اندازه گیری دانسیته

Measurement
تعاریف:
دانسیته عبارتست از نسبت جرم یک ماده به حجم آن در دمای مشخص و فشار 1 اتمسفر.
o دانسیته نسبی:(Relative Density) دانسیته نسبی یا چگالی عبارت است از نسبت جرم واحد حجم ماده مورد نظر در دمای معین به آب خالص در یک دمای مرجع. دمای آب مرجع 4oC در نظر گرفته میشود، دمایی که در آن دانسیته نسبی و دانسیته واقعی آب برابر است و آب دراین شرایط بیشترین دانسیته را دارا ست.(d=0.999972 gr/cc)
o دانسیته نسبی یک گاز عبارت است از نسبت جرم حجمی گاز مورد نظر در دمای معین به دانسیته هوا در شرایط استاندارد([1]STP). شرایط STP برای گازها عبارت است از دمای 0oC و فشار 1.00atm فقط در صنایع گاز طبیعی شرایط استاندارد برای گاز را فشار 1atm و دمای 15oC در نظر میگیرند.
واحدها ی دانسیته:
عمومی ترین واحدهای بیان دانسیته lbm/ft3 lbm/gal gr/Cm3 kg/m3 می باشند.
هدف از اندازه گیری دانسیته:
درصد ترکیبات سبک و سنگین در یک برش نفتی نسبت مستقیم با دانسیته آن دارد هر چه اجزای سبک تر در یک برش نفتی بیشتر باشند دانسیته آن کمتر است و هر چه اجزای با جرم ملکولی بالاتر بیشتر باشند دانسیته مخلوط بیشتر خواهد بود. لذا با اندازه گیری دانسیته میتوان به حدود ترکیب درصد یک مخلوط نفتی و یا نفت خام پی برد همچنین در مورد گازها هر چه درصد اجزای سبک تر بیشتر باشد دانسیته گاز کمتر است. با توجه به نسبت دانسیته با در صد اجزای سبک تر این اندازه گیری مبنای قیمت گذاری ترکیبات نفتی میباشد.
یکی دیگر از کاربردهای اندازه گیری دانسیته استفاده از آن برای تعیین غلظت یک جزء در محلول میباشد برای مثال اندازه گیری غلظت MEG در آب غلظت اسید ها و نیز غلظت برخی نمک ها و بازها در آب با استفاده از تعیین دانسیته آنها صورت میگیرد.

گزارش چگالی:
دانسیته نسبی یا چگالی مایعات علاوه بر اینکه به صورت Sp.Gr. میتواند گزارش شود در صنایع مختلف به صورت درجه API و درجه Be’ نیز گزارش میشود چگالی با هریک از درجات مذکور به صورت روابط ریاضی ذیل تعریف میشود:
Ø درجه API که در صنایع نفت کاربرد دارد و معیاری برای تعیین میزان سبک بودن نفت و قیمت گذاری آن است:

API=10 زمانیست که Sp.Gr=1.00 باشد و این مقدار چگالی آب است
API=100 برای سبک ترین مایع نفتی با Sp.Gr=0.6112 تعریف شده است که بیشترین مقدار درجه API است.
مثال : دانسیته یک نمونه میعانات گازی منطقه پارس جنوبی برابر 0.7454 است. چگالی نسبی و درجه API آنرا محاسبه کنید.

Ø درجه بومه: (Baume’): درجه بومهBe اولین بار توسط شیمیست فرانسوی بنام آنتونی بومه برای درجه بندی و کالیبراسیون هیدرومتر ها ابداع شد. این درجه بندی برای مایعات سبک تر و سنگین تر از آب با دو رابطه متفاوت بصورت زیر تعریف میشود.
o برای مایعات با دانسیته کمتر از یک(سبکتر از آب):
o برای مایعات با دانسیته بیشتر از یک (سنگین تر از آب):
مثال: Sp.Gr اسید سولفوریک 98% در دمای می باشد. درجه بومه آن چقدر است؟

