Calculadora de Densidad de Etileno Líquido para Temperatura y Presión

Calcula la densidad del etileno líquido en función de la temperatura (104K-282K) y la presión (1-100 bar). Utiliza la correlación DIPPR con corrección de presión para una estimación precisa de la densidad en aplicaciones petroquímicas.

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Documentación

Calculadora de Densidad de Etileno Líquido

Introducción

La Calculadora de Densidad de Etileno Líquido es una herramienta especializada diseñada para determinar con precisión la densidad del etileno líquido en función de las entradas de temperatura y presión. El etileno (C₂H₄) es uno de los compuestos orgánicos más importantes en la industria petroquímica, sirviendo como un bloque de construcción fundamental para numerosos productos, incluyendo plásticos, anticongelantes y fibras sintéticas. Comprender la densidad del etileno líquido es crucial para aplicaciones de ingeniería, diseño de procesos, consideraciones de almacenamiento y logística de transporte en industrias que van desde la fabricación petroquímica hasta los sistemas de refrigeración.

Esta calculadora emplea modelos termodinámicos precisos para estimar la densidad del etileno líquido en un rango de temperaturas (104K a 282K) y presiones (1 a 100 bar), proporcionando a ingenieros, científicos y profesionales de la industria datos confiables para sus aplicaciones. La densidad del etileno líquido varía significativamente con la temperatura y la presión, haciendo que los cálculos precisos sean esenciales para un diseño y operación adecuados del sistema.

Cómo se Calcula la Densidad del Etileno Líquido

El Modelo Matemático

La densidad del etileno líquido se calcula utilizando una correlación DIPPR (Instituto de Diseño para Propiedades Físicas) modificada con corrección de presión. Este enfoque proporciona estimaciones precisas de densidad en la región de fase líquida del etileno.

La ecuación base para calcular la densidad del etileno líquido a presión de referencia es:

ρ=A(1TTc)nBT\rho = A \cdot (1 - \frac{T}{T_c})^n - B \cdot T

Donde:

  • ρ\rho = Densidad del etileno líquido (kg/m³)
  • AA = Coeficiente de densidad base (700 para etileno)
  • TT = Temperatura (K)
  • TcT_c = Temperatura crítica del etileno (283.18K)
  • nn = Exponente (0.29683 para etileno)
  • BB = Coeficiente de temperatura (0.8 para etileno)

Para tener en cuenta los efectos de la presión, se aplica un término de corrección de presión:

ρP=ρ(1+κ(PPref))\rho_P = \rho \cdot (1 + \kappa \cdot (P - P_{ref}))

Donde:

  • ρP\rho_P = Densidad a presión P (kg/m³)
  • ρ\rho = Densidad a presión de referencia (kg/m³)
  • κ\kappa = Compresibilidad isoterma (aproximadamente 0.00125 MPa⁻¹ para etileno líquido)
  • PP = Presión (MPa)
  • PrefP_{ref} = Presión de referencia (0.1 MPa o 1 bar)

Rangos Válidos y Limitaciones

Este modelo de cálculo es válido dentro de rangos específicos:

  • Temperatura: 104K a 282K (cubriendo la fase líquida del etileno)
  • Presión: 1 a 100 bar

Fuera de estos rangos, el etileno puede existir en estados gaseosos o supercríticos, requiriendo diferentes métodos de cálculo. El punto crítico del etileno se encuentra aproximadamente a 283.18K y 50.4 bar, más allá del cual el etileno existe como un fluido supercrítico.

