Показатели переноса импульса
Важнейшим показателем переноса импульса является величина вязкости. Обычно вязкостью или внутренним трением называют свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц, вызываемому действием приложенной к жидкости силы. Приложенная сила может вызывать появление в жидкости различного вида напряжений как касательных, так и нормальных. Вязкость является важнейшей физической константой, характеризующей эксплуатационные свойства котельных и дизельных топлив, нефтяных масел и ряда других нефтепродуктов.
Связь касательных напряжений, возникающих при сдвиге, с вязкостью жидкости была установлена Ньютоном:
= ,
где – напряжение сдвига; – коэффициент (касательное усилие на единицу площади, приложенное к слоям жидкости, отстоящим друг от друга на расстоянии, равном единице длины, при единичной разности скоростей между ними); dv/dR – градиент скорости по радиусу трубы или относительное изменение скорости по направлению, перпендикулярному к направлению течения, т.е. приращение скорости на единицу длины нормали.
Поскольку способность элементов течения к скольжению не бесконечно велика, Ньютон рассматривал вязкость как «недостаток скольжения».
Внутреннее трение, характеризуемое величиной , немецкий ученый М. Якоб (1928) предложил называть динамической вязкостью. В технической литературе за утвердилось наименование абсолютной вязкости, так как эта величина выражается в абсолютных единицах. Однако в абсолютных единицах можно выражать также и единицы кинематической и удельной вязкости.
Впервые же динамическая вязкость была выведена врачом Ж. Пуазейлем в 1842 г. при изучении процессов циркуляции крови в кровеносных сосудах.
Формула Ж. Пуазейля в современной редакции выглядит следующим образом:
=,
где –коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость); Р – давление, при котором происходило истечение жидкости; –время истечения жидкости в объёме V, L– длина капилляра; r – радиус капилляра.
Единицей динамической вязкости является сила, необходимая для поддержания разности скоростей, равной 1 м/с, между двумя параллельными слоями жидкости площадью 1 м2, находящимися друг от друга на расстояний 1 м, т.е. единицей измерения динамической вязкости в системе СИ является Па·с.
Единица динамической вязкости, выраженная в физической системе измерения СГС, в честь Пуазейля называется Пуазом, т.е. за единицу динамической вязкости принимают сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух ее слоев площадью 1 см2, отстоящих друг от друга на 1 см, под влиянием внешней силы в 1 дн при скорости перемещения в 1см/ 1с. Динамическую вязкость при определенной температуре t обозначают t.
Приближенное совпадение численного значения динамической вязкости воды при 20 °С с 1 сантиПуазом(сП) дало повод Ю. Бингаму предложить систему единиц вязкости, в которой исходной единицей является динамическая вязкость воды при 20 °С, принимаемая по Ю. Бингаму за 1 сП (точнее 20 воды равна 1,0087 сП). Таким образом, для большинства практических измерений с достаточной точностью можно считать, что 20 воды соответствует 1 сП. Это удобно для практической вискозиметрии, где большое значение имеют жидкости с постоянными физико-химическими константами, имеющие точно известную вязкость при данной температуре.
Величина, обратная динамической вязкости, носит название текучести и обозначается знаком T.
При технических расчетах, а также при контроле качества нефтей и нефтепродуктов широкое распространение получил коэффициент кинематической вязкости, который представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости при той же температуре
= ,
В физической системе единиц широкое применение имеет единица кинематической вязкости в м2/с (Стокc - Ст.) и мм2/с (сантиСтокс - сСт).
Жидкости, подчиняющиеся линейному закону течения Ньютона, называются ньютоновскими. Они представляют собой индивидуальные вещества либо молекулярно-дисперсные смеси или растворы, внутреннее трение (вязкость) которых при данных температуре и давлении является постоянным физическим свойством. Вязкость не зависит от условий определения и скорости перемещения частиц (течения), если не создается условий для турбулентного движения.
Вязкость нефтей и нефтепродуктов зависит от температуры, увеличиваясь с ее понижением. Для выражения зависимости вязкости от температуры предложено много различных формул. Наибольшее применение для практических расчетов получила формула Рейнольдса – Филонова:
= 0·е–U(T–Tж),
U=,
где U–коэффициент крутизны вискограммы, 1/К; ν0,ν-кинематическая вязкость при известной температуре Тж 0 и при температуре Т; е - основание натурального логарифма.
