Viscositeit¶
Samenvatting¶
Viscositeit is de mate waarin een vloeistof weerstand biedt tegen stromen. Hoe hoger de viscositeit, hoe stroperiger een vloeistof is en hoe moeilijker deze zich laat mengen of verpompen. Viscositeit is één van de belangrijkste producteigenschappen binnen de procestechniek en heeft een directe invloed op de keuze van de impeller, het benodigde motorvermogen, het stromingspatroon en de mengtijd.
Binnen Jongia vormt viscositeit één van de eerste parameters die engineers bepalen bij het ontwerpen van een menginstallatie. Een installatie voor water vraagt immers een totaal andere aanpak dan een installatie voor tandpasta, lijm of chocolade.
Een goed begrip van viscositeit is essentieel om een mengproces efficiënt, betrouwbaar en energiezuinig te ontwerpen.
Theorie¶
Wat is viscositeit?¶
Viscositeit is de inwendige weerstand van een vloeistof tegen stroming.
Een vloeistof met een lage viscositeit stroomt gemakkelijk.
Een vloeistof met een hoge viscositeit stroomt moeilijk en voelt stroperig aan.
Je kunt viscositeit vergelijken met de wrijving tussen verschillende lagen van een vloeistof. Hoe groter deze inwendige wrijving is, hoe meer kracht nodig is om de vloeistof in beweging te brengen.
Voorbeelden¶
Onderstaande voorbeelden geven een indruk van de verschillen.
| Product | Relatieve viscositeit |
|---|---|
| Water | Zeer laag |
| Melk | Laag |
| Plantaardige olie | Laag tot gemiddeld |
| Shampoo | Gemiddeld |
| Honing | Hoog |
| Verf | Hoog |
| Tandpasta | Zeer hoog |
| Pindakaas | Extreem hoog |
Deze voorbeelden laten zien dat vloeistoffen zich heel verschillend kunnen gedragen, ook wanneer ze allemaal vloeibaar lijken.
Eenheden¶
Viscositeit kan op verschillende manieren worden uitgedrukt.
De meest gebruikte grootheden zijn:
- dynamische viscositeit (Pa·s of mPa·s);
- kinematische viscositeit (m²/s of mm²/s).
Binnen de procesindustrie wordt meestal gewerkt met de dynamische viscositeit, omdat deze direct wordt gebruikt in berekeningen voor meng- en pompinstallaties.
Dynamische en kinematische viscositeit¶
Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee soorten viscositeit.
Dynamische viscositeit¶
Geeft de weerstand van een vloeistof tegen afschuiving weer.
Deze wordt gebruikt in:
- Reynoldsberekeningen;
- vermogensberekeningen;
- ontwerp van menginstallaties.
Kinematische viscositeit¶
Houdt rekening met zowel de dynamische viscositeit als de dichtheid van de vloeistof.
Deze grootheid wordt vaker gebruikt in de smeertechniek en stromingsleer.
Invloed van temperatuur¶
De viscositeit van vrijwel alle vloeistoffen verandert met de temperatuur.
Bij een hogere temperatuur:
- daalt de viscositeit;
- stroomt de vloeistof gemakkelijker.
Bij een lagere temperatuur:
- stijgt de viscositeit;
- wordt het product stroperiger.
Een bekend voorbeeld is honing, die warm veel gemakkelijker uit een pot stroomt dan koud.
Daarom wordt de procestemperatuur altijd meegenomen bij het ontwerpen van een menginstallatie.
Newtonse en niet-Newtonse vloeistoffen¶
Niet alle vloeistoffen gedragen zich hetzelfde.
Newtonse vloeistoffen¶
Bij een Newtonse vloeistof blijft de viscositeit gelijk, ongeacht de afschuifsnelheid.
Voorbeelden:
- water;
- alcohol;
- veel oplosmiddelen.
Niet-Newtonse vloeistoffen¶
Bij niet-Newtonse vloeistoffen verandert de viscositeit tijdens het mengen.
Voorbeelden:
- ketchup;
- yoghurt;
- verf;
- tandpasta;
- veel polymeren.
Deze producten vragen vaak een andere mengtechniek dan waterachtige vloeistoffen.
Shear-thinning en shear-thickening¶
Veel niet-Newtonse vloeistoffen veranderen van viscositeit onder invloed van shear.
