DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DE UN LÍQUIDO

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Eduardo Palma Quintana
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1 BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DEL CURSO INGENIERÍA QUÍMICA PRACTICA I Profesores: Dr Edgar Ayala Herrera Cubículo: B mcedgarayala@yahoo.com.mx DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DE UN LÍQUIDO OBJETIVO Evaluar la viscosidad de un Fluido por medio de un viscosímetro de disco rotatorio (Viscosímetro Brookfield) TEORÍA Los Fluidos Newtonianos se definen como aquellos que, en régimen laminar, exhiben una proporcionalidad directa entre el esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad (denominado a veces como velocidad cortante): = La constante de proporcionalidad, llamada viscosidad, es independiente del gradiente de velocidad y para un fluido dado solo se ve afectada por la temperatura y la presión. Debido a que en los Fluidos Newtonianos la energía cinética que provoca el movimiento del fluido se disipa por la colisión de moléculas relativamente pequeñas, este comportamiento se encuentra en todos los gases y es frecuente en líquido y soluciones de peso molar bajo. Los fluidos para los cuales la curva de flujo esfuerzo de corte vs. Gradiente de velocidad no es lineal y no cruza por el origen del sistema de coordenadas, para presión y temperatura fijas, se denominan No newtonianos. Estos fluidos se dividen en tres grandes grupos aunque, con mucha frecuencia, esta clasificación no es muy precisa y no distingue apropiadamente a los fluidos cuyo comportamiento se aleja de la Ley de newton. 1. Fluidos independientes del tiempo o fluidos puramente viscosos. Son aquellos en los que el gradiente de velocidad, para un punto dado, solamente depende del esfuerzo de corte instantáneo en dicho punto. 2. Fluidos dependientes del tiempo. En estos fluidos, el gradiente de velocidad depende tanto de la magnitud como de la duración del esfuerzo de corte y, probablemente del lapso de tiempo entre aplicaciones consecutivas de dicho esfuerzo. 3. Fluidos viscoelásticos. Son aquellos plásticos que muestran una recuperación arcial de su forma al dejar de aplicarse una fuerza externa. Estos materiales poseen propiedades tanto de fluidos como de sólidos elásticos.

2 A pesar de que están disponibles un gran número de viscosímetros muchas de ellos son inadecuados ara la obtención de datos para cálculos científicos o de ingeniería. Esto se debe a que distintos aspectos de su construcción hacen imposible la determinación del esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad en el mismo punto fijo del fluido bajo estudio. Como consecuencia, en la mayoría de los casos la curva de flujo no puede construirse con datos obtenidos en tales dispositivos. Muchos de esos instrumentos, científicamente poco satisfactorios, proporcionan valores de características que son funciones complejas de varias propiedades del fluido. Es por ello que estos dispositivos son útiles con propósitos de control de calidad de productos ya que los cambios en las lecturas de viscosidad denotan variación de las propiedades del fluido con respecto a un estándar aceptado. PRELABORATORIO Qué es un fluido? Qué es un plástico? Cuáles son las dimensiones de la viscosidad? Cuáles son las unidades de la viscosidad en el Sistema Internacional? Cuáles son las unidades de la viscosidad en el Sistema Inglés? De cinco ejemplos de fluidos Newtonianos De cinco ejemplos de fluidos No-Newtonianos DESARROLLO DEL EXPERIMENTO Para la evaluación de la viscosidad se utilizará el Viscosímetro Brookfield Modelo RVT. Este dispositivo esta diseñado para medir la viscosidad de fluidos, tanto Newtonianos como No- Newtonianos, en el intervalo de 4,000 a 8,000,000 cp. En esencia, ese evalúa la viscosidad del fluido bajo estudio al medir el par (torque) necesario para lograr que un elemento móvil (aguja)

3 inmerso en el fluido alcance una velocidad de rotación específica. Para un fluido con una viscosidad dada, la resistencia será mayor conforme el tamaño de la aguja y la velocidad de rotación se incrementen. El viscosímetro Modelo RVT viene equipado con SIETE agujas y puede desarrollar OCHO velocidades de rotación. La lectura de par se traduce en viscosidad por medio de un factor de conversión empírico (denominado Factor Brookfield): ( ) = Factor lectura del viscosímetro En la Tabla 1 se presentan los factores de conversión para las velocidades de rotación que puede desarrollar el viscosímetro Modelo RVT. Tabla 1. Factores Brookfield para viscosímetros de la Serie RV RV Series Viscometer k.5 4k.5 8k.5 20k.5 80k k 1 2k 1 4k 1 10k 1 40k k 2 2k 2 5k 2 20k k 2.5 4k k k 4 2.5k 4 10k k 5 8k k 10 4k k Como se aprecia en la Tabla 1, el intervalo de viscosidad mínimo se alcanza con la guja de menor número, mientras que el intervalo de viscosidad máxima se logra con la aguja de mayor tamaño. En la presente práctica se evaluará la viscosidad de un fluido Newtoniano (glicerina) y se comprará el valor obtenido experimentalmente con el reportado en la literatura. MATERIAL DE LABORATORIO Nombre Cantidad Vaso de precipitado de 600 ml. 1 Termómetro de mercurio 2 SUSTANCIAS QUÍMICAS

