background image

 

 
 

LABORATORIUM  IN

Ż

YNIERII  BIOPROCESOWEJ 

Kierunek:  Biotechnologia 

Specjalno

ść

Agrobiotechnologia, 

Biotechnologia w produkcji zwierz

ę

cej 

(studia in

ż

ynierskie) 

 

 

 

 

 

 

Ć

wiczenie nr 6 

 

WYZNACZANIE PARAMETRÓW  

REOLOGICZNYCH ZAWIESINY MATERIAŁU 

BIOLOGICZNEGO

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 

 

UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO – PRZYRODNICZY 

WYDZIAŁ TECHNOLOGII I IN

Ż

YNIERII CHEMICZNEJ 

Katedra In

ż

ynierii Chemicznej i Bioprocesowej 

                                                                                     

BYDGOSZCZ 

background image

 

 

 

1. Wprowadzenie teoretyczne 

 

Reologia jako nauka o odkształcaniu zajmuje się także przepływem materii, będącym 

odkształceniem o charakterze nieodwracalnym i ciągle wzrastającym z czasem. 

 

W  celu  zdefiniowania  podstawowych  wielkości  rozpatrzmy  sytuację  pokazaną  na 

rys.1.  Warstewka  cieczy  znajduje  się  między  dwiema  płaskimi  równoległymi  płytkami,  z 

których dolna jest nieruchoma, natomiast do górnej przyłożona jest styczna siła S. 

 Rys.1. Proste ścinanie płynu. 

 

 

Stosunek siły dS, przyłożonej stycznie do powierzchni dF, na którą działa, nosi nazwę 

naprężenia stycznego 

τ

 

 

 

τ =

dS

dF

 

 

(1) 

 
 

Powstały  gradient prędkości wzdłuż osi  y jest wynikiem istnienia sił tarcia wewnątrz 

płynu,  które  równoważą  siłę  zewnętrzną  S,  przeciwdziałając  tym  samym  wzajemnemu 

przesuwaniu  się  warstewek  płynu.  Miarą  odkształcenia  płynu  wywołanego  występowaniem 

naprężenia stycznego 

τ

 jest tangens kąta 

α

 (rys.1) 

 

tg

t du

dy

α γ

= = ⋅

 

 

(2) 

gdzie: 

 

t-czas, [s]. 

 
 

Gradient prędkości płynu, noszący również nazwę szybkości odkształcania, jest równy 

 

dy

du

dt

d

=

=

γ

γ

 

 

(3) 

 

background image

 

 

Płyny,  dla  których  zależność  szybkości  ścinania 

γ

  od  naprężenia  stycznego 

τ

  ma 

charakter liniowy 

τ=η

γ

 

(4) 

 
gdzie 

η

-dynamiczny współczynnik lepkości, [Pa s] 

 
noszą nazwę newtonowskich. 

 

Pozostałe płyny niespełniające zależność (4) określa się jako nienewtonowskie. Płyny 

nienewtonowskie można podzielić na trzy grupy: 

1.  Płyny  reostabilne,  dla  których  szybkość  ścinania  w  danym  punkcie  zależy  tylko  od 

naprężenia stycznego w tym miejscu. 

2.  Płyny  reologicznie  niestabilne,  dla  których  szybkość  ścinania  jest  funkcją  naprężenia 

ś

cinającego oraz czasu przykładania siły ścinającej. 

3.  Płyny  sprężystolepkie,  które  wykazują  powrót  sprężysty  po  usunięciu  naprężenia 

stycznego. 

 

 

Płyny reostabilne dzieli się ze względu na charakter zależności szybkości ścinania od 

naprężenia stycznego na: 

-płyny  newtonowskie,  charakteryzujące  się  liniową  zależnością  szybkości  ścinania  od 

naprężenia stycznego, 

-płyny  rozrzedzone  ścinaniem,  dla  których  zwiększanie  naprężania  stycznego  powoduje 

nieproporcjonalnie  duży  wzrost  szybkości  ścinania;  lepkość  takich  płynów  zmniejsza  się  ze 

wzrostem szybkości ścinania (rys.2); płyny te nazywa się często pseudoplastycznymi

-płyny zagęszczane ścinaniem zwane zwyczajowo dilatacyjnymi

Są  to  układy,  dla  których  zwiększanie  naprężenia  stycznego  wywołuje  mniejszy  przyrost 

szybkości ścinania niż wynikałoby to z prostej proporcjonalności między tymi wielkościami. 

