Вязкость нефти и нефтепродуктов

Вязкость, как и плотность, – важный параметр, используемый при проектировании разработки нефтяных месторождений, выборе способа транспортировки и схемы переработки нефти. Величина вязкости является также характеристикой показателей качества нефтепродуктов – топлив, масел, битумов.

Вязкостью называется свойство жидкостей (газов) оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой под усилием сдвига.

На вязкость нефти и нефтепродуктов существенное влияние оказывают температура и структура углеводородов. С понижением температуры вязкость возрастает. Она существенно повышается с ростом разветвленных цепей в молекулах алканов и нафтенов, увеличением числа циклов в молекулах. Наименьшей вязкостью и наиболее пологой кривой вязкости обладают алифатические углеводороды. Наибольшей вязкостью и наиболее крутой кривой вязкости – ароматические (особенно би- и полициклические) углеводороды. Для различных групп углеводородов вязкость растет в ряду:

 

н-алканы н-алкены     изоалканы изоалкены алкилциклопентаны алкилциклогексаны алкилбензолы алкилнафталины

 

Многие нефти, а также некоторые масла при охлаждении до определенной температуры образуют коллоидные системы в результате кристаллизации или коагуляции части входящих в них компонентов. В этом случае течение жидкости перестает быть пропорциональным приложенной нагрузке и не подчиняется закону Ньютона из-за появившихся внутри жидкости структурных образований. Чаще всего это асфальто-смолистые вещества, парафины, церезины и некоторые другие. Вязкость таких систем носит название структурной вязкости. Для разрушения возникших структур требуется определенное усилие, которое называется пределом упругости. После разрушения структур жидкость приобретает свойства ньютоновских жидкостей.

Большое практическое значение имеет вязкость топлив и масел. От вязкости топлив зависит надежность работы и долговечность топливной аппаратуры, возможность использования топлива при низких температурах, противоизносные свойства, процесс испарения и сгорания топлива. Вязкостные свойства масел определяют возможность обеспечения жидкостного трения, эффективность охлаждения трущихся поверхностей, легкость пуска двигателя, прокачиваемость масла по смазочной системе.

Изменение вязкости масел при изменении температуры численно характеризуется индексом вязкости, отражающим пологость вязкостно-температурной кривой. По индексу вязкости оценивают пригодность масел для данных условий работы механизмов. Для определения индекса вязкости сопоставляют вязкость масла при различных температурах, обычно при 50 и 100 °С. Чем меньше вязкость зависит от температуры, тем выше ее индекс.

Для оценки вязкости используются значения динамической, кинематической и условной вязкости.

 Динамическая вязкость μ это отношение действующего касательного напряжения к градиенту скорости при заданной температуре. Единицей измерения динамической вязкости в системе СИ является паскаль-секунда – Па‧с, на практике обычно используют мПа‧с. Единица динамической вязкости в технической системе называется пуазом (Пз). Размерность пуаза – г/см‧с; 0,01 Пз называется сантипуазом.

Для определения динамической вязкости требуется источник постоянного давления (постоянно приложенного напряжения) на жидкость. Это условие предопределяет дополнительные технические трудности, сложность воспроизведения и трудоемкость анализа.

Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью.

Кинематической вязкостью ν_t называют отношение динамической вязкости μ_t при данной температуре к плотности ρ_t при той же температуре

 

                        ν_t =                                     (5)

 

Размерность кинематической вязкости в системе СИ выражается в см²/с. Единицу кинематической вязкости называют стоксом (Cт), 1 Cт = 100 cСт (сантистокс). Практической единицей измерения кинематической вязкости является сантистокс (сСт). 1 Ст равняется 10^–4 м²/с.

Условная вязкость представляет собой отношение времени истечения определенного объема исследуемого продукта ко времени истечения такого же объема стандартной жидкости при определенно установленной температуре. Условную вязкость используют для оценки вязких (тяжелых) нефтепродуктов и выражают условными единицами, градусами или секундами. Чаще всего она оценивается числом градусов Энглера – отношением времени истечения 200 мл испытуемого продукта при данной температуре ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 ºС. Величину условной вязкости обозначают знаком °ВУ. Для пересчета кинематической вязкости в условную и обратно используют специальные таблицы или эмпирические формулы.

С понижением температуры высоковязкие нефти, природные битумы и остаточные нефтепродукты (мазут, гудрон) могут проявлять аномальную вязкость, называемую структурной вязкостью. 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. Определение структурной вязкости таких объектов ведется с использованием стандартного метода (ГОСТ 1929-87) ротационными вискозиметрами.

Для характеристики дизельных топлив и моторных масел используют кинематическую вязкость. Ее величина нормируется для дизельных топлив при 20 °С, для моторных масел, используемых в автотракторной технике, при –18 °С и 100 °С.

 

Характеризующий фактор

Характеризующий фактор K определяет химическую природу нефтепродукта, его парафинистость. Определяется в зависимости от двух параметров – плотности и температуры кипения, величина которых зависит от состава нефтепродуктов.

Применяется характеристический фактор для коррекции при расчёте физико-химических свойств нефтепродуктов.

 

1.5 Молекулярная масса

Нефть и нефтепродукты представляют собой смеси индиви­дуальных углеводородов и других соединений, поэтому они ха­рактеризуются средней молекулярной массой. Средняя молеку­лярная масса многих нефтей  250—300 кг/кмоль. Первый пред­ставитель жидких углеводородов нефти — пентан С₅Н_|2 — имеет молекулярную массу 72 кг/кмоль. У наиболее высокомолекуляр­ных гетероатомных соединений нефти и ее высоковязких фрак­ций молекулярная масса составляет 1200—2000 кг/кмоль. Моле­кулярная масса тем больше, чем больше средняя температура кипения фракции.

Молекулярные массы фракций с одинаковыми пределами кипения, но выделенные из разных нефтей, близки между со­бой. Поэтому во многих случаях можно пользоваться экспери­ментальными данными, приведенными в табл. 1.2, или опреде­лять молекулярную массу по формуле Б. П. Воинова

 

                    М = 60 + 0,3 t_ср.мол + 0,001(t_ср.мол)²                           (6)

где М — молекулярная масса фракции;

 t_ср.мол — средне- моляр­ная температура кипения светлых нефтяных дистиллятов, опре­деляемая экспериментально и по специальным графикам, К.

Более точные результаты дает формула Воинова — Эйгенсона, выведенная с учетом характеризующего фактора К:

 

М = (7К-21,5 +(0,76 -0,04К)‧ t_ср.мол   + (0,0003К - 0,00245)‧(t_ср.мол)²   (7)

 

 

где М — молекулярная масса фракции;

t_ср.мол — средне- моляр­ная температура кипения нефтяных дистиллятов,    К;

К — харак­теризующий фактор.