lưu biến tính chất học

Đường biểu diễn sự liên hệ giữa ứng suất biến dạng và suất biến dạng của chất lỏng Newton, được gọi là đường cong lưu biến, do đó là một đường thẳng trưng hoàn toàn cho chất lỏng.. LƯU

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Nội dung

Chương 1: Khaí niệm chung về tính chất lưu biến.

Chương 2: Dụng cụ đo độ nhớt loại ống.

Chương 3: Dụng cụ đo độ nhớt loại quay.

Chương 4: Lưu chất phi Newton đàn hồi nhớt

Tài liệu tham khảo

 [1] Mc Cabe & Smith ,”Unit operations in Chemical

Engineering” , Chương 7 , Mc Graw Hill , 1995.

 [2] Steffe , “ Rheological Methods in Food Processing Engineering “, Freeman Press , 1992.

 [3].Dennis Laba, “ Rheological Properties of Cosmetics and Toiletries“, Marcel Dekker, 1993.

 [4] Vũ Bá Minh , “Xác định tính chất lưu biến của dung dịch phi Newton lọai giả dẻo bằng phương pháp đo lưu lượng dòng chảy” , Hội Nghị Khoa Học-Công Nghệ

Trưòng Đại Học Kỹ Thuật TP.HCM lần 7 - 4/1999

 [5] Vũ Bá Minh , “Xác định tính chất lưu biến của dung dịch xanthan gum” , Tạp chí phát triển KH & CN, Đại Học Quốc gia TPHCM, tập 3 , 5 & 6/ 2000.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Tài liệu viết tiểu luận 1

[1] Haruhiko Yokoi… ,”Flocculation Properties of Xanthan

Produced by Xanthomonas campestris”, Biotechnology

Techniques, Oct 1996.

[2] E Galindo, “Aspects of the Process for Xanthan

Production”, Institution of Chemical Engineers, Dec 1994 [3] F Garcia-Ochoa & J.A Casas, “Apparent yield stress in

Xanthan gum solutions at low concentration”, Chem Eng Journal, Apr 1994.

[4] Vũ Bá Minh, “Khảo sát tính chất lưu biến của dung dịch Xanthan gum”, Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHQG, 2002.

Tài liệu viết tiểu luận 1

[5] Noh A Park, “Anomalous viscosity-temperature behavior

of aqueous Carbopol solutions”, Society of Rheology,

1997.

[6] Carbopol: Technical Information.

[7] Carbopol Troubleshooting Guide.

[8] Dave E.Dunstan…, “The rheology of engineered

polysaccharides”, Food Hydrocolloids, Sept 1994.

[9] Rajinder Pal, “Rheological Properties of Mixed

polysaccharides and Polysaccharide- Thickened

Emulsions”, AlChE Journal, July 1996.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Tài liệu viết tiểu luận 1

[10]P.G Kristensen…, Rheological Properties of Maize Starch Pastes”, Adelaide University,

1995.

[11] C.A Branch & C.D Rielly, “Forces acting

on large food particles during flow through a pipe at low Reynolds number”, IChemE

Research Event, 1993.

Tài liệu viết tiểu luận 2

 [1] L.T Wardhaugh & D.V Boger, “Pipeline flow of waxy crude oil”, The APEA Journal, 1992

 [2] Cheng Chang & D.V Boger, “The

measurement of true yield stresses of waxy

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Tài liệu viết tiểu luận 2

Ren, “The rheological properties of

barite-loaded drilling fluids”, Institute

of Chemical Engineers, 1992

“Rheology of colloidal suspensions:

Case of lubricating greases”, Society of Rheology, 1994

Chương 1: Khaí niệm chung

về tính chất lưu biến.

