3. Определение вязкости

Вязкость является важнейшей физической константой, характеризующей эксплуатационные свойства котельных и дизельных топлив, нефтяных масел, ряда других нефтепродуктов. По значению вязкости судят о возможности распыления и прокачивания нефтепродуктов.

В нефтепереработке различают динамическую, кинематическую, условную и эффективную вязкость.

Динамической (абсолютной) вязкостю (µ) или внутренним трением называют свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим касательным усилиям. Очевидно, это свойство проявляется при движении жидкости.

Единицей измерения динамической вязкости в системе СИ является ньютон-секунда на квадратный метр (Н*с/м²) - сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух ее слоев поверхностью 1 м², находящихся на расстоянии 1 м один от другого и перемещающихся под действием внешней силы в 1 Н со скоростью 1м/с. Учитывая, что Н/м²=Па, динамическую вязкость часто выражают в паскаль-секундах (Па*с) или милипаскаль-секундах (мПа.с.)

В системе СГС размерность динамической вязкости дин.с/см². Эта единица называется "пуаз" (1 пуаз = 0,1 Па*с.).

Кинематической вязкостью () называется величина, равная отношению динамическаой вязкости жидкости к ее плотности при той же температуре.

Единицей кинематической вязкости является м²/с - кинематическая вязкость такой жидкости, динамическая вязкость которой равна 1 Н*с/м² и плотность - кг/м³.

В системе СГС кинематическая вязкость выражается в см²/с. Эта единица называется "Стокс" (1 Ст = 10^-4 м²/с).

Нефть и нефтепродукты часто характеризуются условной вязкостью, за которую принимается отношение времени истечения через калиброванное отверстие стандартного вискозиметра 200 мл нефтепродукта при определенной температуре (t) ко времени истечения 200 мл дистиллированой воды при температуре 20^оС. Условная вязкость при температуре t обозначается знаком ВУ_t и выражается числом условных градусов.

У нефтяных дисперсных систем в определенных условиях в отличие от ньютоновских жидкостей вязкость является переменной величиной, зависящей от градиента скорости сдвига. В этих случаях нефть и нефтепродукты характеризуются эффективной или структурной вязкостью:

(3.1)

где _эф - эффективная вязкость, Н*с/м²;

Р - напряжение сдвига испытуемого продукта, Н/м²;

Д_r - градиент скорости сдвига, с^-1.

В нефтяных лабораториях для определения вязкости используют специальные приборы - вискозиметры, различающиеся по принципу действия:

а) капилярные, основанные на определении текучести жидкости через капилляр (вискозиметры типа ВПЖ и др.);

б) вискозиметры, в которых измерение жидкости основано на установлении относительного времени истечения определенного объема жидкости (вискозиметры типа ВУ, Энглера и др.);

в) вискозиметры, определяющие вязкость по скорости падения тела или по затуханию колебаний твердого тела в испытуемой жидкости (вискозиметры Гурвича, Гепплера и др.).

Определение кинематической вязкости обязательно для таких товарных нефтепродуктов, как дизельные топлива и смазочные масла (ньютоновские жидкости). Для определения динамической вязкости жидких нефтепродуктов, имеющих вязкость от 1 до 6*10³ Па*с, применяют автоматический капиллярный вискозиметр (ГОСТ 7163-84). Динамическую вязкость природных битумов, тяжелой нефти и нефтепродуктов (не ньютоновские жидкости) определяют в ротационных вискозиметрах.

Согласно унифицированной программе исследования для нефти определяют кинематическую (или динамическую) вязкость при температурах от 0 до 50^оС (через 10 ^оС). Для маловязкой нефти определение начинают с – 20 ^оС. Для керосиновых дистиллятов определяют кинематическую вязкость при 20 и - 40 ^оС. Для дизельных - при 20^оС, для масляных - при 40, 50 и 100^оС. Для остатков, выкипающих выше 350^оС, определяют условную вязкость при 50, 80 и 100^оС.

