Misuratori di viscosità

Il fluido che viene processato dall’impianto, attraversando lo scambiatore di calore a superficie raschiata, è non Newtoniano, ossia un fluido time dependent la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato o della portata e che esibisce sforzi normali.

Limitandosi ai soli sforzi di taglio, si osservi che un fluido non Newtoniano non ha un valore definito di viscosità, il quale dipende dall’intensità della forza che gli viene applicata ad una certa velocità. Un liquido non newtoniano è quindi un fluido che non segue la legge di newton che prevede una viscosità indipendente dalla forza a tutte le velocità, a cui esso è sottoposto.

La reologia è stata propriamente definita come lo studio dei flussi e deformazione dei materiali e generalmente si distinguono due tipi di flussi con relativi movimenti delle particelle adiacenti: shear flows e extensional flows.

Nei primi, che oltretutto sono quelli trattati dall’impianto, le particelle liquide scorrono l’una sopra l’altra o l’una accanto all’altra, mentre nei secondi scorrono l’una verso l’altra o l’una lontana dall’altra. La scelta del tipo di viscosimetro o reometro e dei modi di misura dipende dalle proprietà del liquido da misurare, in funzione della sua risposta agli sforzi di scorrimento cui è sottoposto.

Il progresso della strumentazione viscosimetrica, che applica le più evolute tecniche meccaniche ed elettroniche, ha permesso di studiare le proprietà nelle più differenti condizioni di temperatura e sollecitazione meccanica. Essendo cruciale il controllo della viscosità apparente del fluido considerato, di seguito si discutono i diversi misuratori a disposizione.

4.4.3.1. Tipologie di viscosimetri

Le misure possono essere effettuate direttamente (viscosità assoluta), oppure per confronto con un liquido di riferimento a viscosità nota (viscosità relativa).

I viscosimetri assoluti possono misurare direttamente la viscosità in grandezze fisiche assolute (Pa.s) e danno risultati indipendenti dallo strumento utilizzato, quindi sono adatti anche alla misura di molti tipi di liquidi non newtoniani. Siccome per le misure assolute è necessario che il flusso sia descrivibile matematicamente, cioè laminare, stazionario, con gli sforzi di taglio e i relativi gradienti in zone esattamente definite, si deve assicurare l'omogeneità del campione, la sua stabilità chimica durante la misura purchè in cinematica viscosimetrica (condizioni al contorno).

I viscosimetri relativi, operando per confronto con standard, possono essere impiegati con ogni tipo di fluido, ma non sempre i dati ottenuti con apparecchi differenti sono confrontabili. Poiché la determinazione della viscosità è basata sulla misura di una forza che agendo sulla superficie dei fluidi ne provoca lo spostamento, il viscosimetro deve adottare la geometria d'applicazione della forza idonea a generare il flusso laminare da misurare.

Nei viscosimetri capillari e ad orifizio, il liquido è fatto scorrere da una differenza di pressione applicata tra l'ingresso e l'uscita di un tubo capillare. Nell'avanzamento le lamine del liquido assumono un profilo di velocità a parabola (profilo telescopico). Dal tempo d'efflusso di un volume noto di liquido si risale alla viscosità.

Nei viscosimetri a sfera cadente si misura la resistenza del liquido all'attraversamento da parte di un solido, in quelli a bolla la resistenza al passaggio di un gas attraverso il liquido, nei viscosimetri a galleggiante la resistenza di un solido al trascinamento da parte di un flusso viscoso.

Nei reometri rotazionali la geometria del flusso laminare è generata per trascinamento in diversi modi, che dipendono dal disegno del rotore. Per esempio, nel flusso tra cilindri coassiali uno dei due cilindri è fermo e l'altro ruota trascinando con sé il liquido in lamine concentriche. Nel flusso rotazionale tra piastra e cono e tra piastre parallele, il cono o una piastra parallela ruotano normalmente ad una piastra ferma. Il flusso laminare è piano, parallelo alla piastra ferma.

Data la stretta dipendenza della viscosità dalla temperatura, tutti gli strumenti devono essere termostatati almeno a ±0,1°C, preferibilmente ±0,01°C, con sistemi di circolazione a camicia

collegati ad ultratermostati o per immersione in bagni, oppure devono incorporare nello strumento sistemi termoelettrici a effetto Peltier.

Misuratori di viscosità in linea

I principi utilizzati per la misurazione della viscosità in continuo sono:

• Il metodo Rotazionale dove la viscosità è in relazione con la velocità angolare ed il momento torcente provocato quando il fluido è mantenuto tra un elemento rotante e una superfice fissa; • Il metodo a Capillare, dove la viscosità è basata sulla misura del tempo di efflusso di un

liquido attraverso un tubo capillare calibrato per effetto di uno sforzo generato sia dalla gravità (viscosimetri a caduta libera), sia da una forza meccanica o pneumatica (viscosimetri a pressione variabile). Benché siano tra i primi tipi di viscosimetro ideato, sono tuttora considerati il metodo più preciso per i liquidi newtoniani e possono essere impiegati per misure di viscosità cinematica assoluta e relativa.

• Il metodo a Pistone dove la viscosità è relazionata al tempo usato da un pistone mosso per via elettromagnetica per fargli percorrere una data lunghezza all’interno del fluido;

• Il metodo a Diapason dove la viscosità è in relazione alle vibrazioni indotte dal fluido verso la forchetta di metallo.

Ciascuno di questi metodi ha una sua validità ma presenta delle problematiche ben conosciute dall’Operatore in campo. Ad esempio, il viscosimetro Rotazionale presenta parti meccaniche in movimento, usura delle medesime e necessità di ricalibrazione. Un viscosimetro a Capillare può essere preciso ma è afflitto da problemi di sporcamento e quindi manutenzione ma soprattutto ha tempi di risposta lunghi. Una recente alternativa è il viscosimetro a diapason o forchetta. Non ha parti in movimento ed è compatto, però la presenza delle due lamelle vicine può aumentare lo sporcamento. Inoltre la vicinanza della parete interna del reattore crea degli echi fastidiosi e la presenza di bolle o particolato assorbendo energia sonora incrementa la viscosità apparente.

I nuovi Viscosimetri sono basati sul principio della Risonanza Torsionale. Il sensore in SS micro-oscillando alla sua frequenza naturale con un movimento tipo “twist” impartisce al fluido una Forza. Le micro-oscillazioni sono invisibili all’occhio umano e la presenza del fluido tende a smorzare queste oscillazioni. Questa energia dissipata è la misura della Viscosità e si fa presente che questa energia è minima, pertanto non modifica la struttura molecolare del fluido.

Figura 38: esempi di viscosimetri