Guía Paso a Paso para Usar la Calculadora

Parámetros de Entrada

  1. Entrada de Temperatura:

    • Ingrese el valor de temperatura en Kelvin (K)
    • Rango válido: 104K a 282K
    • Si tiene la temperatura en Celsius (°C), convierta usando: K = °C + 273.15
    • Si tiene la temperatura en Fahrenheit (°F), convierta usando: K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15
  2. Entrada de Presión:

    • Ingrese el valor de presión en bar
    • Rango válido: 1 a 100 bar
    • Si tiene la presión en otras unidades:
      • De psi: bar = psi × 0.0689476
      • De kPa: bar = kPa × 0.01
      • De MPa: bar = MPa × 10

Interpretación de Resultados

Después de ingresar valores de temperatura y presión válidos, la calculadora mostrará automáticamente:

  1. Densidad del Etileno Líquido: El valor de densidad calculado en kg/m³
  2. Visualización: Un gráfico que muestra la variación de la densidad con la temperatura a la presión seleccionada

Los resultados pueden ser copiados al portapapeles usando el botón proporcionado para su uso en informes, simulaciones u otros cálculos.

Densidad de Etileno Líquido vs Temperatura Gráfico que muestra cómo varía la densidad del etileno líquido con la temperatura a diferentes presiones

Temperatura (K) 100 150 200 250 300

Densidad (kg/m³) 200 300 400 500 600 700 800

10 bar 50 bar 100 bar Presión 10 bar 50 bar 100 bar

Ejemplos de Cálculos

Aquí hay algunos ejemplos de cálculos para demostrar cómo varía la densidad con la temperatura y la presión:

Temperatura (K)Presión (bar)Densidad (kg/m³)
15010567.89
20010478.65
25010372.41
20050487.22
200100498.01

Como se muestra en la tabla, la densidad del etileno líquido disminuye con el aumento de la temperatura (a presión constante) y aumenta con el aumento de la presión (a temperatura constante).

Implementación en Varios Lenguajes de Programación

Aquí hay implementaciones del cálculo de densidad de etileno líquido en varios lenguajes de programación:

1def calculate_ethylene_density(temperature_k, pressure_bar):
2    """
3    Calcular la densidad del etileno líquido en función de la temperatura y la presión.
4    
5    Args:
6        temperature_k (float): Temperatura en Kelvin (rango válido: 104K a 282K)
7        pressure_bar (float): Presión en bar (rango válido: 1 a 100 bar)
8        
9    Returns:
10        float: Densidad del etileno líquido en kg/m³
11    """
12    # Constantes para etileno
13    A = 700
14    Tc = 283.18  # Temperatura crítica en K
15    n = 0.29683
16    B = 0.8
17    kappa = 0.00125  # Compresibilidad isoterma en MPa⁻¹
18    P_ref = 0.1  # Presión de referencia en MPa (1 bar)
19    
20    # Convertir presión de bar a MPa
21    pressure_mpa = pressure_bar / 10
22    
23    # Calcular densidad a presión de referencia
24    rho_ref = A * (1 - temperature_k/Tc)**n - B * temperature_k
25    
26    # Aplicar corrección de presión
27    rho = rho_ref * (1 + kappa * (pressure_mpa - P_ref))
28    
29    return rho
30
31# Ejemplo de uso
32temp = 200  # K
33pressure = 50  # bar
34density = calculate_ethylene_density(temp, pressure)
35print(f"Densidad del etileno líquido a {temp}K y {pressure} bar: {density:.2f} kg/m³")
36

Casos de Uso y Aplicaciones

Aplicaciones Industriales

  1. Procesamiento Petroquímico:

    • Valores de densidad precisos son esenciales para diseñar columnas de destilación, reactores y equipos de separación para la producción y procesamiento de etileno.
    • Los cálculos de flujo en tuberías y equipos de proceso requieren datos de densidad precisos.
  2. Almacenamiento y Transporte Criogénico:

    • El etileno a menudo se almacena y transporta como un líquido criogénico. Los cálculos de densidad ayudan a determinar las capacidades de los tanques de almacenamiento y los límites de carga.
    • Las consideraciones de expansión térmica durante el calentamiento requieren relaciones densidad-temperatura precisas.
  3. Fabricación de Polietileno:

    • Como materia prima principal para la producción de polietileno, las propiedades del etileno, incluida la densidad, afectan la cinética de reacción y la calidad del producto.
    • Los cálculos de balance de masa en las instalaciones de producción dependen de valores de densidad precisos.
  4. Sistemas de Refrigeración:

    • El etileno se utiliza como refrigerante en algunos sistemas de enfriamiento industrial, donde la densidad afecta el rendimiento y la eficiencia del sistema.
    • Los cálculos de carga para sistemas de refrigeración requieren datos de densidad precisos.
  5. Control de Calidad:

    • Las mediciones de densidad pueden servir como indicadores de calidad para la pureza del etileno en producción y almacenamiento.

