Luu bien Trong cong nghe thuc pham

LÖU CHAÁT PHI NEWTON Löu chaát 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 phả[r]

Trang 2

02/24/23 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

Trang 3

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.

Trang 4

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.

Trang 5

[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.

Trang 6

[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.

Trang 7

 [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 crude oil”

 [3] T.C Davenport & R S H Somper, “The

Yield Value and Breakdown of Crude Oil Gels”, Journal of the Institute of Petroleum, 1971

Trang 8

 [4] B J Briscoe, P.F Luckham & S.R Ren, “ The rheological properties of

barite-loaded drilling fluids ”, Institute

of Chemical Engineers, 1992

 [5] Rémy Mas & Albert Magnin,

Case of lubricating greases” , Society of Rheology, 1994

Trang 9

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)

(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)

Trang 10

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:

lưu chất phi Newton ngày càng trở nên thông

dụng trong các ngành CNHH

là đối tượng quan trọng phải giải quyết khi

gặp các bài toán có liên quan

ngành khoa học chuyên biệt.

Trang 11

 Lưu biến học (Bingham - 1929)

 Đây là một ngành khoa học nghiên cứu về sự biến dạng và lưu 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:

công nghệ hoá học và thực phẩm nói chung,

công nghệ sinh học,

địa chất và quặng mỏ,

công nghệ bê tông,

cơ học đất,

khoa học về bôi trơn,

Đến nay đã có nhiều thành tựu trong các lĩnh vực lưu

biến sinh học, lưu biến polymer và lưu biến huyền phù

Trang 12

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.

Trang 13

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.

Trang 14

PHÂN LOẠI

Phi Newton Newton

Thixotropy Rheopectic

Giả dẻo Bingham Herschel-Bulkley

Dilatant

Trang 15

PHÂN LOẠI

Chất rắn (đàn hồi)

Đàn hồi nhớt phi tuyến Đàn hồi

Maxwell

Burgers Kelvin

Trang 16

Trang 17

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 =   du/dy Công thức này có thể viết thành:

 =  du/dy =  γ (1.1)

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

Trang 18

1.2 LƯU CHẤT NEWTON

 Độ nhớt Newton  chỉ :

 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 có độ dốc  như hình vẽ và chỉ cần hằng số  đặc 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.

Trang 19

Hình 2: Đường cong lưu biến cho

lưu chất Newton

Trang 20

Bảng 1.1 Giá trị tiêu biểu của độ nhớt

một số chất ở nhiệt độ thường.

Trang 21

1.3 LƯU CHẤT PHI NEWTON

Lưu chất phi Newton:

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

hằng số ở một nhiệt độ và áp suất nhất định

Trang 22

3 nhóm chính lưu chất phi Newton

phụ thuộc vào ứng suất biến dạng tại điểm đó ngoài

ra không phụ thuộc vào bất cứ yếu tố nào khác

suất biến dạng và suất biến dạng phụ thuộc vào thời

vào thời gian

Trang 23

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:

(1.2)

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

  

   f

Trang 24

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

Trang 25

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

Tốc độ trượt 

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

Trang 26

(1) Lưu chất dẻo Bingham:

 Lưu chất dẻo Bingham đặc trưng bằng đường

cong lưu biến là đường thẳng cắt trục tung ứng suất

(ứng suất dư – yield stress) 0 là ứng suất phải

vượt qua trước khi hiện tượng lưu biến xảy ra

 Phương trình lưu biến :

 - 0 = B γ ;  > 0

(1.3)

trong đó 0 là ứng suất dư và B là độ nhớt dẻo

của lưu chất, là hệ số góc của đường lưu biến.

Trang 27

 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

Trang 28

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 suất biến dạng nhỏ hơn ứng suất dư 0 Nếu

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

trượt  - 0 Khi ứng suất trượt giảm xuống

dưới giá trị 0 cấu trúc cũ lại được phục hồi.

Trang 29

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

chất này cho thấy tỷ lệ giữa ứng suất biến dạng và suất biến dạng có thể được coi là

suất biến dạng và

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

Trang 30

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

lưu chất cụ thể

Trang 31

(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.

Trang 32

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.

