Desarrollo de un viscos?metro de hilo vibrante para la caracterizaci?n termof?sica a alta presi?n de nuevos biocombustibles
La viscosidad, propiedad termodin?mica y de transporte de los fluidos, es clave para la caracterizaci?n de compuestos puros y de mezclas, as? como en el tratamiento de informaci?n para el dise?o de procesos industriales o para la medici?n de caudal; su exactitud es necesaria para garantizar la calid...
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| Formato: | Tesis de Doctorado |
| Lenguaje: | spa |
| Publicado: |
Valladolid / Universidad de Valladolid / 2014
2016
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://repositorio.educacionsuperior.gob.ec/handle/28000/3432 |
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| Sumario: | La viscosidad, propiedad termodin?mica y de transporte de los fluidos, es clave para la caracterizaci?n de compuestos puros y de mezclas, as? como en el tratamiento de informaci?n para el dise?o de procesos industriales o para la medici?n de caudal; su exactitud es necesaria para garantizar la calidad de muchos productos. La mayor?a de las t?cnicas para obtener la viscosidad de los fluidos exige una calibraci?n con un fluido de referencia apropiado, a la temperatura y presi?n de medici?n; lo que impone un l?mite superior a la precisi?n alcanzable ante la escasez de fluidos de referencia, especialmente a presiones y temperaturas elevadas. Estudios recientes sobre viscosidad giran en torno a tres ejes de gran inter?s para los investigadores. Primero, la construcci?n de equipos capaces de determinar el comportamiento viscoso de l?quidos de manera absoluta en amplios rangos de temperatura, presi?n y viscosidad, segundo, la b?squeda de fluidos que puedan servir de referencia para calibrar los viscos?metros relativos, y tercero, la modelizaci?n del comportamiento en presi?n y temperatura de esta propiedad de transporte con ecuaciones precisas y con sentido f?sico.
El Grupo de Investigaci?n TERMOCAL, Universidad de Valladolid, concibi? la idea de desarrollar un viscos?metro de hilo vibrante que sirva de viscos?metro absoluto en amplios rangos de temperatura, presi?n y viscosidad. El equipo emplea un sensor con hilo de tungsteno anclado en ambos extremos, con longitud de 50 mm y radio nominal de 75 ?m; la teor?a del viscos?metro de hilo vibrante se basa en las vibraciones transversales de un hilo tensionado, las frecuencias de vibraci?n permiten medir la viscosidad del fluido que rodea al hilo vibrante. El radio R utilizado es normalmente el radio promedio del hilo, que se obtiene de valores conocidos de viscosidad y densidad. Empleando tolueno con una pureza de 99.8 % libre de agua, se determin? que el radio del hilo, R, es de 75.0793 ?m a 293.15 K y 0.1 MPa. Tanto en
vac?o y como en aire ambiente, el decremento logar?tmico natural del hilo, ?wo , es de 44.8?10 -6. Con los resultados de la calibraci?n del hilo vibrante se verifica la ? del tolueno a 293.15 K y
0.1 MPa de 0.5907 mPa?s. La t?cnica se valid? con tolueno como fluido de referencia en el intervalo de 293.15 - 373.15 K hasta 140 MPa, con un m?ximo de respuesta del sensor (hilo
vibrante) de 35 mPa?s, la incertidumbre expandida relativa con factor de cobertura k = 2 (nivel de confianza del 95% distribuci?n normal) en la medida de la ? es 0.011 mPa?s (? 0.8 %).
Como soporte a la puesta a punto de la t?cnica se emple? un dens?metro de tubo vibrante automatizado que permite realizar medidas de la densidad en fluidos comprimidos, en un
amplio rango de temperaturas (273.15 a 413.15) K y presiones (0.1 a 140) MPa. El equipo se calibr? con agua a temperaturas y presiones por debajo de su punto de ebullici?n, con dodecano para temperaturas igual y superiores a 373.15 K a bajas presiones, y al vac?o a todas
las temperaturas. La incertidumbre expandida relativa (k = 2) es inferior a ? 0.06 % para temperaturas menores a 373.15 K y presiones de 0.1 ? 140 MPa.
Con ambas t?cnicas se obtuvieron datos experimentales de densidad y viscosidad din?mica de varios fluidos de inter?s, tanto como puros o como mezclas a varias fracciones molares;
centr?ndose en la caracterizaci?n termodin?mica de nuevas mezclas de hidrocarburos con 1butanol o 2-butanol (biocombustibles de segunda generaci?n) para contribuir al esfuerzo
internacional hacia el desarrollo y uso de combustibles sostenibles para el medio ambiente.
Los hidrocarburos son componentes representativos de la gasolina: parafinas (heptano, isooctano), cicloparafinas (ciclohexano), olefinas (1-hexeno) y arom?ticos (tolueno), adem?s del
pentano, dodecano y pseudocumeno. De los alcoholes se emple?: 1-alcohol (etanol, 1propanol, 1-butanol, 1-pentanol) y 2-alcohol (2-propanol, 2-butanol y 2-pentanol).
Las mezclas binarias fueron: 1-hexeno + 1-butanol, ciclohexano + 1-butanol, iso-octano + 1-butanol, isooctano +2-butanol, pseudocumeno +1-butanol, pseudocumeno + 2-butanol.
Una muestra de crudo pesado (21?API) y de tres muestras de biodi?sel (colza, soja y colza +soja).