Для нахождения коэффициента крутизны вискограммы для данного продукта достаточно знать значения вязкостей при двух температурах Т1и Т2.
Динамическая и кинематическая вязкости – это вполне определенные физические характеристики, которые, как и все другие величины, выражены в абсолютных единицах и могут быть подставлены в те или другие расчетные формулы. В случаях, когда вязкость применяется не как расчетная величина, а как практическая характеристика нефтепродукта, ее принято выражать не в абсолютных, а в относительных или условных единицах.
Подобный способ выражения вязкости часто неправильно объясняется тем, что определение динамической и кинематической вязкостей отличается сложностью, и удобнее на практике применять упрощённые технические приборы, дающие показания в условных единицах вязкости. Неудобство всех условных или относительных единиц вязкости заключается в том, что вязкость, выраженная в этих единицах, не представляет собой физической характеристики нефтепродукта, так как она зависит от способа определения, конструкции прибора и других условий.
Условную вязкость выражают условными единицами: градусами или секундами. Эти единицы обычно представляют собой либо отношение времени истечения определенного объема исследуемого продукта при данной температуре ко времени истечения такого же объема стандартной жидкости при определенно установленной температуре, либо просто время истечения определенного объема испытуемой жидкости.
Из числа относительных обозначений наибольшим распространением пользуется так называемая удельная вязкость, показывающая, во сколько раз динамическая вязкость данной жидкости больше или меньше динамической вязкости воды при какой-то условно выбранной температуре. Таким образом, удельная вязкость представляет собой отвлеченное число.
Удельная вязкость получила применение для характеристики вязких нефтепродуктов. В России она определяется путем сравнения времени вытекания 200 см3 воды при 20 оС и такого же объема нефтепродукта при заданной температуре. Условная вязкость выражается также в секундах Сейболта и секундах Редвуда (измеряется с помощью вискозиметров Сейболта и Редвуда).
Пересчет вязкости с одной температуры на другую связан с некоторыми особенностями и на практике иногда сопровождается значительными ошибками. В справочной литературе обычно приводятся сведения о вязкости нефтей при весьма ограниченных условиях и значениях температур. Чаще всего это температуры 20 и 50 °С или 50 или 100 °С. Нахождение коэффициента крутизны вискограммы позволяет определить вязкость только в интервале заданных температур. А вот интерполяция результатов вне заданных интервалов недопустима, особенно для высоковязких и парафинистых нефтей. С уменьшением температуры ошибка расчетов может составлять 200–300 %, а в ряде случаев расчет приводит к абсурдным результатам, поскольку многие нефти теряют текучесть при достаточно высоких температурах – 20–25 °С.
Вязкость нефти и нефтепродуктов в значительной степени влияет на их фильтрационную способность через различные уплотнительные конструкции используемого оборудования и резервуаров. Светлые нефтепродукты (бензины, лигроины и керосины) и легкие фракции нефтей с малой вязкостью при нормальных эксплуатационных условиях (температуре и давлении) обладают высокой степенью просачиваемости через большинство неметаллических строительных материалов. Светлые нефтепродукты просачиваются даже через сварные швы, не пропускающие воду и другие жидкости; на этом свойстве основано испытание сварных швов керосином. Темные нефтепродукты (котельное топливо, битумы и пр.), смазочные масла и тяжелые нефти, имея более высокую вязкость, обладают малой фильтрационной способностью; иногда высоковязкие нефтепродукты своими отложениями уничтожают пористость стенок резервуара, делая его непроницаемым.
Часто ошибочно полагают, что только вязкость определяет фильтрационное свойство вещества. Например, керосины имеют большую вязкость, чем бензины, однако проницаемость керосина через поры металла больше, чем бензинов. Фильтрация зависит в значительной степени от поверхностного натяжения, электрических свойств жидкости, ее смачивающей способности и пр. Например, масло фильтруется через замшу, в то время как вода остается поверх ее. Следует отметить, что молекула воды больше молекулы масла; вязкость воды также меньше вязкости масла, тем не менее, проникновение масла больше воды. Сегодня все еще приходится констатировать недостаточную изученность природы явлений фильтрации нефтей и нефтепродуктов вообще, и влияния на нее вязкости, в частности.
От вязкости зависят мощности нагревательных устройств, эксплуатационный режим использования нефтепродуктопроводов, степень извлечения примесей и воды и т.д.
