Расход жидкости и скорость движения

Перемещение жидкости по трубопроводам, каналам, аппаратам происходит в следствии перепада давления, создаваемого разностью уровней жидкости или работой специальных машин – насосов. Объем жидкости, протекающий через какое-либо сечение потока в единицу времени, называют объемным расходом жидкости Q.

Как было показано выше, вследствие влияния сил вязкости (трения) в разных точках поперечного сечения потока скорость частиц жидкости неодинакова: по оси потока она максимальна, а у стенки трубопровода равна нулю. Поскольку установить распределение скоростей по поперечному сечению потока часто затруднительно, в инженерных расчетах обычно используют так называемую среднюю скорость; при этом допускают, что все частицы потока движутся с одинаковой скоростью. Такая условная скорость w определяется отношением объемного расхода жидкости Q к площади сечения потока S:

w = Q/S (1)

тогда объемный расход жидкости Q (м³/с, м³/ч) и ее массовый расход М (кг/с, кг/ч) определяются соответственно уравнениями: Q=wS; М= wSp. (2)

уравнения 1 и 2 называют уравнениями расхода и широко используют в расчетах трубопроводов и химических аппаратов.

Виды движения.

В зависимости от изменения параметров процессы подразделяют на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). При установившемся движении жидкости dw /dτ =0, скорость не зависит от времени, и течение в любом месте потока остается неизменным, т.е. скорость является функцией только пространственной системы координат w=f (x, y, z). При неустановившемся движении dw /dτ ≠ 0, и скорость изменяется не только в пространстве, но и во времени. В этом случае w=f (x, y, z, τ). В качестве примера неустановившегося движения можно привести истечение жидкости из отверстия в сосуде: без подачи в сосуд жидкости уровень в нем понижается, при этом скорость истечения жидкости уменьшается во времени.

При течении жидкости режим ее движения может быть ламинарным или турбулентным.

При ламинарном режиме, наблюдающимся при малых скоростях или значительной вязкости жидкости, она движется параллельными струйками, не смешивающимися друг с другом. Струйки обладают различными скоростями, но скорость каждой струйки постоянна и направлена вдоль оси потока. Скорость частиц по сечению трубы изменяется по параболе: от нуля у стенок трубы до максимума у ее оси. При этом средняя скорость жидкости равна половине максимальной Wср = 0,5 W max. Такое распределение скорости устанавливается на некотором расстоянии от входа в трубу.

При турбулентном движении частицы жидкости движутся с большими скоростями в различных направлениях, но пересекающимся путем. Движение носит беспорядочный характер, причем частицы движутся как в осевом так и в радиальном направлении. В каждой точке потока происходят быстрые изменения скорости во времени - так называемые пульсации скорости. Однако значение мгновенных скоростей колеблются вокруг некоторой средней скорости. Но и при турбулентном движении в очень тонком слое у стенок трубы движение носит ламинарный характер. Этот слой толщиной s называется ламинарным пограничным слоем. В остальной части (ядре) потока, вследствие перемешивания жидкости, распределение скоростей более равномерно, чем при ламинарном движении, причем Wср ≈ 0,85 W max.

Опыты, проведенные в 1883 году О. Рейнольдсом, показали, что характер движения жидкости зависит от средней скорости W жидкости, от диаметра d трубы и от кинематической вязкости V жидкости. Переход одного вида движения в другой происходит при определенном значении комплекса перечисленных величин, названного критерием Рейнольдса: Re = Wd / V.

Критерий Рейнольдса является безразмерной величиной, что легко доказать подставив входящие в него величины в одинаковой системе единиц, например в системе СИ. /Re/ = (м/сек * м /// м²/сек).

Выражения критерия Re, которыми пользуются в расчетах

Re = Wd / V = Wdρ / µ = Wd / µ

V- кинематическая вязкость, ρ – плотность, µ- динамическая вязкость, W-массовая скорость.

Из этих выражений следует, что турбулентное движение возникает с увеличением диаметра трубы, скорости движения и плотности жидкости или с уменьшением вязкости жидкости.

