Вязкость топлив

Под вязкостью, или внутренним трением жидкости понимают силу сопротивления сдвигу, возникающую при относительном дви­жении двух смежных ее слоев при данной температуре под дей­ствием внешних сил. Эта величина зависит не только от химиче­ского строения, но и от структуры жидкости. Бернал рассмат­ривает жидкость как однородную нерегулярную систему. Благодаря этому жидкость способна к аккомодации молекул различных раз­меров, что объясняет растворяющую способность жидкостей и их взаимную смешиваемость. Каждое соединение характеризуется определенной вязкостью, изменяющейся в зависимости от темпе­ратуры. В жидкостях, а следовательно, в углеводородных топлив­ных смесях вязкость определяется их составом. Введением в углеводородную среду некоторых полимеров в качестве добавок можно значительно улучшить вязкостно-температурную характери­стику смеси, в частности смазочных масел.

Исследуя при 20 °С зависимость вязкости органического соеди­нения от его молекулярного веса и структуры, Хюгель показал, что вязкость не зависит от структуры, если соединения содержат одинаковое число углеродных атомов на единицу объема.

При постоянной температуре вязкость возрастает с увеличе­нием молекулярного веса, степени разветвленности и компактности структуры молекулы углеводородов.

В табл. 38—41 приведены данные о вязкости и температуре за­стывания индивидуальных углеводородов различного строения которые по молекулярному весу могут быть составляющими среднедистиллятных топлив. Некоторые из приведенных соединений представляют особый интерес как источник получения термически стабильных с хорошей вязкостно-температурной характеристикой низкозастывающих жидкостей напряженно работающих гидравли­ческих систем.

Как видно из табл. 38—41, алкилароматические углеводороды с двумя и тремя циклами в молекуле характеризуются сравнитель­но низкими вязкостями и температурами застывания (плавления) даже при значительном молекулярном весе и высокой температуре кипения, что отличает такие углеводороды от углеводородов алкановой или циклановой структуры. Дифенилалканы отличаются благоприятным индексом вязкости, особенно соединения, содер­жащие в алкановом звене нормального строения 1—3 углеродных атома. Индекс вязкости дифенилалканов с алкильной группой изомерного строения снижается, приближаясь к значению этой величины для аналогичных структур дициклогексилалканов, ха­рактеризующихся в сравнимых температурных условиях более вы­сокой вязкостью.

Исследовалась вязкость в широком температурном интервале (от 150 до —40 °С) 36 моно- и бициклических углеводородов со­става С₁₂—С₂₄ (алкилзамещенных бензола и дифенилэтана, а так­же соответствующих алкилзамещенных циклогексана и дициклогексилэтана). При этом замечено трудно объясняемое явление.

В принятом температурном интервале метил ароматические угле­водороды характеризуются аномально высокими плотностью, вяз­костью и оптической характеристикой по сравнению с соответст­вующими неметилированными ароматическими углеводородами (табл. 42). Между гем их гидрированные аналоги — метилзамещенные цикланы — обладают уровнем вязкости, близким к уровню вязкости алкилцнкланов иного строения. Вязкость соединений од­ного и того же гомологического ряда существенно изменяется не только с температурой, но и со структурой молекулы углеводоро­дов (табл. 43).

Копылов и Сиротина рассчитали динамическую вяз­кость по уравнению Бачинского для прямогонных топлив Т-1 и Т-5, полученных из бакинских нефтей и выкипающих в пределах соответственно 145—280 °С (ГОСТ 10227—62) и 200—300 °С (ГОСТ 9145—59):

где А, ?, п — постоянные величины; t — температура, °С.

Максимальное отклонение от экспериментальных данных рас­считанного по этому уравнению значения вязкости для топлива Т-1 составляло ±2,8%, для топлива Т-5±1,45%.

Постоянные величины уравнения принимались равными:

Динамическая вязкость паров этих же топлив вычислена по экспериментальным кривым и с максимальной погрешностью 2% по уравнению:

? = аТ^п

где ? и n — постоянные, которые равны:

В табл. 44 и 45 приводятся вязкости жидких топлив и их паров.

