Calculo de densidad de etileno líquido: fundamentos y aplicaciones técnicas
El cálculo de densidad de etileno líquido es esencial para procesos industriales y científicos. Este artículo detalla métodos precisos y fórmulas para su determinación.
Se explican variables, tablas con valores comunes y ejemplos prácticos para optimizar el manejo del etileno en estado líquido.
Calculadora con inteligencia artificial (IA) para cálculo de densidad de etileno líquido
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Tablas de densidad de etileno líquido: valores comunes y condiciones estándar
La densidad del etileno líquido varía principalmente con la temperatura y la presión. A continuación, se presenta una tabla detallada con valores típicos de densidad para etileno líquido en función de estas variables, basados en datos experimentales y ecuaciones de estado reconocidas.
| Temperatura (K) | Temperatura (°C) | Presión (MPa) | Densidad (kg/m³) | Estado |
|---|---|---|---|---|
| 103.7 | -169.5 | 0.1 | 570.0 | Líquido saturado |
| 110 | -163.15 | 0.5 | 560.5 | Líquido comprimido |
| 120 | -153.15 | 1.0 | 545.0 | Líquido comprimido |
| 130 | -143.15 | 1.5 | 530.0 | Líquido comprimido |
| 140 | -133.15 | 2.0 | 515.0 | Líquido comprimido |
| 150 | -123.15 | 2.5 | 500.0 | Líquido comprimido |
| 160 | -113.15 | 3.0 | 485.0 | Líquido comprimido |
| 170 | -103.15 | 3.5 | 470.0 | Líquido comprimido |
| 180 | -93.15 | 4.0 | 455.0 | Líquido comprimido |
| 190 | -83.15 | 4.5 | 440.0 | Líquido comprimido |
Estos valores son aproximados y dependen de la pureza del etileno y las condiciones exactas de medición. Para aplicaciones industriales, se recomienda utilizar ecuaciones de estado o software especializado para obtener resultados más precisos.
Fórmulas para el cálculo de densidad de etileno líquido y explicación de variables
El cálculo de la densidad del etileno líquido puede realizarse mediante diferentes métodos, desde tablas empíricas hasta ecuaciones de estado termodinámicas. A continuación, se presentan las fórmulas más utilizadas y sus variables.
Ecuación básica de densidad
La densidad (ρ) se define como la masa (m) por unidad de volumen (V):
- ρ: densidad (kg/m³)
- m: masa del etileno líquido (kg)
- V: volumen ocupado por la masa (m³)
Este cálculo es directo cuando se conocen masa y volumen, pero en la práctica, el volumen puede variar con temperatura y presión, por lo que se utilizan ecuaciones de estado para determinarlo.
Ecuación de estado de Peng-Robinson (PR) para etileno líquido
La ecuación de Peng-Robinson es una de las más utilizadas para calcular propiedades termodinámicas de fluidos, incluyendo la densidad. Se expresa como:
- P: presión (Pa o MPa)
- R: constante universal de gases = 8.314 J/mol·K
- T: temperatura absoluta (K)
- V_m: volumen molar (m³/mol)
- a, b: parámetros específicos del compuesto
- α: función de temperatura que ajusta la atracción intermolecular
Para etileno, los parámetros a y b se calculan con base en sus propiedades críticas:
- Temperatura crítica (T_c) = 282.34 K
- Presión crítica (P_c) = 5.04 MPa
- Factor acéntrico (ω) = 0.086
Los parámetros a y b se calculan así:
b = 0.07780 * (R * T_c) / P_c
La función α depende de la temperatura y el factor acéntrico:
donde:
Una vez calculado el volumen molar V_m resolviendo la ecuación cúbica, la densidad se obtiene con:
- M: masa molar del etileno = 28.05 g/mol = 0.02805 kg/mol
- V_m: volumen molar en m³/mol
Ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong (SRK)
Otra ecuación común para líquidos y gases es la SRK, similar a Peng-Robinson pero con diferente formulación:
Los parámetros a, b y α se calculan de forma análoga a la PR, con ajustes específicos para SRK.
Relación entre densidad, presión y temperatura para líquidos comprimidos
Para líquidos comprimidos, la densidad puede aproximarse mediante la siguiente fórmula linealizada:
- ρ_sat: densidad en condiciones de saturación (kg/m³)
- β: coeficiente de compresibilidad isoterma (kg/m³·MPa)
- P: presión actual (MPa)
- P_sat: presión de saturación a la temperatura T_sat (MPa)
- α: coeficiente de expansión térmica (kg/m³·K)
- T: temperatura actual (K)
- T_sat: temperatura de saturación (K)
Este método es útil para estimaciones rápidas en rangos limitados de presión y temperatura.
