Физико-химические свойства нефтей

alt="" width="93" height="43" align="BOTTOM" border="0" />

Это уравнение после почленного деления на dv/dR можно предста­вить в виде

h₀=h+h₀ (1.11)

где h₀ - эффективная или кажущаяся вязкость; h - истинная вяз­кость; h₀ - структурная составляющая эффективная вязкость.

Псевдопластичные жидкости не обнаруживают начального напря­жения сдвига и для жидкостей справедлива независимость вида

(1.12)

где k и n — постоянные величины для данной жидкости. Характер­ным для псевдопластичных жидкостей является то, что n всегда меньше единицы.

Дилатантные жидкости, сходны с псевдопластическими тем, что в них тоже нет начального напряжения сдвига. Течение этих жидкостей так­же подчиняется степенному закону (1.12), но показатель n превышает еди­ницу.

У многих жидкостей зависимость между напряжением и градиен­том скорости изменяется во времени и поэтому не может быть выра­жена простыми формулами.

Жидкости, обладающие свойством, изотермического самопроизволь­ного увеличения прочности структуры во времени и восстановления структуры после ее разрушения, называются парафинистые нефти. При технических расчетах, а также при контроле качества нефтей и нефтепро­дуктов широкое распространение получил коэффициент кинематиче­ской вязкости, который представляет собой отношение коэффициента ди­намической вязкости m к плотности жидкости при той же температуре

(1.13)

В физической системе единиц широкое применение имеет единица кинематической вязкости в см²/с (Стокc - Ст.) и мм²/с (сантиСтокс - сСт). Таким образом, 1 Cm представляет собой вязкость жидкости, плотность которой равна 1г/1мл и сила сопротивления которой взаимному перемеще­нию двух слоев жидкости площадью 1 см², находящихся на расстоянии 1 см один от другого и перемещающихся один относительна другого со скоростью 1 см/с, равна 1 дн.

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 подучила формула Рейнольдса - Филонова

, (1.14)

(1.15)

где U - коэффициент крутизны вискограммы, 1/К; v*,v - кинематическая вязкость при известной температуре Т_ж и при температуре Т; е - основание натурального логарифма.

Для нахождения коэффициента крутизны вискограммы для данного продукта достаточно знать значения вязкостей при двух температурах Т₁ и 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 является результатом непра­вильного представления о том, что определение динамической и кинема­тической вязкостей отличается сложностью, и применения на практике упрощённых технических приборов, дающих 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. Из числа относительных обозначений наибольшим распространением пользу­ется так называемая удельная вязкость.

В различных странах в зависимости от выбора стандартных аппара­тов для определения условной вязкости приняты различные условные еди­ницы вязкости. Для пересчета в абсолютные единицы существуют эмпи­рические формулы; однако все эти формулы носят лишь приближенный характер, а некоторые из них просто неточны. Поэтому, если необходимо определить вязкость нефтепродукта в абсолютных единицах, следует оп­ределять ее непосредственно и только в крайних случаях прибегать к пере­счету. 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.

Как сказано выше, вязкость характеризует свойство данной жидко­сти оказывать сопротивление при перемещении одной части жидкости относительно другой. Такое сопротивление наблюдается как при движении жидкости относительно какого-либо тела, так и при движении какого-либо тела в жидкости. Оба эти случая дают принципиальную возможность из­мерения вязкости различными способами. Наиболее удобным способом измерения вязкости при движении жидкости относительно твердого тела является наблюдение над истечением исследуемых жидкостей из капил­лярных трубок. Для расчета пользуются формулой Пуазейля. Для расчета значений вязкости при движении каких-либо тел в жидкости может быть применен ряд формул, в которых учитываются характер движения и форма движущегося тела. Из этих формул наибольшее значение имеет приводи­мая ниже формула Стокса для расчета вязкости по скорости падения твер­дого шарика в жидкости. Способы измерения вязкости, основанные на ис­течении жидкости из капиллярных трубок, широко распространены. На­против, способы, построенные на принципе движения твердого тела опре­деленной формы в вязкой жидкости, применяются сравнительно редко вследствие того, что даже для тел простейшей формы соответствующие уравнения движения получаются очень сложными. Эти способы находят себе применение преимущественно в тех случаях, когда способы, основан­ные на втором принципе, т.е. на истечении жидкости из капилляров, прак­тически неприменимы вследствие экспериментальных трудностей.

Вязкость нефти изменяется в широких пределах и зависит от ее со­става, количества растворенного газа, примесей в некоторой степени, от давления, температуры, увеличиваясь с ее понижением.

Пересчет вязкости с одной температуры на другую связан с некото­рыми особенностями и на практике иногда сопровождается 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 н 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 может быть связан с абсурдным результатом, по­скольку многие нефти теряют текучесть при достаточно высоких темпера­турах 20-25°С.

