 |
10.4. Определение кинематической вязкости
|
|
|
|
Процедура определения кинематической вязкости регламентирована в стандарте ГОСТ 33-2000 «Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости».
Сущность метода заключается в измерении калиброванным стеклянным вискозиметром времени истечения, в секундах, определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести при постоянной температуре. Кинематическая вязкость является произведением измеренного времени истечения на постоянную вискозиметра. Данный стандарт не распространяется на битумы.
Динамическую вязкость h вычисляют как произведение кинематической вязкости жидкости на ее плотность r.
Полученные результаты зависят от поведения образца и применимы к жидкостям, для которых напряжение сдвига пропорционально скорости деформации (поведение ньютоновских жидкостей). Однако вязкость значительно изменяется со скоростью сдвига, и при использовании вискозиметров с различным диаметром капилляров могут быть получены различные результаты. В стандарт также включена методика и показатели точности для остаточных жидких топлив, которые в определенных условиях проявляют свойства «неньютоновских» жидкостей.
Ньютоновская жидкость - жидкость, вязкость которой не зависит от касательного напряжения и градиента скорости. Если отношение касательного напряжения к градиенту скорости непостоянно, жидкость не является ньютоновской.
Реактивы и материалы
- Смесь хромовая для мойки стекла: калий двухромовокислый, кислота серная или сильноокисляющая кислота, не содержащая хрома.
- Растворитель, полностью смешивающийся с образцом, например петролейный эфир, следует профильтровать перед использованием.
|
|
|
Для большинства образцов пригоден легкоиспаряющийся уайт-спирит (нефрас С4-155/200) или бензин-растворитель для резиновой промышленности (нефрас C2-80/12G).
Остаточные топлива с целью удаления асфальтеновых веществ необходимо предварительно промыть ароматическим растворителем, таким как толуол нефтяной, или ксилол.
- Осушающий растворитель, легкоиспаряемый и смешивающийся как с растворителем для образца, так и с водой (например, ацетон). Перед применением следует отфильтровать.
- Вода деионизированная и дистиллированная, соответствующая сорту 3, перед применением следует отфильтровать.
- Сертифицированные стандартные образцы вязкости, используемые для контроля при проведении лабораторных испытаний.
- Бумага фильтровальная лабораторная
- Соль поваренная крупнокристаллическая или сульфат натрия безводный, или кальций хлористый прокаленный, или любой другой осушитель.
- Спирт этиловый технический, спирт этиловый синтетический, спирт этиловый ректификованный технический.
- Кислота соляная.
Аппаратура
- Вискозиметры стеклянные капиллярные, калиброванные, обеспечивающие измерение кинематической вязкости с необходимой точностью точностью.
Для каждого диапазона вязкости необходимо иметь набор вискозиметров. Допускается использовать автоматические вискозиметры, обеспечивающие необходимую точность.
При измерении кинематической вязкости менее 10 мм2/с и времени истечения менее 200 с вводят поправку на кинематическую энергию. Определение поправки приведено в приложении к данному стандарту.
- Держатель, обеспечивающий строго вертикальное крепление вискозиметра, у которого верхняя метка расположена непосредственно над нижней, с погрешностью не более 1 °С по всем направлениям.
Если верхняя метка вискозиметра отклонена относительно нижней, погрешность отклонения от вертикали не должна превышать 0, 3° по всем направлениям.
|
|
|
Вертикальность вискозиметра оценивается по верхней половине широкого колена.
Необходимое соответствие вертикальных частей можно проверить с помощью отвеса, но в прямоугольных банях со светонепроницаемыми краями данный способ не пригоден.
- Баня с регулируемой температурой достаточной глубины, чтобы в момент измерения расстояния от образца в вискозиметре до верхнего уровня жидкости в бане и от образца до дна бани были не менее 20 мм. Для наполнения бани используют прозрачную жидкость, которая остается в жидком состоянии при температуре испытания.
