SU864061A1 - Способ определени полных реологических кривых полидисперсных систем - Google Patents

Description

Изобретение относится к способам определения физико-химического состояния коллоидных растворов, суспен·' зий и других дисперсных систем посредством определения полных реологических кривых и может быть использовано как в научных, так и в практических целях в нефтегазодобывающих отраслях промышленности в лакокрасочных, химических и пищевых производствах, в строительстве.

Известен способ получения полных реологических кривых, основанный на измерении механической реакции среда, заключающийся в том, что с помощью, например ротационных вискозиметров, представляющих собой два тела (коаксиальных цилиндра), между которыми помещена испытуемая среда, одно из тел приводят во вращение при различных скоростях общего деформирования дисперсной системы, и каждый раз при соответствующих скоростях измеряют механическую реакцию среда, а именно, напряжение сдвига испытуемой среда, затем определяют координаты точек и строят полную реологическую кривую {1].

Однако такой спос.об очень громоздок, так как раз приходится менять скорость вращения, затем определять напряжение сдвига испытуемой среды, причем напряжение сдвига определяют при равновесной степени разру5 шения структуры дисперсной системы, а это требует длительного времени (до нескольких часов, а то и суток). Этот промежуток времени оказывается на постоянстве свойств испытуемой ’θ жидкости, например глинистого раствора, применяемого в бурении нефтяных и газовых скважин. В итоге реологические свойства глинистого раствора вначале ив конце опыта стано15 вятся различными, так как испаряется дисперсионная среда, в результате чего увеличивается погрешность определения реологических кривых. Это значит, что мы строим реологическую 20 кривую по точкам принадлежащим разным суспензиям^-, а относим эту кривую к одной суспензии.

Цель достигается тем, что согласно способу определения полных реологи25 ческих кривых полидисперснах систем вращение одного из тел приводят во вращение при одной фиксированной скорости общего деформирования дисперсной системы, которую определяют экспери30 ментальным путем (скорость полного разрушения 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 принципиальная схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг,2 - обозначения величин, используемых при определении скоростей взаимного перемещения слоев в зазоре ротационного вискозиметра.

Устройство представляет собой ротационный вискозиметр, содержащий два коаксиальных цилиндра 1 и 2, в рабочий зазор 3 которого помещена исследуемая жидкость. один из цилиндров (внутренний) 2 приводится во вращение от электродвигателя 4, с которым связан тахогенератор 5 и измеритель 6 момента на валу двигателя 4.В рабочий зазор 3 вискозиметра введен электрод 7, который парой винт-гайка 8 и редуктором 9 связан со вторым электродвигателем 10 и датчиком 11 положения электрода 7. К электроду 7 и внутреннему цилиндру 2 подается напряжение постоянного тока, измеряемого амперметром 1.2. Величина тока определяется в зависимости от характера испытуемой жидкости. Тахогенератор 5 измерителя 6 момента на валу электродвигателя 4,. датчик 11 положения и электрод 7 подсоединен через устройство 13 ввода к вычислительному блоку (процессору) 14 и далее через устройство 15 вывода к устройству 16 регистрации.

Устройство работает следующим образом.

В рабочий зазор 3 вискозиметра заливают наследуемую жидкость. Подают напряжение постоянного тока на электрод 7 и внутренний' цилиндр

2. Включают электродвигатель 4, который приводит во вращение внутренний цилиндр 2. При эТом исследуемая жидкость в рабочем зазоре.3 вискозиметра испытывает механическую реакцию, а именно слои жидкости начинают перемещаться со скоростью от ^V1= ^vma*-«o V_o= 0.

Вращение внутреннего цилиндра 2 осуществляют при одной фиксированной скорости общего деформирования. При включении второго электродвигателя 10 электрод 7 с помощью винт-гайки 8 и 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 исследуемой жидкости выражаются с помощью еледующей системы уравнений <3 ^мо+-!^ааГ^;|а^и’а^+мо*2 где М.... Ммоменты от касательных напряжений сдвига исследуемой жидкости;

....1^- моменты инерции элементарных цилиндров вра- ’ щающейся исследуемой жидкости;

... ии_к ~ угловые скорости враще- .. ния этих цилиндров. Просуммировав левые и правые части .системы (1) получим

Из (2) видно, что М_о - Mt - не что .иное, как результирующий момент 6 на валу двигателя, предлагаемый для вращения исследуемой жидкости по всему зазору (Мр) ; 1_С- с?уть постоянная величина для данной жидкости и легко вычисляется по известным формулам;изменяется с изменением R.J при фиксированном С0₀ (скорости вращения внутреннего цилиндра).

