压力-粘度(通用7篇)
压力-粘度 篇1
0 引言
流变仪是测量流体流变性质的仪器,根据结构以及测量原理的不同分为锥板式、平行板式、同心圆筒式和毛细管式。在流体动力学中,Couette流指的是粘性流体在粘性力作用下的层流流动。一般有两种方法可以得到Couette流:一种是两平行平板之间的相对移动;另外一种是同心圆筒的相对转动比较两种方法可知平板设计所占空间较大,而且机械结构相对比较复杂。相对而言,内外圆筒的同心比较易于实现,这样可以使两圆筒的间隙保持均匀,流体的流动状态是稳定的层流。因此,在实际设计中经常使用的是第2种方法。
传统的Couette流变仪为内圆筒旋转,外圆筒固定。这样设计的缺点是雷诺数比较高时,流动会偏离纯剪切流,形成二次流(Taylor涡)[1]。通过分析发现,外圆筒旋转、内圆筒固定的Couette流变仪即使在高雷诺数下流体的流动也是稳定的。针对这一分析,笔者所在课题组设计了新型可调压力Couette流变仪[2],并且获得了发明专利[3]。Couette流变仪的外圆筒由透明的有机玻璃制成,内圆筒的材料为黑色铸型尼龙,郭关柱等[4]对其进行了精度的校核,并利用它对水的空化现象进行了研究。
粘度是流变仪测量参数之一,在外界压力很高(100MPa以上)时,粘度会发生明显的变化,围绕这个问题有许多研究[5,6]。在外界压力低于1MPa时,粘度不会发生变化。但是这是指压力施加瞬间,液体内含有的气体量不变的情况。液体在不同压力下溶解空气达到平衡时,由于含气量不同,粘度也会发生变化。为了研究含气量对液体粘度的影响,有必要先得出在低于1MPa下液体溶解气体达到平衡时,利用流变仪测量其粘度的方法。
二甲基硅油具有各种优异的特性,在工农业生产、国防工业、科学研究及医疗卫生等领域,都得了广泛的应用[7,8]。在流变仪的测试中,硅油一般作为样品用来检验、校正流变仪。
本研究主要探讨基于Couette流变仪的0.1MPa~0.5MPa压力下液体粘度测量方法。
1 Couette流变仪
如图1所示,Couette流变仪由同心圆筒、压力调节装置以及电机3部分组成。同心圆筒的内圆筒分为上、中、下三段,中间段与外圆筒间距仅为0.5mm。中间段是Couette流发生的地方,因此也是流变仪的实际工作段。工作段中部装有温度传感器,响应时间为0.2s。温度传感器通过数据采集装置与计算机相连,可以实时测量工作段液体的温度。压力调节装置由空心圆筒和活塞组成,推动手轮使活塞运动来控制流变仪内部压力。在空心圆筒左端装有压力传感器,装置内压力值的大小可以由压力表直接读出。压力传感器可以测量的最大压力为0.5MPa,因此该Couette流变仪的测量范围为0.1MPa~0.5MPa。伺服电机驱动器与计算机相连,通过计算机可以控制电机转速。另外,电机厂家提供了电机输出力矩采集功能,通过力矩采集软件可以实时采集电机的输出力矩值。
2 强度校核
流变仪外圆筒材料为有机玻璃,其抗压能力相对较弱。而流变仪工作时需要承受一定的压力,所以有必要进行强度校核,得出流变仪所能承载的最高压力。共有3处需要进行强度校核:外圆筒顶端外圆筒盖与外圆筒连接处,外圆筒底部两个台阶处。台阶处主要考虑的是气体压力造成的剪切力的作用,根据流变仪的设计尺寸,两个剪切面的面积分别为:A1=0.015m 3,A2=0.004 2m 3,对应的剪切作用力为:F1=0.003 5p,F2=0.011 6p,单位为N。顶端外圆筒盖与外圆筒使用8个沿圆周均匀分布的螺栓连接,螺栓的型号为M 5,该连接处的作用力为F3=0.015 8p,单位为N。螺栓连接处预紧力很小,可以近似看作松连接。由上述分析可以列出强度校核方程为[9]:
式中:σa,σb—有机玻璃和螺栓的许用应力,查阅文献可以得到它们分别为60MPa和500MPa。
选定安全系数为4,将值代入式(1)中可得,p≤4.2MPa。流变仪压力传感器工作范围为0.1MPa~0.5MPa,完全在安全范围内。
3 粘度测量方法与精度分析
3.1 流变仪测量粘度原理
根据牛顿粘性定律有:
式中:τ—剪切应力,η—测量液体的粘度,u—剪切速度。
由于工作段内外圆筒间隙很小,所以它们之间的流体速度可以看作沿径向线性分布,方程式(2)可以简化为:
式中:a—电机转速,R—外圆筒内半径,ε—工作段内外圆筒之间的间隙。
容易得到,流变仪工作段液体对外圆筒产生的力矩Mr为:
式中:L—工作段轴向的距离。
将式(3)代入式(4)得到:
由式(5)可得:
式(6)中除了工作段力矩,所有量为已知量,工作段力矩与所测液体粘度成正比。因此,液体粘度可以通过测量流变仪工作段力矩间接求得。力矩采集软件采集得到的力矩是电机的输出力矩,需要经过力矩校正,才能得到工作段力矩。硅油常用于校正流变仪,以下力矩校正方法的研究使用的是500cst二甲基硅油。流变仪工作的压力范围为0.1MPa~0.5MPa。
3.2 工作段力矩的求取
