化纖行業(yè)在線黏度和實驗室黏度測量數(shù)據(jù)轉換研究

丁曉炯

(笙威工程技術服務(上海)有限公司，上海 201399)

0 引言

黏度測量是很多化學反應，尤其是聚合反應過程中十分重要的指標，不同聚合物隨著分子量的變化，黏度相應呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律，大致都是隨著分子量的增加，黏度也相應增加，這也是作為很多監(jiān)控反應過程的測量手段和表征方法。因此，許多生產(chǎn)過程中都需要進行黏度的連續(xù)自動測量與控制[1-3]。

在化纖行業(yè)中，有可能涉及黏度測量和控制的情況有很多，有化纖原液、后續(xù)涂布、預浸、染整等各種聚合物或含聚合物的各類液體，有單體到后續(xù)的產(chǎn)品，也有各種樹脂聚合物液體和不同濃度和比例的液體等，都有監(jiān)測黏度的需要，因此化纖行業(yè)已經(jīng)開始應用在線黏度測量技術，國內(nèi)也已經(jīng)有不少企業(yè)嘗試和已經(jīng)比較成熟的使用該項技術，但是由于物料本身的流變特性、在線測量時實時條件的變化(溫度、攪拌、流動等因素)、實驗室測量結果對比條件的不同，導致有些企業(yè)感覺在線黏度測量技術不成熟、不好用，這主要是由于對物料流變特性的不了解、黏度測量技術的不理解、以及測量條件變化對黏度測量值影響關系未掌握而造成的，這些問題都可以從流變理論和儀器測量原理的角度來得到分析和解決[4-5]。

1 在線黏度測量

在線黏度一般用在線黏度計測量計算而得。目前，在線黏度計的類型很多，根據(jù)測量原理不同，主要有以下幾種類型。

1.1 壓差式

壓差式在線黏度計是基于泊肅葉定律(Poiseuille定律)，儀器的主體是一段細管，細管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進入細管，有壓力監(jiān)測器測量細管兩端的壓力差，根據(jù)泊肅葉公式計算流體的黏度。

這類在線黏度計目前一般使用在石化煉油行業(yè)，用來測量成品油的黏度，測量范圍一般都不高，在幾百厘泊(cP)以下，但有些特殊的在線黏度計對細管進行特殊設計后也可以用來測量高黏度的流體，但應用相對較少。其在化纖行業(yè)有一些應用，但隨著測量要求的提高和纖維產(chǎn)品的變化，這種方法的應用越來越少。

1.2 旋轉式

在線黏度測量中，旋轉法的應用比其他方法普遍很多，在線旋轉黏度計的測量原理與實驗室黏度計相同，根據(jù)轉子和傳感器的連接方式，可分為外旋式和內(nèi)旋式兩種，主要是利用轉子在流體中以恒定轉速旋轉，直接測量流體的黏性力大小，計算出黏度。

這類在線黏度計是從黏度的物理定義出發(fā)，測量范圍可以很寬，測量時的剪切率可以精確計算，一般都不高，常用的在200 s-1以下，適應于各類流體，但是儀器的結構復雜、維護要求很高、需要定期標定。

1.3 振動式

振動式的在線黏度測量起步相對較晚，但發(fā)展較快。振動法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動，當它剪切流體時，流體的黏度對傳感頭振動振幅有影響，測量維持恒定振幅所輸入的功率，計算得到黏度，這類在線黏度計的測量范圍也很寬，適合于不同的流體測量，測量時的剪切率比較高，一般剪切率約在1 000 s-1，高剪切的測量條件要求儀器有很高的靈敏度，現(xiàn)在市場上最高靈敏度為SRV的0.01 cP，能適合剪切變稀的假塑性非牛頓流體，根據(jù)流體的流變學特性模型進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。該儀器沒有運動部件，無需維護，是目前使用較多的在線黏度測量方法。