Если обратиться к значениям Mg + 1 .., Mq+ i + 1.. .Mg.—t , то заметим, что они зависят от величины касательных напряжений сдвига, действующим на границах элементарных цилиндров , а Мр- учитывает суммарную величину . Из (1) ясно, что следующий слой начинает вращаться только тогда, когда момент его сил касательного напряжения сдвига на дранице с предыдущим слоем превзойдет аналогичный момент на гранище со следующим слоем. Это значит, что'if),· = f (щ,-) . Однако для достижения определенной скорости 'взаимного перемещения слоев оц· нужно преодолеть соответствующее значение^ , в противном случае не будет достигнута, следовательно, f(Ф;), это значит, что кривые распределения' скоростей и напряжений ’’подобны’¹ (с коэффициентом подобия, определяемым«различием в моментах измерения). Это говорит о том, что можно в пределах οται^· дош₀, измеряя последовательно значения Ч, , V_a·.. .V_K.. ,V₀ , иметь полную реологическую кривую в одном цикле измерения и нет необходимости ва864061 /рьировать значения V₄, а достаточно выбрать одно,.например, максимальное для данной исследуемой жидкости (пределы изменения Vj фиксируются соображениями необходимости сохранения* ламинарного течения в зазоре).

Следовательно, вращение внутреннего цилиндра можно осуществлять при одной фиксированной скорости общего деформирования.

Данные о моментах сопротивления от касательных напряжений сдвига от измерителя момента б, сигналы о скорости вращения цилиндра 2 от'тахогенератора 5, о положении электрода 7 от датчика 11 перемещений, а также сигналы о скорости перемещения слоев исследуемой жидкости от амперметра 12 поступают через устройство 13 ввода на вычислительный блок (процессор) 14, который выдает команда на перемещение электрода 7 и на устройство 16. регистрации.

Характер кривых распределения 'скоростей взаимного перемещения слоев в зазоре 3 вискозиметра определяют заранее экспериментальным путем при данной исследуемой жидкости. Следовательно, если вид функций V₄= f(R.;) задан, то, определив предварительно возможный характер модели и затем определив возможный характер модели и, использовав, например, шаговый метод адаптивной идентификации (по ограниченному числу измерений определяют коэффициенты модели и таким образом получают полную реологическую кривую). Если погрешность определенной кривой, рассчитанная процессором 14, окажемся больше заданной, то процессор 14 выдает команду на 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 где , ~ некоторые линейные коэффициенты, то мы получив измерения

V в точках 1,2...η для каждой реализации рассчитываем коэффициенты по формулам

i)^+₽i‘ ft?

W Полученные значения подставляем в (3) , вычисляем Vj и определяем aVj , Если численное значение не удовлетворяет, повторяют процедуру. Предложенный способ имеет су(5 щественное преимущество перед известными способами за счет оперативности получения полных реологических кривых. Экон&мическая эффективность способа базируется на оптимизации 2Q режимов течения и технологических процессах. Кроме того, измерение ско— . ростей в зазоре может осуществляться и другими техническими средствами, например лазерными дифференциальны25 ми измерителями скоростей различных типов в зависимости от прозрачности изучаемой полидасперсии.

Claims (2)

