. פרוטוקולים אלה משמשים גם כדי לאפיין רקמה אנושית, כגון חומר מוחי, כדי להבין טוב יותר מבנה ומהנדס חומרים ביו השראה.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לצמיגות. עכשיו אתה צריך לדעת את העקרונות הבסיסיים של צמיגות, להיות מסוגל להפעיל ויסקומטר, ולהבין את החשיבות של צמיגות במגוון יישומים. תודה שצפיתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

בניסוי זה נמדדו הצמיגות של מספר ריכוזים של פרופילן גליקול. כצפוי, הצמיגות נמצאה להגדיל עם ריכוז פרופילן גליקול. הזמן לפתרונות המדגם לחצות את הצמיג נמדדו ושימשו לקביעת הצמיגות הקינסמטית. מדידות רבות נאספו כדי למזער שגיאות אקראיות.

הצמיגות הקינטמטית נקבעה תוך שימוש בזמן כפי שנמדד וקבוע הצמיג:

   Equation 4

לאחר מכן, הצמיגות הקינטמטית הוכפלה על ידי הצפיפות כדי לתת את הצמיגות הדינמית:

Equation 5

הריכוז הלא ידוע חושב והושווה לפתרונות המדגם הידועים. אינטרפולציה ליניארית שימשה להערכת הריכוז, והקשר התאים בצורה הטובה ביותר לפונקציה ליניארית(איור 1).

Equation 6

עבור המשוואה לעיל, נעשה שימוש בשתי נקודות נתונים ידועות של צמיגות וריכוז קינאמטיים, ו- x הוגדר כצמיגות הנמדדת של הפתרון הלא ידוע. הפתרון נפתר עבור y כדי למצוא את הריכוז של המדגם הלא ידוע. ניתן להשתמש בתכונת הגרפים של Excel גם כדי להתוות קו מגמה דרך ערכת הנתונים ולתת משוואה המתאימה ביותר.

Figure 1
איור 1: הקשר בין ריכוז הפתרון לצמיגות הפגין התאמה ליניארית.

גרף זה מראה כי הלוגריתם הטבעי של צמיגות וקומפוזיציה לעקוב אחר קשר ליניארי. ככל שהרכב חמצמצה עולה בפתרון, צמיגות גם מגבירה. לדעת את הקשר הזה, הריכוז של הפתרון הלא ידוע נמצא בקלות על ידי מדידת צמיגותו וקשר אותו לקשר הידוע בין ריכוז וצמיגות. ניתן לשפר את הדיוק הניסיוני על ידי מדידת ריכוזים ידועים יותר או באמצעות מדחום מדויק יותר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

מטרת הניסוי הזה הייתה לבחון את הקשר של צמיגות והרכב באמצעות הצמיגות של החומר הלא ידוע כדי למצוא את הרכבו. מספר פתרונות ריכוז ידועים של פרופילן גליקול ופתרון ריכוז לא ידוע אחד נבדקו. קשרים בין צפיפות, צמיגות דינמית וצמיגות קינמית שימשו כדי להשוות את הפתרונות. מכיוון שהפתרונות נעשים צמיגים יותר ככל שהם הפכו מרוכזים יותר, הצלחנו לצמצם את ריכוז הפתרון הלא ידוע לטווח קטן. אינטרפולציה ליניארית שימשה להערכת הריכוז, והקשר התאים בצורה הטובה ביותר לפונקציה ליניארית. עבור ניסוי זה, הגדלת הדיוק של המדחום יכול היה להפחית את אי הוודאות שלנו באופן משמעותי, שכן הוא המקור העיקרי של שגיאה. ריכוזים נוספים יכלו גם להיבדק כדי להגביר את הדיוק.

בדיקת צמיגות מדויקת חשובה למגוון תחומים. בתעשיית עיבוד המזון, מזון חייב להיבדק עבור צמיגות לאורך כל יצירתו כפי שהוא מועבר ברחבימתקן 2. מדידות אלה משמשות כדי למקסם את היעילות של התהליך ולקבוע סטנדרטים לייצור2. הצמיגות חשובה לתעשיית המזון מכיוון שהיא תקבע כמה זמן תימשך הובלת מזון באמצעות צינור או מעבד, כמה זמן ייקח מזון להתייבש, ואת הזמן שייקח לחלק מזון לאריזות להובלה וקמעונאות2. מהנדסים ישתמשו בצמיגות כדי למקסם את זרימת המוצר באמצעות צנרת על מנת לחסוך באנרגיה ולמקסם את המוצר, מבלי להפחית את איכות המוצר המוגמר2. צמיגות חשובה גם לקבוע סטנדרטים בטוחים עבור הכוח שניתן להחיל על חומרים ומוצר מבלי לפגוע בו2.

בתעשיית הנפט, צמיגות היא בקרה חשובה להערכת איכות3. בעת רכישה או עיבוד של נפט גולמי, חברות חייבות למדוד את הצמיגות כדי לקבוע את הטיפול המתאים3. הצמיגות מספקת מידע חשוב על הרכב הנפט הגולמי3. שמן של קומפוזיציות שונות משמש ליצירת מוצרים שונים3. בתי זיקוק מסוימים יכולים לעבד רק שמנים בעלי צמיגות מסוימת, ולכן בדיקה מדויקת חשובה כדי לקבוע אילו חומרים הם יכולים להשתמש לזיקוק3. בזיקוק נפט, הצמיגות של השמן משמשת לתכנון השיטות היעילות ביותר להפקה, הובלה ושיפור שיטת3. טמפרטורה יכולה גם להשפיע על צמיגות של שמן, ולכן פקדים חייבים להיות לשים במקום יש את השמן בטמפרטורה מתאימה עבור צמיגותו3. בנוסף, צמיגות של שמן תקבע את אופן ניקויו במקרה שלדליפה 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

References

  1. Basic Introduction to Viscometry." A Basic Introduction to Viscometry. N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
  2. 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.
  3. Applications." Anton Paar. N.p., n.d. Web. 13 Jan. 2017.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter