Regulación y control del proceso químico

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Regulación y control del proceso químico

Víctor Manuel García Taravilla

© Víctor Manuel García Taravilla

© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.Vallehermoso, 34. 28015 Madrid

Teléfono 91 593 20 98http://www.sintesis.com

ISBN: 978-84-907707-2-6Depósito Legal: M-12.672-2015

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de Editorial Síntesis, S. A.

ÍNDICE

1. TRATAMIENTO ESTADÍSTICO DE DATOS .................................................................. 13

Objetivos ...................................................................................................................... 13Mapa conceptual ......................................................................................................... 14Glosario ........................................................................................................................ 141.1. Expresión de datos experimentales ................................................................ 15

1.1.1. Sistemas de unidades ................................................................................. 151.1.2. Cifras significativas ...................................................................................... 15

1.2. Precisión y exactitud de medidas .................................................................... 171.3. Distribución normal de medidas ...................................................................... 171.4. Intervalo de confianza ...................................................................................... 181.5. Descarte de medidas anómalas ....................................................................... 201.6. Comparación de procedimientos. Pruebas de significación ........................ 21

1.6.1. Test F: comparación de precisión entre dos métodos de análisis .............. 211.6.2. Test t de Student: comparación de la exactitud de un método de análisis 231.6.3. Test t de Student: comparación de exactitud entre dos métodos de análisis 24

1.7. Ajuste de ecuaciones a valores experimentales ............................................ 26Resumen ...................................................................................................................... 29Ejercicios propuestos ................................................................................................ 29Práctica n.º 1 ............................................................................................................... 30Actividades de autoevaluación ................................................................................ 32

2. PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS ............................................................................... 33

Objetivos ...................................................................................................................... 33Mapa conceptual ......................................................................................................... 34Glosario ........................................................................................................................ 342.1. La densidad ........................................................................................................ 35

2.1.1. Medida de la densidad en sólidos ............................................................. 352.1.2. Medida de la densidad en líquidos ............................................................ 36

2.2. La viscosidad ...................................................................................................... 372.2.1. Medida de la viscosidad ............................................................................. 38

SÍndice

2.3. pH ........................................................................................................................ 392.3.1. Neutralización ............................................................................................ 402.3.2. Medida del pH ........................................................................................... 412.3.3. Calibración y mantenimiento del pH-metro ................................................ 42

2.4. Conductividad .................................................................................................... 422.4.1. Medida de la conductividad ...................................................................... 43

2.5. Punto de fusión .................................................................................................. 442.5.1. Medida del punto de fusión ...................................................................... 45

2.6. Índice de refracción .......................................................................................... 452.6.1. Medida del índice de refracción ................................................................ 46

2.7. Medida del color ............................................................................................... 472.7.1. Medida del color en líquidos ..................................................................... 48

2.8. Cromatografía de gases ..................................................................................... 492.8.1. Análisis de una muestra por cromatografía de gases .................................. 502.8.2. Lectura de un cromatograma ..................................................................... 51

Resumen ...................................................................................................................... 53Ejercicios propuestos ................................................................................................ 53Práctica n.º 2 ............................................................................................................... 54Práctica n.º 3 ............................................................................................................... 56Actividades de autoevaluación ................................................................................ 57

3. TOMA DE MUESTRA ................................................................................................... 59

Objetivos ...................................................................................................................... 59Mapa conceptual ......................................................................................................... 60Glosario ........................................................................................................................ 603.1. Definición de muestreo .................................................................................... 613.2. Planes de muestreo ........................................................................................... 62

3.2.1. Military Standard 105E ............................................................................... 623.3. Obtención de una muestra representativa .................................................... 65

3.3.1. Sólidos ....................................................................................................... 653.3.2. Líquidos ..................................................................................................... 663.3.3. Gases ......................................................................................................... 67

3.4. Cadena de vigilancia ......................................................................................... 70Resumen ...................................................................................................................... 71Ejercicios propuestos ................................................................................................ 71Práctica n.º 4 ............................................................................................................... 72Actividades de autoevaluación ................................................................................ 73

4. ANALIZADORES EN LÍNEA ........................................................................................ 75

Objetivos ...................................................................................................................... 75Mapa conceptual ......................................................................................................... 76Glosario ........................................................................................................................ 764.1. Analizadores de proceso en línea .................................................................. 774.2. Características de un análisis en línea ............................................................. 794.3. Características de un analizador en línea ....................................................... 79

REGULACIÓN Y CONTROL DEL PROCESO QUÍMICO

ÍNDICE

6

4.4. Sistema de muestreo y condicionamiento en un analizador en línea ........ 814.4.1. Toma de muestra ...................................................................................... 814.4.2. Transporte de la muestra .......................................................................... 814.4.3. Condicionamiento de la muestra ............................................................. 82

4.5. Analizadores en línea en el control de emisiones a la atmósfera ............... 83Resumen ...................................................................................................................... 84Ejercicios propuestos ................................................................................................ 84Práctica n.º 5 ............................................................................................................... 85Práctica n.º 6 ............................................................................................................... 87Actividades de autoevaluación ................................................................................ 89

5. CARACTERÍSTICAS DE LOS SENSORES .................................................................... 91

Objetivos ...................................................................................................................... 91Mapa conceptual ......................................................................................................... 92Glosario ........................................................................................................................ 925.1. Definición de sensor ......................................................................................... 935.2. Características de un sensor ............................................................................. 95

5.2.1. Propiedades de un sensor ......................................................................... 955.2.2. Grado de protección de un sensor ........................................................... 97

5.3. Señales de transmisión ...................................................................................... 995.3.1. Señal neumática ......................................................................................... 1005.3.2. Señal eléctrica ............................................................................................ 1015.3.3. Señal digital ................................................................................................ 102

5.4. Calibración de un sensor .................................................................................. 1025.4.1. Procedimiento de calibración .................................................................... 1035.4.2. Calibración en una planta química ............................................................. 103

Resumen ...................................................................................................................... 104Ejercicios propuestos ................................................................................................ 104Práctica n.º 7 ............................................................................................................... 105Actividades de autoevaluación ................................................................................ 107

6. SENSORES DE TEMPERATURA ................................................................................... 109

Objetivos ...................................................................................................................... 109Mapa conceptual ......................................................................................................... 110Glosario ........................................................................................................................ 1106.1. La temperatura ................................................................................................... 1116.2. Tipos de sensores de temperatura .................................................................. 112

6.2.1. Dilatación térmica ...................................................................................... 1126.2.2. Termopares ................................................................................................ 1156.2.3. Termorresistencia (RTD, Resistance Temperature Detector) ........................ 1186.2.4. Termistores ................................................................................................. 1206.2.5. Radiación térmica ....................................................................................... 121

6.3. Criterios de selección de un sensor de temperatura ................................... 124Resumen ...................................................................................................................... 126Ejercicios propuestos ................................................................................................ 126Práctica n.º 8 ............................................................................................................... 128


ÍNDICE

7

Actividades de autoevaluación ................................................................................ 129

7. SENSORES DE PRESIÓN ............................................................................................ 131

Objetivos ...................................................................................................................... 131Mapa conceptual ......................................................................................................... 132Glosario ........................................................................................................................ 1327.1. Concepto de presión y unidades .................................................................... 133

7.1.1. Tipos de presiones ..................................................................................... 1347.2. Clasificación de los sensores de presión ........................................................ 1347.3. Sensores mecánicos .......................................................................................... 135

7.3.1. Columna de líquido .................................................................................... 1357.3.2. Elementos primarios elásticos .................................................................... 137

7.4. Sensores electromecánicos .............................................................................. 1397.4.1. Piezoeléctricos ........................................................................................... 1397.4.2. Galgas extensiométricas ............................................................................. 1407.4.3. Sensores capacitativos ............................................................................... 141

7.5. Accesorios de los manómetros ........................................................................ 1437.6. Criterio de elección de un sensor de presión ............................................... 144Resumen ...................................................................................................................... 145Ejercicios propuestos ................................................................................................ 145Práctica n.º 9 ............................................................................................................... 146Actividades de autoevaluación ................................................................................ 149

8. SENSORES DE CAUDAL ............................................................................................. 151

Objetivos ...................................................................................................................... 151Mapa conceptual ......................................................................................................... 152Glosario ........................................................................................................................ 1528.1. Medida de caudal .............................................................................................. 1538.2. Clasificación de los sensores de caudal ......................................................... 1548.3. Sensores deprimógenos ................................................................................... 155

