Плотность нефти и нефтепродуктов

     Динамическую  вязкость иногда характеризуют как  сопротивление, которое оказывает  жидкость при относительном перемещении  двух слоев.

     Кинематическая  вязкость (n) – величина, равная отношению динамической вязкости (ή) к ее плотности (r) при той же температуре, т.е. n = ή /r

     Кинематическая  вязкость нефтей различных месторождений изменяется в широких пределах (от 2 до 300 сст – сантистокс при 20⁰С). Однако средняя вязкость большинства нефтей составляет величину от 40 до 60 сст.

     Кинематическая  вязкость является важнейшей характеристикой  нефтяных смазочных масел, поскольку  именно от величины вязкости зависит  способность смазочного масла обеспечивать необходимый гидродинамический  режим смазки. Неслучайно для смазочных масел, предназначенных для определенного вида машин и механизмов, величина вязкости (g₅₀ и g₁₀₀) является главной нормирующей составляющей.

     Определение кинематической вязкости проводят в  стеклянных вискозиметрах, снабженных калиброванными капиллярами.

     Для ряда нефтепродуктом нормированным  параметром является так называемая условная вязкость, определяемая в металлических вискозиметрах.

     Условной  вязкостью называется отношение времени истечения из вискозиметра 200 мл нефтепродукта при температуре испытания ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20⁰С. Условная вязкость – величина относительная, безразмерная и выражается в условных градусах (⁰ВУ).

     Между величинами условной и кинематической вязкостью выведена эмпирическая зависимость:

     для ή от 1 до 120 сст                  n_t = (7.24 ВУ_t  – 6.25/ВУ_t) илиn_t = (7.31 ВУ_t  – 6.31/ВУ_t)

     для ή  > 120 сст                             n_t= 7.4 ВУ_t .

     Для нефтяных фракций по мере увеличения их молекулярного веса и температуры  кипения вязкость значительно возрастает. Так, например, вязкость бензинов при 20⁰С приблизительно равна 0.6 сст, а вязкость остаточных масел 300-400 сст.

     Следует помнить, что вязкость масел не обладает свойством аддитивности. Поэтому  вязкость смеси масел нельзя определить расчетным путем как средневзвешенную величину. Для определения вязкости смесей пользуются специальными номограммами. По этим номограммам (кривым) можно установить в каких соотношениях следует смешать компоненты для получения масел с заданной вязкостью.

     Значение вязкости сильно зависит от температуры. При низких температурах вязкость нефтепродуктов значительно повышается и наоборот. Поскольку многие масла и другие нефтепродукты эксплуатируются в широком диапазоне температур, то характер температурной кривой вязкости служит для них важной качественной характеристикой. Чем эта кривая (зависимость) более пологая, тем выше качество масла.

     Зависимость вязкости от температуры описывается  эмпирической формулой Вальтера:

     lg [lg(n_t + 0.6)] = A – B lgT

                  где А и В - постоянные величины.

     Для оценки вязкостно-температурных свойств  нефтяных масел применяют следующие  показатели:

1. отношение вязкости при 50⁰С к вязкости при 100⁰С (g₅₀/g₁₀₀);
2. температурный коэффициент вязкости (ТКВ). Его определяют в диапазоне от 0 до 100⁰ С и от 20 до 100⁰ С по формулам:

     ТКВ_0-100=(n₀ - n₁₀₀)/n₅₀  и ТКВ_20-100=1.25(n₂₀ - n₁₀₀)/ n₅₀

3. индекс вязкости – условный показатель, представляющий собой сравнительную характеристику испытуемого и эталонного масла. Обычно рассчитывается по специальным таблицам на основании значения кинематической вязкости при 50 и 100⁰ С. В частности, его определяют как отношение значений кинематической вязкости нефтепродукта при 50 и 100⁰ С, соответственно:

     I = n₅₀/n₁₀₀ 

     1.4. Температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенения

     Продукты  нефтепереработки относятся к числу  пожароопасных веществ. Пожароопасность  керосинов, масел, мазутов и других тяжелых нефтепродуктов оценивается  температурами вспышки и воспламенения.

     Температурой  вспышки называется температура, при которой пары нефтепродукта, нагреваемого в определенных стандартных условиях, образуют с окружающим воздухом взрывчатую смесь и вспыхивают при поднесении к ней пламени. Следует отметить, что при определении температуры вспышки бензинов и легких нефтей определяют верхний предел взрываемости, а для остальных нефтепродуктов – нижний.

     Температура вспышки зависит от фракционного состава нефтепродуктов. Чем ниже пределы перегонки нефтепродукта, тем ниже и температура вспышки. В среднем температура вспышки  бензинов находится в пределах от –30 до –40⁰С, керосинов 30-60⁰С, дизельных топлив 30-90⁰С и нефтяных масел 130-320⁰С. По температуре вспышке можно судить о наличии примесей более низкокипящих фракций в тех или иных товарных или промежуточных нефтепродуктах.

     Температурой воспламенения называется температура, при которой нагреваемый в определенных условиях нефтепродукт загорается при поднесении к нему пламени и горит не менее 5 секунд. Температура  воспламенения всегда выше температуры вспышки. Чем тяжелее нефтепродукт, тем больше эта разница. При наличии в маслах летучих примесей эти температуры сближаются.