Przez analogię do dynamicznego współczynnika lepkości płynów newtonowskich wprowadza 

się pozorny dynamiczny współczynnik lepkości 

η

a

 definiowany następująco: 

η

τ

γ

a

const

= ≠

 

 

(5) 

 

Zależność naprężenia stycznego od prędkości ścinania podają krzywe płynięcia (rys.2). 

 

background image

 

 

 

 

Rys.2. Krzywe płynięcia płynów: 

      1-newtonowskiego, 
      2-pseudoplastycznego, 
      3-dilatacyjnego. 

 

Pozorny  współczynnik  dynamiczny  lepkości  płynu  nienewtonowskiego,  równy  tangensowi 

kąta 

α

 na rys.2, zwiększa się lub maleje ze wzrostem szybkości ścinania. 

 

Krzywa  płynięcia  płynu  nienewtonowskiego  ma  w  obszarze  ruchu  laminarnego  trzy 

charakterystyczne zakresy. W zakresie małych i dużych szybkości ścinania krzywa płynięcia 

ma  charakter  liniowy,  a  więc  układ  zachowuje  się  jak  płyn  newtonowski  o  stałej  lepkości 

η

0

/

η

gdzie: 

η

0

-dynamiczny  współczynnik  lepkości  ekstrapolowanej  dla  zerowej  szybkości 

ś

cinania, 

 

η

-dynamiczny  współczynnik  lepkości  przy  szybkości  ścinania  „dążącej  do   

nieskończoności”. 

 

W zakresie pośrednich szybkości ścinania pozorny dynamiczny współczynnik lepkości płynu 

pseudoplastycznego  maleje,  a  dilatacyjnego  -  zwiększa  się  ze  wzrostem 

γ

.  Najprostszym 

modelem matematycznym opisującym krzywą płynięcia w tym zakresie jest model potęgowy 

Ostwalda: 

n

k

=

γ

τ

 

 

(6) 

gdzie: 

 

k,n-parametry reologiczne. 

 

background image

 

 

 

 

Na podstawie równań (5) i (6) otrzymuje się zależność: 

1

=

=

n

n

a

k

k

γ

γ

γ

η

 

 
 

(7) 

z której wynika, że dla płynów dilatacyjnych n>1, a dla płynów pseudoplastycznych n<1. W 

przypadku  płynów  pseudoplastycznych  zjawisko  rozrzedzania  ścinaniem  tłumaczone  jest 

stopniowym  układaniem  się  asymetrycznych  cząstek  wzdłuż  linii  przepływu,  co  powoduje 

zmniejszanie tarcia wewnętrznego płynu. Według innej teorii każda cząsteczka jest otoczona 

powłoką  z  cieczy  ośrodka  rozpuszczającego.  Na  skutek  zdzierania  tej  powłoki  występuje 

spadek wartości 

η

a

 

Istnieją  również  płyny  posiadające  graniczne  naprężenie  styczne 

τ

y

  (rys.3).  Płyn  taki 

przy  naprężeniach 

τ

<

τ

y

  zachowuje  się  jak  ciało  stałe;  dopiero  po  przekroczeniu  granicy 

płynięcia trwała struktura ulega zniszczeniu, a układ wykazuje własności cieczy (rys.3). Płyny 

te noszą nazwę plastycznolepkich. 

Rys.3. Krzywe płynięcia płynów reostabilnych wykazujących granicę płynięcia 

                                1 – płyn plastycznolepki Binghama, 2,3 – nieliniowe płyny plastycznolepkie. 

 

 

Własności  reologiczne  nieliniowych  płynów  plastycznolepkich  opisuje  model 

Herschela i Dulkleya: 

m

p

y

/

1

+

=

γ

η

τ

τ

 

(8) 

gdzie: 

 

η

p

-dynamiczny współczynnik lepkości plastycznej, [Pa s], 

 

m-parametr reologiczny. 

