UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA FACULTAD DE INGENIERIA DE PETROLEOS
CRUDOS Y DERIVADOS
PRACTICA No.10 MÉTODO ESTÁNDAR PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD CINEMÁTICA DE LÍQUIDOS OPACOS Y TRANSPARENTES (Y CÁLCULO DE VISCOSIDAD DINÁMICA) NORMA ASTM (D 445 - 88)
PRESENTADO POR: OSCAR ALEXANDER DIAZ DIAZ CÓD. 20122115000 CAMILO ALEJANDRO MUÑOZ CÓD. 20122115020 LEONARDO CERQUERA COD. 20131115635
EN LA ASIGNATURA DE: CRUDOS Y DERIVADOS
AL PROFESOR: MORALES HAYDEE
UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERIA DE PETROLEOS NEIVA 2016 1
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Objetivos
Objetivo general
Determinar la viscosidad cinemática de los productos líquidos del petróleo mediante la medición del tiempo de flujo de un volumen fijo de líquido a una temperatura dada.
Objetivos específicos
A partir de la viscosidad cinemática obtenida experimentalmente determinar la viscosidad dinámica o absoluta de los productos líquidos utilizados. Conocer la aplicación en la industria petrolera.
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Procedimiento
Se trabajó de acuerdo a la norma ASTM (D 445 – 88), solo que se obtuvo la viscosidad cinemática del crudo a dos temperaturas diferentes (135°F y 150°F), y del aceite lubricante a tres temperaturas distintas, 120°F, 135°F y 150°F. Para el crudo, se trabajó con un viscosímetro opaco, de dos bulbos de tamaño 100 y para el aceite lubricante con una viscosímetro claro, con un bulbo y de tamaño 200, marca Koehler.
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Tabla de datos y Resultados obtenidos
Tabla 1. Datos registrados para el crudo:
Sustancia
Crudo
Temperatura (°F)
Temperatura (°C)
Tiempo (s) Tiempo 1
Tiempo Total (s)
Tiempo 2
135
57.222
470
698
1168
150
65.556
426
635
1061
Tabla 2. Constantes del viscosímetro opaco de crudo:
Se utilizó viscosímetro tipo c.f. opaque de tamaño 100 con serial No. 2317 de la empresa technical glass products, inc.
Constante
L (lower bulb)
U (upper bulb)
40°C (104°F)
0.01432
0.00970
100°C (212°F)
0.01441
0.00978
Tabla 3. Datos registrados para el aceite lubricante:
Sustancia
Temperatura
Temperatura
(°F)
(°C)
Tiempo 1
Aceite
120
48.889
435
435
Lubricante
135
57.222
403
403
150
65.556
358
358
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Tiempo (s)
Tiempo Total (s)
Tiempo 2
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Tabla 4. Constantes del viscosímetro claro del aceite lubricante
Se utilizó viscosímetro marca Koehler tipo Cannon-Fenske Routine Viscometer For Tranparent Liquids de tamaño 200 con serial No. 2381.
Temperatura
Constante (mm2/s2)/S
40°C (104°F)
0.10237
100°C (212°F)
0.102
Tabla 5. Resultados Obtenidos
cSt
cP
Sustancia
100°F
210°F
100°F
210°F
C.G.V.
Crudo
8.879
4.533
7.592
3.558
0,849
Aceite lubricante
52.229
27.237
44.865
21.489
0,821
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Muestra de Cálculos CRUDO:
Calculo de la viscosidad cinemática:
Para el cálculo de la viscosidad cinemática tenemos primero que hallar el valor de las constantes a las temperaturas de las pruebas. Constante
L (lower bulb)
U (upper bulb)
40°C (104°F)
0.01432
0.00970
57.222°C (135°F)
0.014345833
0.009722962667
65.556°C (150°F)
0.014358334
0.009734074667
100°C (212°F)
0.01441
0.00978
Calculamos la viscosidad cinemática mediante la expresión:
= +2
Viscosidad cinemática a 135 °F:
℉ = (0.014345833∗470) + 2(0.009722962667 ∗ 698) ℉ = .
