3.7: Sensores de pH y Viscosidad

Introducción al pH

El pH es una medida de concentración de iones H ⁺ ([H ⁺]) en solución, y se puede definir de la siguiente manera:

\[p H=-\log \left(\left[H^{+}\right]\right) \nonumber \]

Típicamente, los valores de pH oscilan entre 0 (fuertemente ácidos) y 14 (fuertemente básicos o alcalinos). Sin embargo, eso no quiere decir que 0 y 14 sean los límites de los valores de pH. Una solución que tenga una concentración de H ⁺ de 10 M, como HCl muy fuerte, tendría un pH de -1. Se dice que el agua pura, que tiene un pH de 7, es neutra debido a que su concentración de H ⁺ es igual a su concentración de OH ^-. Se dice que una solución ácida tiene una concentración de H ⁺ mayor que su concentración de OH ^-. Por el contrario, se dice que una base, o solución alcalina, tiene una concentración de OH ^- mayor que su concentración de H ⁺. Ver para referencia:

Para ácidos y bases débiles, la ecuación anterior es apropiada para usar al calcular el pH. Sin embargo, muchas soluciones no son ácidos y bases débiles, lo que significa que los otros iones en solución juegan un papel importante en la acidez y alcalinidad, y por lo tanto se necesita un método más preciso para calcular el pH. Los sensores de pH se utilizan para determinar la acidez o alcalinidad de una solución de proceso particular. Cuando se trata de soluciones fuertes, los sensores miden la concentración efectiva, o actividad, de iones H ⁺ en solución, y no miden la concentración real. Por lo tanto, para los fines de los sensores de pH, el pH se define adecuadamente como:

\[p H=-\log \left(a_{H^{+}}\right) \nonumber \]

con

\[a_{H^{+}}=\left(\gamma_{H^{+}}\right)\left[H^{+}\right] \nonumber \]

donde\(\gamma_{H^{+}}\) está el coeficiente de actividad.

El coeficiente de actividad explica las interacciones entre todos los iones presentes. Estas interacciones pueden impedir que algunos de los iones H ⁺ contribuyan a la acidez de la solución, y así disminuir la concentración efectiva de iones H ⁺. Esta concentración efectiva es la concentración utilizada al calcular el pH.

¿Por qué es relevante el pH para la ingeniería química?

Los sensores de pH, si bien son piezas de equipo relativamente simples, tienen numerosos usos. Conocer el pH de una solución es valioso para un químico analítico que intenta determinar el contenido de una solución desconocida, así como para un agricultor que intenta determinar las aplicaciones adecuadas a sus campos y a muchas personas intermedias. En la industria, los sensores de pH se pueden utilizar como una forma sencilla de monitorear reacciones que involucran ácidos o bases como reactivo o producto de un proceso químico. También se pueden utilizar para monitorear las condiciones de un reactor para asegurar condiciones óptimas. Esto es especialmente importante en sistemas biológicos donde cambios muy menores en el pH pueden resultar en niveles de producción significativamente reducidos o incluso un paro completo de la producción debido a la muerte de los organismos de los que depende la reacción.

Un ejemplo de la importancia de la medición del pH en la industria se ve en el procesamiento de alimentos durante la fabricación de jalea de frutas. La formación de gel producida por la pectina ocurre en un pequeño rango de pH, lo que se complica aún más por la concentración de azúcar. Un valor de pH demasiado alto da como resultado un líquido inaceptablemente líquido. Un pH demasiado bajo hace que la mezcla se endurezca prematuramente, dando como resultado un producto casi sólido. El ajuste continuo del pH usando ácidos comestibles como el ácido cítrico produce la consistencia óptima del gel.

También es importante tener en cuenta que los requisitos de aplicación deben considerarse cuidadosamente se elige un sensor de pH. En el caso anterior, es importante que el sensor de pH esté hecho de un material que no interfiera con la calidad del producto. Por ejemplo, el sensor no debe estar hecho de vidrio para evitar que el vidrio roto ingrese al producto. La medición precisa del pH y el control preciso que permite ayudan a optimizar un proceso y pueden resultar en una mayor calidad y consistencia del producto. El monitoreo continuo del pH también controla el uso de químicos (como los ácidos comestibles anteriores), lo que resulta en un mantenimiento minimizado del sistema (es decir, menos limpieza del gel endurecido de los recipientes, menos corrosión de los recipientes, etc.).

Construcción típica de sensores de pH

Debido a que es difícil medir directamente la concentración de H+ de una solución, el pH se mide típicamente comparando el potencial de una solución con un conocido [H ⁺] (esto se conoce como solución de referencia) con el potencial de una solución con un desconocido [H ⁺]. Los potenciales de estas soluciones se miden utilizando una semicelda de referencia y una semicelda de detección, respectivamente.