软件采集的电机输出力矩存在一个问题:采集的力矩值具有波动性,对采集得到的力矩需要先进行初步处理。电机以一定转速转动时,软件采集出来的力矩变化情况如图2所示(图中横轴表示时间,纵轴表示力矩)。通过观察发现力矩值波动的周期为一定值,大小为4s。因此,可以用对周期内的测量值取平均值的方法求得实际的力矩值。从图2中还可以发现,采集的力矩值会出现跳点,这些点对平均值有一定的影响。可以取几个周期的力矩值进行平均,这样跳点对平均值的贡献很小,并且取多个周期会使上跳点与下跳点相互抵消。
分析流变仪进行液体粘度测量时电机输出力矩Mc的组成,它包括工作段消耗的力矩Mr,上下两段产生力矩M1,另外还有摩擦力矩M2。由于使用Couette流变仪测量的液体一般而言密度都不是很大,例如水、硅油液压油等另外使用流变仪测量液体粘度时需要的液体体积比较小,大约为300ml左右,与流变仪重量相比,液体的重量可以忽略。因此,摩擦力矩可以通过测量流变仪的空转力矩(即在没有加装液体的情况下的电机输出力矩)得到。实验分别测得了电机转速一定情况下,流变仪内部压力不同时的空转力矩值,如图3所示。可以看出,在电机转速一定的情况下,空转力矩与压力的关系可以用直线进行拟合,最大误差为2%,其对工作段力矩的相对误差不超过0.5%。
Gemini-200(Bohlin)流变仪可以精确测量液体在不同温度下的粘度值,其缺点为该流变仪的工作压力只能是常压(一个大气压)。但是,可以利用它来对Couette流变仪进行校正。如图4所示为1个大气压下,用Gemini流变仪测量得到的温度为T时500cst二甲基硅油的粘度值ηG。粘温关系可以用Arrhenius公式进行拟合为:
式中:T—绝对温度,R—气体常数,A、E—常数。
对于500cst二甲基硅油,拟合得到:A=0.000 9Pa·s,E=15 531J·mol-1。流变仪工作时,工作段液体剪切发热,温度会升高。选定一个电机转速,在一个大气压下,用Couette流变仪测量出硅油温度变化时对应的电机输出力矩值Mc。由温度,根据式(7)可以计算出硅油粘度值,再根据式(5)可以求得相应一个大气压下的工作段力矩Mr。将Mc的值扣除工作段力矩Mr以及摩擦力矩M2,得出常压下流变仪的上下段力矩。
由于工作段液体体积与上下段液体相比很小(约占4%),并且工作段间隙较小,工作段液体很难向上下两端散热,因此上下两段液体温度在实验过程中基本不变。这样,上下两段的力矩在工作段温度变化过程中不会发生变化。笔者测量了电机在250r/min时,用上述方法计算求得的一个大气压下的上下段力矩。流变仪工作了10min,上下段力矩从0.21N·m变化到0.23N·m。这样的变化,与工作段力矩的相对误差不到0.5%。压力的变化会造成液体粘度发生一定的改变从而造成力矩的变化,但是由于上下段液体的剪切速率比较小(工作段的1/20左右),粘度的变化对上下段力矩的影响远远小于对工作段力矩的影响。因此可以认为上下段力矩M1为一定值,与工作段液体温度以及外界压力无关。
通过上面的分析可得,电机转速一定时,工作段力矩可以由下式求取:
式中:T—绝对温度,p—压力。
式中Mc由电机采集得到,M1为一定值,M2通过测量空转力矩直接得到。在工作段力矩求出的情况下,根据式(6)可以求得液体的粘度。
3.3 测量误差分析
对于测量对象y可能与许多参数有关,用x1,x2,…,xn表示这些参数,那么:
对于某一点a1,a2,…,an,测量值会存在误差,假设该点的测量值是b1,b2,…,bn[10]。对式(9)在点a1,a2,…,an处泰勒展开,略去高阶项可以得到:
式中:δxk—ak的测量误差,δxk=bk-ak;δy/y—y在该点测量的相对误差,δy/y=f(a1,a2,…,an)-f(b1,b2,…,bn);对xk的偏导数在a1,a2,…,an处的值。
粘度测量误差主要来自仪器加工带来的尺寸误差以及求取工作段力矩的误差。尺寸误差与机床精度有关,Couette流变仪工作段间隙为0.5mm,加工误差为0.02mm;外圆筒内半径R=70mm,误差为0.01mm;工作段轴向距离L=55mm,误差0.02mm。根据式(6)可以计算粘度η测量的相对误差:
的值分别为0.04、0.000 14、0.000 36。对于上述力矩校核的方法,计算其带来的误差。根据式(10)有:
式中:这样,因此,粘度测量的相对误差
4 结束语
本研究通过推导出的液体粘度与工作段力矩的关系式,在解决了如何通过计算机直接采集到的电机输出力矩求得工作段力矩的问题后,对使用Couette测量液体在0.1MPa~0.5MPa压力下粘度的方法进行了研究。通过精度分析得出测量误差为7%。
该研究表明使用Couette流变仪可以测量液体在0.1MPa~0.5MPa压力下粘度。这为以后研究液体粘度与含气量的关系以及空化机理奠定了基础。
参考文献
[1]ANDERECK C D,LIU S S,SWINNEY H L.Flow regimesin a circular Couette system with independently rotating cyl-inders[J].Journal of Fluid mechanics,1986,164(3):155-183.
[2]郭关柱,范毓润,杨华勇.可调压可视化微间隙Couette流变仪的研究及应用[J].机械工程学报,2007,43(7):81-86.
