ش مساحت مرزی شده و نیرویی ایجاد می نماید که سعی میکند صفحه را به طرف مرز بکشد. این نیرو مستقیما با کشش سطحی ارتباط پیدا میکند و میتواند به وسیلهی میکروبالانس اندازهگیری شود. این نیرو به صورت معادلهی (3-1) در کشش سطحی تاثیر میگذارد.
(2-3)
σ=F/(p cos⁡θ )
که در این معادله p محیط ناحیه تماس سه فاز (دو سیال و میکروبالانس) و θ زاویه هلالی مایع در تماس با میکروبالانس است.

2-1-2- دستهی دوم: اندازه گیری فشار مویینگی

همانطور که گفته شد، کشش سطحی عبارت است از کار مورد نیاز برای ساختن یک واحد سطح مرزی در دما، فشار و پتانسیل شیمیایی ثابت. چون همیشه مقدار این کار برای فازهای امتزاج ناپذیر مثبت است، بنابراین تمایل کشش سطحی همواره در جهت کاهش سطح مرزی است. این تمایل باعث به وجود آمدن یک اختلاف فشار بین سیالات دو طرف سطح هلالی میگردد. این اختلاف فشارباعث ایجاد پدیده هایی همچون بالا رفتن مایع از لولهی مویین و تشکیل حباب و قطره میگردد. معادلهی یانگ-لاپلاس که اختلاف فشار در طول مرز منحنی شکل را میدهد، به صورت زیر بیان میگردد.
(2-4)
∆P=σ(1/R_1 +1/R_2 )

در این معادله R1 و R2 شعاع های انحنا هستند. اختلاف فشار در طول مرز منحنی شده میتواند از راههای گوناگونی اندازه گیری شود ( برای مثال با استفاده از یک سنسور فشار یا با مشاهدهی ارتفاع لولهی مویین) و سپس با داشتن شعاع انحنا مقدار کشش سطحی محاسبه میگردد.

2-1-3- دستهی سوم: آنالیز تعادل بین نیروهای گرانش و موئینه

روش هایی که بر اساس آنالیز اثرات مویینگی هستند، مثل ارتفاع مویینگی یا حجم یا وزن قطره جزء قدیمی ترین روش های اندازه گیری کشش سطحی هستند. اساس روش مویینه، اندازه گیری ارتفاع h یک لولهی شیشه ای دوار به شعاع r است. برای لولههایی که قطر کمی دارند، شکل هلال به صورت کروی بوده و کشش سطحی با استفاده از فرمول زیر محاسبه میگردد.

σ=∆ρghr/(2 cos⁡θ )
(2-5)

از آنجایی که لوله های شیشه ای به راحتی با اسید، باز یا حلال های آلی تمیز میشوند، و بسیاری از مایعات به طور کامل سطح شیشه ای را تر میکنند، عبارت cosθ در معادلهی بالا اغلب برابر با یک خواهد بود.

2-1-4- دستهی چهارم: آنالیز قطرههای منحرف شده بر اثر گرانش

سطح مایع به طور طبیعی تمایل دارد برای حداقل کردن سطح در واحد حجم مایع آن را به صورت کروی در آورد. مرز در میدان گرانشی تابع برآیند نیروهای مویین و گرانشی است و میتواند به صورت معادلهی بشفورس-آدامس بیان گردد.
(2-6)
σ(sin⁡φ/x+1/R_1 )=2σ/b+∆ρgz
شکل بدون بعد معادلهی (2-6) به صورت زیر است:
(2-7)
sin⁡Φ/(x/b)+1/(R_1/b)=2+(∆ρgb^2)/σ z/b
در معادلات بالا، ρ∆ اختلاف دانسیته سیالات، R1 شعاع انحنا، x شعاع چرخش نقطه S حول محور x، ϕ زاویه بردار R2 با محور تقارن، b شعاع انحنا در راس تقارن، و g شتاب جاذبهی گرانشی است. در شکل 2-3 جزئیات قطره نشان داده شده است.

یکی از مهم ترین روش های اندازه گیری کشش سطحی که در این دسته قرار میگیرد، روش قطره معلق است. از آنجایی که شبیه سازی ها در این پژوهش بر اساس این روش انجام شده است، روش قطره معلق با جزئیات بیشتری توضیح داده میشود ]6[.
روش قطره معلق یک روش ساده است که در آن کشش سطحی به وسیلهی دو پارامتر اندازهگیری میشود. قطر D، همان قطر استوایی قطره است و d، قطر قطره در فاصلهی D از سر قطره میباشد. این جزئیات در شکل 2-4 نشان داده شده است.