Shear-thinning¶
De viscositeit neemt af wanneer de afschuifsnelheid toeneemt.
Voorbeelden:
- ketchup;
- yoghurt;
- verf.
Deze producten worden dunner tijdens het mengen.
Shear-thickening¶
De viscositeit neemt juist toe bij hogere afschuifsnelheden.
Dit komt minder vaak voor, maar treedt bijvoorbeeld op bij sommige zetmeeloplossingen en suspensies.
Invloed op het mengproces¶
Viscositeit heeft invloed op vrijwel iedere ontwerpkeuze.
Een hogere viscositeit leidt meestal tot:
- langere mengtijd;
- minder turbulentie;
- lagere Reynoldsgetallen;
- andere stromingspatronen;
- een hoger benodigd motorvermogen.
Daarom wordt viscositeit altijd als één van de eerste producteigenschappen bepaald.
Invloed op de impellerkeuze¶
De viscositeit bepaalt in grote mate welke impeller geschikt is.
Bij lage viscositeiten worden vaak toegepast:
- Hydrofoil;
- Propeller;
- Pitched Blade.
Bij hoge viscositeiten zijn onder andere geschikt:
- Anchor;
- Helical Ribbon;
- Gate.
Deze impellers zorgen voor voldoende circulatie in stroperige producten.
Viscositeit versus dichtheid¶
Viscositeit en dichtheid worden vaak door elkaar gehaald.
| Viscositeit | Dichtheid |
|---|---|
| Weerstand tegen stromen | Massa per volume |
| Bepaalt hoe stroperig een vloeistof is | Bepaalt hoe zwaar een stof is |
| Eenheid: Pa·s of mPa·s | Eenheid: kg/m³ |
| Invloed op stroming | Invloed op massa en vermogen |
Een vloeistof kan dus:
- een hoge dichtheid en lage viscositeit hebben;
- of juist een lage dichtheid en hoge viscositeit.
Beide eigenschappen moeten afzonderlijk worden beoordeeld.
Meten van viscositeit¶
Viscositeit wordt gemeten met een viscosimeter of rheometer.
Afhankelijk van het product kunnen verschillende meetmethoden worden gebruikt.
Belangrijk is dat de meting plaatsvindt bij de juiste:
- temperatuur;
- afschuifsnelheid;
- productsamenstelling.
Bij niet-Newtonse vloeistoffen is het essentieel om ook de meetomstandigheden vast te leggen, omdat de gemeten viscositeit daarvan afhankelijk is.
Praktijk bij Jongia¶
Binnen Jongia is viscositeit één van de belangrijkste invoergegevens voor het ontwerpen van een menginstallatie. Engineers gebruiken deze waarde om het stromingsregime, de impellerkeuze, het toerental en het benodigde motorvermogen te bepalen.
Bij laagviskeuze producten ligt de nadruk vaak op het creëren van turbulente stroming en een korte mengtijd. Bij hoogviskeuze producten wordt juist gezocht naar impellers die een krachtige circulatie langs de tankwand en bodem veroorzaken, zodat ook stroperige producten volledig worden gemengd.
Omdat de viscositeit tijdens een proces kan veranderen, bijvoorbeeld door temperatuurveranderingen of chemische reacties, wordt hiermee ook rekening gehouden tijdens de engineering en bij eventuele CFD-simulaties.
Veelgemaakte fouten¶
- Viscositeit verwarren met dichtheid. Een vloeistof kan zwaar zijn zonder stroperig te zijn, of juist heel stroperig terwijl de dichtheid laag is.
- Uitgaan van één vaste viscositeitswaarde. Bij niet-Newtonse vloeistoffen verandert de viscositeit afhankelijk van de afschuifsnelheid.
- Temperatuur negeren. Een kleine temperatuurverandering kan de viscositeit van sommige producten sterk beïnvloeden.
- Dezelfde impeller voor alle viscositeiten gebruiken. Een impeller die uitstekend werkt voor water is vaak ongeschikt voor zeer stroperige producten.
- Alleen naar viscositeit kijken. Ook dichtheid, deeltjesgrootte, tankgeometrie, gewenste shear en het procesdoel bepalen hoe een menginstallatie moet worden ontworpen.