Введение. В соответствии с учебным планом специальности 240403 - Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов и рабочей программой

 

В соответствии с учебным планом специальности 240403 - Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов и рабочей программой специальной дисциплины «Введение в химическую технологию топлив и углеродных материалов» предусмотрено выполнение лабораторных работ с целью получения навыков определения характеристик нефти и нефтепродуктов.

Одним из важных параметров, используемым в химмотологии и имеющим большую практическую значимость для большого числа товарных нефтепродуктов и нефти является вязкость, значение которой учитывается при подсчете запасов нефти, проектировании способов добычи и транспортировки, выборе схем переработки.

В данных методических указаниях в теоретической части приведены сведения относительно всех используемых в химмотологии понятий вязкости: динамической, кинетической и условной, их взаимосвязи и зависимости. Проанализированы факторы, предопределяющие вязкость для большого числа нефтепродуктов в зависимости от их назначения. Описаны схемы и устройства используемых приборов и оборудования, подробные методики определения перечисленных характеристик и методики (графические и расчетные) обработки полученных экспериментальных данных.

Данные методические указания предназначены для студентов для использования в процессе подготовки и выполнения лабораторных работ по определению вязкости нефтепродуктов в соответствии с заданием и для обработки полученных экспериментальных данных при определении вязкости нефти, моторных топлив и вязкостно – температурных характеристик минеральных масел. Наличие теоретических сведений позволяет использовать данные указания также для самостоятельной работы при изучении курса.

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ.

Вязкостью называют свойство жидкостей или газов оказывать сопротивление перемещению двух смежных слоев друг относительно друга. Это свойство называют иногда внутренним трением жидкости или газа.

Вязкость как и плотность - важный физико-химический параметр, используемый при подсчете запасов нефти, проекти­ровании разработки нефтяных месторождений, выбора способа транспортировки и схемы переработки нефти, в химмотологии.

Физический смыл вязкости — интенсивность работы, затрачиваемой на перемещение слоев [1]. Для объяснения этого явления обычно предлага­ют рассмотреть (рис.1) две параллельные пластины А и Б каждая площадью S, между ко­торыми находится слой жид­кости толщиной h. К пластине Б

Рис. 1.Физический смысл вязкости

приложим силу F, в результате чего она начнет двигаться. При движении пластина захватывает слои жидкости, которые также двигаются вместе с нею. При этом слои, примыкающие к пластине, движутся с той же скоростью, что и она са­ма (v), а более удаленные — с меньшей скоростью. Чем выше вязкость жидкости, тем быстрее убывает скорость по мере удаления от пластины. Величина t = F/S называется касательным напряжением, а g= v/h - скоростью деформации. Легко заметить, что чем больше касательное напряжение, тем больше скорость деформации. Величина h = t ¤ g и яв­ляется вязкостью. В таких жидкостях, как вода, топливо, легкие масла, зависимость между касательным напряжением t и скоростью деформа­ции g практически линейна, а h не зависит от t. В этом случае говорят, что мы имеем дело с ньютоновскими жидкостями. В таких системах, как пластичные смазки, расплавы полимеров и др., т и у связаны между собой нелинейной зависимостью (неньютоновские жидкости) и h за­висит от t. На рис. 2 в качестве иллюстрации приводится влияние скорости деформации на вязкость масла (ньютоновская жидкость) и смазки на ее основе (неньютонов­ская жидкость).

Характер зависимости между h и t. определяется энергетическим состоянием деформируемого вещества. В ньютоновских жидкостях вся энергия трения переходит тепло, которое рассеивается в окружающем пространстве, а сила, прилагаемая к жидкости, расходуется только на сдвиг.

Если же часть энергии не теряется в виде тепла, а запасается системой в виде, например в виде упругих деформаций, то зависимость между t и h линейной быть не может. Из этого вытекают два практически важных следствия. Во-первых, вязкость такой жидкости зависит от касательного напряжения, а во-вторых, такая жидкость обладает «памятью», которая может проявить себя в процессе релаксации.

Вязкость жидкости зависит от межмолекулярных взаимодействий в ней и определяется строением ее молекул. Вязкость жидкости, составленной однородными молекулами, тем выше, чем крупнее эти молекулы, если молекулы содержат полярные группы, то вязкость такой жидкости выше, чем больше полярных групп.

 

Рис. 2. Влияние скорости деформации на динамическую вязкость: 1- масла (ньютоновская жидкость); 2- смазки на ее основе (неньютонов­ская жидкость).

