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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS Fundamentos de fenómenos de transporte Practica: Reología Alumno: Bizarro Nava Axel Giovan Profesor: Gregorio Zacahua Tlacuatl Grupo: 2IM36 Sección: A INTRODUCCION Los fluidos son de gran interés desde hace mucho tiempo, ya que el ser humano al empezar a estudiar ciertos fenómenos sobre la tierra descubrió que existen varios tipos de líquidos, unos son más espesos que otros, teniendo características físicas diferentes. También se puede definir un fluido como aquella sustancia que, debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene. Al estudiar estos casos de los fluidos en movimiento se introduce la palabra reología por Bingham en 1929, y es definida como el estudio de los principales fenómenos físicos que regulan el movimiento de los fluidos. La Reología es una disciplina científica que se dedica al estudio de la deformación y flujo de la materia o, más precisamente, de los fluidos. La palabra reología proviene del griego ρειν la cual significa fluir. Aplicaciones del estudio de la reología Control de calidad en alimentos: Se realiza en la propia línea de producción. Es determinante para la aceptación de productos como cereales, quesos, yogures, dulces, chocolates, cremas, etc Producción de medicamentos: Se estudia su estabilidad química, su tiempo de caducidad y su facilidad de extrusión, entre otras. Caracterización de gasolinas y otros tipos de hidrocarburos. Producción de pinturas: Una pintura debe ser esparcida de forma fácil, pero sin que se derrame Producción de productos cosméticos y de higiene corporal: la duración de una laca sobre el pelo, la distribución de la pasta de dientes por toda la boca, la forma de cómo se esparce una crema, etc. Todas estas características se estudian con la reología para obtener la mayor eficacia del producto. Las características reológicas de un fluido son uno de los criterios esenciales en el desarrollo de productos en el ámbito industrial. Frecuentemente, éstas determinan las propiedades funcionales de algunas sustancias e intervienen durante el control de calidad, los tratamientos (comportamiento mecánico), el diseño de operaciones básicas como bombeo, mezclado y envasado, almacenamiento y estabilidad física, e incluso en el momento del consumo (textura). Las propiedades reológicas se definen a partir de la relación existente entre fuerza o sistema de fuerzas externas y su respuesta, ya sea como deformación o flujo. Todo fluido se va a deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas externas Matemáticamente, el rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido newtoniano se puede representar por la relación: Es la tensión tangencial ejercida en un punto del fluido o sobre una superficie sólida en contacto con el mismo, tiene unidades de tensión o presión [Pa]. Es la viscosidad del fluido, y para un fluido newtoniano depende sólo de la temperatura, puede medirse en [Pa·s]. Es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección al plano en el que estamos calculando la tensión tangencial, [1/s]. Tipos de fluidos Fluido newtoniano: Se caracteriza por cumplir la Ley de Newton, es decir, que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación. Si por ejemplo se triplica el esfuerzo cortante, la velocidad de deformación se va a triplicar también. Esto es debido a que el término µ (viscosidad) es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado Ejemplo de este tipo de fluidos son: el agua, aceite, combustible, lubricantes, entre otros Fluido adelgazante: Es aquel fluido cuya viscosidad disminuye al incrementarse la rapidez de deformación o la velocidad de corte. Ejemplos de fluidos adelgazantes son: algunos tipos de kétchup, mostaza, algunas clases de pinturas, suspensiones acuosas de arcilla, entre otros Un fluido newtoniano es aquel que obedece la Ley de Newton, es decir, que hay una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la tasa de corte es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado. La viscosidad no depende del tiempo de aplicación del cizallamiento, aunque sí puede depender de la temperatura como de la presión. Los ejemplos más comunes para este tipo de fluidos son: agua y el aceite Fluido dilatante: Tipo de fluido cuya viscosidad aumenta al incrementarse la rapidez de deformación o la velocidad de corte. Ejemplo de este tipo de fluidos son: la harina de maíz las disoluciones de almidón muy concentradas, la arena mojada, dióxido de titanio, etc. Fluido Bingham: Exhiben un comportamiento lineal de esfuerzo cortante y velocidad de corte después de alcanzar un umbral inicial de esfuerzo cortante. 1.- Fluido newtoniano. m=1 2.- Fluido adelgazante. m<1 3.- Fluido dilatante. m>1 4.- Fluido Bingham Curvas de viscosidad También conocida como reograma, es una representación gráfica de cómo se comporta un material (fluido) que fluye cuando está sujeto a tasas de cizallamiento crecientes o decrecientes. Reómetro Un reómetro es un dispositivo de laboratorio utilizado para medir la forma en que fluye un líquido, suspensión o lechada en respuesta a las fuerzas aplicadas. Se utiliza para aquellos fluidos que no pueden ser definidos por un único valor de viscosidad y por lo tanto requieren más parámetros para ser ajustados y medidos que en el caso de un viscosímetro. Hay dos tipos distintivamente diferentes de reómetros. Los reómetros que controlan la tensión cortante aplicada o la deformación por cizallamiento se denominan reómetros rotatorios, mientras que los reómetros que aplican tensión extensional son reómetros extensionales. Accesorios · Accesorios de temperatura que cubren una gama de temperatura de -20 °C a+180 °C · Soporte de recipientes flexible · Cámara de medición de bola para muestras con partículas >200 μm · Husillo Krebs cilindros concéntricos, sistema de doble espacio anular (doble gap) y diferentes geometrías de aspas y paletas. El acoplamiento del sistema de medición en el equipo es de forma rápida y sencilla. BIBLIOGRAFÍA https://www.studocu.com/es-mx/document/universidad-autonoma-de-nuevo-leon/reologia/practicas/practica-4/5657731/view https://www.glossary.oilfield.slb.com/es/Terms/b/bingham_plastic_model.aspx http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/mabel/materias/sistemdispersos/Reologia.pdf https://marcanord.files.wordpress.com/2012/11/reologc3ada-1.pdf https://www.tplaboratorioquimico.com/laboratorio-quimico/materiales-e-instrumentos-de-un-laboratorio-quimico/reometro.html DIAGRAMA DE BLOQUES TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES (SHAMPOO) N ϒ τ yi = log(τ) xi = log(ϒ) xi^2 xi * yi 1 0.2330 5.0000 0.6990 -0.6326 0.4002 -0.4422 2 0.2771 5.5441 0.7438 -0.5574 0.3107 -0.4146 3 0.2956 6.1475 0.7887 -0.5293 0.2802 -0.4175 4 0.3309 6.8165 0.8336 -0.4803 0.2307 -0.4004 5 0.3638 7.5583 0.8784 -0.4391 0.1928 -0.3857 6 0.4068 8.3808 0.9233 -0.3906 0.1526 -0.3607 7 0.4329 9.2928 0.9681 -0.3636 