    روشهای اندازه گیری دانسیته مایعات:
    الف) اندازه گیری دانسیته مایعات نفتی با استفاده از هیدرومتر( ASTM D-287) :
    اساس اندازه گیری دانسیته مایعات با استفاده از هیدرومتر، بر مبنای تفاوت میزان فرو رفتن هیدرومتر در مایعات با دانسیته های مختلف استوار است.
    برای اندازه گیری دانسیته به این روش ابتدا بایستی مقدار تقریبی دانسیته، برای انتخاب هیدرومتر مناسب[2] مشخص گردد. محدوده دانسیته نمونه ها ی نفتی اغلب بسته به نوع ماده نفتی مشخص است لیکن در صورتی که هیچ نوع اطلاعاتی در این زمینه در دسترس نباشد میتوان از یک هیدرومتر با دامنه وسیع(دقت اندک) برای بدست آوردن حدود دانسیته استفاده نمود. دانسیته و درجه API نمونه های نفتی در 15.56 درجه سانتیگراد( 60 درجه فارنهایت) اندازه گیری میشود.
    ابتدا نمونه را بخوبی تکان داده و دمای آن را به کمتر از oC 4 درجه سانتیگراد در مورد نمونه های فرار (API>70) و کمتر از oC 18 در نمونه های سنگین تر (API<70)برسانید . نمونه را به درون سیلندر مناسب که قبلا در حمام قرار گرفته بود بریزید . قطر داخلی سیلندر حداقل بایستی 25 میلیمتر ( 1 in) بزرگتر از قطر خارجی هیدرومتر باشد و ارتفاع آن به اندازه ای باشد که پس از ریختن مایع نوک هیدرومتر حداقل 25 میلیمتر (1in) با کف سیلندر فاصله داشته باشد . هنگام ریختن نمونه به داخل سیلندر مراقب باشید از کف کردن و پاشیدن آن اجتناب شود . در صورت وجود هر نوع حباب یا هوا در داخل سیلندر آن را از بین ببرید.
    سیلندر را به طور عمودی در حمام آب 3/05/15 درجه سانتی گراد ( 5/060 درجه فارنهایت ) قرار دهید حمام بایستی در مکانی دور از جریان هوا قرار داشته باشد و تغییرات دمای آن بیش از 0.25 درجه سانتیگراد در مدت انجام تست نباشد. دمای نمونه پس از مدت کوتاهی به 3/0 15 درجه می رسد . در این هنگام هیدرومتر را به آرامی و با احتیاط درون نمونه غوطه ور نمائید و اجازه دهید دمای نمونه به دمای حمام برسد . دقت نمائید هیچ قطره ای بر روی قسمت فوقانی ساقه هیدرومتر نمانده باشد، زیرا وجود چنین قطر اتی باعث سنگینی هیدرومتر و خطای آزمایش خواهد شد. پس از رسیدن دما به 0.3±15.5 درجه سانتیگراد، با قراردادن چشم کمی پائین تر از امتداد عمودی خط قرار گرفتن مایع در اطراف هیدرومتر مقدار دانسیته یا API را به طور مستقیم قرائت نمائید . دما را با دقت 0.1 درجه سانتیگراد(0.25 درجه فارنهایت) ثبت نمائید. برای اندازه گیری همزمان دما و دانسیته می توان از ابزاری بنام ترمو هیدرومتر استفاده کرد که در آن یک دما سنج مناسب در قسمت داخلی هیدرومتر تعبیه شده است . برای اندازه گیری های دقیق از هیدرومتر های با ساقه بلند و باریک استفاده نمائید .
    پس از اتمام آزمایش با مراجعه به جداول 5A و 5B از ASTM D-1250 تصحیحات دانسیته و API را نسبت به دمای 15.56 انجام و درجه API را در این دما با یک رقم اعشار گزارش نمائید.
    دقت تست: میزان تکرار پذیری تست در 20 آزمایش متوالی 0.2 درجه API بوده است.
    متد ASTM D – 1298 ( و ASTM D-1122)
    از این تست متد برای اندازه گیری دانسیته، چگالی و یا درجهAPI ترکیبات نفتی و غیر نفتی در دماهای مختلف استفاده میشود. ابتدا دمای نمونه را به oC5 کمتر از دمای تست رسانیده و نمونه را بدون پاشیدن یا ایجاد حباب به داخل سیلندر تست هیدرومتر انتقال دهید . در صورت وجود هر نوع حباب یا هوا در داخل سیلندر آن را از بین ببرید . سیلندر را در حمام با دمای تست قرار داده و در صورتیکه دمای تست بیش از 2 درجه با دمای محیط اختلاف داشته باشد از حمام با کنترل دمای دقیق و ثابت استفاده کنید . دمای نمونه را با دقت 1/0 درجه سانتیگراد قرائت نمائید . سپس هیدرومتر مناسب را به آرامی درون آن غوطه ور نمائید . پس از اینکه هیدرومتر آرام ایستاد و از دیواره سیلندر فاصله داشت مقدار را به شرح ذیل و با دقت 1/5 از درجه بندی آن قرائت نمائید . در مورد مایعات شفاف ابتدا چشم را اندکی پائین تر را سطح مایع گرفته و به آرامی سر را بالا بیاورید. در اولین نقطه ای که سطح مایع به صورت بیضی دیده شود و درجه بندی هیدرومتر را به صورت یک خط قطع نماید ( شکل زیر ) مقدار دانسیته را قرائت نمائید . سپس مجددا دمای نمونه داخل سیلندر را اندازه گرفته و درصورتیکه کمتر ازoC 0.5 با دمای قبلی اختلاف داشت آنرا با دقت 0.0001 گرم بر سانتیمتر مکعب (یا چگالی) و یا با دقت 0.1 kg/m3 گزارش کنید.