Media celda de referencia

La semicelda de referencia generalmente consiste en una cámara con un conductor sumergido en un electrolito de referencia. El conductor, o alambre de electrodo de referencia externo, es típicamente recubierto de plata con cloruro de plata (Ag/AgCl (s)) o mercurio recubierto con cloruro de mercurio (Hg/Hg2Cl2 (s)). El electrolito de referencia es una solución estándar como KCl. El último componente de la semicelda de referencia es un tapón poroso, que sirve como interfaz líquido-líquido entre la solución estándar y la solución de proceso que se analiza. Este tapón permite que la solución estándar se desplace desde la cámara hacia la solución de proceso, pero no permite que la solución del proceso entre en la cámara. El propósito de esta interfaz es establecer la conexión eléctrica, que proporciona el potencial de referencia.

Media celda de detección

La semicelda de detección es de construcción similar a la semicelda de referencia. Una cámara de vidrio contiene un electrodo (Ag/AgCl (s)), conocido como electrodo de referencia interno, que se sumerge en una solución estándar de pH constante. Sin embargo, en lugar de un tapón poroso que actúa como la interfaz líquido-líquido entre las soluciones estándar y de proceso, existe una membrana de vidrio. Esta membrana está recubierta por dentro y por fuera con un gel hidratado. Cuando la semicelda de detección se coloca en solución, los iones metálicos (Na+) en el gel en el exterior de la membrana se difunden hacia la muestra que se analiza y son reemplazados por iones H+ de la muestra. El cambio de energía asociado a esta sustitución crea el cambio en el potencial eléctrico que es detectado por el electrodo. La combinación del gel hidratado y la membrana de vidrio son lo que hace que el sensor sea específico solo para iones H+. La solución de pH constante asegura que la superficie de la membrana de vidrio y el electrodo estén al mismo pH antes de que la celda se exponga a la solución del proceso que se está analizando.

Los cables de electrodo de las semiceldas de referencia y detección están conectados cada uno al dispositivo de medición de voltaje.

El siguiente diagrama muestra la configuración de un sistema típico de medición de pH:

Si bien esta figura muestra los componentes esenciales de un sensor de pH, no es una representación precisa de cómo se ven realmente los sensores de pH. Las celdas de referencia y detección en la mayoría de los sensores de pH generalmente están encerradas juntas en una carcasa robusta (generalmente hecha de algún tipo de plástico). Esto no afecta el funcionamiento del sensor, pero permite la facilidad de uso, ya que solo hay una pieza importante de equipo que el usuario necesita llevar.

Los sensores de pH se pueden usar tanto en línea como fuera de línea. Si el sensor se está utilizando para controlar cuidadosamente el pH de un sistema o para proporcionar un registro preciso del pH de una solución, a menudo es deseable tener un sensor de pH en línea. Para que un sensor de pH en línea determine lecturas precisas debe estar en condiciones de tomar una muestra representativa. Esto se hace con mayor frecuencia desviando una corriente lateral del proceso principal en el que se puede insertar el sensor de pH. Muchas veces las mediciones continuas de pH no son necesarias, sino que son de interés mediciones poco frecuentes para asegurarse de que el sistema está funcionando correctamente. En estos casos es mucho más eficiente usar un sensor de pH fuera de línea.

¿Cómo calculan el pH los sensores de pH?

El pH se calcula usando la caída de potencial entre los electrodos de referencia y de detección. El potencial en todo el sistema de medición del pH se puede expresar como:

\[E=E_{\text {internalreference}}+E_{\text {membrane}}+E_{\text {porousplug}}-E_{\text {externalreference}} \nonumber \]

El potencial de la unión porosa suele ser insignificante, y los potenciales de las referencias internas y externas pueden agruparse en un valor constante,\(E_0\). Así, obtenemos:

\[E=E_{0}+E_{\text {membrane}} \nonumber \]

Usando la ecuación de Nernst, el potencial de la membrana en una reacción de media célula se puede expresar como:

\[E=E_{0}+\frac{R T}{n F} \ln (a) \nonumber \]

donde

• \(R\)es la Constante Universal de Gas
• \(F = 9.6490 \times 10^{7}\)culombs/kmol\) es la Constante de Faraday
• \(n\)es el número neto de cargas negativas transferidas en la reacción
• \(a\)es la actividad de los iones involucrados en la reacción

Esta ecuación es la ecuación estándar utilizada en electroquímica para encontrar el potencial con respecto a un electrodo de referencia. Se puede ver como un cálculo del cambio en la energía libre en un electrodo, debido al cambio de las concentraciones de iones en ese electrodo. Suponiendo que el electrodo es completamente selectivo a\(\ce{H^{+}}\) los iones (\(a = 1\)) y que solo hay un ion positivo que lleva una carga elemental en cada reacción de semicelda (\(n = 1\)) el pH de la solución desconocida puede expresarse como:

\[p H=\frac{F\left(E_{0}-E\right)}{2.303 R T} \nonumber \]

donde\(T\) se analiza la temperatura absoluta de la solución.