1. Изобретение ОТНОСИТСЯ к способам определени  физико-химического состо ни  коллоидных растворов, суспен зий и других дисперсных систем посредством определени  полных реологи ческих кривых и может быть использо вано как в научных, так и в практических цел х в нефтегазодобывающих отрасл х промышленности в лакокрасочных , химических и пищевых производствах , в строительстве. Известен способ получени  попных реологический кривых, основанный на измерении механической реакции среды, заключак цийс  в том, что с помощью, например ротационных вискозиметров , представл ющих собой два тела (коаксиальных цилиндра), между которыми помещена испытуема  среда, одно из тел привод т во враи ние при различных скорост х общег деформировани  дисперсной системы, и каждый раз при соответствующих скорост х измер ют механическую реа цию среды, а именно, напр жение сдв га испытуемой среды, затем определ  ют координаты точек и стро т полную реологическую кривую Однако такой спос.об очень док, так как раз приходитс  мен ть скорость вращени , затем определ ть напр жение сдвига испытуемой среды, причем напр жение сдвига определ ют при равновесной степени разрушени  структуры дисперсной систе «Д1 а это требует ;ср1ительного времени (до нескольких часов, а то и суток). 3tOT промежуток времени оказываетс на посто нстве свойств испытуемой жидкости, например глинистого раствора , примен емого в бурении нефт ных и газовых скважин. В итоге реологические свойства гли нистого раствора в начале и в конце опыта станов тс  различными, так как испар етс  дисперсионна  среда, в результате чего увеличиваетс  погрешность определени  реологических кривых. Это значит, что мы строим реологическую кривую по точкам принадлежащим разным суспензи м , а относим зту кривую к одной суспензии. Цель достигаетс  тем, что согласно способу определени  полных реологических кри лх прлидисперсных систем вращение одногЬ из тел привод  т во вращение при одной фиксированной скорости общего деформировани  дисперсной системы, которую определ ют экспериментальным путем (скорость полного разрушени  тиксотропной структуры), и измер ют напр жение сдвига испыту мой среды, затем определ ют скорост относительного перемещени  слоев в различных точках коаксиального зазора двух тел, фиксиру  при этом координаты точек. По измеренным величинам определ ют полную реологическую кривую. На весь этот процесс затрачиваетс  в среднем 10-15 мин. На фиг.1 показана принципиальна  схема устройства, реализующего пред ложенный способ; на фиг.2 - обознач ни  величин, используемых при определении скоростей взаимного перемещени  слоев в зазоре ротационного вискозиметра. Устройство представл ет собой ро тационный вискозиметр, содержащий два коаксиальных цилиндра 1 и 2, в рабочий зазор 3 которого помещена исследуема  жидкость. Один из цилиндров (внутренний) 2 приводитс  во вращение от электродвигател  4, с которьвд св зан тахогенератор 5 и измеритель 6 момента на валу двигател  4.В рабочий зазор 3 вискозиме ра введен электрод 7, который парой винт-гайка 8 и редуктором 9 св зан со вторым электродвигателем 10 и да чиком 11 положени  электрода 7. К электроду 7 и внутреннему цилиндру 2 подаетс  напр жение посто нного тока, измер емого амперметром 1.2. Величина тока определ етс  в зависи мости от характера испытуемой жидко ти, Тахогенератор 5 измерител  б момента на валу электродвигател  4, датчик 11 положени  и электрод .7 подсоединен через устройство 13 вво да к вычислительному блоку (процессору ) 14 и далее через устройство 15 вывода к устройству 16 регистрации . З тройство работает следующим образом. В рабочий зазор 3 вискозиметра заливают и оследуемую жидкость. Подают напр жение nocToj MHoro тока на электрод 7 и внутренний цилиндр 2. Включают электродвигатель 4, который приводит во вращение внутренний цилиндр
2. 2. При эиом исследуема  жидкость в рабочем зазоре.3 вис козиметра испытывает механическую реакцию, а именно слои жидкости начинсцот перемещатьс  со скоростью от V .до Vo 0. . Вращение внутреннего цилиндра 2 осуществл ют при одной фиксированно скорости общего деформировани . При включении второго электродвигател  10 электрод 7 с помощью винт-тайки и редуктора 9 перемещаетс  в радиальном направлении в рабочем зазоре Датчик 11 перемещени  фиксирует положение электрода 7. При передаче вращательного движе ни  от сло  к слою моменты от касательных напр жений исследуемой жидкости выражаютс  с помощью следующей системы уравнений o ar -j«i Mo i . Г. , где М. .. . моменты от касательных напр жений сдвига исследуемой жидкости; 1 ... .1) моменты инерции элементарных цилиндров вращающейс  исследуемой жидкости; utj... tiU|, - угловые скорости вращени  этих цилиндров. Просуммировав левые и правые части системы (1) получим V K-g-lr -, (ly Из (2) видно, что MO - Mfc- не что .