Calculadora de Densidad de Etileno Líquido | Herramienta Gratuita para Ingenieros

¿Qué es la calculadora de la densidad del etileno líquido?

La calculadora de la densidad del etileno líquido estima la densidad del etileno líquido (C₂H₄) a partir de su temperatura y presión. Utiliza una correlación DIPPR, una ecuación estándar empleada en la industria de la ingeniería química para predecir el comportamiento de los líquidos. La herramienta funciona con temperaturas de 104 K a 282 K y presiones de 1 bar a 100 bar.

El etileno es un gas a temperatura ambiente. Los productores lo enfrían a temperaturas criogénicas, por debajo de aproximadamente -104 °C (169 K) a presión atmosférica, para mantenerlo líquido durante el almacenamiento y el transporte. El etileno líquido concentra mucha más masa en el mismo volumen que el gas, por lo que las plantas lo almacenan y transportan en estado líquido. Conocer su densidad a una temperatura y presión determinadas es importante para dimensionar tanques de almacenamiento, comprobar el flujo en tuberías y realizar balances de masa en una planta.

Fórmula de la densidad del etileno líquido.

La calculadora utiliza la ecuación DIPPR 105, una correlación construida a partir de mediciones experimentales de la densidad del líquido saturado. Primero determina la densidad molar a la temperatura elegida, luego la convierte en densidad másica y finalmente la ajusta en función de la presión.

Paso 1: densidad molar a la presión de referencia

$\rho_m = \frac{A}{B^{\,1 + \left(1 - \frac{T}{T_c}\right)^{D}}}$

Paso 2: conversión a densidad másica

$\rho_{ref} = \rho_m \times M$

Paso 3: ajuste en función de la presión

$\rho = \rho_{ref} \times \left[1 + \kappa \left(P - P_{ref}\right)\right]$

Donde:

$A$, $B$, $T_c$ y $D$ son constantes ajustadas para el etileno, no mediciones físicas que introduzca el usuario. La calculadora solo solicita la temperatura y la presión.

La densidad es más sensible a la temperatura que a la presión. Los líquidos apenas se comprimen, por lo que el término de presión solo modifica el resultado en un pequeño porcentaje incluso en todo el intervalo de 1–100 bar de la calculadora. En cambio, la temperatura provoca la mayor parte del cambio en la densidad.

Cómo calcular la densidad del etileno líquido: ejemplo resuelto.

Determine la densidad del etileno líquido a 200 K y 50 bar.

Paso 1. Calcule el término de temperatura.

$1 - \frac{200}{282.34} = 0.2916$

Paso 2. Eleve este valor a la potencia $D = 0.29147$.

$0.2916^{0.29147} = 0.6983$

Paso 3. Sume 1 y eleve $B$ a esa potencia.

$0.27657^{\,1.6983} = 0.11273$

Paso 4. Divida $A$ entre ese resultado y, después, multiplique por la masa molar.

$\rho_{ref} = \frac{2.0961}{0.11273} \times 28.054 = 521.6345 \text{ kg/m}^3$

Esta es la densidad a la presión de referencia de 1 bar (0,1 MPa). La calculadora utiliza este valor con toda su precisión en el paso siguiente; redondeado para mostrarlo, es 521,63 kg/m³.

Paso 5. Aplique la corrección de presión para 50 bar (5 MPa) a la densidad de referencia sin redondear.

$\rho = 521.6345 \times \left[1 + 0.00125 \times (5 - 0.1)\right] = 524.83 \text{ kg/m}^3$

La calculadora devuelve 524,83 kg/m³ para 200 K y 50 bar.

Más ejemplos.

La tabla muestra claramente el patrón. Pasar de 150 K a 250 K manteniendo constante 10 bar reduce la densidad en aproximadamente 175 kg/m³, una disminución del 29 %. Pasar de 10 bar a 100 bar manteniendo constante 200 K aumenta la densidad solo en aproximadamente 6 kg/m³, cerca de un 1 %. En los intervalos que cubre esta herramienta, el cambio de temperatura tiene un efecto mucho mayor que el cambio de presión.

