Вязкость. 
Химия природных энергоносителей и углеродных материалов

Вязкость является важной характеристикой, используется при подсчете запасов нефти, выбора способа транспорта и схемы переработки нефти, в химмотологии. Подавляющее большинство технологических расчетов, в которых используется значение вязкости, — это расчеты трубопроводов и другого оборудования, в которых движутся нефть и нефтепродукты.

Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость. Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью.

Динамическая вязкость — это отношение действующего касательного напряжения к градиенту скорости при заданной температуре (в системе СИ — Пас, на практике миллипаскаль секунда, мПас). Рассчитывается динамическая вязкость по формуле Пуазейля.

В технологических расчётах чаще используется кинематическая вязкость. Это отношение динамической вязкости жидкости к плотности при той же температуре:

[].

Широкое распространение на практике имеют внесистемные единицы вязкости: динамической — пуаз (П, 1 П = 0,1 Па с), кинематической — стокс (Ст, 1 Ст = 10−4 м2/с).

Для характеристики вязких нефтепродуктов, например нефтяных масел, используют условную вязкость (ВУ). Она выражается отношением времени истечения нефтепродукта при заданной температуре ко времени истечения такого же количества дистиллированной воды при 20 єС. Единица измерения — условные градусы єВУ.

Необходимость определения кинематической и условной вязкости связана с техническими трудностями определения динамической вязкости (требуется источник постоянного давления на жидкость, сложность воспроизведения и т. д.).

В методе определения кинематической вязкости вместо постоянного давления (внешней силы) используется давление столба жидкости, которое равно произведению высоты столба жидкости, её плотности и ускорения силы тяжести. Для этой цели используются стеклянные капиллярные вискозиметры. Кинематическую вязкость определяют для нефтей, дизельных топлив и смазочных масел (ньютоновские жидкости).

Динамическую вязкость природных битумов, тяжелых нефтей и нефтепродуктов (неньютоновские жидкости) определяют в ротационных вискозиметрах.

Согласно унифицированной программе исследования для нефтей определяют кинематическую (или динамическую) вязкость при температурах от 0 до 50 єС (через 10 єС). Для маловязких нефтей определение начинают с минус 20 єС. Для керосиновых дистиллятов определяют кинематическую вязкость при 20 и минус 40 єС. Для дизельных — при 20 єС, для масляных — при 40, 50 и 100 °C. Для остатков, выкипающих выше 350 °C, определяют условную вязкость при 50, 80 и 100 °C.

За рубежом для характеризации нефтяных фракций измеряют динамические вязкости при температурах 37,8 °С (100 °F) и 98,9 °С (210 °F). Для расчета кинематической вязкости при данных температурах используется формула Эбботта [6].

С понижением температуры высоковязкие нефти, природные битумы и остаточные нефтепродукты (мазут, гудрон) могут проявлять аномалию вязкости (так называемая структурная вязкость). Причина структурной вязкости объясняется наличием смолисто-асфальтеновых веществ и парафинов, при этом их течение перестаёт быть пропорциональным приложенному напряжению, т. е. нефти становятся неньютоновскими.

Усилие, необходимое для разрушения надмолекулярной структуры неньютоновских жидкостей, называется пределом упругости.

Для определения кинематической вязкости используют номограммы зависимости вязкости от температуры (см. Прил. 5−7) и эмпирические формулы, так для узких нефтяных фракций её можно рассчитывать по зависимости Вальтера:

.

где — вязкость при заданной температуре, мм2/с;

— средняя температура кипения фракции, єС;

Т — температура, К.

Для прямогонных фракций (керосиновая, дизельная, газойлевая) с плотностью, сернистых и высокосернистых нефтей кинематическую вязкость можно вычислить по формулам.

;

;

Условную вязкость при 80 и 100 °C прямогонных остатков с плотностью рассчитывают по формулам.

;

.

Используя приближенные зависимости, можно перевести кинематическую вязкость нефтепродуктов в градусы условной вязкости:

для =1−120 мм2/с: ;

для 120 мм2/с: .

Или для этой цели используют таблицы перевода кинематической вязкости (мм2/с) в условную (°ВУ) (см. Прил. 8).

Пример. Условная вязкость масляной фракции при 100 и 50 °C соответственно 2,6 и 20 °ВУ. Определить её условную вязкость при 70 °C.

Решение. Для нахождения искомой вязкости на графике Прил. 5 определяем положение точек с координатами 100 °C; 2,6 °ВУ и 50 °C; 20 °ВУ. Через найденные точки, А и В проводим прямую. На оси абсцисс находим точку, соответствующую 70 °C, из которой восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с прямой АВ. Получаем точку С. Из этой точки проводим горизонталь до пересечения со шкалой условной вязкости. Получаем значение условной вязкости при 70 °С: ВУ70=7,1.

Качество масел зависит от степени изменения его свойств с повышением температуры и давления. Оценка вязкостно-температурных свойств производится по показателю индекса вязкости — ИВ (условная константа), который определяют по номограммам (см. Прил. 6), по известным значениям кинематической вязкости при двух температурах (принято отношение кинематической вязкости при 50 °C к кинематической при 100 °С).