Величина Re, соответствующая переходу одного вида движения в другой, называется критическим значением критерия Re, причем для прямых труб Re пр ≈ 2300 - движение устойчивое ламинарное; при Re < 2300, при Re >2300 движение турбулентно, однако устойчивый (развитый) турбулентный характер оно приобретает при Re>10000. В приделах Re от 2300 до 10000 турбулентное движение является недостаточно устойчивым (переходная область).

3. основные физические свойства нефти и нефтепродуктов. Методы определение плотности, вязкости, показателя преломления. Взаимосвязь различных свойств. Фракционный состав как основной показатель в структурной схеме переработки нефти на НПЗ.

Нефть и нефтепродукты представляют собой сложные смеси у/в и их гетеропроизводных. В технологических расчетах при определении качества сырья продуктов нефтепереработки и нефтехимии пользуются данными технического анализа (определение некоторых физических, химических и эксплуатационных свойств н/п).

Используют следующие методы: плотность, вязкость, мокулярная масса, (температура вспышки, воспламенения, самовоспламенения, кипения), низкотемпературные свойства (температура помутнения, застывания, кристаллизации), показатель преломления, цвет, тепловые свойства н/п (теплопроводность, теплоемкость, теплота сгорания, теплосодержание).

Фракционный состав. Фракционированием называется разделение сложной смеси компонентов на смеси более простого состава или в пределе на индивидуальные составляющие. Применительно к нефти разделение можно производить различными методами, основанными на различии физических и физико-химических свойств веществ нефти. В техническом анализе нефти, моторных топлив и углеводородных газов основным методом фракционирования является разделение по Т кипения, т.е. перегонка и ректификация.

В технических условиях на автомобильные бензины, авиационные, тракторные и осветительные керосины, дизельное топливо, а также растворители, одним из важных показателей является фракционный состав. Для эти нефтепродуктов пи проведении разгонки в стандартных условиях нормируется: Т н.к., Т при которых отгоняются 10%, 50%, 90%, 95%, Т к.к., выход, остаток, потеря.

Тн.к. и особенно температура выкипания 10% топлива характеризует пусковые свойства топлива. Чем ниже эта Т°С, тем больше в топливе легко испаряющихся веществ и тем легче при более низкой температуре запустить холодный двигатель.

Т°вык 50% топлива оказывает решающее влияние на быстроту прогрева запущенного на холоде двигателя и на соответствующий расход толива.

Не меньшее значение имеет и полота испарения топлива, что по данным стандартной разгонки хорошо характеризуется температурами выкипания 90%, 95%, 98% и Т к.к. При повышении этих температур уменьшается полнота испарения топлива, что влечет за собой неравномерность в его распределении по цилиндрам двигателя.

Определение фракционного состава в лабораторных условиях.

В чистую сухую колбу с помощью цилиндра наливают 100 мл испытуемого нефтепродукта Т°= 20±3°С. Затем в шейку колбы вставляют на хорошо пригнанной пробке термометр с градуировкой от 0° до 360°С. При этом ось термометра должна совпадать с осью шейки, а вверх ртутного шарика находится на уровне нижнего края отводной трубки в месте ее припая. Протирают отводную трубку холодильника и соединяют с ней отводную трубку колбы при помощи пробирки. Отводная трубка колбы холодильника на 25-40 мм и не касаться ее стенок.

При разгонке бензинов ванну холодильника заполняют льдом и заливают водой, поддерживая Т от 0° до 5°С. При разгонке вышекипящих нефтепродуктов осаждение проводят проточной водой, подавая ее через нижний патрубок и отводя через верхний. Температура отходящей воды не должна превышать 30 Т°С. В собранном приборе колба должна стоять строго вертикально. Затем колбу закрывают кожухом. Мерный цилиндр, не высушивая, ставят под нижний конец трубки холодильника так, чтобы трубка холодильника входила не менее, чем на 35 мм, но не ниже метки 100мл.