Вязкость нефтей и нефтепродуктов не является аддитивным свойством, поэтому ее нельзя вычислить как среднее арифметическое.
Отсутствие хорошо разработанной теории жидкого состояния препятствует развитию теоретических методов расчета вязкости жидкости. Поэтому в инженерных расчетах большое распространение получили различные лабораторные и эмпирические методы вычисления вязкости чистых веществ и их смесей.
Заключение
Современная химия является структурной. Этот тезис справедлив не только по отношению к индивидуальным соединениям, но и может быть распространен на простые и сложные вещества, в частности, на композиции природного происхождения, в том числе и нефть. Термин «структура» многозначен и относится к системным понятиям, имеющим свои особенности на каждом из уровней организации и применимым, не только к пространственным, но и временным характеристикам систем.
Подразделение структур на равновесные и неравновесные удобно в методологическом плане, но достаточно условно. Представляется разумным в основу класть возможность описания объектов, в частности, фазовых переходов, с помощью соответствующих методов равновесной и неравновесной термодинамик. Однако и при этом не избежать неоднозначностей, являющихся следствием одного очевидного обстоятельства: в равновесной термодинамике отсутствует теория образования структур. Поэтому все то, что рассматривается как равновесные структуры, по существу является продуктом структурообразования в неравновесных (или сильно неравновесных) условиях и лишь существует в среднем (привычном для человека – антропомерном) масштабе параметров при отсутствии обмена веществом, массой, энергией и информацией с окружающей средой.
Эволюция и функционирование структур во многом определяются природой и интенсивностью парных взаимодействий, которые описываются потенциалами парных взаимодействий. Различие потенциалов является главной причиной возникновения многоуровневой организации вещества. Для нефти и нефтепродуктов главными уровнями, влияющими на проявление большинства макроскопических свойств, являются молекулярный и надмолекулярный.
В связи со сложностью нефтяных систем точность их описания зависит от числа параметров, характеризующих вещество на конкретном уровне. В качестве молекулярных параметров можно рассматривать элементный состав, среднюю величину молекулярной массы и молекулярно-массовое распределение, групповой состав по особенностям химического строения и свойств, структуру по результатам интегрального структурного анализа, а также комплексные (классификационные) характеристики.
Надмолекулярные структуры веществ нефти и нефтепродуктов необходимо описывать обязательно с учетом временного фактора как стабильные или флуктуационные, термодинамически и кинетически стабильные и т.д.
Влияние надмолекулярной организации на свойства вещества весьма показательно на примере углерода, химия и физика которого интенсивно развивается в последние годы, а структуры являются прообразами углеводородных соединений, основных компонентов нефти и нефтепродуктов.
Причиной неравновесности различных структур, в том числе и нефтяных, являются ограничения, накладываемые на системы внешними условиями и имманентными свойствами самих систем. Неравновесные структуры в сложных нефтяных системах являются более крупными – мезоскопическими или макроскопическими – образованиями по сравнению с равновесными. Описание неравновесных систем может осуществляться в рамках концепций неравновесной термодинамики, самоорганизации и эволюционной химии.
Используя тринитарный подход все неравновесные структуры можно рассматривать как гетерогенные, диссипативные и эволюционные. Гетерогенные системы, в свою очередь, логично подразделить на свободнодисперсные (наносистемы), структурированные и биконтинуальные.
Наиболее распространенными нефтяными наносистемами являются композиции с газообразной и жидкими дисперсионными средами. Если первые большей частью образуются как естественные продукты природных и промышленных процессов, то вторые – чаще получают специально как определенные функциональные материалы (масла, магнитные жидкости и т.д.).
Формирование структурированных гетерогенных систем можно рассматривать с привлечением элементов теории перколяции. Это позволяет значительно упростить и сделать понятным изложение многих свойств сложных систем. Характерно, что неравновесные структуры такого типа существуют и в динамических системах.
Биконтинуальные структуры являются одним из перспективных видов материалов. Оригинальной технологией их получения может быть технология биомиметрии, позволяющая синтезировать различные пористые структуры и катализаторы с новыми характеристическими диапазонами свойств.
Достаточно разнообразны диссипативные структуры в нефтяных системах: пространственные, временные и пространственно-временные. Описание их может производиться с помощью зависимостей, установленных совершенно в других системах. Продуктивными в этом отношении являются методы синергетики.