     Температурой  самовоспламенения называется температура, при которой нагретый нефтепродукт в контакте с воздухом воспламеняется самопроизвольно без внешнего пламени. Температура самовоспламенения нефтепродуктов зависит и от фракционного состава и от преобладания углеводородов того или иного класса. Чем ниже пределы кипения нефтяной фракции, тем она менее опасна с точки зрения самовоспламенения. Температура самовоспламенения уменьшается с увеличением среднего молекулярного веса нефтепродукта. Тяжелые нефтяные остатки самовоспламеняются при 300-350⁰С, а бензины только при температуре выше 500⁰С. 

     При появлении внешнего источника пламени (огня или икры) положение резко меняется, и легкие нефтепродукты становятся взрыво- и пожароопасными.

     Из  углеводородов самыми высокими температурами  самовоспламенения характеризуются  ароматические углеводороды. 

     1.4. Температуры застывания, помутнения и начала кристаллизации.

     Нефть и нефтепродукты не являются индивидуальными веществами, а представляют собой сложную смесь органических соединений. Поэтому они не имеют определенной температуры перехода из одного агрегатного состояния в другое. Влияние температуры на агрегатное состояние нефти и нефтепродуктов имеет важное значение при их транспортировке и эксплуатации.

     Низкотемпературные  свойства нефти, дизельных и котельных топлив, а также нефтяных масел характеризуются температурой застывания. Карбюраторные, реактивные и дизельные топлива характеризуются температурой помутнения.  Карбюраторные и реактивные топлива, содержащие ароматические углеводороды, характеризуются температурой начала кристаллизации. Указанные характеристики не являются физическими константами, однако достаточно четко определяют температурный диапазон практического применения соответствующих нефтепродуктов.

     Температура застывания характеризует возможную потерю текучести нефтепродукта в зоне низких температур. Чем больше содержание парафинов (твердых углеводородов), тем выше температура застывания нефтепродукта. Следует отметить, что потеря текучести может быть связана и с увеличением вязкости продукта с понижением температуры. Например, кинематическая вязкость остаточного авиамасла при 50⁰ С равна 2 ст, при 0⁰ С – 130 ст, а при –25⁰С она повышается до 3500 ст. При такой высокой степени вязкости масло теряет подвижность и его невозможно прокачивать.

     Температура помутнения указывает на склонность топлива поглощать при низких температурах влагу из воздуха (это особенно опасно для авиационных топлив, поскольку образующиеся кристаллики льда могут засорять топливоподающую аппаратуру, что может привести к трагедии).

        Температура начала кристаллизации карбюраторных и реактивных топлив не должна превышать –60⁰С. По этой причине в зимних сортах бензина нежелательно наличие высокого содержания ароматических углеводородов. При повышенном содержании бензола и некоторых других ароматических углеводородов эти высокоплавкие соединения могут выпадать из топлива в виде кристаллов, что приводит к засорению топливных фильтров и остановке двигателя. 

     1.6. Электрические (диэлектрические) свойства нефти.

     Безводная нефть и нефтепродукты являются диэлектриками (диэлектрическая проницаемость  нефти ~2; для сравнения у стекла она ~7-8). У безводных чистых нефтепродуктов электропроводность совершенно ничтожна, что имеет важное практическое значение и применение. Так, твердые парафины применяются в электротехнической промышленности в качестве изоляторов, а специальные нефтяные масла (конденсаторное, трансформаторное) – для заливки трансформаторов, конденсаторов и другой аппаратуры, например, для наполнения кабелей высокого давления (изоляционное масло С-220).

     Высокие диэлектрические свойства нефтепродуктов способствуют накоплению на их поверхности  зарядов статического электричества. Их разряд может вызвать искру, а следовательно и загорание нефтепродукта. Надежным методом борьбы с накоплением статического электричества является заземление всех металлических частей аппаратуры, насосов, трубопроводов и т.п.

     1.7. Оптические свойства нефти.

     Оптическим  характеристикам нефти относятся  цвет, флуоресцентную и оптическую активность.

     Углеводороды  нефти бесцветны. Тот или иной цвет нефти придают содержащиеся в них смолы и асфальтены, а также некоторые сернистые соединения. Чем тяжелее нефть, тем больше содержится в ней смолисто-асфальтеновых веществ, и тем она темнее.

     Флуоресценцией  называется свечение в отраженном свете. Это явление характерно для сырой нефти и нефтепродуктов. Причины флуоресценции нефти точно не известны. Не исключено, что это связано с наличием в нефти полиядерных ароматических углеводородов или примесей. Не случайно, глубокая очистка нефти ликвидирует флуоресценцию.

     Под оптической активностью нефтепродуктов, как и других органических соединений, понимают их способность вращать плоскость поляризации света. Большинство нефтей вращают плоскость поляризации вправо, т.е. содержат в своем составе правовращающие изомеры. Практического значения это свойство нефти не имеет.

     Для количественной характеристики оптических свойств нефти и нефтепродуктов нередко используют показатель преломления (n²⁰_D), удельную рефракцию (r), рефрактометрическую разность (R_i), удельную дисперсию (d).

     Удельная  рефракция (r) определяется формулой Л.Лоренца и Г.Лоренца:

     r = (n²_D –1)/ (n²_D +2)r

     или формулой Гладсона-Дейля:

     r = (n_D –1)/r

     (в  обоих формулах значения показателя  преломления и плотности берутся для одной и той же температуре).

     Рефрактометрическая разность (интерцепт рефракции) R_i также связан с плотностью и показателем преломления:

     R_i =n²⁰_D - r²⁰₄/2