    برای مایعات غیر شفاف با قرار دادن چشم اندکی بالاتر از سطح مایع و در نقطه ای که سطح مایع، پائین ترین نقطه هیدرومتر را قطع می نماید، مقدار دانسیته را قرائت کنید. سپس بر طبق جدول زیر تصحیحات مربوط به بالا بودن سطح قرائت هیدرومتر را اعمال نمائید.
    واحد و دما
    محدوده هیدرومتر
    فاصله خطوط
    میزان خطا
    تصحیح مربوط به سطح قرائت
    دانسیته در oC 15 بر حسب kg/m3
    1100-600
    0.2
    0.2±
    0.3+
    1100-600
    0.5
    0.3±
    0.7+
    1100-600
    1.0
    0.6±
    1.4+
    چگالی در oF 60
    1.100-0.600
    0.0002
    0.0002±
    0.0003+
    1.100-0.600
    0.0005
    0.0003±
    0.0007+
    1.100-0.600
    0.001
    0.0006±
    0.0014+
    API در oF 60
    101-0.1-
    0.1
    0.1±
    -

    میزان دقت: برای هفت تست متوالی MEGدر محدوده فوق دقت برابر با 0.0012 gr/ccبوده است.
    معایب استفاده از هیدرومتر: 1- دقت متوسط در اندازه گیری 2- نیاز به کنترل دمایی و سپس تصحیحات لازم از روی جداول
    با توجه به اینکه ترکیبات موجود در مواد نفتی مختلف، متفاوت است و هر جزء انبساط حرارتی ویژه خود را دارا ست لذا جدول ثابتی برای تبدیل دمایی وجود ندارد و جدول های ارائه شده ترکیبات نفت خام و برخی برشهای نفتی را شامل میشوند.