1.4 注(活)塞式

這類在線黏度計是利用一個在流體中水平或垂直運動的活塞，測量活塞在固定位置內(nèi)的運動時間來計算出流體的黏度。這類黏度計是斷續(xù)式的測量，并不是完全意義上的在線測量；同時由于是依靠活塞的運動，因此流體自身的流動將對測量產(chǎn)生一定的影響。有點類似于實驗室的落球黏度計。

綜上所述，各類在線黏度計的測量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據(jù)測量流體的流變學特性和現(xiàn)場工藝條件進行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[1]-[2]。

2 實驗室黏度測量

實驗室黏度測量也有很多不同的方法，按大類可分成流體法和運動法。流體法有毛細管法、流出杯法(涂4杯等)、斜坡法等；運動法有落球法、旋轉法、振動法等。

所有黏度測量的方法，都有一定的局限性和適用范圍，但最后的溯源和基準都是毛細管法。而目前實驗室測量最多的是旋轉法，包括旋轉黏度計和旋轉流變儀。在化纖行業(yè)，落球法也是一種比較常用的方法，利用球體在液體中自由下落的速度與該液體的黏度有關的原理制成的一種黏度計，該儀器主要由一根玻璃管和一套不同大小的落球組成，根據(jù)落球通過管內(nèi)固定長度測量液體的時間，來換算成黏度；液體一般都先需要恒溫后再測量，人工計時，儀器簡單。該儀器在化纖行業(yè)起步時應用較多，后逐步被旋轉法替代，目前有些企業(yè)還有使用。

3 在線黏度和實驗室黏度測量數(shù)據(jù)轉換實例

黏度的測量方法很多，實驗室和在線黏度測量的方法和儀器也很多，這樣在進行數(shù)據(jù)對比時一定要注意測量條件的一致性，這個一致性包括測量方法和測量條件，測量條件又包括測量溫度、壓力、流速、儀器的測量條件(剪切率)等，只有這些條件完全一致，測得的結果才會一致。

但是實際應用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會考慮是否可以找到一個相互換算或轉換的方法。這種思路是正確的，但在實施過程中，由于這種關系的摸索需要一定數(shù)據(jù)的積累，而且不同的物料關系也不同，因此會對后續(xù)的直接使用造成一定的影響。

3.1 在線黏度和實驗室旋轉黏度實例分析

國內(nèi)一家知名碳纖維廠家使用SRV在線黏度計，直接安裝在管道上(圖1)，將實時在線溫度和黏度輸入DCS，同時在現(xiàn)場采樣送實驗室測量黏度，實驗室采用旋轉黏度計進行測量，我們摘取了部分數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析以說明在線黏度測量中的數(shù)據(jù)處理方法。

圖1 SRV在線黏度計的應用

在表1中，在線溫度和在線黏度是由SRV在線黏度計直接測量和記錄的。實驗室黏度是采樣后直接在47 ℃條件下用實驗室黏度計測量，轉換黏度是根據(jù)在線和實驗室黏度之間的關系進行處理后得到的黏度值。

表1 在線溫度、在線黏度、實驗室黏度、轉換黏度

續(xù)表

注：涉及的數(shù)據(jù)已作適當加密處理。

從表1中，可以看到溫度波動不大，就不再考慮溫度對黏度的影響和黏溫補償計算，有關這方面的研究請參見另文[4]-[5]。

從測試數(shù)據(jù)可以看到在線黏度值和實驗室黏度值不同，但趨勢一致，如圖2所示。

然后，再對在線黏度和實驗室黏度做相關分析，可以看到兩者之間的相關性非常好，如圖3所示。

圖2 在線溫度、在線黏度、實驗室黏度曲線圖

圖3 在線黏度、實驗室黏度相關性分析

在線黏度和實驗室黏度之間為線性關系，相關系數(shù)為：94.51%。我們根據(jù)這兩者之間的關系進行計算，將在線黏度轉換成相對應的轉換黏度，結果見表1，經(jīng)計算可以看到和實驗室的分析黏度值誤差很小，平均值幾乎一致，相對平均偏差為0.008%。