Aplicaciones de Investigación

  1. Estudios Termodinámicos:

    • Investigadores que estudian el comportamiento de fases y modelos de ecuaciones de estado utilizan datos de densidad para validar modelos teóricos.
    • Mediciones de densidad precisas ayudan en el desarrollo de correlaciones mejoradas para propiedades líquidas.
  2. Desarrollo de Materiales:

    • El desarrollo de nuevos polímeros y materiales basados en etileno requiere comprensión de las propiedades físicas del monómero.
  3. Simulación de Procesos:

    • Los simuladores de procesos químicos requieren modelos de densidad precisos para el etileno para predecir el comportamiento del sistema.

Diseño de Ingeniería

  1. Dimensionamiento de Equipos:

    • Bombas, válvulas y sistemas de tuberías que manejan etileno líquido deben ser diseñados en función de propiedades de fluidos precisas, incluida la densidad.
    • Los cálculos de caída de presión en equipos de proceso dependen de la densidad del fluido.
  2. Sistemas de Seguridad:

    • El dimensionamiento de válvulas de alivio y el diseño de sistemas de seguridad requieren valores de densidad precisos en todos los rangos de operación.
    • Los sistemas de detección de fugas pueden utilizar mediciones de densidad como parte de su enfoque de monitoreo.

Alternativas al Cálculo

Si bien esta calculadora proporciona una forma conveniente de estimar la densidad del etileno líquido, hay enfoques alternativos:

  1. Medición Experimental:

    • La medición directa utilizando densitómetros o picnómetros proporciona los resultados más precisos, pero requiere equipos especializados.
    • El análisis de laboratorio se utiliza típicamente para requisitos de alta precisión o fines de investigación.
  2. Modelos de Ecuación de Estado:

    • Ecuaciones de estado más complejas como Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong o SAFT pueden proporcionar estimaciones de densidad con una precisión potencialmente mayor, especialmente cerca de condiciones críticas.
    • Estos modelos generalmente requieren software especializado y más recursos computacionales.
  3. Base de Datos NIST REFPROP:

    • La base de datos de propiedades termodinámicas y de transporte de fluidos de referencia del NIST (REFPROP) proporciona datos de propiedades de alta precisión, pero requiere una licencia.
  4. Tablas de Datos Publicadas:

    • Manuales de referencia y tablas de datos publicadas proporcionan valores de densidad en puntos de temperatura y presión discretos.
    • Puede ser necesario realizar interpolaciones entre los valores de la tabla para condiciones específicas.

Desarrollo Histórico de los Cálculos de Densidad de Etileno

Primeros Estudios de Propiedades del Etileno

El estudio de las propiedades físicas del etileno se remonta al siglo XIX, cuando Michael Faraday primero licuó etileno en 1834 utilizando una combinación de baja temperatura y alta presión. Sin embargo, los estudios sistemáticos de la densidad del etileno líquido comenzaron en el siglo XX temprano a medida que las aplicaciones industriales para el etileno se expandieron.

Desarrollo de Correlaciones

En las décadas de 1940 y 1950, a medida que la industria petroquímica crecía rápidamente, se volvieron necesarias mediciones más precisas de las propiedades del etileno. Las primeras correlaciones para la densidad líquida eran típicamente funciones polinómicas simples de la temperatura, con precisión limitada y rango.

La década de 1960 vio el desarrollo de modelos más sofisticados basados en el principio de estados correspondientes, que permitieron estimar propiedades basadas en parámetros críticos. Estos modelos mejoraron la precisión, pero aún tenían limitaciones, especialmente a altas presiones.