 

Исходя из сказанного, нетрудно догадаться, что среди углеводородов наименьшая вязкость наблюдается у неполярных парафинов и изопарафинов, а наивысшая, у ароматических соединений. Можно догадаться также, что вязкость зависит от температуры и давления. Чем выше температура, тем слабее связи между молекулами и тем меньше вязкость жидкости. Вязкость газов с повышением температуры, напротив, увеличивается. Чем выше давление, тем вязкость выше, поскольку давление препятствует перемещению слоев относительно друг друга.

Различают д и н а м и ч е с к у ю, к и н е м а т и ч е с к у ю и у с л о в- н у ю вяз­кость.

Д и н а м и ч е с к а я в я з к о с т ь h - это отношение действующего касательного напряжения к градиенту скорости при заданной температуре. Единица измерения динамической вязкости Па­скаль-секунда - Па.с, на практике используют обычно мПа.с. Величина обратная динамической вязкости называется т е к у ч е с т ь ю. В основе определения динамической вязкости путем изме­рения времени истечения жидкости через капиллярные трубки лежит формула Пуазейля:

h = p Rr⁴t/8VL,

где Р - давление, при котором происходит истечение жидкости из капилля­ра;

V-объем жидкости, протекающей через капилляр;

t - время истечения жидкости в объеме;

L - длина капилляра; r-радиус капилляра.

Возникновение необходимости определения кинематической и условной вязкости связано с тем, что для определения дина­мической вязкости требуется источник постоянного давления (постоянно приложенного напряжениям) на жидкость. Это усло­вие предопределяет дополнительные технические трудности, сложность воспроизведения и трудоемкость анализа.

К и н е м а т и ч е с к а я в я з к о с т ь n - это отношение динамической вязкости жидкости к плотности при той же температуре:

n = h / r

Единица кинематической вязкости м²/с, на практике исполь­зуют обычно мм²/с.

Сущность метода определения кинематической вязкости за­ключается в замене постоянного давления (внешней силы) дав­лением столба жидкости, равным произведению высоты столба жидкости, плотности жидкости и ускорения силы тяжести. Эта замена привела к значительному упрощению и распростране­нию метода определения кинематической вязкости в стеклянных капиллярных вискозиметрах.

Определение у с л о в н о й вязкости также основано на истече­нии жидкости (через трубку с диаметром отверстия 5 мм) под влиянием силы тяжести. Условная вязкость - отношение вре­мени истечения нефтепродукта при заданной температуре ко времени истечения дистиллированной воды при 20^оС. Единица измерения - условные градусы (°ВУ).

Вязкость топлив. Вязкость дистиллятных топлив характеризуется кинематической (мм²/с), в некоторых случаях — динамической (Мпа×с) вязкостью; вязкость остаточных топлив выражается в условных единицах (°ВУ).

Кинематическая вязкость (мм²/с) массовых видов товарных топлив, кроме бензинов (имеющих низкую вязкость), нормиру­ется стандартами представленными в таблице 1.

Таблица 1.

Стандартная кинематическая вязкость топлив, мм²/с

Топлива	Температура, °С
			-40
Реактивные топлива: ТС-1 РТ Т-8В Т-6	³1,30 (1,25) ³1,25 ³1,5 £4,5	-	-	£8 £16 £16 £60
Дизельные топлива: летнее «Л» зимнее «З» арктическое «А»	3,0-6,0 1,8-5,0 1,5-4,0	-	-	-
Котельные топлива: Ф-5 Ф-12 М 40 М100	- - - -	£3б,2 £89,0 - -	- - £59,0 £118,0	- - - - -

 

Вязкость топлив в наибольшей степени зависит от фракционного состава и температуры топлива, меньшее значение имеет групповой химический состав, т.к. в товарных топливах содержание отдельных классов соединений изменяется в ограниченных пределах [2]. Вязкость топлив увеличивается с утяжелением фракцион­ного состава, понижением температуры топлива. На рис. 3 по­казаны зависимости кинематической вязкости дизельных топ­лив от температуры.

 

Рис. 3. Зависимость вязкости дизельных топлив от температуры: 1 - летнее топливо; 2 – зимнее топливо

 

 

Не допускаются к применению реактивные топлива с вязкостью при 20°С менее 1,25 мм²/с (неудовлетво­рительные противоизносные свойства) и дизельные топлива с вязкостью при -40°С более 60 мм²/с (неудовлетворительная прокачиваемость).

Вязкость флотских и то­почных мазутов относительно велика, но при 50 и 80°С не должна превышать 89 и 118 мм²/с для обеспечения удов­летворительного распыла и сгорания в котельных уста­новках.

Регулирование вязкости ре­активных и дизельных топлив может производиться при их производстве и в условиях хранения за счет изменения фракционного состава (пределов выкипания).