В нефтяных системах обнаруживается большое число разного уровня эволюционных структур, формирующихся, например, при карбонизации нефтяных пеков. Показательно, что их природа может быть установлена путем компьютерного моделирования, результаты которых очень близки к реальности. В целом, подход к изучению нефтяных систем и процессов с позиций общих представлений о неравновесности и неравновесных структурах весьма перспективен.
Развивая тринитарный подход все концепции о происхождении нефти можно рассматривать в соответствии с местом ее образования по трем группам: космохимические, космопланетарные (алхимические) и теллурические. Ни одна из названных групп концепций не является общепризнанной. Даже самые современные полигенные теории содержат не мало спорных положений. Очевидно, в целом, в каждом подходе содержатся здравые мысли, но ни один не может претендовать на гегемонию из-за, по-видимому, многообразия процессов, приводящих к формированию нефтеподобных продуктов в природе.
Свойства нефти и нефтепродуктов, как и любого другого объекта, можно рассматривать по трем разным, хотя и неотделимым друг от друга категориям: фунтаментальные или характеристические свойства, показатели, важные для переработки и свойства продуктов переработки. Все эти категории неразрывно связаны между собой. Отличительная особенность нефтепродуктов – это то, что конкретные характеристики могут относиться к объектам, полученным как из различного сырья, так и путем различной его переработки. Поэтому и одинаковые названия товарных продуктов могут относиться к существенно различающимся по химическому составу веществам.
Кроме того, при определении показателей свойств сложных систем их характеристики являются результатом усреднения разного рода. На молекулярном уровне различают коллигативные, аддитивные и конститутивные показатели свойств.
Установление любых характеристик всегда производится в условиях, которые можно представлять в виде изолированной, закрытой и открытой систем. Поэтому практически полезно рассматривать характеристики системных объектов в рамках обозначенных границ, например, как теплофизические, свойства в силовых полях и характеристики переноса. При таком подходе представляется возможным максимально корректно описывать взаимосвязь структуры со свойствами, т.е. решать основные задачи химии и физики нефти.
Список литературы
1. Рябов В.Д. Химия нефти и газа. – М.: Изд-во «Техника», ТУМА ГРУПП, 2004. – 288 с.
2. Чеников И.В. Химия и физика нефти. Равновесные структуры.– Краснодар: Изд. КубГТУ, 2004.– 86 с.
3. Чеников И.В. Химия и физика нефти. Неравновесные структуры.– Краснодар: Изд. КубГТУ, 2005.– 145 с.
4. Химия нефти и газа: учеб. пособие для вузов/А.И. Богомолов, А.А. Гайле, В.В. Громова и др.: Под ред В.А. Проскурякова, А.Е. Драбкина– 3-е изд., доп. и испр. – СПб: Химия, 1995.– 448 с.
5. Сафиева Р.З. Физикохимия нефти. Физико-химические основы технологии переработки нефти.– М.: Химия, 1998.– 448 с.
6. Унгер Ф.Г., Андреева Л.Н. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995.– 192 с.
7. Химия нефти. Руководство к лабораторным занятиям: учеб. пособие для вузов/ И.Н. Дияров, И.Ю. Батуева, А.Н. Садыков и др.– Л.: Химия, 1990. – 240 с.
8. Вассоевич Н.Б. Теория осадочно-миграционного происхождения нефти // Известия АН СССР. Сер. «Геология». – 1967. – № 11. – С. 135–156.
9. Тиссо Б., Вельте Д. Образование и распространение нефти. – М.: Мир, 1981. – 504 с.
10. Соколов Б.А. Флюидодинамическая модель нефтегазообразования.– М.: Геос, 1999. – 76 с.
Чеников Игорь Всеволодович
ХИМИЯ И ФИЗИКА НЕФТИ
Учебное пособие
Редактор И. С. Маркосова
Компьтерная верстка И. В. Чеников
Подписано в печать Формат 60x84/16
Бумага № 1 Офсетная печать
Печ.л. Изд. №
Усл. печ.л. Тираж 200 экз.
Уч-изд. л. Заказ №
Цена руб.
________________________________________________________________
Кубанский государственный технологический университет
350072, Краснодар, ул. Московская, 2, корп. А
Типография КубГТУ: 350058, Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4
Достарыңызбен бөлісу: |