Содержание
Вискозиметр (от лат. viscosus — вязкий) — прибор для определения динамической или кинематической вязкости вещества. В системе единиц СГС и в СИ динамическая вязкость измеряется соответственно в пуазах (П) и паскаль-секундах (Па·с), кинематическая — соответственно в стоксах (Ст) и квадратных метрах на секунду (м²/с).
Содержание
Разновидности вискозиметров [ править | править код ]
Вискозиметры бывают: капиллярными, ротационными, с падающим шариком и других типов.
Капиллярные вискозиметры [ править | править код ]
Принцип действия основан на подсчёте времени протекания заданного объёма жидкости через узкое отверстие или трубку, при заданной разнице давлений. Чаще всего жидкость из резервуара вытекает под действием собственного веса, в таком случае вязкость пропорциональна разнице давлений между жидкостью, вытекающей из капилляра и жидкостью на том же уровне, вытекающей из очень толстой трубки. Если течение жидкости в приборе осуществляется только под действием тяжести (например, в вискозиметре Уббелоде), то при работе капиллярного вискозиметра определяется кинематическая (не динамическая) вязкость. С помощью капиллярного вискозиметра измеряются вязкости от 10 мкПа∙с(газы) до 10 кПа∙с. Используют вискозиметры по ASTM D 445(ГОСТ 33).
Различают вискозиметры Оствальда, Убеллоде, Убеллоде с подвешенным уровнем,
Вискозиметры Кэннон-Фенске (Cannon-Fenske) — одни из самых распространенных ввиду простоты и удобства работы. Предназначены для измерения кинематической вязкости прозрачных жидкостей (вискозиметры Кэннон-Фенске прямого тока) или непрозрачных жидкостей (вискозиметры Кэннон-Фенске обратного тока). Как правило размеры и константы вискозиметров прямого и обратного тока совпадают.
Ротационные вискозиметры [ править | править код ]
Измеряют динамическую вязкость. Одно или два коаксиально (соосно) расположенных тела вращения (цилиндры, диск, конус, полусфера). Пространство между ними заполняют исследуемым веществом. При вращении одного из тел (двух относительно друг друга) возникает момент сопротивления деформации жидкости. Существуют два основных метода измерения: измерение момента сопротивления деформации при заданной скорости вращения и измерение скорости вращения тела от приложенного фиксированного крутящего момента. Основная масса приборов использует первый метод. Только ротационные вискозиметры позволяют измерить истинную или абсолютную вязкость, как ньютоновских, так и неньютоновских (структурированных или реологических) сред. Диапазон измеряемой вязкости обычно простирается от 1 мПа·с до сотен тысяч Па·с. Такой широкий диапазон измерений достижим как за счёт изменения скорости вращения шпинделя от 0,01 оборота в минуту до 1500, так и использования шпинделей разных размеров для разных диапазонов вязкости.
Вискозиметр с движущимся (падающим) шариком [ править | править код ]
Вискозиметр основан на законе Стокса. Вязкость определяется по времени прохождения шариком некоего расстояния, чаще всего под воздействием его собственного веса. Наиболее известен вискозиметр Гепплера.
Вискозиметр с вибрирующим зондом [ править | править код ]
Основан на изменении резонансной частоты колебаний в жидкости различной вязкости. Так как частота будет зависеть и от плотности измеряемой жидкости, некоторые модели позволяют определять эту плотность независимо от вязкости, тогда как другие используют заданное известное значение плотности.
Вискозиметр пузырькового типа [ править | править код ]
Основан на определении параметров движения пузырька газа, свободно всплывающего в вязкой среде.
Вязкость, внутреннее трение — свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одного их слоя относительно другого. Вязкость жидкостей легче всего обнаруживается при их переливании или помешивании.
Количественно вязкость характеризуется значением величины, называемой динамической вязкостью или коэффициентом внутреннего трения и обозначаемой n или u. Характерной особенностью этого вида трения является то, что оно наблюдается не на границе твердого тела и жидкости, а во всем объеме жидкости.
