MÉTODO ESTÁNDAR PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD CINEMÁTICA DE LÍQUIDOS OPACOS Y

TRANSPARENTES (Y CÁLCULO DE VISCOSIDAD DINÁMICA)ASTM D 445-88

ANDREA MARTÍNEZ HOYOSJAMES VEGA

VANESSA TATIANA VERA

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANAFACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA INGENIERÍA DE PETRÓLEOSNEIVA2010

MÉTODO ESTÁNDAR PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD CINEMÁTICA DE LÍQUIDOS OPACOS Y

TRANSPARENTES (Y CÁLCULO DE VISCOSIDAD DINÁMICA)ASTM D 445-88

ANDREA MARTÍNEZ HOYOS COD: 2008171350

JAMES VEGACOD: 2009178902

VANESSA TATIANA VERACOD: 2009181303

Informe presentado en el Laboratorio de Crudos y Derivados

Ing. ERVIN ARANDA ARANDA

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANAFACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOSNEIVA2010

CONTENIDO

1. OBJETIVOS

2. BASE TEÓRICA

3. MATERIALES Y EQUIPOS

4. RESULTADOS

5. CÁLCULOS

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

7. CUESTIONARIO

8. IMPORTANCIA

9. RECOMENDACIONES

10.CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVOS GENERALES

Determinar la viscosidad de una muestra de crudo o lubricante por medio

del método de viscosidad cinemática.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Comprender la dependencia de la viscosidad respecto al cambio de

temperatura.

Determinar y razonar acerca de la importancia del índice de viscosidad para

muestras de lubricante.

A partir de la viscosidad cinemática obtenida experimentalmente

determinar la viscosidad dinámica o absoluta de los productos líquidos

utilizados.

2. BASE TEÓRICA

La viscosidad es una de las propiedades físicas más importantes del crudo, siendo una medida de las características de flujo del aceite, entre más espeso sea, mayor es su viscosidad.

La viscosidad cinemática se mide por medio de viscosímetros de tipo capilar (para líquidos claros y opacos). Estos miden el tiempo requerido (en s) por una cantidad específica de muestra, a una temperatura dada, para fluir por acción de la gravedad a través de un capilar de dimensiones específicas.

Se define como la resistencia interna al flujo de un fluido, producto del frotamiento de las moléculas que se deslizan unas contra otras. La unidad de medida de la viscosidad cinemática es el Stoke ó Centistoke [1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s].

Al momento de evaluar los aceites lubricantes se hace necesario tener claro el concepto de índice de viscosidad (IV) que se define como el cambio de viscosidad con las variaciones de temperatura.

El IV es un número adimensional que va desde 0 hasta 100 de la siguiente forma:

Valores bajos de IV: El aceite varía mucho con los cambios de temperatura aún para cambios pequeños.

Valores altos de IV: El aceite cambia muy poco de viscosidad aún para altas temperaturas.

3. MATERIALES Y EQUIPOS

Viscosímetros Viscosímetro para opacos

Referencia:The Canon-Fenske Viscometer

Viscosímetro para claros

Referencia:The Canon-Fenske Viscometer

Viscosímetro capilar tipo Ubbelode

Baño termostático

El baño termostático para medir viscosidad cinemática, tiene una capacidad de 70 L y dimensiones de: largo x ancho x alto = 267 mm x 229 mm x 610 mm. El interior es visible a través de dos paredes (al frente y en la parte de atrás) de 257 mm x 571 mm. Esta parte está separada de la zona del controlador de temperatura (serpentín y agitador) por una placa de acero inoxidable, por consecuencia el líquido enfriador circula sobre la cámara de medición.

Las dimensiones del baño en la zona de medición, permiten que los viscosímetros capilares (capilar de 400 mm de longitud) se observen completamente a través de las ventanas.La temperatura ambiente del laboratorio donde esta ubicado el baño termostático se mantiene a (20, 0 ± 1)°C. El baño termostático opera con un sistema de enfriamiento donde re-circula agua con etilenglicol en proporción 1:1.

Termómetro

Utilizado para medir la temperatura dentro del baño termostático.

Cronómetro

Utilizado para medir el tiempo en segundos de descargue de determinado volumen a través del capilar del viscosímetro. Con aproximación de 0.1 s y precisión ±0.05%

4. RESULTADOS

CRUDO: TERCIARIO

Para este crudo las pruebas de viscosidad se hicieron con viscosímetro tamaño capilar 300 532C.

T = 80°F = 26.67°C

Medida Tiempo (segundos)T1 284.50T2 374.30

T = 100°F = 37.78°C

Medida Tiempo (segundos)T1 205.60T2 271.93

ACEITE LUBRICANTE

Para la el aceite lubricante, se utilizaron los viscosímetros de tamaño capilar 350 L738.

T = 80°F = 26.67°C

Medida Tiempo (segundos)T1 365.58

T = 100°F = 37.78°C

TABLA 2. Lecturas del tiempo (seg.) de vaciado de 60ml de sustancia por los orificios en el viscosímetro Saybolt furol y Saybolt universal.

Medida Tiempo (segundos)T1 224.4

70 90 110 130 150 170 190 210 23010

20

30

40

50

60

70

80

VISCOSIDAD CINEMÁTICA (cSt) VS T(°F)

Temperatura (°F)

Visc

osid

ad(c

Ts)

Figura 1. Perfil de viscosidad para el crudo TERCIARIO.

5. MUESTRA DE CÁLCULOS

El crudo de referencia utilizado para esta experiencia fue: TERCIARIO

Para calcular la viscosidad cinemática del crudo: Terciario en Cts se utilizan las constantes del viscosímetro utilizado (300 532C):

Viscosímetros para opacos de tamaño capilar 300 532CTemperatura (°C)

C (mm2

s2 ) J (mm2

s2 )

40 0.2384 0.1827100 0.2399 0.1840

Para T = 26.67°C

Con las constantes mostradas anteriormente se extrapola y se obtiene:

Viscosímetros para opacos de tamaño capilar 300 532CTemperatura (°C)

C (mm2

s2 ) J (mm2

s2 )

26.67 0.2381 0.1824

Así que:

µ=Ct 1+Jt 22

µ=0.2381(284.50)+0.1824 (374.30)

2µ=68 cSt

Para T = 37.78°C

Con las constantes mostradas anteriormente se extrapola y se obtiene:

Viscosímetros para opacos de tamaño capilar 300 532CTemperatura (°C)

C (mm2

s2 ) J (mm2

s2 )

37.78 0.23834 0.18265

Así que:

µ=Ct 1+Jt 22

µ=0.23834 (205.60)+0.18265(271.93)

2µ=49.34cSt

Como ya se tienen dos valores de viscosidad cinemática a dos temperaturas diferentes, se procede a calcular la viscosidad a otras temperaturas: 140ºF, 180°F y 210ºF utilizando la ecuación de Arrhenius.

log µTx=log µTa+

log( µa

µb)∗log(T x

Ta )log(T a

T b)

µa=μ80º F=68 cStµb=μ100 º F=49.34 cSt

- T x=140 º F

log µ140° F=log 68+log( 68

49.34 )∗log( 14080 )

log( 80100 )

log µ140° F=1.48µ140° F=30.418 cSt

- T x=180 º F

log µ180° F=log 68+log( 68

49.34 )∗log( 18080 )

log( 80100 )

log µ180° F=1.33µ180° F=21.195 cSt

- T x=210 º F

log µ210° F=log 68+log( 68

49.34 )∗log( 21080 )

log( 80100 )

log µ210° F=1.23µ210° F=16.982 cSt

ACEITE LUBRICANTE

Para calcular la viscosidad cinemática del Aceite Lubricante en Cts se utilizan las constantes del viscosímetro utilizado (350 L738):