کشش سطحی از رابطهی زیر قابل محاسبه است.
(2-8)
σ=(∆ρgD^2)/H
در این معادله، H به نسبت d/D بستگی دارد. مقدار این پارامتر در مقالات گوناگون گزارش شده است ]12-14[. دقت روش قطره معلق همانند دیگر روش های اندازه گیری کشش سطحی، وابسته به تمیز بودن تجهیزات آزمایش است تا بتواند جوابهای قابل اعتماد و تکرار پذیری به دست دهد. در این روش، سوزنی که برای ایجاد قطره یا حباب معلق به کار میرود، بایستی کاملا تمیز باشد تا مایع روی سطح بیرونی سوزن بالا نرود. سوزنهای ساخته شده از استیل یا شیشه به راحتی با استفاده از اسید، باز یا حلالهای آلی تمیز میشوند. برای گرفتن نتایج بهتر با این روش، پیشنهاد میشود قطر سوزن از D5/0 کمتر باشد; با اینحال قطر سوزن نباید خیلی کم باشد، زیرا در این صورت d کاهش یافته و در نتیجه دقت روش کاهش خواهد یافت ]6و12[.

2-1-5- دستهی پنجم: روش انحراف قطره تقویت شده

فرض اساسی در این روش این است که وقتی مایع و قطره در یک استوانهی افقی حول محور طولی استوانه میچرخند شتاب گرانشی اثر کمی روی شکل یک قطره معلق در مایع دارد.

وقتی سرعت چرخش(ω) پایین باشد، شکل قطره به صورت بیضوی خواهد بود، اما وقتی ω به اندازهی کافی بزرگ باشد، قطره به شکل استوانه ای در خواهد آمد. در این حالت، کشش سطحی به وسیلهی شعاع قطرهی استوانه ای شکل (r )، اختلاف دانسیته قطره و سیال اطراف آن و سرعت چرخش قطره تعیین میگردد. بنابراین، کشش سطحی میتواند از رابطهی زیر محاسبه گردد.
(2-9)
σ=1/4 r^3 ∆ρω^2
این روش مناسب برای اندازه گیری مقادیر بسیار پایین کشش سطحی است.

2-2- کشش سطحی دینامیک

در سیستم های سیال-سیال که دارای حل شونده های فعال هستند، یک سطح مرزی که به تازگی ایجاد شده است، به طور کلی، با دو سیالی که آنها را از هم جدا نموده است، در تعادل ساختاری16 نمیباشد. گاهی اوقات لازم است کشش سطحی در شرایطی که تازه ایجاد شده است، اندازه گیری شود. کشش سطحی اندازه گیری شده در این حالت کشش سطحی دینامیک خوانده میشود.
تغییرات کشش سطحی در بازه های زمانی مختلف (از چند ثانیه تا چند روز) میتواند با بیشتر روش های کلاسیک محاسبه گردد. کشش سطحی در زمان های کوتاه و اثرات ترشوندگی، نقش مهمی در فرآیندهای صنعتی در مقیاس بزرگ مثل شوینده ها، تولید کف و شناورسازی آن دارند. در اینگونه فرآیندها، کشش سطحی دینامیک اثر مهمتری در موفقیت پروژه نسبت به کشش سطحی تعادلی دارد.
از جمله روش های مرسوم برای اندازه گیری کشش سطحی دینامیک میتوان به روش های بیشترین فشار حباب، رشد قطره (حباب)، قطره معلق یا نوسان حباب اشاره کرد.

فصل سوم

3- روشهای اندازه گیری ضریب نفوذ

وقتی دو فاز گاز و مایع در تماس با همدیگر قرار میگیرند، سه مرحلهی انتقال جرمی مختلف اتفاق میافتد. ابتدا گاز به سمت مرز گاز- مایع حرکت میکند، سپس درون مرز نفوذ کرده و نهایتا وارد فاز مایع میگردد. انتقال جرم گاز در نفت خام سبب میگردد برخی خصوصیات مرزی بین گاز و مایع تغییر کند ]15و5[. در گذشته مطالعات زیادی صورت گرفته است تا پارامترهای انتقال جرمی را ارزیابی کند. این پژوهش ها را میتوان به طور کلی به دو دستهی روشهای مستقیم و غیر مستقیم تقسیم کرد ]16و15و5[. در همهی روش ها گاز در تماس با مایع قرار گرفته و در یک شرایط دمایی ثابت، داده های اندازه گیری شده در یک مدل انتقال جرمی قرار داده میشوند تا ضریب نفوذ گاز رادر مایع محاسبه کنند.

3-1- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ به صورت مستقیم

در این روش، در مقاطع مختلف زمانی از مخلوط آزمایش نمونه گیری و تحت آنالیز قرار میگیرد. سیگموند این روش را روی مخلوط های نیتروژن- متان، متان- پروپان و متان- نرمال بوتان پیاده کرد ]17[. این روش گران، زمانبر و در معرض خطاهای آزمایشگاهی متعددی قرار میگیرد.

3-2- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ به صورت غیر مستقیم

بر خلاف روش های مستقیم، در روش غیر مستقیم تغییر یک کمیت در طول فرآیند نفوذ مولکولی اندازه گیری میشود. این کمیت میتواند حجم یا فشار گاز، موقعیت مکانی مرز داخل لولهی مویینه، فشار گاز، شکل یا حجم قطرهی مایع معلق، یا کشش سطحی تعادلی باشد ]15و5[. در ادامهی این فصل هر یک از این روش ها به طور مختصر توضیح داده خواهند شد.