[3]范毓润,郭关柱.一种液体中的气体溶解度测试仪:中国,ZL200610053819.X2006[P].2006-10-12.
[4]郭关柱,范毓润,杨华勇.一种新的Couette流变仪的精度校核[J].机械工程学报,2009,45(6):147-153.
[5]BAIR S,WINER W O.The high shear stress rheology ofliquid lubricants at pressures of 2 to 200 MPa[J].Journalof Tribology,1990(112):246-252.
[6]EVANS C R.The rheological properties of elastohydrody-namic lubricants[J].Proceedings of the Institution ofMechanical Engineers,1986,200(C5):303-312.
[7]BARRY A J.Viscometric investigation of dimethylsiloxanepolymers[J].Journal of Applied Physics,1946(17):1020-1024.
[8]黄文润.硅油及二次加工品[M].北京:化学工业出版社,2004.
[9]刘鸿文.材料力学[M].4版.北京:高等教育出版社,2004.
[10]丁振良.误差理论与数据处理[M].2版.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002.
压力-粘度 篇2
粘度是陶瓷泥浆的重要物理性质之一,陶瓷泥浆粘度的测量在工业生产和基础学科研究中具有十分重要的意义。粘度有相对粘度和绝对粘度之分。相对粘度也称条件粘度,包括恩氏粘度,赛氏粘度和雷氏粘度等。本研究用恩氏粘度计测定陶瓷泥浆的恩氏粘度,用旋转粘度计测定陶瓷泥浆的绝对粘度。
国内相对粘度与绝对粘度的相关性研究已在纺织浆纱[1,2],油液,纸浆等粘度测定中已建立一些经验公式的数学模型,在工业生产中已经发挥了较重要的作用。建立陶瓷泥浆恩氏粘度与绝对粘度的相关关系[3,4,10],对研究过去与目前陶瓷注浆成型浆液的粘度变化,研究浆液的性质,改进注浆成型工艺具有重要研究价值。
1 粘度测定及实验数据
1.1 粘度的影响因素
影响泥浆粘度的因素很多[6,7,11],如原料的矿物组成,颗粒的形状及大小,分散状态,电解质的种类和用量,泥浆的温度,用水量,泥浆的陈腐搅拌及真空处理等都影响泥浆的性能,从而影响泥浆的粘度。
本研究选用原料组成、温度、水土比、碳酸钠和硅酸钠作为影响粘度因素,用恩氏粘度计和旋转粘度计分别对陶瓷泥浆的恩氏粘度和绝对粘度进行测定。原料组成即为配方,其水平值可用瘠性原料量与塑性原料量之比表示,简称瘠塑比;温度即为泥浆的温度,其水平值的选用可在泥浆最适温度值上下波动;水土比为泥浆用水量与干坯量之比,其水平值定要通过试验加以确定;碳酸钠和硅酸钠作为电解质同时加入。其水平值为占干坯量的百分比。
1.2 恩氏粘度[8,9,15,16]
恩氏粘度是试样在某一温度时从恩氏粘度计流出100mL所需的时间(即粘度计的浆值)与蒸馏水在30℃时流出相同体积所需的时间(即粘度计的水值)之比。在实验过程中,试样流出应成为连续的线状。温度T时的恩氏粘度,用符号Et表示,单位:条件度;试样在试验温度T时从粘度计流出100mL所需的时间(秒)用Jt表示;粘度计的标准水值(秒)用K30表示。
计算公式如下:
1.3 绝对粘度[13,14,15,16]
旋转粘度计同步电机以稳定的速度旋转,连接刻度圆盘,再通过游丝和转轴带动转子旋转。如果转子未受到液体的阻力,则游丝、指针与刻度圆盘同速旋转,指针在刻度盘上指出的读数为“0”。反之,如果转子受到液体的粘滞阻力,则游丝产生扭矩,与粘滞阻力抗衡,最后达到平衡,这时与游丝连接的指针在刻度圆盘上指示一定的读数(即游丝的扭转角)。将读数乘上特定的系数即得到液体的粘度(mPa·s)。即:
式中:η为绝对粘度;k为特定系数;α为指针所指示读数(偏转角度)。
1.4 配料的颗粒级配
用离心沉降式粒度分析仪测得配料的粒度分布见图1所示。
1.5 粘度测定
1.5.1 建立正交表
在以前研究基础上[5],针对泥浆流动性较好的方案建立L16(45)正交表,测定其恩氏粘度,见表1所示。
1.5.2 实验结果
实验按正交表1中实验号进行实验,对于每个实验号,选择数值较集中的三组数据计算均值,然后将平均浆值代入(公式-1)计算恩氏粘度(K30=22.08"),平均偏转角度代入(公式-2)计算绝对粘度(1#转子V12转速特定系数k=5),求得计算结果见表2所示。
2 实验数据分析
2.1 极差分析法
极差分析法可在实验范围内,作出各因素对实验指标影响大小顺序,实验指标虽各因素的变化趋势以及使实验指标最好的适宜的操作条件(适宜的因素水平搭配)。
确定正交表1中瘠塑比、温度、水土比、Na2CO3含量和Na2SiO3含量五因素分别用A、B、C、D和E表示,其各水平值用1、2、3、4表示,如C2表示水平值为56.66%的水土比。
2.1.1 恩氏粘度极差分析
通过正交分析软件对恩氏粘度指标作极差分析,分析结果见表3所示。同时分析指标恩氏粘度随各因素的变化趋势见图2所示。
从表3各因素极差分析结果可看出,因素Na2CO3含量的极差最大,瘠塑比次之,温度最小。所以各因素对恩氏粘度影响的大小顺序为Na2CO3含量,瘠塑比,水土比,Na2SiO3含量,温度。
从图2可看出,瘠塑比的第四个水平值,温度的第二个水平值,水土比的第一个水平值,Na2CO3含量的第四个水平值,Na2SiO3含量的第二个水平值,恩氏粘度在各因素四个水平中最小,流动性最好。所以指标恩氏粘度最适宜的因素水平搭配为A4B2C1D4E2。该组合在正交表中未出现。
2.1.2 绝对粘度极差分析
通过正交分析软件对绝对粘度指标作极差分析,分析结果见表4所示。同时分析指标绝对粘度随各因素的变化趋势见图4所示。
从表4各因素极差分析结果可看出,因素Na2CO3含量的极差最大,瘠塑比次之,温度最小。所以各因素对绝对粘度影响的大小顺序为Na2CO3含量,瘠塑比,水土比,Na2SiO3含量,温度。
从图3可看出,瘠塑比的第四个水平值,温度的第四个水平值,水土比的第一个水平值,Na2CO3含量的第四个水平值,Na2SiO3含量的第二个水平值,绝对粘度在各因素四个水平中最小,流动性最好。所以指标绝对粘度最适宜的因素水平搭配为A4B4C1D4E2。该组合在正交表中也未出现。
据经验判断,恩氏粘度和绝对粘度的最适宜因素水平搭配上应该是一致的,但两者在温度上有差别。可能是绝对粘度的测定在恩氏粘度的测定之后,由于时序差别导致温度变化,致使粘度的测定结果不同。由此可推测两者之间在误差范围内,应该存在某种线性关系。
2.2 恩氏粘度与绝对粘度相关性模型的建立
本实验中用到瘠塑比、温度、水土比、Na2CO3含量和Na2SiO3含量五个因素,其水平分别用x1、x2、x3、x4和x5表示。在线性逐步回归式中最多有5项(不包括常数项),分别用X1、X2、X3、X4和X5表示。在极差分析分析中,推测出恩氏粘度和绝对粘度之间在误差范围内,应该存在某种线性关系。下面用逐步回归线性模型进行模拟[10,18]。
2.2.1 恩氏粘度线性逐步回归
用Matlab7.0针对恩氏粘度和各因素编写逐步回归分析程序,输出如图4所示的结果。
由图4可看出,X4的p值最小,其对模型影响显著,故可点击“next step”按钮,保留变量X4;同时移去变量X1、X2、X3和X5,输出如图5所示的模型图。
由此得恩氏粘度关于各因素的线性逐步回归方程为:
2.2.2 绝对粘度线性逐步回归
用Matlab7.0针对绝对粘度和各因素编写逐步回归分析程序[17],输出如图6所示的结果。
由图5可看出,X4的p值最小,其对模型影响显著,故可点击“next step”按钮,保留变量X4;同时移去变量X1、X2、X3和X5,输出如图7所示的模型图。
由此得绝对粘度关于各因素的线性逐步回归方程为:
2.2.3 相关性模型建立
由(公式-3)和(公式-4)可看出,Na2CO3含量均是影响恩氏粘度和绝对粘度的显著因素,这与表3、表4中极差分析的结果是一致的。
将两式中参数x4消去,建立恩氏粘度与绝对粘度的相关性线性模型为:
根据定性与定量相结合的分析方法,恩氏粘度和绝对粘度的关系应选用(公式-5),作为最终研究结果。
3 结论
正交实验极差分析结果显示,各因素对指标恩氏粘度和绝对粘度的影响是一致的。因素Na2CO3含量的极差最大,瘠塑比次之,温度最小,故各因素对指标的影响大小顺序为Na2CO3含量,瘠塑比,水土比,Na2SiO3含量,温度。且恩氏粘度最适宜的因素水平搭配为A4B2C1D4E2,绝对粘度最适宜的因素水平搭配为A4B4C1D4E2。
线性逐步回归结果显示Na2CO3含量是影响恩氏粘度和绝对粘度的显著因素,这与极差分析的结果是一致的。
用定性与定量相结合的分析方法得出恩氏粘度和绝对粘度存在(公式-5)的线性关系。
摘要:为了制备流动性和稳定性更好的浆液,曾提出过四种不同方案。本研究在泥浆流动性较好的方案基础上测定了恩氏粘度和绝对粘度。用极差分析的方法分析了各因素对恩氏粘度和绝对粘度的影响大小;用线性逐步回归的方法分析出Na2CO3含量是影响恩氏粘度和绝对粘度的显著因素,并作出了恩氏粘度和绝对粘度的相关性线性模型。
混合原油粘度计算模型归纳浅析 篇3
参考文献
[1]杨筱蘅.输油管道设计与管理[J].山东:中国石油大学出版社, 2006.05
油品运动粘度与温度关系试验报告 篇4
为保证本次评价工作的顺利进行, 确保油样的有效性, 计量人员对油品的标准样不断的进行采集和对比, 化验人员对不同的油样进行汇总, 认真做好每瓶油样, 做到数据的客观性和有效性。
2 评价范围
本项工作相关油品, 涉及油品种类较多, 但对于本公司10多年的中转过油品种类相比, 分量明显不足, 但同样具有一定的借鉴意义。下面主要分析具有代表性的180#燃料油、380#燃料油、海洋油、BOSCAN原油、DAR BLEND原油、CERRONEGRO原油、NILE原油等油品运动粘度与温度的分析研究。
