atorio de Operaciones Unitarias I

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1 Labora atorio de Operaciones Unitarias I 1 República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Instituto Universitario de Tecnología Alonso Gamero Laboratorio de Procesos Químicos Operaciones Unitarias I PRÁCTICA VISCOSIMETRÍA OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA: - Manipular un Viscosímetro de Saybolt Univer rsal. - Determinar cinemática la de viscosidad un aceite lubricante comercial a distintas temp peraturas. - Determinar la viscosidad absoluta de un aceite lubricante comercial. - Clasificar el aceite lubricante según el grado de viscosidad establecido en la norma Covenin 1121: : Graficar el comportamiento de la viscosidad d Cinemática del Lubricante en función de la temperatura. FUNDAMENTOS TEÓRICOS: Viscosidad absoluta y cinemática. La viscosidad absoluta de la mayoría de los fluidos muestra una gran variación con la temperatura; pero es relativamente insensible a la presión, a menos que ésta alcance valores elevados. Para los gases que están a una temperatura doble de la crítica, las variaciones de la viscosidad con la presión son insignificantes, hasta que se alcanzann valores de la presión muy próximos a la presión crítica. En el caso del aire a la temperatura ambiente, las presiones a las que son notables las variaciones de viscosidad, son de aproximadamente 350 kg/cm 2. En la mayoría de los casos de interés, puede desecharse el efecto de la presión sobre la viscosidad de los líquidos. Por ejemplo, para un cálculo aproximado del efecto de la presión en los aceites derivados del petróleo, se supone que un incremento de 15 kg/cm 2 en la presión, produce un cambio en la viscosidad equivalente a la reducción de 1 F (-17.2 C) en la temperatura. Los cambios de temperatura originan variaciones opuestas en la viscosidad de los líquidos y los gases. Así, una disminución de temperatura hace decrecer la viscosidad de un gas, mientras que en los líquidos la aumenta. Este aumento de viscosidad en los líquidos, al reducirse la temperatura, queda claramente

2 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 2 comprobado, cuando pretendemos poner en marcha un automóvil en los fríos días del invierno. Las diferencias en la variación de viscosidad con la temperatura, en líquidos y gases, se comprenden cuantitativamente, si analizamos los mecanismos básicos que dan origen a la viscosidad. Se ha determinado que este mecanismo en los gases, a bajas presiones, es predominantemente un intercambio molecular de cantidades en movimiento. Puesto que las moléculas de los gases están en continuo movimiento, podemos suponer que cuando una corriente de gas fluye en una dirección dada, tendrá lugar algún movimiento molecular en la dirección normal del flujo. Las moléculas con menor velocidad emigran hacia las zonas de mayor velocidad de flujo, chocan con otras y las obligan a reducir su velocidad. También se registra una migración general de las moléculas de mayor velocidad a las zonas más lentas, con el consiguiente intercambio de las cantidades de movimiento, los cambios de cantidad de movimiento de las moléculas entre las diversas capas del gas, son la causa del fenómeno que interpretamos como esfuerzo tangencial viscoso. Se ha observado que la viscosidad de los gases aumenta con la temperatura y viceversa. No es fácil explicar el efecto de la temperatura sobre la viscosidad, en los líquidos. Una de las principales razones es que el mecanismo que da origen a la viscosidad de un líquido no se ha comprendido totalmente. H. Eyring y sus colaboradores, que han escrito ampliamente sobre la viscosidad en los líquidos, propusieron un modelo más o menos aplicable. Este modelo se basa en el concepto de la existencia de huecos en un líquido, hacia los que emigran las moléculas líquidas, a condición de que puedan vencer ciertas barreras que las rodean. Un esfuerzo tangencial aplicado a un líquido que fluye, ocasiona una distorsión en las barreras de potencial e incrementa la frecuencia de los reacomodos moleculares. De esta forma, se puede calcular la velocidad molecular relativa, en la dirección del flujo, y determinar el gradiente de velocidad normal a la dirección del flujo. Si se conoce el gradiente de velocidad, se puede encontrar una expresión de la viscosidad. Las unidades de viscosidad cinemática son el stoke y el centistoke. La viscosidad cinemática de los aceites se determina, a menudo, con un instrumento llamado viscosímetro universal Saybolt. La parte fundamental de este aparato es un recipiente cilíndrico que tiene un orificio especial en su base. El líquido que se va a examinar se vierte en el recipiente y se le permite desaguar a un vaso