Viscosímetros para claros de tamaño capilar 350 L738Temperatura (°C)

K (mm2

s2 )

40 0.5206100 0.5180

Para T = 26.67°C

Con las constantes mostradas anteriormente se extrapola y se obtiene:

Viscosímetros para claros de tamaño capilar 350 L738Temperatura (°C)

K (mm2

s2 )

26.67 0.5212

Para T = 37.78°C

Con las constantes mostradas anteriormente se extrapola y se obtiene:

Viscosímetros para claros de tamaño capilar 350 L738Temperatura (°C)

K (mm2

s2 )

37.78 0.5207

ACEITE LUBRICANTE

Para calcular la viscosidad cinemática del Aceite Lubricante en Cts se utilizan las constantes del viscosímetro utilizado (350 L738):

Viscosímetros para claros de tamaño capilar 350 L738Temperatura (°C)

K (mm2

s2 )

40 0.5206100 0.5180

Para T = 26.67°C

Con las constantes mostradas anteriormente se extrapola y se obtiene:

Viscosímetros para claros de tamaño capilar 350 L738Temperatura (°C)

K (mm2

s2 )

26.67 0.5212

Para T = 37.78°C

Con las constantes mostradas anteriormente se extrapola y se obtiene:

Viscosímetros para claros de tamaño capilar 350 L738Temperatura (°C)

K (mm2

s2 )

37.78 0.5207

CÁLCULO DE LA VISCOSIDAD CINEMÁTICA

μ=Kt (segundos)

Temperatura (°C)K (

mm2

s2 )Tiempo (Seg) μcinematica

26.67 0.5212 365.58 190.5437.78 0.5207 224.4 116.85

μ80 º F=190.54 cStμ100 º F=116.85 cSt

Como ya se tienen dos valores de viscosidad cinemática a dos temperaturas diferentes, se procede a calcular la viscosidad a otras temperaturas: 140ºF, 180°F y 210ºF utilizando la ecuación de Arrhenius.

log µTx=log µTa+

log( µa

µb)∗log(T x

Ta )log(T a

T b)

µa=μ80º F=190.54 cStµb=μ100 º F=116.85cSt

- T x=210 º F

log µ210° F=log 190.54+log( 190.54

116.85 )∗log( 21080 )

log( 80100 )

log µ210° F=1.36

µ210° F=23 cSt

- Valores de la tabla ASTM D2161

Viscosidad Segundo Saybolt Universal a 100 °F, para una viscosidad cinemática de 116.85cSt:

Viscosidad Cinemática (cSt) μSSU

116.8 541116.85 541.25

117 542

μSSU 100° F=541.25

Viscosidad Segundo Saybolt Universal a 210 °F, para una viscosidad cinemática de 23cSt:

Viscosidad Cinemática (cSt) μSSU

23 111.4

μSSU 100° F=111.4

CÁLCULO DEL ÍNDICE DE VISCOSIDAD SEGÚN LA NORMA ASTM 2270:

Con µ210° F se va a la tabla de la norma y se encuentra que:

µ210° F (cSt) L100 D100 H 100

23 712.8 404.1 308.7

Y como μ100 º F=116.85 cSt, entonces:

IV =L100−μ100

D100

∗100 %

IV =712.8−116.85404.1

∗100 %

IV =147.48 %

Como IV>100 se debe hallar el Índice de Viscosidad Extensivo:

N=LogH 100−log μ100

Logμ210

N= log308.7−log 116.85log23

N=0.31

IV extensivo=100+[antilog ( N ) ]−1

0.00750

IV extensivo=100+[antilog (0.31 ) ]−1

0.00750IV extensivo=238.79 %

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Los datos obtenidos en laboratorio permiten concluir que a medida que aumenta la temperatura disminuye la viscosidad es decir que, entre estas dos propiedades existe una relación inversamente proporcional.