Единицей динамической вязкости в Международной системе единиц (СИ) является паскаль-секунда (Па*с). Паскаль-секунда равна динамической вязкости среды, касательное напряжение в которой при ламинарном (упорядоченном) течении и при разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равной 1 м/с, составляет 1 Па.
Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости среды к ее плотности при той же температуре:
Единицей кинематической вязкости в СИ является квадратный метр в секунду (м2/с). При кинематической вязкости 1 м2/с динамическая вязкость среды плотностью 1 кг/м3 равна 1 Па*с.
Часто пользуются также величиной относительной, или условной, вязкости (ВУ) — отношением вязкости данной жидкости к вязкости воды при той же температуре (см. ниже).
Широкий диапазон значений вязкости, а также необходимость измерять вязкость в условиях низких или высоких температур и давлений обусловливает большое разнообразие методов определения вязкости и конструкции вискозиметров.
Типы вискозиметров
В зависимости от способа измерения вискозиметры подразделяются на капиллярные (вискозиметры истечения), шариковые, ротационные, вибрационные и ультразвуковые.
При пользовании капиллярными вискозиметрами измеряется время истечения известного количества (объема) жидкости сквозь капиллярные трубки определенного диаметра. Стеклянные капиллярные вискозиметры чаще других используются в практике химических лабораторий.
При пользовании шариковыми вискозиметрами измеряется скорость падения шарика в исследуемой жидкости — она тем меньше, чем больше вязкость жидкости.
В ротационных вискозиметрах измеряется крутящий момент или угловая скорость вращения одного из двух соосных тел, в зазоре между которыми находится испытуемая жидкость. Область измерения вязкости 0,5-1000000 Па*с. Они широко используются для определения вязкости высокомолекулярных жидкостей и растворов полимерных соединений.
Измерение вязкости вибрационными вискозиметрами основано на зависимости амплитуды колебаний тела в исследуемой жидкости от ее вязкости.
Ультразвуковыми вискозиметрами измеряют скорость затухания колебаний магнитострикционного материала, помещенного в исследуемую жидкость.
Независимо от конструкции вискозиметра, определение вязкости следует проводить в условиях строгого термостатирования.
Стеклянные капиллярные вискозиметры
Для измерения вязкости прозрачных жидкостей служат вискозиметры ВПЖ-1, ВПЖ-2, типа Пинкевича, ВПЖМ, а для непрозрачных — ВНЖ (рис. 204).
Кинематическая вязкость жидкости v равна произведению времени т истечения через капилляр определенного ее объема на постоянную вискозиметра C. Постоянная C не зависит от температуры и определяется только геометрическими размерами вискозиметра.
Для определения постоянной вискозиметра пользуются эталонными жидкостями с известной кинематической вязкостью. Измеряя время истечения определенного объема эталонной жидкости определяют постоянную вискозиметра:
Вискозиметры выпускаются с разными капиллярами, причем диаметр капилляра резко сказывается на постоянной вискозиметра. В каждом наборе имеется по девять вискозиметров, диаметры внутренних капилляров которых варьируются в пределах 0,34-5,5 мм, что соответствует значениям С = 0,003-30 сСт/с. Набор вискозиметров типа Пинкевича состоит из 11 вискозиметров с диаметрами капилляров от 0,4 до 4,0 мм.
В качестве эталонной жидкости при калибровке вискозиметров для маловязких жидкостей может служить свежеперегнанная дистиллированная вода, кинематическую вязкость которой принимают равной 1,0067 сСт/с при 20 °С и 0,89748 сСт/с при 25 °С.
По существующему положению каждый капиллярный вискозиметр заводского изготовления должен снабжаться паспортом, в котором указана его постоянная. Так, вискозиметры ВПЖ-1, ВПЖ-2, ВНЖ выпускаются со значением постоянной С: 0,003; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1; 3; 10 и 30 сСт/с. Постоянная вискозиметров типа ВПМЖ составляет 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1 и 3 сСт/с.
Определение кинематической вязкости
Методики определения кинематической вязкости практически наиболее распространены.
