La determinación de la densidad de hidrocarburos es un aspecto fundamental en la industria petrolera, esencial para el control de calidad, diseño de procesos y cálculos de ingeniería. Esta propiedad física varía significativamente con la temperatura y la presión, y su medición precisa requiere el uso de métodos experimentales y ecuaciones específicas para líquidos, gases y sus mezclas.
Métodos Experimentales para la Densidad de Líquidos
Existen varios métodos confiables para determinar la densidad de hidrocarburos en estado líquido. Cada uno se selecciona según el tipo de producto y las condiciones de la muestra. Comprender estos métodos es crucial para obtener datos precisos.
Los métodos experimentales más conocidos para la determinación de la densidad de líquidos incluyen:
- Método con el picnómetro: Ideal para casi todos los productos del petróleo.
- Método con el densímetro o hidrómetro: Utilizado para productos líquidos, excluyendo el éter de petróleo.
- Método con la balanza Mohr-Westphal: Adecuado para líquidos, con la misma excepción del éter de petróleo.
Efecto de la Presión y Temperatura en la Densidad de Líquidos
El comportamiento de la densidad de los líquidos se ve afectado por las condiciones de operación. Es importante notar que el efecto de la temperatura sobre la densidad es considerablemente mayor que el efecto de la presión.
Para líquidos a altas presiones, el método más conocido para la determinación de la densidad es el que utiliza el factor de expansibilidad (e). Este factor es adimensional y se obtiene de la Gráfica 12 a partir de la presión reducida (P_r) y la temperatura reducida (T_r).
Las presiones y temperaturas reducidas se calculan mediante las siguientes relaciones:
- P_r = P / P_c
- T_r = T / T_c
Donde P es la presión en atmósferas (1 atm = 1.035 kgf/cm^2) y T la temperatura en Kelvin. Los valores de presión crítica (P_c) y temperatura crítica (T_c) se obtienen de la Gráfica 7, utilizando la masa molecular (M) y la densidad a 15/15 °C (d_15/15).
En condiciones específicas, cuando la temperatura reducida (T_r) es menor o igual a 0.65 y la presión (P) es inferior a 10 atm, el factor de expansibilidad (e) puede determinarse con la siguiente ecuación:
e = 0.0838 - 0.1745 * T_r
Otro procedimiento mencionado para líquidos es el de la ecuación de Rackett, aunque no se detallan sus especificaciones en los materiales.
Ejemplo práctico de densidad de líquido:
Se tiene un producto destilado con una densidad a 20/4 °C de 0.845 y una MeABP = 290 °C. Se desea determinar su densidad a una temperatura de 380 °C y una presión de 50 atm.
Densidad de Hidrocarburos Gaseosos
La densidad de gases y vapores presenta particularidades diferentes a las de los líquidos, influenciada por la compresibilidad y las condiciones de referencia.
La densidad absoluta de los gases y vapores representa su masa volumétrica considerada a 0 °C y 760 mmHg. Se calcula usando:
- Para gases ideales: d = P * M / (R * T)
- Para gases reales: d = P * M / (z * R * T)
La densidad relativa de los hidrocarburos gaseosos se refiere a la densidad del aire a 0 °C y 760 mmHg. El valor de la densidad del aire es 1.293. Por lo tanto:
d_rel = d_i / d_aire
Donde d_aire = 1.293.
Efecto de la Temperatura y Presión en la Densidad de Gases
El efecto de la temperatura y presión en la densidad de los gases se establece a partir de la ecuación de gases reales:
d = (P * M_m) / (z * R * T)
- Si la presión se incrementa, la densidad de la mezcla aumenta.
- Si la temperatura se incrementa, la densidad de la mezcla disminuye.
Métodos Experimentales para la Determinación de la Densidad de Gases
La determinación de la densidad de gases derivados del petróleo se puede realizar mediante los siguientes métodos:
- Método de Bunsen-Shilling
- Método de Dumas con el picnómetro de Chancel
Densidad de Mezclas de Hidrocarburos
La determinación de la densidad de mezclas de hidrocarburos requiere considerar si la composición es conocida o desconocida.
Determinación de Densidad de Mezclas de Composición Conocida
Cuando la composición de la mezcla es conocida, la densidad se puede obtener de dos maneras:
- Mediante la ecuación de las fracciones másicas: 1/d_m = Σ (w_i / d_i)
- A través de la ecuación de los gases reales para mezclas: d_m = (P * M_m) / (z_m * R * T)
El factor de compresibilidad (z_m) para la mezcla se obtiene de la Gráfica 13 a partir de la presión reducida (P_r) y la temperatura reducida (T_r) de la mezcla.
Determinación de Densidad de Mezclas de Composición Desconocida
Para mezclas de composición desconocida, la densidad se obtiene también mediante la ecuación de los gases reales para mezclas:
d_m = (P * M_m) / (z_m * R * T)
Donde el factor de compresibilidad de la mezcla (z_m) se calcula como:
z_m = z_0 + ω * z_1
Los valores parciales de z_0 y z_1 se obtienen de las Gráficas 15 y 16, respectivamente, a partir de la presión crítica (P_c) y la temperatura crítica (T_c) de la mezcla. El factor acéntrico (ω) se obtiene de la Gráfica 17, utilizando la temperatura crítica (T_c), la temperatura media molar de ebullición (MABP) y la presión crítica (P_c).
Ejemplo práctico de densidad de mezcla gaseosa:
Se tiene una mezcla de hidrocarburos en fase gas con una densidad a 15/15 °C de 0.735 y una curva de destilación ASTM dada. Se desea trabajar con esta fracción a 300 °C y 25 atm.
Datos de destilación ASTM:
- % vol 10: T °C 50
- % vol 30: T °C 87
- % vol 50: T °C 100
- % vol 70: T °C 123
- % vol 90: T °C 154
Calcular:
- Factor acéntrico
- Factor de compresibilidad
- Densidad de la mezcla
Preguntas Frecuentes (FAQ) sobre la Densidad de Hidrocarburos
¿Por qué es importante la densidad en los hidrocarburos?
La densidad es crucial para caracterizar los hidrocarburos, permitiendo cálculos de ingeniería para el diseño de equipos, transporte y almacenamiento, además de ser un indicador de calidad y composición. Afecta directamente la selección de procesos y la eficiencia operativa.
¿Cuál es la diferencia principal entre la determinación de densidad para líquidos y gases?
La principal diferencia radica en la compresibilidad. Los líquidos son casi incompresibles, por lo que la presión tiene un efecto menor en su densidad en comparación con la temperatura. Los gases, por otro lado, son altamente compresibles, y tanto la presión como la temperatura tienen un impacto significativo en su densidad, requiriendo el uso del factor de compresibilidad (z).
¿Cómo influyen la temperatura y la presión en la densidad de los hidrocarburos?
En general, para los líquidos, un aumento de temperatura disminuye la densidad, mientras que la presión tiene un efecto menor. Para los gases, un aumento de la temperatura disminuye la densidad, y un aumento de la presión incrementa la densidad, siguiendo la relación de los gases reales con el factor de compresibilidad.