Compensación de temperatura

Como se puede ver en la ecuación de Nernst, el pH determinado usando la diferencia de potencial entre las semiceldas de referencia y de detección varía linealmente con los cambios de temperatura. Es decir, la unidad de caída de voltaje/pH a través de las celdas aumenta al aumentar la temperatura. Por lo tanto, el sistema de medición de pH necesita tener alguna forma de compensar los cambios de temperatura en la solución del proceso. Muchos kits de control de pH vienen equipados con compensación automática de temperatura (ATC), que mide e incorpora continuamente cambios de temperatura en sus cálculos de pH. Otros kits de control de pH más antiguos requieren compensación manual de temperatura, lo que significa que el operador o usuario debe ingresar manualmente la temperatura de la solución del proceso en el sistema de control.

Métodos alternativos para determinar el pH

Si bien los sensores de pH de membrana de vidrio son un método efectivo para medir el pH, no siempre son la mejor opción. Ciertas propiedades del sistema de interés hacen que el uso de un sensor de pH de membrana de vidrio sea poco práctico. Los sensores de pH de membrana de vidrio pueden obstruirse con soluciones viscosas o soluciones que contienen sólidos suspendidos. Las duras condiciones también pueden rayar o romper la membrana de vidrio. También hay casos en los que un sensor de pH de membrana de vidrio funcionaría pero usar uno sería un costo innecesario. En estas situaciones existen varias alternativas que se pueden utilizar para determinar el pH. Un método es usar papel pH. Este artículo cambia de color cuando se sumerge en una solución. El color del papel se puede comparar con una escala estándar incluida con el papel para determinar un pH aproximado. El papel de pH es una excelente opción cuando todo lo que se necesita es un valor de pH “ballpark”. Otro método para determinar el pH es el uso de indicadores. Se trata de sustancias que cambian de color dependiendo del pH de la solución. Pueden ser muy útiles si el interés principal es determinar si el pH del sistema está por encima o por debajo de un punto en particular. Existen numerosos indicadores que cambian de color a diferentes valores de pH.

Otros sensores específicos de iones

Los mismos conceptos que permiten medir el pH usando un electrodo de referencia y medición también se pueden aplicar para medir la concentración de otros iones. Las diferencias entre los sensores de pH y los sensores específicos de iones son la composición del electrodo de medición, la membrana utilizada en el electrodo de medición. Para algunos iones de interés aún se pueden usar membranas de vidrio, sin embargo para otros iones puede ser necesario membranas de estado sólido o intercambio iónico líquido. La elección de la membrana depende tanto del tamaño como de la carga del ion de interés.

Si bien los electrodos específicos de iones pueden ser bastante precisos, una serie de problemas pueden comprometer su precisión. Los electrodos específicos de iones pueden sufrir interferencias. Esto puede ser especialmente problemático en soluciones complejas, especialmente aquellas que contienen muchos otros iones similares en carga y tamaño al ion de interés. Las mediciones reportadas por sensores específicos de iones también son funciones de la fuerza iónica de la solución. Esto también puede resultar en una precisión significativamente disminuida del sensor si no se tiene en cuenta el efecto de la fuerza iónica de la solución. Al igual que con el pH, la propiedad que realmente se está midiendo con un sensor específico de iones es la actividad del ion, no su concentración. La actividad ya no puede considerarse negligable en soluciones con alta fuerza iónica. Para obtener lecturas adecuadas el usuario debe considerar qué efecto tiene la fuerza iónica de la solución sobre el coeficiente de actividad y ajustar la medición en consecuencia. A pesar de estas limitaciones, los sensores específicos de iones aún pueden proporcionar información precisa y valiosa, siempre que se use una membrana de electrodo de medición apropiada y se tenga en cuenta la fuerza iónica de la solución, y se utilicen ampliamente.

Problemas con los sensores de pH

Varios problemas pueden ocurrir con los sensores de pH que pueden afectar negativamente la precisión de estos dispositivos. La mayoría de estos problemas involucran el electrodo de referencia. Uno de esos problemas es una obstrucción parcial del tapón poroso. Otro error asociado con el enchufe se debe a un potencial de unión que puede variar dependiendo de la configuración del electrodo. Este potencial de unión añade error a la medición del pH cuando la composición iónica de la solución que se está probando es significativamente diferente de la composición iónica del tampón estándar utilizado para calibrar el electrodo. En general, se desarrolla un potencial de unión en la interfaz de dos soluciones con diferentes composiciones iónicas debido a que los diversos iones en cada solución tienen diferentes movilidades, y a medida que los iones con carga opuesta se difunden a diferentes velocidades se desarrolla una separación de carga en la interfaz entre las soluciones. Un tipo diferente de error puede ocurrir en las mediciones de soluciones con una concentración muy baja de iones de hidrógeno y una concentración muy alta de iones de sodio; los electrodos de pH pueden “confundir” el sodio con hidrógeno, lo que lleva a una lectura de pH más baja que el valor real.

