1.4. ВЯЗКОСТЬ

Вязкость нефтепродуктов

Вязкость – это свойство жидкости (газов) оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости (газа) относительно другой или внутреннее трение жидкости (газа), возникающее между молекулами жидкости (газа) при их перемещении под действием внешней силы. Вязкость обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия.

Вязкость является очень важной характеристикой нефтей и нефтепродуктов. Она характеризует их прокачиваемость в трубопроводах и двигателях и поведение смазочных масел.

Вязкость зависит от фракционного и химического состава нефтепродукта, температуры его нагрева и давления. Чем выше температура кипения нефтепродуктов, тем выше их вязкость. Напротив, чем выше температура нагрева нефтепродукта, тем ниже его вязкость. Поскольку вязкость жидкости очень сильно зависит от температуры ее нагрева, то обязательно указывают температуру, при которой определяют вязкость. Остатки от перегонки нефти имеют наиболее высокую вязкость.

Поправки к давлению насыщенных паров

Давление насыщенного водяного пара

   Вязкость нафтеновых и ароматических углеводородов зависит от числа циклов в молекуле – чем их больше, тем выше вязкость.

Кроме того, вязкость нафтеновых и ароматических углеводородов повышается с увеличением длины боковой цепочки.

Однако температура нагрева по-разному влияет на вязкость различных углеводородов. Так, с изменением температуры нагрева вязкость парафинов меняется в меньшей степени, чем незамещенных нафтеновых и ароматических углеводородов.

С ростом давления вязкость масел растет. При этом вязкость парафинов меняется в меньшей степени, чем нафтеновых и ароматических углеводородов. Кроме того, масла с высокой вязкостью с увеличением давления изменяют свою вязкость в большей степени, чем низковязкие масла.

Вязкость является важным показателем смазывающих свойств масел. Для каждой машины, агрегата и т.д. должно применяться смазочное масло с определенной вязкостью. От вязкости зависят потери мощности на трение, износ трущихся деталей, уплотнение поршневых колец в цилиндрах, охлаждение трущихся деталей, расход масла и легкость пуска двигателя при низких температурах.

Различают вязкость динамическую, кинематическую и условную.

В практике нефтепереработки и в технологических расчетах чаще используют кинематическую вязкость:

Вязкость нефтепродуктов

кинематическую вязкость

где v – кинематическая вязкость, см2/с;

h  динамическая вязкость, г/(см×с);

p  –  плотность, г/см3.

Для определения кинематической вязкости используют стандартные приборы – вискозиметры, работа которых основана на определении времени истечения жидкости через капилляры.

Кинематическая вязкость измеряется в международной системе единиц в м2/с (допускается в мм2/с), а динамическая вязкость измеряется в Па·с. Кроме того, в литературе часто используются единицы измерения других систем: стокс (Ст) и сантистокс (сСт) для кинематической и пуаз (П) и сантипуаз (сП), а иногда микропуаз (мкП) – для динамической вязкости. Соотношения между различными единицами измерения вязкости приведены в табл. 1.4 и 1.5.

Кинематическая вязкость

 В литературе имеются номограммы, позволяющие перевести вязкость из одной системы в другую [5, с. 79].

Для расчета вязкости индивидуальных углеводородных газов и смеси паров углеводородов или фракций применяют формулу Фроста:

формула Фроста

где  динамическая вязкость – динамическая вязкость, Па·с;

T– температура, К;

M–  молярная масса, кг/кмоль.

В литературе рекомендуют для расчета вязкостей газов и паров применять и другие формулы [6, с. 68].

       Вязкость газов при атмосферном давлении и заданной температуре может быть определена графическим методом, если известна их

молярная масса или относительная плотность [5, с. 87; 7, с. 179]. Вязкость газов увеличивается с ростом температуры.

Динамическая вязкость

В случае высоковязких нефтепродуктов применяют условную вязкость (ВУ). Условную вязкость измеряют в условных градусах – ВУ или градусах Энглера (оЕ).

Существуют эмпирические формулы, связывающие кинематическую, динамическую и условную вязкости. Так, для нефтепродуктов, имеющих кинематическую вязкость в пределах 1-120 мм2/с, можно воспользоваться формулами

связывающие кинематическую, динамическую и условную вязкости

где  v t  – кинематическая вязкость при температуре t, м2/с;

Еt  – условная вязкость при температуре t, 0Е.

ht  – динамическая вязкость при температуре t, 1·10-3 Па·с;

p – плотность нефтепродукта, кг/м3.

Для нефтепродуктов с кинематической вязкостью выше 120 мм2 /с можно использовать более простую формулу:

dzprjcnm нефтепродуктов

Вязкость нефтепродуктов не является аддитивным свойством, поэтому не может быть получена из среднеарифметических соотношений. Расчет вязкости смесей нефтепродуктов, масел, а также углеводородов осуществляют по специально составленным для этой цели номограммам.

Номограмма Е.Г. Семенидо позволяет найти кинематическую вязкость нефтепродукта при любой температуре, если известна его вязкость при двух других температурах (рис. 1.8).

