Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия природных энергоносителей и углеродных материалов. Лабораторный практикум
.pdf
Градуировку ареометров производят при температуре 20 °С и относят к
плотности воды при 4 °С, поэтому показания шкалы дают d
20
4
.
Кроме указанных ареометров, существуют ареометры для жидкостей
тяжелее воды с градуировкой шкалы от 1,0 до 1,85 и для жидкостей легче
воды с делениями от 1,00 до 0,700.
Ареометры иногда называют денсиметрами, а для нефтепродуктов –
нефтеденсиметрами. Ареометры, которые применяют для измерения плотности только одной какой-нибудь жидкости, имеют специальные названия.
Так, например, ареометры, применяемые для определения плотности уксусной кислоты, называют ацетометрами, растворов сахара – сахариметрами, спирта – спиртометрами.
Ареометрами можно определять плотность нефтепродуктов с кинематической вязкостью не выше 200 сантистокс (сСт) при 50 °С. Нефтепродукты с вязкостью более чем 200 сСт перед определением плотности разбавляют равным объемом тракторного или осветительного керосина.
В зависимости от свойств испытуемого продукта доведите пробу до
температуры испытания, указанной в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Температуры испытаний нефтепродуктов
Вид испытуемого продукта Характеристика продукта Температура испытания
Легколетучий Давление насыщенных
паров ниже 180 кПа
Средней летучести Температура начала ки-
пения не выше 120 °С
Средней летучести и вязкий Температура начала ки-
пения не выше 120 °С,
очень вязкий при 20 °С
Нелетучий Температура начала ки-
пения выше 120 °С
Охлаждают в закрытом сосуде до 2 °С
Охлаждают в закрытом сосуде до 20 °С
Нагревают до минимальной температуры для приобретения текучести
Испытывают при любой
температуре не выше 90 °С
Для проведения испытания установите сухой и чистый цилиндр с
внутренним диаметром не менее 50 мм на ровной поверхности. Налейте
пробу испытуемого продукта в цилиндр, имеющий ту же температуру, что
и проба, избегая образования пузырьков и потерь от испарения. Чтобы не
образовывалась пена на поверхности цилиндра, продукт наливайте не прямо на дно цилиндра, а по стеклянной палочке или по стенкам цилиндра.
Если пена все еще образуется, то в случае с продуктом с низкой вязкостью
достаточно хлопнуть ладонью по верхней части цилиндра, а в случае с
продуктом с высокой вязкостью ее необходимо удалить фильтровальной
бумагой.
11
Измерьте температуру испытуемой пробы до и после измерения
плотности дополнительным термометром. Поддерживайте температуру
постоянной с погрешностью не более 0,2 °С.
Стараясь не задеть стенки цилиндра, внесите в испытуемый образец
чистый и сухой ареометр, держа его за верхний конец трубчатого стержня,
не допуская смачивания части стержня, расположенной выше уровня погружения ареометра. (Внимание! Держите ареометр строго вертикально за
верхний конец трубчатого стержня, не наклоняя, во избежание излома в
его основании под тяжестью нижней части ареометра. При промывке
ареометр следует держать за расширенную часть). Следует подождать некоторое время, чтобы ареометр пришел в состояние равновесия. Для маловязких продуктов (бензин, керосин и т.п.) это время составляет 2…3 мин,
для более вязких – от 15 мин. Когда ареометр установится и прекратятся
колебания, отсчитайте показания по верхнему краю мениска, при этом глаз
находится на уровне мениска. Отсчет по шкале ареометра соответствует
плотности нефтепродукта при температуре испытания. При использовании
ареометров, градуированных по нижнему мениску, отсчитайте показания и
внесите поправку на мениск.
Ареометр градуируют по нижнему мениску, но вследствие непрозрачности суспензии отсчеты приходится производить по верхнему краю
мениска. Поэтому перед началом работы устанавливают поправку на мениск, погружая ареометр в дистиллированную воду температурой 20 °С.
Берут отсчет по нижнему и верхнему менискам и разницу умножают на
1000. Например, отсчет по нижнему краю мениска 0,9990, по верхнему –
0,9986. Искомая поправка: 0,9990 – 0,9986 = 0,0004 × 1000 = 0,4. Вычисленная поправка на мениск является постоянной для данного ареометра, и
ее прибавляют к каждому отсчету.
