RESUMEN

Se determinó el coeficiente de expansión de determinadas mezclas a diferentes temperaturas también se determinó la relación entre densidad y temperatura para mezclas de hidrocarburos y finalmente se encontró una relación entre volumen y temperatura de las mezclas de hidrocarburos.

Para lo cual se llevó a la mezcla una temperatura determinada con la ayuda del baño térmico y luego se tomó el peso de los mismos a determinadas temperaturas, con estos datos de estima el coeficiente de expansión de la mezcla.

Con los datos obtenidos se concluye que el coeficiente de expansión tiene relación directa con la densidad en inversa con la temperatura.

DESCRIPTORES: DENSIDAD/ TEMPERATURA/ EXPANSIÓN/ MEZCLAS

COEFICIENTE DE EXPANSIÓN PARA MEZCLAS DE HIDROCARBUROS

1. OBJETIVOS

1.1. Determinar el coeficiente de expansión de determinadas mezclas a diferentes temperaturas

1.2. Determinar la relación entre densidad y temperatura para mezclas de hidrocarburos

1.3. Encontrar una relación entre volumen y temperatura de las mezclas de hidrocarburos

2. TEORÍA

2.1. Coeficiente de expansión para líquidos

Se denomina coeficiente de dilatación al cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente experimenta un cambio de temperatura que lleva consigo una dilatación térmica.

“Como la forma de un fluido no está definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presión es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen de un líquido, para cambios en la temperatura o la presión, es muy pequeño. β representa el coeficiente de dilatación volumétrica de un líquido,

Ec. 2.1-1

Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos.” (1)

2.2. Coeficiente de compresibilidad para líquidos

“La compresibilidad isotérmica de un fluido, está definida por:

Ec. 2.2-1

Pues, el aumento de la presión: de 1 a 104 atmósferas, reduce el volumen de un líquido ≈3% fenómeno que sugiere que los líquidos tienen en su estructura huecos. Por encima de esta presión, la reducción de volumen es ínfima.” (2)

2.3. Grados API

“La gravedad API, es una medida de densidad que describe cuán pesado o liviano es el petróleo comparándolo con el agua. Si los grados API son mayores a 10, es más liviano que el agua, y por lo tanto flotaría en ésta. La gravedad API es también usada para comparar densidades de fracciones extraídas del petróleo. Por ejemplo, si una fracción de petróleo flota en otra, significa que es más liviana, y por lo tanto su gravedad API es mayor. Matemáticamente la gravedad API no tiene unidades. Sin embargo siempre al número se le coloca la denominación grado API. La gravedad API es medida con un instrumento denominado densímetro. Existen una gran variedad de estos instrumentos.” (3)

2.4. Corrección de API medido a temperaturas diferentes a 60°F

“El volumen de los combustibles de petróleo varían con respecto a la temperatura como tal es necesario determinar ésta, a fin de referir el volumen a una base estándar de 60 ºF (ó 15 ºC); es decir que el volumen medido de combustible debe ser corregido al volumen que tendría si su temperatura fuese 60 ºF. La temperatura de los combustibles de petróleo rara vez tiene 60 ºF y por cálculos es convertida a su equivalente a 60 ºF por ser una norma aceptada internacionalmente. Con lo cual se asegura la uniformidad de los volúmenes, ya que el cambio de temperatura trae como consecuencia el cambio de volumen.

Para la determinación del factor de corrección de volumen a 60 ºF se seguirá los siguientes procedimientos:

Una vez determinada la gravedad API a 60 ºF y con la toma de temperatura del fluido en el tanque, determinar el factor de corrección de volumen a 60 ºF; haciendo uso de la Tabla 6-B del API ‘Manual of Petroleum Measurements Standard’.”(4)

2.5. Cortes característicos de destilación de crudo, pequeña definición de cada uno

Tabla 2.5-1

Cortes de destilación de crudo

Corte Temperatura de ebullición, ºC

Gasolina ligera de torre atmosférica

85

Gasolina pesada o nafta 104Querosina 271

Gasóleo atmosférico 321 – 430Gasóleo de vacío 510 – 565

FUENTE: http://molten.latinclicks.info/crudos/index.htm

“Gasolina ligera.- Destilada a partir del petróleo crudo, debe ser estabilizada, es decir, separada del butano y del propano y luego, con ayuda de un reactivo o de un catalizador, se neutraliza los compuestos sulfurados malolientes y corrosivos.

