MÉTODO ESTÁNDAR PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD CINEMÁTICA DE LOS LÍQUIDOS OPACOS Y TRANSPARENTES (Y CÁLCULO DE LA VISCOSIDAD DINÁMICA) NORMA ASTM (D445-88)
LAURA XIMENA ARISTIZABAL CÓD: 2009181480 WILSON BENAVIDES COD: 20091 JESÚS DAVID RIVAS COD: 2009180092
TRABAJO PRESENTADO EN LA ASIGNATURA DE CRUDOS Y DERIVADOS CÓD. BEINPE10, GRUPO 01 PROFESORA: HAYDEE MORALES MONDRAGON
UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA FACULTAD DE INGENERIA NEIVA, OCTUBRE 2011
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
1. OBJETIVOS…………………………………………………………………. 1.1 1.2
1
Objetivos Generales…………………………………………………. Objetivos Específicos………………………………………………...
2. MARCO TEÓRICO…………………………………………………..……….
2
3. PROCEDIMIENTO……………………………………………………..…….
3
4. RESULTADOS ……………………………………………………………….
4
5. ANÁLISIS DE DATOS…………………………………………………….…
6
6. SOLUCIÓN AL CUESTION ARIO………………………………………… ..
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7. CONCLUSIONES…………………………………………………….………
9
8.
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………
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1. 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 ESPECICOS
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.
2. MARCO TEORICO La viscosidad es una medida de la resistencia interna al flujo, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. También puede definirse como la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal, en realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad es una característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales. Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. La unidad en el sistema cgs para la viscosidad dinámica es el poise (p), cuyo nombre homenajea a Jean Louis Marie Poiseuille. Se suele usar más su submúltiplo el centipoise (cp). El centipoise es más usado debido a que el agua tiene una viscosidad de 1,0020 cp a 20 °C. El poise o centipoise (0,01 poise) se define como la fuerza requerida en dinas para mover un plano de un centímetro cuadrado de área, sobre otro de igual área y separado un centímetro de distancia entre sí y con el espacio relleno del líquido investigado, para obtener un desplazamiento de un centímetro en un segundo. 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s. 1 centipoise = 1 LmPa·s. La viscosidad de los crudos en el yacimiento puede tener 0,2 hasta más de 1.000 centipoise. La viscosidad es una de las características más importantes de los hidrocarburos en los aspectos operacionales de producción, transporte, refinación y petroquímica. La viscosidad, se obtiene por varios métodos y se le designa por varios valores de medición. Es muy importante el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de los crudos, en el yacimiento o en la superficie, especialmente concerniente a crudos pesados y extrapesados. Efecto de la temperatura sobre la viscosidad: el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un líquido es notablemente diferente del efecto sobre un gas; en el caso de los gases la viscosidad aumenta con la temperatura, mientras que en caso de los líquidos, esta disminuye invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura. Al aumentar la temperatura del crudo se disminuye su viscosidad debido al incremento de la velocidad de las moléculas y, por ende, tanto la disminución de su fuerza de cohesión como también la disminución de la resistencia molecular interna al desplazamiento. Efecto de la presión sobre la viscosidad: el efecto de la presión mecánica aumenta la viscosidad. Si el incremento de presión se efectúa por medios mecánicos, sin adición de gas, el aumento de presión resulta en un aumento de la viscosidad. Este comportamiento obedece a que está disminuyendo la distancia entre moléculas y, en consecuencia, se está aumentando la resistencia de las moléculas a desplazarse.