При определении плотности вязких нефтепродуктов методом разбавления в мерный цилиндр с притертой пробкой налейте определенный
объем керосина известной плотности, а затем – равный объем испытуемого
продукта. Полученную смесь перемешивайте до тех пор, пока она не станет однородной. После этого перелейте смесь в чистый цилиндр для определения плотности. Зная плотность смеси керосина с продуктом ρ
ность чистого керосина ρ
, рассчитайте плотность продукта по формуле
2
и плот-
1
ρ = 2ρ
– ρ2.
1
Расхождение между двумя параллельными определениями не должно превышать 0,004.
Точность метода:
1. Сходимость. Два результата определений, полученные одним ис-
полнителем, признаются достоверными (с 95%-ной вероятностью), если
12
расхождение между ними не превышает 0,0005 г/см
дуктов, 0,0006 г/см
3
– для темных и непрозрачных продуктов.
3
для прозрачных про-
2. Воспроизводимость. Два результата испытаний, полученные в
двух лабораториях, признаются достоверными (с 95%-ной вероятностью),
если расхождение между ними не превышает 0,0012 г/см
продуктов, 0,0015 г/см
3
– для темных и непрозрачных продуктов.
3
для прозрачных
2.2. Лабораторная работа 2. Определение плотности
пикнометрическим способом
Оборудование, реактивы, материалы: пикнометр; пипетки объемом 10…25 мл; фильтровальная бумага; термометр; термостат; аналитические весы с погрешностью взвешивания не более 0,0002 г; спирт этиловый;
ацетон; хромовая смесь; вода дистиллированная.
Пикнометр представляет собой стеклянный сосуд с кольцевой меткой на шейке (рис. 2.2) объемом от 1 до 100 мл.
Каждый пикнометр характеризуется «водным числом» – массой воды в объеме данного
пикнометра при 20 °С. Перед определением водного числа промойте пикнометр последовательно
хромовой смесью, дистиллированной водой, этиловым спиртом и просушите (эти действия выполняются по указанию преподавателя). Чистый сухой пикнометр взвесьте с точностью до 0,0002 г.
С помощью пипетки наполните пикнометр дистиллированной свежепрокипяченной и охлажденной водой немного выше метки. Затем укрепите
пикнометр в пробковом поплавке и погрузите в
термостат для термостатирования при 20 °С в течение 30 мин. Когда уровень воды в шейке пик-
Рис. 2.2. Пикнометр
нометра перестанет изменяться, отберите избыток
воды пипеткой или фильтровальной бумагой, протрите шейку пикнометра
изнутри и закройте пробкой. Уровень воды в пикнометре должен быть
установлен по верхнему краю мениска. Затем тщательно протрите пикнометр снаружи и взвесьте с точностью до 0,0002 г.
Водное число пикнометра вычисляют по формуле
где m
m = m
, m1 – масса пикнометра с водой и пустого, г.
2
–m
2
,
1
Наполните сухой и чистый пикнометр с помощью пипетки анализируемой нефтью (нефтепродуктом), стараясь не замазать стенки пикнометра. Затем заполненный пикнометр закройте пробкой и термостатируйте
13
при 20 °С до тех пор, пока уровень жидкости в пикнометре не перестанет
изменяться. Избыток нефти (нефтепродукта) отберите пипеткой или фильтровальной бумагой. Уровень жидкости в пикнометре устанавливают по
верхнему краю мениска. Пикнометр с установленным уровнем вынимают
из термостата, тщательно вытирают и взвешивают с точностью до 0,0002 г.
«Видимую» плотность анализируемой нефти (нефтепродукта) вычисляют по формуле
m
– m
3
'
ρ
=
1
,
m
где m
– масса пикнометра с нефтью (нефтепродуктом), г; m1 – масса пу-
3
стого пикнометра, г; m – водное число пикнометра, г.
20
Видимую плотность пересчитывают в плотность d
20
= 0,99703ρ' + 0,0012.
d
4
по формуле
4
При определении плотности темных продуктов уровень жидкости в
пикнометре устанавливают по верхнему мениску, а светлых – по нижнему,
в зависимости от этого, соответственно, производят и калибровку пикнометра.
2.3. Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия «плотность».
2. Какие виды плотности Вы знаете? Чем отличаются?
3. В каких единицах измерения выражается плотность?
4. Как рассчитать плотность d
15
по плотности d
15
5. Что означает относительная плотность d
6. Что означает относительная плотность d
15
15
20
4
?
?
20
4
?
7. Каким образом осуществляется пересчет плотностей?
8. Какие методы определения плотности Вы знаете?
9. В чем заключается пикнометрический метод определения плот-
ности?
10. В чем заключается ареометрический метод определения плотности?