在罐内油品出油时, 为保证出油流速和流量, 根据公司操作规程, 一般将油品温度控制在高于凝点10摄氏度进行出油, 这一出油温度虽然在油品能够的流动范围里内, 但不确保其油品的运动粘度。例在某些原油中某些油品, 一旦加温加凝点4摄氏度以上, 其流动性就非常好, 可以相对节省能耗。第二种情况在出油温度高于凝点10摄氏度时, 温度粘度较低, 引起油品挂壁, 导致油品数量短量。因每种油品的运动粘度为非线性的状态, 故选取油品的每点温度进行试验。
3 评价实验依据
本评价主要根据公司油品经营种类复杂化, 保证各类油品数量出量的正确性, 确保客户满意率, 对油品运动粘度和温度进行全面的分析和评价, 从中摸索出油品规律及共性, 用该试验评估报告来规范以后的生产作业, 并使公司的油品品质管理风险得到了有效的控制。
本试验方法操作依据:
一、GB/T510-1983 (1991) 石油产品凝定测定法
二、GB/T265-1988石油产品运动粘度测定法
三、GB/T11137-1989深色石油产品运动粘度测定法 (逆流法)
四、公司相关操作规程
4 实验测得粘度值
在库区内相关油罐中分别采取样品, 选取较有代表性进行运动粘度试验。
试验步骤:在室验室中室温下, 用量筒分别取500ml油品, 用玻璃棒充分进行搅拌约5分钟, 再将油品将入毛细管粘度计中置于, 将恒温浴的温度按每5摄氏度递增, 记录每点温度时的运动粘度 (见表1) 。
5 建立粘温数学模型
根据表中油品粘度随温度变化的特点, 建立如下油品粘温数学模型。
式中:
a1, a2, a3——回归参数;
v——油品运动粘度, 10-6 m2/s;
t——油品试验温度, ℃。
将已知的油品温度ti代入式 (1) , 则有计算粘度fi (i=1, 2, …n, n为样本数) 。现构造一个平方和函数, 使计算粘度fi与实测粘度vi的残差平方和为最小, 并设残差平方和为S, 即:
显然, 式 (2) 是一个无约束的非线性规划问题, 则式 (1) 的计算粘度与实测粘度的误差最小。由于需要处理的数据较多, 用经典的非线性规划优化方法寻优效率较低, 采用近年出现的群智能优化方法—微粒群算法 (Partical Swarm Optimization, 简称P S O) 来优化油品粘温数学模型的回归参数a。该回归参数属于连续型变量, PSO算法适合于连续空间函数的优化问题, 算法结构简单, 不需要导数信息, 能够直接寻优且迅速收敛到连续最优解。
6 模型检验
为了保证优化模型使用的可靠性和准确性, 应对优化后的模型进行检验。检验指标如下。
(1) 相关指数。所建模型拟合效果的重要指标。
式中:
vi——实测粘度值;
vi——实测粘度值的平均值;
vi——模型的拟合值。
显然R2≤1, R2值越接近1, 拟合效果越好。
(2) 均方误差。其值越低, 拟合准确度越高。
(3) 平均误差。其值越低, 拟合精确度越高。
(4) 最大误差。其值越低, 拟合精确度越高。
7 求解粘温模型及比较
以180#燃料油为例, 对建立的粘温模型比较。
油品:180#燃料油采样地点:F-05采样日期:2009年04月02日
基本品质参考表3
粘温变化趋势图表:
利用建立的混合油品粘温数学模型 (1) 、残差平方和最小的目标函数式 (2) 及实测粘度, 采用PSO优化步骤, 计算得到回归参数后代入, 求得表中粘度计算值, 然后与实测粘度值进行比较 (误差%) 。
经式 (4) ~ (6) 检验可知, 相关指数为0.9914;平均相对误差为4.03%;均方差为0.4362;最大相对误差为5.27%;由粘温比较表可知:拟合该油品最佳的流动状态, 且与之相适应的最优化温度为40℃。
同理, 得出其他油品粘温变化趋势图和最优化温度, 如下表4/图所示。
8 结论和建议
(1) 利用准确的数学模型描述油品粘温关系, 计算的粘度值与实测粘度值进行比较, 取误差最小值对应的该点试验温度为最优化温度。
(2) 在高凝点、高粘度油品卸油罐内后, 注意罐内油品的恒温。
(3) “双高”油品出油时参考倾点及的运动粘度曲线图。
摘要:中化兴中石油转运 (舟山) 有限公司作为商业运作单位, 中转的油品复杂多样, 为适应市场需求, 公司经营从各种低凝点, 低粘度的原油到高凝点、高粘度的原油、重质燃料油的方向发展, 而目前客户对“双高”油品的温度非常关注, 油品温度过低会产生油品挂壁, 导致短量的发生, 油品温度过高会增大能耗。如何保证客户的需求又从而节省能耗, 化验室针对这一课题进行深入分析, 对不同油品在不同温度下的运动粘度进行测试, 再根据理论公式进行推导, 有效的保证油品储存的合理温度。
关键词:粘度,温度
参考文献
[1]黄鉴.《进口原油评价数据集》中国石化出版社2001年
[2]石油和石油产品试验方法国家标准汇编.中国标准出版社, 2005年
大学化学测定液体粘度实验的比较 篇5
1 实验原理比较
落球法是通过测定小球所受的粘滞阻力F、小球的下落速度、小球的半径r、通过著名的斯托克斯公式:
从而求出液体的粘度。