Gasolina pesada o nafta.- Debe ser reformada para hacerla apta para servir en los motores de explosión. Esta operación se efectúa en presencia de un catalizador de platino, hacia 500 ºC y a una presión de 35 atm.

Querosina.- es un líquido transparente obtenido por destilación del petróleo. De densidad intermedia entre la gasolina y el gasóleo o diésel, se utiliza como combustible, el JP en los motores a reacción y de turbina de gas o bien se añade al gasóleo de automoción en las refinerías.

Gasóleo.- El gasóleo, también denominado gasoil o diésel, es un líquido de color blancuzco o verdoso y de densidad sobre 850 kg/m3 (0,850 g/cm3), compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible en motores diésel y en calefacción. Su poder calorífico es de 8.800 kcal/kg.” (5)

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1. Materiales y equipos

3.1.1. Baño Térmico Ap=±0.01ºC3.1.2. Balanza analítica, Ap=± 0.0001g R= [0;210] g3.1.3. Picnómetro3.1.4. Tubo de ensayo3.1.5. Toalla

3.2. Sustancias y reactivos

3.2.1. Gasolina 3.2.2. Diesel

3.3. Procedimiento

3.3.1. Colocar el tubo de ensayo con la sustancia problema en el baño térmico hasta que la sustancia tenga la temperatura deseada.

3.3.2. Limpiar el picnómetro vacío, pesarlo cuidadosamente. 3.3.3. Llenarlo con la sustancia problema hasta rebosar, taparlo, secar el exceso y

pesarlo.3.3.4. Repetir el procedimiento para varias temperaturas.

3.4. Fundamento del método

Con la ayuda del picnómetro se puede estimar de manera más precisa la densidad de las sustancias, y con el baño térmico se lleva a una determinada temperatura un sistema deseado, con ayuda de ambos métodos podemos estimar la densidad de una sustancias a diferentes condiciones de temperatura.

4. DATOS

4.1. Datos experimentales Tabla 4.1-1

Datos picnómetros

Picnómetro Vol, ml Peso, gGasolina 10 19,7141Diesel 10 12,6235

Tabla 4.1-2

Datos experimentales

Temperatura °C Temperatura °F Pic. + gasolina Pic. + diesel 18 64,4 27,2470 20,755719 66,2 27,2416 20,749520 68,0 27,2385 20,745221 69,8 27,2351 20,705922 71,6 27,2309 20,696823 73,4 27,2225 20,654924 75,2 27,2189 20,600725 77,0 27,2134 20,5649

4.2. Datos adicionalesTabla 4.2-1

Datos adicionales

Sustancia API, 60°F Densidad relativa, 60°FGasolina extra 57-72 0,76

Diesel 38 0,84Fuente: http://www.criba.edu.ar/mecymaq/GASOIL2.pdf

5. CALCULOS

5.1. Cálculo de la masa de fluido en el picnómetro

Mgasolina = Mpic+gasolina – Mpic Ec. 5.1-1Mgasolina = 27,2470g - 19,7141g = 7,5329g

Tabla 5.1-1

Masa del la gasolina y del diesel

Mgasolina, g Mdiesel, g7,5329 8,13227,5275 8,12607,5244 8,12177,5210 8,08247,5168 8,07337,5084 8,03147,5048 7,97727,4993 7,9414

5.2. Cálculo de la densidad de la mezcla.

ρgasolina = Mgasolina / V Ec. 5.2-1ρgasolina = 7,5329g / 10mL

ρgasolina = 0,7532 g/mL

Tabla 5.2-1

Densidad del la gasolina y del diesel

ρgasolina, g/ml ρdiesel, g/ml0,7532 0,81320,7527 0,81260,7524 0,81210,7521 0,80820,7516 0,80730,7508 0,80310,7504 0,79770,7499 0,7941