Температуру бани регулируют таким образом, чтобы (для каждой серии определений времени истечения) в интервале от 15 до 100 °С температура в бане не менялась более чем на ±0, 02 °С по всей высоте вискозиметров или в пространстве между вискозиметрами и местом расположения термометра. Для температур, находящихся вне указанного интервала, изменения температуры не должны превышать ±0, 05 °С.
В зависимости от температуры для заполнения термостата используют следующие реактивы:
Таблица 10. 4. 1.
Используемые реактивы в зависимости от температуры заполнения термостата
| Необходимая температура | Жидкость для заполнения термостата |
| от минус 60 до 15 °С | спирт этиловый технический или спирт этиловый ректификованный, или изооктан технический |
| от 15 до 60 °С | дистиллированную воду |
| свыше 60 до 90 °С | глицерин, разбавленный водой 1: 1, или светлое нефтяное масло |
| свыше 90 °С | 25%-ный раствор азотнокислого аммония |
Для охлаждения жидкостей в термостате применяют лед, твердую углекислоту (сухой лед), жидкий азот.
При отсутствии термостата для определения вязкости при температуре ниже 15 °С допускается применять прозрачные сосуды Дьюара соответствующей вместимости.
- Устройство для измерения температуры
Для диапазона измерения от 0 до 100 °С применяют калиброванные жидкостные стеклянные термометры с точностью после корректировки не менее ±0, 02 °С или выше или другие термометрические устройства равноценной или более высокой точности. Если в одной и той же бане используются два термометра, показания их при этом не должны отличаться более чем на 0, 04 °С.
|
|
|
Для измерения температур вне диапазона от 0 °С до 100 °С следует использовать калиброванные жидкостные стеклянные термометры с точностью после корректировки ±0, 05 °С и выше, а при применении двух термометров в одной и той же бане их показания не должны отличаться более чем на ±0, 1 °С.
При измерении температуры в термостате (бане) при частичном погружении контрольного термометра, градуированного на полное погружение, в показания контрольного термометра вводят поправку (Dt) на выступающий из термостата (над поверхностью жидкости в бане) столбик жидкости в термометре
Dt = Kh (t1 - t2),
где К - коэффициент, равный для ртутного термометра 0, 00016, для спиртового - 0, 001;
h - высота выступающего столбика ртути или спирта, выраженная в градусных делениях шкалы термометра;
t1 - заданная температура в термостате, °С;
t2 - температура окружающего воздуха вблизи середины выступающего столбика ртути или спирта, °С (определяется вспомогательным термометром, резервуар которого находится на середине высоты выступающего столбика).
Для определения истинной температуры жидкости в термостате поправку алгебраически прибавляют к показанию термометра.
- Устройство для измерения времени, дающее возможность отсчета времени до 0, 1 с (или с меньшим делением) и имеющее погрешность с точностью ±0, 07 %, когда снимают показания в интервале от 200 до 900 с.
Допускается использование секундомеров с ценой деления 0, 2 с.
Точность таймера регулярно проверяют.
- Шкаф сушильный, обеспечивающий температуру от 100 до 200 °С.
- Сито с размером отверстий 75 мкм.
- Воронки или тигли фильтрующие по ГОСТ 25336.
Поверка и калибровка
Калибровку поверенных вискозиметров проводят в условиях лаборатории по указанной в стандарте методике, используя сертифицированные стандартные образцы вязкости. Если разность измеренной кинематической вязкости эталона и значения, приведенного в сертификате на него, превышает ±0, 35 %, необходимо проверить каждый этап испытания, включая калибровку термометра и вискозиметра для выявления причины ошибок. Самыми обычными причинами ошибок являются частицы пыли в отверстии капилляра и погрешность в измерении температуры. Правильный результат, полученный на сертифицированном эталоне, не исключает возможных источников ошибок.
|
|
|
Постоянная вискозиметра С зависит от гравитационного ускорения в месте калибровки и, следовательно, указывается лабораторией по стандартизации вместе с постоянной вискозиметра. Если ускорение силы тяжести g отличается более чем на 0, 1 %, постоянную калибровки корректируют по формуле:
.