    ب) استفاده از پیکنومتر ASTM D-1217 & D-1193
    پیکنومتر ظرفیست با حجم مشخص برای اندازه گیری دانسیته مایعات و جامدات.درب پیکنومتر دارای سوراخی برا ی خروج مایعات اضافی است. حجم پیکنومتر معمولا با سه رقم اعشار بر روی بدنه آن مشخص شده است. همچنین بر روی گلو و درب پیکنومتر عددی حک شده است. این دو عدد مشابه برای آن است که درب پیکنومتر با پیکنومتر های دیگر جابجا نشود. بدیهی ست در صورتیکه درب پیکنومتر جابجا شده باشد حجم حک شده بر روی بدنه پیکنومتر از درجه اعتبار ساقط است. برای انجام آزمایش به شرح ذیل عمل می کنیم.
    1 . پیکنومتر را بمدت چند ساعت در اسید کرومیک غوطه ور نمائید.
    2. پیکنومتر را خالی نموده و چندین با آب مقطر به خوبی شستشو داده و دردمای اتاق یا آون نیمه گرم خشک کنید. از قرار دادن پیکنومتر در آون با دمای بیش از 50 درجه سانتیگراد اکیدا" خود داری نمائید.
    3. در صورت لزوم پیکنومتر را با حلال مناسب مثلا استن کاملا خالص و خشک شستشو دهید. شستشو با استن به خشک کردن سریع پیکنومتر نیز کمک میکند.
    4. در صورت لزوم درب پیکنومتر را توسط سیم و یا حمام التراسونیک تمیز نمائید.
    5. دمای نمونه را به 10-5 درجه سانتیگراد کمتر از دمای آزمایش برسانید.
    6. پیکنومتر را تا mm2 -1 بالاتر از جای درب آن (محل کالیبراسیون) پر نمائید.
    7. در صورت وجود حباب لازم است آنها را با تلنگر زدن به دیواره پیکنومتر یا هر روش دیگری خارج نمائید. سپس درب پیکنومتر را به آرامی بگذارید.
    8. مایعات خارج شده را با نوک دستمال کتان بدون کرک یا کاغذ صافی پاک کنید. در طول زمان انبساط مایع درون پیکنومتر نیز لازم است مایعات خارج شده را هر چند وقت پاک کنید.
    9. در برخی تستهای بسیار دقیق برای مایعات بسیار خالص گاها لازم است با انجماد مایع درون پیکنومتر و ذوب مجدد آن تحت خلاء گاز محلول در آن را خارج نمود.
    10. پیکنومتر را به مدت min 20 در حمام آب با دمای مورد نظر و دقت دمایی 0.01± درجه سانتیگراد قرار دهید. همچنین دما سنج مورد استفاده جهت اندازه گیری دما باید دارای درجه بندی 0.1 درجه سانتیگراد باشد.[3] به ازایoC 0.013 ±خطای دمایی خطای معادل 0.00001 ± در مقدار اندازه گیری شده دانسیته ایجاد خواهد شد.
    11. پیکنومتر را از حمام خارج نموده و دیواره خارجی آن را با استون خالص شسته توسط دستمال کتان بدون کرک پاک کنید . در صورتیکه رطوبت هوای محیط کمتر از 60% باشد پاک کردن دیواره ایجاد الکتریسیته ساکن در دیواره پیکنومتر مینماید که این امر باعث ایجاد خطایی معادل mg 1 کاهش وزن است. (بهتر است رطوبت هوای محیط آزمایش حدود 60% کنترل گردد تا از ایجاد این خطا جلو گیری به عمل آید).
    12. در صورت کار در دمایی بجز دمای کالیبراسیون پیکنومتر لازم است حجم پیکنومتر بطور دقیق با آب بسیار خالص و گاز زدایی شده (Type II) و توسط ترازوی با دقتgr 0.0001± کالیبره گردد.
    تکرار پذیری:
    تکرار پذیری ثبت شده در انجام آزمایش با ترکیبات خالص و با دانسیته معلوم gr/cm30.00003 بوده است.