8.3.1. Placa orificio ............................................................................................... 1568.3.2. Tobera ........................................................................................................ 1578.3.3. Venturímetro .............................................................................................. 1588.3.4. Tubo Pitot .................................................................................................. 1588.3.5. Tubo Annubar ............................................................................................ 159

8.4. Sensores de área variable. Rotámetro ............................................................ 1598.5. Sensores proporcionales a la velocidad ......................................................... 161

8.5.1. Ultrasonidos ............................................................................................... 1618.5.2. Vórtex ......................................................................................................... 1628.5.3. Electromagnético ....................................................................................... 1638.5.4. Turbina ....................................................................................................... 164

8.6. Sensores de desplazamiento positivo ............................................................ 1658.7. Sensores másicos ............................................................................................... 165

8.7.1. Térmico ...................................................................................................... 1668.7.2. Coriolis ....................................................................................................... 167

8.8. Criterios de elección de un sensor de caudal ............................................... 168


ÍNDICE

8

Resumen ...................................................................................................................... 169Ejercicios propuestos ................................................................................................ 170Práctica n.º 10 ............................................................................................................. 172Actividades de autoevaluación ................................................................................ 173

9. SENSORES DE NIVEL .................................................................................................. 175

Objetivos ...................................................................................................................... 175Mapa conceptual ......................................................................................................... 176Glosario ........................................................................................................................ 1769.1. Medida de nivel ................................................................................................. 1779.2. Clasificación de los sensores de nivel ............................................................. 1779.3. Sensores de nivel de medida visual ................................................................ 1799.4. Sensores de nivel a partir de la densidad ...................................................... 180

9.4.1. Pesada o nivel de báscula .......................................................................... 1809.4.2. Flotador ..................................................................................................... 1809.4.3. Desplazador ............................................................................................... 1819.4.4. Transmisor electromecánico ....................................................................... 182

9.5. Sensores de nivel a partir de la presión hidrostática ................................... 1829.5.1. Sensores de nivel manométrico ................................................................. 1839.5.2. Sensores por diferencia de presión ........................................................... 1839.5.3. Sensores por burbujeo .............................................................................. 185

9.6. Sensores de nivel a partir de propiedades eléctricas .................................. 1859.6.1. Detección capacitativa de nivel ................................................................. 1859.6.2. Detección conductiva del nivel .................................................................. 186

9.7. Sensores de nivel a partir de ondas electromagnéticas ............................... 1879.7.1. Ultrasonidos ............................................................................................... 1879.7.2. Radar de microondas ................................................................................. 1889.7.3. Barrera de microondas ............................................................................... 1899.7.4. Radiactivo .................................................................................................. 189

9.8. Sensores de nivel a partir de la viscosidad .................................................... 1909.8.1. Detección del nivel por horquilla vibrante ................................................. 1909.8.2. Detección del nivel por paletas rotativas ................................................... 191

9.9. Elección de un sensor de nivel ........................................................................ 191Resumen ...................................................................................................................... 192Ejercicios propuestos ................................................................................................ 193Práctica n.º 11 ............................................................................................................. 194Actividades de autoevaluación ................................................................................ 196

10. LAZO DE CONTROL .................................................................................................... 197

Objetivos ...................................................................................................................... 197Mapa conceptual ......................................................................................................... 198Glosario ........................................................................................................................ 19810.1. Lazo de control ............................................................................................... 19910.2. Terminología básica en un sistema de control ............................................. 19910.3. Tipos de lazos de control ............................................................................... 20010.4. Elementos de un lazo de control .................................................................. 201


ÍNDICE

9

10.4.1. Controlador .......................................................................................... 20210.4.2. Registradores ........................................................................................ 204


11. SIMBOLOGÍA DE INSTRUMENTACIÓN ..................................................................... 209

Objetivos ...................................................................................................................... 209Mapa conceptual ......................................................................................................... 210Glosario ........................................................................................................................ 21011.1. Letras de indentificación de instrumentos ................................................... 21111.2. Símbolos de instrumentación ........................................................................ 21411.3. Líneas de transmisión ...................................................................................... 21711.4. Símbolos para las válvulas de control ........................................................... 217