0.1322 -0.3520 8 0.5002 10.3040 1.0130 -0.3009 0.0905 -0.3048 9 0.5544 11.4260 1.0579 -0.2562 0.0656 -0.2710 10 0.6067 12.6690 1.1027 -0.2170 0.0471 -0.2393 11 0.6719 14.0480 1.1476 -0.1727 0.0298 -0.1982 12 0.7498 15.5760 1.1925 -0.1251 0.0156 -0.1491 13 0.8399 17.2710 1.2373 -0.0758 0.0057 -0.0938 14 0.9324 19.1510 1.2822 -0.0304 0.0009 -0.0390 15 1.0321 21.2350 1.3271 0.0137 0.0002 0.0182 16 1.1614 23.5460 1.3719 0.0650 0.0042 0.0891 17 1.2959 26.1080 1.4168 0.1126 0.0127 0.1595 18 1.4466 28.9500 1.4616 0.1603 0.0257 0.2344 19 1.6279 32.1000 1.5065 0.2116 0.0448 0.3188 20 1.8310 35.5930 1.5514 0.2627 0.0690 0.4075 21 2.0738 39.4670 1.5962 0.31680.1003 0.5056 22 2.3446 43.7620 1.6411 0.3701 0.1370 0.6073 23 2.6823 48.5240 1.6860 0.4285 0.1836 0.7224 24 3.0800 53.8050 1.7308 0.4886 0.2387 0.8456 25 3.5965 59.6600 1.7757 0.5559 0.3090 0.9871 26 4.3207 66.1530 1.8205 0.6356 0.4039 1.1571 27 5.5589 73.3520 1.8654 0.7450 0.5550 1.3897 28 11.4190 81.3340 1.9103 1.0576 1.1186 2.0204 29 78.1120 90.1860 1.9551 1.8927 3.5824 3.7005 30 522.4300 100.0000 2.0000 2.7180 7.3877 5.4361 Ʃ 40.4846 5.4637 16.1275 14.5312 CÁLCULOS PARA EL SHAMPOO Partiendo de la ley de Potencias o Ecuación de Ostwald de Waele , entonces Para determinar la viscosidad Resolviendo la matriz Resolviendo la matriz Ya teniendo podemos calcular la viscosidad µ del shampoo con µ (Pa * s) 0.5020 (1/s) 9.9592318 0.5449 10.1736632 0.5619 10.9412779 0.5927 11.5015507 0.6198 12.1940118 0.6535 12.8250087 0.6730 13.8084201 0.7206 14.2994096 0.7565 15.1033047 0.7895 16.0472584 0.8285 16.9552247 0.8727 17.8488298 0.9208 18.7568393 0.9674 19.795675 1.0151 20.919993 1.0733 21.9370981 1.1304 23.0953521 1.1908 24.3108362 1.2592 25.4917728 1.3312 26.7366322 1.4120 27.9508991 1.4964 29.2446046 1.5948 30.427224 1.7025 31.6028623 1.8321 32.5640666 1.9982 33.106799 2.2511 32.5847463 3.1643 25.7032869 7.8578 11.4772592 19.3060 5.179734 TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES (ACEITE) N ϒ (1/s) τ (Pa) yi = log(τ) xi = log(ϒ) xi^2 xi * yi 1 2.6520 5.0000 0.6990 0.4236 0.1794 0.2961 2 2.8876 5.5441 0.7438 0.4605 0.2121 0.3426 3 3.1515 6.1475 0.7887 0.4985 0.2485 0.3932 4 3.4175 6.8165 0.8336 0.5337 0.2848 0.4449 5 3.7268 7.5583 0.8784 0.5713 0.3264 0.5019 6 4.0952 8.3808 0.9233 0.6123 0.3749 0.5653 7 4.4870 9.2928 0.9681 0.6520 0.4250 0.6312 8 4.9327 10.3040 1.0130 0.6931 0.4804 0.7021 9 5.4466 11.4260 1.0579 0.7361 0.5419 0.7787 10 5.9921 12.6690 1.1027 0.7776 0.6046 0.8575 11 6.6085 14.0480 1.1476 0.8201 0.6726 0.9412 12 7.2832 15.5760 1.1925 0.8623 0.7436 1.0283 13 8.0365 17.2710 1.2373 0.9051 0.8191 1.1199 14 8.8855 19.1510 1.2822 0.9487 0.9000 1.2164 15 9.8156 21.2350 1.3271 0.9919 0.9839 1.3163 16 10.8340 23.5460 1.3719 1.0348 1.0708 1.4196 17 11.9950 26.1080 1.4168 1.0790 1.1642 1.5287 18 13.2550 28.9500 1.4616 1.1224 1.2597 1.6405 19 14.6650 32.1000 1.5065 1.1663 1.3602 1.7570 20 16.2260 35.5930 1.5514 1.2102 1.4646 1.8775 21 17.9450 39.4670 1.5962 1.2539 1.5724 2.0016 22 19.8640 43.7620 1.6411 1.2981 1.6850 2.1303 23 21.9760 48.5240 1.6860 1.3419 1.8008 2.2625 24 24.3270 53.8050 1.7308 1.3861 1.9212 2.3991 25 26.9340 59.6600 1.7757 1.4303 2.0458 2.5398 26 29.8330 66.1530 1.8205 1.4747 2.1747 2.6848 27 33.0390 73.3520 1.8654 1.5190 2.3074 2.8336 28 36.6020 81.3340 1.9103 1.5635 2.4445 2.9867 29 40.5640 90.1860 1.9551 1.6081 2.5861 3.1441 30 44.9490 100.0000 2.0000 1.6527 2.7315 3.3054 Ʃ 40.4846 30.6279 35.3864 45.6466 CÁLCULOS PARA EL ACEITE Para determinar la viscosidad