Ejemplos prácticos de cálculo de densidad de etileno líquido
Ejemplo 1: Cálculo de densidad a 120 K y 1.0 MPa usando ecuación de Peng-Robinson
Se desea calcular la densidad del etileno líquido a 120 K y 1.0 MPa. Se conocen las propiedades críticas y el factor acéntrico del etileno.
- Temperatura T = 120 K
- Presión P = 1.0 MPa
- T_c = 282.34 K
- P_c = 5.04 MPa
- ω = 0.086
- R = 8.314 J/mol·K
- M = 0.02805 kg/mol
Primero, calculamos los parámetros a y b:
b = 0.07780 * (8.314 * 282.34) / 5.04e6 = 0.07780 * 2346 / 5.04e6 ≈ 0.07780 * 0.000465 = 3.62e-5 m³/mol
Calculamos m y α:
α = [1 + 0.5052 (1 – √(120 / 282.34))]² = [1 + 0.5052 (1 – 0.652)]² = [1 + 0.5052 * 0.348]² = (1 + 0.176)² = 1.176² = 1.383
Con estos valores, se resuelve la ecuación cúbica para V_m. Suponiendo una solución para V_m = 5e-4 m³/mol (valor típico para líquidos comprimidos), calculamos la densidad:
Este valor es bajo para un líquido, indicando que el volumen molar estimado debe ajustarse. En la práctica, se utiliza software para resolver la ecuación con precisión. Según tablas, la densidad a 120 K y 1 MPa es aproximadamente 545 kg/m³, confirmando que el volumen molar real es mucho menor (~5.15e-5 m³/mol).
Ejemplo 2: Estimación de densidad a presión atmosférica y -104 °C (169 K)
Se requiere estimar la densidad del etileno líquido a presión atmosférica (0.1013 MPa) y temperatura de -104 °C (169 K), cercano al punto de ebullición.
- ρ_sat a -104 °C ≈ 570 kg/m³ (de tablas)
- β ≈ 50 kg/m³·MPa (coeficiente típico para líquidos comprimidos)
- α ≈ 0.5 kg/m³·K (coeficiente de expansión térmica)
- P = 0.1013 MPa
- P_sat ≈ 0.1 MPa
- T = 169 K
- T_sat = 169 K
Aplicando la fórmula linealizada:
La densidad prácticamente no cambia, lo que es coherente con la proximidad a condiciones de saturación.
Aplicaciones industriales y científicas del cálculo de densidad de etileno líquido
El etileno líquido es fundamental en la industria petroquímica, especialmente en la producción de polietileno y otros derivados. La densidad es un parámetro crítico para:
- Diseño y dimensionamiento de tanques de almacenamiento criogénico.
- Cálculo de caudales y balances de masa en procesos de licuefacción y transporte.
- Control de calidad y seguridad en la manipulación de etileno líquido.
- Simulación de procesos en software especializado para optimización energética.
El conocimiento preciso de la densidad permite evitar errores en la dosificación y prevenir riesgos asociados a cambios de fase inesperados.
Normativas y referencias para el cálculo de densidad de etileno líquido
Para garantizar la precisión y seguridad en el cálculo de densidad, se recomienda consultar las siguientes normativas y fuentes técnicas:
- American Petroleum Institute (API): estándares para manejo de gases licuados.
- ASTM International: métodos de medición y propiedades físicas de hidrocarburos.
- NIST Chemistry WebBook: base de datos confiable para propiedades termodinámicas.
- Chemical Engineering Resources: herramientas y ecuaciones de estado para hidrocarburos.
Estas fuentes proporcionan datos actualizados y validados para la correcta aplicación en ingeniería y ciencia.
Consideraciones avanzadas para el cálculo de densidad de etileno líquido
En aplicaciones de alta precisión, se deben considerar efectos adicionales que afectan la densidad:
- Impurezas y mezclas: La presencia de otros gases o líquidos modifica la densidad efectiva.
- Presión crítica y condiciones cercanas al punto crítico: La densidad varía drásticamente y las ecuaciones de estado deben ajustarse.
- Compresibilidad y no idealidad: Se recomienda usar factores de compresibilidad (Z) para corregir desviaciones del gas ideal.
- Mediciones experimentales: Uso de densímetros y técnicas de resonancia para validar cálculos teóricos.
La integración de estos factores mejora la confiabilidad en el diseño y operación de sistemas que utilizan etileno líquido.
Resumen técnico y recomendaciones para el cálculo de densidad de etileno líquido
El cálculo de densidad de etileno líquido es un proceso que requiere considerar temperatura, presión y propiedades específicas del compuesto. Las ecuaciones de estado como Peng-Robinson y Soave-Redlich-Kwong son herramientas fundamentales para obtener resultados precisos.
Se recomienda complementar cálculos con tablas experimentales y software especializado, especialmente en condiciones extremas o para mezclas. La correcta determinación de la densidad es vital para la seguridad, eficiencia y optimización en la industria química y petroquímica.