Efecto de la densidad sobre la viscosidad: Se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotara sobre otra si su densidad es menor. Mientras más denso sea el fluido, mayor será su viscosidad. Se puede mencionar las siguientes viscosidades:
Viscosidad aparente: viscosidad que puede tener una sustancia en un momento dado, la cual se mide por medio de un instrumento que determina la tas de cizallamiento. Es una función de la viscosidad plástica con respecto al punto cedente. Viscosidad cinemática: viscosidad en centipoise dividida por la densidad a la misma temperatura y se designa en unidades Stokes o centiStokes. Viscosidad Universal Saybolt (SSU): representa el tiempo en segundos para que un flujo de 60 centímetros cúbicos salga de un recipiente tubular por medio de un orificio, debidamente calibrado y dispuesto en el fondo del recipiente, el cual se ha mantenido a temperatura constante. Viscosidad relativa: relación de la viscosidad de un fluido con respecto a la del agua. Viscosidad Engler: medida de viscosidad que expresa el tiempo de flujo de un volumen dado a través de un viscosímetro de Engler en relación con el tiempo requerido para el flujo del mismo volumen de agua, en cuyo caso la relación se expresa en grado Engler. Viscosidad Furol Saybolt (SSF): tiempo en segundos que tarda en fluir 60 cc de muestra a través de un orificio mayor que el Universal, calibrado en condiciones especificadas, utilizando un viscosímetro Saybolt. Viscosidad Redwood: Método de ensayo británico para determinar la viscosidad. Se expresa como el número de segundos necesarios para que 50 cc de la muestra fluyan en un viscosímetro Redwood, bajo condiciones específicas de ensayo. A continuación se presenta constantes tabuladas para líquidos claros.
3. PROCEDIMIENTO Adecuar el baño a una temperatura determinada.
Seleccionar un viscosímetro calibrado, limpio, seco y adecuado para la muestra: Aceite (Claros) y Crudo (Opaco)
Cargar el viscosímetro hasta llenar el primer Tapar los orificios cuidadosa y adecuadamente Colocar el viscosímetro en el Baño. Revisar la correcta posición del viscosímetro en general. Retirar los tapones después de 15 minutos
Deje fluir libremente, y registrar el tiempo entre aforo y aforo.
Finaliza la prueba cuando el tiempo en que se demora la muestra en llegar hasta el aforo este entre 200-1000 segundos
LA PRACTICA SE HACE PARA EL ACEITE LUBRICANTE Y CRUDO TENAY 3
4. RESULTADOS
4.1. DATOS TOMADOS 4.1.1. TABLA DE DATOS TOMADOS Crudo Tenay 3 Tiempo Temperatura ( C) (segundos) 27 30.3 ⁰
Aceite Lubricante Temperatura ( C) Tiempo (segundos) 42.0 288 48.8 207 ⁰
RANGO DE ESTIMACION TIEMPO (segundos)
4.2. TABLA DE RESULTADOS Viscosidades absolutas para cada muestra Muestra Numero de Temperatura Prueba Observación
Crudo Tenay 3
1
27
2
30.3
Aceite Lubricante
1
42.0
0.9915
2
48.8
0.853
0.98864
-
-
-
-
0.8497
72
61.1784
0.8429
51.75
43.6201
4.3.
MUESTRA DE CALCULOS
Determinación de la viscosidad cinemática del crudo Tenay 3:
Tabla 1.CONSTANTES DEL VISCOSÍMETRO Opacos Viscosímetro Constantes C D Opaco 200 – 133A 0.1062 0.0928 0.1070 0.0936
T (° C) 40 100
Para el Crudo Tenay 3, no se realizaron las mediciones correspondientes, debido a que los viscosímetros disponibles no eran adecuados.
Determinación de la viscosidad cinemática del Aceite Lubricante:
Para el aceite lubricante se tomo la constante correspondiente al Viscosímetro CannonFenske, size 300 CONSTANTE DEL VISCOSÍMETRO: claros
Calculo de las constantes a la temperatura de la prueba (Interpolación) Con la Tabla 2.de Constantes de Viscosímetros para líquidos claros:
C @ 42.0°C= 0.2467 0.25 C @ 48.8°C= 0.2466 0.25 Viscosidad del crudo @ 42.0 °C:
Viscosidad del crudo @ 48.8 °C:
La Determinación de la viscosidad absoluta del crudo Tenay 3, no pudo ser realizada, ante la falta de viscosímetros adecuados disponibles.
Determinación de la viscosidad absoluta del Aceite Lubricante:
Determinación de la densidad del crudo a la temperatura de prueba (107.6 ºF): Agua
= 0.9915 gr/cm 3
Para calcular la gravedad específica del crudo a la temperatura de 107.6° C, se utiliza la ecuación:
Siendo:
T
= 0.875
=
t = 107ºF T = 60° F
Reemplazando en la fórmula de densidad para el aceite se obtiene:
0.8497
Luego la viscosidad absoluta será:
De igual manera se realizan los cálculos para la temperatura de 48.8°C, utilizando los datos de densidad del agua a la temperatura y la gravedad especifica a 60 ⁰ F.
