Способ определения полных реологических кривых полидисперсных систем

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДОЖЛЬСТВУ. Социалистических Республик Р 11 М ,З 6 01 Н 11/14 Государствеиимй комитет СССР ио дедам имбретеиий и отмрмтий) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛНЫХ РЕОЛОГИЧЕ КРИВЫХ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМИзОбретение .относится к способамопределения физико-химического состояния коллоидных растворов, суспензий и других дисперсных систем посредством определения полных реологических кривых и может быть использовано как в научных, так и в практических целях в нефтегазодобывающихотраслях промышленности в лакокрасочных, химических и пицевых производствах, в строительстве.Известен способ получения полныхреологических кривых, основанныймеханической реакциичаюцийся в том, что сример ротационных виспредставляющих собойаксиальных цилиндра),помецена испытуемаяиэ тел приводят во вразличных скоростях общегоия дисперсной системы, .при соответствуюцихмеряют механическую реакименно, напряжение сдвий среды, затем определяы точек и строят полнуюкривую 1),кой способ очень гразприходится ме ять ромоэнять на измерении среды, эаклю помощью, нап коэиметров, два тела (ко между которыми среда, одно щение при ра деФормирован и каждый раз скоростях из цию среды, а га испытуемо ют координат реологическуюОднако та док, так как скорость врацения, затем определнапряжение сдвига испытуемой среды,причем напряжение сдвига определяют при равновесной степени разрушения структуры дисперсной системыа это требует длительного времени(до нескольких часов, а то и суток).Этот промежуток времени оказывается"на постоянстве свойств испытуемой1 О жидкости, например глинистого растйора, применяемого в бурении нефтяных и газовых скважин. В итоге рео"логические свойства глинистого раствора в начале и в конце опыта стано 5 вятся различными, так как испаряетсядисперсионная среда, в результатечего увеличивается погрешность определения реологических кривых. Этозначит, что мы строим реологическую20 кривую по точкам принадлежащим разным суспензиям; а относим эту кривую к одной суспензии,Цель достигается тем, что согласно способу определения полык реологи 25 ческих кривых полидисперсйых системвращение одного иэ тел приводят во вращение при одной фиксированной скоростиобщего деформирования дисперснойсистемы, которую определяют экспери 30 ментальным путем (скорость полногоразрушения тиксотропной структуры), и измеряют напряжение сдвига испытуемой среды, затем определяют скорости относительного перемещения слоев в различных точках коаксиального зазора двух тел, Фиксируя при этом координаты точек. По измеренным величинам определяют полную реологическую кривую. На весь этот процесс затрачивается в среднем 10-15 мин.На Фиг.1 показана принципиальнаясхема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг.2 - обозначения величин, используемых при определении скоростей взаимного перемещения слоев в зазоре ротационноговискозиметра,Устройство представляет собой ротационный вискозиметр, содержащийдва коаксиальных цилиндра 1 и 2,в рабочий зазор 3 которого помещена исследуемая жидкость. Один иэцилиндров (внутренний) 2 приводитсяво вращение от эЛектродвигателя 4,с которым связан тахогенератор 5 иизмеритель 6 момента на валу двигателя 4, В рабочий зазор 3 вискозиметра введен электрод 7, который паройвинт-гайка 8 и редуктором 9 связансо вторым электродвигателем 10 и датчиком 11 положения электрода 7, Еэлектроду 7 и внутреннему цилиндру2 подается напряжение постоянноготока, измеряемого амперметром 12Величина тока определяется в зависимости от характера испытуемой жидкости. Тахогенератор 5 измерителя 6момента на валу электродвигателя 4,датчик 11 положения и электрод 7подсоединен через устройство 13 ввода к вычислительному блоку (процессору) 14 и далее через устройство15 вывода к устройству 16 регистрации.устройство работает следующимобразом.В рабочий зазор 3 вискозиметразаливают идследуемую жидкость, Подают напряжение постоянного токана электрод 7 и внутренний цилиндр2. Включают электродвигатель 4, который приводит во вращение внутренний цилиндр 2. При этом исследуемая жидкость в рабочем зазоре,З вискозиметра испытывает механическуюреакцию, а именно слои жидкости начинают перемещаться со скоростьюот Ч Чщах до Чр" 0Вращение внутреннего цилиндра 2осуществляют при одной Фиксированнойскорости общего деформированияПривключении второго электродвигателя10 электрод 7 с помощью винт-гайки 8и редуктора 9 перемещается в радиальном направлении в рабочем зазоре 3,Датчик 11 перемещения Фиксирует положение электрода 7.При передаче вращательного движения от слоя к слою моменты от каса-,тельных напряжений исследуемойжидкости выражаются с помощью сле"дующей системы уравненийдр- д Ц+"р+Нрн д 2 ц 0 о 2И,= - -3. 03.Мд3 1 1 ОФ 1 чай= - 3 щ, +Ь(-1 с к Кгде М М - моменты от касательныхо15 напряжений сдвига исследуемой жидкости;1 1 К- моменты инерции элементарных цилиндров вра-щающейся исследуемой 20 жидкости;ния этих цилиндров.