Калибровка вискозиметров
Новые вискозиметры, а также вискозиметры, находящиеся давно в работе, следует периодически подвергать проверочной калибровке.
Калибровка заключается в определении времени протекания через вискозиметр эталонной жидкости. Перед выполнением работы вискозиметр промывают последовательно петролейным эфиром, хромовой смесью, водопроводной и дистиллированной водой, спиртом и диэтиловым эфиром, после чего продувают чистым, сухим воздухом.
Пусть для калибровки выбран вискозиметр типа ВПЖ-1 (рис. 204). На отводную трубку 3 надевают резиновый шланг, соединенный с грушей, и, зажав пальцем колено 2, переворачивают вискозиметр, опускают отверстие колена 1 в сосуд с эталонной жидкостью, засасывают ее в вискозиметр с помощью резиновой груши или водоструйного насоса до метки М2, следя за тем, чтобы в расширениях 4 и 5 не образовалось разрывов жидкости. Затем колено 1 вынимают из жидкости и снимают шланг с отводной трубки 3.
На колено 1 надевают резиновую трубку; вискозиметр погружают в жидкостной термостат так, чтобы расширение 4 оказалось в жидкости, и укрепляют строго вертикально с помощью зажима на штативе. Другим зажимом укрепляют термометр, шарик которого должен быть на одном уровне с серединой капилляра 6. В термостате устанавливают температуру 20 ±0,2 °С и вискозиметр выдерживают при этой температуре 10-15 мин.
Затем грушей или насосом, присоединенными к резиновой трубке, засасывают жидкость в колено 1 примерно до 1/3 его высоты, следя, чтобы не образовалось разрывов жидкости или пузырьков воздуха. Прекратив засасывание, дают жидкости стекать в расширение 5 и наблюдают опускание уровня жидкости. Как только уровень вытекающей жидкости коснется метки М1 включают секундомер; когда уровень жидкости коснется метки М2, останавливают секундомер. Записав время истечения жидкости, повторяют определение не менее четырех раз. Затем вискозиметр моют, сушат, вновь заполняют эталонной жидкостью и вновь производят не менее четырех определений.
Если разность между средним временем двух опытов не превышает 0,3%, то находят среднее арифметическое времени истечения т эталонной жидкости в обоих опытах и вычисляют постоянную вискозиметра:
Проведение определения
Определяют время протекания через вискозиметр испытуемой жидкости точно так же, как при калибровке поступали с эталонной. Следует лишь иметь в виду, что время предварительной выдержки вискозиметра с испытуемым веществом в термостате следует увеличивать с повышением температуры проведения испытания (от 10 мин при 20 °С до 20 мин при 100 °С).
Среднюю арифметическую величину времени истечения жидкости в вискозиметре определяют с точностью до 0,1 с и вычисляют кинематическую вязкость (в сантистоксах) по формуле:
где С — постоянная вискозиметра, сСт/с; т — среднее арифметическое время истечения жидкости, с; g — ускорение силы тяжести в месте измерения вязкости, см/с2 (можно принять g/980,7 = 1, если дополнительная погрешность 0,02% не имеет значения); К — коэффициент, учитывающий изменение гидростатического напора жидкости в результате расширения ее при нагревании; для ВПЖ-1 К = 1; для ВПЖ-2 и ВПЖ-4 К = 1 ±0,00004 dt; для ВНЖ K = 1 ±0,000087 dt; для ВПЖМ К = 1 ±0,000074 dt (dt — разность между температурой жидкости при заполнении вискозиметра и при определении вязкости).
Определение динамической вязкости разбавленных растворов полимеров (по ГОСТ 18249-72)
Концентрацию раствора полимера выбирают так, чтобы отношение времени истечения раствора т ко времени истечения растворителя то составляло 1,2-1,6. В соответствии с этим подбирают вискозиметр.
Величина навески полимера, выбор растворителя, его объем и условия растворения указываются в стандартах или технических условиях на данный полимер.