La viscosidad absoluta será:
Apartir de los dos valores ya conocidos de Viscosidad Calculamos, la viscosidad cinemática del aceite a diferentes temperaturas (30ºF-100ºF), mediante la ecuación de Arrhenius Hershell:
) ( )( ( ) Muestra de Cálculo para la Viscosidad cinemática, @ T=80°F
)( ) ( ) (
Tabla1. Viscosidades del Aceite lubricante a diferentes temperaturas
Temperatura ºF 80 90 100 110 120 130 140 150
Viscosidad Cinemática (cst) 178,6076103 124,4812962 90,12503102 67,29240076 51,53878802 40,32545305 32,13104011 26,00636592
Tabla2. Logaritmos de las Viscosidades del Aceite lubricante a diferentes temperaturas
Temperatura ºF 1,903089987 1,954242509 2 2,041392685 2,079181246 2,113943352 2,146128036 2,176091259
Viscosidad Cinemática (cst) 2,25189996 2,095104102 1,954845427 1,827966023 1,712134202 1,605579255 1,506924784 1,415079669
CÁLCULO DEL ÍNDICE DE VISCOSIDAD PARA EL ACEITE LUBRICANTE
T=100°F
)( ) ( ()
De la tabla 1 de la norma D 2161 se tiene:
T=210°F
)( ) ( ()
De la tabla 1 de la norma D 2161 se tiene:
T=40°C
)( ) ( ) (
T=100°C
)( ) ( ) (
IV: SEGUNDO MÉTODO (NO MODIFICADO) Para :
Luego buscamos las constantes de μcst 210°F
Como IV<100, No se calcula IV extensivo:
5. GRAFICAS
Grafica 1. Viscosidad Cinematica Vs Temperatura
) t S c ( a 200 c i t a m150 e n i 100 C d a 50 d i s o 0 c s i V
Grafica 1. Viscosidad Cinematica Vs Temperatura 0
50
100
150
200
Temperatura ⁰F
El comportamiento de la viscosidad para el Aceite Lubricante es inversamente proporcional, si bien no es lineal, permite ver los cambios que tiene la viscosidad con la variación de la temperatura. La viscosidad toma valores mayores cuando la temperatura del aceite disminuye.
Grafica 2 Log-Log. Viscosidad Cinematica Vs Temperatura 2.5 ) t S c 2 ( a c i t 1.5 a m 1 e n i 0.5 C d a 0 d i s o c s i V
y = -6.248ln(x) + 6.2804 R² = 0.9996 Grafica Log-Log. Viscosidad Cinematica Vs Temperatura 1.8
1.9
2
2.1
2.2
Temperatura ⁰F
La grafica 2. Representa el comportamiento logarítmico de la viscosidad del aceite, a diferentes temperaturas. El comportamiento aquí descrito es inversamente proporcional, a medida que la temperatura aumenta los valores de Viscosidad disminuyen, cumpliéndose esta propiedad característica de viscosidad.
6. ANÁLISIS DE DATOS
la práctica de laboratorio permitió estudiar la relación existente entre la Temperatura y la viscosidad, y la influencia despreciable de la presión en esta última.
Mediante la medición del tiempo para el Aceite lubrícate, la utilización del viscosímetro Cannon size300 y determinadas temperaturas, mediante ecuaciones se calculo la viscosidad cinemática y posteriormente la viscosidad absoluta o dinámica. Para el Crudo Tenay 3 las mediciones no fueron posibles, por ende los cálculos de viscosidades tampoco. Se espera puedan ser medidos los tiempos con un viscosímetro adecuado, y poder así comparar el comportamiento entre El aceite lubricante y el Crudo. El índice de viscosidad del aceite obtenido mediante el método 2 no modificado fue de 84.89 %, lo que nos permite concluir que los cambios de viscosidad varían con cada cambio de temperatura en proporciones considerables.