3-2-1- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس تغییر حجم

رینر در سال 1988 ضریب نفوذ گاز دی اکسید کربن در دکان را در یک محیط متخلخل و فشار بالا اندازه گیری کرد. برای انجام این آزمایش، یک تودهی گاز در بالای محیط متخلخل ایجاد شد. سپس به گاز اجازه داده شد تا داخل سنگ اشباع شده از نفت نفوذ کند. از طرف دیگر، کاهش فشار فاز گاز با تزریق دی اکسید کربن جبران گردید. از روی تغییر حجم فاز گاز به صورت تابعی از زمان، ضریب نفوذ سیستم تعیین شد. در شکل 3-1 شرایط مرزی به کار گرفته شده در این روش به صورت شماتیک نشان داده شده است. در این آزمایش ها فرض شد ضریب نفوذ تمامی اجزای تشکیل دهنده در سر تاسر بازهی تغییر درصد مولی که در طول آزمایش اتفاق میافتد، یکسان است. همین طور فرض میشود مقاومت انتقال جرمی برای نفوذ گاز در مایع قابل صرف نظر است.

در این حالت معادلهی انتقال جرمی، به صورت یک معادلهی یک بعدی ناپایدار در خواهد آمد که به صورت معادلهی (3-1) نشان داده میشود.
(3-1)
∂C/∂t=D_AB (∂^2 C)/(∂x^2 )
که تحت شرایط اولیه و شرایط مرزی زیر حل میشود
(3-2)
C(x,0)=0 0≤x∞
(3-3)
C(x,t)=Ceq t0
(3-4)
C(∞,t)=0 t0
با اعمال شرایط بالا، پروفایل غلظت به صورت معادلهی (3-5) خواهد بود.
(3-5)
C(x,t)=C_eq erfc( x/(2√(D_AB t)))
مقدار گاز جذب شده به وسیلهی مایع با انتگرال گیری از معادلهی غلظت به دست میآید.
(3-6)
m_t=A∫_0^∞▒C(x,t)dx
فاکتور F2 اثر سرعت هیدرودینامیکی و تغییر در حجم مایع در اثر مخلوط شدن را نشان میدهد.
(3-7)
D_AB=D_AB/F_2
بنابراین با انداز گیری مقدار گاز جذب شده، ضریب نفوذ سیستم تعیین میگردد. این روش تکرارپذیری خوبی ندارد که علت آن، تغییر سریع تراکم پذیری گاز در بازهی فشاری مطالعه شده است که باعث میشود نتایج آزمایش شدیدا به نوسانات دما و فشار حساس گردند ]18[.
گروگان و همکارانش، با استفاده از همین روش، ضریب نفوذ دی اکسید کربن را در پنتان، دکان، هگزادکان و همین طور در نفت خام و آب اندازه گیری کردند. دمای آزمایش C° 25 و بازهی فشاری تا KPa6000 گزارش شد. آنها بر مبنای نتایج به دست آمده، دو رابطه برای محاسبهی ضریب نفوذ دی اکسید کربن در آب و نفت بر اساس ویسکوزیته و دما ارائه دادند ]19[.

3-2-2- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس تغییر فشار گاز

ژانگ و همکارانش با استفاده از این روش ضریب نفوذ متان و دی اکسید کربن را در نفت سنگین به دست آوردند. اساس کار این روش این است که با گذشت زمان، گاز درون مایع نفوذ کرده و فشار فاز گاز به آرامی کاهش مییابد. بنابراین با قرار دادن دادههای فشار فاز گاز بر حسب زمان، در معادلات انتقال جرم، ضریب نفوذ گاز در مایع تعیین میگردد. این فرآیند تا جایی ادامه مییابد که فاز مایع از گاز اشباع شود. معادلهی نفوذ حاکم و شرایط اولیه و مرزی این سیستم مشابه معادلات (3-1) تا (3-4) خواهد بود. در این روش هم فرض میشود، مقاومت در مرز دو سیال وجود ندارد ]20[.
مشکل روش ژانگ این است که یک شرط مرزی نامناسب را در مدلسازی به کار برد; به عبارتی او فرض کرد هنگامی که سیستم به فشار تعادلی رسید، غلظت گاز در مایع برابر با غلظت تعادلی خواهد بود. از طرف دیگر، آنها یک عدد ثابت را برای انحراف گاز از حالت تعادل در طول آزمایش در نظر گرفتند، گرچه این پارامتر در فشارهای بالا انحراف قابل ملاحظهای از واحد مییابد و میتواند عامل ایجاد خطاهای زیادی شود ]21[. هر چند انجام این روش ساده است اما میتوان بزرگترین مشکل این روشها را گران بودن، زمانبر بودن و عدم در نظر گرفتن فشار فاز گاز در بدست آوردن ضریب نفوذ دانست ]22[.

3-2-3- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس آنالیز کشش سطحی تعادلی و دینامیک

تجهیزات آزمایشگاهی به کار

دسته‌ها: No category

دیدگاهتان را بنویسید