CRUDO:

En el perfil de viscosidad del crudo se puede ver claramente lo anteriormente dicho pues para una temperatura de 100°F y 210°F las viscosidades corresponden respectivamente a 49.34Cst y 16.982Cst; además estas indican que el crudo no es muy viscoso así que se puede inferir que los costos en refinería, transporte y tratamiento del crudo no son muchos.

ACEITE LUBRICANTE:

Para el aceite lubricante las viscosidades a 100°F y 210°F corresponden respectivamente a 116.85Cst y 23Cst lo cual indica que a temperaturas altas el aceite presenta buena fluidez.

Además, su índice de viscosidad es mayor que 100 lo que permite deducir que esta presenta aditivos los cuales se le han añadido con el fin de mejorar sus características.

7. CUESTIONARIO

1) Definir Viscosidad cinemática.

RTA/: Se define como el cociente de la viscosidad absoluta de un fluido expresada

en poises o centipoises y su densidad expresada en gr

cm3 , también se puede

definir como el tiempo necesario para que un volumen dado de sustancia recorra una longitud dada. Matemáticamente se expresa:

μcinematica=μabsoluta(Cp)

ρ( grcm3 )

=Centistokes

2) Definir viscosidad Dinámica.

RTA/: Se puede definir como una medida de la resistencia de una sustancia a fluir, o como la fuerza por unidad de área requerida para mantener el fluido a una velocidad constante en un espacio considerado, comúnmente se le llama viscosidad del líquido. Las dimensiones del coeficiente de viscosidad dinámica son M/LT – FT/L, dependiendo de si la viscosidad está basada en el sistema M-L-T o en el F-L-T (donde F representa una fuerza).

Las unidades en el CGS para la viscosidad dinámica es gr/cm-sg – dina-sg/cm y se llama poise (se representa por P). Las unidades del sistema internacional para la viscosidad dinámica es Nw-sg y lo equivalente a 10P frecuentemente se utiliza el centipoise que se simboliza: 1cp – 10P.

3) ¿Por qué se corrige la constante de calibración del viscosímetro por efecto de la aceleración gravitacional?

RTA/: El campo gravitacional g influye en la constante C del viscosímetro. La calibración del viscosímetro toma en cuenta el campo gravitacional local, es decir del lugar donde se realizó la calibración. Cuando se utiliza el viscosímetro en otro sitio, debe tomarse en cuenta el cambio de g mediante una corrección o una contribución adicional a la incertidumbre de C. Típicamente se pueden encontrar variaciones del campo gravitacional de 0,01m/2, lo cual puede dar lugar a contribuciones de hasta el 15% de la incertidumbre de la constante del viscosímetro.

4) ¿Cuál cree que sea la importancia práctica del conocimiento de la viscosidad cinemática?

RTA/: La viscosidad cinemática de muchos combustibles del petróleo y materiales no hidrocarburados, es importante debido a su utilización, el flujo de combustibles a través de tuberías, inyección por boquillas y orificios, como lubricantes para engranajes, equipos , compresores, equipo hidráulico y la determinación del rango de temperatura para la adecuada operación en los quemadores de combustibles.

8. IMPORTANCIA

La presente práctica es de vital importancia debido a que:

1) La viscosidad es casi siempre la primera consideración en la selección de un aceite lubricante.

2) Por medio de esta propiedad, podemos conocer la “calidad” del aceite a partir de su índice de viscosidad, en donde comúnmente los crudos de base parafínica son los de excelente calidad. Según el análisis de viscosidad se selecciona el aceite de mejor calidad.