1.1 Định nghĩa

1.2 Lưu chất NEWTON

1.3 Lưu chất phi NEWTON (non-Newtonian fluids)

1.3.1 Lưu chất phi Newton độc lập thời gian

(time-independent) 1.3.2 Lưu chất phi Newton phụ thuộc thời gian

(time-dependent) 1.4 Lưu chất đàn hồi nhớt

(visco elastic)(chương 4)

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Ch 1.Tổng quan về lưu biến học

1.1 ĐỊNH NGHĨA

Trong Cơ học lưu chất:

 lưu chất đơn giản Newton

 lưu chất phi Newton

Tuy nhiên:

thông dụng trong các ngành CNHH

khi gặp các bài toán có liên quan

 Lưu biến học (Bingham - 1929)

chuyển của vật chất hay cách thức vật chất đáp ứng lại ứng suất tác động

Tất cả vật chất đều có tính lưu biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như:

Đến nay đã có nhiều thành tựu trong các lĩnh vực lưu biến sinh học, lưu biến polymer và lưu biến huyền phù

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Tính chất lưu biến thường được sử dụng trong các trường hợp sau:

 Tính toán quá trình và thiết bị.

 Xác định các chức năng chuyên biệt trong quá trình phát triễn sản phẩm.

 Kiểm tra chất lượng sản phẩm trung gian và cuối cùng.

 Kiểm tra tuổi thọ sản phẩm.

 Đánh giá kết cấu sản phẩm bằng cách

hiệu chỉnh số liệu đo.

 Phân tích phương trình cấu trúc lưu biến.

2 loại dụng cụ đo thông dụng xác định tính chất lưu biến:

 loại ống (tube viscometer)

 loại quay (rotational viscometer)

Giá trị của các loại thiết bị này thay đổi rất lớn từ loại mao quản thuỷ tinh không đắc tiền đến loại quay rất đắc tiền có khả năng

đo được các tính chất động và sai biệt ứng suất pháp tuyến.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

PHÂN LOẠI

Lưu chất (nhớt)

Phi Newton Newton

Thixotropy Rheopectic

Giả dẻo Bingham Herschel-Bulkley

Dilatant

PHÂN LOẠI

Đàn hồi nhớt phi tuyến Đàn hồi

Maxwell

Burgers Kelvin

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

1.2 LƯU CHẤT NEWTON

 Một lớp cố định và một lực biến dạng F được đặt lên lớp còn lại

 Trạng thái ổn định, F được cân bằng bởi nội lực trong chất lỏng gây ra do độ nhớt của nó

Lưu chất Newton chảy dòng ứng suất trượt (shear

stress) tỷ lệ thuận với gradient vận tốc:

F/A = τ α du/dy Công thức này có thể viết thành:

τ = µ du/dy = µ γ (1.1)

trong đó hệ số tỷ lệ µ được gọi là độ nhớt Newton.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

1.2 LƯU CHẤT NEWTON

 phụ thuộc nhiệt độ và áp suất;

 không phụ thuộc vào suất biến dạng

Đường biểu diễn sự liên hệ giữa ứng suất biến dạng và suất biến dạng của chất lỏng Newton, được gọi là đường cong lưu biến, do đó là một đường thẳng

trưng hoàn toàn cho chất lỏng

Tất cả các chất khí, lỏng và dung dịch có phân tử

lượng thấp thuộc vào loại lưu chất Newton.

Hình 2: Đường cong lưu biến cho

lưu chất Newton.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Bảng 1.1 Giá trị tiêu biểu của độ nhớt

một số chất ở nhiệt độ thường.

