Для студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа рио башГУ
Скачать 36.7 Kb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Гидродинамика реальных жидкостей. Вязкость Методическое указание по курсу «Общая химическая технология, ч.1» для студентов 3 химического факультета Башгосуниверситета. Уфа РИО БашГУ 2007 Печатается в соответствии с решением кафедры ВМС и ОХТ (протокол № 6 от 30.01.2007 г.) ^ д.х.н., проф. Захаров В.П. Теоретические основы В гидромеханике при выводе основных законов используют понятие так называемой идеальной жидкости, под которой (в отличие от реальной) подразумевают жидкость, абсолютно несжимаемую, не изменяющую своей плотности под действием температуры и давления и не обладающие вязкостью. Реальные жидкости подразделяются на капельные и упругие (газы или пары). Капельные жидкости можно считать практически несжимаемыми, они обладают относительно малым коэффициентом объёмного расширения. ^ При движении реальной жидкости её гидродинамический напор Н (или сумма потенциальной и кинетической энергии потока) не остаётся постоянным, так как частицы жидкости встречают сопротивление, вызванное силами вязкости и различными препятствиями (кранами, вентилями, поворотами и т. п.), приводящими к изменению сечения или направления потока. На преодоление этого сопротивления, которое принято называть гидравлическим, расходуется энергия движущейся жидкости, превращающаяся в тепло. Это тепло идёт на нагревание потока и рассеивается в окружающую среду. Поэтому во всяком последующем положении или сечении потока энергия частицы жидкости будет меньше, чем в предыдущем, т. е.. z1 + p1/(ρg)+ w 12/(2g) > z2 + p2/(ρg)+ w 22/(2g). При этом часть потенциальной энергии переходит в потерянный напор hп. Очевидно, что для того, чтобы сохранить равенство напоров в любом сечении потока, необходимо в правую часть уравнения Бернулли добавить член, учитывающий потери напора: z1 + p1/(ρg)+ w 12/(2g) = z2 + p2/(ρg)+ w 22/(2g) + hп. Потерянный напор hп включает в себя две составляющие – потери напора на трение hтр и на преодоление так называемых местных сопротивлений hм.с., под которыми понимают источник изменения направления или сечения потока, т. е. hп = hтр + hм.с Вязкость жидкостей Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидких, а также газообразных и твердых тел оказывать сопротивление их течению - перемещению одного слоя тела относительно другого – под действием внешних сил. Вязкость обратна текучести (подвижности, ползучести) и особенно типичная для жидкостей вязкость определяется тепловым движением, размерами и формой молекул, их взаиморасположением (“упаковкой”) и действием молекулярных сил. Количественная характеристика вязкости может быть рассмотрена на следующем примере. Слой жидкости толщиной y0 находится между двумя одинаковыми плоскопараллельными твердыми пластинками. Нижняя пластинка А удерживается неподвижно, а верхняя В под действием постоянной внешней касательной силы F сдвигается параллельно нижней в направлении оси x.  Рис.1. Схема установившегося развития однородного сдвига (ла-минарного течении) в слое жидкости. Вследствие вязкого сопротивления слоя жидкости между пластинками, этот сдвиг Δx0 будет развиваться во времени t с некоторой постоянной скоростью v0 = Δx0/t. Разделяя весь слой жидкости на ряд тонких параллельных слоев, находим линейное распределение скоростей этих слоев по оси y: верхний слой жидкости, примыкающий к пластинке B, вследствие адгезии, смещается вместе с ней, увлекая за собой нижележащий слой, движущийся с меньшой скоростью. Этот слой, в свою очередь, увлекает следующей и, с другой стороны, тормозится им. В итоге внешняя действующая сила F, приложенная к верхнему слою, уравновешивается силой вязкого сопротивления (внутреннего трения), и течение каждого слоя проходит с постоянной во времени скоростью (установившееся стационарного течение), но убывающей линейно от слоя к слою от наибольшей величины v0 у пластинки B к v = 0 у неподвижной пластинки A. Работа внешней силы F, уравновешивающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту. Такое ламинарное, т.