11. Какова конструкция ареометра? Как пользоваться ареометром?
Перечислите меры предосторожности при использовании от поломки.
12. Что представляет собой пикнометр? Какие бывают пикнометры?
13. Дайте определение понятия «водное число пикнометра».
14. По какому стандарту производят измерение плотности нефтепро-
дуктов?
15. Для чего необходимо знание плотности нефти и нефтепродукта?
16. В чем физический смысл плотности?
17. От чего зависит плотность?
14
18. Как зависит плотность от температуры?
19. Как изменяется плотность фракций по мере возрастания темпера-
турных пределов выкипания?
20. Расскажите о конструкции и принципе работы гидростатических
весов Вестфаля-Мора.
21. Что из себя представляет автоматический цифровой плотномер?
22. Можно ли измерять плотность эмульсий и суспензий вибрацион-
ным плотномером ВИП-2М? Почему?
23. Какие условия являются «нормальными»?
24. Какие условия являются «стандартными»?
25. Дайте определение понятия «удельный вес».
26. Как зависит плотность нефтепродуктов от химического состава?
Приведите примеры.
27. Как наличие смол и асфальтенов в нефтепродуктах влияет на их
плотность?
28. Расположите нефти в порядке возрастания их плотности: ароматические, парафиновые, нафтеновые. Учитывая, что в них содержится
одинаковое количество смол и асфальтенов.
29. Является ли плотность аддитивной величиной? Дайте определение понятия «аддитивность».
30. Дайте определение понятия «коэффициент теплового объемного
расширения нефти».
31. Рассчитайте относительную плотность нефтепродукта при
температуре t, °С, если известна его относительная плотность d
Номер варианта Температура t, ºС
1 65 0,721 –
2 50 – 0,820
3 55 0,913 –
4 40 0,880 –
5 85 0,825 –
6 70 – 0,760
7 101 – 0,920
8 51 0,742 –
9 110 0,920 –
10 49 0,692 –
11 61 – 0,840
12 38 – 0,915
13 94 – 0,885
14 84 0,727 –
15 81 – 0,972
16 71 0,823 –
17 76 0,920 –
20
d
d
4
20
или d
4
15
15
15
:
15
15
32. Определите абсолютную плотность соединения при температу-
ре t, °С, и давлении P:
Вариант Соединение Температура t, °С Давление P
1 метан 62 1,1 кгс/см2
2 этан 95 782 мм рт. ст.
3 пропан 115 1025 мм рт. ст.
4 н-бутан 179 10 550 кгс/м2
5 пропилен 115 1,4 кгс/см2
6 углеводородный газ, М = 61 88 775 мм рт. ст.
7 углеводородный газ, М = 55 90 1,2 кгс/см2
8 газы ГО ДТ, М = 34 300 0,25 МПа
9 крекинг-газ, М = 30 270 11 250 кгс/м2
10 газ гидрокрекинга, М = 35 350 900 мм рт. ст.
11 газ пиролиза, М = 25 200 1,25 кгс/см2
12 метан 60 786 мм рт. ст.
13 этан 170 1110 мм рт. ст.
14 пропан 100 11 200 кгс/м2
15 изобутан 120 1,5 кгс/см2
16 пропилен 68 778 мм рт. ст.
3. ВЯЗКОСТЬ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Вязкость является одной из важнейших характеристик нефтей, которая используется при расчете запасов нефти, проектировании и разработке
нефтяных месторождений, выборе способа транспортировки и схемы переработки нефти.
На вязкость нефти и нефтепродуктов существенное влияние оказывает температура. По мере ее уменьшения вязкость увеличивается. Вязкостно-температурные свойства нефтепродуктов зависят от их фракционного и углеводородного составов. Алифатические углеводороды имеют
самую низкую вязкость и самую пологую вязкостно-температурную кривую, в то время как ароматические углеводороды (особенно ди- и полициклические) имеют самую высокую вязкость.
Многие нефти, а также некоторые масла при охлаждении до определенной температуры образуют коллоидные системы в результате кристаллизации или коагуляции некоторых из их компонентов. В этом случае поток жидкости перестает быть пропорциональным приложенной нагрузке
(не подчиняется закону Ньютона) из-за структурных образований, появившихся внутри жидкости. Чаще всего это асфальтены, парафины, церезины и некоторые другие. Вязкость таких систем называется структурной.
Для разрушения образующихся конструкций требуется определенная сила,
которая называется пределом упругости. После разрушения структур жидкость приобретает свойства ньютоновских жидкостей.