1.3 LƯU CHẤT PHI NEWTON

Lưu chất phi Newton:

 lưu chất có đường cong lưu biến không phải là

đường thẳng đi qua gốc toạ độ trên giản đồ lưu biến

 độ nhớt của lưu chất phi Newton không phải là

hằng số ở một nhiệt độ và áp suất nhất định

 phụ thuộc vào những yếu tố khác:

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

3 nhóm chính lưu chất phi Newton

 lưu chất có suất biến dạng ở một điểm bất kỳ chỉ phụ thuộc vào ứng suất biến dạng tại điểm đó ngoài ra

không phụ thuộc vào bất cứ yếu tố nào khác được

gọi là lưu chất phi Newton độc lập với thời gian.

 lưu chất phức tạp hơn trong đó quan hệ giữa ứng suất biến dạng và suất biến dạng phụ thuộc vào thời gian biến dạng của chất lỏng hoặc trạng thái trước đó của nó được gọi là lưu chất phi Newton phụ thuộc vào

thời gian

 lưu chất có cả hai đặc tính của chất lỏng và chất rắn, thể hiện tính đàn hồi cục bộ sau khi bị biến dạng và được gọi là lưu chất đàn hồi nhớt

1.3.1 LƯU CHẤT PHI NEWTON

ĐỘC LẬP VỚI THỜI GIAN

 1 Phân loại

lưu chất có tính chất lưu biến không phụ thuộc vào thời gian được mô tả bằng phương trình lưu biến có dạng:

Phương trình này cho thấy suất biến dạng tại một điểm bất kỳ trong lưu chất là một hàm đơn giản theo ứng suất biến dạng tại điểm đó

Những lưu chất này có thể được gọi bằng thuật ngữ

chất lỏng nhớt phi Newton

( ) τ

γ  = f

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

4 nhóm riêng biệt căn cứ vào hàm f

trong (1.2.)

1 Lưu chất dẻo Bingham.

2 Lưu chất giả dẻo (pseudoplastic – shear thinning).

3 Lưu chất dilatant (shear-thickening).

4 Lưu chất Herschel-Bulkley

Hình 3: Đường cong lưu biến của các lưu chất phi Newton độc lập với thời gian.

Hình 3: Đường cong lưu biến của các loại chất lỏng phi Newton không phụ thuộc thời gian khác nhau

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

(1) Lưu chất dẻo Bingham:

lưu biến là đường thẳng cắt trục tung ứng suất biến dạng tại điểm τ0 Ứng suất biến dạng giới hạn (ứng suất dư – yield stress) τ0 là ứng suất phải vượt qua trước khi hiện tượng lưu biến xảy ra

τ - τ0 = µB γ ; τ > τ0 (1.3)

trong đó τ0 là ứng suất dư và µB là độ nhớt dẻo của lưu chất, là hệ số góc của đường lưu biến.

(1) Lưu chất dẻo Bingham:

 Khái niệm về lưu chất dẻo Bingham lý tưởng rất thuận lợi trong những ứng dụng thực tế do có rất nhiều chất lỏng thực có tính chất rất gần với tính chất đặc trưng này

 Một số chất lỏng Bingham thông dụng là:

 các loại huyền phù,

dung dịch khoan,

sơn dầu,

kem đánh răng, và

bùn thải

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

(1) Lưu chất dẻo Bingham:

Giải thích về tính chất đặc trưng:

ở trạng thái đứng yên chất lỏng Bingham có

cấu trúc ba chiều đủ bền để chống lại các ứng

ứng suất này vượt quá ứng suất dư cấu trúc

này bị phá vỡ hoàn toàn và hệ có đặc trưng

giống như chất lỏng Newton dưới ứng suất

(2) Lưu chất giả dẻo (pseudoplastic – shear thinning):

 Lưu chất giả dẻo

không có ứng suất dư

đường cong lưu biến đặc trưng của loại lưu chất này cho thấy tỷ lệ giữa ứng suất biến dạng và suất biến dạng có thể được coi là độ nhớt biểu kiến µA , giảm liên tục theo

suất biến dạng và

đường cong lưu biến trở thành đường thẳng chỉ khi chất lỏng chuyển động với suất biến dạng rất cao Độ dốc giới hạn được coi như là độ nhớt khi suất biến dạng tăng đến ∞

và được ký hiệu là µ ∞.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Định luật luỹ thừa (Power Law) để mô tả tính

chất lưu biến của nhóm lưu chất này

 Phương trình này được Ostwald đưa ra đầu

tiên, sau đó được Reiner mô tả đầy đủ và được viết như sau:

τ = K γ (1.4)

 trong đó K và n là các hằng số (n < 1) cho từng lưu chất cụ thể

(2) Lưu chất giả dẻo

 K đặc trưng cho độ đậm đặc của lưu chất

(consistency), K càng lớn độ nhớt của chất lỏng càng lớn;

 n đặc trưng cho mức độ sai lệch so với chất

lỏng Newton, và n càng lớn tính chất phi

Newton càng rõ nét.