Просуммировав левые и правые части системы (1) получимИз (2) видно, что М р - М к - не ЗО что .иное, как результирующий момент6 на валу двигателя, предлагаемыйдля вращения исследуемой жидкостипо всему зазору (Мр) 1 - дуть постоянная величина для данной жидкости и легко вычисляется по известнымформулам и изменяется с изменениемК) при фиксированном СОр (скоростивращения внутреннего цилиндра) .Если обратиться к значениямМр + 1 .ф Мр+ 1 + 1фМ к- р то 4 О заметим, что они зависят от величины касательных напряжений сдвига,действующим на границах элементар- .ных цилиндровр,н;м,"ка Мр- учитывает Суммарную величину 45 Ф, Из (1) ясно, что следующийлой начинает вращаться только тогда,когда момент его сил касательногонапряжения сдвига на границе с предыдущим слоем превзойдет аналогичный Я момент на грани 4 е со следующим слоем.Это значит, чтоТ = Е(в.) . Однакодля достижения определенной скоростивзаимного перемещения слоев-а нужно преодолеть соответствующее знау чение%(, в противном случае в небубет достигнута, следовательно,о;= й(Ф;), это значит, что кривыераспределенйяскоростей и напряжений подобны (с коэффициентомподобия, определяемым фразличием в 40 моментах измерения) . Это говорит отом, что можно в пределах от ждо ир, измеряя, последовательно значения Ч , Ч 0 ЧК Чр, иметь полную реологическую кривую в одном цик ле измерения и нет необходимости ваварьировать значения Ч, а достаточно выбрать однонапример, максимальное для данной исследуемой жидкости (пределы изменения Ч фиксируются соображениями необходимости сохранения ламинарного течения в зазоре) .Следовательно, вращение внутреннего цилиндра мЬжно осуществлять при одной фиксированной скорости общего деформированияданные о моментах сопротивления от касательных напряжений сдвига от измерителя момента 6, сигналы о скорости вращения цилиндра 2 от тахо- генератора 5, о положении электрода 7 от датчика 11 перемещений, а также сигналы о скорости перемещения 15 слоев исследуемой жидкости от амперметра 12 поступают через устройство 13 ввода на вычислительный блок (процессор) 14, который выдает команды на перемещение электрода 7 и 2 О на устройство 16, регистрации.Характер кривых распределения скоростей взаимного перемещения слоев в зазоре 3 вискозиметра определяют заранее экспериментальным путем при . данной исследуемой жидкости, Следова- тельно, если вид Функций Ч= Й(В) задан, то, определив предварительно возможный характер модели и затем определив возможный характер модели и, использовав, например, шаговый метод адаптивной идентификации (по ограниченному числу измерений опре" деляют коэффициенты модели и таким образом получают полную реологическую кривую) . Если погрешность определен ной кривой, рассчитанная процессором 14, окажется больше заданной, то процессор 14 выдает команду иа перемещение электрода 7 и таким образом осуществляют следующий цикл измерений, на котором уточняют коэфФициент модели. Измерения осуществляют до тех пор, пока погрешность не достигнет заданного значения.Например если . 450где 3, а 1,аз - некоторые линейные коэффйциентй, то мы получив измерения Ч в точках 1,2 п для каждой реализации рассчитываем коэффициенты по формулам1аМ(1+р. р) С 6и О(. )+,Я,ц =св(-)ф 1фПолученные значения подставляем в(3), вычисляем Ч; и определяем дЧ(,Если численное значение аЧ неудовлетворяет, повторяют процедуру.Предложенный способ имеет существенное преимущество перед известными способами .за счет оперативности получения полных реологическихкривых. Экономическая эффективностьспособа базируется на оптимизациирежимов течения и техйологическихпроцессах. Кроме того, измерение скоростей в зазоре может осуществляться и другими техническими средствами,например лазерными дифференциальными измерителями скоростей различныхтипов в зависимости от прозрачностиизучаемой полидисперсии.формула изобретенияСпособ определения полных реологических кривых полидисперсных систем,основанный на измерении механическойреакции испытуемой среды с использованием двух тел, между которыми помещена испытуемая среда, при этомодно йз тел связано с приводом вращения, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью сокращения времени и увеличения точности определения, одноиз тел приводят во вращение при фиксированной скорости общего деформирования дисперсиой системы, измеряютнапряжение сдвига испытуемой среды,определяют скорости относительноголеремещения слоев в различных точках коаксиального зазора двух тел,а скорость деформирования дисперснойсистемы задают такую, при которойнаступает предельное разрушение тик"сотропной структуры.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Вартенев Г.И., Ермилова Н,В.физико-химическая механика дисперс-,ных структур. И., фНаука, 1966,с, 371 (прототип) .864061 Составитель В. ВоцаТехред М. Голинка нКо ктор. У. Пономаренко ППП Натентфф, г.ужгород, ул.Проектная, 4 Фи Редактор М КелемЗакаэ 7763/61 Ти ИИПИ Госуд о делам иэ 3035, Моск