    ج)دانسیتومتر دیجیتالی ASTM D-4052
    این روش برای اندازه گیری دانسیته و چگالی مایعاتی که دارای فشار بخار کمتر از mm Hg 600 (psi 11.6) باشند، در 5 تا 50 درجه سانتیگراد بکار میرود. عامل محدود کننده دیگر در این روش آزمایش ویسکوزیته نمونه است. ویسکوزیته نمونه بایستی کمتر از cSt 15000 (mm2/s) در دمای آزمایش باشد. همچنین در صورتیکه رنگ نمونه به اندازه ای کدر باشد که نتوان از عدم وجود هوا در سل اندازه گیری مطمئن شد نباید از این متد استفاده شود. (برای اندازه گیری دانسیته نفت خام با استفاده از دانسیتومتر دیجیتالی به متد D-5002 مراجعه نمائید).
    اساس این روش بر اعمال یک موج اوسیلاسیون به حجم مشخص و دقیقی از نمونه داخل سل(0.7ml) استوار است. فرکانس موج اعمال شده متناسب با جرم نمونه داخل سل تغییر و اندازه گیری شده و با استفاده از داده های کالیبراسیون دانسیته نمونه بدست می آید. سل دستگاه به صورت یک لوله U شکل است. سیستم الکترونیکی ایجاد موج و دتکتور شمارش فرکانس، و نشانگر برروی آنالایزر نصب شده است. همچنین آنالایزر بایستی به یک حمام کنترل دما با دقت 0.05 ± درجه سانتیگراد در دمای مورد نیاز برای آزمایش مجهز باشد. دما سنج دستگاه با درجه بندی حداقل 0.1 درجه سانتیگراد و قابلیت قرائت تا 0.05 درجه میباشد. در نوع جدید این آنالایزر ترموکوپلهای با دقت 0.01 درجه سانتیگراد نصب گردیده است. کالیبراسیون دستگاه توسط مایعات خالص مرجع با دانسیته دقیق، و یا با آب مقطر بسیار خالص آزمایشگاهی ( مطابق با مشخصات آب Type II مذکور در ASTM D-1193) و یا آب مقطر دوبار تقطیر شده، تازه جوشیده و سرد شده انجام میشود. کالیبراسیون دستگاه در همان دمای انجام آزمایش صورت میگیرد. دقت نمائید که هنگام کالیبراسیون هیچ حباب هوایی در مسیر تیوب U شکل باقی نمانده باشد.
    پس از کالیبراسیون با آب یا مایع مناسب دیگر، تیوب دستگاه را با ترکیبات نفتی سبک یا استن شستشو داده و با جریان هوای خشک آنرا خشک نمائید. هوای ***** نشده و یا مرطوب بر روی داده های دستگاه تاثیر میگذارد لذا در صورت عدم دسترسی به هوای ابزار دقیق لازمست هوای محیط را از یک ***** تصفیه و یک خشک کن عبور دهید. سپس دو طرف تیوب U شکل را مسدود نموده و دستگاه را در محیط هوا نیز کالیبره نمود.
    پس از کالیبراسیون و تنظیم دما مقدار کمی نمونه را توسط سرنگ مناسب به تیوب اندازه گیری تزریق نمائید. همچنین میتوان نمونه را بوسیله وکیوم به درون تیوب کشید. با روشن نمودن چراغ دستگاه مسیر تیوب U شکل را به دقت بازرسی نمائید تا هیچ حباب هوایی در مسیر دیده نشود. نمونه بایستی کاملا یکنواخت بوده و عاری از ذرات معلق و یا حبابهای ریز هوا یا گاز باشد. هنگام انجام آزمایش بایستی دو طرف لولهU شکل مسدود باشد. چراغ دستگاه را در هنگام تنظیم دمایی و اندازه گیری فرکانس اسیلاسیون خاموش نمائید زیرا دمای ایجاد شده میتواند در دمای اندازه گیری تاثیر بگذارد. پس از تنظیم دمایی مقدار دانسیته یا دانسیته نسبی را قرائت و گزارش نمائید. در گزارش مقدار دانسیته لازم است حتما دما و واحد آن ذکر شود. همچنین در گزارش دانسیته نسبی بایستی دمای اندازه گیری، دمای ماده مرجع و واحد دمایی آنها ذکر شود.
    پس از اتمام کار تیوب دستگاه را توسط آب مقطر و استن و در صورت لزوم با محلول گرم اسید کرومیک شستشو دهید.
    تکرارپذیری :
    تکرارپذیری تست متاثر از میزان هواي حل شده و تكنيك تزریق است. در شرایط نرمال و استفاده صحیح از تست متد در بیست تست متوالی توسط CRM هاي روغنی با دانسیته بین 0.68 و 0.97 میزان تکرار پذیری برابر با 0.0001gr/cm3 بدست آمد .تجدید پذیری تست در آزمایشگاههای مختلف برای همین محدوده دانسیته نیز 0.0005 gr/cm3 ثبت شده است. 0.01درجه سانتیگراد خطای دمايي خطا در اندازه گیری دانسیته با این روش ایجاد مي نماید.
    منابع خطا عبارتند از :
    1- ایجاد خطای دمايي در اثر تبدیل موج اوسیلاسیون به حرارت
    2- انتقال انرژی از مسیر مایع به داخل و بیرون سل

    دستگاه دانسیتومتر دیجیتالی Anton Paar (DMA 5000)
    این دستگاه یکی از متداولترین انواع دانسیتومترهای دیجیتالی است که در پالایشگاه های گاز و نفت کاربرد وسیعی پیدا کرده است لذا به عنوان نمونه مشخصات و روش کار آن جهت آشنایی مورد مطالعه قرار میگیرد.
    دستگاه دارای يك سل U شکل با حجم است . دمای دستگاه بینتا قابل تنظیم است. فرکانس اوسیلاسیون برای حجم ثابتی از نمونه بر اساس فرمول زیر با دانسیته مایع رابطه دارد:

    ویسکوزیته نمونه بر حرکت گره هاي اوسیلاسیون تاثیر گذاشته و در نتیجه افزایش حجم خفگی و اوسیلاسیون سل را منجر میشود . مجموعا تاثیر عوامل ویسکوزیته بر روي خطای تست از رابطه زیر بدست مي آید .