Вязкость нефти и нефтепродуктов в значительной степени влияет на фильтрационную способность их через различные конструкции 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 его больше воды. Сегодня все еще приходится констатировать недостаточ­ную изученность природы явлений фильтрации нефтей и нефтепродуктов вообще, и влияние на нее вязкости, в частности. От вязкости зависят мощ­ность подогрева устройств, эксплуатационный режим нефтепродуктопроводов, степень извлечения примесей и воды и т.д.

Вязкость нефтей и нефтепродуктов не является аддитивным свойством, поэтому ее нельзя вычислить как среднее арифметическое.

Заключение.

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.

Литература.

1. «Эксплуатация магистральных нефтепроводов». Справочное издание. Под общей редакцией Ю.Д. Земенкова. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2000.

Приложение 1.

Таблица 1.1. Показатели качества товарной нефти.

Показатель	Группа нефти	Метод испытаний, погрешность, %
	I	II	III
Содержание воды, %, не более	0,5	1	1	ГОСТ 2477-65, 6,0
Содержание хлористых солей, мг/л, не более	100	300	800	ГОСТ 21534-76, 10,0
Содержание мех. Примесей, %, не более	0,05	0,05	0,05	ГОСТ 6370-83, 20,0
Давление насыщенных паров, Па, не более (ГОСТ 1756-52)	66650	66650	66650	СТ СЭВ 3654-82

Таблица 1.2. Физико-химические свойства нефтей (ТУ-1623-93)

№ п/п	Наименование показателя	Норма для типа	Метод испыта­ния, погреш­ность
		I	II	III	IV
1.	Плотность при 20 °С, кг/м3, не более	850	870	890	895	По ГОСТ 3900-85, 0,1%
2.	Выход фракций, % (об.), не менее: при температуре до 200 "С; при температуре до 300 V; при температуре до 350 °С.	55	21 43 53	21 41 50	19 35 48	По ГОСТ 2177-82, 5,0%
3.	Массовая доля серы, %, не более	0,6	1,8	2,5	3,5	По ГОСТ 1437-75,4,0%
4.	Массовая доля парафина, %, не более	6	6	6	Не нор­мируется	По ГОСТ 11851-85,10,0%
5.	Концентрация тяжелых ме­таллов: ванадия, никеля и др.	До 01.01.94 г. Не нормируется. Определение производят для набора данных	По ГОСТ 10364-90,10,0%.

Таблица 1.5. Физико-химические свойства нефтей. (27)

Месторождение нефти	Плот­ность при 20°С кг/м3	Кинематическая вязкость, cCm, при:	Температура, V
		t=20°С	T=50°С	Застыва­ния	кипения
Ромашкинскос	862	14,22	5,9	-	+65
Туймазинское	852	7,072	3.24	-59	-
Мухановское	840	7,65	3,46	-8	-
Узеньское	860	при t=40° 24,0	11,18	+31	+77
Трехозерное	848	9,75	2,98	-	+85,5
Тетерево-Мартымьинское	825	4,12	2,17	-	+61
Правдинское	854	10,76	4,75	-	+72
Салымское	826	4,54	2,17	Ниже – 16	+50
Южно-Балыкское	868	16,58	8,53	-	+81
Мамонтовское	878	21,51	8,15	-	+90
Усть-Балыкское	874	17,48	8,37	-	+71,7
Лянторское	887	16,14	7.11	-	+80
Зап.-Сургутское	885	41,60	12,11	-	+84
Холмогорское	860	7,83	3,53	-	+64
Покачаевское	865	5,52	3,88	-9	+79
Мегионское	850	7,82	3,56	-	+77
Советское	852	6,13	3,41	-	+62
Самотлорское	851	4,94	2,49	-	+59
Варьеганское	832	4,37	1,78	-1	+32
Первомайское	844	4,30	2,14	ниже-16	+57

Таблица 1.3. Физико-химические свойства чистых углеводородов.