Вязкость остаточных топлив определяются содер­жанием смол и асфальтенов и их ассоциацией в топливе. Крити­ческая концентрация ассоциациатов уменьшается при увеличении содержания кислорода в молекуле. По-видимому, аналогичную роль будут играть и присутствующие в молекулах гетероатомы S, N, металлов.

Вязкость остаточных топлив, а также битумов, их агрегативную устойчивость регулируют в основном изменени­ем температуры, добавками ПАВ (присадок) и компаундированием продуктов соответствующего качества.

Вязкость смазочных масел является одним из важнейших их свойств. При выборе смазоч­ного масла для конкретного вида техники в первую очередь учи­тывают влияние вязкости на следующие технические параметры: затраты энергии на трение, несущую способность масляного слоя, прокачиваемость, охлаждение деталей, степень уплотнения узла трения, очистку деталей от загрязнения.

Наиболее существенны первые два параметра, причем для минимизации затрат энергии на трение желательно масло с низкой вязкостью, а для обеспечения высокой несущей спо­собности масляного слоя — с высокой вязкостью. Для хоро­шей прокачиваемости вязкость должна быть минимальной, т.к. высоковязкое масло будет поступать к некоторым смазы­ваемым деталям в недостаточном количестве, особенно в пе­риод пуска двигателя, когда масло относительно холодное.

Чем меньше вязкость, тем лучше его охлаждающие свойства. В то же время уплотнение цилиндро-поршневой группы дви­гателя от прорыва продуктов сгорания из цилиндра в картер намного лучше обеспечивает высоковязкое масло. Функцию очистки деталей от загрязнения лучше выполняет маловязкое масло, т.к. оно легче фильтруется и хорошо отстаивается при очистке. Таким образом, значение вязкости масла неоднознач­но: одни функции лучше выполняет маловязкое масло, другие — высоковязкое.

Окончательный выбор вязкости масла для конкретных двига­телей или машин делают на основании опыта их эксплуатации в определенных условиях. В технических требованиях на каждый вид смазочного масла устанавливают минимальное значение кинематической вяз­кости при 100°C, например, для бензиновых автомобильных дви­гателей — 5 - 12, авиационных поршневых двигателей — 14 - 20,5, автомобильных дизелей — 8 - 16, авиационных турбореактивных двигателей — 8 - 8,3(50°С) мм²/с.

Кроме внешних факторов (температура, давление), вязкость зависит от объема, строения молекул масла и их взаимодействия между собой и с другими компонентами масла. Этим масляные фракции отличаются от низших углеводородов (пентана, гексана, гептана и др.), вязкость которых возрастает с увеличением молекулярной массы по линейному закону. В маслах большую роль играют межмолекулярные взаимодействия, особенно при температурах ниже +50°С.

При высоких температурах (+200...+250°С) зависимость вязкости от температуры у смазочных масел аналогична низ­шим углеводородам. В маслах наблюдается ассоциация моле­кул, т.е. образуются растворимые надмолекулярные структуры. С понижением температуры уменьшается подвижность моле­кул масла, интенсифицируются процессы ассоциации молекул.

Межмолекулярные взаимодействия и процессы ассоциации зависят от химического состава масел [2].

Например, алканы нормального строения в маслах взаимно ориентируются, их молекулы располагаются параллельно друг другу (жидкие кристаллы). Они могут быть зародышами трехмер­ных кристаллов. При дальнейшем понижении температуры концентрация дисперсной фазы в масле увеличивается, формируется дисперсная структура. При течении масла связи между частицами, как правило, нарушаются и вязкость масла понижается.

Подобные жидкости не подчиняются уравнению Ньютона (независимость вязкости от градиента скорости). Если вязкость зависит от скорости течения, то она называется аномальной. Это свойственно так называемым неньютоновским жидкостям.

При низких температурах масло теряет подвижность. Течение масла происходит под напряжением, равным предельному напря­жению сдвига, частично разрушающем жидкокристаллическую структуру в масле.

Вязкость масел сильно зависит от химического строения мо­лекул углеводородов. Минимальную вязкость имеют алканы (нормального и изомерного строения). При прочих равных усло­виях вязкость циклоалканов больше, чем аренов, полицикличес­кие углеводороды имеют большую вязкость, чем моноцикличес­кие. С увеличением числа колец в молекуле вязкость возрастает. Содержание алканов, как и смолисто-асфальтеновых веществ, в очищенных масляных фракциях незначительное, поэтому они не оказывают заметного влияния на вязкость масла. Гетероатомные соединения (сернистые соединения, продукты окисления углево­дородов) могут формировать мицеллы, как правило, ухудшаю­щие вязкостные свойства масел.