На вязкость нефти и нефтепродуктов существенное влияние оказывает температура. С ее понижением вязкость увеличивается. Вязкостно-температурные свойства нефтепродуктов зависят от их фракционного состава. Наименьшей вязкостью и наиболее пологой кривой вязкости обладают алифатические углеводороды. Наибольшей вязкостью и наиболее крутой кривой вязкости - ароматические (особенно би- и полициклические) углеводороды.

Важным эксплуатационным показателем в химмотологии топлив и масел является прокачиваемость. Прокачиваемость моторных топлив и топлив для газотурбинных и котельных установок существенно зависит от их вязкости. Например, количество бензина вязкостью 0,65 мм²/с, поступающего в двигатель за одну минуту, составляет 100 г, а бензина вязкостью 1,0 мм²/с – 95 г. В технических требованиях на товарные топлива и смазочные масла предусмотрены соответствующие ограничения значения вязкости. Так, топлива для быстроходных дизелей должны иметь кинематическую вязкость при 20^оС в пределах 1,5 – 6,0 мм²/с.

С понижением температуры высоковязкие нефти, природные битумы и остаточные нефтепродукты (мазут, гудрон) могут проявлять аномалию вязкости, так называемую структурную вязкость. При этом их течение перестает быть пропорциональным приложенному напряжению, т.е. они становятся неньютоновскими жидкостями. Причиной структурной вязкости является содержание в нефти и нефтепродукте смолисто-асфальтеновых веществ и парафинов. При определенной температуре эти компоненты приводят к образованию дисперсных систем (надмолекулярных структур). Усилие, которое необходимо для разрушения надмолекулярной структуры неньютоновских жидкостей, называется пределом упругости.

3.1. Определение кинематической вязкости

Настоящий метод применяется для определения кинематической вязкости жидких нефтепродуктов, которые при температуре испытания представляют собой ньютоновские жидкости. Сущность метода заключается в измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести через капилляр.

Определение проводится в вискозиметрах, общий вид которых представлен на рис.3.1. Вискозиметры представляют собой V - образную трубку, в колено 1 которой впаян капилляр 7. При измерении вязкости жидкость из резервуара 4 течет по капилляру в расширение 6.

Набор вискозиметров капиллярного типа состоит из 11 вискозиметров с диаметрами капилляров 0,4 – 0,6 – 0,8 – 1,0 – 1,2 – 1,5 – 2,0 – 2,5 – 3,0 – 3,5 – 4,0 мм. Диаметр капилляра вискозиметра зависит от прозрачности нефтепродукта и его вязкости и подбирается таким образом, чтобы время истечения жидкости было не менее 200 с.

а б

а – вискозиметр Пинкевича; б-ВПЖ-2

Рис.3.1 Капиллярные вискозиметры

В основу метода положена формула Пуазейля для истечения реальных жидкостей через капилляры:

, (3.2)

где ν - кинематическая вязкость;

V - объем жидкости, протекающей через капилляр, м³;

r - радиус капилляра, м;

L - длина капилляра, м;

τ - время истечения определенного объема жидкости, с;

h - высота столбца жидкости, м.

Учитывая, что h, r, L, V имеют постоянные значения для данного вискозиметра, можно обозначить

(3.3)

тогда

v = с τ, (3.4)

или

с = , (3.5)

где с - постоянная вискозиметра. Она не зависит от температуры, а зависит только от геометрических размеров вискозиметра.

Проведение испытания. Перед началом испытания устанавливают необходимую температуру в термостатируемой водяной бане.

В чистый, хорошо высушенный вискозиметр набирают пробу испытуемого нефтепродукта. Для этого на отводную трубку 3 (рис.3.1) надевают резиновый шланг. Далее, зажав пальцем колено 2 и повернув вискозиметр, опускают колено 1 в сосуд с жидкостью и засасывают ее с помощью груши или иным способом до отметки М₂, следя за тем, чтобы в жидкости не образовались пузырьки воздуха. В тот момент, когда уровень жидкости достигнет отметки М₂, вискозиметр вынимают из сосуда и быстро переворачивают в нормальное положение. Снимают с внешней стороны конца колена 1 избыток жидкости и надевают на него резиновую трубку.

3.2 Определение условной вязкости

Метод определения условной вязкости применяется для нефтепродуктов, дающих непрерывную струю в течение всего испытания и вязкость которых нельзя определить капиллярными вискозиметрами.

