La viscosità è una misura della resistenza di un fluido al flusso. È una delle proprietà più importanti dei fluidi e svolge un ruolo importante nell'industria petrolifera.
La viscosità del petrolio greggio influisce sulla nostra capacità di estrarlo dal suolo; la viscosità e la volatilità del carburante influiscono sulla facilità con cui si atomizza negli iniettori di carburante; e la viscosità di un lubrificante influisce sulla sua capacità di proteggere il motore.
Si tratta di una caratteristica di misura importante negli alimenti, nelle vernici, nei rivestimenti polimerici e in altri settori in cui il flusso di convezione è una caratteristica critica del prodotto o dell'uso.
Piccoli cambiamenti nella viscosità possono avere un enorme impatto sulle proprietà dei fluidi petroliferi. L'importanza della misurazione della viscosità cinematica ha portato l'industria petrolifera a sviluppare un metodo accurato, pubblicato per la prima volta nel 1937, ASTM D445, Metodo di prova per la viscosità cinematica di liquidi trasparenti e opachi.
Il termine "cinematica" significa semplicemente che le misurazioni vengono effettuate mentre il fluido scorre sotto l'influenza della gravità. Viene determinato misurando il tempo necessario affinché un volume di fluido scorra per gravità attraverso un viscosimetro capillare di vetro calibrato.
Anche se sembra semplice, raggiungere l’elevata precisione e precisione richieste dal settore è un compito estremamente difficile. Ci sono molti fattori che influenzano l’accuratezza di questo metodo di prova.
Da un punto di vista economico, un errore dell’1% nella viscosità del prodotto che si traduce in un aggiustamento della miscela può facilmente aggiungere un centesimo per gallone al costo del prodotto. Per un importante produttore di lubrificanti, ciò potrebbe comportare una perdita di entrate di 1 milione di dollari o più all’anno.
temperatura
Come dice il proverbio, "Il fattore più importante che influenza il valore di una casa è la posizione, la posizione, la posizione". Quando si tratta di misurazioni della viscosità, "il fattore più importante che influenza la qualità delle misurazioni della viscosità è la temperatura, la temperatura, la temperatura".
Il controllo della temperatura è il parametro più importante per ottenere misurazioni della viscosità cinematica accurate e precise. Ciò è particolarmente vero per i prodotti petroliferi perché il loro tasso di variazione della viscosità per unità di temperatura è significativamente maggiore rispetto ad altri prodotti.
Pertanto, piccoli cambiamenti di temperatura possono avere un grande impatto sulla viscosità di un fluido. Le temperature del bagno misurate più comunemente di 40 gradi e 100 gradi devono essere controllate entro +/- 0,02 gradi. Si tratta di una finestra molto ristretta e occorre prestare molta attenzione per ottenere questo controllo.
Ci sono molti fattori che influenzano la temperatura:
termometro. Quando si misura la viscosità, è necessario utilizzare un termometro specifico o un altro dispositivo di rilevamento della temperatura con la precisione specificata e che soddisfi i requisiti del metodo di prova.
Leggere un termometro con precisione fino a 0,01 gradi può essere difficile, quindi si consiglia di utilizzare una lente d'ingrandimento. Il termometro deve essere immerso nella vasca alla profondità corretta. Deve essere calibrato a +/- 0,02 gradi almeno una volta all'anno. Inoltre, ogni sei mesi si dovrebbe determinare il punto di congelamento del termometro e applicare un fattore di correzione.
La procedura per calibrare un termometro è complessa ed è descritta in ASTM E77, Metodi di prova per l'ispezione e la verifica dei termometri. Poiché il controllo della temperatura è un parametro così importante, si consiglia di utilizzare due termometri per bagno.
La temperatura del bagno è uniforme e stabile. L'uniformità e la stabilità della temperatura del bagno sono altri parametri importanti. L'intera lunghezza del viscosimetro deve essere mantenuta alla temperatura adeguata. Il tipo di circolatore utilizzato, l'età del fluido del bagno e la viscosità del fluido del bagno influiscono sull'uniformità della temperatura.
La viscosità del circolatore e del fluido del bagno deve essere bilanciata per fornire una temperatura uniforme in tutto il bagno. I fluidi del bagno devono essere cambiati completamente prima che inizino a cambiare colore, poiché lo scolorimento di solito indica che il fluido si è ossidato e la viscosità potrebbe essere aumentata.