Resolviendo la matriz Resolviendo la matriz µ (Pa *s) 2.7788 (1/s) 1.7993 3.0380 1.8249 3.3296 1.8463 3.6246 1.8806 3.9691 1.9043 4.3812 1.9129 4.8214 1.9274 5.3244 1.9352 5.9071 1.9343 6.5285 1.9406 7.2339 1.9420 8.0097 1.9446 8.8799 1.9450 9.8653 1.9413 10.9500 1.9393 12.1434 1.9390 13.5104 1.9324 15.0012 1.9298 16.6775 1.9248 18.5423 1.9196 20.6058 1.9153 22.9205 1.9093 25.4805 1.9044 28.3440 1.8983 31.5349 1.8919 35.1005 1.8847 39.0630 1.8778 43.4884 1.8702 48.4336 1.8621 53.9338 1.8541 Ya teniendo podemos calcular la viscosidad µ del aceite con GRÁFICAS DE FLUJO GRAFICAS DE VISCOSIDAD CONCLUSIÓN Basándonos en la información obtenida en la introducción teórica podemos ver que para el shampoo en la curva de flujo se obtuvo una pendiente de 0.4703 por lo que se trata de un fluido no newtoniano del tipo adelgazante o pseudo-plastico, es decir que su viscosidad disminuye conforme aumenta su rapidez de deformación, esto lo podemos afirmar también si vemos su comportamiento en la gráfica de viscosidad. Por otro lado vemos que el aceite obtuvo una pendiente con un valor muy cercano a uno y que al graficar ya se veía una línea recta desde antes de hacer el ajuste por los mínimos cuadrados en la gráfica de flujo, por lo que al final la primer recta y la que esta corregida parecen estar empalmadas, para este caso se podemos asegurar que se trata de un fluido newtoniano, el cual tiene la característica de que el esfuerzo cortante y la rapidez de deformación mantienen una relación lineal como vemos en la primer gráfica y asimismo, la viscosidad se mantiene igual aun si aumenta su rapidez de deformación como se aprecia en la segunda grafica donde se ve un comportamiento casi constante de la viscosidad. Conocer esta información es muy importante dado que como se mencionó antes, existen diferentes productos que ya poseen ciertas características en nuestra vida diaria y que hacen que las cosas funcionen como deben por lo que debemos tomar en cuenta la información que se obtiene del reómetro si queremos mejorar un proceso. Basándonos en la práctica de las propiedades de los fluidos vimos que si la temperatura aumenta la viscosidad disminuye o lo que es lo mismo, la oposición al flujo baja, este es uno de otros factores a tener en cuanta, otro ejemplo podría ser la densidad que de igual manera disminuye con la temperatura y que aplicando estos conocimientos puede ayudar a que el fluido se mueva mas rápido acelerando un proceso. Encender la computadora y el software para el manejo del viscosimetro. Encender el baño de temperatura LLenar la tapap CCC39 con shampoo y posteriormente con aceite( hasta el aforo) Introducir el cilindro interno en la tapa y colocar en la camara de calentamiento. Deslizar hacia arriba el cople del reometro y colocar el par copa-cilindro con mucha precaución. Esperar 10 min para que la T sea cte en todo el fluido. Programar una plantilla del software para la prueba. Repetir la prueba utilizando muestra fresca. Al cambiar de fluido asegurarse de que el material este limpio. Al finalizar la practica guardar los resultados (Workbook). Apagar el viscosimetro pro antes deslizar el cople hacia abajo y retirar la copa. Lavar las geometrias, apagar la computadora y desconectar todos los equipos Gráfica de flujo del shampoo Curva de flujo del shampoo -0.63264407897398 101 -0.55736347421776822 -0.52929557027721186 -0.48030323284014692 -0.43913730527253519 -0.39061905574929301 -0.36361241418684337 -0.30085631260551632 -0.25617677839624964 -0.21702600505595174 -0.17269535891026502 -0.12505456391446809 -7.5772418739882288E-2 -3.0397735151460905E-2 1.3721778051063012E-2 6.4981821697305389E-2 0.11257148986497936 0.16034846076109732 0.21162772316861655 0.26268834430169646 0.3167668701414314 0.37006876065005179 0.42850734959995529 0.48855071650044429 0.55588006463680506 0.63555411290515884 0.7449888615113397 1.0576280729555685 1.8927177577370946 2.7180281078925272 0.69897000433601886 0.7438310551276528 0.7886985374107548 0.833561 43904689584 0.87842412570733452 0.92328547674513817 0.96814659034796202 1.0130058500157368 1.0578942197245302 1.1027423361445701 1.1476144985620274 1.1924559385119753 1.2373174841747965 1.2821914562755563 1.3270522653266983 1.371917139682522 1.4167736040239391 1.461648568063455 1.5065050324048721 1.5513645945938037 1.5962341156794675 1.6410971617969348 1.6859565940561363 1.7308226357316479 1.7756832490260439 1.8205495439717854 1.86541195972152821.910272131395313 1.9551391251844545 2 Curva corregida -0.63264407897398101 -0.55736347421776822 -0.52929557027721186 -0.48030323284014692 -0.43913730527253519 -0.39061905574929301 -0.36361241418684337 -0.30085631260551632 -0.25617677839624964 -0.21702600505595174 -0.17269535891026502 -0.12505456391446809 -7.5772418739882288E-2 -3.0397735151460905E-2 1.3721778051063012E-2 6.4981821697305389E-2 0.11257148986497936 0.16034846076109732 0.21162772316861655 0.26268834430169646 0.3167668701414314 0.37006876065005179 0.42850734959995529 0.48855071650044429 0.55588006463680506 0.63555411290515884 0.7449888615113397 1.0576280729555685 1.8927177577370946 2.7180281078925272 0.96408139162032858 0.99969092480249278 1.0129677171444478 1.0361422688272697 1.0556147407666301 1.078565037485598 1.0913398272468013 1.1210249697729591 1.1421594619989559 1.1606787176144424 1.1816481774112082 1.2041834170751471 1.2274950547747341 1.2489583693443309 1.269827958190674 1.2940751893473736 1.3165862447942962 1.3391858989280285 1.363442221020164 1.3875951205409436 1.4131755614336377 1.4383886351713608 1.4660314905797283 1.4944334444818768 1.5262818424106588 1.5639695798399353 1.6157348429431382 1.7636206949500606 2.1586381624187525 2.5490297698535738 3.8477871272475754 xi = log(ϒ) yi = log(τ) Gráfica de flujo del aceite Recta de flujo del aceite 0.42357351973273555 0.4605370331413029 0.49851731146163381 0.53370852323985984 0.5713360868168943 0.61227511654218902 0.65195606953307428 0.6930847030748577 0.73612548172226933 0.77757905253616955 0.82010289433442773 0.86232223604293956 0.90506694904258533 0.94868187121067782 0.99191685194670454 1.0347888312511839 1.0790002523038493 1.1223797320691122 1.166282067316571 1.210211471641834 1.2539434626692587 1.2980667065465079 1.3419486464125054 1.3860885551380504 1.4303008557852965 1.474696928116829 1.5190268939433116 1.5635048166849224 1.6081407740440563 1.6527200342380388 0.69897000433601886 0.7438310551276528 0.7886985374107548 0.83356143904689584 0.878424125707334 52 0.92328547674513817 0.96814659034796202 1.0130058500157368 1.0578942197245302 1.1027423361445701 1.1476144985620274 1.1924559385119753 1.2373174841747965 1.2821914562755563 1.3270522653266983 1.371917139682522 1.4167736040239391 1.461648568063455 1.5065050324048721 1.5513645945938037 1.5962341156794675 1.6410971617969348 1.6859565940561363 1.7308226357316479 1.7756832490260439 1.8205495439717854 1.8654119597215282 1.910272131395313 1.9551391251844545 2 Recta corregida 0.42357351973273555 0.4605370331413029 