Viscosidad cinemática a 150 °F:
℉ = (0.014358334∗426) + 2(0.009734074667 ∗ 635) ℉ = . 6
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La viscosidad cinemática se trabaja de manera estándar a 100°F y 210°F, entonces utilizamos la ecuación de ARRHENIUS para estandarizarla:
= + Tanto para la temperatura a 100°F y 210°F utilizaremos la misma referenciación, en donde:
= 135° = 150°
= 6.765 = 6,149
℉6.765 100 6,149 135° ℉ = (6.765 ) + 135° 150° ℉ = 8.879 Aplicamos la misma ecuación para estandarizar a 210°F y obtenemos que:
℉ = 4.533 A 104 °F el valor de la viscosidad es:
° = 8.569 Ahora procedemos a convertir la viscosidad cinemática (cSt) a dinámica (cP) mediante la siguiente expresión:
µ = µ ∗
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Para 100°F
ρcrudo = Ge ∗ ρaua ; Ge°F = 0,876 Ge°F
a Tx
°
0,85
0,835
0,876
X
0,95
0,935
− 68∗10 ° = 0,85 1.8 (10060) = 0,835 − 66∗10 ° = 0,95 1.8 (10060) = 0,935 = ° = . Según la tabla 7.2. Propiedades del agua pura a varias temperaturas, la densidad de esta a 100°F es de 0.9931 gr/cm3. Luego:
(°) = (°) ∗ (°) (°) = 0,861∗0,9931 (°) = 0,8550591 Entonces tenemos que:
µ (°) = 8.879 ∗0,8550591 µ (°) = . .
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Para 210°F
ρcrudo = Ge ∗ ρaua ; Ge°F = 0,876 Ge°F
a Tx
°
0,85
0,7933
0,876
X
0,95
0,895
− 68∗10 ° = 0,85 1.8 (21060) = 0,7933 − 66∗10 ° = 0,95 1.8 (21060) = 0,895 = ° = . Según la tabla 7.2. Propiedades del agua pura a varias temperaturas, la densidad de esta a 210°F es de 0,9589 gr/cm3. Entonces:
(°) = (°) ∗ (°) (°) = 0,819∗0,9589 (°) = 0,785 Tenemos que:
µ (°) = 4.533 ∗0,785 µ (°) = . .
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Constante de Gravedad-Viscosidad del crudo.
0,0664 [0,115 (° 5,5 )] = 0,94 0,109 ( 5,5) °
(8.569 5,5) = 0,8760,06640,115 0,94 0,109 (8.569 5,5) = 0,849 ACEITE LUBRICANTE:
Calculo de la viscosidad cinemática:
Para el cálculo de la viscosidad cinemática tenemos primero que hallar el valor de las constantes a las temperaturas de las pruebas. Temperatura
Constante (mm2/s2)/S (cst/s)
40°C (104°F)
0.10237
48.889°C (120°F)
0.1023151845
57.222°C (135°F)
0.102263797667
65.556°C (150°F)
0.102212404667
100°C (212°F)
0.102
Calculamos la viscosidad cinemática mediante la expresión:
= ∗ () Tenemos entonces que la viscosidad cinemática a 120°F equivale a:
= 0.1023151845 ∗ 435 = ,
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La viscosidad cinemática a 135 °F es:
= 0.102263797667 ∗403 = . Y a 150°F obtenemos un valor de:
= 0.102212404667 ∗358 = . Ahora procedemos a estandarizar la viscosidad hallándolas a 100°F y a 210°F haciendo uso de la ecuación de ARRHENIUS.
= + Tanto para la temperatura a 100°F y 210°F utilizaremos la misma referenciación, en donde:
= 120° = 150°
= 44.507 = 36.592
℉44,507 100 120° 36.592 ℉ = (44,507 ) + 120° 150° ℉ = . 11
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Aplicamos la misma ecuación para estandarizar a 210°F y obtenemos que:
℉ = . A 104 °F obtenemos que la viscosidad es igual a:
° = . Ahora procedemos a convertir la viscosidad cinemática (cSt) a dinámica (cP) mediante la siguiente expresión:
µ = µ ∗
Para 100°F:
ρacit = Ge ∗ ρaua ; Ge°F = 0,88 Ge°F
a Tx
°
0,85
0,835
0,88
X
0,95
0,935
− 68∗10 ° = 0,85 1.8 (10060) = 0,835 − 66∗10 ° = 0,95 1.8 (10060) = 0,935 = ° = . Según la tabla 7.2. Propiedades del agua pura a varias temperaturas, la densidad de esta a 100°F es de 0,9931 gr/cm3. Luego:
(°) = (°) ∗ (°) (°) = 0,865∗0,9931 12
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(°) = 0,859 Entonces tenemos que:
µ (°) = 52.229 ∗ 0,859 µ (°) = . .