При определении вязкости на вискозиметрах типа ВПЖ-2 приготовляют растворы четырех концентраций, на вискозиметре ВПЖ-1-одной концентрации; растворы меньших концентраций получают разбавлением в самом вискозиметре. Для этого в вискозиметр наливают 13-16 мл раствора, измеряют время истечения, после чего последовательно добавляют измеренный объем растворителя и перед каждым последующим измерением времени истечения тщательно перемешивают. Концентрацию разбавленного раствора А1 вычисляют по формуле:
где А — концентрация раствора полимера, залитого в вискозиметр, г/мл; V — объем раствора в вискозиметре, мл; V1 — объем добавленного растворителя, мл.
Вискозиметр типа ВПЖ-2 заполняют чистым растворителем или раствором так же, как описано выше. Отклонения температуры термостатирования не должны превышать при комнатных температурах ±0,05 °С, при повышенных ±0,15 °С. Уровень термостатирующей жидкости должен быть на 3-4 см ниже верхнего конца колена вискозиметра.
После 15-минутного термостатирования вискозиметра с растворителем или раствором полимера определяют время истечения растворителя т0 или растворов различных концентраций т. При этом за результат принимают среднее арифметическое не менее трех определений, расхождение между которыми не должно превышать 0,4 с.
Динамическая вязкость разбавленных растворов n или растворителя n0 (в сантипуазах) вычисляют по формулам:
где С — постоянная вискозиметра, сСт/с; р, р0 — плотность раствора полимера или растворителя при температуре испытания, г/см3; т, т0 — время истечения раствора или растворителя, с.
Определение условной вязкости
Метод определения условной вязкости применяется для нефтепродуктов, лакокрасочных материалов и ряда других вязких жидкостей, вязкость которых нельзя определить с помощью стеклянных капиллярных вискозиметров. Для ряда нефтепродуктов вязкость нормируется в условных единицах.
Условной вязкостью называют отношение времени истечения из вискозиметра типа ВУ 200 мл испытуемого продукта при температуре испытания ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20 °С, являющемуся постоянной (водным числом) прибора. Величина этого отношения выражается как число условных градусов.
Водное число вискозиметра должно контролироваться лабораторией организации, которой принадлежит прибор.
Условная вязкость при температуре t обозначается знаком ВУt.
Прибором для измерения условной вязкости служит вискозиметр типа ВУ-4 (рис. 205). Он состоит из резервуара 1 с трубкой 8 в его дне. Резервуар помещают в сосуд 2, служащий водяной или масляной баней. Резервуар закрывают крышкой с двумя отверстиями. В одно из отверстий вставляют деревянный стержень 6, который закрывает трубку 8; в другое помещают термометр 4. Внутри резервуара 1, на равном расстоянии от дна, прикреплены три заостренных изогнутых вверх под прямым углом штифта 5. По ним устанавливают уровень наливаемой в резервуар исследуемой жидкости, и, кроме того, эти штифты служат для установки прибора в горизонтальное положение. Во внешнем резервуаре помещены мешалка 7 и термометр со шкалой от 10 до 110 °С и ценой деления 1 °С.
Прибор устанавливают на железном треножнике 10, на двух ножках которого имеются установочные винты 9. Для подогрева термостатирующей жидкости в сосуде 2 к треножнику прикрепляется газовая горелка или прибор снабжают электрообогревательным устройством с терморегулятором.
Для измерения объема вытекающей из вискозиметра жидкости к прибору прилагается специальная мерная колба, калиброванная при 20 °С на 200 мл.
Определение водного числа вискозиметра ВУ
Внутренний резервуар промывают последовательно петролейным или диэтиловым эфиром, этиловым спиртом и дистиллированной водой и высушивают воздухом. Затем вискозиметр вставляют ножками в прорези треножника и закрепляют зажимными винтами. Выходное отверстие 3 закрывают чистым стержнем 6. Во внутренний резервуар вискозиметра 1 наливают профильтрованную дистиллированную воду до уровня, при котором острия трех штифтов 5 едва лишь выдаются над зеркальной поверхностью воды; температура воды должна быть 20 ±0,2 °С.
