MODELADO FÍSICO DE PROCESOS METALÚRGICOS Y DE MATERIALES SEMESTRE 2012-1 DR. BERNARDO HERNÁNDEZ MORALES T IEMPO DE MEZCLADO EN UN CONTENEDOR A PEQUEÑA ESCALA UTILIZANDO MEDICIONES DE P H GUIÓN DE TRABAJO EXPERIMENTAL INFORMACIÓN La respuesta local de un sistema a un estímulo (tal como la adición de un trazador físico) puede determinarse midiendo la variación del trazador en un punto específico del sistema. Esta información se utiliza para determinar el tiempo de mezclado, que es una medida del tiempo requerido para mezclar completamente al fluido en ese punto del sistema. Esta técnica se aplica usualmente en experimentos en los que se adiciona una disolución ácida (o básica) como trazador, en pulso. En este guión se trabajará con un modelo físico de pequeña escala, con el fin de que el (la) estudiante se familiarice con esta técnica de medición. OBJETIVO ¿Cuál es el nivel de agitación requerido para obtener un tiempo de mezclado de 25 s en una posición cercana a la cara angosta de un recipiente de 26 cm (largo) x 16 cm (ancho) x 9 cm (profundidad) que contiene agua? MATERIALES Y EQUIPO 20 mL de una disolución acuosa 2M de H2SO4 100 ml de una disolución acuosa 2M de NaOH 2.5 L de agua Soluciones buffer de pH 4 y pH 7 Recipiente de plástico de aproximadamente 26 cm (largo) x 16 cm (ancho) x 9 cm (profundidad) Jeringas para insulina, de 1mL Cucharilla Pizeta con agua destilada Dos frascos viales o dos vasos de precipitados de 50 mL (para las soluciones buffer) Plato agitador con barra magnética Soporte universal Pinza para soporte universal pH-metro (con puerto de comunicación y compensación por temperatura) Laptop Software de adquisición de datos PARTE I PROCEDIMIENTO 1. Calibra el pH-metro de acuerdo al instructivo del equipo 2. Coloca el recipiente, centrado, sobre el plato agitador 3. Vacía agua en el recipiente hasta llegar al nivel de la muesca del contenedor 4. Coloca los sensores del pH-metro de tal manera que puedas medir el pH en una posición a la mitad de la altura y cerca de una de las caras angostas del recipiente 5. Registra el pH inicial 6. Selecciona el nivel de agitación más bajo en el control del plato agitador1 7. Inicia el programa de adquisición de datos 8. Selecciona el nombre del archivo 9. Llena una jeringa con 1 mL de la disolución ácida 10. Posiciona la jeringa cerca de la cara angosta opuesta a la cara cercana a los sensores del pH-metro, sujetándola con el soporte y las pinzas 11. Inicia la adquisición de datos 12. A un tiempo predeterminado, adiciona el volumen de disolución ácida de la jeringa lo más rápidamente posible 13. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado 14. Agrega la disolución básica al agua y mantén la agitación, hasta que regreses al punto inicial de pH, antes de desechar el agua 15. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca 16. Repite el procedimiento anterior para el máximo nivel de agitación 1 En caso de que sea un plato que permita también calentar, asegúrate de que esta función esté apagada. CUESTIONARIO 1. ¿Cuándo consideraste que la disolución de ácido sulfúrico había sido completamente mezclada en el punto de medición? 2. Describe la respuesta del sistema; esto es, la forma de la curva pH vs. tiempo2 3. ¿Cuánto tiempo tardaste en vaciar la jeringa? 4. A partir de las mediciones y los valores constantes del sistema, ¿cómo se podrá estimar la magnitud del tiempo de mezclado en el sistema? 5. Estima el tiempo de mezclado promedio para cada uno de los niveles de agitación así como la desviación estándar 6. ¿Qué relación existe entre el nivel de agitación y el tiempo de mezclado? 2 Para pasar del valor de “tiempo máquina” (que es el que graba el software de adquisición de datos) a un valor numérico en Microsoft Excel utiliza, por ejemplo para la celda C4, la operación: C4/HORANUMERO("00:00:01.0") y asegúrate que el formato de la celda sea numérico y con al menos 2 posiciones decimales. PARTE II PROCEDIMIENTO 1. Calibra el pH-metro de acuerdo al instructivo del equipo 2. Coloca el recipiente, centrado, sobre el plato agitador 3. Vacía agua en el recipiente hasta llegar al nivel de la muesca del contenedor 4. Coloca los sensores del pH-metro de tal manera que puedas medir el pH en una posición a la mitad de la altura y cerca de una de las caras angostas del recipiente 5. Registra el pH inicial 6. Selecciona un nivel de agitación en el control del plato agitador3 7. Inicia el programa de adquisición de datos 8. Selecciona el nombre del archivo 9. Llena una jeringa con 1 mL de la disolución de ácida 10. Posiciona la jeringa cerca de la cara angosta opuesta a la cara cercana a los sensores del pH-metro, sujetándola con el soporte y las pinzas 11. Inicia la adquisición de datos 12. A un tiempo predeterminado, adiciona el volumen de disolución ácida de la jeringa lo más rápidamente posible 13. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado 14. Agrega la disolución básica al agua y mantén la agitación, hasta que regreses al punto inicial de pH, antes de desechar el agua 15. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca 16. Repite el procedimiento anterior para diferentes niveles de agitación 3 En caso de que sea un plato que permita también calentar, asegúrate de que esta función esté apagada CUESTIONARIO 1. Estima el tiempo de mezclado promedio para cada uno de los niveles de agitación así como la desviación estándar 2. Grafica los valores medidos de tiempo de mezclado en función del nivel de agitación 3. ¿Cuál es el nivel de agitación requerido para obtener un tiempo de mezclado, en una posición cercana a una cara angosta del recipiente, de 25 s?