    به عبارتی میزان خطا با جذر ویسکوزیته نسبت مستقیم دارد.
    دستگاه در فرکانسهای مختلفی اوسیلاسیون را انجام مي دهد . این امر باعث تعدیل و تصحیح نتایج بدست آمده مي شود . حال اگر دستگاه به درستی کالیبره شده باشد دانسیته تابعی از فرکانس خواهد بود . در استفاده از آب مقطر و CRM ها براي كاليبراسيون و براي تعداد زيادي نمونه و توسط دستگاههای مختلف و در دانسیته هاي بین 690 تا 1620 و ویسکوزیته کمتر از 600 و بیش از 30 مقدار دانسیته از رابطه زیر بدست می آید :

    و براي مایعات با ویسکوزیته کمتر از 30 رابطه زیر برقرار است :
    تکرار پذیری دستگاه
    دستگاه DMA 5000 که توسط آب خالص و هوا کالیبره شده باشد، داری عدم قطعیتی برابر با 0.00015 gr/cm3± برای تست ترکیبات مختلف است. در صورتیکه سل بخوبی تمیز شده و دستگاه به دقت کالیبره شده باشد تکرار پذیری دستگاه برای ترکیبات با damping مشخص (نظیر ترکیبات با ویسکوزیته نزدیک به آب)، عدم قطعیت تا 0.00003 gr/cm3± میتواند مورد انتظار باشد. همچنین عدم قطعیت دستگاه برای ترکیبات با ویسکوزیته کمتر از 30 که از فرمول تبعیت میکنند برابربا 0.000015 gr/cm3± قابل حصول است. بدیهی است در چنین دقت بالایی توجه ویژه به تصحیحات فشار و روش تزریق و حمل نمونه و در صورت لزوم گاز زدایی نمونه لازم خواهد بود.

ندازه گیری دانسیته جامدات
دانسیته جامدات بشدت به اندازه ذرات جامد و نیز به ترکیب دانه بندی ذرات بستگی دارد. به همین دلیل دانسیته جامدات را همیشه با ذکر توزیع دانه بندی نمونه گزارش می نمایند.
برای یک جامد منفذ دار دانسیته های مختلفی تعریف می شود که عبارتند از: دانسیته توده ای. دانسیته ظاهری ( بر مبنای مجموع حجم قسمت جامد و حجم منافذ درون دانه ها ) و دانسیته حقیقی ( بر مبنای حجم قسمت جامد )
Ø دانسیته توده ای: Bulk Density
دانسیته توده ای عبارت است از وزن تقسیم بر حجم بستری که آن مقدار توده جامد در آن جای داده شده است. در آزمایشگاه معمولا با پر نمودن ظرفهای استوانه ای مخصوص با حجم مشخص و اتصال به ویبراتور بمدت 5 دقیقه ، و وزن نمودن نمونۀ جامد، دانسیته توده ای را اندازه گیری می کنند . این نوع دانسیته همچنین به VBD ( Vibrated BulkDensity) معروف است.
Ø دانسیته ظاهری
دانسیته ظاهری یک توده جامد عبارت است از وزن واحد حجم آن بدون در نظر گرفتن فضای بینا بینی دانه های جامد.(منافذ درون هریک از دانه ها جزء حجم جامد محاسبه میشود). برای نمونه های با شکل هندسی یک دست و یکنواخت وزن نمونه ای از آن برای محاسبه دانسیته کفایت می نماید زیرا در صورتیکه شکل هندسی ذرات نمونه مشخص باشد محاسبه حجم آن براحتی امکان پذیر است ولی در مواردیکه دانه های نمونه دارای شکل هندسی مشخص نیست این امر قدری مشکل تر می شود . در این شرایط نمونه را معمولا در سیالی بی اثر غوطه ور می نمایند و حجم جامد را با در نظر گرفتن حجم جابجایی سیال مشخص می سازند، ولی با در نظر گرفتن این موضوع که مایعات به طور جزئی و نه به طور کامل در داخل منافذ جامدات نفوذ می نمایند و این مساله حتی برای مایعی مثل جیوه نیز صادق است لذا روشهای دیگری برای اندازه گیری دانسیته ظاهری ابداع شده است .
قابل اطمینان ترین روش برای اندازه گیری دانسیته ذرات روش افت فشار است که در توده ای از جامد درون یک استوانه می تواند به وجود آید .
این روش بر مبنای محاسبه ضرایبa و bمعادله خطی افت فشار طبق فرمول زیر قرار دارد .
(1)
در این فرمول ، افت فشار ، L ارتفاع بستر ، Us متوسط سرعت خطی گاز بر مبنای مقطع ستون خالی و G میزان جریان گاز بر حسب سانتی متر مکعب بر ثانیه می باشند و از طرفی داریم :
(2)

