Цель лабораторной работы

Жидкости, подчиняющиеся закону Ньютона для течения, называются ньютоновскими. В жидкостях вязкость обусловлена межмолекулярными взаимодействиями. Следует отметить, что даже нефтяные растворы далеко не всегда являются ньютоновскими жидкостями. Чаще нефтепродукты проявляют неньютоновское поведение. Это явление тем характернее, чем тяжелее нефтепродукты. Межмолекулярные взаимодействия в нефтях и нефтепродуктах приводят к образованию молекулярных ассоциатов и надмолекулярных структур, которые в теории нефтяных дисперсных систем (НДС) описываются как ССЕ – сложные структурные единицы. Вследствие дисперсного строения НДС их поведение сильно отличается от ньютоновских жидкостей. Масляные фракции, например, имеют аномально высокой зависимостью вязкости от температуры, экспериментальные значения которой оказываются выше расчётной примерно на порядок.

Отклонения от теоретических зависимостей возможно не только вследствие ассоциирования молекул растворителя, но и различия размеров ассоциатов растворённого вещества и растворителя. Исследуя вязкость различных дисперсных систем неорганической природы, А. Эйнштейн пришел к выводу, что внутреннее трение золя будет тем выше, чем больше суммарный объем дисперсных частиц, передвигающихся вместе с жидкостью, и чем меньше объем свободной дисперсионной среды. 

Для нефтяных систем эти также закономерности справедливы. Чем больше размер ССЕ и меньше объём дисперсионной среды, тем выше вязкость нефтепродукта, как динамическая, так и кинематическая. Нефть и нефтепродукты состоят из огромного множества молекул различного строения, массы и размера, которые образуют различные ассоциаты (сложные структурные единицы). Внесение в эту сложную систему новых веществ, ещё больше меняет дисперсное строение системы, её свойства, прочность её структуры.

Косвенной характеристикой прочности дисперсной структуры при постоянном напряжении сдвига и двух разных температурах служит кажущаяся энергия активации вязкого течения.

Вязкость сильно зависит от температуры, поэтому всегда указывается температура ее определения. В технических требованиях на нефтепродукты обычно нормируется вязкость при 40, 50, 80 и 100°С, реже при 20 и 150°С (ГОСТ 33—2000). В этом ГОСТ имеются таблицы для определения кинематической вязкости. Зависимость вязкости от температуры носит криволинейный характер, присущий данному нефтепродукту. На практике важно иметь возможность небольшим числом опытных определений дать представление о вязкости при различных температурах. Известны различные эмпирические уравнения, позволяющие описать эту зависимость. Наибольшее распространение получила формула Вальтера.

Графически эта зависимость в логарифмических координатах представляет собой прямую. На основании формулы Вальтера построены сетчатые диаграммы, в которых на оси абсцисс нанесены значения, пропорциональные lgT, а на оси ординат — значения, пропорциональные lglg(v + 0,6). Таким образом, достаточно знать вязкость нефтепродукта при двух температурах, чтобы определить ее при любой температуре внутри этого температурного интервала. Опубликованы номограммы, позволяющие пользоваться значениями как абсолютной, так и условной вязкости.

Условная вязкость (градусы Энглера, °Е) определяется по ГОСТ 6258—85. Тяжелые топливные фракции, а особенно масла и котельные топлива обладают очень малой вязкостью при 100 °С, однако с понижением температуры их вязкость заметно возрастает. Поэтому при низких температурах ухудшаются эксплуатационные свойства смазочных материалов и условия подачи котельных топлив к форсункам.

Условная вязкость (ВУ), получившая применение для характеристики высоковязких нефтепродуктов, — это величина, которая выражается отношением времен вытекания определенного объема воды и нефтепродуктов или просто временем вытекания продукта из стандартного прибора. В России условную вязкость определяют сравнением времени вытекания 200 см³ воды при 20 °С и такого же объема нефтепродукта при заданной температуре. Условная вязкость выражается также в секундах Сейболта и секундах Редвуда (измеряется на вискозиметрах Сейболта и Редвуда).

