§ 8. Вязкость газов и углеводородных конденсатов

Вязкость газа в зависимости от изменения параметров, ха­рактеризующих его состояние, изменяется сложным образом. При низких давлениях и температурах свойства реальных га­зов приближаются к идеальным. Закономерности изменения вязкости газов при различных давлениях и температурах можно объяснить, исходя из некоторых положений кинетиче­ской теории газов. Динамическая вязкость газа связана с его плотностью , средней длиной свободного пробега молекул  и средней скоростью молекул v соотношением . (Ш.64)

По формуле (Ш.54) определяется зависимость динамиче­ской вязкости газа от давления и температуры. С повышением давления плотность газа возрастает, но при этом уменьшается средняя длина свободного пробега молекул, а скорость их не изменяется. Поэтому с увеличением давления динамическая вязкость газа вначале практически остается постоянной. Из формулы (III.54) также следует, что с увеличением темпера­туры вязкость_газа должна возрастать, так как средняя ско­рость молекул v увеличивается, а  и , остаются постоянными при постоянном объеме газа. Отмеченный характер изменения вязкости газов объясняется спецификой проявления внутрен­него трения. Количество движения из слоя в слой передается вследствие перелета молекул газа в движущиеся друг относи­тельно друга слои. При этом возникают силы, тормозящие дви­жение одного слоя и увеличивающие скорость движения дру­гого. С повышением температуры увеличиваются скорость и количество движения, передаваемое в единицу времени, и, следовательно, больше будет вязкость. Вязкость газов мало зави­сит от давлений, если они близки к атмосферному. Однако с повышением давления эти закономерности нарушаются — с увеличением температуры понижается вязкость газа, т. е. при высоких давлениях вязкость газов изменяется с повышением температуры аналогично изменению вязкости жидкости. Газы с более высокой молекулярной массой, как правило, имеют и большую вязкость. В сжатом газе перелет молекул в движу­щиеся друг относительно друга слои затруднен и передача ко­личества движения из слоя в слой происходит в основном, как у жидкостей, за счет временного объединения молекул на гра­нице слоев. При повышении температуры ухудшаются условия для объединения молекул вследствие увеличения скоростей их движения и поэтому вязкость сильно сжатых газов уменьша­ется с повышением температуры. На рис. III.4 приведена за­висимость динамической вязкости метана от давления и тем­пературы, а на рис. III.5 — вязкости различных газов при ат­мосферном давлении в зависимости от температуры. В широ­ком диапазоне давлений и температур вязкости смесей углево­дородных (неполярных) газов можно определить по графикам на рис. III.6, составленным в приведенных координатах на ос­нове закона соответственных состояний (по вертикальной оси отложено отношение вязкости  при различных давлениях к вязкости (₀ при атмосферном давлении).

Р ис. II1.4. Зависи­мость коэффициента динамической вязко­сти метана от дав­ления и температуры.

Р ис. II1.5. Динамическая вязкость газов при атмосферном давлении в зависимости от температуры: 1 — гелий; 2 — воздух; 3 — азот; 4 — угле­кислый газ; 5 — сероводород; 6 — метан; 7 — этилен; 8 — этан; 9 — пропан; 10 — n-бутан; 11 — i-бутан; 12 — пентан; 13 — гексан; 14 — гептан; 15 — октан; 16 — нонан; 17 — декан

Рис. II1.6, Зависимость отноше­ния вязкости /₀ от приведен­ных давлений и температур.

При содержании в газе более 5 % азота следует учитывать его влияние на вязкость газа и определять средневзвешенную вязкость смеси по формуле

 = y_a_a + (1—y_a)_у, (II1.55)

г де  — динамическая вязкость смесей углеводородных газов и азота; _a и _у — динамические вязкости азота (рис. Ш.7) и углеводородной части смеси газов; у_а — молярная доля азота в составе газа.

Рис. III.7. Зависимость динамической вязкости азота от давления и температуры

Для экспериментального определения вязкости газов при различных условиях разработано много методов. Основные из них — метод, основанный на измерении скорости падения ша­рика в исследуемом газе, методы, основанные на регистрации скорости вращения цилиндров и затухания вращательных колебаний диска, подвешен­ного в исследуемом газе.

Коэффициент динамиче­ской вязкости природных газов можно рассчитать по приведенным параметрам [25].

Например, при высоких давлениях (р>5 МПа) ко­эффициент динамической вязкости газа можно под­считать по формуле

( — ₀) ε = 10,810^-5 (II1.56)

Здесь ₀ - коэффициент динамической вязкости га­зов при давлении р=0,1 МПа, мПас

(III.57)

К оэффициент динамической вязкости стабильного конден­сата многих газоконденсатных месторождений при различ­ных давлениях и температурах (при 30t200 °С; 1р50,0 МПа) можно приближенно рассчитать по формуле

мПа-с. (III.58)

Зависимость вязкости жидких углеводородов при атмосфер­ном давлении от температуры и молекулярной массы показана на рис. III.8.

Рис. III.8. Зависимость коэффициента динамической вязкости жидких углево­дородов при атмосферном давлении от молекулярной массы при различных температурах