Determinación experimental del comportamiento P, η, T de la mezcla CO2 + etanol por viscosimetría electromagnética a fuerza constante

Abstract

RESUMEN: Se utilizó una técnica novedosa de medición para la determinación de viscosidades de fluidos puros y mezclas en fase gaseosa a altas presiones. Las principales técnicas experimentales para la medición de viscosidades a altas presiones fueron analizadas, realizándose una breve comparación contra la técnica disponible (técnica electromagnética a fuerza constante). Dicha comparación derivó en la obtención de ventajas y desventajas de dicha técnica. La metodología experimental a utilizar en este trabajo para mediciones de viscosidades entre 0.02 y 2 cP fue planteada y validada. La verificación de los procedimientos recomendados se efectuó con mediciones a líquidos de referencia, como lo son: agua y tolueno, utilizando un pistón calibrado en la escala de 0.2 - 2 cP (pistón de alta escala). La metodología en medición de gases no está documentada por lo que fue necesario definir dicha metodología y establecer el procedimiento de calibración de un pistón en el intervalo de 0.02 - 0.2 cP (pistón de baja escala). Para ello, se utilizaron dos fluidos de referencia, dióxido de carbono y etano. El procedimiento estándar de calibración para cualquier pistón que el instrumento utilice (proporcionado por el fabricante) fue descrito. Los parámetros de calibración por viscosidad que presenta el instrumento (internos en la electrónica) fueron interpretados y analizados. Por otra parte, se utilizó un modelo procedente de la literatura para obtener la viscosidad del fluido con el cual se calibro el pistón, en este caso CO2, a cualquier condición de temperatura y presión en la que se encuentre el sistema. Analizados los parámetros internos y obtenidos los datos de referencia de viscosidad, se lleva a cabo el procedimiento estándar de calibración. Posteriormente, se realizaron nuevas mediciones al CO2 Los datos obtenidos de las mediciones se compararon con datos de referencia, determinándose la necesidad de un método alterno de calibración. Dicho método es propuesto por medio de una ecuación (nombrada ecuación de calibración), considerando la deformación que sufre el instrumento con las variables temperatura y presi´on. Con los datos de referencia y los datos experimentales obtenidos en la medición del CO2 (refriéndose a los tiempos de recorrido del pistón) se realizó un ajuste con la ecuación de calibración propuesta, logrando representar los datos con desviaciones del orden de ±2.0% en la región crítica y de hasta 0.50% en altas y bajas presiones. El método alterno de calibración fue validado con mediciones realizadas al C2H6, logrando representar los datos, de manera predictiva, con desviaciones del orden de 0.6%. Finalmente, se llevaron a cabo mediciones experimentales a la mecla CO2 + etanol, desde 70%mol hasta 95%mol de CO2, con respecto a la temperatura en el intervalo de 50◦C hasta 80◦C y presiones de hasta 700 bar. Obtenidas, experimentalmente, las variables P, T, tiempos de recorrido, se procesaron por medio de la ecuación de calibración, resultando en datos experimentales P, η, T reportados para este trabajo. Los datos obtenidos de esta mezcla fueron correlacionados mediante un modelo empírico, que proporciono una representación dentro de ±2% de desviación, excepto a presiones inferiores a 150 bar, donde la desviación de la correlación aumenta hasta el 6%. ABSTRACT: A new technique of measurement was used to determine the viscosity of fluids pure and gaseous mixtures at high pressures. The main experimental techniques for viscosity measurements at high pressures were studied, with which a brief comparison was made against the available technique (Electromagnetic technique to constant force). This comparison derives in the obtaining of advantages and disadvantages of the available technique. The experimental methodology used in this work, for viscosity measurements in the range of 0.02 - 2 cp, was outlined and validated. The verification of the recommended procedures was made through measurements of reference liquids, such as water and toluene, using a calibrated piston in the range of 0.2 - 2 cP. The methodology of gas measurements is not documented in the literature so it was necessary to develop that methodology and establish the calibration procedure for the piston in the range of 0.02 - 2 cP (low scale piston). For this, carbon dioxide and ethane were used as reference fluids. The procedure to calibrate a piston was described. It was necessary to analyze and understand each one of the calibration parameters for viscosity that uses the instrument (internal electronics). On the other hand, a model from the literature was used with the objective of knowing the viscosity of carbon dioxide to any experimental condition. Then, analyzed the internal calibration parameters and obtained the model that represents the viscosity of the CO2, the standar calibration procedure is carried out. Once calibrated the piston, the referenced fluid (CO2) was measured. After obtained this measurements of carbon dioxide, the data were compared with reference data, determining the need for an alternative method of calibration. This method is based on an equation for calibration which take into account the deformation of the instrument with temperature and pressure. With the reference data and the experimental data obtained in the measuraments of the viscosity of CO2 (referring to the time of piston travel) a fit was made by the proposed calibration equation, being able to represent the data with deviations of the order of ±2.0% in the critical region and on no more that to 0.50% at low and high pressures. The alternative method of calibration was checked with measurements taken at C2H6, being able to represent the data, predictive way, with deviations of the order of 0.6%. Finally, experimental measurements on the CO2 + etanol mixture were carried out, from 70% mol to 95% mol of CO2, at temperature in the range of 50◦C to 80 ◦C and pressures up 700 bar. Obtained, experimentally, the P, T, travel times variables were were processed by the calibration equation, resulting in the experimental data reported in this work. The experimental data obtained in this work for the CO2 + ethanol mixture were correlated within the experimental ranges of the state variables by means of a “one fluid” model. The correlation is accurate within 2.0% except for pressures below to 150 bar, where the deviation is the 6%.