Номограмма ASTM, которая базируется на известной формуле Вальтера, и номограмма Молина-Гурвича, составленная по экспериментальным данным, служат для вычисления вязкости смесей нефтепродуктов. Сами номограммы и порядок пользования ими приведены в [1, с. 59-61].

В существующих стандартах на товарные нефтепродукты кинематическая вязкость нормируется в мм2/с (1 мм2/с = 10-6 м2/с = 1 сСт).

Определение кинематической вязкости заключается в установлении времени истечения определенного объема испытуемого нефтепродукта при определенной температуре через капилляр вискозиметра, для которого заранее установлена его постоянная. Кинематическую вязкость определяют по формуле

Кинематическую вязкость определяют по формуле

где  vt  – кинематическая вязкость при температуре t, мм2/с;

с  – постоянная вискозиметра, мм22;

t – время истечения испытуемого нефтепродукта, определяемое как среднеарифметическое по трем-пяти измерениям, с.

Капиллярные вискозиметры показывают значение кинематической вязкости в абсолютных единицах.

      Чаще всего для определения кинематической вязкости прозрачных жидкостей при любых температурах используют вискозиметры типа ВПЖ-2 и Пинкевича (рис. 1.9). Вискозиметры изготавливают с капиллярами различных диаметров, величина которых резко сказывается на значении постоянной вискозиметра. В наборе вискозиметров диаметр капилляров изменяется от 0,34 до 4,5-5,1 мм, что соответствует изменению постоянной вискозиметра от 0,003 до 30 мм22. Диаметр капилляра вискозиметра подбирают таким, чтобы время истечения жидкости составляло не менее 200 секунд.

Для измерения вязкостей непрозрачных жидкостей следует применять вискозиметр ВПЖ, а для прозрачных жидкостей в малых количествах (до 1 см3) – вискозиметр ВПЖМ.

Условную вязкость определяют для вязких нефтепродуктов, например котельных и газотурбинных топлив. Под условной вязкостью понимают отношение времени истечения из вискозиметра типа ВУ (рис. 1.10) 200 мл испытуемого нефтепродукта при температуре испытания ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды при температуре 200С. Условная вязкость исчисляется в условных градусах.

Вязкость нефтепродуктов

Условную вязкость для товарных нефтепродуктов определяют при 50, 80 и 1000С в зависимости от марки нефтепродукта.

Кинематическую вязкость нефтепродуктов определяют по ГОСТ 33-82. Этим методом можно установить кинематическую вязкость для нефтепродуктов с вязкостью в пределах 0,6-3000 мм2/с.

Условную вязкость определяют по ГОСТ 6258.

 Определение кинематической вязкости следует осуществлять в следующей последовательности:

– наливают испытуемый нефтепродукт в химический стакан объемом 50-100 мл;

– надевают резиновую трубку с грушей на отводную трубку 3 вискозиметра (рис. 1.9);

Номограмма Е.Г. Семенидо

Вискозиметры ВПЖ-2 и Пинкевича:

– зажимают пальцем колено 2 и переворачивают вискозиметр, опустив колено 1 в сосуд с нефтепродуктом, заполняют его с помощью резиновой груши до метки М2 вискозиметра. Следят за тем, чтобы не образовались пузырьки воздуха. В тот момент, когда уровень нефтепродукта достигнет метки М2, вынимают вискозиметр из сосуда и быстро переворачивают его в нормальное положение;

– снимают резиновую трубку с отвода 3 и надевают на колено 1;

– устанавливают вискозиметр в термостат так, чтобы расширение 4 было ниже уровня жидкости в термостате;

– выдерживают вискозиметр в течение 15 минут;

– заполняют колено 1 нефтепродуктом примерно до 1/3 расширения;

– снимают резиновую трубку с вискозиметра. Определяют время истечения нефтепродукта от метки М1 до метки М2 с помощью секундомера, повторяют измерения. Наибольшее число измерений зависит от времени истечения нефтепродукта и должно быть следующим:

– время истечения от 200 до 300 с – 5 измерений;

– время истечения от 300 до 600 с – 4 измерения;

– время истечения свыше 600 с – 3 измерения;

– вычисляют среднее арифметическое время истечения нефтепродукта из вискозиметра (t, с) с точностью до 0,1 с.

Используя постоянную (с, мм22), указанную в паспорте вискозиметра, вычислите кинематическую вязкость испытуемого нефтепродукта. 

Вискозиметр для определения условной вязкости показан на рис. 1.10. Он состоит из латунного резервуара с калиброванным отверстием в дне, служащим для истечения испытуемого нефтепродукта. Резервуар помещен в жидкостную баню и имеет крышку с двумя отверстиями. В одно отверстие вставляется термометр, а в другое – деревянный стержень, с помощью которого закрывается выходное отверстие в резервуаре. Внутри резервуара на равном расстоянии от дна прикреплены три заостренных и изогнутых под прямым углом штифта. Эти штифты служат указателями уровня нефтепродукта, заливаемого в вискозиметр. По ним же судят о горизонтальности положения прибора.