Para 210°F:
ρacit = Ge ∗ ρaua ; Ge°F = 0,88 Ge°F
a Tx
°
0,85
0,7933
0,88
X
0,95
0,895
− 68∗10 ° = 0,85 1.8 (21060) = 0,7933 − 66∗10 ° = 0,95 1.8 (21060) = 0,895 = ° = , Según la tabla 7.2. Propiedades del agua pura a varias temperaturas, la densidad de esta a 210°F es de 0,9589 gr/cm3. Luego:
(°) = (°) ∗ (°) (°) = 0,82381 ∗ 0,9589 (°) = 0,789 13
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Entonces tenemos que:
µ (°) = 27.237 ∗ 0,789 µ (°) = . . Constante de Gravedad-Viscosidad del aceite lubricante
0,0664 [0,115 (° 5,5 )] = 0,94 0,109 ( 5,5) °
0,0664 0,115 (50.462 5,5) = 0,88 0,94 0,109 (50.462 5,5) = , Seguidamente hallamos el indica de viscosidad del aceite lubricante.
= µ(°) ∗100
Para hallar los valores de las constantes se debe entrar a las tablas con la viscosidad cinemática en cst a 210°F, si el valor de dicha viscosidad no está tabulado procedemos a realizar la respectiva interpolación o extrapolación según sea el caso. Reemplazando encontramos:
= 161,4352.229 72,81 ∗100 = 121,755% Como en índice de viscosidad dio mayor a 100 tendremos que hallar el IV extensivo
IV extensivo
) 1] = 100 + [( 0.0075
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En donde:
=
Como es menor a 75 podemos decir que:
= = 161,4372,81 = 88,62 De modo que:
72,78 = 88,62 9,948 = 0.0857 0.0857) 1] = 100 + [( 0.0075 = 129,086 %
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Análisis de Resultados
La realización de esta práctica de laboratorio fue adecuada. Se tomó la viscosidad, con un viscosímetro de dos bulbos, a una muestra de crudo a dos temperaturas diferentes y con un viscosímetro claro a una muestra de aceite lubricante a tres temperaturas distintas Observando los resultados se puede decir que la viscosidad cinemática es una propiedad de gran relación con la temperatura; pues vemos que la tendencia de viscosidad disminuye a medida que se aumenta la temperatura. También, al ver el comportamiento de los diferentes productos del petróleo que para este caso fueron crudo y aceite lubricante, en donde su propiedad tal como la gravedad API, nos dio un indicio de saber cómo podría ser el comportamiento de las sustancias en cuanto a su movimiento y velocidad molecular, el cual nos conllevó a usar diferentes instrumentos (viscosímetro) para cada una de las sustancias como también diferentes temperaturas a la hora de hacer la prueba y registrar los datos. Para la industria del petróleo, conocer la viscosidad del crudo a tratar es muy importante, ya que esto afecta en el precio del crudo. Para la muestra de crudo, la viscosidad es relativamente baja por los que los costos de transporte y operación serán baratos. Según los resultados de la constante gravedad-viscosidad tanto para el crudo (C.G.V. 0,849) como para el aceite (C.G.V. 0,821), nos indica que estos productos son derivados de un crudo base parafinica.