11.4.1. Tipos de actuación ................................................................................ 220Resumen ...................................................................................................................... 222Ejercicios propuestos ................................................................................................ 223Actividades de autoevaluación ................................................................................ 224

12. VÁLVULAS DE CONTROL ............................................................................................ 225

Objetivos ...................................................................................................................... 225Mapa conceptual ......................................................................................................... 226Glosario ........................................................................................................................ 22612.1. Tipos de válvulas .............................................................................................. 22712.2. Partes de una válvula de control ................................................................... 22812.3. Actuadores ....................................................................................................... 229

12.3.1. Acción de las válvulas de control .......................................................... 23012.4. Posicionador .................................................................................................... 23212.5. Característica de caudal ................................................................................. 233Resumen ...................................................................................................................... 234Ejercicios propuestos ................................................................................................ 235Práctica n.º 13 ............................................................................................................. 236Actividades de autoevaluación ................................................................................ 237

13. CONTROL PID ............................................................................................................. 239

Objetivos ...................................................................................................................... 239Mapa conceptual ......................................................................................................... 240Glosario ........................................................................................................................ 24013.1. Dinámica de proceso ...................................................................................... 241

13.1.1. Carga ..................................................................................................... 24113.1.2. Capacitancia .......................................................................................... 24113.1.3. Resistencia ............................................................................................ 24313.1.4. Tiempo muerto ...................................................................................... 243


ÍNDICE

10

13.2. Tipos de control .............................................................................................. 24313.2.1. Control todo o nada ............................................................................. 24413.2.2. Control proporcional (P) ....................................................................... 24613.2.3. Control Proporcional Integral (PI) .......................................................... 24913.2.4. Control Proporcional Integral Derivativo (PID) ....................................... 25113.2.5. Selección de un control PID .................................................................. 252

13.3. Reglas de sintonización de un controlador PID ........................................... 253Resumen ...................................................................................................................... 254Ejercicios propuestos ................................................................................................ 255Práctica n.º 14 ............................................................................................................. 256Práctica n.º 15 ............................................................................................................. 258Actividades de autoevaluación ................................................................................ 259

14. AUTÓMATAS PROGRAMABLES ................................................................................. 261

Objetivos ...................................................................................................................... 261Mapa conceptual ......................................................................................................... 262Glosario ........................................................................................................................ 26214.1. Introducción .................................................................................................... 26314.2. Elementos típicos de automatización ........................................................... 26314.3. Autómatas Lógicos Programables (PLC) ........................................................ 265

14.3.1. Partes de un PLC ................................................................................... 26614.3.2. Lenguajes de programación .................................................................. 267

14.4. Ciclo de funcionamiento ................................................................................ 26914.5. Entradas y salidas ............................................................................................. 27014.6. Direccionamiento ............................................................................................ 27114.7. Programar un PLC ............................................................................................. 272

14.7.1. Operaciones lógicas con bits ................................................................ 27214.7.2. Operaciones con temporizadores ........................................................ 27714.7.3. Operaciones de contaje ....................................................................... 280


15. CONTROL AVANZADO ............................................................................................... 285

Objetivos ...................................................................................................................... 285Mapa conceptual ......................................................................................................... 286Glosario ........................................................................................................................ 28615.1. Introducción .................................................................................................... 28715.2. Sistemas con múltiples entradas y una salida .............................................. 287

15.2.1. Control en cascada ............................................................................... 28715.2.2. Control anticipativo o feedforward ....................................................... 28915.2.3. Control de relación ............................................................................... 29015.2.4. Control selectivo ................................................................................... 291

15.3. Una entrada y múltiples salidas ..................................................................... 294


ÍNDICE

11

15.3.1. Control de rango partido ...................................................................... 29415.3.2. Control en paralelo ............................................................................... 296

15.4. Control con múltiples entradas y múltiples salidas ..................................... 29715.5. Control distribuido .......................................................................................... 298

15.5.1. Niveles de un control distribuido .......................................................... 29915.5.2. Niveles de comunicaciones ................................................................... 30015.5.3. Estructura de un control distribuido ..................................................... 301

15.6. SCADA ............................................................................................................... 30215.6.1. Diferencia entre un SCADA y un control distribuido .............................. 302