е. послойное, течение, при котором слои жидкости движутся относительно друг друга без перемешивания (в простейшем случае – однородной сдвиг), характеризуется градиентом скорости  (разность скоростей двух параллельных слоев, расстояние между которыми равно единице). G равна скорости относительного сдвига  , где  - вязкая (остаточная) деформация относительного сдвига в слое.Вязкость определяется, по Ньютону, как коэффициент пропорциональности η (наз. иногда коэффициентом вязкости) в выражении, связывающем силу F, приложенную к единице площади сдвига (напряжение сдвига P), с градиентом скорости:  Отсюда вязкость η = P/G определяется как величина касательной силы, которая должна быть приложена к единице площади сдвигаемого слоя, чтобы поддержать в этом слое стационарное ламинарное течение с постоянным градиентом скорости, равным единице. В области ламинарного течения ньютоновских сред (как жидкостей, так и газов), т.е. при достаточно малых скоростях, или, в более общем виде, при значениях числа (критерия) Рейнольдса, меньших критического, вязкость не зависит от напряжения сдвига, от толщины слоя вязкой среды, а также от длины, ширины, а, следовательно, и площади пластинок, если размеры пластинки достаточно велики, чтобы краевыми эффектами можно было пренебречь. Т.о., в этой области P пропорционально градиенту скорости G. Измерения вязкости, вследствие ее чувствительности к изменению состава и строения молекул, а также к наличию структурообразующих примесей, могут служить удобным физико-химическим методом анализа. Во многих случаях по вязкости судят о готовности или качестве продуктов и полупродуктов производства, т.к. вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает физико-химические изменения в материале. Вязкость имеет большое значение в различных областях технологии и в природных, особенно в биологических, процессах, определяя скорость течения жидкостей и газов и сопротивление, оказываемое ими движению взвешенных частиц. Вязкость среды определяет скорость диффузии в ней растворенных веществ. Теплопередача в жидкостях и газах в определенных условиях характеризуется их вязкостью. Изменения вязкости сказываются на скорости химических реакций, протекающих в биологических системах, в частности процессов, связанных с жизнедеятельностью клетки. Вязкость является одной из важнейших характеристик смазочных материалов и других нефтепродуктов. Она определяет возможность обеспечения жидкостного трения, эффективность охлаждения, легкость пуска, прокачиваемость масла по смазочной системе. Вязкость является важнейшей характеристикой нефтей, которая используется при подсчете запасов нефти, проектировании и разработке нефтяных месторождений, выборе способа транспорта и схемы переработки нефти. Различают три вида вязкости: динамическую, кинематическую и относительную. Динамическую, или абсолютную, вязкость определяют как силу в динах, которая необходима для взаимного перемещения со скоростью 1 см/с двух слоев жидкости с поверхности 1 см2, находящихся на расстоянии 1 см друг от друга. Единица динамической вязкости в системе СГС называется пуазом (Пз). Размерность пуаза – г/cм*с; 0,01 Пз называется сантипуазом. В международной системе (СИ) единица динамической вязкости – ньютон-секунда на квадратный метр – равна динамической вязкости такой жидкости, в которой при изменении скорости движения жидкости 1 м/с на расстоянии 1 м касательное напряжение равно силе в 1 ньютон на квадратный метр Н·с/м2. Эта единица в 10 раз больше пуаза. Динамическую вязкость определяют при помощи вискозиметра Уббелоде – Голде или по времени истечения жидкости через капиллярные трубки и рассчитывают по формуле  где η – динамическая вязкость; P – давление, при котором происходило истечение жидкости; ι – время истечения жидкости в объеме ν; L – длина капилляра; r – радиус капилляра. Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью. ^ t называют отношение динамической вязкости ηt при данной температуре к плотности ρt при той же температуре:  Единицу кинематической вязкости называют стоксом (Ст), 1 Ст = 100 сСт (сантистокс). Размерность кинематической вязкости в см2/с. Практической единицей измерения кинематической вязкости является сантистокс. Единица кинематической вязкости в СИ имеет размерность м2/сек. Она равна кинематической вязкости такой жидкости, динамическая вязкость которой составляет 1н*с/м2 , а плотность 1 кг/м2. Эта единица в 104 раз больше стокса. Относительная (условная) вязкость μ не представляет собой физической характеристики нефтепродукта, так как она зависит от способа определения, конструкции прибора и других условий, но удобна как сравнительная величина. В расчетах, в технических нормах, при арбитражных и контрольных испытаниях используют только абсолютную (кинематическую и динамическую) вязкость. В нефтяной практике относительной вязкостью называют отношение вязкости данного нефтепродукта к вязкости воды при 0 0С:   ,где 1,789 – вязкость воды при 0 0С. Условная вязкость представляет собой отношение времени истечения определенного объема исследуемого продукта ко времени истечения такого же объема стандартной жидкости при определенно установленной температуре. В качестве стандартной жидкости используют дистиллированную воду при температуре +20 0С. Условную вязкость выражают условными единицами, градусами или секундами. В различных странах, в зависимости от выбора стандартной аппаратуры для определения условной вязкости, приняты различные единицы условной вязкости. Чаще всего условная вязкость выражается градусами Энглера. Числом градусов Энглера называют отношение времени истечения из вискозиметра Энглера 200 мл испытуемого продукта при данной температуре ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 0С. Ее обозначают знаком ВУ или Е. Для пересчета кинематической вязкости в условную и обратную используют специальные таблицы или эмпирические формулы, например: ν = 7,24Et -  ,а для высоких значений вязкости ν = 7,24 Et (сСт) и Et = 0,135*νt. Определение условной вязкости также основано на истечении жидкости (через трубку с диаметром отверстия 5 мм) под влиянием силы тяжести. Условную вязкость определяют для нефтяных топлив (мазутов). На вязкость нефти и нефтепродуктов существенное влияние оказывает температура. С ее понижением вязкость увеличивается. Вязкостно-температурные свойства нефтепродуктов зависят от их фракционного и углеводородного состава. Наименьшей вязкостью и наиболее пологой вязкостно-температурной кривой обладают алифатические углеводороды, а наибольшей – ароматические углеводороды (особенно ди- и полициклические). 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 (не подчиняется закону Ньютона) из-за появившихся внутри жидкости структурных образований. Чаще всего это асфальтены, парафины, церезины и некоторые другие. Вязкость таких систем носит название структурной. Для разрушения возникших структур требуется определенное усилие, которое называется пределом упругости. После разрушения структур жидкость приобретает свойства ньютоновских жидкостей. Вязкость нефтепродуктов имеет большое практическое значение. От вязкости масла зависит ряд эксплуатационных свойств: износ трущихся деталей, отвод тепла от них и расход масла. С повышением температуры вязкость уменьшается и сильно возрастает при ее понижении. Эти изменения численно характеризуются индексом вязкости, представляющим собой температурный коэффициент вязкости. 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 0С. Чем меньше вязкость зависит от температуры, тем выше индекс вязкости. Интенсивность изменения вязкости с изменением температуры зависит от углеводородного состава масел: наименьшая у парафиновых углеводородов и наибольшая – у ароматических углеводородов, а нафтеновые занимают промежуточное положение. Сезонные моторные масла не обладают достаточными вязкостно-температурными свойствами для круглогодичного использования их: если обеспечивается надежная работа при высокой установившейся температуре, то трудно пустить двигатель в холодное время, и наоборот. Создание масел, способных обеспечить работу двигателей в летнее время, и пуск при низкой температуре зимой – задача сложная. Для улучшения вязкостно-температурных свойств применяют вязкостные (загущающие) присадки. В качестве присадок используют полимерные соединения (полиметакрилаты, полиизобутены, сополимеры олефинов, стирола с диенами и др.), которые относительно мало меняют вязкость масла