 

background image

 

 

 

Płyny  reologicznie  niestabilne  wykazują  lepkość  pozorną 

η

a

  zależną  od  szybkości 

ś

cinania,  zmienną  w  czasie.  Płyny  te  mogą  posiadać  charakter  tiksotropowy  lub 

antytiksotropowy  (reopeksyjny).  Układ  tiksotropowy  znajdujący  się  przez  dłuższy  czas  w 

spoczynku,  a  następnie  poddany  stałej  szybkości  ścinania,  wykazuje  zjawisko  odwracalnego 

zmniejszania  naprężenia  stycznego  z  czasem.  W  tych  samych  warunkach,  w  przypadku 

antytiksotropii  naprężenie  styczne  zwiększa  się  odwracalnie  z  czasem.  To  tłumaczy 

występowanie pętli histerezy (rys.4).  

 

 

Rys.4. Przykłady histerezy krzywej płynięcia dla płynów 

a-tiksotropowych, 

b-antytiksotropowych. 

 

Zjawisko  tiksotropii  jest  wywołane  tymi  samymi  przyczynami  co  rozrzedzanie  ścinaniem 

płynów reostabilnych, z tą różnicą, że w przypadku płynów reostabilnych równowaga między 

naprężeniem  stycznym  i  szybkością  ścinania  zachodzi  natychmiast  (w  rzeczywistości  -  w 

bardzo krótkim czasie), natomiast dla płynów tiksotropowych potrzebny jest pewien czas do 

jej osiągnięcia. 

 

Własności reologicznych płynów sprężystolepkich nie można opisać w prosty sposób, 

ponieważ zależą one nie tylko od czasu, ale są również funkcją 

τ

γ

, d

τ

/dt  i  d

γ

/dt. 

 

Roztwory i stopy polimerów wysokocząsteczkowych, a także układy wielofazowe (np. 

emulsje) wykazują cechy sprężystolepkie. 

 

Znajomość  parametrów  określających  własności  płynów  nienewtonowskich,  czyli 

parametrów  reologicznych,  w  czasie  przepływu  tych  płynów  przez  przewody  o  różnym 

rodzaju  przekroju  poprzecznego  lub  warstwy  porowate,  jest  niezbędnym  warunkiem  do 

określenia oporów przepływu tych płynów, do obliczenia mocy i efektywności mieszania oraz 

do wyznaczenia intensywności wnikania ciepła. 

background image

 

 

 

Typowe wiskozymetry (Höpplera, Englera czy wiskozymetry absolutne) nie mogą być 

użyte  do  wyznaczania  krzywych  płynięcia  płynów  nienewtonowskich.  Do  pomiaru 

właściwości reologicznych płynów nienewtonowskich stosuje się reometry rotacyjne. Zasada 

pomiaru  reometrem  kapilarnym  polega  na  ustalonym,  laminarnym  i  izotermicznym 

przetłaczaniu badanego płynu przez kapilarę o gładkiej powierzchni. Podstawą do określenia 

wielkości  reologicznych  stanowi  pomiar  strumienia  objętości  cieczy  V

1

  jako  funkcji  spadku 

ciśnienia  w  kapilarze  o  znanej  długości  L  i  średnicy  d.  Własności  reologiczne  płynu 

charakteryzują w sposób jednoznaczny zależność między naprężeniem stycznym przy ścianie 

d

P/4L i wielkością 32V

1

/

π

d

3

 postaci: 

©

3

1

©

32

4

n

d

V

k

L

P

d

=

π

 

 

(9) 

gdzie: 

 

n

-wskaźnik charakterystyczny płynięcia, 

 

k

-współczynnik  „konsystencji”  (im  większa  jest  wartość  k

,  tym  bardziej  lepki  jest 

dany   płyn), [Pa s]. 

 

 

Reometry kapilarne charakteryzują się prostą konstrukcją i bardzo szerokim zakresem 

pracy. Warunek ustalonego przepływu eliminuje jednak zastosowanie tego wiskozymetru do 

badań płynów reologicznie niestabilnych. 

