ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ ПОЛИЭТИЛЕНОКСИД - ВОДА
Аннотация
В статье представлены результаты исследований реологических свойств водных растворов полиэтиленоксида. На основании измерений, проведенных с использованием ротационного вискозиметра, были определены значения касательных напряжений в относительно широком диапазоне скоростей сдвига, возникающих при смешивании ньютоновских и неньютоновских жидкостей в аппаратах с механическими перемешивающими устройствами. Реологические кривые аппроксимированы моделью Оствальда де Виля (или так называемым степенным законом). Коэффициенты модели: коэффициент консистенции жидкости k и индекс течения n были определены с использованием алгоритма Левенберга-Марквардта для нелинейной оценки. Также определено влияние температуры в диапазоне 15-40 °С на свойства и поведение исследуемых неньютоновских жидкостей. Для характеристики этой зависимости был определен параметр сдвига кривой at. Наибольшие значения at наблюдаются при самой низкой температуре, а наименьшие при 40 °С. Эксперименты показали значительное влияние концентрации полиэтиленоксида cPEO на реологические свойства исследуемых растворов. Для самых низких концентраций (cPEO=1,2%) растворы проявляли свойства, характерные для ньютоновских жидкостей, значения n были близки к 1. С увеличением концентрации полиэтиленоксида в воде (cPEO=2,4-4,8%) растворы проявляли свойства псевдопластичных неньютоновских жидкостей без предела текучести. В этих случаях значения n были ниже единицы и для наибольшей концентрации (cPEO=4,8%) находились в диапазоне n=0,5694-0,7536 в зависимости от температуры. Температура изменялась в диапазоне 15-40 °С. Результаты исследований могут быть использованы при численном моделировании, проектировании и оптимизации промышленного оборудования, работающего с жидкостями такого рода, включая смесительные емкости, колонны или теплообменники.
Литература
Chhabra R.P., Richardson J.F. Non-Newtonian flow and applied rheology: Engineering Applications. Amsterdam: Elsevier. 2011. 536 p.
Wilczyński K. Rheology in plastic processing. Warsaw: WNT. 2001. 279 p. (in Polish).
Kembłowski Z. Non-Newtonian fluids rheometry. Warsaw: WNT. 1973. 188 p. (in Polish).
Barnes H.A., Hutton J.F., Waltes K. An introduction to rheology. Amsterdam: Elsevier. 2005. 210 p.
Dan D., Jing G. Apparent viscosity prediction of non-Newtonian waterin-crude oil emulsions. J. Petrol. Sci. Eng. 2006. V. 53. N 1-2. P. 113-122. DOI: 10.1016/j.petrol.2006.04.003.
Derkach S.R. Rheology of emulsions. Adv. Colloid Interfac. 2009. V. 151. N 1-2. P. 1-23. DOI: 10.1016/j.cis.2009.07.001.
Meriem-Benziane M., Abdul-Wahab S.A., Benaicha M., Belhadri M. Investigating the rheological properties of light crude oil and the characteristics of its emulsions in order to improve pipeline flow. Fuel. 2012. V. 95. P. 97-107. DOI: 10.1016/j.fuel.2011.10.007.
Pal R. Fundamental rheology of disperse systems based on single-particle mechanics. Fluids. 2016. V. 1. P. 1-49. DOI: 10.3390/fluids1040040.
Minakov A.V., Rudyak V.Ya., Pryazhnikov M.I. Rheological behavior of water and ethylene glycol based nanofluids containing oxide nanoparticles. Colloid. Surface. A. 2018.
V. 554. P. 279-285. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2018.06.051.
Peryt-Stawiarska S., Murasiewicz H., Jaworski Z. Analysis of rheological characteristics on the basis of CMC – water solutions. Inz. Ap. Chem. 2014. V. 53. N 3. P. 165-166 (in Polish).
Xiao R., Yakacki C.M., Guo J., Frick P., Nguyen T.D. A predictive parameter for shape memory behavior for thermoplastic polymers. J. Polym. Sci. Pol. Phys. 2015. V. 54. P. 1405-1414. DOI: 10.1002/polb.23981.
Tereshko A.E., Indeiykin E.A. Golikov I.V. Rheological properties of combined polymer-paraffin dispersions. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 1. P. 82-83 (in Russian).
Su X., Chen W., Xu W. Characterizing the rheological behaviors of non-Newtonian fluid via a viscoelastic com-ponent: Fractal dashpot. Adv. Mech. Eng. 2017. V. 9. N 10.