Resumen ...................................................................................................................... 303Ejercicios propuestos ................................................................................................ 304Actividades de autoevaluación ................................................................................ 305


ÍNDICE

12

2Parámetros

fisicoquímicos

1. Conocer el fundamento de algunos de los ensayos fisicoquímicos más comu-nes realizados en planta química.

2. Identificar los instrumentos de medida de las variables fisicoquímicas másusuales.

3. Identificar las operaciones de mantenimiento y calibración de los equipos demedida.

4. Realizar ensayos fisicoquímicos sencillos.5. Interpretar los resultados obtenidos.

Objetivos

CAPÍTULO 2

34 REGULACIÓN Y CONTROL DEL PROCESO QUÍMICO

Mapa conceptual

PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS

Puesta en marcha

Establecer las condicones de medida

(temperatura, caudal…)

Calibración del equipo

Realizar la medida

Interpretar el resultado

DENSIDAD

VISCOSIDAD

pH

Preparación del equipo de medida

CONDUCTIVIDAD

PUNTO DE FUSIÓN

ÍNDICE DE REFRACCIÓN

ESPECTRO-FOTOMETRÍA

CROMATOGRAFÍA

Adimensional. Que no tiene unidades.

Anión. Partícula, átomo o molécula, cargada negativamente.

Calibrar. Ajustar las indicaciones de un instrumento de medida con los valores de lamagnitud que ha de medir.

Catión. Partícula, átomo o molécula, cargada positivamente.

Longitud de onda. Distancia que separa dos picos o dos valles consecutivos de unatrayectoria ondulatoria.

Tampón. Sustancia química con un valor de pH estable y conocido.

Glosario

2.1. La densidad

La densidad es una propiedad intensiva de la materia. Se define como el cociente entre la masa deuna sustancia y el volumen que ocupa.

Densidad � masa/volumen

Se representa matemáticamente con la letra griega � (rho).

� � m/V

En el sistema internacional de unidades la masa se mide en kilogramos y el volumen en metroscúbicos. Por tanto, la densidad se mide en kg/m3. Por ejemplo, la densidad del agua expresadasegún el sistema internacional es 1000 kg/m3.Normalmente, la densidad de los gases se expresa en sistema internacional (SI), mientras que

la densidad de los líquidos se expresa en sistema cegesimal (cgs):

�(aire) � 1,20 kg/m3

�(agua) � 1 g/cm3

La densidad relativa se define como la relación entre la densidad de una sustancia y la densidadde otra sustancia que se toma como referencia. Para los sólidos y líquidos, la sustancia de referenciaes el agua a 4 ºC (�(agua) = 1000 kg/m

3), mientras que para los gases es el aire en condiciones nor-males, 0 ºC y 1 atm de presión, (�(aire)=1,29 kg/m

3). Por tanto, la densidad relativa es un númeroadimensional, �(agua) = 1 (a 4 ºC).

�(relativa) � �(absoluta)/�(referencia)

Desde el punto de vista práctico, una sustancia con una densidad superior a la del agua se hun-dirá, mientras que si tiene una densidad inferior, flotará. Por esta causa el aceite o la madera flotanmientras el mercurio se hunde.

�(mercurio) � 13,6 g/cm3

�(aceite) = entre 0,6 y 0,9 g/cm3

Por regla general, la densidad disminuye a medida que aumenta la temperatura, aunque lavariación de la densidad con la temperatura depende de la sustancia. Así, por ejemplo, el aguatiene una densidad máxima de 1 g/cm3 a 4 ºC, disminuyendo a partir de este valor a medidaque aumenta la temperatura, y disminuyendo también de 4 ºC a 0 ºC (por ello, el hielo flota enel agua).

2.1.1. Medida de la densidad en sólidos

Experimentalmente la densidad se puede determinar en los sólidos a partir de la medida ex-perimental del peso y del volumen, aplicando posteriormente la fórmula de la densidad, esdecir, la masa partido por el volumen. Sin embargo, es más complicado determinar la densidadcuando el sólido está en forma de polvo o granulado, en estos casos se utiliza el picnómetrode sólidos (figura 2.1).


CAPÍTULO 2

35

Un picnómetro de sólidos es un dispositivo de vidrio que permite medir la densidad de un sólidomediante varias pesadas:

• Primero se mide con la balanza la masa del picnómetro lleno de agua destilada (m1 = masadel picnómetro lleno de agua).