Индексы 1 и 2 соответственно обозначают лабораторию по стандартизации и испытательную лабораторию.
Определение кинематической вязкости прозрачных жидкостей
1. Вискозиметр заполняют испытуемым нефтепродуктом в соответствии с формой аппарата аналогично тому, как это осуществлялось при калибровке вискозиметра, и помещают в баню. Если в образце содержатся твердые частицы, то при загрузке его фильтруют через сито с размером отверстий 75 мкм, стеклянный или бумажный фильтр. При наличии в нефтепродукте воды его сушат безводным сульфатом натрия или прокаленной крупнокристаллической поваренной солью, или прокаленным хлористым кальцием и фильтруют через бумажный фильтр. Вязкие продукты допускается перед фильтрованием подогревать от 50 до 100 °С.
Для продуктов, поведение которых аналогично гелю, измерения должны проводиться при достаточно высоких температурах для обеспечения свободного истечения и получения идентичных результатов при использовании вискозиметров с различным диаметром капилляров.
2. Наполненный вискозиметр выдерживают в бане до тех пор, пока он не прогреется до температуры испытания. Если одна баня используется для нескольких вискозиметров, нельзя погружать или вынимать вискозиметры из бани, пока хотя бы один вискозиметр находится в рабочем состоянии. Так как время нахождения в бане будет меняться в зависимости от оборудования, температуры и кинематических вязкостей, время температурного равновесия достигается экспериментально.
Обычно достаточно 30 мин, кроме определений очень высоких значений кинематических вязкостей.
3. После того, как образец достиг температурного равновесия, доводят объем образца до требуемого уровня, если этого требует конструкция вискозиметра.
4. Используя подсос (если образец не содержит летучих веществ) или давление, устанавливают высоту столбика образца в капилляре вискозиметра до уровня, находящегося приблизительно на 7 мм выше первой временной метки, если в инструкции по эксплуатации вискозиметра не установлено другое значение.
|
|
|
При свободном истечении образца определяют с точностью до 0, 1 с время, необходимое для перемещения мениска от первой до второй метки. Если время истечения меньше установленного минимального, подбирают вискозиметр с меньшим диаметром капилляра и повторяют определение.
5. Повторяют определение, описанное в п. 4, для получения второго значения и записывают результат.
6. Если два измерения согласуются с установленной величиной определяемости, то рассчитывают среднее арифметическое значение двух измерений времени истечения. Если же два измерения не согласуются, следует повторить определение после тщательной очистки и сушки вискозиметра и фильтрации образца.
Определение кинематической вязкости непрозрачных жидкостей
1. Для непрозрачных жидкостей используют вискозиметры обратного потока типа. Очищенные цилиндрованные и темные смазочные масла подготавливают в соответствии с п. 2 для получения представительного образца. На кинематическую вязкость остаточных топлив (мазутов) и аналогичных парафинистых продуктов может повлиять предыдущая тепловая обработка, поэтому ниже описана процедура, которая сводит это влияние до минимума.
2. Нагревают образец в контейнере в течение 1 ч при температуре (60±2) °С. Для образцов с высоким содержанием парафинов или высокой кинематической вязкостью необходимо увеличить температуру нагрева выше 60 °С для достижения тщательного перемешивания. Образец должен быть достаточно жидким, чтобы его было удобно перемешать и встряхнуть.
3. Образец тщательно перемешивают соответствующим стержнем достаточной длины, чтобы он касался дна контейнера. Перемешивают до тех пор, пока не будет осадка или прилипания парафина к стержню.
4. Плотно закрывают контейнер и энергично встряхивают в течение 1 мин до полного перемешивания.
5. После достижения текучести образца наливают образец в стеклянную колбу вместимостью 100 см3 в количестве, достаточном для заполнения двух вискозиметров, и неплотно закупоривают.