16
Вязкость нефтепродуктов имеет большое практическое значение. От
вязкости масла зависит ряд эксплуатационных свойств: износ трущихся
деталей, отвод тепла от них и расход масла. С повышением температуры
вязкость уменьшается и сильно возрастает при ее понижении. Эти изменения численно характеризуются индексом вязкости, представляющим собой
температурный коэффициент вязкости. По индексу вязкости оценивают
пригодность масел для данных условий работы механизмов. Для определения индекса вязкости сопоставляют вязкость масла при различных температурах, обычно при 50 и 100 °С. Чем меньше вязкость зависит от температуры, тем выше индекс.
Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость.
Динамическая вязкость μ (внутреннее трение) – это отношение применяемого напряжения сдвига к скорости сдвига жидкости. Иногда его
называют коэффициентом динамической вязкости или просто вязкостью.
Таким образом, динамическая вязкость является мерой сопротивления истечению или деформации жидкости. Размерность в СИ имеет
Н∙с
2
=
Па∙с.
м
Часто в специализированной литературе (система СГС) встречается
единица измерения пуаз
1 пз = 0,1 Па∙с.
Жидкость, вязкость которой не зависит от касательного напряжения
и градиента скорости, называется ньютоновской жидкостью, т.е. если отношение касательного напряжения к градиенту скорости непостоянно, то
жидкость не является ньютоновской.
Кинематическая вязкость – сопротивление жидкости трению под
действием гравитации. При движении жидкости под действием силы тяжести при данном гидростатическом давлении давление жидкости пропорционально ее плотности ρ. Для всех вискозиметров время истечения определенного объема жидкости прямо пропорционально ее кинематической вязкости ν
µ
ν =
,
ρ
где µ – динамическая вязкость.
Единицей измерения кинематической вязкости в СИ является [м
В системе СГС единицей измерения является стокс [1 Ст = 1 см
2
/с = 10-4 м2/с].
2
/с].
Условная вязкость – отношение времени истечения через калиброванное отверстие стандартного вискозиметра 200 мл дистиллированной
воды при 20 °С. Обозначается ВУ
и измеряется условными градусами.
t
17
Между величинами условной и кинематической вязкостей существуют зависимости:
- для ν от 1 до 120 мм
- для ν > 120 мм
2
/с
2
/с
ν
= 7,31ВУt –
t
6,31
˚ВУ
;
t
= 7,4˚ВУ
ν
t
.
t
Сущность способа определения вязкости заключается в измерении
времени истечения в секундах определенного объема исследуемой жидкости под действием силы тяжести при известной и постоянно контролируемой температуре с помощью калиброванного стеклянного вискозиметра.
Кинематическая вязкость – это произведение измеренного времени истечения на постоянную вискозиметра.
Вискозиметры бывают: капиллярными, ротационными, с падающим
шариком и др.
Капиллярные вискозиметры. Принцип работы основан на расчете
времени протекания заданного объема жидкости через узкое отверстие или
трубку при заданной разности давлений. Чаще всего жидкость из резервуара вытекает под собственным весом, и в этом случае вязкость пропорциональна разнице давлений между жидкостью, вытекающей из капилляра, и
жидкостью на том же уровне, вытекающей из очень толстой трубки. Если
течение жидкости в устройстве осуществляется только под действием силы тяжести (например, в вискозиметре Уббелода), то определяется кинематическая (не динамическая) вязкость во время работы капиллярного
вискозиметра.
а) б) в) г)
Рис. 3.1. Вискозиметры
С помощью капиллярного вискозиметра измеряются вязкости от
10 мкПа∙с (газы) до 10 кПа∙с. Используют вискозиметры по ASTM D 445
18
(ГОСТ 33–2016). Различают вискозиметры Оствальда (рис. 3.1, б), Убеллоде (рис. 3.1, а), Канон-Фенске (рис. 3.1, в), Пинкевича (рис. 3.1, г).
Вискозиметр Энглера ВУ-М-ПХП предназначен для измерения условной вязкости нефтепродуктов при сравнении времени истечения жидкости
определенной температуры и объема со временем истечения дистиллированной воды при +20 °С. Вязкость определяется в градусах Энглера.
Также вискозиметр может использоваться для определения вязкости
жидкостей, не являющихся нефтепродуктами (растворителей, клеев и др.).
Диапазон значений в градусах Энглера E = 1…16.