Trang 33

Thí dụ

nghệ và thiết bị

Trang 34

để mô tả tính chất đặc trưng của chất lỏng giả dẻo là:

Trang 35

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

Trang 36

(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

Trang 37

(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.

Trang 38

(4) Lưu chất Herschel-Bulkley

trình Herschel-Bulkley như sau

 = K ( ) n + 0 (1.7)

dịch polymer hoặc polymer nóng chảy

Bingham có thể được xem như những trường hợp đặc biệt của mô hình này

Trang 39

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

 0000

 0

Trang 40

ĐỘC LẬP VỚI THỜI GIAN

2 Độ nhớt biểu kiến

f

Trang 41

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

2 Làm phẳng bề mặt

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

4 Ép đùn 10 0 - 10 3 Polymer, các loại thực

phẩm.

5 Cán láng 10 1 - 10 2 Polymer, thực phẩm dang

Trang 42

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.

7 Khuấy trộn 10 1 - 10 3 Thực phẩm, polymer

8 Dòng chảy trong ống 10 0 -10 3 Thực phẩm, polymer

9 Phun 10 3 -10 4 Sơn, sấy phun, phun

nhiên liệu

10 Che phủ bề mặt với tốc

độ cao 10 4 -10 6 Sản xuất giấy

11 Bội trơn 10 3 -10 7 Vòng bi, động cơ

Trang 43

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

Quá trình Suất biến dạng, s -1

Sơn móng tay,

Sơn móng tay, son môi 10 3 - 10 4

Trang 44

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.

Trang 45

Chaát phuï gia cho tính chaát löu bieán

Trang 46

Trang 47

Hiện tượng ứng suất dư

 Ứng suất tối thiểu để bắt đầu chuyển động, đây là một thực tế kỹ thuật có ảnh hưởng

nhiều lên quá trình tính tóan công nghệ.

 Nhiều phương pháp xác định ứng suất dư [2] Kết quả khác nhau.

 Phương pháp thông thường là ngọai suy

đường cong lưu biến (hay độ nhớt biểu

kiến)→ phụ thuộc mô hình.

Trang 48

 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]

Trang 49

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.

Trang 50

PHỤ THUỘC THỜI GIAN

 Những lưu chất lọai này có thể chia

thành 2 nhóm:

Chất lỏng thixotropic

Chất lỏng rheopectic

 tùy theo ứng suất biến dạng giảm hay tăng theo thời gian khi lưu chất biến

dạng với một suất biến dạng không

đổi.

Trang 51

1 Lưu chất thixotropic - sự phá vỡ

cấu trúc do ứng suất:

thời gian tác động của ứng suất cũng như suất biến dạng.

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.

Trang 52

 Khi chấm dứt biến dạng, độ nhớt lớn ban đầu sẽ hồi phục Tính chất thuận nghịch

này đạt một mức độ và độ nhớt chỉ hồi

phục một phần Thí dụ loại nước sốt táo

(applesauce) và các lọai kem.

 Hầu hết các lọai thực phẩm hoặc cấu tử

thực phẩm đều có tính lưu biến phụ thuộc thời gian nhiều hay ít.

Trang 53

 Tuy nhiên chỉ quan sát giai đọan đầu biến dạng và trong thực tế bỏ qua khi dòng lưu

chất chuyển động.

 Quan trọng trong giai đọan đầu của công

nghệ và cần xem xét khi quyết định tính

chất đặc trưng của sản phẩm cuối cùng.

Trang 54

1 Lưu chất thixotropic

 Tốc độ phá vỡ cấu trúc trong quá trình chịu tác động của một ứng suất không đổi sẽ phụ thuộc

vào số lượng các liên kết có sẵn phải phá vỡ và do đó sẽ giảm dần theo thời gian (tốc độ của phản

ứng hóa học bậc 1)

 Tốc độ tái tạo lại cấu trúc của lưu chất sẽ tăng

lên theo thời gian, xảy ra đồng thời và bằng với

mức tăng số lượng các liên kết có thể có của cấu trúc mới

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	1,53 MB

Luu bien Trong cong nghe thuc pham

(1) Lưu chất dẻo Bingham:(1) Lưu chất dẻo Bingham: