Comportarea reologica dependenta de timp a mediilor polifazice. Aplicatii

Universitatea Politehnica Bucuresti

Facultatea de Energetica

Profil: Ingineria si Protectia Mediului in Industrie

Grupa: 2313 I.M.

Profesor: Robescu Diana

Cuprins1. Medii polifazice. Fluidul polifazic 1.1. Medii polifazice 1.2. Fluid polifazic real2. Reologia3. Proprietăţile reologice ale fluidelor/mediilor nenewtoniene4. Fluide nenewtoniene cu proprietăţi dependente de timp 4.1. Tixotropia 4.2. Reopexia 4.3. Antitixotropia5. Concluzii6. Bibliografie

1. Medii polifazice. Fluidul polifazic

1.1 Medii polifazice

Practic, în natură şi industrie nu există fluid omogen şi izotrop, în adevăratul sens al celor două noţiuni, cu mici. excepţii: apa pură şi unele lichide cu înaltă puritate din industria chimică. Apa de la robinet, de exemplu, conţine gaze şi substanţe organice şi anorganice dizolvate sau în stare de suspensie coloidală.

De cele mai multe ori apa se găseşte în amestec cu particule solide şi cu bule de gaz. De asemenea, aerul, în condiţii naturale, conţine particule solide, gaze, fum, picături fine de lichid, vapori (aerosoli) etc. Prin urmare, fluidele din natură constituie amestecuri eterogene cu compoziţie şi concentraţii variabile, ceea ce conduce la proprietăţi diferite de curgere. Prezenţa fazelor diferite într-un mediu fluid modifică proprietăţile acestuia şi este greu de precizat limitele în care sunt valabile principiile şi legile mecanicii clasice. De cele mai multe ori rezultatele obţinute prin aplicarea legilor mecanicii fluidelor omogene nu concordă cu realitatea experimentală datorită conţinutului de substanţe dispersate în mediul fluid purtător. Introducerea într-un fluid omogen a unui alt corp dispersat sub formă de particule discrete modifică caracteristicile mediului de bază, dar nu influenţează continuitatea acestuia şi una dintre principalele proprietăţi, proprietatea de fluiditate.

În acest domeniu rămân valabile legile constitutive ale mediilor continue (energie), precum şi teoria relaxării elastice a lui Maxwell. In această teorie generală, fenomenologică, se exprimă faptul că într-o stare a materiei se manifestă în acelaşi timp fluiditatea (curgerea vâscoasă a fluidelor) şi deformarea elastică caracteristică solidelor.

1.2 Fluid polifazic real

În natură ca şi în industrie se întalnesc sisteme eterogene în care lichidul sau gazul coexistă cu părţi solide. Faza este una dintre părţile unui sistem eterogen care este separată de alta printr-o suprafaţă continuă sau o mulţime de suprafeţe continue. In multe cazuri, faza fluidă este preponderentă, asigurând sistemului dispers proprietatea de fluiditate, în sens mai larg, curgere cu transport şi transfer.

Fluidul polifazic real se defineşte ca un mediu continuu, neomogen şi neizotrop caracterizat prin proprietatea de fluiditate, ce rezultă din amestecul nemiscibil a cel puţin doua corpuri cu stări de agregare diferite (lichid solid, solid-gaz, lichid-gaz). De exemplu, fluidul bifazic de tip lichid-solid are două componente de bază: 1. faza lichidă, mediu continuu de dispersie; 2. faza solidă, mediu dispersat (nu se menţionează gazele dizolvate în masa de apă).

Fluidul polifazic este un sistem material dispersat într-un fluid monofazic (lichid sau gaz), alcătuit din mai multe faze, separate prin suprafeţe continue sau mulţimi de suprafeţe continue, denumite constituenţi. Constituenţii fluidului polifazic sunt medii continue la nivelul fazei fluide şi a componentelor dispersate. Aşadar, se menţin valabile, în cadrul fiecărui component, proprietăţile mediului continuu corespunzătoare stării de agregare. Dacă faza continuă este în repaus, faza sau fazele dispersate se separă gravitaţional, rămân în stare dispersă sau difuzează în faza continuă. La o altă scară, proprietăţile fazelor dispersate

rămân valabile şi pentru mişcarea fluidului polifazic. În unele fluide polifazice constituenţii reacţionează chimic (fazele nu sunt inerte chimic) şi pot apare procese de precipitare, coagulare.

În studiul fluidelor polifazice fiecare constituent se consideră a fi continuu, guvernat de ecuaţiile cu derivate parţiale ale mecanicii fluidelor sau al mecanicii mediilor continue. Materialele (fazele) sunt separate la interfaţă prin suprafeţe continue sau cvasicontinue. La interfaţă acţionează ecuaţii de salt, de exemplu condiţii de conservare ale masei şi momentului.

2. Reologia

Reologia este o ramură a fizicii care se ocupă cu studiul proprietăţilor de curgere, elasticitate, viscozitate şi deformare în timp a corpurilor, determinate de structura sistemelor, sub acţiunea forţelor finite aplicate asupra lor. Reometria reprezintă tehnica măsurării proprietăţilor reologice ale corpurilor; ea presupune măsurarea vâscozităţii în tot domeniul ei de existenţă, precum şi determinarea punctului de curgere, a elasticităţii etc. Aparatele reometrice sunt utilizate la determinarea mărimilor caracteristice de vâscozitate, la trasarea curbelor de curgere, a liniilor de plasticitate, tixotropie etc.

Domeniul de studiu al reologiei cuprinde totalitatea corpurilor al căror răspuns la acţiunea forţelor externe este între curgerea vâscoasă laminară caracteristică fluidului newtonian şi deformarea plastică corespunzătoare solidului hookean. Între cele două extreme se încadrează comportamentul celor mai multe corpuri din natură a căror proprietăţi structurale sunt o combinaţie a caracteristicilor de bază a materialelor: elasticitate, plasticitate, curgere vâscoasă etc. în diverse proporţii: astfel există corpuri elastoplastice, vâscoelastice, vâscoplastice, plasticrigide etc. Curgerea acestor corpuri conduce la modificări ale structurii interioare a materialelor; deci la schimbarea distribuţiei spaţiale a atomilor, ionilor, moleculelor, unităţilor cristaline şi particulelor coloidale.

Comportările de bază ale corpurilor pot fi modelate prin diverse dispozitive mecanice. Astfel, proprietăţile elastice pot fi modelate prin comportarea unui resort, cele vâscoase sunt reflectate de un piston cu orificii care se deplasează relativ cu fluidul vâscos printr-un corp de pompă în mişcare, iar comportarea plastică prin modelul Saint-Venant imaginat de un corp care se deplasează cu frecare pe suprafaţa unui resort. Comportările reologice ale corpurilor care au combinaţii simultane, în diverse proporţii, de proprietăţi fundamentale pot fi modelate prin dispozitive complexe ce suprapun efectele mecanismelor elementare menţionate mai sus. Ecuaţiile care descriu comportamentul complex al acestor corpuri rezultă din combinarea ecuaţiilor corespunzătoare proprietăţilor fundamentale.

3. Proprietăţile reologice ale fluidelor/mediilor nenewtoniene

Pe baza relaţiei dintre efortul unitar tangenţial de vâscozitate şi gradientul de viteză, dv/dn, (grad v), sau viteza de forfecare fluidele în general corpurile se clasifică în: 1. fluid newtonian de studiul căruia se ocupă mecanica fluidelor definit ca acel model de fluid care se supune legii lui Newton:

2. fluid/mediu nenewtonian (newtonian generalizat) de studiul căruia se ocupă reologia, definit ca acel model de corp la care nu mai există proporţionalitate între efortul şi gradientul vitezei, grad v. Pe baza comportării reologice a unor corpuri reale W. F. Ostwald şi de Waele au dat formula generală:

în care K are semnificaţia unui coeficient de vâscozitate dinamică (pentru n=1, K=), dar datorită diverselor valori ale exponentului n unitatea de măsură a factorului K nu este cea corespunzătoare vâscozităţii dinamice.

Se definesc următoarele proprietăţi reologice ale fluidelor/corpurilor nenewtoniene. 1. esenţiale din care fac parte proprietăţile reologice fundamentale (elasticitatea, vâscozitatea, plasticitatea) şi proprietăţile reologice complexe ce rezultă din combinarea celor fundamentale (elasticitatea întârziată, plasticitatea dinamică, relaxarea....); 2. tehnologice care se definesc ca acele proprietăţi reologice pentru care s-a elaborat o metodă de experimentare şi măsurare

Proprietăţile reologice ale fluidelor/mediilor nenewtoniene se clasifică: 1. fluide la care proprietăţile sînt independente de timp sau de durata efortului tangenţial, 2. fluide/corpuri la care proprietăţile sunt dependente de durata efortului tangenţial 3. fluide/medii la care se manifestă cu preponderenţă caracteristicile particulelor solide.

4. Fluide nenewtoniene cu proprietăţi dependente de timp

Fluidele nenewtoniene cu proprietăţi dependente de timp includ acele suspensii pentru care tensiunile tangenţiale variază cu durata deformaţiei. Din această categorie se exclud schimbările care se produc prin spargere mecanică, distrugerea particulelor sau a lanţurilor moleculare.

4.1. Tixotropia

Termen introdus de H Freundlich în 1935 este proprietatea pe care o au soluţiile şi suspensiile de a se gelatiniza când sunt în repaus şi de a deveni fluide când sunt agitate. Fenomenul este o transformare izotermă reversibilă, denumirea provenind de la cuvintele greceşti, tixis=atingere şi tropos=schimbare.

Aşadar, tixotropia reprezintă modificarea stării corpului prin atingere, respectiv prin influenţe mecanice exterioare: şocuri, vibraţii, amestecare, scuturare etc.

Tixotropia este capacitatea pe care o are corpul de a-şi reface legăturile distruse prin acţiuni mecanice, reformîndu-şi structura iniţială, ca un rezultat al mişcării browniene. Modul de variaţie al gradientului de viteză în interiorul corpului supus acţiunilor mecanice este dependent de gradul de refacere (creşte rezistenţa) sau distrugere (se reduce rezistenţa opusă de corp) a legăturilor structurale. După W. P.

Oswald corpurile la care vâscozitatea scade pe măsură ce creşte tensiunea tangenţială au o vâscozitate de structură. Densitatea, vâscozitatea şi elasticitatea corpului sunt esenţiale pentru com-portamentul în timp al mediului tixotrop.

Diagrama unui fluid tixotrop este obţinută cu vâscozimetrul rotaţional. Efortul tangenţial creşte cu gradientul de viteză după curba CA. Dacă gradientul este menţinut constant, după punctul B, atins de curba superioară, efortul tangenţial va descreşte în lungul liniei BD până în punctul E. Dacă gradientul descreşte se obţine curba BC sau oricare altă curbă intermediară DC. Aşadar, structura fluidului tixotrop se rupe la gradient constant şi efortul descreşte.

Noţiunea de vâscozitate de structură a fost introdusă deoarece fenomenul de curgere a corpului apare datorită schimbării constituţiei fluidului în timpul cât este supus la acţiunea tensiunii tangenţiale. Particulele constituiente se modifică în cursul mişcării, curgerii, astfel încât se stânjenesc mai puţin unele pe altele, în timpul curgerii pot aparea următoarele modificări:

1. micşorarea volumului particulelor; Fig. 1. Diagrama de tensiuni pentru un corp tixotrop

2. modificarea formei particulelor, de exemplu rotunjire; 3. ruperea progresivă a unor legături existente între granulele corpului polifazic funcţie ele intensitatea şi durata efortului.

Procesele tixotropie, denumite transformare izotermă reversibilă sol-gel sunt caracterizate prin modificări structurale în timpul curgerii depind de natura materialului dispersat, concentraţia acestuia în mediul de dispersie, temperatură, stadiul transformării sol-gel-sol (stare fluidă-solidă-fluidă). În repaus soluţiile tixotrope au natura unui gel, iar când sunt agitate se comportă ca un corp pseudoplasfic, însă diferă de acesta datorită faptului că la forţe mici vâscozitatea pastei scade conform legii:

unde K şi a sunt constante numerice Ia valori mari ale forţelor (tensiunilor) sistemele tixotrope se comportă ca solide-fluide şi au vâscozitatea independentă de mărimea forţei şi de timp. Principala problemă a reologiei fluidelor tixotropice aste precizarea curbei de curgere pentru fiecare stadiu de evoluţie a transformării solid-gel corespunzătoare diverselor modificări structurale.

Fenomenul de tixotropie poate fi explicat de exemplu, în cazul argilei. Structural argila este alcătuită din granule minerale, mici, de forma unor bastonaşe, plăcuţe sau sfere. Particulele reţin o cantitate de apă care provoacă mărirea volumului şi creşterea plasticităţii materialului. Sub acţiunea unor tensiuni mecanice apa iese din granule, pătrunde între acestea şi structura materialului se modifică (apare noroiul care curge). După un timp apa este din nou absorbită, iar argila îşi reface structura prezentând la exterior un aspect uscat. Aşadar, acţiunea mecanică exterioară distruge gelul întărit tixotropic.

Exemple de corpuri tixotrope: maioneză, vopseluri, cerneluri, noroiulde brazdă, apă cu argilă, zăpada, magme de bentonită, majoritatea emulsiilor farmaceutice stabile etc.

4.2. Reopexia

Reopexia este proprietatea pe care o au unele suspensii sau soluţii (de exemplu, suspensii de gips în apă, sol de pentoxid de vanadiu, sol bentonitic etc.) de a-şi majora viteza de întărire (gelatinizare) a pastelor printr-o acţiune mecanică de agitare caracterizată de creşterea rapidă a vâscozităţii aparente. Reopexia se datoreşte acţiunii de dezorientare a moleculelor exercitată de agitarea mecanică, care se suprapune efectului ce apare spontan prin mişcarea borwniană. Sub acţiunea factorilor externi particulele se aranjează într-o reţea mai compactă care conduce la o creştere în timp a vâscozităţii.

De exemplu vaselina naturală agitată are o vâscozitate redusă, iar după 24 de ore de repaus se întăreşte majorîndu-şi vâscozitatea. La un fluid cu proprietăţi respective efortul creşte cu timpul, datorită aglomerării granulelor, după o lege de tipul:

în care K2 şi b sunt constante numerice.

Comportarea reopexica a fost evidentiata la: suspensii apoase de argila, de gips, pamanturi bentonitice, suspensii diluate de oleat de amoniu etc.

4.3. Antitixotropia

Antitixotropia este proprietatea reologică care se manifestă la curgerea corpurilor plastic-dilatante prin reopexie funcţie de intensitatea şi durata de aplicare a efortului de forfecare. Aceste corpuri, utilizate larg în domeniul farmaceutic, au o bună capacitate de menţinere a particulelor solide în suspensie.

5. Concluzii 

Cunoasterea comportarii reologice, exprimata prin reograme caracteristice fiecarui fluid, permite proiectarea tehnologica corecta a proceselor, utilajelor in care intervin fluide reale; in mod special, in proiectarea utilajelor pentru prelucrat mase plastice.

Modificarea vascozitatii in timp este necesar sa fie cunoscuta cand fluidele strabat trasee lungi sau sint supuse timp indelungat amestecarii.

Cunoscandu-se capacitatea fluidelor vascoelastice de a curge mai usor la cresterea solicitarii se realizeaza curgeri mai economice prin alunecarea fluidului fata de peretele solid. 

Bibliografie

1. Elemente de hidraulica avansata Curs 2 – Micu Cristi2. Dinamica fluidelor polifazice poluante – Universitatea Maritima Constanta3. Fluide vascoase nenewtoniene - ppt

Studenti

1. Chiuchiu Adina2. Gutoiu

Alexandru3. Popescu Gabriela4. Tudor Alexandru