Intervalos de entrada válidos.

La calculadora acepta temperaturas de 104 K a 282 K y presiones de 1 bar a 100 bar.

• Por debajo de 104 K, el etileno se aproxima a su punto de congelación y la correlación no está validada.
• Por encima de 282 K, la temperatura se aproxima a la temperatura crítica del etileno (282,34 K), el punto por encima del cual el líquido y el gas se vuelven indistinguibles. La correlación no puede describir esta región.
• Fuera de 1–100 bar, el término de corrección de presión no ha sido validado y los resultados pueden no ser fiables.

Introducir valores fuera de estos intervalos produce un error de validación en lugar de un resultado.

Por qué es importante la densidad del etileno líquido.

Los cálculos de densidad ayudan a realizar varias tareas habituales en las plantas químicas.

• Dimensionamiento de tanques de almacenamiento. El etileno líquido se expande al calentarse. Los tanques deben tener suficiente espacio libre para gestionar esa expansión de forma segura.
• Diseño de tuberías y bombas. Tanto la pérdida de presión como los cálculos de aspiración de las bombas dependen de la densidad del líquido que circula por la tubería.
• Balance de masa. Los caudalímetros suelen medir volumen, no masa. Convertir volumen en masa requiere un valor preciso de la densidad.
• Transferencia de custodia. Cuando el etileno cambia de propietario entre un proveedor y un comprador, las mediciones de volumen se convierten en masa mediante la densidad, lo que afecta directamente al importe facturado.

Limitaciones

Esta correlación es una estimación, con una precisión aproximada de 2 % dentro de su intervalo válido, basada en el ajuste DIPPR subyacente a datos experimentales. No sustituye a una ecuación de estado completa cerca del punto crítico, para mezclas de etileno con otros gases ni para cálculos esenciales para la seguridad que requieran datos de referencia certificados, como la base de datos NIST REFPROP.

Preguntas frecuentes

¿En qué unidad se mide la densidad del etileno líquido? La calculadora expresa la densidad en kilogramos por metro cúbico (kg/m³), la unidad estándar del SI para la densidad en ingeniería química.

¿Qué unidades de temperatura y presión utiliza la calculadora? Temperatura en kelvin (K) y presión en bar. Para convertir de Celsius, sume 273,15. Para convertir de psi a bar, multiplique por 0,06895.

¿Qué es la ecuación DIPPR 105? La ecuación DIPPR 105 es una forma matemática estándar utilizada para ajustar datos experimentales de densidad del líquido saturado en función de la temperatura. DIPPR son las siglas de Design Institute for Physical Properties, un consorcio de investigación que recopila y valida datos de propiedades de sustancias químicas industriales.

¿Por qué la presión apenas cambia la densidad? Los líquidos resisten la compresión mucho más que los gases. La corrección de presión de esta calculadora, basada en una compresibilidad isotérmica de 0,00125 por MPa, modifica la densidad solo en unos pocos kg/m³ incluso en todo el intervalo de 1–100 bar.

¿Se puede utilizar esta calculadora para el etileno gaseoso? No. Solo modela la fase líquida. El etileno en fase gaseosa requiere un conjunto diferente de ecuaciones, como un modelo del factor de compresibilidad o una ecuación de estado.

¿Qué precisión tiene esta calculadora cerca de la temperatura crítica? La precisión disminuye a medida que la temperatura se aproxima a 282,34 K, la temperatura crítica utilizada en la correlación. Cerca de ese punto, pequeños cambios de temperatura provocan variaciones grandes y difíciles de predecir en la densidad, y la correlación no está diseñada para esa región.

Referencias

1. Design Institute for Physical Properties (DIPPR), patrocinado por el American Institute of Chemical Engineers (AIChE). Base de datos del proyecto DIPPR 801.
2. National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook, base de datos de referencia estándar número 69.
3. Poling, B.E., Prausnitz, J.M. y O'Connell, J.P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (5.ª ed.). McGraw-Hill.