Otros problemas incluyen la contaminación del electrolito en el electrodo de referencia de un agotamiento completo del electrolito. Cualquiera de estos problemas dará como resultado un potencial incorrecto en el electrodo de referencia y, en última instancia, mediciones de pH inexactas.

También pueden ocurrir problemas con el electrodo de medición. Cualquier daño a la membrana de vidrio incluyendo grietas, grabado o abrasión, así como el recubrimiento de la membrana de vidrio dará como resultado mediciones de pH deficientes. Además, si el electrodo está seco no medirá el pH correctamente; debe empaparse en alguna solución acuosa por unas horas. Los problemas con los sensores de pH se pueden detectar con bastante facilidad. Cualquier problema como dificultad para calibrar el sensor, lecturas de pH inestables o deriva significativa en las lecturas generalmente indican daños en el sensor de pH. Ahora es posible probar algunas formas de sensores de pH en línea para determinar rápida y fácilmente qué electrodo es la causa de los problemas y potencialmente la fuente de estos problemas. En algunos casos estos problemas pueden solucionarse mediante una limpieza cuidadosa del sensor, sin embargo si persisten los problemas puede ser necesario reemplazar el sensor de pH.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): pH Sensor Application

¿Sería prudente utilizar un electrodo de pH en las siguientes situaciones? De no ser así, ¿qué método utilizaría para determinar el pH del sistema de interés?

1. Usted es un ingeniero responsable de una instalación de tratamiento de aguas residuales. Es importante que conozcas el pH del agua en varios puntos del proceso de tratamiento para detectar cualquier problema potencial.
2. Trabajas para una compañía farmacéutica que usa bacterias para producir una proteína deseada. Las bacterias son muy sensibles a los cambios en el pH y la producción disminuye significativamente si el pH varía de las condiciones óptimas.
3. Trabajas en una planta que utiliza ácido clorhídrico como catalizador. Después de que la reacción se haya completado y se extraiga el producto, es deseable separar el ácido de la solución restante para ser reutilizado en la planta y permitir una fácil eliminación de la solución restante. La EPA requiere datos precisos sobre el pH (entre otras cosas) de toda la solución descargada.
4. Trabajas en una planta que produce ácido acético. Desea asegurarse de que la solución que sale del reactor contenga al menos 75 mol% de ácido acético.

Solución

1. NO. Un electrodo de pH no se mantendría bien bajo las duras condiciones de una planta de tratamiento de aguas residuales. Tampoco es necesario en este caso tener mediciones constantes o valores exactos de pH ya que el pH se está utilizando simplemente como un sistema de detección temprana de problemas. El papel de pH simple sería suficiente en esta situación.
2. SÍ. La sensibilidad de las bacterias, así como el probable alto valor de las proteínas que se producen requieren la precisión y las mediciones frecuentes proporcionadas por el ingeniero por un sensor de pH de membrana de vidrio.
3. SÍ. Aquí no sólo se requieren mediciones constantes, sino que se deben mantener registros de estas mediciones para demostrar que se están cumpliendo los estándares ambientales. La forma más rentable de medir y registrar estos datos sería con un sensor de pH conectado a una computadora.
4. NO. Si bien el pH podría usarse como una forma efectiva de monitorear el progreso de la reacción, no es necesario un sensor. Aquí solo te interesa asegurar que se alcance cierto punto de referencia, en este caso un porcentaje de finalización de reacción medido usando pH. Elegir un indicador de tinte apropiado sería una forma mucho más simple y rentable de asegurarse de que se cumpla con este estándar.

Introducción a la Viscosidad

La viscosidad cuantifica la deformación sistemática de la superficie de un fluido sobre un esfuerzo cortante aplicado. El fluido, mientras está en movimiento, normalmente viaja a velocidades variables debido a la geometría de las superficies de contacto. Se puede caracterizar ya sea como un fluido newtoniano o un fluido no newtoniano. Un fluido newtoniano fluye continuamente de manera uniforme independientemente de las fuerzas que actúen sobre él (un ejemplo común, el agua). Por el contrario, la viscosidad de un fluido no newtoniano cambia con diferentes caudales (ejemplos comunes, ketchup de mesa o lodo).