毛细管法是通过Poiseuille公式[3]计算液体粘度:
式中η—液体粘度, p—管两端的压力差, r—管半径, L—管长, V—在时间t内流过毛细管的液体体积。可见通过测量液体的流速及压力差即可求得液体的粘度。
旋转法的原理在于当流体与浸于其中的物体 (如圆筒、圆锥等刚性物体) 二者之一或者二者都做旋转运动时, 物体会受到流体的粘性力作用, 而使运动状态发生改变。通过测量流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速即可确定流体的粘度。
T—内筒受到的转矩;r1—内筒半径;r2—外筒半径;ω—内筒旋转角速度;h—内筒高度。当内筒以一定的角速度转动, 通过测量内筒受到的转矩T即可算出液体的粘度。
2 实验方法及仪器比较
落球法是在长圆筒形玻璃容器内盛待测液体, 筒上约1/3与2/3处刻有两条刻度线N1、N2, 两线之间的距离为h, 实验时, 当小球通过N1时开始计时, 到N2时停止计时。由此获得小球的下落速度=h/t。再由斯托克斯公式, 对小球进行受力分析后得到的公式, 从而计算出液体粘度。
毛细管法根据U型管的结构, 液体在重力作用下流动, 测得一定量液体流经上、下标线E、F需要的时间, 即可按照Poiseuille公式计算出液体的粘度。
旋转法是在两同轴圆筒间充以待测液体, 当筒匀速转动时, 可由测定内筒所受的粘滞力矩求得粘度。
落球法用到的仪器有金属小球、读数显微镜、长圆筒形玻璃容器;毛细管法用到的仪器有, 恒温槽、乌式黏度计、吸量管、3号砂芯漏斗、容量瓶、秒表;旋转法用到的仪器有旋转粘度计。
3 应用范围比较
落球法测量范围较狭窄, 只能测量透明且粘度较大的液体;毛细管粘度计的测量范围较宽、精度较高、简单易维护, 可用于高压, 但对被测液体清洁度要求高, 适于测量润滑油、燃料油等;旋转法的操作方法简单, 测量范围宽, 使用于粗分散体系的粘度测量。
4 实验测定误差比较
落球法实验所用小球直径较小约 (1 mm) , 给小球的制造带来了不便, 且小球的直径测量误差较大。实验中, 规格相同的不同小球, 依次落入液体中测量终极速度, 实验是在不等精度条件下进行的, 使所得结果产生偏差。落球法无法使用光电计时, 使得时间测量误差较大。毛细管容易与被测样品发生反应, 而且容易被样品中的颗粒物堵塞, 这样会使所测得的流速偏小, 则流体流经毛细管的时间偏大, 所得结果偏大。旋转法对周围环境的要求较高, 微小的变化都会导致实验结果产生误差。
液体粘度的测定是大学物理化学实验的一个重要项目, 本文讨论了三种测定液体粘度的方法, 从实验原理、方法、实验仪器、应用范围和误差分析等方面进行了比较分析, 有利于实验教学中对实验进行归纳总结, 对液体粘度实验不同方法的理解, 有利于学生发散思维。学校可以以此为基础, 对实验教学进行科学合理的设计, 将有利于提高学生对实验的理解能力。
参考文献
[1]刘雪芹.大学化学测定物质相对分子质量实验方法比较[J].湖北:黄冈师范学院学报, 2007.
[2]Lida T.Guthrie R I L.Physical Propertics of Liquid Metals[M].Clarendon:Oxford University Press, 1988:147-148.
MMT的粘度测定及拟合比较 篇6
当流体受外力作用产生流动时, 在流动着的液体层之间存在着切向的内部摩擦力, 如果要使液体通过管子, 必须消耗一部分功来克服这种流动的阻力。在流速低时管子中的液体沿着与管壁平行的直线方向前进, 最靠近管壁的液体实际上是静止的, 与管壁距离愈远, 流动的速度也愈大。
油品的粘度是随温度而变化的, 温度升高, 粘度变小;温度降低, 粘度增大。油品粘度随温度变化的特性称为粘温性。而油品添加剂的加入势必对其粘度有一定影响, 所以考察添加剂的粘度随温度变化情况也非常重要。
甲基环戊二烯三羰基锰 (简称MMT) 用作汽油抗爆剂是20世纪50年代美国乙基公司开发的一种新型含锰有机物。MMT是无铅汽油燃油成分之一, 作为添加剂可以有效增加辛烷值, 每升汽油加入含18mg锰的MMT可提高辛烷值 (RON) 3个以上。我国1999年12月28日也颁发了《车用无铅汽油GB17930-1999》国家标准, 该标准中明确规定只允许使用以MMT形态存在的锰基抗爆剂, 使MMT的使用前景变的更加宽广[1,2]。而目前还没有MMT粘度的公开文献报道, 本文采用乌氏粘度法对MMT在274.75-333.15K范围内的运动粘度进行了测定及关联。这些粘度数据对含MMT生产及使用过程具有重要意义, 同时也可用于生产设计和工艺优化等[1]。
1、实验
1.1 试验材料
甲基环戊二烯三羰基锰, 纯度≥96%, 深圳市肯多斯实业发展有限公司。
1.2 仪器
全自动乌氏粘度计测定仪:德国优莱博技术有限公司生产, 实验原理如图1, 控制精度±0.01℃, 测定方法ASTM D445-09[2]。
2、试验结果