La vasca da bagno non deve essere posizionata vicino alle aperture di ventilazione, ad esempio in una cappa aspirante, poiché ciò provoca spesso eccessivi gradienti di temperatura nella vasca da bagno. Se si aggiunge un secondo viscosimetro al bagno di prova mentre per le misurazioni viene utilizzato un altro viscosimetro adiacente, la stabilità della temperatura verrà influenzata negativamente.
illuminazione. Mentre si trova nel bagno, il campione nella provetta deve avere un'illuminazione adeguata per garantire un'ispezione visiva coerente del menisco lungo tutta la sequenza temporale. È importante notare che questa illuminazione non influisce sul controllo e sulla stabilità della temperatura del bagno.
Questi requisiti di temperatura non dovrebbero essere presi alla leggera, poiché piccoli cambiamenti di temperatura possono causare grandi cambiamenti nella viscosità di alcuni tipi di prodotti petroliferi.
Viscosimetro
Tutti i viscosimetri richiedono per la costruzione vetro borosilicato a bassa espansione completamente ricotto. Ci sono molti fattori da considerare quando si seleziona la dimensione del viscosimetro richiesta per l'analisi del campione. Innanzitutto, il viscosimetro deve essere calibrato per calcolare la viscosità.
Questa procedura è descritta in ASTM D446, Specifiche e istruzioni operative per viscosimetro cinematico capillare in vetro. Gli standard di viscosità vengono utilizzati per determinare le costanti del viscosimetro. Sebbene un singolo standard sia sufficiente per ottenere una costante, l'utilizzo di due standard che coprano l'intervallo capillare produrrà una costante di calibrazione più affidabile.
Gli standard di viscosità hanno una data di scadenza e non devono essere utilizzati oltre tale data. È possibile acquistare un viscosimetro calibrato che abbia una costante alla temperatura adeguata. Poiché per alcuni tipi di viscosimetri la costante del viscosimetro cambia con la temperatura, è importante calcolare la costante del viscosimetro per la temperatura del campione analizzato. Le costanti del viscosimetro devono essere verificate almeno una volta all'anno.
Il viscosimetro deve essere dimensionato in modo che il tempo di flusso per la determinazione manuale sia di almeno 200 secondi; altrimenti la coordinazione occhio-mano sarà un fattore significativo. L'operatore attende che il menisco del fluido passi la linea di temporizzazione e misura il tempo di flusso utilizzando un orologio o un cronometro. È necessario un tempo di flusso superiore a 200 secondi per eliminare possibili variazioni dell'operatore.
Ovviamente per l'analisi è necessario utilizzare una provetta del viscosimetro pulita, ma cosa significa esattamente "pulito"? Il tubo deve essere privo di polvere o altre particelle e il liquido deve bagnare chiaramente la superficie del vetro.
In genere, è sufficiente risciacquare più volte con un solvente campione come la nafta, seguito da un solvente secco come l'acetone, quindi spurgare con un gas secco e privo di polvere come aria o azoto. Anche il solvente deve asciugarsi senza lasciare residui. Ciò è particolarmente preoccupante se vengono utilizzati solventi commerciali o di uso quotidiano.
I residui di campioni precedenti rivestiti all'interno del viscosimetro possono essere rimossi con una soluzione detergente Chromic Acid 1 o una soluzione detergente fortemente ossidante che non contenga cromo. 2
Non utilizzare mai detergenti liquidi alcalini o soluzioni detergenti con un pH superiore a 8.0 poiché modificherebbero effettivamente la dimensione del capillare sciogliendo le pareti di vetro, modificando così le costanti di calibrazione.
Questi tipi di fluidi si trovano comunemente nei laboratori di analisi e possono essere utilizzati per altre applicazioni, ma se utilizzati per pulire le provette richiederanno la ricalibrazione delle provette. Un altro modo per modificare in modo significativo la costante di calibrazione del viscosimetro della dimensione minima è immergere la provetta in acqua bollente durante la notte. Il tubo può essere pulito ma dovrà essere ricalibrato prima dell'uso.
Anche il tubo deve essere asciutto prima dell'uso. Si consiglia di utilizzare aria secca e priva di polvere o azoto.
Quando sospeso in un bagno a temperatura costante, il tubo deve trovarsi nella posizione verticale specificata, privo di vibrazioni e alla profondità di immersione specificata. Seguire le istruzioni del produttore e le istruzioni nel metodo di prova.
dispositivo di cronometraggio
Il dispositivo di cronometraggio deve essere preciso entro +/- 0.07% della lettura e deve essere in grado di leggere entro un intervallo di risoluzione di 2,000 secondi o 0,1 secondi per una parte per un tempo di flusso di 200 secondi. È necessario prestare attenzione quando si utilizzano dispositivi di cronometraggio elettronici poiché la corrente alternata potrebbe non fornire la precisione richiesta.