3) Permite seleccionar de manera adecuada el tipo de aceite lubricante para los diferentes medios de transporte, bajo ciertas condiciones. Por ejemplo: Una máquina que trabaja a baja velocidad y altas cargas y temperaturas debe ser lubricada con un aceite de alta viscosidad para que provea una película resistente que soporte cargas y brinde protección a las superficies de contacto; mientras que una maquina que trabaja a alta velocidad, presiones bajas y temperaturas bajas, debe utilizar un lubricante con un grado de viscosidad bajo. Un aceite que es más pesado de lo necesario introduce fricción fluida excesiva y crea un arrastre innecesario.

4) La determinación de la viscosidad de un crudo, es un factor que se debe tener muy en cuenta para la elección de un método de levantamiento artificial.

5) Siendo ingenieros en formación es fundamental conocer y analizar esta medida característica del flujo, sobretodo si se tiene en cuenta que por medio de ésta se conocen algunas condiciones de transporte y operación del crudo y aceite lubricante.

9. RECOMENDACIONES

Para esta prueba es necesario atención y concentración en el momento de la lectura, ya que si el tiempo no se lee correctamente, el valor de la viscosidad será alterado. Sucede lo mismo si la cantidad de fluido depositado en cada uno de los viscosímetros supera los límites respectivos.

Para reducir al máximo posibles errores es necesario limpiar los viscosímetros utilizados antes de iniciar la prueba, evitando residuos de experiencias previas.

Durante la prueba es necesario que se mantenga constante la temperatura deseada, asegurándose que la muestra alcance el equilibrio.

Nunca intente ajustar la temperatura por inmersión de cuerpos calientes o fríos en la muestra. Ya que se puede afectar la muestra y la precisión del análisis.

Al realizar las pruebas a temperaturas superiores a la temperatura ambiente en el baño de aceite, se debe tener cuidado de no dejar esparcir crudo o lubricante en dicho baño, ya que estos fluidos ensucian el aceite mineral causando una gran dificultad en el momento de tomar las mediciones en el baño por poca apreciación de observación en los aforos, y será necesario realizar el cambio del aceite mineral.

Para evitar esto, es preferible no llenar hasta el aforo los viscosímetros para líquidos opacos, ya que debemos tener en cuenta que los líquidos a mayor temperatura sufren una expansión térmica la cual incrementa su volumen, causando que una parte del líquido salga y se disperse en el baño de aceite, por lo cual debemos estar pendientes si el fluido sale del viscosímetro, para limpiarlo INMEDIATAMENTE.

10. CONCLUSIONES

La viscosidad es una propiedad física de gran utilidad en la industria petrolera, fundamental para determinar el comportamiento del flujo, y en consecuencia evaluar parámetros de operación y transporte del crudo o aceite.

La viscosidad y la temperatura presentan una relación inversamente proporcional.

Si un aceite lubricante presenta un IV>100 es debido a la presencia de aditivos (sustancias) que se le han agregado con el fin de mejorar sus propiedades.

La viscosidad es de gran utilidad primordialmente en aceites lubricantes debido a su alta viscosidad, ya que condiciona las cualidades requeridas para su lubricación.

La magnitud de la viscosidad depende de la composición química del crudo, a mayor proporción de fracciones ligeras, menor es su viscosidad.

BIBLIOGRAFÍA

FRANCO MUÑOZ, Julián Andrés. Guías de Laboratorio de propiedades del petróleo.

ZÁRATE ZÁRATE, Germán. Guía de prácticas para el laboratorio de crudos y aguas. [En línea] [Citado Mayo 4 de 2010] Disponible en: [http://www.uamerica.edu.co/pub/Petroleos/DocumentosCrudos/GUIAS.pdf]

Petroleum Engineers Handbook, Howard.B. Bradley. Richardson, Texas: Society of Petroleum Engineers.

.TRUJILLO S, Galván M. del C. CARACTERIZACIÓN DE UN BAÑO TERMOSTÁTICO PARA MEDIR VISCOSIDAD CINEMÁTICA. [En línea] [Citado Mayo 4 de 2010]. Disponible en: [http://www.cenam.mx/fyv/publicaciones%5Cta-or076.pdf]