0.49851731146163381 0.53370852323985984 0.5713360868168943 0.61227511654218902 0.65195606953307428 0.6930847030748577 0.73612548172226933 0.77757905253616955 0.82010289433442773 0.86232223604293956 0.90506694904258533 0.94868187121067782 0.99191685194670454 1.0347888312511839 1.0790002523038493 1.1223797320691122 1.166282067316571 1.210211471641834 1.2539434626692587 1.2980667065465079 1.3419486464125054 1.3860885551380504 1.4303008557852965 1.474696928116829 1.5190268939433116 1.5635048166849224 1.6081407740440563 1.6527200342380388 0.72352512278943693 0.76225864072041438 0.80205761153478183 0.83893396085142469 0.87836332711324361 0.92126272967853073 0.96284381227752658 1.0059418978723345 1.0510436919868611 1.0944822745338083 1.1390423781846999 1.1832834007039954 1.2280749520136856 1.2737783826151836 1.3190836782204494 1.3640085900049892 1.4103370829479922 1.4557937969446342 1.5017984034527667 1.5478313752463884 1.5936574805707131 1.6398935739583129 1.6858768084484559 1.732130364683625 1.7784597793407542 1.8249817656224969 1.8714344798772438 1.9180422359907496 1.9648155942380108 2.0115295403661166 32.374174186751659 0.27966870848406788 xi = log(ϒ) yi = log(τ) Gráfica de viscosidad del shampoo 0.23300000000000001 0.27710000000000001 0.29559999999999997 0.33090000000000003 0.36380000000000001 0.40679999999999999 0.43290000000000001 0.50019999999999998 0.5544 0.60670000000000002 0.67190000000000005 0.74980000000000002 0.83989999999999998 0.93240000000000001 1.0321 1.1614 1.2959000000000001 1.4466000000000001 1.6278999999999999 1.831 2.0737999999999999 2.3445999999999998 2.6823000000000001 3.08 3.5964999999999998 4.3207000000000004 5.5589000000000004 11.419 78.111999999999995 522.42999999999995 9.9592317965415482 10.173663245107075 10.941277877980999 11.501550695041704 12.194011849706353 12.825008659955623 13.808420086103041 14.299409649946156 15.10330474841254 16.047258416111639 16.955224671328565 17.848829838067847 18.756839282080989 19.795674983563075 20.919993001760265 21.937098137850359 23.095352064953591 24.31083618 5417298 25.491772803783093 26.736632204069966 27.950899072462697 29.244604634847075 30.427223968383004 31.602862313157754 32.564066607680445 33.106798984463097 32.584746342265149 25.703286922220759 11.477259220516499 5.179734004289597 ϒ (1/s) τ (Pa * s) Gráfica de viscosidad del aceite 2.6520000000000001 2.8875999999999999 3.1515 3.4175 3.7267999999999999 4.095200000000000 2 4.4870000000000001 4.9326999999999996 5.4466000000000001 5.9920999999999998 6.6085000000000003 7.2831999999999999 8.0365000000000002 8.8855000000000004 9.8155999999999999 10.834 11.994999999999999 13.255000000000001 14.664999999999999 16.225999999999999 17.945 19.864000000000001 21.975999999999999 24.327000000000002 26.934000000000001 29.832999999999998 33.039000000000001 36.601999999999997 40.564 44.948999999999998 1.7993414726307955 1.8249086212748364 1.8463313094120324 1.8805989386885398 1.9042743037131455 1.9128964251725855 1.9273983664014109 1.9352303242829292 1.9342795318375803 1.940567573340555 1.9419624534618498 1.9446490970258805 1.9449625373999082 1.9412514009000488 1.9392656083618334 1.9389975403150792 1.9324364896883295 1.9298496683441753 1.9247544723921413 1.9195610446663338 1.9153376406064819 1.9092917514797187 1.9043575589097168 1.8982830921591431 1.8918738668155861 1.8846750742347755 1.8777863956834611 1.870245437249177 1.8620538626331329 1.8541256761894613 ϒ (1/s) µ (Pa * s)
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