5.3. Cálculo del volumen de la mezcla

Vgasolina = Mgasolina / ρgasolina Ec. 5.3-1Vgasolina = 10g / 0,75329 g. mL-1

Vgasolina = 1,3275 mL

Tabla 5.3-1

Volumen del la gasolina y del diesel

Vgasolina, ml Vdiesel, ml13,2751 12,296813,2846 12,306213,2901 12,312713,2961 12,372613,3035 12,386513,3184 12,451113,3248 12,535713,3346 12,5922

5.4. Cálculo del coeficiente de expansión

α = (V-V0)/(V0(t-t0)) Ec. 5.4-1 α = (13,2751-13,1579)/(13,1579*(64,4-60))α = 0,0020 ºF-1

6. ERRORES

6.1. Errores Aleatorios

Este tipo de error se produjo al tomar los pesos en la balanza analítica, ya que este tipo de balanza son demasiado sensibles ante variaciones de presión, temperatura y sobre todo ante alguna posible brisa. Además como se pesó en un sistema abierto pudo variar la temperatura.

6.2. Errores Sistemáticos

Se produjo puesto que se pudo producir un error al momento de calibrar la balanza previa a la toma de datos. También es posible que no se secara correctamente el picnómetro antes de pesarlo o quedasen residuos de otro componente.

7. RESULTADOS Tabla 7-1

Resultados

Temperatura °F α Gasolina, ºF-1 α Diesel, ºF-1

64,4 0,00202 0,0074866,2 0,00155 0,0054468,0 0,00126 0,0042869,8 0,00107 0,0040171,6 0,00095 0,0034973,4 0,00091 0,0034275,2 0,00083 0,0034977,0 0,00079 0,00340

8. CONCLUSIONES

8.1. Según la gráfica 11.2-1 la densidad de la gasolina disminuye de manera lineal conforma aumenta la temperatura en tanto que el diesel lo hace de manera polinómica.

8.2. Para los líquidos tanto la densidad como el volumen son sensibles ante cambios de temperatura tal como se muestra en las tablas 5.2-1 y 5.3-1.

8.3. En base a la gráfica 11.3-1 se puede decir que el coeficiente de expansión disminuye a medida que aumenta la temperatura, en ambos casos responde a una relación exponencial.

8.4. Tanto el coeficiente de expansión como la densidad muestran que el diesel es mas sensible a cambio de temperatura a diferencia de la gasolina que las variaciones son muy pequeñas, con estos datos se también se puede decir que el coeficiente de expansión está relacionado con la densidad de la mezcla.

9. DISCUSIÓN

En base a los resultados obtenidos en la tabla 7-1 se observa que el coeficiente de expansión el coeficiente de expansión disminuye a medida que la temperatura aumenta sin embargo esta tendencia no se mantiene en el caso

del diesel a los 75,2 ºF ya que en lugar de disminuir aumenta lo que nos indica que se ha cometido algún error, estos datos erróneos pueden responder a los errores ya mencionados en el numeral 6.

Sin embargo no ocurre lo mismo ni con la densidad ni con los volúmenes también es posible que los datos empleados para los cálculos en dicho caso no corresponden a la temperatura observada.

10.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

10.1. Citas bibliográficas

(1) http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/dilatacion/liquidos(2) Luis A. Romo S., TRATADO DE FISICOQUÍMICA, Editorial Universitaria, Quito-

Ecuador, pag 210.(3) http://es.wikipedia.org/wiki/Gravedad_API(4) SHAMES H. I. (1995). Mecánica de Fluidos. 3ª edición. Editorial Mc Graw -

Hill. Bogotá – Colombia. 825p.(5) http://personal.telefonica.terra.es/web/triskydiaz/projecte/interfice/destilaci

on.htm

10.2. Bibliografía

10.2.1. Luis A. Romo S., TRATADO DE FISICOQUÍMICA, Editorial Universitaria, Quito-Ecuador

10.2.2. www.wikipedia.org10.2.3. www.rincondelvago.com10.2.4. www.monografias.com10.2.5. www.fisicanet.com

