Cálculo de presión de vapor: fundamentos y aplicaciones técnicas

El cálculo de presión de vapor es esencial para entender la evaporación y condensación en procesos industriales. Este cálculo determina la presión ejercida por un vapor en equilibrio con su fase líquida a una temperatura dada.

En este artículo, se explorarán las fórmulas más utilizadas, tablas con valores comunes y ejemplos prácticos para un dominio completo del cálculo de presión de vapor.

Calculadora con inteligencia artificial (IA) para cálculo de presión de vapor

• Calcular presión de vapor del agua a 80 °C
• Determinar presión de vapor del etanol a 25 °C
• Obtener presión de vapor del acetona a 50 °C
• Presión de vapor del benceno a 100 °C

Tablas de presión de vapor para sustancias comunes

Las tablas de presión de vapor son herramientas indispensables para ingenieros y científicos. A continuación, se presentan tablas con valores de presión de vapor para sustancias frecuentemente utilizadas en la industria química y procesos térmicos.

Estos valores son aproximados y dependen de la pureza y condiciones específicas del sistema. Se recomienda consultar fuentes oficiales para aplicaciones críticas.

Fórmulas fundamentales para el cálculo de presión de vapor

El cálculo de presión de vapor se basa en relaciones termodinámicas que describen el equilibrio entre fases líquida y vapor. A continuación, se presentan las fórmulas más utilizadas, con explicación detallada de cada variable.

Ecuación de Clausius-Clapeyron

Esta ecuación relaciona la presión de vapor con la temperatura, considerando el calor latente de vaporización.

• P: presión de vapor a la temperatura T (Pa o kPa)
• P₀: presión de vapor a la temperatura de referencia T₀ (Pa o kPa)
• ΔH_vap: entalpía o calor latente de vaporización (J/mol)
• R: constante universal de los gases = 8.314 J/mol·K
• T: temperatura absoluta (Kelvin)
• T₀: temperatura absoluta de referencia (Kelvin)

Esta fórmula es útil para estimar la presión de vapor en un rango de temperaturas cercano a T₀. La entalpía de vaporización varía con la temperatura, por lo que para rangos amplios se prefieren otras ecuaciones.

Ecuación de Antoine

La ecuación de Antoine es una fórmula empírica ampliamente utilizada para calcular la presión de vapor en función de la temperatura.

• P: presión de vapor (mmHg o kPa, según constantes)
• T: temperatura en °C
• A, B, C: constantes específicas para cada sustancia, obtenidas experimentalmente

Las constantes A, B y C varían según el rango de temperatura y la sustancia. Esta ecuación es muy precisa para cálculos prácticos en ingeniería.

Ejemplo de constantes Antoine para agua

Fórmula de Wagner

Para presiones cercanas a la presión crítica, la ecuación de Wagner ofrece mayor precisión:

• P_r: presión reducida = P / P_c
• τ: 1 – T / T_c
• P: presión de vapor (Pa)
• P_c: presión crítica (Pa)
• T: temperatura absoluta (K)
• T_c: temperatura crítica (K)
• a, b, c, d: constantes específicas para cada sustancia

Esta ecuación es compleja pero necesaria para simulaciones en condiciones extremas.

Variables comunes y sus valores típicos

• Temperatura (T): Se mide en grados Celsius o Kelvin. Es la variable independiente más común.
• Presión de vapor (P): Se expresa en kPa, mmHg o atmósferas. Indica la presión ejercida por el vapor en equilibrio.
• Entalpía de vaporización (ΔH_vap): Varía con la sustancia y la temperatura, típicamente entre 20 y 50 kJ/mol para líquidos comunes.
• Constantes de Antoine (A, B, C): Dependen de la sustancia y rango de temperatura, se obtienen de tablas experimentales.
• Constantes críticas (P_c, T_c): Propiedades termodinámicas específicas de cada sustancia, necesarias para ecuaciones avanzadas.