Ротационные вискозиметры измеряют динамическую вязкость одно
или два коаксиально (соосно) расположенных тела вращения (цилиндры,
диск, конус, полусфера). Пространство между ними заполняют исследуемым веществом. При вращении одного из тел (двух относительно друг
друга) возникает момент сопротивления деформации жидкости. Существуют два основных метода измерения: измерение момента сопротивления деформации при заданной скорости вращения и измерение скорости
вращения тела от приложенного фиксированного крутящего момента. Основная масса приборов использует первый метод. Только ротационные
вискозиметры позволяют измерить истинную или абсолютную вязкость
как ньютоновских, так и неньютоновских (структурированных или реологических) сред. Диапазон измеряемой вязкости обычно простирается от
одного мПаꞏс до сотен тысяч Паꞏс. Такой широкий диапазон измерений
достижим как за счёт изменения скорости вращения шпинделя от 0,01 до
1500 об/мин, так и использования шпинделей разных размеров для разных
диапазонов вязкости.
3.1. Лабораторная работа 3. Определение кинематической
вязкости нефтепродукта вискозиметром
Оборудование, реактивы, материалы: вискозиметр стеклянный капиллярный калиброванный; штатив с держателем; водяная баня с регулируемой температурой; лед (для возможного охлаждения бани); термометр
или термопара; спирт этиловый (ацетон); хромовая смесь; вода дистиллированная; топливо (бензин, керосин, дизельное); уайт-спирит (нефрас), толуол.
Вискозиметр, выданный преподавателем, должен быть тщательно
промыт в соответствии с рекомендациями, перечисленными ниже. Выберите вискозиметр для вязкой жидкости с большим капилляром, для маловязкой – с маленьким, время потока жидкости должно составлять н
200 с.
Промывка вискозиметра до определения и между. Перед определением вязкости вискозиметр промывают чистящим раствором (смесью хрома) в течение длительного времени для удаления остаточных следов орга-
е менее
19
нических отложений, затем тщательно промывают дистиллированной водой и осушающим растворителем (этанол, ацетон). Высушите прибор над
электроплитой, не допуская его перегрева, или сухим воздухом от сушилки.
Запрещено применять щелочные очищающие растворы и вещества
в качестве растворителей без консультации преподавателя, так как могут
возникнуть изменения в калибровке вискозиметра.
Между определениями несколько раз промойте вискозиметр растворителем, полностью смешивающимся с образцом топлива, для которого вы
определяете вязкость, например петролейным эфиром (предварительно
отфильтрованным). Для большинства образцов подходит уайт-спирит или
нефрас. Остаточное топливо должно быть предварительно промыто ароматическим растворителем (толуолом, ксилолом, бензолом) для удаления асфальтеновых веществ. Затем промойте полностью испаряющимся растворителем (чистящий растворитель, легко испаряющийся и смешивающийся)
и высушите устройство, пропустив слабую струю сухого воздуха в течение
2 мин или до полного удаления растворителя.
Определение кинематической вязкости прозрачных жидкостей. Заполните рабочий капилляр и расширительную часть вискозиметра образцом и держите его в водяной бане до тех пор, пока он не нагреется до температуры испытания (около 30 мин). Если одна баня используется для нескольких вискозиметров, то не погружайте и не извлекайте вискозиметры
из бани, пока хотя бы один из них находится в рабочем состоянии. После
того как образец достигнет температурного равновесия, доведите объем
образца до требуемого уровня, если это требуется конструкцией вискозиметра. Используя грушу, установите высоту колонки образца в капилляре
вискозиметра примерно на 7 мм выше первой отметки, если в инструкции
по эксплуатации вискозиметра не указано иное значение. Когда образец
свободен, определите время, необходимое для перемещения мениска от
первой метки ко второй с точностью 0,1 с. Если время истечения меньше
установленного минимума, то выберите вискозиметр с меньшим диаметром капилляров и повторите определение.
Повторите описанное определение, чтобы получить второе значение
времени истечения срока действия, и запишите результат. Если два результата измерения времени истечения согласуются с приемлемым значением
определяемости, то вычислите среднее арифметическое двух измерений
времени истечения как единичный результат. Если два измерения не совпадают, то после фильтрации образца и тщательной очистки и сушки вискозиметра повторяйте определения до тех пор, пока значения времени истечения не будут соответствовать установленным значениям определяемости.
Описание работы с вискозиметром Канон-Фенске (см. рис. 3.1, в). В
чистый сухой вискозиметр внесите пробу нефтепродукта следующим образом: на трубку 1 вискозиметра наденьте резиновую трубку, трубку 2 по-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]