Elaborazione del campione
Se sono visibili particelle, è necessario raccogliere un campione filtrato. Ciò è particolarmente importante quando si analizza l'olio usato. Poiché il campione deve essere privo di aria, è necessario lasciarlo solidificare per dissipare l'eventuale aria intrappolata. Proprio come i fluidi detergenti corrosivi modificano le costanti di calibrazione, lo stesso vale per i campioni corrosivi (pH elevato).
All’aumentare del pH del campione, la variazione della costante aumenta più velocemente. Più piccolo è il capillare, più rapidi saranno i cambiamenti costanti. Dopo aver analizzato un campione caustico, potrebbe essere necessario ricalibrare la provetta, sebbene i campioni molto caustici non si trovino tipicamente nell'industria petrolifera.
I campioni devono essere equilibrati alla temperatura di analisi richiesta. Potrebbero essere necessari fino a 30 minuti, alcuni materiali potrebbero richiedere più tempo.
Per ciascun campione devono essere ottenute due misurazioni del tempo di flusso. Se due determinazioni della viscosità cinematica calcolata dalle misurazioni del tempo di flusso sono coerenti con i limiti di misurabilità specificati per il tipo di campione da testare, deve essere riportata la media delle due determinazioni.
Se le incoerenze vengono determinate due volte all'interno dell'intervallo di determinabilità specificato, la misurazione deve essere ripetuta dopo che le possibili cause sono state indagate e corrette. La colpa potrebbe essere un viscosimetro sporco, una temperatura del bagno errata o un tempo di equilibrazione.
Viscosimetro automatico
I viscosimetri automatizzati sono utilizzati nell'industria petrolifera da oltre 30 anni per determinare la viscosità cinematica D445. Simulano le condizioni fisiche, le operazioni o i processi delle apparecchiature manuali e devono soddisfare la precisione specificata dal metodo.
Tutti i requisiti tranne uno dei requisiti di cui sopra si applicano ugualmente agli strumenti automatizzati. Per gli strumenti automatizzati, i requisiti di tempo di flusso superiori a 200 secondi una volta venivano attenuati. Il sottocomitato ASTM D02.07 Caratteristiche di flusso, responsabile di questo metodo di prova, sta attualmente determinando il tempo di flusso minimo consentito per questi strumenti automatizzati.
Se il requisito del tempo di flusso viene effettivamente allentato, entreranno in gioco due requisiti aggiuntivi. Innanzitutto, il calcolo della viscosità cinematica dalle costanti del tubo e dai tempi di flusso può richiedere un termine aggiuntivo, il fattore di correzione dell’energia cinematica. Questo fattore tiene conto dell'energia esercitata per accelerare il fluido mentre scorre dal serbatoio al tubo capillare.
Per tempi di flusso più lunghi, questa correzione è trascurabile. In secondo luogo, il dispositivo di cronometraggio deve mantenere la risoluzione e la sensibilità di rilevamento di 1 parte su 2000.
Controllo qualità
I campioni di controllo qualità devono essere utilizzati periodicamente per monitorare il sistema di misurazione e verificare che i risultati rientrino nell'accuratezza del metodo di prova.
Dovrebbe essere utilizzato qualsiasi campione che abbia una composizione simile a quelli normalmente analizzati. ASTM D6299, Pratica standard per l'applicazione di tecniche statistiche di garanzia della qualità per valutare le prestazioni del sistema di misurazione analitica, fornisce informazioni dettagliate sui sistemi di controllo della qualità.
generalizzare
Il metodo di prova per la viscosità cinematica di liquidi trasparenti e opachi è uno dei test più critici nell'industria petrolifera. È stato utilizzato dal 1937, ma il metodo viene costantemente migliorato. La tecnica sembra semplice, ma molti fattori influenzano la precisione della misurazione. Il rispetto di tutti i requisiti per l'esecuzione di un metodo di prova consentirà al laboratorio di soddisfare o superare l'accuratezza specificata.
Note dell'autore
L'acido cromico è pericoloso per la salute e deve essere maneggiato con cautela. È tossico, cancerogeno riconosciuto, altamente corrosivo e potenzialmente pericoloso a contatto con materiali organici.
Le soluzioni detergenti fortemente ossidanti che non contengono cromo sono anche altamente corrosive e potenzialmente pericolose se entrano in contatto con materiali organici.