دانسیته توده ای و دانسیته ظاهری است .
برای بدست آوردن دانسیته ظاهری در ابتدا محاسبه a و b ضروری است که این محاسبات با رسم معادله خطی (1) امکان پذیر خواهد بود .
با پر کردن سیلندری از جامد در شرایط مختلف دانسیته های توده ای متفاوتی حاصل می گردد و برای هر بار پر کردن دانسیته ظاهری مشخصی بدست می آید. حال اگر را بر حسب میزان جریان گاز G رسم نمائیم a و b قابل محاسبه اند و پس از آن با توجه به معادله (2) می توان دانسیته ظاهری را محاسبه نمود .
Ø دانسیته حقیقی
دانسیته حقیقی هر ماده منفذ دار عبارتست از وزن واحد حجم جزء جامد آن (منافذ بین دانه ها و منافذ داخل هر یک از دانه ها به عنوان حجم جامد محسوب نمیشود). این دانسیته با استفاده از وارد نمودن یک گاز ( مثل هلیم ) به فضای بینا بینی ذرات و نیز نفوذ آن به منافذ درون دانه های جامد، اندازه گیری می شود. اصول این روش به این شکل است که در یک ظرف با حجم V1 که پر از نمونه جامد و تحت فشار 2 میلیمتر جیوه است، گاز هلیم وارد می نمائیم. میزان گاز ورودی را V2 مینامیم، در این صورت حجم قسمت جامد برابر با V1- V2 است. این عمل با پیکنومترهای مخصوص انجام میگیرد. اندازه گیری دانسیته گازها
الف) اندازه گیری چگالی گاز به روش دوماس ASTM D-1070
در این روش مقدار گاز به وسیله توزین با یک ترازوی خیلی دقیق و حساس بدست می اید . ابتدا ظرف محتوی هوا ( مطابق شکل) را وزن کرده، سپس هوای آنرا خارج و گاز مورد نظر را در آن وارد می نمایند.
از تقسیم وزن گاز بدست آمده به وزن هوای موجود چگالی مورد نظر بدست می آید .
روش کار : ظرف مخصوص را تا 2 میلی متر جیوه یا کمتر خلاء نموده و هوا را وارد آن کرده و توسط ترازوی با دقت یک میلی گرم توزین نمائید. این عمل را 3 بار تکرار کنید. سپس فشار ظرف مخصوص را به 2 میلی متر جیوه یا کمتر برسانید و آن را به ظرف گاز شور محتوی 100 سانتی متر مکعب آب نمک اشباع وصل نموده و شیر نمونه را باز نمائید . ابتدا نمونه گاز از مایع نمک اشباع گذشته و وارد ظرف اندازه گیری می گردد . شیر را بسته و آنرا جدا نمائید . شیر ظرف دوماس را به آهستگی باز نمایید تا فشار آن به یک اتمسفر برسد. در این موقع شیر را بسته و آنرا با دقت یک میلی گرم توزین نمائید. این عمل را نیز 3 بار تکرار کنید و میانگین وزن ظرف و گاز را بدست آورید.
حتی المقدور باید سعی نمود که از آلودگی ظرف توسط دست جلوگیری شود، همچنین بایستی دقت نمود که آب نمک به ظرف نمونه گیری وارد نشود . برای برداشتن و حمل ظرف دوماس از حوله کتانی و بدون کرک استفاده نمائید. ضمنا آزمایش باید در حداقل زمان صورت گیرد .
= چگالی
که در آن A عبارتست از وزن ظرف به اضافه هوا بر حسب گرم
W عبارتست از وزن ظرف تخلیه شده از هوا بر حسب گرم
G عبارتست از وزن ظرف به اضافه گاز مورد آزمایش بر حسب گرم
ب) تعیین وزن مخصوص ( چگالی ) گازها به روش شیلینگ UOP- 114
این روش برای تعیین چگالی ئیدروکربنها و سایر گازها که چگالی آنها از 3/1 تجاوز نکند مورد استفاده قرار می گیرد .
روش بر اصول تئوری سنتیک گازها مبتنی است. مثلا سرعت گازی که از یک منفذ کوچک عبور می کند باید متناسب با سرعت متوسط ملکول ها باشد. از آنجائیکه سرعت ملکول یک گاز با عکس مجذور چگالی متناسب است پس سرعت جریان عبور گاز با عکس همان مقدار متناسب خواهد بود .
زمان عبور گاز و هوا از منفذ دستگاه تحت یک شرایط اندازه گرفته می شود . چون زمان عبور مستقیما متناسب با جذر چگالی است و چگالی هوا برابر با یک است . پس چگالی نمونه را می توان به آسانی حساب کرد . اتلاف انرژی در اثر اصطکاک ضمن عبور گاز از منفذ دستگاهها قابل چشم پوشی است .
محاسبه : = چگالی گاز
G: زمان عبور (خروج) گاز نمونه بر حسب ثانیه
A: زمان عبور (خروج) هوا بر حسب ثانیه
ضمن آزمایش اختلاف درجه حرارت برای گاز و هوا و آب نباید بیش از 5/0 درجه فارنهایت باشد .
نتایج بدست آمده با این روش برای گازهایی که چگالی آنها کمتر از 3/1 باشد، در صورتیکه اختلاف چگالی آنها بیش از 11 درصد باشد تکرارپذیری خوبی دارد.