Водой такой же температуры заполняют и внешний сосуд 2. Мерную колбу подставляют под сточную трубку 8 внутреннего резервуара и, приподняв стержень 6, спускают всю воду из резервуара в колбу, не замеряя времени ее истечения; при этом водой наполняется и вся трубка 8, на нижнем конце которой повисает капля воды. Опустив конец стержня 6 в выходное отверстие 3, вновь осторожно выливают воду из колбы в резервуар по стеклянной палочке; опорожненную колбу держат 1-2 мин над резервуаром в опрокинутом положении и затем вновь подставляют под сточную трубку.
Воду во внутреннем резервуаре и внешнем сосуде тщательно перемешивают: в первом — вращением крышки вокруг стержня 6, во втором — мешалкой 7. Убедившись, что температура воды в обоих резервуарах равна 20 °С и в течение 5 мин отклонение температуры не превышает ±0,2 °С, приподнимают коротким движением стержень 6, пуская одновременно секундомер, и наблюдают вытекание воды из резервуара. В момент, когда нижний край мениска достигнет кольцевой метки на колбе, останавливают секундомер. Наблюдение времени истечения 200 мл дистиллированной воды повторяют не менее 4 раз. Для стандартного вискозиметра время истечения 200 мл воды при 20 °С должно быть равным 51 ±1 с.
Проведение определения
Перед каждым определением резервуар 1 промывают и высушивают. Сточное отверстие закрывают стержнем 6 и наполняют внутренний резервуар испытуемой жидкостью, предварительно подогретой несколько выше заданной температуры определения. Уровень налитой жидкости должен быть немного выше остриев штифтов 5.
В сосуд 2 наливают воду (при определении вязкости до 80 °С) или вазелиновое масло, нагретые несколько выше заданной температуры определения.
Подняв немного стержень 6, дают стечь избытку испытуемой жидкости, с тем чтобы острия всех трех штифтов лишь едва заметно выдавались над уровнем жидкости.
Установив вискозиметр, закрывают его крышкой и под сточное отверстие ставят чистую специальную мерную колбу на 200 мл, в то же время осторожно вращая вокруг стержня крышку прибора, в которую вставлен термометр.
Когда термометр будет показывать точно заданную температуру определения, следует выждать 5 мин, быстро вынуть стержень и одновременно пустить секундомер. Когда жидкость в мерной колбе дойдет точно до метки, секундомер останавливают и отсчитывают время истечения с точностью до 0,2 с.
Условную вязкость при температуре t в условных градусах вязкости вычисляют по формуле:
где тt — время истечения из вискозиметра 200 мл испытуемого продукта при температуре t, с; тH2O — водное число вискозиметра, с.
Вязкость пластовой смеси является одним из важнейших параметров при гидродинамическом моделировании движения нефти в пласте. Поэтому получение корректных данных о вязкости является одной из основных задач PVT-исследований. Вязкость пластовой нефти колеблется в широких пределах и зависит от многих факторов (состав флюида, температура, давление, количество растворённого газа и др.).
При определении величины вязкости пластовой нефти могут использоваться капиллярный, шариковый или электромагнитный вискозиметры. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки.
У капиллярного вискозиметра есть несколько важных преимуществ. Во-первых, в отличие от шарикового вискозиметра, он непосредственно встроен в систему установки PVT, что позволяет определить изменение вязкости при изменении состава флюида при частичном разгазировании. Это необходимо при проведении некоторых тестов, например, теста дифференциального разгазирования. Во-вторых, для работы с капиллярным вискозиметром в серии экспериментов требуется меньшее количество пластового флюида, что очень важно при небольших объёмах пробы. Например, на электромагнитном и шариковом вискозиметрах, часть флюида после измерения вязкости в дальнейших исследованиях не используется и выводится из системы. В-третьих, капиллярный вискозиметр высокого давления, по сути, это трубка с заданными параметрами длины и внутреннего диаметра, которые всегда можно рассчитать для получения необходимого диапазона измерения вязкости. Найти изготовителя подобных капилляров можно не только за рубежом, но и в России или странах СНГ. Всё это делает капиллярный вискозиметр более практичным и доступным, в силу чего он получил широкое распространение в практике проведения исследования пластовых флюидов.