Ejemplos prácticos de cálculo de presión de vapor

Ejemplo 1: Presión de vapor del agua a 80 °C usando Antoine

Se desea calcular la presión de vapor del agua a 80 °C utilizando la ecuación de Antoine con las constantes para el rango 1-100 °C:

• A = 8.07131
• B = 1730.63
• C = 233.426

Aplicando la fórmula:

Calculando P:

Convertimos a kPa (1 mmHg = 0.133322 kPa):

Este valor coincide con la tabla presentada, confirmando la precisión del cálculo.

Ejemplo 2: Presión de vapor del etanol a 25 °C usando Antoine

Para el etanol, las constantes Antoine en el rango 0-78 °C son:

• A = 8.20417
• B = 1642.89
• C = 230.3

Calculamos la presión de vapor a 25 °C:

Calculando P:

Convertimos a kPa:

Este resultado es útil para diseñar procesos de destilación y evaporación en la industria química.

Aplicaciones reales del cálculo de presión de vapor

Aplicación 1: Diseño de un sistema de destilación para separación de mezclas

En la industria petroquímica, la destilación es un proceso clave para separar componentes basados en sus presiones de vapor. Supongamos que se desea separar una mezcla de agua y etanol a 78 °C.

Para diseñar la columna de destilación, es necesario conocer la presión de vapor de cada componente a la temperatura de operación para determinar la composición del vapor y líquido en equilibrio.

• Presión de vapor del agua a 78 °C (usando Antoine):
log₁₀(P) = 8.07131 – (1730.63 / (233.426 + 78)) = 8.07131 – (1730.63 / 311.426) = 8.07131 – 5.558 = 2.513

P = 10^2.513 = 325.5 mmHg = 43.4 kPa

• Presión de vapor del etanol a 78 °C:
log₁₀(P) = 8.20417 – (1642.89 / (230.3 + 78)) = 8.20417 – (1642.89 / 308.3) = 8.20417 – 5.327 = 2.877

P = 10^2.877 = 754.3 mmHg = 100.5 kPa

Con estos datos, se puede calcular la presión total de vapor y la composición del vapor en equilibrio, lo que permite dimensionar la columna y seleccionar condiciones óptimas de operación.

Aplicación 2: Evaluación de riesgos en almacenamiento de líquidos volátiles

En plantas químicas, el almacenamiento seguro de líquidos volátiles depende de conocer la presión de vapor para evitar sobrepresiones y riesgos de explosión.

Por ejemplo, para almacenar acetona a 40 °C, se debe conocer su presión de vapor para diseñar tanques con válvulas de alivio adecuadas.

Usando la tabla, la presión de vapor de acetona a 40 °C es aproximadamente 18.7 kPa. Si la temperatura ambiente puede alcanzar 40 °C, el tanque debe soportar esta presión o contar con sistemas de seguridad para evitar accidentes.

Además, el cálculo de presión de vapor permite estimar pérdidas por evaporación y emisiones a la atmósfera, fundamentales para cumplir normativas ambientales.

Consideraciones adicionales y recomendaciones

• La presión de vapor depende fuertemente de la temperatura; pequeñas variaciones pueden causar grandes cambios en la presión.
• Para mezclas, se deben considerar las presiones parciales y aplicar leyes de Dalton y Raoult para obtener la presión total.
• Las tablas y constantes deben ser actualizadas y verificadas con fuentes confiables como la NIST (National Institute of Standards and Technology) o la IUPAC.
• En aplicaciones industriales, se recomienda utilizar software especializado que incorpore modelos termodinámicos avanzados para mayor precisión.
• El conocimiento del cálculo de presión de vapor es fundamental para el diseño, operación y seguridad en procesos químicos, farmacéuticos, alimentarios y ambientales.

Fuentes y referencias externas de autoridad

• NIST Chemistry WebBook – Base de datos oficial con propiedades termodinámicas.
• IUPAC – Normativas y estándares internacionales en química.
• Engineering Toolbox – Herramientas y tablas para ingeniería.
• ScienceDirect – Vapor Pressure – Artículos científicos y revisiones técnicas.