иное, как результирующиЗ$ момент 6 на валу Двигател , предлагаемый дл  вращени  исследуемой жидкости по всему зазору (Мр) ; Ij.- (уть посто нна  величина дл  данной жидкости и легко вычисл етс  по известным формулам; ш.,- измен етс  с изменением R при фиксированном сОр (скорости вращени  внутреннего цилиндра). Если обратитьс  к значени м 1 .. ../ KQ+ i + l...M(t-i то заЫетим, что они за.вис т от величины касательных напр жений сдвига, действующим на границах элементарных ЦИЛИНДрОВ д ,,ti,..-t|C( М- - учитывает суммарную величину i .Из 1)  сно, что следующий начинает вращатьс  только тогда, когда момент его сил касательного напр жени  сдвига на дранице с предыдущим слоем превзойдет аналогичный момент на граниае со следующим слоем. Это значит, чтоТ,- (ш). Однако дл  достижени  определенной скорости взаимного перемещени  слоев нужно преодолеть соответствующее значение и , в противном случае vj не буДет достигнута, следовательно, f (tj ) , это значит, что кривые распределени - скоростей и напр жений подобны (с коэффициентом подоби , определ емым )азличнем в моментах измерени ). Это говорит о том, что можно в пределах от доа1д, измер   последовательно зна% .. Vjj... .V{j , иметь полчени  V. ную реологическую кривую в одном цикле измерени  и нет необходимости ва/рьировать значени  V,, а выбрать одно,.например, максимальнре дл  данной исследуемой жидкости (пре делы изменени  V, фиксируютс  сообра жени ми необходимости сохранени  ламинарного течени  в зазоре). Следовательно, вращение внутренне го цилиндра мЬжно осуществл ть при одной фиксированной скорости общего деформировани . данные .о моментах сопротивлени  от касательных напр жений сдвига от измерител  момента б, сигналы о скорости вращени  цилиндра 2 от тахо генератора 5, о положении электрода 7 от датчика И перемещений, а также сигналы о скорости перемещени  слоев исследуемой жидкости от ампер метра 12 поступают через Устройство 13 ввода на вычислительный блок (процессор) 14, который выдает команды на перемещение электрода 7 и на устройство 16, регистрации. характер кривых распределени  1скоростей взаимного перемещени  сло ев в зазоре 3 вискозиметра определ  flpLIf экспериментальным при данной исследуемой жидкости ледов тельно, если вид функций f(«1 1йан, то, определив предварительно возможный характер модели и затем определив возможный аракт р моцли и использовав, например/ шаговый м4то2 адаптивной идентификации (по ограниченному числу «змерений опре НОЙ ивой, рассчитанна  процессо« « 4 oк4жefc  больше заданной, о проДессоГи выдает команду на перемещение электрода 7 и f f не достигнет заданного значени . Например если i « ЗaлRr%fi ,:. Ж a«-,a,. - некоторые линей кХфЬциен,; то мы получив измере в точках 1,2...п дл  каждой реалиации рассчитываем коэффициенты по ормулам ) /AV.)( ft j) a4 u{i-i)-.-i 03;,:rd4(J.j4P-«J Полученные значени  подставл ем в (3) , вычисл ем V{ и определ ем u.V . Если численное значение л. не удовлетвор ет, повтор ют процедуру. Предложенный способ имеет существенное преимущество перед известными способами за счет оперативности получени  полных реологических кривых. Экономическа  эффективность способа базируетс  на оптимизации режимов течени  и технологических процессах. Кроме того, измерение скоростей в зазоре может осуществл тьс  и другими техническими средствами, например лазерными дифференциальными измерител ми скоростей различных типов в зависимости от прозрачности изучаемой полидисперсии. Формула изобретени  способ определени  полных реологических кривых полидисперсных систем, основанный на измерении механической реакции испытуемой среды с использованием двух тел, между которыми помещена испытуема  среда, при этом одно из тел св зано с приводом вращени  отличающийс  тем, что с целью сокращени  времени и увеличени  точности определени , окно из тел привод т во вращение РИ фик- сированной скоррсти общего деформиро вани  дисперсной системы, измер ют напр женке сдвига испытуемой среды, определ ют скорости относительного леремещени  слоев в различных точках коаксиального зазора а скорость деформировани  дисперсной системы задают такую, при которой предельное разрушение тик- . сотропной структуры. Источники -информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Бартенев Г.М., Е1)милова Н.В. Физико-химическа  механика icnepc-. ных структур. М., Наука, 1966, с. 371 (прототип) .

   У