В бане имеется мешалка. Температура жидкости в бане измеряется вторым термометром. Весь прибор устанавливается на треножнике, на ножках которого имеются установочные винты.

При определении вязкости до 800С в бане используют дистиллированную воду, а при необходимости нагрева до 1000С – масло или глицерин.

Определяют условную вязкость в следующем порядке:

– опускают конец стержня 5 в выходное отверстие сухого чистого вискозиметра;

– заливают дистиллированную воду, имеющую температуру 200С, в резервуар 2 до уровня, при котором острие каждого из трех штифтов едва выступает над поверхностью воды;

Вискозиметр для определения условной вязкости нефтепродукта

– заполняют водой с той же температурой внешний резервуар 1 до расширенной верхней части внутреннего резервуара. Устанавливают прибор горизонтально, контролируя положение каждого из трех штифтов;

– ставят колбу 7 под вискозиметр. Убедитесь, что температура в резервуарах 1 и 2 равна 20±0,50С;

– поднимают стержень и одновременно запускают секундомер. Вода из резервуара вытекает в колбу;

– останавливают секундомер в момент, когда нижний край мениска достигнет кольцевой метки «М» на колбе, что соответствует вместимости 200 см3;

– повторяют измерение 4 раза. Если результаты измерений отличаются от среднего арифметического не более чем на 0,5 с, среднее арифметическое записывают как водное число вискозиметра  (водное число вискозиметра  , с). Оно должно быть от 50,0 до 52,0 с;

– осторожно с помощью фильтровальной бумаги просушивают резервуар 2;

– в выходное отверстие опускают конец стержня 5;

– поднимают температуру в бане на 0,5 – 1,00С выше температуры, заданной для определения;

– подогревают испытуемый нефтепродукт до температуры на 10С выше заданной для определения;

– заливают в резервуар 2 испытуемый нефтепродукт до указателя уровня;

– закрывают вискозиметр крышкой с термометром и ставят сухую чистую колбу под выходное отверстие;

– выдерживают вискозиметр в течение 5 мин и убеждаются, что температура в резервуарах 1 и 2 поддерживается на уровне заданной ±0,50С;

– непрерывно помешивают нефтепродукт, осторожно вращая вокруг стержня крышку прибора;

– после достижения в резервуаре 2 заданной температуры выжидают 5 мин;

– вынимают стержень 5 и запускают одновременно секундомер;

– останавливают секундомер, когда нефтепродукт дойдет до метки «М», соответствующей 200 см3 (пена в расчет не принимается);

– определение повторяют дважды. Вычисляют среднее арифметическое время истечения нефтепродукта (t, с);

– вычисляют условную вязкость испытуемого нефтепродукта по формуле

вычисляют условную вязкость испытуемого нефтепродукта

где ВУt – условная вязкость нефтепродукта при температуре t, условные градусы;

среднеарифметическое время истечения нефтепродукта– среднеарифметическое время истечения нефтепродукта, с;

водное число вискозиметра – водное число вискозиметра, с.

Знание вязкости необходимо при гидравлических расчетах нефтепроводов, насосов и т.д.

Вязкость нефтей зависит от их природы и находится в следующих пределах:

  • при 200С: 2,0-202,0 мм2/с (чаще 4,0-65,0 мм2/с);
  • при 500С: 1,4-42,4 мм2/с (чаще 2,0-22,0 мм2/с).

Вязкость малосмолистых нефтей при 200С находится в среднем в пределах 3-10, а высокосмолистых – 50-80 мм2/с. Вязкость эмульсий значительно выше, чем обезвоженных нефтей, и составляет 100-120 мм2/с и более при 200С для высокосмолистых нефтей.

Бензины имеют очень низкую вязкость – в пределах 0,4-0,5 мм2/с при 200С.

Вязкость углеводородных газов в десятки раз меньше вязкости бензинов.

Вязкости других нефтепродуктов находятся в следующих пределах:

– вязкость керосиновых фракций:

при 200С: 1,1-2,4 мм2/с (чаще 1,1-1,9 мм2/с);

при -400С: 3,3-20,6 мм2/с (чаще 3,5-9,6 мм2/с);

– вязкость дизельных фракций:

при 200С: 1,4-12,1 мм2/с (чаще 1,4-7,9 мм2/с);

при 500С: 1,0-4,7 мм2/с (чаще 1,0-3,6 мм2/с);

– вязкость фракции вакуумного газойля:

при 500С: 11,9-37,5 мм2/с;

при 1000С: 3,3-9,7 мм2/с (чаще 4,8-8,7 мм2/с);

– вязкость масляных дистиллятов:

при 500С: 7,6-187,7 мм2/с (чаще 7,6-56,6 мм2/с);

при 1000С: 2,6-17,0 мм2/с (чаще 2,7-9,9 мм2/с);

– вязкость гудронов:

при 500С: 154,0-499,0 мм2/с (чаще 162,0-360,0 мм2/с);

при 1000С: 21,0-46,8 мм2/с (чаще 22,0-37,0 мм2/с);

при 1000С: 10,5-3370Е (чаще 17,0-79,00Е).