A Comparative Analysis of Rheometer and Pipe Rig Methods for Rheological Characterization of Microfibrillated Cellulose Suspensions as a Model Fluid for Wastewater Sludge

Abstract

In the pursuit of optimizing material handling processes, gaining a thorough understanding of material behavior and its underlying properties is crucial. Among these properties, the apparent viscosity holds a pivotal role in estimating the energy required for efficient transportation within a processing plant. This thesis aims to assess the viability of using a laboratory rheometer to analyze the flow behavior of sewage sludge in pipes. The utilization of Exilva, a microfibrillated cellulose, as a model fluid for wastewater sludge, is suggested to facilitate a more convenient and consistent exploration of flow properties. This project further focuses on establishing a reliable and reproducible technique for obtaining rheological data using a laboratory rheometer. Initially, experiments were conducted on Newtonian fluids to develop and verify the method, which was subsequently adjusted to accommodate non-Newtonian fluids. The method involves determining the effective dimensions of vane geometries and employing non-Newtonian correction factors to calculate shear rate and shear stress across the vane-to-container gap. The resulting flow data were fitted numerically to the Herschel-Bulkley non-Newtonian rheology model. Consistent rheometer results were obtained for concentrations up to 2.44%, while higher concentrations exhibited highly complex behavior. To capture realistic flow behavior, a pipe testing rig was constructed to gather data on Exilva suspensions in pipes. These data were then fitted numerically to the Herschel-Bulkley model to estimate flow parameters. To assess the feasibility of using a laboratory-scale rheometer for estimating fluid flow in pipes, a comparison was made between the rheometer and pipe rig methods. For lower-concentration materials, both rheometer apparent viscosity and pipe rig measurements yielded similar outcomes when applying the Herschel-Bulkley model. However, notable discrepancies arose when dealing with higher-concentration materials, indicating challenges in accurately characterizing their rheological properties.

I jakten på å optimalisere materialhåndteringsprosesser er det avgjørende å få en grundig forståelse av materialers underliggende egenskaper. Blant disse egenskapene spiller viskositeten en sentral rolle i å estimere energien som kreves for effektiv transport i et prosessanlegg. Denne oppgaven tar sikte på å vurdere muligheten til å bruke et laboratoriereometer for å analysere strømningsatferden til kloakkslam i rør. Bruken av Exilva, en mikrofibrillert cellulose, som et modellfluid for avløpsslam, foreslås for å muliggjøre en mer praktisk og konsistent utforskning av strømningsegenskapene. Dette prosjektet fokuserer på å etablere en pålitelig og reproduserbar metode for innhenting av reologiske data ved bruk av et laboratoriereometer. Først ble det utført eksperimenter på newtonske væsker for å utvikle og verifisere metoden, som deretter ble justert for å imøtekomme ikke-newtonske væsker. Metoden innebærer å bestemme de effektive dimensjonene til vane-geometrier og bruke ikke-newtonske korreksjonsfaktorer for å beregne skjærhastighet og skjærspenning over mellomrummet mellom vane-geometrien og beholderen. De resulterende strømningsdata ble numerisk tilpasset til en Herschel-Bulkley ikke-newtonsk reologimodell. Konsistente resultater fra reometeret ble oppnådd for konsentrasjoner opp til 2,44%, mens høyere konsentrasjoner viste svært kompleks oppførsel. For å undersøke realistisk strømningsatferd, ble det konstruert en rør-rigg for å samle data om strømning av Exilva i rør. Disse dataene ble deretter numerisk tilpasset til HerschelBulkley-modellen for å estimere strømningsparametere. For å vurdere muligheten til å bruke et laboratorieskala-reometer til å estimere væskestrøm i rør, ble det foretatt en sammenligning mellom reometer- og rørriggmetoden. For materialer med lavere konsentrasjon ga både reometermålinger og rørriggmålinger lignende resultater ved bruk av Herschel-Bulkley-modellen. Imidlertid oppsto det bemerkelsesverdige avvik når det gjelder materialer med høyere konsentrasjon, noe som indikerer utfordringer med å nøyaktig karakterisere deres reologiske egenskaper.