Cần lưu ý: n hầu như không đổi trong một

khoảng rộng suất biến dạng nhưng nó không phải là một hằng số trong tất cả khoảng suất

biến dạng có thể.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

(2) Lưu chất giả dẻo

Chỉ cần phương trình lưu biến mô tả lưu

chất trong một khoảng suất biến dạng

nhất định trong một bài toán cụ thể, như vậy n có thể coi như là một hằng số.

Cũng cần chú ý thêm rằng đơn vị của K phụ thuộc vào chỉ số n.

(2) Lưu chất giả dẻo

Thí dụ

 Rất thông dụng với các lọai thực phẩm lỏng.

 Các lọai polymer nóng chảy

 Có 3 vùng:

1) Newton thấp: độ nhớt tại γ = 0

2) Độ nhớt giảm

3) Newton cao: độ nhớt giới hạn tại γ = ∞

 Cần khảo sát vùng giữa khi thiết kế công

nghệ và thiết bị

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

(2) Lưu chất giả dẻo

 Một số phương trình thực nghiệm khác được dùng để mô tả tính chất đặc trưng của chất lỏng giả dẻo là: Prandtl τ = Asin -1 (γ /C)

Eyring τ = γ /B + Csin (τ/A) (1.6) Powell-Eyring τ = A γ + Bsinh -1 (C γ ) Williamsonτ = A γ /(B+ γ ) µ ∞ γ

A, B và C là những hằng số đặc trưng cho từng lưu chất cụ thể

Những công thức này nhìn chung khó sử dụng hơn định luật luỹ thừa.

γ 

γ 

γ 

Một số giá trị tiêu biểu của K và n

độ, K

0,95 0,55 0,103

0,044 0,205 19,5

44 – 560 0,56 – 883

1 - 50

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

(3) Chất lỏng Dilatant

 không có ứng suất dư

 nhưng độ nhớt của những lưu chất này tăng lên theo suất biến dạng Phương trình định luật luỹ thừa vẫn có thể sử dụng được với lưu chất này nhưng số mũ n lớn hơn 1.

 Osborne Reynolds: những lưu chất này

thường thấy ở những huyền phù có nồng độ chất rắn cao

(3) Chất lỏng Dilatant

 Khái niệm " dản nở -dilatant" được dùng cho lưu chất có tính chất tăng độ nhớt biểu kiến theo suất biến dạng thí dụ như bột bánh nhão, không phải là huyền phù và bằng quan sát bình thường không thể thấy chúng nở ra khi chuyển động

 Trong các quá trình công nghệ lưu chất dilatant ít thông dụng hơn chất lỏng giả dẻo nhưng áp dụng định luật luỹ thừa hai lưu chất này có thể xem là tương đương.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

(4) Lưu chất Herschel-Bulkley

 Có thể biểu diễn một cách tổng quát bằng phương trình Herschel-Bulkley như sau

τ = K (γ ) n + τ0 (1.7)

thích hợp cho nhiều loại lưu chất thực phẩm, dung

dịch polymer hoặc polymer nóng chảy

 Ngoài lưu chất Newton, luật luỹ thừa (giả dẽo khi 0<

n < 1 hay dilatant khi 1 < n < ) và chất dẻo

Bingham có thể được xem như những trường hợp

đặc biệt của mô hình này

Bảng 1.2 Trị số K và n cho trường hợp lưu chất phi Newton độc lập với thời gian.

