Medición de Concentración: Densidad vs Índice de Refracción

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¿Que es Concentración?

Concentración es la cantidad relativa de una sustancia contenida en una solución en un volumen particular.  Esta es usualmente expresada en porcentaje por peso.

Por ejemplo:  Si mezclamos 25 lbs de NaOh (Soda Caustica) en 75 lbs de agua, el resultado es una mezcla igual al 25% por peso en 100 lbs de solución.

 

Medición de Densidad en Laboratorio

Los densímetros funcionan por el principio que indica que un cuerpo que flota desplaza su propio peso en un fluido.  El instrumento flota en un fluido y la densidad (gravedad específica) del fluido se determina por el nivel del fluido en la escala del vástago.

 

Instrumentación para medición de Concentración

Los medidores tipo Coriolis miden densidad de forma directa y concentración de forma indirecta.  El principio de medición de densidad funciona bajo el principio que indica que el periodo de oscilación de los tubos de flujo se relaciona con la densidad del liquido que fluye en los tubos.

Los tubos vibran en fase mientras no hay fluido.
Cuando hay flujo se causa una variación en la fase.

Con la medida de densidad, la concentración se puede calcular como una función de la gravedad específica de la solución.

Los medidores tipo Coriolis son muy comunes en la industria para medición de densidad / concentración principalmente por la posibilidad que tienen de ofrecer varias mediciones con un solo instrumento como son flujo másico, densidad y temperatura.  Estas mediciones primarias pueden usarse para calcular otras variables como flujo volumétrico, sólidos totales y concentraciones.

 

Pero… son los medidores Coriolis la solución ideal para medir concentración?

En general con los medidores tipo Coriolis los ingenieros saben que esperar de la medición y el personal de mantenimiento sabe como solucionar sus problemas.  Esto lo hace familiar para los usuarios y equipo técnico pero esta comodidad puede hacerlos descartar mejores tecnologías, o en este caso, equipos diseñados ESPECÍFICAMENTE para la tarea.

 

En Teoría: Uso de Densidad para medir % de Concentración:

Cuando se tiene una calibración PERFECTA la precisión puede alcanzar un valor de +/- 0.1%.

 

Pero en la práctica siempre hay otras variables que afectan la medición:

Efectos de Aire (Gas)

Supongamos que las bolas de color azul representan aire atrapado (gas).  En el caso de burbujas dispersas de manera homogénea se requiere mas potencia para hacer vibrar los tubos.  La separación de la fase gaseosa del líquido crea un efecto amortiguador en la vibración del tubo que conlleva a errores en la medición.

En muchas aplicaciones la generación de aire/gas atrapado accidentalmente es inevitable.

 

Efectos de Partículas en tecnologías de medición en línea

Supongamos que las bolas de color naranja representan sólidos suspendidos, como pulpa en jugos, azúcar cristalizada, maíz o incluso fibras de madera (en lavado de pulpa de papel), o en cualquier caso, materiales no disueltos.   Al igual que en el caso de las burbujas de aire, en los medidores tipo Coriolis estas variables inducen un error en la medición de concentración.  Entre mayor sea la cantidad de sólidos suspendidos o material no disuelto, mayor será el error de la medida.

¿Por qué el Índice de Refracción (nD) es la herramienta correcta para medir concentración?

El Índice de Refracción es la velocidad de la luz en un medio.  Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro se dobla en un ángulo debido al cambio en la velocidad a la que viaja la luz en cada medio.  Líquidos con diferentes concentraciones de una solución dada tendrán diferentes índices de refracción.  De esta manera, determinando el índice de refracción de una solución se constituye la medición directa de su concentración.

El Índice de Refracción no se afecta por presencia de burbujas o partículas.

Los refractómetros de proceso K-Patents  se han desarrollado basados en este principio con una tecnología digital única para medición directa de concentración en línea.   (Refractómetros de Proceso K-Patents).  Las burbujas (aire atrapado o gas), sólidos suspendidos, vibraciones, flujo, cambios en temperatura o presión, NO AFECTAN la medición de concentración.  Adicionalmente la calibración es exacta dada la linealidad que hay entre el índice de refracción y la concentración.

 

Determinando la tecnología más apropiada

Para determinar la tecnología más apropiada se deben analizar los siguientes puntos:

Conocer el Proceso

Se debe conocer el proceso y la aplicación comprendiendo cuál es la razón detrás de la medición de concentración:

¿Como se va a usar la medición?

¿Las tecnologías disponibles permiten suministrar más información sobre el proceso?

Conocer el Fluido

¿Es líquido o gas?
Los Refractometros miden líquidos, los Coriolis miden líquidos y gases.

¿Contiene Sólidos Suspendidos?
Es importante definir si es deseable o no que la tecnología incluya los sólidos suspendidos en la medición.

¿Es un químico o ácido agresivo?
La tecnología debe proveer los materiales necesarios para tener compatibilidad química con el proceso y el ambiente.

¿Se conocen las propiedades físicas del fluido?
Revisar los valores de  Índice de Refracción y Densidad del fluido.

Conocer la Medición

¿Que se quiere medir?
Flujo
Densidad Real (Sólidos totales incluyendo sólidos suspendidos. )
Densidad del Líquido (los sólidos suspendidos o no disueltos no se desean en la medición).
Concentración

¿Que técnicas de medición se usan actualmente?
En línea o en laboratorio.

¿Cual es la precisión requerida?
Se busca una medición suficientemente buena o realmente buena?

 

Fuente: K-Patents