На рис. 37 показана зависимость вязкости среднедистиллятных топлив (дизельных) от температуры. На характер наклона (по­логость) кривых большое влияние оказывает углеводородный со­став топлива. Пологая кривая вязкости свидетельствует о хороших низкотемпературных эксплуатационных качествах топлив.

Изменение вязкости среднедистиллятных топлив при темпера­турах выше температур начала их кристаллизации с достаточной для практики точностью описывается следующим уравнением Вальтера:

где ? — значение вязкости при температуре t, сст; С и b — постоянные величины для данной углеводородной смеси.

Величина коэффициента b зависит от химического состава смеси и ха­рактеризует ее вязкостно-температур­ные свойства подобно индексу вяз­кости. Вязкостно-температурная характеристика углеводородных сме­сей с одинаковым уровнем вязкости чем хуже, чем выше значение коэффи­циента b.

Б табл. 46 и 47 приведены вязко­стные характеристики 50-градусных топливных углеводородных фракций  полученных в промышленных усло­виях из нефтей различного происхож­дения, а также в процессе переработ­ки угля. Эти фракции выделены из прямогонных дистиллятов, выки­пающих в пределах 100—300^СС. 50 градусные фракции были разделены хроматографически на однотипные по строению группы углеводородов и освобождены от примесей: вла­ги, смол и микрозагрязиений.

Данные табл. 46 и 47 позволяют сделать следующие выводы. В смеси алканогциклановых углеводородов с возрастанием чис­ла колец и удлинением боковых цепей увеличивается вязкость, коэффициент уравнения Вальтера b и, следовательно, вязкость при низких температурах. Вязкость при 20 °С ароматических угле­водородов ниже вязкости близких по молекулярному весу циклановых углеводородов, независимо от числа циклов в молекуле. С увеличением длины боковых цепей это различие уменьшается. При одинаковых вязкостях, в отличие от ароматических углеводо­родов, циклановые углеводороды характеризуются более пологой кривой изменения вязкости с изменением температуры. Именно поэтому значение коэффициента b для ароматических углеводо­родов более высокое, чем для соответствующих циклановых угле­водородов.

Алкановые углеводороды нормального и изомерного строения имеют наиболее низкую вязкость и характеризуются наиболее по­логой кривой изменения вязкости с понижением температуры до величины, при которой еще не начинается их кристаллизация. Однако начало структурообразования алкановых углеводородов, особенно нормального строения, наблюдается при температуре более высокой, чем соответствующих по молекулярному весу циклановых и ароматических углеводородов. Поэтому с точки зрения эксплуатационных свойств по вязкостно-температурной характери­стике лучшими являются циклановые углеводороды. На втором месте следует поставить алкановые углеводороды изомерного строения. Требованиям по вязкостно-температурным свойствам ГОСТ 10227—62 на реактивные топлива будут в первую очередь удовлетворять циклановые моноциклические углеводороды со средним числом углеродных атомов в боковых цепях не более 4—5.

Наиболее эффективно снижают вязкость топлива при темпера­туре от 20 до —40 °С алкановые углеводороды, не кристаллизую­щиеся до —60 °С. Вязкость при 20 °С ароматических углеводоро­дов ниже вязкости соответствующих нафтеновых углеводородов, хотя кривая изменения их вязкости с изменением температуры не отличается необходимой пологостью.

Общая вязкостно-температурная характеристика среднедистиллятного топлива определяется химическим строением составляю­щих углеводородов, а не происхождением сырья и методом полу­чения топлива.

С увеличением давления вязкость углеводородов возрастает, причем тем больше, чем ниже температура жидкости. Так, для 1,1 -дифенилэтана при давлении, близком к 3400 ат, и температуре 100 °С вязкость увеличивается в 10 раз по сравнению с вязкостью при нормальном давлении, при 60 °С — в 21 раз, а при 38 °С — в 49 раз (табл. 48).