• Después, se coloca una pequeña muestra del sólido problema sobre la balanza, junto alpicnómetro, y se vuelve a realizar una pesada (m2 = masa del picnómetro lleno de agua ++ masa del sólido).

• A continuación, se introduce la muestra de sólido en el picnómetro, se seca el agua quehaya rebosado y se realiza una última pesada (m3 = masa del picnómetro lleno de agua ++ masa del sólido – masa de agua que haya rebosado).

• Finalmente, a partir de la siguiente expresión, puede calcularse la densidad relativa delsólido problema:

2.1.2. Medida de la densidad en líquidos

Para los líquidos se utiliza el picnómetro de líquidos o el densímetro basado en el principio deArquímedes.Un densímetro (figura 2.2) es un flotador de vidrio cilíndrico que tiene en la parte inferior un

material pesado y en la parte superior un largo cuello con una escala graduada. El densímetro debeintroducirse en una probeta que contenga el líquido problema y se hundirá más o menos en fun-ción de la densidad del líquido. El nivel del líquido marcará en la escala el valor de la densidad. Losvalores de las escalas son variados y la elección del densímetro dependerá del valor de la densidadque se quiera determinar (esto implica tener una idea aproximada de la densidad del líquido pro-blema). Un picnómetro de líquidos (figura 2.3) es un dispositivo de vidrio que, con la ayuda de una

balanza, permite determinar la densidad relativa de un líquido.

m mm m

2 1

2 3

ρ =−−

CAPÍTULO 2


Figura 2.1Picnómetro de sólidos

Se debe determinar:

� El peso del picnómetro vacío m1.� El peso del picnómetro lleno de agua destilada m2.� El peso del picnómetro lleno del líquido problema m3. � Mediante la siguiente expresión se calcula la densidad relativa del líquido problema:

2.2. La viscosidad

La viscosidad es una propiedad característica de los fluidos que determina su comportamientocuando circula a través de bombas y conducciones y que también es útil como un parámetro decontrol de calidad (por ejemplo, en acetites y lubricantes).Un fluido es una sustancia que sufre una deformación continua cuando se le aplica una fuerza.

La resistencia que ofrece a esta deformación es la resistencia a ponerse en movimiento y está re-lacionada con la viscosidad. La viscosidad se considera como un rozamiento interno del fluido(por ejemplo, el agua fluye mucho mejor que el aceite o la miel). Por tanto, la viscosidad de unfluido es la resistencia que una capa de este presenta al fluir debido al rozamiento de esta capa conlas capas cercanas. Una analogía sería una baraja de cartas, donde al mover la carta superior se mueventodas, pero a diferentes velocidades. La constante de proporcionalidad entre el esfuerzo tangencialrealizado (𝜏) y el gradiente de velocidad (Dv/Dy) recibe el nombre de viscosidad absoluta o dinámicay se representa por la letra µ.La unidad de la viscosidad dinámica en el SI es Pascales · s (Pa·s), aunque se utiliza de forma

habitual la unidad del sistema cegesimal, el poise (P) o los centipoises (cP) (por ejemplo, la vis-cosidad del agua a 20 ºC es 1 cP).

m mm mrelativa

3 1

2 1

ρ =−−


CAPÍTULO 2

37

Figura 2.2Densímetro

Figura 2.3Picnómetro de líquidos

Las relaciones entre las diferentes unidades son:

1 cP = 10–2 P = 10–2 g/cm · s = 10–3 kg/m · s = 10–3 Pa · s1 Pa · s = 10 P = 103 cP

En mecánica de fluidos se utiliza la viscosidad relativa o cinemática (𝜈), que es la relación entre laviscosidad dinámica y la densidad del fluido. Se mide en Stokes (St) = cm2/s en el sistema cgs.