ج) اندازه گیری دانسیته گاز با استفاده از ترکیب مولی گاز:
طبق قانون آووگادرو هر مول گاز کامل در شرایط متعارفی[4] 22.4lit حجم دارد.
1 mol (STP) =22.4lit
گاز کاملگازی است که بین ذرات آن هیچ برهم کنشی( جاذبه یا دافعه)وجود نداشته باشد و در ضمن حجمی که توسط خود ذرات گاز پر میشود در مقابل حجم کل گاز ناچیز( صفر) باشد.
PV=nRTR=0.082(Lit atm / mol 0k)چگالی یک گاز عبارت است از دانسیته گاز در شرایط متعارفی به دانسیته هوا در همان شرایط
مثال1-20grگاز هیدروژن در شرایط متعارفی چه حجمی را اشغال میکند؟
مثال2- gr 10 اتان در 0.5 اتمسفر فشار وoC 100 دما چه حجمی را اشغال می کند؟
مثال3- ترکیب مخلوط یک گاز با درصد وزنی زیر بر قرار است:
الف)درصد مولی هر جزء، جرم ملکولی متوسط و دانسیته گاز را بدست آورید:
(P=1atm , T=0oC)
CH4 30% C2H6 25% C3H8 30% N2 10% CO2 5%

[1] STP= Standard Temperature and pressure

[2]جهت مشخصات انواع هیدرومتر رجوع شود به ASTM E-100 یا ISO 649-1

[3] برای مثال دما سنج 17C مطابق ASTM E-1 برای دمای 21.1 تا 25 درجه سانتیگراد پیشنهاد میشود.

[4] STP=Standard Temperature and Pressure( 0oC and 1.00 atm in all industries and 15oC and 1.00 atm only for natural gas industry

اندازه گیری دانسیته

مطالب مشابه :

جرم مخصوص!

کیت آموزشی جرم حجمی(چگالی)

اندازه گیری دانسیته

آزمایش چگالی

چگالی

قانون پایستگی ماده و انرژی

مقاله سازه های چوبی نقشه و پلان ساختمان های ویلائی زیبای چوبی