Además, el efecto de la temperatura sobre la viscosidad del fluido es imperativo. A partir de una perspectice termodinámica, la temperatura mide el movimiento aleatorio de moléculas de una sustancia dada, y a medida que aumenta el movimiento aumenta la energía interna, y la temperatura también aumenta. Para la mayoría de las sustancias tradicionales, tener mayor energía/temperatura interna también implica una menor viscosidad, ya que la sustancia será menos resistente al movimiento (es decir, se deformará antes a una tensión de cizallamiento aplicada). Por ejemplo, considere la miel: a temperatura ambiente rezuma de la botella exprimible, pero después de un minuto en el microondas se puede verter fácilmente, similar a un jarabe.

Casi todos los viscosímetros modernos tienen controles integrados para abordar los problemas de temperatura, y un operador o ingeniero competente puede introducir ajustes de temperatura para que los cálculos apropiados se lleven a cabo correctamente.

La viscosidad se puede subdividir en dos formas distintas: viscosidad dinámica y viscosidad cinemática. La viscosidad dinámica (\(μ\)), una cifra que representa el esfuerzo cortante como proporcional a la velocidad de deformación, tiene la unidad SI Pa*s. viscosidad cinemática (\(v = μ/ρ\)) describe cambios en el momento y tiene unidades SI m ² s ^{− 1}, pero también es comúnmente representado por el Stoke, cm ² s ^{− 1} (contenido adaptado de http://scienceworld.wolfram.com/physics/DynamicViscosity.html).

Como se señaló anteriormente, el fluido newtoniano típico experimenta fricción al entrar en contacto con una superficie y, como resultado, desarrolla un perfil de velocidad característico. Este perfil puede describirse examinando las propiedades conocidas del fluido y la estructura circundante a través de la cual viaja, comúnmente tuberías para ingeniería química de plantas.

En el diagrama anterior observamos una superficie no cilíndrica con dos placas límite, una estacionaria al observador y una móvil. El fluido contenido dentro de los dos límites puede comportarse de acuerdo con las condiciones de restricción de las placas límite, y posteriormente caracterizarse por la mecánica de fluidos:

\[\tau=\mu \frac{\partial u}{\partial y} \nonumber \]

Suponiendo\(μ\) como coeficiente de viscosidad, la ecuación anterior describe la relación entre el esfuerzo cortante (paralelo) y la velocidad de desplazamiento del fluido por unidad de altura por encima de la placa límite estacionaria. Los fluidos que tienen una viscosidad relativamente alta como resultado también requieren una mayor fuerza para inducir el movimiento, lo que resulta en una mayor tensión de cizallamiento.

¿Por qué la viscosidad es relevante para la ingeniería química?

Para los ingenieros, un conocimiento profundo de las propiedades físicas y químicas de los productos es esencial para la implementación exitosa de cualquier diseño. La viscosidad, similar a la volatilidad, densidad o cualquier otra propiedad física, ofrece una visión significativa del comportamiento potencial de una sustancia, ya sea clasificada formalmente como sólida, líquida o gaseosa. Al tener en cuenta la viscosidad, los ingenieros pueden seleccionar y colocar correctamente la instrumentación en un método sustentable y respetuoso con el medio ambiente.

Muchas tareas profesionales requieren una comprensión genuina de la viscosidad y sus efectos en la ingeniería de procesos. Para una mirada más detallada y perspicaz sobre el mantenimiento diario y las actividades asociadas con el mantenimiento de la planta, consulte a Michael Pearce en www.reynoldsmixers.com/whitepapers/030910_hotmelt.doc. Habla extensamente sobre la selección rentable de tipos específicos de cuchillas utilizadas en los procesos de mezcla.

Como ejemplo, un parámetro clave en el monitoreo de procesos alimentarios es la viscosidad. La viscosidad está directamente relacionada con las características de flujo del producto, las cuales impactan la capacidad de bombeo, veracidad y esparcimiento. En el entorno de procesamiento de alimentos hay una serie de desafíos para la medición de la viscosidad, como las duras condiciones del proceso y las complejas propiedades reológicas (relaciones entre deformaciones y tensiones de los materiales). Las mediciones fuera de línea suelen ser engorrosas, requieren mucha mano de obra y propensas a errores del operador. Los viscosímetros en línea deben poder entregar mediciones continuas día tras día con un mantenimiento mínimo. Por lo tanto, las consideraciones a la hora de elegir sensores de viscosidad para el procesamiento de alimentos deben incluir la facilidad de limpieza, el riesgo mínimo de ensuciamiento y si cumplen o no con los requisitos sanitarios.

Instrumentos fuera de línea

Para la medición de la viscosidad en entornos controlados (típicamente de laboratorio) donde la mayoría de las variables se mantienen constantes, ingenieros y científicos utilizan viscosímetros fuera de línea. Los ejemplos típicos incluyen: Capilar, Couette, Bola Falling, Cono y Placa y Cilindro Oscilante. Es muy importante mantener estos instrumentos en un ambiente regulado con una temperatura estable (como en un baño de agua) debido a la sensibilidad de la viscosidad a los cambios de temperatura.