设置水浴温度至测定温度, 由于MMT具有一定的毒害性, 建议不要提前加入MMT, 待将水浴温度稳定在设定温度±0.1℃时, 将MMT通过漏斗引入粘度管内, 恒温15-20分钟后开始测量。按照此方法将MMT在1.0℃~60℃间进行粘度的测定, 每升高2-3℃测定一次, 每组数据测量三次取平均值。由于ASTM D445-09规定每次测定的时间必须大于200s, 所以中途需要更换毛细管, 按如下公式选用毛细管的管径:t=v/c, v是待测油的运动粘度, 单位为mm2/s, c是毛细管常数, 单位mm2/s2;v随温度升高而降低, c随管径减小而减小;所以, 当温度升高时, 应选择管径小的毛细管。MMT运动粘度的测定结果列于表1, 以v对T作图得到MMT粘度随温度变化曲线图1。
3、数据处理
由图1可以看出在274.75-333.15K范围内MMT的运动粘度随温度变化基本呈指数关系, 采用方程四参数方程 (1) 及指数方程 (2) 两种形式分别进行数据拟合[3-4]。
3.1 四参数多项式方程拟合
利用EV IEWS6.0软件经多次迭代收敛, 得到式 (1) 中的A, B, C, D参数值, A=-87.63181, B=10772.17, C=0.254972, D=-0.000263, R2=0.9998。将试验温度T带入方程 (1) 中, 计算结果列于表2, 其中Δv=v计算-v实验, RE%=∣Δv∣/v实。分别以ln v计算~T、ln v实验~T作图2。由2得出最大相对误差为2.92%, 由图2可以得出计算值与实验值比较吻合。
3.2 线性回归方程拟合
将方程 (2) 转化成一元线性回归方程, 具体如下:令T为每次试验的温度, v为对应的运动粘度, 令Y=lnv。则可转化成方程 (3) 形式:
方程 (3) α、β为常数, 利用Origin75数据处理软件, 进行最小二乘法线性回归。回归后得出α=7.85148, β=-0.02231, R2=00.9918。故有Y=7.85148-0.02231x, 结合Y=lnv, 带入方程 (2) , 得出MMT指数拟合方程为:v=2569.53×e-0.02231T。
将试验温度T带入方程 (1) 中, 计算结果列于表3, 其中Δv=v计算-v实验, RE%=∣Δv∣/v实。分别以ln v计算~T、ln v实验~T作图3。由图3得出最大相对误差为6.9 3%, 由图3可以看出计算值与实验值吻合性不是太好。
4、结论
(1) 利用乌氏粘度管法测定了MMT在274.75-333.15K范围内的饱和蒸汽压数据, 为生产及使用过程提供了重要的参考数据。
(2) 通过多项式方程及指数方程分别拟合了MMT在274.75-333.15K之间的运动粘度随温度变化的方程, 分别为:
多项式方程:l n v=-87.63181+10772.17/T+0.254972×T-0.000263×T2
指数方程:v=2569.53×e-0.02231T
(2) MMT在274.75-333.15K的运动粘度与温度T虽然呈指数曲线变化, 但按照指数方程拟合后, 显著水平差于多项式拟合, 两方程最大相对偏差分别为2.92%及6.93%, 多项式方程拟合更能真实的反应粘度随温度的变化关系, 计算值与实验室吻合效果较好。
参考文献
[1]刘志宝.MMT感受性研究[J]..化工之友, 2007
[2]迟景军, 孙萌, 严家騄.异丁烷的饱和蒸汽压方程及饱和液体密度方程研究[J].工程热物理学报, 1997
排水沥青路面高粘度沥青对比研究 篇7
2005年,江苏省结合江苏省交通科学研究计划项目《排水性沥青路面应用技术研究》在盐城—南通高速公路修筑了单幅17 km排水性沥青路面。经过近3年时间的跟踪观测,目前路面结构和排水功能状况均良好,这为我国排水沥青路面的推广应用提供了优良素材[3]。
2008年7月,江苏省高速公路建设指挥部在宁杭高速(二期)修筑双幅六车道约20 km的排水性沥青路面,此为目前我国最大的排水沥青路面铺装工程。
本文以宁杭高速(二期)排水性沥青路面确定高粘度改性沥青方案的相关试验和经济性分析,对我国排水沥青路面适用的沥青方案进行探讨。
1 高粘度改性沥青的主要指标要求
高粘度改性沥青的效果目前主要通过高的绝对粘度和软化点两个指标来体现,其具体指标要求可以参照表1所列要求[2,4]。
2 高粘度改性沥青的实现途径
目前,市场上得到高粘度改性沥青的渠道主要有两种:1)沥青工厂改性好的成品高粘度改性沥青,目前国内外较大的改性沥青厂商均有相关产品,如壳牌、SK,我国的兰亭高科、广州路翔等。2)使用一些外加的高粘度改性剂,使用时于现场自行外加投放于基质沥青中。目前,这种高粘度改性剂既有国外的,如日本大有公司的TPS改性剂;也有国产的,如RST改性剂。对外加剂使用的基质沥青,则既可以是普通石油沥青,如我国高速公路常用的A级70号;也可以是已经经过一次改性的普通改性沥青,如常用的SBS改性沥青。需要特别指出的是,不同基质沥青与高粘度沥青外加剂之间的配伍性有时差异较大,必须通过试验验证确认其可靠性[2]。
为得到宁杭高速排水沥青路面适用的高粘度改性沥青,对各种方案进行了试验对比,然后结合经济分析综合确定最终方案。