Los datos experimentales de las densidades (sustancias puras y mezclas) se correlacionaron con la ecuaci?n de estado de Tammann-Tait modificada, y para las viscosidades din?micas con
la representaci?n de Vogel-Fulcher-Tammann (VFT) combinado con la ecuaci?n de Tait. La predicci?n de la ? se realiz? con: el modelo de las esferas r?gidas de Dymond-Assael, con
nuestra modificaci?n al modelo y con la Teor?a de Eyring apoyado en leyes de mezclas.
Para la muestra de crudo, la temperatura de ebullici?n es 293.39 ?C y la densidad a 20 ?C es 921.95 kg/m 3 . Con la densidad del agua a 20 ?C y p (14.7 psia = 0.1013 MPa), se calcula que
el petr?leo es de 21.7 ?API. Con el dens?metro de tubo vibrante se obtuvo la ? en el intervalo atm de 15.56 ?C (60 ?F) a 100 ?C, de 0.1 MPa a 140 MPa. Con la t?cnica del viscos?metro de hilo vibrante se obtuvo ? de la muestra para las isotermas de 353.15, 373.15, 393.15 y 403.15 K, de 0.1 MPa a 60 MPa.
Para los Hidrocarburos, en el ajuste de los datos experimentales de las densidades con la ecuaci?n de Tammann-Tait modificada, la desviaci?n m?xima (MD) es menor que 0.35 % y las
desviaciones est?ndares son menores que la incertidumbre expandida (k = 2) en la medida de la ? de 0.60 kg?m -3 , a excepci?n del pentano con 0.64 kg?m -3 . Para los Alcoholes, la MD es
menor que 0.15 % y las desviaciones est?ndares son menores que la incertidumbre expandida (k = 2) en la medida de la ? de 0.60 kg?m -3 , a excepci?n del 2-butanol con 0.62 kg?m
. Para los Biodi?seles, la MD es menor que el 0.20 % y las desviaciones est?ndares son menores que la incertidumbre expandida (k = 2) en la medida de la ? de 0.60 kg?m -3 .
Para los Hidrocarburos, en el ajuste de los datos experimentales de las viscosidades din?micas con la ecuaci?n VFT, el m?ximo valor de AAD es 1.66 % para el heptano, la MD es variable
hasta un valor m?ximo de 5.84 % tambi?n para el heptano, y las desviaciones est?ndares son menores que la incertidumbre expandida (k = 2) en la medida de la ? de 0.011 mPa?s a
excepci?n del ciclohexano, pseudocumeno y dodecano (0.014, 0.015 y 0.030 mPa?s, respectivamente). El comportamiento variable de MD deriva de la marcada desviaci?n entre
los datos experimentales y los valores correlacionados con el modelo VFT basado en una fuerte dependencia de p y T. En el ajuste al modelo RHS seg?n Assael et al. hay valores altos en la estad?stica de los compuestos 1-hexeno, ciclohexano, iso-octano y pseudocumeno; esto se debe a que el modelo RHS solo dispone de expresiones para los alcanos lineales (del C1 al C16) y para los arom?ticos. La expresi?n propuesta por Assael et al. para los alcanos lineales no se adapta al iso-octano que es un is?mero del C8 , la expresi?n de los arom?ticos tampoco se adapta al pseudocumeno (arom?tico con anillo de benceno y tres radicales metil) ni al
ciclohexano o al 1-hexeno. La estad?stica del ajuste al modelo RHS propuesto en este trabajo exhibe mejor consistencia que con la ecuaci?n VFT y que con modelo RHS seg?n Assael et al.
Para los Alcoholes, el m?ximo valor de AAD es 4.39 % para el 2-pentanol, la MD es variable hasta un valor m?ximo de 14.99 % tambi?n para el 2-pentanol, y las desviaciones est?ndares
son mayores que la incertidumbre expandida (k = 2) en la medida de la ? de 0.011 mPa?s. El comportamiento variable de MD deriva de la marcada desviaci?n entre los datos experimentales y los valores correlacionados con el modelo VFT basado en una fuerte
dependencia de p y T. No se usan las expresiones del modelo RHS seg?n Assael et al. para nAlcoholes ya que no generan un buen ajuste estad?stico. La estad?stica del ajuste al modelo
RHS propuesto en esta investigaci?n exhibe mejor consistencia que con la ecuaci?n VFT.
Para los Biodi?seles, los m?ximos valores de AAD y MD son 3.05 % y 10.62 %, respectivamente, para el biodiesel de Colza, y las desviaciones est?ndares son mayores que la incertidumbre expandida (k = 2) en la medida de la ? de 0.011 mPa?s. La estad?stica del ajuste al modelo RHS propuesto en esta investigaci?n exhibe mejor consistencia que con ecuaci?n VFT. Para los compuestos puros, usando los coeficientes de las correlaciones de los datos
experimentales de la ? y ?, se obtuvieron propiedades termodin?micas derivadas (?, ?) y ((????T) p , (????p) T , (????p) vs. Ln(??). Para las mezclas se obtuvieron propiedades
termodin?micas derivadas (?Tpm, ?Tm , ? m ; y, (????T) pm , (????p) Tm , (????p) ?), funciones termodin?micas de exceso (Vm E, ?E , ?G ?E ? ?E ) y propiedades derivadas de exceso (?pE, ?TE, ?E). |
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