Capilar

El viscosímetro Ostwald U-Tube funciona midiendo la cantidad de tiempo que toma una cantidad específica de fluido para pasar de su posición inicial a una posición final.

Por lo general, un dispositivo de succión sostiene la parte inferior del menisco de fluido en la posición inicial (indicada por la línea roja horizontal continua), y al liberarse el fluido cae una distancia aproximada de 5 mm (para alcanzar la línea verde horizontal continua). El tiempo de esta caída se registra para que los datos adquiridos puedan ser utilizados en la Ley de Poiseuille para determinar el resultado de la viscosidad cinemática.

Las viscosidades dinámicas y cinemáticas se pueden encontrar aplicando estas fórmulas (donde K ₀ es la constante del viscosímetro no adimensional):

• Viscosidad Dinámica: μ = K ₀ ρ t
• Viscosidad Cinemática: v = K ₀ t

Couette

Este dispositivo se puede utilizar tanto en aplicaciones fuera de línea como en línea con modificaciones apropiadas en los ajustes de salida. Un viscosímetro tipo couette mide la viscosidad haciendo girar un cilindro encapsulado en fluido. Esto se logra a través de la sincronización (frecuencia idéntica, sin diferencia de fase) de un motor con acoplamiento magnético para hacer girar un imán que a su vez obliga al cilindro interno a girar dentro del fluido.

La reacción de par del motor es el resultado de la resistencia viscosa en el cilindro giratorio. Este par en el motor es efectivamente contrarrestado por la barra de torsión (una varilla delgada que conecta la banda de control/ medición al transformador de desplazamiento variable lineal). La deflexión de la barra de torsión, una función de la viscosidad del fluido, se convierte posteriormente en señal local disponible para análisis de laboratorio.

Los ingenieros utilizan viscosímetros del tipo couette en aplicaciones en línea o en tanque. Además, los medidores son apropiados tanto para fluidos newtonianos como no newtonianos. El rango aceptable de viscosidad abarca de 10 ^{− 3} a 5 * 10 ³ Ns/m ².

La información para este dispositivo ha sido adaptada de Richardson's Chemical Engineering.

Pelota que cae

Un enfoque sustancialmente más directo para la medición de la viscosidad, los probadores permiten que una bola caiga a través de una columna que contiene líquido de viscosidad desconocida y luego medir la cantidad de tiempo necesario para que la bola llegue al fondo de la columna.

Un método comúnmente utilizado consiste en una bola de acero inoxidable que se hunde a través del líquido bajo escrutinio; los investigadores miden el tiempo necesario para que la pelota caiga de un nivel preseleccionado a otro. Para alcanzar la velocidad terminal de la bola en el líquido, u ₀, los temporizadores escriben la marca de sincronización inicial un mínimo de seis diámetros de bola por debajo del punto de liberación de la bola.

También es importante tener en cuenta que la relación entre el diámetro de la bola y el diámetro del tubo de la columna no debe exceder 1:10 para tener en cuenta los efectos de arrastre de las paredes del tubo de columna sobre la velocidad terminal de la bola de acero que cae Una simple derivación de viscosidad a partir de principios de flotabilidad se presenta en el texto de Richardson, y se muestra nuevamente aquí:

\[v=\frac{K_{v}\left(\rho_{s}-\rho\right)}{\rho} t \nonumber \]

donde

• \(K_v\)es la constante del viscosímetro dimensional
• \(ρ_s\)es la densidad de la pelota
• \(ρ\)es la densidad del líquido
• \(t\)es el tiempo requerido para que la bola hunda la distancia medida

Cono y Placa

Otro método popular utilizado emplea un cono colocado de manera que la punta toque el centro de una placa estacionaria. El fluido encapsula el cono y los investigadores toman una medida de la cantidad de torque requerido para mantener la placa estacionaria.

Este proceso permite que la viscosidad dinámica se describa cuantitativamente como:

\[v=\frac{3}{\pi \gamma r^{3}} T \nonumber \]

• T = Torsión requerida para mantener la placa superior en su lugar
• γ = Velocidad de cizallamiento

La velocidad de cizallamiento es la relación entre la velocidad angular del cono y el ángulo entre el cono y la placa (nota: este ángulo debe ser lo suficientemente pequeño para que el pecado del ángulo sea aproximadamente igual al ángulo mismo).

Notas adicionales importantes:

Se descuidan los efectos de borde del cono o placa. La ecuación también se puede utilizar para fluidos no newtonianos siempre que γ sea relativamente constante.

Placas Paralelas

El viscosímetro de placas paralelas o discos es similar al método de cono y placa. El cono en la caja se reemplaza por otra placa. En este viscosímetro, el fluido fluye en un hueco entre dos discos paralelos. Uno de los discos gira con una velocidad angular ω lo que crea el cizallamiento. El par se aplica a la otra placa para que permanezca estacionaria. Una fuerza normal, F, es creada por la elasticidad del fluido y actúa como para separar las dos placas. No se asume ningún deslizamiento en los límites.