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Cuestionario
1. Definir viscosidad cinemática
La viscosidad cinemática de un fluido es su viscosidad dinámica dividida por su densidad, ambos medidos a la misma temperatura, y expresada en unidades consistentes. Las unidades más comunes que se utilizan para expresar la viscosidad cinemática son: stokes (St) o centistokes (cSt, donde 1 cSt = 0,01 St), o en unidades del SI como milímetros cuadrados por segundo (mm2/s, donde 1 mm2/s = 1 cSt). 2. Definir viscosidad dinámica
La viscosidad dinámica normalmente se expresa en poise (P) o centipoise (cP, donde 1 cP = 0,01 P), o en unidades del Sistema Internacional como pascales*segundo (Pa-s, donde 1 Pa-s = 10 P). La viscosidad dinámica, la cual es función sólo de la fricción interna del fluido, es la cantidad usada más frecuentemente en el diseño de cojinetes y el cálculo de flujo de aceites. Debido a que es más conveniente medir la viscosidad de manera tal que tenga en cuenta la densidad del aceite, para caracterizar a los lubricantes normalmente se utiliza la viscosidad cinemática. 3. ¿Por qué se corrige la constante de calibración del viscosímetro por efecto de la aceleración gravitacional?
Debido a que la constante de calibración C depende de la aceleración de la gravedad, si la aceleración del lugar de prueba difiere en más de 0.1% de la del lugar donde se efectuó la calibración, se debe corregir dicha constante:
C = g ∗ Cg
Dónde: C2 es la constante de calibración corregida, g1 la aceleración de la gravedad en el lugar de calibración C1 es la constante de calibración obtenida en el laboratorio de calibración g2 la aceleración de la gravedad en el lugar de prueba. Además de la constante, el tiempo en que tarda en fluir un volumen determinado de líquido es función de la gravedad, y la viscosidad cinemática es el producto entre el tiempo que tarda en fluir y la constante.
4. ¿Cuál cree que sea la importancia práctica del conocimiento de la viscosidad cinemática?
Es importante la viscosidad en los combustibles pues permite conocer algunas condiciones de su transporte y operación.
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La viscosidad se considera para seleccionar un aceite lubricante. Para una lubricación más efectiva, la viscosidad debe estar de acuerdo con la velocidad, la carga, y la temperatura de la parte lubricada; así una máquina que trabaja a baja velocidad y altas cargas y temperaturas debe ser lubricada con aceite de alta viscosidad para que provea una película resistente que soporte cargas y brinde protección a las superficies en contacto. Una máquina que trabaja a alta velocidad, presiones bajas y temperaturas bajas, debe utilizar un lubricante, con un grado bajo de viscosidad. Un aceite que es más pesado de lo necesario introduce una fricción fluida excesiva y crea un arrastre innecesario. Esta prueba, además, desempeña un papel en la evaluación de los aceites usados, para determinar la factibilidad de nuevo uso o para diagnosticar defectos en el rendimiento y funcionamiento de la máquina. Un aumento sensible en la viscosidad puede mostrar cuando un aceite usado ha sido deteriorado, ya que la oxidación de moléculas de aceite incrementa su tamaño y por consiguiente el espesamiento del aceite.
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Conclusiones
Se determinó la viscosidad cinemática de dos fluidos, mediante la lectura del tiempo de flujo de un volumen determinado en un viscosímetro de tipo capilar. Se encontró el valor de la viscosidad dinámica mediante el uso de ecuaciones y constantes del viscosímetro ya establecidas. En el caso del aceite lubricante, se dedujo que es de buena calidad, es decir, que la variación de la viscosidad con respecto a las temperaturas es mínima, tomando como escala el índice de viscosidad. Se logró entender el comportamiento que tiene la viscosidad de una sustancia con respecto a la temperatura; pues a mayor temperatura, menor viscosidad, teniendo en cuenta que cada una de las sustancias tiene un comportamiento diferente, es decir; algunas sustancias se vuelven más viscosas que otras al aumentar la temperatura, otras no tanto en rangos considerables de temperatura. En ambos casos, se dedujo que a mayor temperatura, la resistencia de una sustancia a fluir es menor.
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Bibliografía
Franco Muñoz, J. A. (s.f.). Método estándar para la determinación de la viscosidad cinemática de líquidos opacos y transparentes (y cálculo de viscosidad dinámica). En Guía práctica de laboratorio de Crudos y Derivados (págs. 71-79).
ASTM Standard on Petroleum and Lubricants (ASTM D 445 – 88).
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