4 Nombre Cantidad Glicerol anhidro 400 ml Agua para recirculación 51 Hielo 1 kg EQUIPO Nombre Cantidad Viscosímetro Brookfield (Modelo RVT) 1 Recirculador para agua de enfriamiento 1 PROCEDIMIENTO 1. Ensamble el viscosímetro de acuerdo al diagrama de la Figura 1. Figura 1. Diagrama esquemático del viscosímetro Modelo RVT.

Escala de medición (% de Torque) e indicador de nivel del viscosímetro 4.

5 2. Ajuste la protección de la aguja (Figura 2) al viscosímetro. Figura 2. Protección de aguja para viscosímetros de la Serie RV 3. Ajuste el nivel del viscosímetro utilizando los tornillos (Figura 1 ITEM 3) y el indicador de burbuja del viscosímetro (Figura 3). Figura 3. Escala de medición (% de Torque) e indicador de nivel del viscosímetro 4. Dada la viscosidad de la glicerina, se usará la aguja de menor número de las siente disponibles en el Modelo RVT. Acople al motor del viscosímetro la Aguja No. 1, observe que la aguja tiene cuerda izquierda. Figura 4. Montaje de la aguja en el viscosímetro

5. Coloque la aguja en el centro del vaso de precipitado que contiene la glicerina, procurando que el menisco de la misma coincida con la marca el nivel de la muestra en la aguja (Figura 5). Figura 5.

Para medir la viscosidad de ala muestra encienda el motor del viscosímetro y espere un momento hasta que la carátula con la escala de medida de par (% de torque) se estabilice.

6 5. Coloque la aguja en el centro del vaso de precipitado que contiene la glicerina, procurando que el menisco de la misma coincida con la marca el nivel de la muestra en la aguja (Figura 5). Figura 5.Diagrama esquemático del viscosímetro y la muestra bajo estudio. 6. Para medir la viscosidad de ala muestra encienda el motor del viscosímetro y espere un momento hasta que la carátula con la escala de medida de par (% de torque) se estabilice. El tiempo requerido para que se estabilice la carátula depende de la velocidad de rotación de la aguja y de las características del fluido bajo estudio. La viscosidad del fluido se obtiene multiplicando la lectura de par (% de torque) pro le factor Brookfield apropiado a la combinación aguja/velocidad de rotación (Tabla 1). Para una exactitud mayor se deben evitar lecturas de toque por debajo del 10%.para la combinación glicerina a temperatura ambiente y la Aguja No. 1 del viscosímetro serie RV se recomienda 5 y hasta 10 RPM. 7. Repita la medición introduciendo la muestra de glicerina en un recipiente de enfriamiento apropiado de tal forma que la temperatura de la glicerina sea de 20 C (Figura 6). Figura 6. Diagrama esquemático del viscosímetro, la muestra bajo estudio y el recipiente del enfriamiento

REPORTE 1. Determine la viscosidad de un fluido a temperatura ambiente para 5 y 10 RPM. 2. Determine la viscosidad e la glicerina a 20 C para 5 y 10 RPM. 3.

7 REPORTE 1. Determine la viscosidad de un fluido a temperatura ambiente para 5 y 10 RPM. 2. Determine la viscosidad e la glicerina a 20 C para 5 y 10 RPM. 3. Calcule el porcentaje de deviación de los valore e viscosidad obtenidos en los apartados 1 y 2 con respecto a los reportados en la literatura. 4. Discuta los resultados obtenidos y establezca sus conclusiones. BIBLIOGRAFÍA Bird R.B., Stewart W.T. y Lightfoot E.N. Transport Phenomena. 2a.Edición. John Wiley & Sons Brookfiel Dial Viscometer. Operatting Instructions. Disponible en Brookfield Engineering. More Solutions to Sticky Problems. Disponible en Geankoplis C.J. Procesos de transporte y principios de procesos de separación. 4a. Edición. CECSA Large N.A. Handbook of Chemistry. 15a. Edición. McGraw-Hill Ried R.C. Praunsnitz J.M. y O Connell J.P. The Properties of Gases and Liquids. 5a. Edición. McGraw-Hill Skelland A.H.P. Non-newtonian Flow and Heat Tranfer. 1a. Edición. John Wiley & Sons Gerhartz W., Yamamoto Y.S. Campbell F.T., Pfefferkorn R., y Rounsaville J.F. Ullman s Encyclopedia of Industrial Chemistry. 5a. Edición. Weinheim-VCH

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