Viscosímetro de placas paralelas

ω, T y F son todos parámetros experimentales. La velocidad de cizallamiento viene dada por:

\[\dot{\gamma}=\frac{\omega r}{d} \nonumber \]

• Velocidad de cizallamiento
• r = El radio del disco
• d = La distancia entre las dos placas

El esfuerzo cortante, τ, viene dado por:

\[\tau=\frac{T}{2 \pi r^{3}}\left(3+\frac{d l n T}{d l n \dot{\gamma}}\right) \nonumber \]

La viscosidad es, por lo tanto, la relación entre esfuerzo cortante y velocidad de cizallamiento. Algunas limitaciones asociadas con las placas paralelas incluyen:

1. Deben estar disponibles suficientes datos de T vs w y F vs w
2. Se requiere temperatura uniforme en diferentes puntos en el espacio entre las dos placas
3. El error puede ser causado por fractura de borde, deslizamiento de la pared, desalineación de las placas y calentamiento viscoso.

Cilindro Oscilante

Este instrumento implica una disposición que requiere un cilindro giratorio colocado en una cantidad de un fluido viscoso. Luego se anota el nivel de perturbación observado en el fluido resultante de la rotación del cilindro, y se puede utilizar si la siguiente ecuación para determinar la viscosidad:

\[v=\frac{\left(r_{2}^{2}-r_{1}^{2}\right)}{4 \pi \omega_{v} r_{2}^{2} r_{1}^{2}} T^{\prime} \nonumber \]

• r ₂ = Radio exterior del cilindro
• r ₁ = Radio del cilindro interior
• ω _v = Velocidad angular

El cilindro exterior de radio _r2 gira con una velocidad angular de ω _v mientras que el cilindro interior de r ₁ permanece estacionario permitiendo así que el par (alternativamente referido como 'arrastre viscoso'), T', se mida a valores predeterminados de ω _v.

Instrumentos On-line

Los instrumentos en línea son aquellos que son capaces de dar una medición precisa de la viscosidad en condiciones de planta. Esto significa que podrán soportar el amplio rango de viscosidades y la temperatura variable, presión y caudal que ocurren dentro de una planta de proceso mientras obtienen la precisión que se requiere. En todos los instrumentos en línea siempre se requiere compensación automática de temperatura debido a la dependencia de la temperatura de la viscosidad.

Capilar

Este tipo de viscosímetro se deriva de la ley de Poiseuille:

\[\frac{d v}{d t}=v_{s} * \pi * r^{2} \nonumber \]

• v _s = Velocidad del fluido
• r = Radio interno

El instrumento tiene muchos sensores de temperatura y presión en el intrincado sistema porque debe haber una caída de presión y temperatura controladas con precisión en la corriente. El tiempo de respuesta se minimiza mediante la adición de un sistema de muestreo de bucle rápido. Un viscosímetro capilar sería útil cuando se utilizan fluidos newtonianos como aceites lubricantes o fuelóleos. Puede soportar viscosidades que van desde 2 * 10 ^{− 3} hasta 4 Ns/m ².

Couette

Idéntica a la descripción proporcionada anteriormente, excepto ahora con un cambio en el procesamiento de datos de salida. La deflexión de la barra de torsión, una función de la viscosidad del fluido, ahora se convierte en una señal de salida de 4-20 mA y está fácilmente disponible para la gestión/procesamiento de datos adicionales de la planta.

La información para este dispositivo ha sido adaptada de Richardson's Chemical Engineering.

Varilla o cilindro vibratorio

Este tipo de viscosímetro también se puede utilizar en línea o en tanque. Es adecuado para fluidos newtonianos, no newtonianos y lodos minerales. La varilla vibratoria o cilindro funciona mediante el uso de un sistema electromecánico como fuerza motriz, o por un pulso de corriente a través de una aleación específica. La viscosidad más baja que puede manejar es de 10 ^{− 4} Ns/m ² y puede extenderse a 2 * 10 ³ Ns/m ². Normalmente en rangos de viscosidad más bajos se utiliza el cilindro, mientras que con rangos más altos se usa la varilla. Dada la vibración natural de las plantas, se debe tener cuidado al decidir la ubicación de un viscosímetro de oscilación debido a su sensibilidad.

Tabla de Usos del Viscosímetro

Esta tabla que se encuentra en el texto de Richardson ofrece alguna orientación sobre el proceso de selección de dispositivos.

Se puede notar que los rangos de viscosidad de algunos de los viscosímetros se superponen. En una situación en la que esto ocurre y es necesario elegir entre múltiples viscosímetros, es necesario tener en cuenta las condiciones del proceso como los cambios en la temperatura, la presión y el caudal de la solución. El viscosímetro apropiado debe ser capaz de manejar estas condiciones sin interrumpir el proceso.