Параметр	Метан	Этан	Этилен	Пропан	Пропи­лен	н-Бутан	Изобутан	н-Бутилен	Изобутилен	Пентан
Химическая формула	СH4	С2H6	C2H4	С3Н8	C3H8	н-C4H10	i-C4H8	н-C4H8	i-С4Н8	C5H12
Плотность газовой фазы, кг/м'1	0,72	1,356	1,261	2,019	1,915	2,703	2,665	2,55	2,5	3,457
Плотность по воздуху: н. у.; (кг/м3) ст. у.	0,55 0,52	1,05 0,98	0,98 0,91	1,55 1,44	- -	2,99 1,95	- -	2,0 1,8	- -	2,65 2,48
Температура кипения, 'С	-161	-88,5	-103,7	-42,1	-47,7	-0,5	-11,13	-6,9	3,12	36,07
Температура критическая, "С	-82,1	32,3	9,7	96,8	92,3	152	134,98	144,4	155	196,6
Давление критическое, МПа	4,58	4,82	5,03	4,21	4,54	3.74	3,62	3,945	4.1	3,33
Уд. теплоемкость газа: Ср, Сv жидкости ,кДж/кг- °С,	2,171 1,654 3,461	1,65 1,373 3,01	1,465 1,163 2,415	1,554 1,365 2,23	1,432 1,222	1,596 1,457 2,239	1,596 1,457 2,239	1,487 1,339	1,604 1,339	1,6 1,424 2,668
Скрытая теплота исп-я, кДж/кг	512,4	487,2	483	428,4	441	390,6	382,9	441,6	399	361,2
Температура воспламенения, 'С	545-800	530-694	510-543	504-588	455-550	430-569	490-510	440-500	400-440	284-510
Октановое число	110	125	100	125	115	91	99	80	87	64
Вязкость газа v , 106 м2/с	14,71	6,45	7,548	3,82	4,11	2,55	2,86	3,12	3,18	2,18
Вязкость жидкости h, 106 Па-с	66,64	162,7	-	135,2	130,5	210,8	188,1	-	-	284,2
Пределы взрываемости при н.у., %: нижний; верхний.	5 15	3 12,5	3 32	2 9,5	2 11	1,7 8,5	1,7 8,5	1,7 9	1,7 8,9	1,35 8
Коэффициент С в уравнении Сотерланда	164	252	225	278	-	377	-	329	-	382
Плотность жидкости, кг/м3, н. у.; ст. у.	300 120	390 230	370 230	500 390	- -	520 540	- -	610 560	- -	620 640
Объем паров с жидкости: л/л; л/кг.	417 1393	278 747	316 797	257 508	- -	225 386	- -	239 398	- -	194 311
Удельная газовая постоянная, Дж/(кгЧК)	519	276	296	189	-	143	-	148	-	115

Таблица 1.4. Характеристики нефтей северных месторождений Тюменской области (СМТО)

Показатель	В*	Уренгойское месторождение	пласт Dn H*	Новопортовское.	Ен-Яхинское	X*
		БУ-10 - 11	СКВ. 2349	БУ12	СКВ 6252	по м/р	проба ТН		СКВ. НП4 131	пласт 10	скв.115 НП-23	БУ 8-9
Плотность, кг/м3	951	844	827	844	849	843	840	853	844	854	842	835	830
Молекулярная масса, кг/моль	-	208	173	209	220	207	200	-	189	223	196	197	-
Вязкость n мм2/c: При 20°С; при 50°С.	- 245	20 3,7	16 2,8	21 3,6	22 3,9	7,8 3,65	18 3,1	9-19 3,78	- 3,1	2,5 4,6	- 3,1	- 3,1	- 5,7
Содержание % масс.: парафинов (ГОСТ 11851-85); асфальтенов; смол.	0,54 2,10 11,0	8,3 0,16 2,54	8,2 0,13 2.92	7,1 0,20 2,53	12,1 0,08 4,02	8,1 0,13 2,59	7,9 0,12 3,01	8,80 0,14 5,00	5,0 0,2 2,98	6,8 0,39 3,98	6,7 0,03 1,76	4,2 0,07 2.73	2,1 0,9 6,0
Начало кипения, °С, фракционный состав, % объем: до 150°С; до 200°С; до 250°С; до 300°С.	- - - -	10,2 19.5 29,2 45,0	20,0 30,5 40,0 52.0	11,9 21,5 31,9 46,5	6,5 14,5 24,0 39,0	9,6 19,2 29,2 45,3	- - - -	- - - -	12,8 22,1 31,5 50,5	7,5 17,0 27,0 43,0	6,7 16,9 30,5 49,0	- 26,5 - 53.0	- - - -
Температура застывания, *С (ГОСТ 20287-74)	-18	-	+14	-	21	10-20	18	0	+4	+6	+15	-	+20

Примечание; В*, Н*, X* - нефти Ван-Еганского, Новопортовского и Харьягинского месторождений соответственно.

Приложение 2.

Рис. 1.1. Фракционный состав нефтей и конденсатов.

Конденсаты: 1 – Харасавейский; 2 – Печорокожвинский; 3 – Уренгойский;

4 – Василковский; 5 – Вуктыльский; 6 – Средневиюльский; 7 – Нефть СМТО;

8 – ДК.

Рисунок 1.2.

1 - коромысло; 2 – неподвижный штатив; 3 – регулировочный винт;

4 ё 6 - неподвижное остриё; 5 ё 7 - левое и правое плечё; 9 – поплавок;

10 ё 14 разновесы – рейтеры

Рис.1.3. Зависимость молекулярной массы конденсата от плотности

l - для дэетанизированного (ДК); n - для стбильного (СК) конденсата.