при низкой и значительно повышают ее при высокой температуре. ^ Определение вязкости нефтепродукта Определение кинематической вязкости обязательно для таких нефтепродуктов, как дизельное топливо и масла. Измерение вязкости при помощи капиллярного вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара. Вискозиметр подбирают с таким диаметром капилляра, чтобы время истечения жидкости составляло не менее 180 с. ^ Испытуемая жидкость; вискозиметр Оствальда (рис. 2); секундомер; легколетучие растворители для промывания вискозиметра (петролейный эфир, диэтиловый эфир, ацетон, этиловый спирт и др.). ^ Подготовка вискозиметра к работе. Для калибровки вискозиметра Оствальда, т.е. для определения его постоянной, можно применять эталонные жидкости, кинематическая вязкость которых при разных температурах известна, или калибровочные масла. Определение константы капилляра проводят следующим образом. В колено 2 вискозиметра, тщательно промытого петролейным или серным эфиром, этиловым спиртом и дистиллированной водой и высушенного чистым воздухом, вводят пипеткой 4 мл эталонной жидкости, вязкость которой при данной температуре точно известна.  Рис. 2. Вискозиметры Затем через резиновую трубку с грушей, надетой на колено 1, засасывают жидкость выше верхней метки (3 или М1). При наполнении вискозиметра необходимо следить за тем, чтобы в капилляре и шариках не образовывалось пузырьков воздуха, разрывов и пленок. После наполнения вискозиметра в бане устанавливают температуру, при которой известна вязкость эталонной жидкости, с точностью ±0,1° и выдерживают вискозиметр не менее 20 мин. После этого открывают кран, вставленный в конце резиновой трубки, а когда уровень жидкости в колене 1 пройдет мимо верхней метки, пускают в ход секундомер. Следят за опусканием жидкости в колене от верхней (3 или М1) до нижней (5 или М1) метки. Секундомер останавливают в тот момент, когда жидкость пройдет нижнюю метку, и замечают время истечения жидкости от верхней до нижней метки. Измерения повторяют не менее 5 раз. Постоянную вискозиметра в сантистоксах вычисляют по формуле К =  , где τ - время истечения эталонной жидкости при температуре опыта, с; νt -вязкость эталонной жидкости при температуре опыта, сСт. Значение К определяют как среднее арифметическое из пяти изменений. ^ После определения постоянной вискозиметра проводят определение вязкости нефти или нефтепродукта. В тщательно промытый и высушенный вискозиметр вводят пипеткой определенное количество обезвоженного и профильтрованного нефтепродукта. При анализе вязкого нефтепродукта вискозиметр заполняют засасыванием этого продукта через колено 1. Для этого вискозиметр перевертывают и колено 1 погружают в сосуд с испытуемым нефтепродуктом. При помощи резиновой трубки с краном, надетой на колено 2 вискозиметра, и резиновой груши или водоструйного насоса, присоединенного к нему, производят заполнение вискозиметра испытуемым нефтепродуктом. Если при этом заполнение происходит медленно, допускается подогревание испытуемого продукта. Определение производят так же, как при определении постоянной вискозиметра. Измерение времени истечения испытуемого продукта производят не менее трех раз и принимают среднее арифметическое значение. При работе с вискозиметром необходимо строго следить за тем, чтобы в шариках и капиллярах не образовывалось пленок, которые нарушают режим истечения. Кинематическую вязкость νt испытуемого продукта вычисляют по формуле: νt = К·τ, сСт, где τ – время истечения испытуемого продукта, с. Затем вычисляют динамическую вязкость исследуемого нефтепродукта (ή, мПа·с) по формуле ή = ν·ρ, где ν – кинематическая вязкость (мм2/с); ρ – плотность при той же температуре определения. Пример. Определить кинематическую вязкость дизельного масла при температуре 1000С. Диаметр капилляра вискозиметра 0,8 мм. К = 0,03312 сСт/с. Время истечения масла при 1000С – 5 мин 22 с, 5 мин 18 с и 5 мин 20 с. Решение. Среднее время истечения равно 320 с. Тогда ν1000= 0,03312 · 320 = 10,5984 сСт. Контрольные вопросы
Литература 1. Ю. И. Дытнерский. Процессы и аппараты химической технологии, ч.1. М.: Химия. 2002. 2. Пузин Ю.И. Практикум по химии нефти и газа. Уфа: УГНТУ. 2004. |