 

W  przypadku  zawiesiny  o  dużych  cząsteczkach  ciała  stałego  stosuje  się  rotametry 

rurowe.  Zasada  pomiaru  jest  taka  sama  jak  w  przypadku  zastosowania  reometrów 

kapilarnych. 

 

REOMETRACH  ROTACYJNYCH

  ścinaniu  ulega  płyn  znajdujący  się  między  dwoma 

elementami, najczęściej cylindrami współosiowymi (jeden często nazywany jest cylindrem, a 

drugi – tłokiem), z których jeden (tłok) wykonuje ruchy obrotowe.  

Naprężenie styczne w rotametrze rotacyjnym oblicza się z następującej zależności: 

2

lr

M

r

π

τ

=

 

 

(10) 

Szybkość ścinania wynosi: 

2

2

2

r

R

R

=

ω

γ

 

 

(11) 

A dynamiczny współczynnik lepkości wyrażony jest wzorem (12): 

=

γ

τ

η

r

 

(12) 

background image

 

 

Pomiar  polega  na  określeniu  prędkości  kątowej 

ω

  wirującego  elementu  i  momentu 

skręcającego  M

sk

.  pozorny  dynamiczny  współczynnik  lepkości  płynu  nienewtonowskiego 

η

 

określa równanie (13) powstałe po podstawieniu rów.(10) i (11) do zależności (12): 

(

)

ω

π

η

sk

M

R

lr

r

R

=

2

2

2

2

2

 

 

(13) 

lub: 

ω

η

sk

M

k

=

1

 

 

(14) 

gdzie: 

(

)

2

2

2

2

1

2

R

lr

r

R

k

π

=

 

 

R -promień cylindra, 

r-promień tłoka 

l-długość (wysokość) tłoka. 

 

Ponieważ  równanie  (13)  obowiązuje  dla  układu  cylindrów  nieskończenie  długich, 

dlatego  w  reometrach  rzeczywistych  konieczne  jest  uwzględnienie  zakłóceń  występujących 

na  brzegach  oraz  efektu  wywołanego  dodatkową  powierzchnią  pomiarową  podstaw 

cylindrów. 

W  celu  zobrazowania  działania  reometru  rotacyjnego  Reotest-2  na  rys.5.  przedstawiono 

przekrój cylindra oraz tłoka. 

 

Rys.5. Przekrój cylindra i tłoka reometru Reotest-2. 

 

background image

 

 

2. Cel ćwiczenia 

 

Celem  ćwiczenia  jest  poznanie  podstawowych  pojęć  z  zakresu  reologii  oraz 

wyznaczenie  krzywej  płynięcia  i  parametrów  reologicznych  płynów  reometrem  rotacyjnym 

typ: Rheotest-2. 

 

3. Urządzenia i odczynniki. 

 

Do  wyznaczenia  parametrów  reologicznych  cieczy  niezbędne  są  następujące 

urządzenia i odczynniki: 

 

reometr rotacyjny Rheotest-2 (schemat urządzenia przedstawiono na rysunku 5), 

 

termostat U-5, 

 

roztwory gliceryny, metylocelulozy lub zawiesiny drożdży. 

 

4. Metodyka wykonania ćwiczenia 

 

W zależności od lepkości badanej cieczy należy dobrać cylinder i tłok (patrz tabela w 

załączniku 2). 

W  zależności  od  rodzaju  dobranego  cylindra  należy  użyć  odpowiednią  ilość  badanej  cieczy 

(tabela 1). 

 

Tabela 1. 

Nr cylindra 

S1 

S2 

S3 

Ilość cieczy badanej [cm

3

±

 5%  10 

25 

30 

50 

17 

 

 

Po dobraniu tłoka, cylindra i wlaniu cieczy badanej do cylindra, należy: 

a)

 

umocować tłok w uchwycie Rheotestu, 

b)

 

umocować cylinder, 

c)

 

umocować płaszcz grzejny, 

d)

 

ustawić przekładnię na pozycję I i b (11), 

e)

 

odczytać temperaturę, 

f)

 

pokrętło regulacji obrotów R

0

 (9) ustawić na pozycji 1, 

g)

 

włączyć obroty tłoka przyciskiem O

t

 (47), 

h)

 

włączyć przycisk odczytu przyrządu na skali 

α

 (48), 

i)

 

odczytać na skali wartość 

α

, 

background image

 

 

10 

j)

 

stopniowo zwiększać obroty pokrętłem R

0

. Jeżeli wskazania przyrządu pomiarowego 

są poza skalą należy przerwać pomiar. 

k)

 

Dla  każdego  z  płynów  należy  wykonać  po  dwa  pomiary.  W  przypadku  uzyskania 

rozbieżnych wyników, wykonać pomiar po raz trzeci. 