Испытание проводится в вискозиметрах типа ВУ, упрощенная схема которого представлена на рис.3.2. Вискозиметр типа ВУ состоит из внутреннего резервуара 1, снабженного сточной трубкой 2 калиброванного диаметра для истечения жидкости. Внутренний резервуар помещают в водяную (или масляную) баню 3, снабженную мешалкой 4. Подогрев бани осуществляется при помощи электрической печки 5. Температура бани замеряется обычным термометром. Резервуар 1 закрывается крышкой 6, имеющей два отверстия, в одно из которых вставляется специальный термометр 7, а в другое - деревянный заостренный стержень 8, с помощью которого закрывается и открывается от-верстке сливной трубки 2 на дне резервуара 1. Внутри резервуара прикреплены три заостренных и изогнутых под прямым углом штифта 9, служащих указателем уровня нефтепродукта, заливаемого в вискозиметр. Объем резервуара 1 от дна до конца штифтов составляет около 240 мл.

Весь прибор устанавливается на треножнике 10, снабженном установочными винтами II.

Д ля измерения объема вытекающей из вискозиметра жидкости к прибору прилагается специальная измерительная колба 12 с отметкой 200, мл.

Рис. 3.2 Упрощенная схема вискозиметра типа ВУ

1-внутренний резервуар, 2-сточная трубка, 3-водяная (или масляная) баня, 4-мешалка, 5-электропеч, 6-крышка, 7-термометр, 8-стержень, 9-штифт, 10-тренога, 11-установочный винт, 12-измерительная колба.

Перед началом испытания проводится определение водного числа вискозиметра.

Водным числом называется время истечения 200 мл дистиллированной воды из вискозиметра при температуре 20 ⁰С. Перед определением водного числа внутренний резервуар промывают петролейным эфиром, спиртом, водой и высушивают. Устанавливают прибор, отверстие закрывают стержнем, заливают в резервуар воду с температурой 20°С до уровня, при котором острия штифтов едва лишь выдаются над поверхностью воды. Колбу подставляют под сточную трубочку и, приподняв стержень, спускают воду в колбу для заполнения сточной трубочки и установления уровня воды. При температуре 20°С коротким движением приподнимают стержень, одновременно пуская в ход секундомер. Когда нижний край мениска воды достигает кольцевой метки на колбе, секундомер останавливают.

Измерение водного числа повторяют 3-4 раза. Берут среднее значение. Если водное число вискозиметра выходит за пределы 51 сек, то вискозиметр для работы не годен.

Проведение испытания. В баню заливают воду (при определении вязкости при температурах до 80⁰С), либо масло (при определении вязкости при температурах 80-100⁰С), и нагревают до температуры несколько выше заданной температуры определения. Сливное отверстие внутреннего резервуара закрывают стержнем и заливают в него испытываемый нефтепродукт так, чтобы острия всех трёх штифтов едва заметно выдавались над уровнем нефтепродукта. Закрывают вискозиметр крышкой, вставляют в неё термометр, и под сточное отверстие ставят чистую сухую измерительную колбу.

Температуру бани поддерживают на 0,2-0,5⁰С выше температуры испытуемого нефтепродукта включением и выключением обогрева, обеспечивая равномерность нагрева жидкости перемешиванием мешалкой. Нефтепродукт также перемешивают (термометром) осторожно вращая вокруг стержня крушу прибора, в которую вставлен термометр.

По достижении точно заданной температуры определения, согласно Неоказаниям термометра 7, выжидают 5 мин., после чего быстро выни­мают стержень и одновременно включают секундомер. Когда уровень продукте в измерительной колбе достигнет метки (200 см³), секундомер останавливают и отсчитывают время (с) истечения нефтепродукта с точностью до 0,2 с.

Условную вязкость испытываемого продукта при температуре Т (ВУ_т) вычисляют по формуле:

(3.6)

где - время истечения из вискозиметра 200 см³ испытуемого нефтепродукта при температуре Т, ⁰С;

- водное число вискозиметра, с.

За результат испытания принимают средние арифметическое двух параллельных испытаний.