Динамическую вязкость нефтей и нефтепродуктов определяют на капиллярном или ротационном вискозиметре по ГОСТ 1929-87. Метод подробно рассматривается в другой лабораторной работе данного курса, а именно «Определение экстремальных состояний тяжёлого нефтяного сырья».

Цель лабораторной работы

Изучение закономерностей изменения кинематической вязкости нефтепродуктов в зависимости от природы и концентрации добавки и от температуры.

Сущность метода

Заключается в измерении калиброванным стеклянным вискозиметром времени истечения (в секундах) определенного объема испытуемой жидкости (нефтепродукта с добавками) под влиянием силы тяжести при постоянной температуре. Кинематическая вязкость является произведением измеренного времени истечения на постоянную вискозиметра.

Аппаратура, материалы

При выполнении работ по данной методике применяют следующие средства измерений, вспомогательные устройства, посуду и оборудование, реактивы:

Прибор для определения кинематической вязкости

Мерный цилиндр на 20 и на 100 см³

Мерная пипетка на 1 и 5 см³

Химический стакан на 200 см³

Ареометры для замера плотности нефтепродуктов

Стеклянная палочка

Весы технические

Секундомер

Масляные фракции

Растворители

ПАВ – органические амины, спирты, кетоны, ингибиторы, деэмульгаторы, тяжёлые нефтепродукты.

Подготовка к испытанию

Устанавливают температуру в бане вискозиметра в соответствии с заданным значением.

Перед испытанием вискозиметр промывают бензином, а затем этиловым спиртом или ацетоном и сушат горячим воздухом или в сушильном шкафу.

Рассчитывают количество добавки в масле в соответствии с заданием и готовят соответствующие смеси в количестве 20-25 см³.

Проведение испытания

5.1 Замеряют плотность масляной фракции с помощью ареометра, учитывая поправку на температуру в соответствии с ГОСТ 3900-85.

5.2 Определение кинематической вязкости проводят по ГОСТ 33-2000. Заполняют вискозиметр нефтепродуктом до метки, расположенной на капилляре до основания нижнего резервуара. При заполнении вискозиметра необходимо следить, чтобы в нем не образовывалось пузырьков воздуха.

5.3 Перед испытанием заполненный нефтепродуктом вискозиметр выдерживают в термостате и далее определяют кинематическую вязкость масляной фракции при температурах 40 и 80°С. В термостате вискозиметр закрепляют в строго вертикальном положении и включают мешалку, устанавливают регулятор на требуемую температуру и после её достижения выдерживают систему в течение 20 минут.

5.4 Время истечения нефтепродукта через капилляр замеряют секундомером с точностью до 0,02 с.

5.5 В стаканах смешивают исследуемую масляную фракцию с добавками в соответствии с заданием.

5.6 Определяют кинематическую вязкость масляной фракции с добавками при температурах 40 и 100°С так же как в п. 5.2-5.4.

Каждое измерение (определение вязкости) проводят три раза. Результаты измерений вносят в таблицу.

Обработка результатов

6.1 Для определения сходимости (повторяемости) результатов измерений рассчитывают среднее арифметическое результатов измерения времени истечения нефтепродукта t:

Выбирают два результата измерения, разность ∆ t между которыми максимальная.

Вычисляют сходимость (повторяемость) результатов по формуле:

Если x не превышает 10%, результаты считают удовлетворительным.

6.2 Кинематическую вязкость рассчитывают по формуле:

где С – постоянная вискозиметра;

t - среднее арифметическое время истечения нефтепродукта, с

6.3 Величину кажущейся энергии активации вязкого течения ΔW при температурах t₁ и t₂ рассчитывают по уравнению:

где - энергия активации вязкого течения, Дж/моль;