La respuesta local de un sistema a un estímulo (tal como la adición

MODELADO FÍSICO DE PROCESOS METALÚRGICOS Y DE M ATERIALES
SEMESTRE 2013-1
DR. BERNARDO HERNÁNDEZ MORALES
TIEMPO DE MEZCLADO LOCAL EN UN MODELO FÍSICO DE PEQUEÑA ESCALA
GUION 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 de la concentración del trazador en un
punto distinto al punto de adición. Esta información se utiliza para determinar el tiempo de
mezclado local. La técnica se aplica usualmente en experimentos en los que se adiciona,
en pulso, una disolución acuosa ácida (o básica) como trazador y se mide la variación
local del pH.
En este guion se trabajará con un modelo físico de pequeña escala, con el fin de
que el estudiante se familiarice con esta técnica de medición.
OBJETIVO
¿Cuál es el nivel de agitación requerido para obtener un tiempo de mezclado local
de 25 s (para una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador
colocados cerca de las caras angostas del modelo físico, a 1 cm de profundidad)
en un modelo físico de 22 cm (largo) x 14 cm (altura) x 11 cm (profundidad),
cuando se utiliza un baño de agua de 9 cm de profundidad?
MATERIALES Y EQUIPO
 Modelo físico: contenedor de vidrio de 22 cm (largo) x 14 cm (alto) x 11 cm
(profundidad)
 Trazador: 15 mL de una disolución acuosa 2M de H2SO4
 20 mL de solución buffer de pH 4
 20 mL de solución buffer de pH 7
 30 mL de una disolución acuosa 2M de NaOH
 42 L de agua
 Dos jeringas de 1 mL
 Pizeta con agua destilada
 Frascos de vidrio
 Vaso de precipitados
 Plato agitador con barra magnética
 Dos soportes universales
 Dos pinzas para soporte universal
 pH-metro (con puerto de comunicación y compensación por temperatura)
 Laptop
 Software de adquisición de datos para el pH-metro
PARTE I
PROCEDIMIENTO
1. Calibra el pH-metro de acuerdo al instructivo del equipo.
2. Coloca el modelo físico, centrado, sobre el plato agitador.
3. Vacía agua en el modelo físico hasta una altura de 9 cm.
4. Coloca los sensores del pH-metro de tal manera que puedas medir el pH en una
posición a una profundidad de 1 cm y cerca de una de las caras angostas del modelo
físico, sujetándolos con un soporte universal y pinzas.
5. Registra el pH inicial.
6. Selecciona el nivel de agitación mínimo en el control del plato agitador1.
7. Inicia el software de adquisición de datos.
8. Selecciona el nombre del archivo y otros parámetros de adquisición.
9. Llena una jeringa (sin aguja) con 1 mL de trazador.
10. Coloca la jeringa cerca de la cara angosta del modelo físico opuesta a los sensores
del pH-metro, con la punta de la jeringa justo arriba del baño líquido, sujetándola con
un soporte universal y pinzas.
11. Inicia la adquisición de datos.
12. A un tiempo predeterminado, adiciona el trazador lo más rápidamente posible.
13. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado.
14. Mantén la agitación del baño y agrega poco a poco 2 mL de la disolución básica al
agua (utilizando una jeringa) hasta que neutralices el agua, antes de desecharla.
15. Lava el electrodo del pH-metro.
16. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca.
17. Repite el procedimiento anterior para el nivel de agitación máximo del plato agitador.
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 local 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: ¿cómo se puede estimar la magnitud del tiempo de
mezclado local?
5. Estima el valor promedio del tiempo de mezclado local para cada uno de los niveles
de agitación así como su desviación estándar.
6. ¿Qué relación existe entre el tiempo de mezclado local y el nivel de agitación?
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 y considerando una frecuencia de
adquisición de 1 s-1, 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 modelo físico, centrado, sobre el plato agitador.
3. Vacía agua en el modelo físico hasta una altura de 9 cm.
4. Coloca los sensores del pH-metro en la misma posición que en la parte I,
sujetándolos con un soporte universal y pinzas.
5. Registra el pH inicial.
6. Selecciona un nivel de agitación de interés en el control del plato agitador3.
7. Inicia el software de adquisición de datos.
8. Selecciona el nombre del archivo y otros parámetros de adquisición de datos.
9. Llena una jeringa (sin aguja) con 1 mL de trazador.
10. Coloca la jeringa en la misma posición que en la parte I, sujetándola con un soporte
universal y pinzas.
11. Inicia la adquisición de datos.
12. A un tiempo predeterminado, adiciona el trazador lo más rápidamente posible.
13. Detén la adquisición de datos cuando lo consideres adecuado.
14. Mantén la agitación del baño y agrega poco a poco 2 mL de la disolución básica al
agua (utilizando una jeringa) hasta que neutralices el agua, antes de desecharla.
15. Lava el electrodo del pH-metro.
16. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca.
17. 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 valor promedio del tiempo de mezclado local para cada uno de los niveles
de agitación estudiados así como su desviación estándar.
2. Grafica el valor promedio del tiempo de mezclado en función del nivel de agitación,
indicando la desviación estándar.
3. ¿Cuál es el nivel de agitación requerido para obtener un tiempo de mezclado local de
25 s (para una pareja de puntos de inyección y de medición del trazador colocadas
cerca de las caras angostas del modelo físico, a 1 cm de profundidad) en un modelo
físico de 22 cm (largo) x 14 cm (altura) x 11 cm (profundidad), cuando se utiliza un
baño de agua de 9 cm de profundidad.