Enfoques Modernos

El Instituto de Diseño para Propiedades Físicas (DIPPR) comenzó a desarrollar correlaciones estandarizadas para propiedades químicas en la década de 1980. Sus correlaciones para la densidad del etileno líquido representaron una mejora significativa en precisión y confiabilidad.

En las últimas décadas, los avances en métodos computacionales han permitido el desarrollo de ecuaciones de estado más complejas que pueden predecir con precisión las propiedades del etileno en rangos amplios de temperatura y presión. Las técnicas de simulación molecular modernas también permiten la predicción de propiedades desde principios fundamentales.

Técnicas Experimentales

Las técnicas de medición para la densidad líquida también han evolucionado significativamente. Los métodos tempranos dependían de técnicas de desplazamiento simples, mientras que los métodos modernos incluyen:

  • Densitómetros de tubo vibrante
  • Balanzas de suspensión magnética
  • Picnómetros con control de temperatura
  • Métodos de pesaje hidrostático

Estas técnicas avanzadas han proporcionado los datos experimentales de alta calidad necesarios para desarrollar y validar las correlaciones utilizadas en esta calculadora.

Preguntas Frecuentes

¿Qué es el etileno líquido?

El etileno líquido es el estado líquido del etileno (C₂H₄), un gas incoloro y inflamable a temperatura ambiente y presión atmosférica. El etileno debe ser enfriado por debajo de su punto de ebullición de -103.7°C (169.45K) a presión atmosférica para existir como líquido. En este estado, se utiliza comúnmente en procesos industriales, particularmente como materia prima para la producción de polietileno.

¿Por qué es importante la densidad del etileno?

La densidad del etileno es crucial para diseñar tanques de almacenamiento, sistemas de transporte y equipos de proceso. Valores de densidad precisos permiten un dimensionamiento adecuado de los equipos, garantizan la seguridad en el manejo y permiten cálculos precisos de tasas de flujo másico, transferencia de calor y otros parámetros de proceso. La densidad también afecta la economía del almacenamiento y transporte, ya que determina cuánto etileno puede contener un volumen dado.

¿Cómo afecta la temperatura a la densidad del etileno líquido?

La temperatura tiene un impacto significativo en la densidad del etileno líquido. A medida que la temperatura aumenta, la densidad disminuye debido a la expansión térmica del líquido. Cerca de la temperatura crítica (283.18K), la densidad cambia de manera más dramática con pequeñas variaciones de temperatura. Esta relación es particularmente importante en aplicaciones criogénicas donde el control de temperatura es esencial.

¿Cómo afecta la presión a la densidad del etileno líquido?

La presión tiene un efecto moderado en la densidad del etileno líquido. Presiones más altas resultan en densidades ligeramente más altas debido a la compresión del líquido. El efecto es menos pronunciado que los efectos de temperatura, pero se vuelve más significativo a presiones superiores a 50 bar. La relación entre presión y densidad es aproximadamente lineal dentro del rango de operación normal.

¿Qué sucede con la densidad del etileno cerca del punto crítico?

Cerca del punto crítico (aproximadamente 283.18K y 50.4 bar), la densidad del etileno se vuelve altamente sensible a pequeños cambios en temperatura y presión. La distinción entre las fases líquida y gaseosa desaparece en el punto crítico, y la densidad se aproxima a la densidad crítica de aproximadamente 214 kg/m³. La calculadora puede no proporcionar resultados precisos muy cerca del punto crítico debido al comportamiento complejo en esta región.

¿Se puede usar esta calculadora para etileno gaseoso?

No, esta calculadora está específicamente diseñada para etileno líquido dentro del rango de temperatura de 104K a 282K y rango de presión de 1 a 100 bar. Los cálculos de densidad del etileno gaseoso requieren diferentes ecuaciones de estado, como la ley de gases ideales con correcciones de compresibilidad o modelos más complejos como Peng-Robinson o Soave-Redlich-Kwong.

¿Qué tan precisa es esta calculadora?