 

5. Opracowanie wyników 

1. Otrzymane wyniki pomiarów i obliczeń należy umieścić w tabeli 2. 

 

Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń 

 

OBROTY 

(a lub b) 

α

 

τ

γ

 

η

 

Lp. 

2

cm

dyn

 

s

1

 

[cP] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

10 

 

 

 

 

11 

11 

 

 

 

 

12 

12 

 

 

 

 

 

 

2. Należy obliczyć naprężenie styczne 

τ

r

 [dyn/cm

2

] z równania: 

τ

r

=z

⋅α

 

(15) 

gdzie:  

 

z-stała zależna od rodzaju tłoka i cylindra, 

background image

 

 

11 

Stałą z odczytuje się z tabeli 3. 

 

Tabela 3. Wartości stałej z 

rodzaj cylindra/rodzaj tłoka 

wartość stałej z 

II 

N/N 

3,15 

31,80 

S/S1 

5,56 

56,10 

S/S2 

6,09 

60,80 

S/S3 

8,30 

82,50 

H/H 

29,30 

293,50 

 

 

3. Z tabeli 4 odczytujemy wartość szybkości ścinania 

γ

Tabela 4. Wartości szybkości ścinania 

γ

 

 

Wartość 

γ

 [1/s] 

1a 

2a 

3a 

4a 

5a 

6a 

7a 

8a 

9a 

10a 

11a 

12a 

S1,N 

5,4 

16,2 

27 

48,6 

81 

145,8  243  437,4  729 

1312 

S2 

1,8 

5,4 

16,2 

27 

48,5 

81 

145,8  243  437,4 

S3 

0,333 

0,6 

1,8 

5,4 

16,2 

27 

48,6 

81 

145,8 

0,333 

0,6 

1,8 

5,4 

16,2 

27 

48,6 

81 

145,8 

 

 

Wartość 

γ

 [1/s] 

1b 

2b 

3b 

4b 

5b 

6b 

7b 

8b 

9b 

10b 

11b 

12b 

S1,N 

1,5 

2,7 

4,5 

8,1 

13,5 

24,3 

40,5 

72,9  121,5  218,7  364,5  656 

S2 

0,5 

0,9 

1,5 

2,7 

4,5 

8,1 

13,5 

24,3 

40,5 

72,9  121,5  218,7 

S3 

0,1667  0,3 

0,5 

0,9 

1,5 

2,7 

4,5 

8,1 

13,5 

24,3 

40,5 

72,9 

0,1667  0,3 

0,5 

0,9 

1,5 

2,7 

4,5 

8,1 

13,5 

24,3 

40,5 

72,9 

 

 

background image

 

 

12 

4. Następnie obliczamy wartość 

η

 [cP] określoną następującym równaniem: 

100

=

γ

τ

η

r

 

(16) 

 

5. Należy również sporządzić wykres zależności lepkości (

η

) od szybkości ścinania (

γ

). 

 

6. Na skali podwójnie logartytmicznej wykonać wykres naprężeń stycznych (

τ

r

) od szybkości 

ś

cinania (

γ

) (krzywa płynięcia). 

 

7. Określić rodzaj płynu. 

 

8. Wykorzystując model Ostwalda (rów. (6)), wyznaczyć parametry reologiczne płynu (k i n). 

 

Literatura 

1. Kembłowski Z.: Reometria płynów newtonowskich. WNT Warszawa 1973. 
2. Wilkinson W.: Ciecze nienewtonowskie. WNT Warszawa 1963. 
3. Serwiński M.: Zasady inżynierii chemicznej. WNT Warszawa 1976, s.104-111.