P. 1-12. DOI: 10.1177/1687814017699765.
Mariano A., Pastoriza-Galleo M.J., Lugo L., Camacho A., Canzonieri S., Pineiro M.M. Thermal conductivity, rheological behaviour and density of non-newtonian ethylene glycol-based SnO2 nanofluids. Fluid Phase Equilib. 2013. V. 337. P. 119–124. DOI: 10.1016/j.fluid.2012.09.029.
Khalil M., Jan B.M., Raman A.A. Rheological and statistical evaluation of nontraditional lightweight completion fluid and its dependence on temperature. J. Petrol. Sci. Eng. 2011. V. 77. P. 27-33. DOI: 10.1016/j.petrol.2011.02.001.
Malkin A.Ya. Non-Newtonian viscosity in steady-state shear flows. J. Non-Newton. Fluid. 2013. V. 192. P. 48-65. DOI: 10.1016/j.jnnfm.2012.09.015.
Zlokarnik M. Stirring - Theory and practice. Weinheim: Wiley-VCH. 2001. 362 p.
Paul E.L., Atiemo-Obeng W.A., Kresta S.M. Handbook of industrial mixing: Science and practice. Hoboken: John Wiley & Sons. 2004. 1377 p.
Bocayuvaa L.R., Gomesa A.S., Oliveiraa C.M.F., Amorimb M.C.V. Rheological properties of blends of polycarbonate with poly(ethylene oxide). Polym. Test. 2000. V. 19. N 3. P. 321-327. DOI: 10.1016/S0142-9418(98)00097-X.
Saigal T., Yoshikawa A., Kloss D., Kato M., Golas P.L., Matyjaszewski K., Tilton R.D. Stable emulsions with thermally responsive microstructure and rheology using poly(ethylene oxide) star polymers as emulsifiers. J. Colloid Interf. Sci. 2013. V. 394. P. 284-292. DOI: 10.1016/j.jcis.2012.11.033.
Skurtys O., Andrade R., Osorio F. Rheological characterization of poly(ethylene oxide) and carboxymethyl cellulose suspensions with added solids. LWT - Food Sci. Tech-nol. 2015. V. 64. N 1. P. 131-139. DOI: 10.1016/j.lwt.2015.05.047.
Wójtowicz R. Choice of an optimal agitated vessel for the drawdown of floating solids. Ind. Eng. Chem. Res. 2014. V. 53. P. 13989–14001. DOI: 10.1021/ie500604q.
Wójtowicz R. Flow pattern and power consumption in a vibromixer. Chem. Eng. Sci. 2017. V. 172. P. 622-635. DOI: 10.1016/j.ces.2017.07.010.
Campesi A., Cerri M.O., Hokka C.O., Badino A.C. Determination of the average shear rate in a stirred and aerated tank bioreactor. Bioprocess Biosyst. Eng. 2009. V. 32.
P. 241–248. DOI 10.1007/s00449-008-0242-4.
Kelly W., Gigas B. Using CFD to predict the behavior of power law fluids near axial-flow impellers operation in the transitional flow regime. Chem. Eng. Sci. 2003. V. 58.
P. 2141–2152. DOI: 10.1016/S0009-2509(03)00060-5.
Perez J.A.S., Porcel E.M.R., Lopez J.L.C., Sevilla J.M.F. Chisti Y. Shear rate in stirred tank and bubble column bioreactors. Chem. Eng. J. 2006. V. 124. P. 1–5. DOI: 10.1016/j.cej.2006.07.002.
Wu J., Graham L.J., Mehidi N.N. Estimation of agitator flow shear rate. AIChE J. 2006. V. 52. N 7. DOI: 10.1002/aic.10857.
Wichterle K., Kadlec M., Zak L., Mitschka P. Shear rates on turbine impeller blades. Chem. Eng. Commun. 1984. V. 26. P. 25–32. DOI: 10.1080/00986448408940200.
Shetty A.M., Solomon M.J. Aggregation in dilute solutions of high molar mass poly(ethylene) oxide and its effect on polymer turbulent drag reduction. Polymer. 2009. V. 50. P. 261–270. DOI: 10.1016/j.polymer.2008.10.026.
Polverari M., van de Ven T.G.M. Dilute aqueous poly(ethylene oxide) solutions: clusters and single molecules in thermodynamic equilibrium. J. Phys. Chem. 1996. V. 100.
P. 13687–1369. DOI: 10.1021/jp960215o.
Kalashnikov V.N. Onset conditions for bicontinuity of domain structure in polymeric fluids. J. Polym. Sci. Part B: Polymer Physics. 1999. V. 37. P. 3208–3216. DOI: 10.1002/(SICI)1099-0488(19991115)37:22<3208: AID- POLB5>3.0.CO;2-W.