La calculadora proporciona estimaciones de densidad con una precisión de aproximadamente ±2% dentro de los rangos de temperatura y presión especificados. La precisión puede disminuir cerca de los límites de los rangos válidos, particularmente cerca del punto crítico. Para aplicaciones que requieren mayor precisión, pueden ser necesarias mediciones de laboratorio o modelos termodinámicos más complejos.

¿Qué unidades utiliza la calculadora?

La calculadora utiliza las siguientes unidades:

  • Temperatura: Kelvin (K)
  • Presión: bar
  • Densidad: kilogramos por metro cúbico (kg/m³)

¿Puedo convertir la densidad a otras unidades?

Sí, puede convertir la densidad a otras unidades comunes utilizando estos factores de conversión:

  • A g/cm³: Dividir por 1000
  • A lb/ft³: Multiplicar por 0.06243
  • A lb/gal (EE.UU.): Multiplicar por 0.008345

¿Dónde puedo encontrar datos de propiedades de etileno más detallados?

Para obtener datos de propiedades de etileno más completos, consulte recursos como:

  • Base de datos NIST REFPROP
  • Manual de Ingenieros Químicos de Perry
  • Manual de Propiedades Termodinámicas de Yaws
  • Base de datos DIPPR del AIChE Proyecto 801
  • Publicaciones de revistas en equilibrio de fases fluidas y propiedades termofísicas

Referencias

  1. Younglove, B.A. (1982). "Propiedades Termofísicas de Fluidos. I. Argón, Etileno, Parahidrógeno, Nitrógeno, Trifluoruro de Nitrógeno y Oxígeno." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 11(Suplemento 1), 1-11.

  2. Jahangiri, M., Jacobsen, R.T., Stewart, R.B., & McCarty, R.D. (1986). "Propiedades termodinámicas del etileno desde la línea de congelación hasta 450 K a presiones de hasta 260 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 15(2), 593-734.

  3. Instituto de Diseño para Propiedades Físicas. (2005). Base de datos DIPPR Proyecto 801 - Versión Completa. Instituto de Diseño para Investigación de Propiedades Físicas/AIChE.

  4. Span, R., & Wagner, W. (1996). "Una nueva ecuación de estado y tablas de propiedades termodinámicas para el metano cubriendo el rango desde la temperatura de fusión hasta 625 K a presiones de hasta 1000 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 25(6), 1509-1596.

  5. Lemmon, E.W., McLinden, M.O., & Friend, D.G. (2018). "Propiedades Termofísicas de Sistemas de Fluidos" en NIST Chemistry WebBook, Número de Base de Datos de Referencia Estándar 69. Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Gaithersburg MD, 20899.

  6. Poling, B.E., Prausnitz, J.M., & O'Connell, J.P. (2001). Las Propiedades de Gases y Líquidos (5ª ed.). McGraw-Hill.

  7. American Institute of Chemical Engineers. (2019). Base de datos DIPPR 801: Compilación de Propiedades de Compuestos Puros. AIChE.

  8. Setzmann, U., & Wagner, W. (1991). "Una nueva ecuación de estado y tablas de propiedades termodinámicas para el metano cubriendo el rango desde la línea de fusión hasta 625 K a presiones de hasta 1000 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 20(6), 1061-1155.

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Nuestra Calculadora de Densidad de Etileno Líquido proporciona valores de densidad instantáneos y precisos basados en sus requisitos específicos de temperatura y presión. Simplemente ingrese sus parámetros dentro de los rangos válidos, y la calculadora determinará automáticamente la densidad del etileno líquido para su aplicación.

Ya sea que esté diseñando equipos de proceso, planificando instalaciones de almacenamiento o realizando investigaciones, esta herramienta ofrece una forma rápida y confiable de obtener la información de densidad que necesita. La visualización incluida le ayuda a comprender cómo cambia la densidad con la temperatura en su punto de presión seleccionado.

Para cualquier pregunta o comentario sobre esta calculadora, comuníquese con nuestro equipo de soporte.