6. Погружают колбу на 30 мин в баню с кипящей водой.
При наличии воды в масле перед определением образец необходимо осушить (безводным сульфатом натрия или прокаленной крупнокристаллической поваренной солью, или прокаленным хлористым кальцием и фильтруют через бумажный фильтр). При нагревании непрозрачных жидкостей, содержащих значительное количество воды, необходимо проводить нагревание до более высоких температур. При этом может произойти энергичное вскипание образца.
7. Колбу вынимают из бани, плотно закупоривают и встряхивают 1 мин.
8. Заполняют два вискозиметра и помещают в баню в соответствии с конструкцией аппарата. Если образец перед испытанием подвергают тепловой обработке, то используют предварительно подогретый фильтр, чтобы таким образом предотвратить коагуляцию образца во время фильтрации.
Перед заполнением вискозиметры необходимо предварительно подогреть в шкафу, так как это дает гарантию, что образец не остынет ниже требуемой при испытаниях температуры.
9. Через 10 мин устанавливают объем образца (где этого требует конструкция вискозиметра), совпадающий с отметками заполнения вискозиметра, как указано в спецификации вискозиметра.
10. Заполненный вискозиметр выдерживают в бане до тех пор, пока он не прогреется до температуры испытания. Если одну баню используют для нескольких вискозиметров, нельзя погружать или вынимать вискозиметры из бани, пока хотя бы в одном вискозиметре проводится измерение времени истечения.
11. Для образца, находящегося в свободно текущем состоянии, время измеряется с точностью до 0, 1. Это время требуется для прохождения образца от первой отметки вискозиметра до второй. Результат регистрируют. Если образцы требуют предварительной тепловой обработки, на определение вязкости затрачивается 1 ч, включая тепловую обработку.
12. Из двух определений рассчитывают среднее арифметическое значение кинематической вязкости n, мм2/с.
Для остаточных жидких топлив (мазутов), если два определения находятся в пределах установленного значения определяемости, рассчитывают среднее арифметическое значение двух измерений, которое затем используют для вычисления кинематической вязкости. Полученное при вычислении значение кинематической вязкости записывают. Если два определения не согласуются, то определение повторяют после тщательной очистки и сушки вискозиметра и фильтрования образца. Результат регистрируют.
Для других непрозрачных жидкостей данные показатели точности не применяют.
Промывание вискозиметра
Между последовательными определениями вискозиметр тщательно промывают несколько раз растворителем, затем промывают полностью испаряющимся растворителем. Сушат вискозиметр, пропуская слабую струю сухого отфильтрованного воздуха в течение 2 мин или до полного удаления следов растворителя.
Вискозиметр периодически промывают очищающим растворителем несколько часов, чтобы удалить остаточные следы органических отложений, затем тщательно ополаскивают водой, осушающим растворителем и сушат отфильтрованным сухим воздухом или под вакуумом. Отложения неорганических веществ удаляют соляной кислотой перед промывкой хромовой смесью, особенно если предполагается присутствие солей бария.
Нельзя применять щелочные очищающие растворы, так как могут возникнуть изменения в калибровке вискозиметра.
Допускается использовать специальные устройства для мытья вискозиметров.
Обработка результатов
Кинематическую вязкость n, мм2/с, рассчитывают по формуле:
n = Ct,
где С - калибровочная постоянная вискозиметра, мм2/с2;
t - среднее арифметическое значение времени истечения, с.
Динамическую вязкость h, МПа·с, рассчитывают на основании кинематической вязкости по формуле
h = nr х10-3,
где r - плотность при той же температуре, при которой определялась кинематическая вязкость, кг/м3;
n - кинематическая вязкость, мм2/с.
Выражение результатов
Записывают результаты испытания кинематической и/или динамической вязкости до четырех значащих цифр и температуру испытания. Результаты определения кинематической и динамической вязкости округляют до 0, 01% измеренной или расчетной величины соответственно.
|
|
|