3.2 在線黏度和落球黏度實例分析

和上例類似，國內(nèi)另一家知名碳纖維廠家使用SRV在線黏度計，直接安裝在管道上，將實時在線溫度和黏度輸入DCS，同時在現(xiàn)場采樣送實驗室測量黏度，實驗室采用落球黏度計進行測量，我們摘取了部分數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析以說明在線黏度測量中的數(shù)據(jù)處理方法。

在表2中，在線溫度和在線黏度是由SRV在線黏度計直接測量和記錄的，實驗室黏度是采樣、恒溫后再用落球黏度計測量，57 ℃在線黏度是根據(jù)在線黏度和溫度之間的關系進行處理后得到的黏度值。

表2 在線溫度、在線黏度、落球黏度、轉換黏度

續(xù)表

注：涉及的數(shù)據(jù)已作適當加密處理。

通過對溫度、落球黏度、在線黏度和57 ℃在線黏度對比(圖4)，可以看到：

(1)在本例中，在線黏度值和上例接近，溫度有不同。具體工藝情況不在此討論。

圖4 溫度、落球黏度、在線黏度、57 ℃在線黏度過程曲線

(2)溫度有約2 ℃的波動。因此，根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以進行黏溫補償計算，黏溫關系如圖5所示；然后將在線黏度統(tǒng)一轉換成57 ℃的在線黏度，具體過程不再贅述，可參見文獻[5][6]。

圖5 在線黏度、溫度的關系曲線

圖6 落球黏度和在線黏度的相關性

(3)再對得到的57 ℃在線黏度和落球黏度進行相關分析。如圖6所示，可以看到兩者的相關性較差，落球黏度的數(shù)據(jù)區(qū)間約2.5 s，在線黏度的數(shù)據(jù)區(qū)間約150 Pa·s。根據(jù)對測量方法的誤差分析，落球法采用采樣后恒溫，再進行人工觀察計時，測量的實時性比較差，物料可能在恒溫過程中有變化；同時同一個人測同一樣品的誤差可以達到±1 s，因此2.5 s這一區(qū)間其實沒有真正的差異。即使做了相應的轉換，實際上是將原本應有的變化壓縮變小，這將影響測量的意義，因此不建議再做轉換。

(4)通過在線黏度計長時間連續(xù)測量，發(fā)現(xiàn)溫度對在線黏度的影響如圖7所示。

圖7 在線黏度、57 ℃在線黏度、溫度過程曲線

(5)在本例中，落球黏度可能未必能真正反應物料的黏度實時變化，這也是該方法在化纖和其他行業(yè)使用的用戶逐步減少的原因。

4 結論

根據(jù)以上兩個類似物料的案例數(shù)據(jù)的分析，得到以下結論和建議。

(1)目前的SRV在線黏度計完全符合要求，安裝簡單、無須后續(xù)維護。

(2)該儀器的穩(wěn)定性、靈敏度都可以反應出所測物料的真實黏度。

(3)經(jīng)過換算的數(shù)據(jù)和實驗室旋轉黏度測試結果比較一致。

(4)根據(jù)物料的不同，需要根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析后可得到相應的轉換參數(shù)。

(5)現(xiàn)場溫度的變化會影響在線黏度測量值，因此，如果溫度波動超過2 ℃以上的，建議一定要做黏溫補償計算。

(6)需要對實際使用的離線測量分析方法進行評估，實際采用的方法有時未必能真正反應出物料的真實黏度變化。

綜上所述，隨著在線黏度測量技術的應用和發(fā)展，在實際使用中也產(chǎn)生了一些問題，這些問題主要是由于對流體的流變特性、實驗室黏度測量方法、在線黏度測量方法和在線黏度計的特點了解不夠而造成的。在考慮在線黏度測量時，需要對被測流體的流變特性有一個基本了解，這樣可以選擇合適的在線黏度測量方法，選擇相應的在線黏度計(圖8)；同時在做數(shù)據(jù)對比時，需要考慮實驗室黏度的測量方法，并考慮是否需要進行溫度補償[7-8]。

圖8 不同在線黏度計