Otras unidades son el centistoke (1 cSt = 10–2 St) y el m2/s en el sistema internacional.La viscosidad depende de la temperatura. Por ejemplo, vaciar el aceite de un motor es más

difícil cuando está frío, pero cuando se calienta la viscosidad del aceite disminuye y, por tanto,fluye mucho mejor. Esto se debe a que la viscosidad en los líquidos disminuye cuando aumentala temperatura.Sin embargo, los gases se comportan de forma diferente, su viscosidad aumenta a medida que

aumenta la temperatura. Esto se debe al aumento de los choques entre las moléculas del gas.La viscosidad permite clasificar los líquidos en:

• Newtonianos: la viscosidad solo depende de las características del fluido y de la temperatura.• No newtonianos: la viscosidad además de depender de las características del fluido y de latemperatura varía en función del esfuerzo aplicado. Por ejemplo, no se obtiene la misma res-puesta si se agita suavemente una mezcla de harina de maíz y agua que si se agita vigorosa-mente, a medida que se aumenta la velocidad de agitación aumenta la resistencia del fluido.

2.2.1. Medida de la viscosidad

Para medir la viscosidad se puede utilizar un viscosímetro Cannon-Fenske, que determina la viscosidad cinemática, o un viscosímetrorotatorio para determinar de forma directa la viscosidad dinámica.Un Cannon-Fenske es un viscosímetro capilar que permite medir

la viscosidad cinemática en función del tiempo que tarda en pasarun volumen fijo de fluido por un tubo capilar normalizado. La de-terminación de la viscosidad se basa en la medida del tiempo (t) ne-cesario para que el líquido fluya entre dos puntos (D y F) que marcanun volumen fijo (figura 2.4). Para conseguir que el fluido contenidoen H fluya entre esos dos puntos se succiona desde B hasta llenar lamitad del bulbo C. Una ecuación relaciona la viscosidad cinemáticadel fluido y el tiempo t: 𝜈 = k · t

donde k es una constante de cada equipo que se determina expe-rimentalmente con fluidos de viscosidad cinemática conocida. Lasmedidas deben realizarse con el viscosímetro sumergido en unbaño térmico para mantener una temperatura constante.

ν µρ

=

CAPÍTULO 2


A

H

B

C

D

E

F

Figura 2.4Viscosímetro

Cannon-Fenske

Un viscosímetro rotatorio (figura 2.5) es un equipo que permite determinar la viscosidad di-námica a partir de la tensión necesaria para rodar un husillo dentro del líquido problema. Esteviscosímetro está diseñado para trabajar con líquidos de alta viscosidad. Con este equipo sepuede determinar si un fluido es newtoniano o no. Si la viscosidad medida es independiente dela velocidad de giro del husillo, el fluido será newtoniano.

2.3. pH

El pH es una manera de medir la acidez de una disolución. Según Arrhenius, un ácido es todaaquella sustancia que en disolución acuosa cede iones H�, por ejemplo:

Ácido acético: CH3COOH CH3COO2 � H�

Ácido clorhídrico: HCl H1 � Cl2

Mientras que una base es toda aquella sustancia que en disolución acuosa cede iones OH�,por ejemplo:

Sosa cáustica: NaOH Na1 � OH�

No todos los ácidos ni todas las bases dan todos los H� ni OH� que son capaces. Este hechodivide a los ácidos y las bases en:

� Fuertes: ceden todos H� y OH� posibles.� Débiles: solo ceden una parte de los H� y OH� posibles.

Como se ha explicado, si un ácido se disuelve en agua, experimentará un proceso de diso-ciación que dará lugar a la cesión de un determinado número de iones H�. Estos iones no per-manecen en disolución en el medio acuoso, sino que se combinan con las moléculas de aguapara generar otro tipo de catión, el H3O

�.

H� � H2O H3O�


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Husillo que se debe sumergir

en la disolución hasta la marca.

Figura 2.5Viscosímetro rotatorio

CAPÍTULO 2


Así, el pH es una medida adimensional de la concentración de iones H3O� en disolución:

pH � –log [H3O�]

Donde [H3O+] es la concentración (moles/l) de iones H+ en disolución.

De la misma forma que se ha definido el pH se puede definir el pOH como:

pOH � –log[OH�]

A partir de la explicación anterior se podría pensar que el agua pura no tiene pH. Sin em-bargo, en las disoluciones acuosas, que son las únicas que se consideran en esta explicación, secumple:

[H3O�] · [OH�] � 10�14

O lo que es lo mismo:

pH � pOH � 14

Y por tanto el agua pura presenta un grado de disociación donde las concentraciones de[H3O

�] y [OH�] son iguales y su valor es 10�7 moles/l. El valor del pH correspondiente será 7.Para poder clasificar las disoluciones según su acidez se ha definido una escala de pH, que

va del 0 al 14 y que se divide en tres zonas:

• pH < 7: disoluciones ácidas.• pH > 7: disoluciones básicas.• pH = 7: disoluciones neutras.