Esquema de resolución de problemas

Se puede emplear el siguiente esquema para seleccionar un viscosímetro apropiado. También deben tener lugar consideraciones adicionales, ya que los rangos de viscosímetro utilizables ocasionalmente se superponen. Esto requiere que el operador o ingeniero competente base su selección a partir de una serie de otros criterios valiosos, incluyendo pero no limitado a: rentabilidad, dificultad de implementación, generación de calor, disponibilidad de personal de mantenimiento local calificado, impacto ambiental y largo plazo sustentabilidad.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Viscosity Sensor

Eres un ingeniero que ejecuta un proceso que requiere agua caliente en algunos momentos y agua fría en otros. Para calentar y enfriar el agua, la pasa a través de un intercambiador de calor. Cuando se quiere calentar el agua, se utiliza una corriente de glicol de 100°F para calentar el agua (viscosidad = 0.002 Ns/m ²). Cuando se quiere enfriar el agua, se utiliza una corriente de glicol de 20°F para enfriar el agua (viscosidad = 5 Ns/m ²). Para asegurarse de que el glicol no obstruya las bombas en su proceso, necesita monitorear su viscosidad en línea. ¿Qué tipo (s) de viscosímetros podría usar en la corriente de glicol caliente? ¿En la corriente fría de glicol?

Solución

Después de mirar la tabla de resumen dada anteriormente, podemos limitar inmediatamente nuestra búsqueda a solo los instrumentos en línea a partir de la información proporcionada en la declaración del problema. Para la corriente de glicol caliente encontramos qué instrumentos tienen un rango de viscosidad que permite una viscosidad de 0.002 Ns/m ². Encontramos que los siguientes viscosímetros serían aceptables: Capilar, varilla vibratoria o cilindro

La corriente fría de glicol implica el mismo proceso, pero debe tener un rango diferente de viscosidad que incluya 5 Ns/m ². Los viscosímetros que son aceptables para esta corriente incluyen: Couette, varilla vibratoria o cilindro

Aprendizajes clave del sensor de pH/viscosidad

Como es evidente después de leer este artículo, las mediciones de pH y viscosidad no tienen mucho en común entre sí. Sin embargo, hay un hilo común entre estos dos tipos de sensores que necesita ser reconocido, y ese es el método que se debe tomar a la hora de decidir qué tipo de sensor usar. Si bien solo hay un solo tipo de sensor de pH disponible, antes de que se vaya a usar el usuario necesita evaluar si existe una manera más fácil y económica (por ejemplo, usando papel de pH o un tinte activado por pH) para realizar la tarea en cuestión. Con los viscosímetros, hay múltiples tipos de viscosímetros para usar en varios rangos de viscosidad. El usuario necesita evaluar las condiciones del proceso como temperatura, presión y caudal, para decidir qué tipo de viscosímetro es óptimo para la aplicación.

La matemática asociada a ambos tipos de sensores es buena para conocer con fines de fondo y para obtener una comprensión fundamental de cómo un sensor produce una medición, sin embargo no es información la que ayude mucho al usuario a decidir qué tipo de indicador de pH o viscosímetro usar. Por lo tanto, este artículo ha tratado de dar la teoría de fondo detrás de las mediciones, pero no se incluye un análisis exhaustivo de esta teoría y no es necesario para los fines del Control de Procesos.

Referencias

• Catálogo Cole-Palmer, 2005/2006
• Liptak, Bela. Manual de Ingenieros de Instrumentos - Control y Optimización de Procesos, Cuarta Edición, Volumen 2. Taylor & Francis, Nueva York, 2005.
• Perry, Richard. Manual para ingenieros químicos de Perry, séptima edición. McGraw-Hill, 1997.
• Richardson, J.F. y Peacock, D.G. Ingeniería Química, 3ª Edición, Tomo 3. Butterworth-Heinemann, 1994.
• Rodríguez, Ferdinand; et al. Principios de Sistemas de Polímeros, 5ª Edición. Taylor & Francis, 2003. ISBN 1560329394
• Stephanopoulos, Jorge. Control de Procesos Químicos - Una Introducción a la Teoría y la Práctica. Prentice Hall, Nueva Jersey.
• Hidramoción. El control de viscosidad en línea aumenta la productividad y eficiencia del proceso. ScientistLive 17 de noviembre de 2008. 8 de diciembre de 2008 http://www.scientistlive.com/European-Food-Scientist/Processing_Equipment/Online_viscosity_control_increases_process_productivity_and_efficiency/21292/

Colaboradores y Atribuciones

• Autores: Navin Raj Bora, Dallas Burkholder, Nina Mohan, Sarah Tschirhart