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

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?