Пример. Вязкость моторного масла при 100 °C составляет 10,5 мм2/с, а при 50 °C — 59 мм2/с. Определить индекс вязкости масла.

Решение. На ординатных осях вязкости и температуры (см. Прил. 6) отметим точки, соответствующие величинам 100=10,5мм2/с и t=100 °С и проведём через них прямую линию. Вторую линию проведём через две другие точки: 50=59 мм2/с и t=50 °С. Точка пересечения двух прямых будет находиться на кривой, обозначенной 100. Следовательно, индекс вязкости масла ИВ=100.

Чем меньше меняется вязкость масла с изменением температуры, тем более качественным оно считается.

С повышением давления вязкость жидкости возрастает: до 24,5 МПапочти прямо пропорционально, а затем более быстро. При давлении близком к атмосферному вязкость жидких продуктов можно вычислить по формуле [4].

.

где — динамическая вязкость при атмосферном давлении, Па с;

Р — избыточное давление, Па;

а — постоянная, 0,001.

Для расчетов условно принимают, что до 4МПа вязкость нефтепродуктов не зависит от давления.

Вязкость смесей жидкости не подчиняется правилу аддитивности. Наиболее точные результаты вязкости даёт экспериментальное её определение. Для приближенной оценки вязкости, как уже было сказано выше, используются эмпирические формулы и номограммы. В практике часто используется номограмма (см. Прил. 7), которая позволяет определить вязкость смеси двух нефтепродуктов различной вязкости в определенных отношениях при данной температуре, а также определить соотношение компонентов в смеси для получения продукта заданной вязкости при данной температуре.

Пример. Смесь составлена из компонента, А (50=12,5 мм2/с) и В (50=60 мм2/с). Определить:

• а) вязкость смеси, состоящей из 40% компонента, А и 60% компонента В (по объему);
• б) соотношение в смеси компонентов, А и В, при котором кинематическая вязкость 50=39 мм2/с.

Решение. На координатах оси номограммы (см. Прил. 7), соответствующих 100% компонента, А и 100% компонента В, отложим значение вязкости 12,5 и 60 м2/с и соединим полученные точки m и n прямой линией. Прямая mn характеризует вязкость смеси в зависимости от соотношения компонентов. Для ответа на первый вопрос из точки на оси абсцисс, отвечающей составу смеси (40% А и 60% В), восстановим перпендикуляр до пересечения с прямой mn. Ордината точки пересечения даст значение кинематической вязкости данной смеси 50=29,5 мм2/с (на номограмме — сплошная линия).

Для ответа на второй вопрос на оси ординат определяем точку с кинематической вязкостью 50=39 мм2/с и через прямую mn проецируем её на ось абсцисс. Получаем соотношение компонентов А-25% и В-75% (пунктирная линия).

Задачи

• 26. Масляная фракция имеет условную вязкость при 40 и 60 °C соответственно 5,24 и 3,81. Рассчитать, пользуясь формулой (1.34), кинематическую вязкость этой фракции в м2/с при тех же температурах.
• 27. Фракция 240−350 °С соболиной нефти имеет кинематическую вязкость 20=8,4 мм2/с и 50=3,6 мм2/с. Найти кинематическую и условную вязкость этой фракции при 70 °C.
• 28. Кинематическая вязкость компонента дизельного топлива при 20 °C равна 5,6 мм2/с, а при 50 °C — 2,6 мм2/с. Определить кинематическую вязкость при 0 °C.
• 29. Лёгкий прямогонный масляный дистиллят характеризуется следующими вязкостными показателями: 50=14,5 мм2/с и 100=3,9 мм2/с. Определить индекс вязкости дистиллята.
• 30. Найти вязкость смеси, состоящей из 30% (объемных) масла вязкостью ВУ20=6,5 и 70% масла вязкостью ВУ20=3,5.
• 31. Для приготовления смеси взяты базовые масла М-8 (100=8 мм2/с) и М-14 (100=14 мм2/с). Найти вязкость смеси при той же температуре, если соотношение компонентов 11 по объёму.
• 32. Смесь состоит из 70% масляной фракции I (50=14,510−6 мм2/с) и 30% масляной фракции II (50=5510−6 мм2/с). Определить вязкость смеси при 50 °C.
• 33. В каком соотношении необходимо смешать масла условной вязкости ВУ20=16 и ВУ20=7,5, чтобы получить масло с вязкостью ВУ20=11.
• 34. Приготовили смесь из 35% масляного погона I и 65% масляного погона II. Вязкость погона I 50=12,5 мм2/с и 100=3,5 мм2/с, вязкость погона II 40=28,5 мм2/с. Определить кинематическую вязкость смеси при 40 °C.
• 35. Кинематическая вязкость смеси двух масляных дистиллятов 50=35 мм2/с, вязкость каждого из них соответственно 20 и 45 мм2/с. Каково соотношение между дистиллятами в смеси?
• 36. Условная вязкость сураханской нефти при 50 °C равна 1,63. Определить кинематическую и динамическую вязкость нефти при той же температуре, если плотность её =879 кг/м3.