7. SOLUCION DEL CUESTIONARIO 1. Defina la viscosidad cinemática R/ Es la medida de la resistencia al flujo bajo la acción de la gravedad, (la presión en cabeza de un líquido es proporcional a la densidad). El tiempo en que tarda en fluir un volumen determinado de fluido a través de un viscosímetro determinado, es directamente proporcional a la viscosidad cinemática, v = n / ρ donde n es coeficiente de viscosidad dinámica. El coeficiente de viscosidad cinemática tiene dimensiones L2 / T, donde L es una longitud y T un tiempo. En unidades de cgs, la viscosidad cinemática esta dada en cm2 / sg y se llama stoke (se simboliza st). En el sistema internacional la viscosidad cinemática esta dada en m2 / sg y es equivalente a 10000 st. Frecuentemente, los centistokes se simbolizan cst y equivale: 1 cst = 10-2 st. 2. Defina viscosidad dinámica. R/ Es la medida de la resistencia al flujo del fluido, comúnmente se llama viscosidad del líquido. Las dimensiones del coeficiente de viscosidad dinámica son M / LT = FT / L2, dependiendo de si la viscosidad esta basada en el sistema M-L-T o F-T-L (donde F representa una fuerza). Las unidades del cgs para la viscosidad dinámica es gr / cm sg = DINA sg / cm2 y se llama poise (se representa por P). Las unidades del SI para la viscosidad dinámica es N sg / m2 y es equivalente a 10 P. Frecuentemente se utiliza el centipoise (se simboliza 1 cp = 10-2 P). 3.¿por qué se corrige la constante de calibración del viscosímetro por efecto de aceleración gravitacional? R/ Porque esta constante depende de la aceleración de la gravedad, y se halló en el lugar de calibración del viscosímetro, es por esto que si la aceleración gravitacional del lugar donde se realice cualquier prueba con éste difiere en más de 0.1%, la constante de calibración se debe corregir así:
C2
g 2 * C1 g1
Donde C1 y g1 se obtuvieron en el laboratorio de calibración y g2 la aceleración gravitacional del lugar de prueba.
4. ¿Cuál cree que sea la importancia práctica del conocimiento de la viscosidad cinemática?
R/ Muchos productos del petróleo y materiales no hidrocarburos, son usados como lubricantes para engranajes, equipos, cilindros, compresores, equipos hidráulicos, etc. La óptima calibración de los equipos depende de la apropiada viscosidad cinemática o viscosidad del líquido (algunas veces llamada viscosidad del líquido). Una adecuada medida de la viscosidad cinemática es esencial para las especificaciones de muchos productos. La viscosidad cinemática de muchos combustibles del petróleo es importante debido a su utilización, el flujo de combustibles a través de tuberías, inyección por boquillas u orificios, y la determinación del rango de temperaturas para la adecuada operación en los quemadores de combustibles.
8. CONCLUSIONES
Se aplicaron los conceptos teóricos de Viscosidad de Líquidos y corroborar por métodos numéricos y gráficos la relación existente entre la Temperatura y la Viscosidad, la cual es inversa.
Se logro determinar la viscosidad cinemática del Aceite Lubricante a partir de la medición del tiempo de flujo, a la temperatura de 107.6ºF y 119.84ºF.
Para el Crudo Tenay 3, no se pudo determinar debido a la no disponibilidad de viscosímetros adecuados.
Para el Aceite se determino experimentalmente la viscosidad dinámica 61.1784 Cp para la Temperatura de 107.6 ºF y 43.6201 para 119.84ºF
La práctica presento algunos errores en las mediciones pero estos no afectaron significativamente los resultados.
9. BIBLIOGRAFIA
ASTM International Standards Worldwide Home.METODO ESTANDAR PARA LA DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD CINEMATICA Y DINAMICA.<>;en línea. Citado el 18 de octubre2011.
MOCOTT C & S.E, Buckeley Measurements of viciosites of oils under reservoir condition trans.AIME Vol. pág. 131 Martín Essenfeld y Efraín E. Barberii. Yacimientos de Hidrocarburos <>en línea. Citado en octubre2011.