3 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 3 también especial. El tiempo, en segundos, que necesita el líquido para llegar a cierto nivel del vaso, es una medida de su viscosidad cinemática. Las unidades de viscosidad cinemática así determinadas son "segundos universales Saybolt". Estas unidades se pueden convertir a métricas, utilizando la fórmula: Donde t s viene dado en segundos universales Saybolt. La viscosidad de un fluido newtoniano depende principalmente de la temperatura y la estructura molecular y en menor extensión de la presión, excepto en el caso de presiones muy altas. Las viscosidades de los gases a temperatura ambiente están por lo general entre y 0.02 cp. No hay una correlación simple con el peso molecular. A 20 C la viscosidad es de cp para el aire, cp para el dióxido de carbono, cp para el vapor de benceno y cp para el hidrógeno. Las viscosidades de los gases aumentan con la temperatura, como lo predice la teoría cinética. La viscosidad de un gas es casi independiente de la presión en la región donde se aplica la ley de los gases ideales. A muy altas presiones la viscosidad se incrementa, especialmente en la cercanía del punto crítico. Las viscosidades de los líquidos son generalmente mucho más grandes que las de los gases y abarcan distintos órdenes de magnitud. En general, la viscosidad se incrementa con el peso molecular y decrece significativamente cuando se aumenta la temperatura. Por ejemplo, la viscosidad del agua cae desde 1.79 cp a 0 C hasta 0.28 cp a 100 C. La viscosidad de un líquido aumenta con la presión, pero el efecto es generalmente insignificante a presiones menores de 40 atm. En el apéndice 9 se proporcionan datos para líquidos comunes en un amplio intervalo de temperaturas. Las viscosidades absolutas de los líquidos varían en un enorme intervalo de magnitudes, desde casi 0.1 cp para líquidos cerca de su punto de ebullición hasta tanto como 10 6 P para polímeros fundidos. Los materiales extremadamente viscosos son no newtonianos y no poseen una viscosidad única que sea independiente de la velocidad de corte. La viscosidad es una propiedad de gran importancia en el estudio de los fluidos para el transporte de ellos. Viscosidad Cinemática: es una medida de la resistencia interna de un líquido o un gas a fluir por gravedad, siendo la presión en el cabezal impulsor proporcional a la densidad del fluido. Esta propiedad se determina mediante el uso de un instrumento denominado Viscosímetro. Existen gran variedad de estos instrumentos de acuerdo a su construcción u

4 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 4 operación; la utilización de estos va a depender del tipo de fluido a estudiar, del país en donde se encuentre o según de lo que se disponga al momento. En este caso se va a utilizar el Viscosímetro de Saybolt Universal (de origen americano), perteneciente a la clasificación de viscosímetro de tubos, igual que el de Ostwald- Cannon -Fenske-Ubbelohde con la diferencia que el primero es construido en material de metal y los segundos de vidrio en forma de U, no necesitando el primero calibración. La operación de estos, consiste en hacer pasar a través de un tubo capilar (calibrado) un flujo determinado de un fluido a una temperatura constante. Existen varios tipos de viscosímetros: el Viscosímetro de Oswalt, el Viscosímetro de Saybolt (El Universal, usado para ensayos de aceites lubricantes y El Furol, para aceites combustibles muy viscosos y otros aceites semejantes). Viscosímetro Saybolt Está provisto de un corto tubo capilar, midiendo el tiempo que tarda en fluir 60 cm 3 de fluido a través del tubo capilar (orificio universal calibrado) bajo consideraciones específicas. El tiempo en segundos es la lectura Saybolt. La ecuación empírica que aproximadamente relaciona a la viscosidad (v) con los segundos Saybolt es la siguiente: Donde: v = viscosidad cinemática en cm 2 /seg. θ =Segundos Saybolt en seg. MATERIALES Y EQUIPOS: Viscosímetro de Saybolt Universal Cronómetro Termómetro Aceite Lubricante Agua como sistema de enfriamiento Hornilla y gas como sistema de calentamiento Beaker de 600 ml. Guantes. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: El alumno dispondrá en el laboratorio del equipo que fue descrito en la sección anterior, adicionando a este el sistema de calentamiento que está formado por una hornilla que es alimentada a través de una bombona cuyo contenido es gas comercial. Los pasos a seguir de manera general son los siguientes: 1. Agregar el agua al depósito indicado (B). 2. Colocar en la parte inferior del depósito (A) el tapón de goma (E). 3. Llenar el depósito (A) con el fluido que se le va a medir la viscosidad. Antes de realizar este paso se debe filtrar el fluido de ser necesario. 4. Poner a circular el agua de enfriamiento que pasa a través del

5 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 5 depósito (B). Esta debe ser de un flujo estable. 5. Determinar la viscosidad a la temperatura ambiente Colocar un beaker debajo del tapón de goma Quitar el tapón de goma (E) En el momento que caiga la primera gota en el beaker empezar a cronometrar el tiempo Detener el cronómetro en el momento que se haya recolectado los 60 cm 3 de muestra Repetir los pasos 2, 3 y 5.1 hasta 5.4 dos veces más. 6. Determinar la viscosidad a temperaturas mayores a la del ambiente. 6.1 Se debe ajustar la temperatura al valor deseado. Para ello se enciende la hornilla (tomando en cuenta las medidas de seguridad pertinentes) Cuando se halla alcanzado la temperatura deseada (para ello se dispondrá de un termómetro que estará situado en el depósito (A), se realizaran los pasos descritos desde el 5.1 hasta Cuando ya se hayan realizado todas las pruebas necesarias, apagar la hornilla y dejar enfriar el viscosímetro a una temperatura razonable. MEDIDAS DE SEGURIDAD Se debe llevar la temperatura del fluido en estudio a 1.5 C del valor deseado. La persona que manipule el tapón debe usar guantes. Asegurarse de que las válvulas que regulan la alimentación de gas estén previamente cerradas. Luego proceder a abrirlas según como se los indique el profesor. Encender el fósforo antes de abrir la válvula que alimenta a la hornilla. RESULTADOS Se debe realizar una representación gráfica de la Viscosidad Cinemática en función de la temperatura. BIBLIOGRAFÍA Antonio Creus. Instrumentación y Control. Douglas Casidini. Manual de Instrumentación Tomo I. Arthur Hansem. Mecánica de los Fluidos. Mc Cabe; Smith; Harriot. Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Juan José Bolinaga. Mecánica Elemental de Fluidos.

6 Laboratorio orio de Operaciones Unitarias I 6 Partes internas de un Viscosímetro de Saybolt Universal.