3 不同高粘度改性沥青方案的指标情况和技术分析
3.1 TPS外加剂的情况
本项目使用日本大有公司的TPS改性剂,TPS是以热塑性橡胶为主要成分,颗粒状(2 mm~3 mm),颜色为淡黄色,密度为1.0 g/cm3左右。交通部公路科学研究所在西部项目《山区公路沥青面层排水技术的研究》和江苏省交通厅科技计划项目《排水性沥青路面应用技术研究》曾对该改性剂进行过系列试验研究,并在重庆渝邻高速和江苏盐通高速铺筑实体工程[1,2]。
分别采用两种70号沥青和三种SBS改性沥青进行配伍性试验,基质沥青指标分别满足A级70号和SBS(I-D类)相关技术要求。试验指标主要以掺配TPS后60 ℃动力粘度和软化点为主,动力粘度较高时,进行高温(175 ℃)的布氏粘度试验,以核实其施工性能[2](见表2)。
不同基质沥青种类成品高粘度改性沥青指标的差异反映了基质沥青与改性剂的配伍性。以本组试验结果为例,CPC 70号为基质沥青加工的SBS改性沥青,在与TPS改性剂的配伍性上与其他改性沥青品种差距较大,说明其不适合用于与TPS的改性。
从动力粘度指标看,基质沥青为70号的掺量比例为12∶88时虽满足基本要求,但刚刚达标,宜增加掺量到14∶86。而配比为8∶92的SBS基质沥青方案中有三种SBS改性沥青的动力粘度指标在20万Pa·s以上,远高于50 000 Pa·s的基本要求,技术指标可靠性高。
此外,即便60 ℃动力粘度较高的高粘度改性沥青,其高温旋转粘度并不高,说明这些高粘度沥青方案不存在由于粘度过高导致的施工和易性下降问题。
3.2 成品高粘度改性沥青
本项目共检验成品高粘度改性沥青两种,分别为兰亭高科和江阴沥青公司提供的样品。其指标见表3。
两种成品高粘度改性沥青的动力粘度均在20万Pa·s以上,能够较好的保证技术可靠性。特别是兰亭高科的成品高粘度改性沥青,其动力粘度大于30万Pa·s,且厂家可根据需要通过配制技术实现绝对粘度的更高水平,说明部分国产改性沥青厂商已经掌握高粘度改性沥青的主要生产技术。
3.3 关于相容性的技术考虑
对使用TPS改性剂的方案,外加方法为混合料拌和过程中的干投,TPS改性剂依靠集料的高温剪切作用迅速分散和熔融,不存在改性剂与基质沥青由于相容性导致的储存管理问题。
使用成品高粘度改性沥青必须考虑其改性剂与基质沥青的相容性问题:首先要进行离析试验检验其相容性,其次要根据其相容性情况采取各种措施实现改性沥青进场后的尽快使用,时间较长时必须采取保温存储、循环搅拌等措施,并在使用前再次检测其指标。
4 经济分析
根据前述满足技术指标要求的成品高粘度改性沥青方案,主要考虑不同沥青方案直接的材料成本[5],对各种方案进行经济分析。
从分析结果看出,经济性最好的是使用国产成品高粘度改性沥青,且其技术指标亦较好。但鉴于宁杭高速项目现场沥青存储设施未考虑专门的成品高粘度改性沥青稳定性问题,且国产成品高粘度改性沥青用于排水沥青路面尚缺少工程实践,本项目暂未采纳该方案。
对使用TPS外加剂的方案,由于TPS价格昂贵,比例有所增加其材料成本即上升较快。由于使用70号基本上要采用14∶86的技术方案,而其每吨高粘度改性沥青单价达到1万余元。相比之下,8∶92的SBS基质沥青方案不足9 000元。综合前述试验结果,无论从技术指标还是材料成本方面的对比分析,使用SBS改性沥青、添加较低剂量的TPS改性剂都是更合理的技术方案。
另据了解,国内同类改性剂的价格约为TPS改性剂的50%~70%左右,则其每吨高粘度改性沥青(SBS方案)折算单价约为8 000元左右。
最后,从技术和经济以及运输便捷等角度考虑,采用通沙SBS(SK基质沥青)+8%TPS改性剂作为本项目最终采用的高粘度改性沥青方案。
5 结语
1)通过对TPS改性剂与不同种类基质沥青的配伍性试验,结合经济分析和既有应用经验,确定宁杭高速(二期)排水沥青路面的高粘度沥青采用通沙SBS改性沥青+TPS(92∶8)的技术方案。2)对确定的高粘度沥青组成的混合料进行了水稳定性和高温稳定性等性能验证,其结果能够较好的满足排水性沥青混合料技术要求。3)从国内外的技术和产品现状来看,国产成品高粘度改性沥青价格优势明显,室内试验指标亦能达到较好水平,应择机加强其在排水沥青路面铺装工程中的实践应用,检验其实际路用性能。4)国外高粘度改性剂价格昂贵,不利于排水路面的大面积推广应用。建议加强国产高粘度沥青外加改性剂的开发应用,以降低成本。5)外加改性剂不必担心高粘度改性沥青的储存稳定性等使用问题,但也存在添加控制较为麻烦的问题,宁杭高速项目专门为此准备了自动化的风送颗粒添加装置,取得了较好效果。
参考文献
[1]江苏省高速公路建设指挥部.排水性沥青路面应用技术研究总报告[R].2006.
[2]交通部公路科学研究院.山区公路沥青面层排水技术的研究总报告[R].2004.
[3]钱国超,刘清泉,曹东伟,等.排水性沥青路面技术在盐通高速公路上的应用与创新[J].公路交通科技(应用技术版),2006(10):52-56.
[4]日本道路协会.排水性铺装技术指南(案)[M].东京:丸善株式会社,1996.