Resumen de Viscosidad: Conceptos, Medición y Estándares
Viscosidad: Conceptos, Medición y Estándares Esenciales
Introducción
La viscosidad es una propiedad fundamental que describe la resistencia interna de un fluido al flujo. En hidrocarburos y sistemas de transporte y procesamiento de petróleo se requiere conocer tanto la viscosidad cinematica como la viscosidad dinámica para diseñar equipos, tuberías y seleccionar métodos de medición y control.
Definición: La viscosidad cinematica es la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido, y se expresa en unidades como mm(^2)/s o cSt.
Conceptos básicos y unidades
Viscosidad cinematica y dinámica
- Viscosidad dinámica ($\mu$) mide la resistencia interna frente a deformación por esfuerzo cortante y se expresa en $\mathrm{Pa\cdot s}$ o en centipoise (cP).
- Viscosidad cinematica ($\nu$) es la viscosidad dinámica dividida por la densidad ($\rho$):
$$\nu = \frac{\mu}{\rho}$$
Definición: $\nu$ = viscosidad cinematica (mm(^2)/s o cSt), $\mu$ = viscosidad dinámica (Pa\cdot s), $\rho$ = densidad (kg/m(^3)).
Relación de medida con viscometros
- Para viscometros capilares:
$$\nu = C\cdot t$$ donde $C$ es la constante de calibración del viscosímetro (mm(^2)/s\cdot s^{-1}) y $t$ es el tiempo de escurrimiento en s. - Para convertir a viscosidad dinámica:
$$\mu = \nu\cdot\rho\cdot 10^{-3}$$ (si $\nu$ está en mm(^2)/s y $\rho$ en kg/m(^3) para obtener $\mu$ en Pa\cdot s).
Unidades comunes y conversiones
| Unidad | Símbolo | Relación básica |
|---|---|---|
| Centistoke | cSt | 1 cSt = 1 mm(^2)/s |
| Stoke | St | 1 St = 100 cSt |
| Centipoise | cP | 1 cP = 0.001 Pa\cdot s |
Efecto de la temperatura y la presión
- Líquidos: la viscosidad disminuye marcadamente al aumentar la temperatura.
- Gases: la viscosidad aumenta al aumentar la temperatura; su variación con la presión es apreciable solo a presiones altas.
Definición: Para gases la viscosidad dinámica $\mu$ generalmente aumenta con la temperatura; para líquidos $\mu$ disminuye con la temperatura.
Práctica: al diseñar calefacción o enfriamiento de tuberías, considere que una variación de temperatura cambia la viscosidad y por tanto la pérdida de carga.
Medidas y escalas convencionales
- Segundos Saybolt Universal (SSU): tiempo de escurrimiento de 60 cm(^3) en el viscosímetro universal.
- Segundos Saybolt Furol (SSF): similar pero con orificio mayor, para productos más viscosos.
- Grados Engler (°E): cociente entre tiempo de 200 cm(^3) de producto y 200 cm(^3) de agua a 20 °C.
- Segundos Redwood: tiempo de escurrimiento de 50 cm(^3) usando viscosímetros Redwood 1 o 2.
Conversión entre kinematic y Saybolt (ASTM D2161)
- Para rangos específicos se usan tablas del método ASTM D2161.
- Para viscosidades cinemáticas mayores a ciertos límites se aplican fórmulas aproximadas:
$$\mathrm{SSU}{100^{\circ}\mathrm{F}} = 4.632\cdot \nu{100^{\circ}\mathrm{F}}$$ $$\mathrm{SSU}{210^{\circ}\mathrm{F}} = 4.664\cdot \nu{210^{\circ}\mathrm{F}}$$ donde $\nu$ está en mm(^2)/s.
Ecuación de Poiseuille y aplicaciones en tuberías
La ecuación de Poiseuille para flujo laminar en una conducción cilíndrica relaciona caudal $Q$, diferencia de presión $\Delta P$, radio $R$, longitud $L$ y viscosidad dinámica $\mu$:
$$Q = \frac{\pi,\Delta P,R^{4}}{8,\mu,L}$$
- En forma útil para hallar $\mu$ cuando el movimiento es por diferencia de altura (conducción vertical) y $\Delta P = \rho g L$, se obtiene:
$$\mu = \frac{\rho,t,g,R^{2}}{8,L}$$ donde $t$ es el tiempo relacionado con la velocidad (por ejemplo, $v = L/t$) y $g$ es la gravedad.
Ejemplo práctico: Un ducto de 80 m transporta 100 bbl/min con diferencia de presión de 12 Pa y diámetro de 8 in; aplicar Poiseuille para estimar la viscosidad asumiendo flujo laminar y convertir unidades.
**De
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Viscosidad de hidrocarburos
Klíčové pojmy: Viscosidad cinematica: $\nu=\mu/\rho$ en mm^2/s o cSt, Viscosidad dinámica: $\mu$ en Pa\cdot s; convertir con $\mu=\nu\,\rho\,10^{-3}$, Viscosímetro capilar: $\nu=C\,t$ donde $C$ es constante de calibración, Ecuación de Poiseuille: $Q=\frac{\pi\,\Delta P\,R^{4}}{8\,\mu\,L}$ para flujo laminar, Temperatura disminuye $\mu$ en líquidos y aumenta $\mu$ en gases, Conversión a Saybolt: usar ASTM D2161 y fórmulas $\mathrm{SSU}_{100}=4.632\,\nu_{100}$ cuando aplica, Índice de viscosidad cuantifica estabilidad de $\nu$ frente a T (usar tablas/ecuaciones), Mezclas: la viscosidad no es aditiva; usar correlaciones logarítmicas para mezclar viscosidades, Medición: controlar temperatura, densidad y calibración según ASTM D446, Usar métodos ASTM D341 o método de la pendiente para estimar $\nu(T)$ a partir de dos puntos