Тем не менее, несмотря на значительные преимущества, измерение вязкости на капиллярном вискозиметре сопряжено с рядом проблем. Одна из них связана с минимальным пределом вязкости, которая согласно инструкции по эксплуатации не должна быть меньше 0.3 сантипуаз (сП). Кроме того, практика показывает, что часто при исследовании жидкостей с известной вязкостью наблюдается существенное расхождение между истинным и экспериментальным значением. Поэтому целью данной работы было выявление причин больших погрешностей и поиск решения для их снижения.
Оборудование и материалы
Для проведения экспериментов использовалась установка фазового поведения CHANDLER 3000 – GL PVT system, схема которой показана ниже (рис. 1). Установка оснащена двумя ячейками рабочим объёмом 400 см3 и 100 см3 соответственно. Вязкость замерялась на капиллярном вискозиметре с диапазоном измерения 0,3–50 сП (длина и диаметр капилляра – 365.76 и 0.0381 сантиметра (см) соответственно), а плотность на плотномере mPDS 2000. Регулировка давления и скорость подачи жидкости осуществлялась при помощи внешнего насоса VINCHI pump 500cc-1000 Bars-SS. Для охлаждения использовалась система Polyscience 3000-CLG-SPR. Выбор жидкостей для тестов был обусловлен их вязкостью, которая при калибровке должна охватывать нижнюю часть рабочего диапазона вискозиметра. На нижнем пределе использовались индивидуальные вещества высокой чистоты с известной вязкостью, такие как декан, толуол, а также калибровочная жидкость N2 компании CANON, которая, к сожалению, аттестована только при атмосферном давлении. Поэтому перед использованием, вязкость жидкостей CANON замерялась на шариковом вискозиметре CHANDLER, модель 1602, при разных температурах и давлениях. Значения вязкости для декана и толуола были взяты из программы REFPROP v9.0, разработанной Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). Эта программа позволяет вычислять термодинамические и транспортные свойства промышленно важных жидкостей и их смесей. Эксперименты выполнялись с учётом требований и рекомендаций [4, 5].
Рис. 1. Схема измерения вязкости капиллярным вискозиметром
Результаты измерения и основные расчёты
В основе процедуры определения вязкости пластовой нефти на капиллярном вискозиметре заложено уравнение Хагена-Пуазёйля:
, сП (1)
где µр – расчётная вязкость, сП; C – постоянная, равная 14.726213×108, для использования с перечисленными здесь единицами; ΔP – разность давления на входе и выходе капилляра, МПа; D – внутренний диаметр трубки, см; Q – объёмная скорость потока, см3/мин; L – длина капилляра, см; Kv – калибровочный коэффициент вискозиметра, который определяется экспериментально для каждого капилляра путём его калибровки с использованием эталонных жидкостей с известной вязкостью.
Конкретное значение для нашего вискозиметра составляет 1.29. Относительное отклонение при анализе эталонных жидкостей рассчитывалось по формуле:
, % (2)
где µр – расчётная вязкость, сП; µТ – табличная вязкость, сП.
Результаты измерений приведены в таблице и на рис. 2. Как видно из таблицы и рисунка, использование стандартного подхода в расчёте вязкости в диапазоне от 50 до 1,5 сП удовлетворяет требованием заявленной в инструкции по эксплуатации погрешности определения ± 2,5 %. Однако при анализе жидкостей с вязкостью ниже 1 сП наблюдается существенное отклонение замеренной величины от истинного значения, которое с понижением исследуемой вязкости становится весьма значительным и достигает 80 % и более (рис. 2).
Результаты замера и расчёта вязкости эталонных жидкостей в соответствие с инструкцией по эксплуатации
Скорость потока жидкости при замере, см3/мин
Перепад давления между датчиками на входе и на выходе капилляра, МПа
Величина относительного отклонения при замере вязкости на капиллярном вискозиметре с постоянным Kv = 1.29
Справочная или замеренная на шариковом вискозиметре
Замеренная на капиллярном вискозиметре при использовании постоянного Kv = 1.29
