Variables Físiques i Químiques en la Indústria: Mesures i Aplicacions

Variables Físiques

(Pes, Velocitat de gir, Densitat, Humitat, Viscositat)

Variables Químiques

(Conductivitat, pH, Redox, Concentració en gasos)

Variables Químiques

Les variables químiques estan relacionades amb les propietats químiques dels cossos i amb la seva composició.

Les variables químiques que es poden mesurar en un procés poden ser infinites, al igual que el nombre de compostos. No obstant, hi ha algunes variables químiques que són mesurades amb més freqüència en el camp de la química industrial, perquè són relativament senzilles de realitzar i donen informació molt valuosa del procés.

Conductivitat

La conductivitat és la capacitat d'una solució per conduir un corrent elèctric. L'aigua pura no condueix la corrent, però quan hi té dissolt minerals augmenta la seva capacitat de conducció de l'electricitat. La unitat de la conductivitat, que es defineix com l'inversa de la resistència, són els Siemens/metre. Com que l'unitat de S/m és molt gran, normalment per solucions líquides és més comú emprar els mS/cm o µS/cm. Principalment, la conductivitat és utilitzada per la mesura de la puresa o salinitat de l'aigua de procés.

Els sensors mesuren la conductivitat mesurant la resistència elèctrica (inversa de la conductivitat).

pH

El pH és una mesura de l'acidesa o basicitat d'una solució. El pH es defineix com pH=-log([H+]). L'aigua pura té una concentració de 10^-7 M, és a dir, un pH de 7. Una solució àcida té un pH <7 i una solució bàsica té un pH >7.

Redox

Les reaccions de Reducció/Oxidació (També anomenades REDOX) són les reaccions que transfereixen electrons. Aquesta transferència es produeix entre dues espècies, un oxidant (accepta electrons) i l'altre el reductor (dóna electrons).

Per mesurar aquesta transferència s'utilitzen, al igual que el pH, un electrode de metall noble per mesurar el potencial, juntament amb un electrode de referència.

Analitzadors de Gasos / Procés

Els analitzadors de procés són capaços de mesurar de forma contínua la composició de les matèries primeres o de productes.

Només quan l'analitzador de procés està integrat en línia, on s'actua contínuament en funció de la seva mesura, es quan es pot parlar realment de que aquella variable es utilitzada pel control.

Ex. Anàlisis i control de l'acidesa d'un tanc, afegint HCl i NaOH.

Característiques Bàsiques dels Analitzadors

Les característiques bàsiques que defineixen una analitzador de procés són: la selectivitat, velocitat de resposta, precisió, rang de mesura, linealitat i repetitivitat.

Depenen de l'aplicació que es vulgui realitzar, algunes d'aquestes característiques tindran més importància que d'altres. Per exemple, si es vol l'analitzador per controlar el procés, la velocitat de resposta i repetitivitat seran les més significatives. Pel contrari, si es vol analitzar en línia per fer un control de qualitat, és més important la precisió i no tant la velocitat de resposta.

Variables Físiques

El Pes

El pes d'un cos és la força amb la que és atret per la Terra. La relació entre la massa del cos, és a dir, la quantitat de matèria que conté i el seu pes ve donat per l'expressió: P= m·g Si el pes es vol per tenir-ne un registre o fer-ne un posterior control, cal que el sistema de mesura s'en obtingui un senyal (elèctric o pneumàtic), en aquests casos els mètodes més utilitzats a l'indústria són:

• Cèl·lules de Càrrega per galgues extensiomètriques.
• Cèl·lules de càrrega hidràuliques.
• Cèl·lules de càrrega pneumàtiques.

Velocitat de Gir

Quan es parla de la mesura de la velocitat a l'indústria química, ens referim a la quantificació de la velocitat de gir d'aparells que realitzin un moviment circular. Alguns exemples d'aquests equips poden ser les bombes, els motors dels agitadors, forns, molins, filtres de tambor, turbines, etc…

En tots ells, la mesura de les revolucions per minut (r.p.m.) ens pot donar informació valuosa pel procés.

La mesura de la velocitat de gir normalment es realitza amb els instruments anomenats TACÒMETRES. Dins d'aquests es poden classificar en dos grups, els mecànics i els elèctrics, però només els últims tenen interès industrial ja que poden transformar directament la mesura en un senyal per ser utilitzat en tasques de monitorització i control.

Alguns dels tacòmetres elèctrics més utilitzats són:

• Tacòmetre de corrent alterna
• Tacòmetre de corrent contínua
• Tacòmetre de freqüència

Densitat

La densitat d'un cos es defineix com la seva massa per unitat de volum, expressant-se normalment en kg/m3. Com que la densitat varia amb la temperatura i amb la pressió (en els gasos), s'especifica per un valor base de la temperatura que en els líquids sol ser 0 o 15 ºC, i en els gasos de 0ºC i per un valor estàndar de la pressió en els gasos a 1 atm

Humitat

Les variables de la humitat i punt de rosada són d'extraordinària importància a l'indústria (acondicionament de l'aire, atmosferes protectores en tractaments tèrmics, secadors, humidificadors, etc…)

S'utilitzen diferents termes per parlar de la humitat o punt de rosada a l'aire o en gasos:

• Humitat absoluta: Quantitat d'aigua en kg per kg d'aire sec.
• Percentatge d'humitat: Quocient multiplicat per 100 entre la quantitat en kg de vapor d'aigua contingut en 1 kg d'aire sec i els kg de vapor d'aigua en l'aire sec si l'aire esta en condicions de saturació.
• Humitat relativa: És el quocient entre la pressió parcial del vapor d'aigua a temperatura T0 i la pressió total del vapor a saturació a la mateixa temperatura. Equival al percentatge d'humitat.
• Punt de rosada: És la temperatura límit a la que el vapor d'aigua existent en l'aire o en el gas condensa passant a l'estat líquid.

En sòlids l'humitat pot venir expressada en:

• Contingut en humitat: Expressat en tant per cent, és la quantitat d'aigua existent en les substàncies sòlides per unitat de pes o de volum de sòlid sec o humit. El terme s'aplica amb preferència en relació al sòlid sec, és a dir, que ve expressat en base seca.

Viscositat

En els líquids hi ha una força que s'oposa al lliscament mutu de dues capes en contacte. Aquesta força rep el nom de viscositat i es deu al fregament intern de les capes líquides. A causa de la viscositat s'ha de fer una força tangencial per lliscar, per exemple, una làmina de vidre sobre una altra paral·lela quan entre les dues hi ha interposat un líquid.

La força de la viscositat és directament proporcional a l'àrea de la superfície S d'una de les làmines, a la velocitat relativa v d'una làmina sobre l'altra i inversament proporcional a la distancia r entre les dues làmines:

La constant η de proporcionalitat s'anomena coeficient de viscositat i les seves unitats en el SI són N.s/m2 o Pa.s.