11.ANEXOS

11.1. Diagrama del equipo

Figura 11.1-1 UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA

ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA

Lámina

1

1

DIBUJA

REVISA

FECHA

Ibáñez William

2011 – 05 – 30

2011 – 05 – 05

Espinosa Javier

Diagrama del equipo

11.2. Gráfica densidad = f(temperatura)

Figura 11.2-1 UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA

ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA

Lámina

2

2

DIBUJA

REVISA

FECHA

Ibáñez William

2011 – 05 – 30

2011 – 05 – 05

Espinosa Javier

Diagrama densidad = f(temperatura)

Densidad=f(temperatura)

y = -0,0004x2 + 0,0005x + 0,8132

R2 = 0,9898

y = -0,0005x + 0,7538

R2 = 0,9864

0,7000

0,7200

0,7400

0,7600

0,7800

0,8000

0,8200

64,40

66,20

68,00

69,80

71,60

73,40

75,20

77,00

temperatura, F

Den

sid

ad,

g/m

L

ρgasolina

ρdiesel

Polinómica (ρdiesel)

Lineal (ρgasolina)

11.3. Gráfica coeficiente de expansión=f(temperatura)

Figura 11.2-1UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA

ESCUELA DE INGENIERIA QUÍMICA

Lámina

3

1

DIBUJA

REVISA

FECHA

Ibáñez William

2011 – 05 – 30

2011 – 05 – 05

Espinosa Javier

Diagrama coeficiente de expansión = f(temperatura)

α = f(t)

y = 0,0071x-0,3926

R2 = 0,9554

y = 0,0021x-0,4643

R2 = 0,99620,000000,001000,002000,003000,004000,005000,006000,007000,00800

64,40

66,20

68,00

69,80

71,60

73,40

75,20

77,00

t, F

α,

1/F

αgasolina

αdiesel

Potencial (αdiesel)

Potencial (αgasolina)

12. CUESTIONARIO

12.1. De una explicación a los resultados obtenidos

La densidad aumenta a medida que lo hace la temperatura, ello se debe a que la densidad en la magnitud inversa al volumen específico y éste tiene relación directa con la temperatura, cuando aumenta la temperatura los líquidos se expanden (dilatan).

Mientras que el coeficiente de expansión de igual manera tiene relación inversa con la temperatura esto se debe a que mientras mayor es el gradiente de temperatura el coeficiente de dilatación es menor.

12.2. Idear un procedimiento para el cálculo del coeficiente de expansión para un líquido.

El coeficiente de expansión se lo puede determinar mediante el procedimiento empleado en esta práctica, en la cual se pesó la masa de un determinado volumen de una mezcla de hidrocarburos a una determinada la temperatura, con los datos obtenidos se estima la densidad a dicha temperatura, luego se puede estimar el coeficiente de expansión de una mezcla liquida.

12.3. Idear un procedimiento para el cálculo del coeficiente de compresibilidad para un líquido.

A una masa determinada de un líquido se le somete a varias presiones, en esas condiciones se toma el volumen para cada caso, de manera análoga al caso anterior se estima la densidad y relacionando con datos tabulados a condiciones estándar se puede estimar el coeficiente de compresión del líquido.

12.4. Como se utiliza las tablas de corrección de °API

Las tablas de corrección API no ayudan a corregir los volúmenes a diferentes temperaturas a volúmenes estándar a 60 ºF, en las tablas de corrección se presenta los factores de corrección a diferentes temperaturas y diferente gravedad API, este factor se multiplica por el volumen a las condiciones observadas y de esta manera se obtienen el volumen estándar a 60 ºF.

12.5. Fundamento de funcionamiento de un baño térmico.

En termodinámica, un baño térmico es un sistema (S) cuya capacidad calorífica es tan grande que, cuando se halla en contacto con un sistema de prueba (Σ), la temperatura de (S) permanece constante. Se trata de un sistema ideal que constituye una reserva infinita de energía.