Термометр на 360 Т°С с ценой деления в 1°С устанавливается строго вертикально по оси линейки колбы. Верх ртутного шарика термометра должен находиться на нижнем уровне отводной трубки. Колбу закрывают кожухом. Нагрев постепенно увеличивают. Падение одной капли замечают как температуру начала кипения. Отмечают Тн.к., Т10%, Т50%, Т90%, Т95%, Тк.к. Замеряют остаток, выход и рассчитывают потери:

100 - (вых. + ост.)=потери %

Скорость перегонки 4-5 мл в 1минуту или 20 капель в 10 секунд. Нагрев отключают, дают конденсату стечь примерно 5 минут. Аппарат разгружают после полного охлаждения. Замеряют выход в цилиндре. Замеряют остаток в перегонной колбе. Рассчитывают потери при перегонке. Расхождения между параллельными определениями для Тн.пер. -4 °С, а для Т°С конечной и промежуточной точке -2 °С и 1мл в цилиндре, для остатка 0,2 мл.

Плотность – это масса вещества заключенная в единицу объема.

Абсолютная плотность – масса вещества содержащегося в единице объема. За единицу массы принимают гр, кг, а за единицу объема см³, м³.

Относительная плотность – ρ = t2 / t1., безразмерная величина, показывающая отношение ρ н/п при температуре t2 к плотности дистиллированной воды t1.

Стандартная температура для t1=4С, t2=20С.

T1=t2=60◦F (15◦C) считают плотность ρ²⁰₄ или ρ¹⁵₁₅,

Ρ²⁰₄ = ρ^t₄ + j (t-20)

j- поправка на изменение ρ при изменении температуры на 1◦С

методы определения плотности.

1) С помощью ареометра точность до 0,001 для маловязких, 0,005 для вязких н/п

ρ²⁰₄ = ρ¹⁵₁₅-5а

ρ смеси = V₁ ρ₁+V₂ρ₂+ … ρ = G₁ + G₂ + G_{n ….} G – масса компонента смеси

V ₁+ V ₂ G ₁ + G ₂ + G _n

Ρ₁ ρ₂ ρ_n

Ρ_{н =} 2ρ_см – ρ_к

2) пикнометрический метод – более точный (до 0,0005)

Вязкость – характеризует прокачиваемость нефти при транспортировании ее по трубопроводу. Прокачиваемость топлива в двигателях внутреннего сгорания и поведения смазочных масел в механизмах. Различают динамическую, кинематическую и условную.

Динамическая вязкость измеряется в ….. η (пз) см/сек²

Киниматическая вязкость измеряется в сантистоксах или в стоксах (сст,ст)

Условная вязкость применяется для оценки высоковязких н/п и подобным им жидкостей. Это отношение истечения из стандартного вискозиметра определенного объема испытуемой жидкости ко времени истечения дист. воды такого же объема при 20◦С. Чем выше температура выкипания н/п, тем выше ее вязкость.

Индекс вязкости - сравнительная характеристика испытуемого масла и эталонного. Подсчитывают по таблице на основании значения кинематической вязкости при температуре 50С и 100С. (имеет ограничения – не отражает поведение масел при 40С)

Метод Дина и Девиса – это отношение вязкости исследуемого масла при температуре 37,8С (100 F) и 98,9С (210 F) к вязкости при этих температурах эталонных масел. кинематическую вязкость определяют с помощью вискозиметра (основанного на определении текучести жидкости через капилляры).

По показателю преломления можно судить о групповом у/в составе н/п, а в соотношении с плотностью и молекулярным весом можно рассчитать структурно-групповой состав у/в фракций. Чем выше плотность н/п, тем выше его показатель преломления. При одном и том же числе у/в атомов в молекуле показатель преломления увеличивается в следующей последовательности: парафиновые у/в, олефиновые у/в, нафтеновые у/в, ароматические у/в. При одинаковом количестве СО2 и Н2 атомов показатель преломления циклических у/в выше чем алифатических у/в. Определяют показатель преломления на приборе – рефрактометре.