2.3.1. Neutralización

Lo que caracteriza a un ácido y una base son los iones H� y los OH�. Estos iones pueden reaccionardando agua de la siguiente forma:

H1 � OH2 H2O

Entonces, el carácter ácido o básico de la disolución “desaparece”. Esta reacción se llama deneutralización. Un ejemplo es la reacción entre el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio:

HCl � NaOH NaCl � H2O

Calcula el pH de una disolución de ácido clorhídrico 0,01 M.

[H�] � 0,01 MpH � �log [H�] � �log 0,01 � 2

PARA CALCULAR

2.3.2. Medida del pH

El pH se mide de forma cuantitativa con unos equipos de análisis instrumental denominadospH-metros y de forma cualitativa se puede medir con papel indicador.

El papel indicador (figura 2.6) es una tira de papel impregnado en una serie de sustanciasquímicas que reaccionan con la disolución con la que se pone en contacto, y que cambia decolor en función de la acidez.

En el mercado hay diversas presentaciones de papel indicador, aunque todos llevan una equi-valencia entre el color que adquiere la tira y el valor del pH. En los más comunes los colores rojosrepresentan pH ácidos mientras que las tonalidades azules representan pH básicos. El pH neutroestaría representado por el color amarillo de la tira.

Un medidor de pH es básicamente un circuito eléctrico formado por un voltímetro condos electrodos conectados. Al sumergir los electrodos en la disolución se cierra el circuito y seobtiene un potencial que depende de la concentración de iones H� en la disolución. El valorde este potencial depende en forma lineal del pH. Los electrodos son:

� Un electrodo llamado de referencia proporciona un potencial estable y reproducible cuyovalor es independiente de la concentración de la disolución. Hay dos tipos de electrodosde referencia, los de Ag/AgCl y los de calomelanos.

� El potencial proporcionado por el otro electrodo de medida depende de la concentraciónde los iones H� en la disolución. El electrodo de medida consiste en una membrana devidrio que es sensible a los iones H� y, por tanto, varía el potencial según la concentraciónde H� que hay en la disolución en la que está sumergido.

Hoy en día, la mayoría de los pH-metros llevan un electrodo combinado que agrupa al elec-trodo de referencia y al de medida en el mismo sensor, lo que simplifica su manejo.

Como el pH depende de la temperatura, muchos pH-metros llevan incorporada una sondade temperatura y compensan automáticamente este efecto dando el valor de pH a una tempe-ratura de referencia.


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Figura 2.6Papel indicador

2.3.3. Calibración y mantenimiento del pH-metro

La diferencia de potencial se relaciona con el pH de la disolución de forma lineal, es decir, me-diante una recta. Por tanto, para calibrar el pH-metro (figura 2.7) será necesario definir dos pun-tos de pH perfectamente conocido y determinar el valor de esta diferencia de potencial.Generalmente los tampones utilizados para la calibración son el de pH = 7,0 y pH = 4,01, ycuando se quiera determinar el pH de sustancias básicas el de pH = 9,21. En la mayoría de equi-pos solo es necesario seguir las instrucciones del aparato.

Antes de realizar una medida es necesario lavar el electrodo de vidrio con agua destilada ysecarlo ligeramente.

Para conservar en buen estado el electrodo de vidrio, concretamente de la parte inferiordonde se encuentra la membrana semipermeable, es necesario guardarlo sumergido en una di-solución de KCl 3M.

2.4. Conductividad

La resistencia eléctrica es la dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica,mientras que la conductancia es la propiedad inversa de la resistencia y representa la facilidad alpaso de la corriente eléctrica a través de un conductor.

1/R = G = �·A/lDonde:

R: resistencia.G: conductancia.�: conductividad.A: área del material por donde circula la corriente.l: longitud del material por donde circula la corriente.

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Cápsula rellena de KCl3M para guardar el electrodo

Patrones PH

Electrodo

Figura 2.7pH-metro

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