> 0 0 0 0

> 0

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

1.3.1 LƯU CHẤT PHI NEWTON

ĐỘC LẬP VỚI THỜI GIAN

2 Độ nhớt biểu kiến

f

γ

τ

= ϕ

γ

= γ

= µ

SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU VÀ

ST QUÁ TRÌNH &

VẬT LIỆU

Suất biến dạng, γ , s -1

ÚNG DỤNG

1 Lắng của hạt trong

huyền phù 10 -6 - 10 -3 Polymer, sơn, y khoa, sốt

gia vị

do sức căng bề mặt 10 -2 - 10 -1 Sơn, mực in, tràng kem

lên bánh

3 Chảy do trọng lực 10 -1 - 10 1 Sơn và che phủ bề mặt,

dòng chảy nhỏ

phẩm.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU VÀ

6 Che phủ bề mặt bằng

phương pháp nhúng 10 1 -10 2 Sơn , bánh kẹo.

nhiên liệu

10 Che phủ bề mặt với tốc

SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MỘT SỐ QUÁ TRÌNH TIÊU BIỂU TRONG MỸ PHẨM

Quá trình Suất biến dạng, s -1

Sơn móng tay,

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Chất phụ gia cho tính chất lưu

biến

 Chất phụ gia làm thay đổi tính chất lưu biến.

 Một số phụ gia chỉ cần 0,5% đủ để tạo gel ổn định; một số khác đến 10% vẫn còn chảy.

 Một số phụ gia làm đậm đặc ngay khi thêm vào; một số khác phải trung hòa, biến dạng (v.d khuấy) hay gia nhiệt.

 Một số phụ gia làm trong dung dịch, hay tạo nên tính ổn định nhiệt, trạng thái nhủ tương hay huyền phù.

Chất phụ gia cho tính chất lưu

biến Tính tương thích

với nước với dầu/dung môi

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

Hiện tượng ứng suất dư

đây là một thực tế kỹ thuật có ảnh hưởng

nhiều lên quá trình tính tóan công nghệ.

[2] Kết quả khác nhau.

đường cong lưu biến (hay độ nhớt biểu

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

 Kiểm tra chất lượng sản phẩm: tính lặp

lại của các số liệu đo ứng suất dư.

 Khi so sánh đặc trưng sản phẩm từ những dây chuyền khác nhau hay từ những nhà máy khác nhau.

 Đo đạc gắn với ứng dụng.

 Giá trị thực của ứng suất dư cần thiết cho việc thiết kế quá trình thiết bị gia công

nhất là gia công nhiệt.

 Thí dụ [2]

1.3.2 LƯU CHẤT PHI NEWTON

PHỤ THUỘC THỜI GIAN

 Nhiều chất lỏng thực không thể mô tả bằng một trong các ph.tr trên.

 Độ nhớt biểu kiến của rất nhiều chất lỏng phức tạp khác phụ thuộc không chỉ vào

suất biến dạng mà còn phụ thuộc vào thời gian biến dạng

 Xác định được mối quan hệ tính chất lưu

biến của lọai lưu chất này là công việc phức tạp.

09/09/15 Chuong 1: Khai niem chung ve tinh chat

1.3.2 LƯU CHẤT PHI NEWTON

PHỤ THUỘC THỜI GIAN

thành 2 nhóm:

tăng theo thời gian khi lưu chất biến

dạng với một suất biến dạng không đổi.

1 Lưu chất thixotropic - sự phá vỡ

cấu trúc do ứng suất:

 Lưu chất thixitropic là loại vật liệu mà

mật độ vật chất của nó phụ thuộc vào thời gian tác động của ứng suất cũng như suất biến dạng.

 Nếu một lưu chất thixotropic chịu một ứng suất không đổi sau một thời gian đứng yên cấu trúc của nó sẽ bị phá vỡ dần và độ

nhớt biểu kiến sẽ giảm dần theo thời gian biến dạng