Вязкость. Оптические свойства.

План лекции:

1. Вязкость. Виды вязкости.

2. Показатель преломления и его производные.

 

Вязкость

Вязкость является важнейшей характеристикой нефтяных масел, котельных и дизельных топлив и ряда других нефтепродуктов.

Вязкость является мерой способности жидкости сопротивляться течению.

Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость.

Динамическая вязкость η – 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 текучестью.

В основе определения динамической вязкости путем измерения времени истечения жидкости через капиллярные трубки лежит формула Пуазейля:

η = π Р r⁴ τ / 8VL,

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

V – объем жидкости, протекающей через капилляр;

τ - время истечения жидкости в объеме;

L – длина капилляра;

r – радиус капилляра.

Наибольшее распространение при различных расчетах, а также при контроле качества нефтепродуктов получила кинематическая вязкость.

Кинематическая вязкость ν – это отношение динамической вязкости жидкости к плотности при той же температуре

ν = η / ρ

Единица кинематической вязкости м²/с, на практике используют обычно мм²/с. В среднем кинематическая вязкость большинства нефтей не превышает 40-60 мм²/с.

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

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 кинематической вязкости

Сущность метода заключается в измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести

ν = С^.τ,

где: С – постоянная вискозиметра, мм²/с;

τ – среднее время истечения нефти (нефтепродукта) в вискозиметре, с

Динамическую вязкость η, мПа^.с, исследуемой нефти (нефтепродукта) вычисляют по формуле:

η = ν ^. ρ,

где ν - кинематическая вязкость, мм²/с;

ρ – плотность при той же температуре, при которой определялась вязкость, г/см³.

 

В существующих ГОСТах не нефтепродукты кинематическая вязкость нормируется в стоксах (1 Ст = 10^-4 м²/с).

Для высоковязких нефтепродуктов (мазутов) определяют условную вязкость. Определение условной 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 20⁰С. Единица измерения – условные градусы (⁰ВУ).

Между условной и кинематической вязкостью установлена зависимость

ν _t =7,31ВУ_t – 6,31/ ВУ_t

Так как величина вязкости в очень сильной степени зависит от температуры, то необходимо всегда указывать, при какой температуре она определена. С ее понижением вязкость увеличивается.

В технических требованиях на нефтепродукты вязкость чаще всего нормируется при 50 и 100⁰С, реже при 20⁰С для маловязких масел.

Зависимость вязкости от температуры выражается формулой Вальтера:

lg lg(ν _t + а) = А – В lgТ,

где: а = 0,8; А и В – константы; Т- температура, К

Графически эта зависимость в логарифмических координатах представляет собой прямую.

Для оценки вязкостно-температурных свойств смазочных масел в соответствии с ГОСТами применяются следующие показатели: индекс вязкости ИВ, температурный коэффициент вязкости ТКВ; вязкостно-температурный коэффициент ВТК (используется очень редко).

Индекс вязкости (ИВ) – это отношение кинематической вязкости нефтепродукта при 50 и 100⁰С. Практическое значение этого отношения не очень велико, т.к. оно характеризует пологость температурной кривой вязкости только в интервале сравнительно высоких температур, когда вязкость изменяется уже относительно мало.

Наиболее пологую вязкостно-температурную кривую имеют н-алканы, а наиболее крутую – арены.

Индекс вязкости определяется по таблицам Комитета стандартов и измерительных приборов.

В мировой практике для оценки вязкостно-температурных свойств масел широко используется индекс вязкости Дина и Девиса.

Индекс вязкости – это сравнительная характеристика, в основе которой лежит сравнение вязкостно-температурной характеристики испытуемого масла с соответствующими характеристиками эталонных масел. Условно принято, что ИВ эталонного масла с пологой кривой вязкости равен 100, а ИВ эталонного масла с крутой температурной кривой равен 0. Для определения ИВ по методике Дина и Девиса необходимо определить вязкость испытуемого масла (в единицах условной вязкости – секундах Сейболта) при 37,8⁰С (100⁰F) и 98,9⁰С (210⁰ F) и подобрать для сравнения из двух наборов (серий) эталонных масел (с ИВ=0 - пенсильванская парафинистая нефть и ИВ=100 - смолистая нефть мексиканского побережья) образцы эталонных масел, у которых вязкость при 98,9⁰С равна вязкости испытуемого масла при этой же температуре. Затем по таблицам следует найти, чему равна вязкость этих эталонных масел при 37,8⁰С, и вычислить индекс вязкости Дина и Девиса по формуле:

где: L – вязкость при 37,8⁰С эталонного масла с ИВ=0;

Н – то же для эталонного масла с ИВ=100;

Х – то же для испытуемого масла.

В дальнейшем Доксей и сотрудники на основе накопившегося экспериментального материала разработали номограмму, по которой, зная кинематическую вязкость испытуемого масла в сантистоксах при 50 и 100⁰С, можно легко определить индекс вязкости по системе Дина и

Девиса. По этой номограмме составлены таблицы, которыми теперь и пользуются при определении индекса вязкости.

Следовательно, для определения индекса вязкости надо экспериментально определить кинематическую вязкость испытуемого масла при 50⁰С и 100⁰С и воспользоваться таблицей или номограммой.

Многие нефти, а также некоторые масла, природные битумы с понижением температуры могут проявлять аномалию вязкости, так называемую структурную вязкость. 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, парафинов и церезинов (образуются кристаллизованные частицы). Для разрушения структуры требуется особое усилие, называемое пределом упругости. После разрушения структуры жидкость приобретает ньютоновские свойства и ее течение становится пропорциональным усилию.

Иногда образование пространственной структуры в нефтепродуктах может быть желательным, например, в битумах для придания им большей твердости или в консистентных смазках для уменьшения их текучести при эксплуатационных температурах.

Температурный коэффициент вязкости (ТКВ) представляет собой отношение градиента вязкости в пределах температур (от 0 до 100⁰С или от 20 до 100⁰С), принятых для оценки вязкостных свойств смазочных масел к абсолютному значению кинематической вязкости при 50⁰С ν₅₀, умноженному на 100.

ν₀ – ν₁₀₀ ν₀ – ν₁₀₀

ТКВ_0-100 = ^{______________} . 100 = ^{_____________}

ν₅₀ (100-0) ν₅₀

ν₂₀ – ν₁₀₀ ν₂₀ – ν₁₀₀

ТКВ_20-100 = ^{______________} . 100 = 1,25 ^{_____________}

ν₅₀ (100-20) ν₅₀

 

Следовательно, для подсчета ТКВ необходимо определить кинематическую вязкость испытуемого масла при трех указанных температурах (0, 50 и 100⁰С).