Calculadora de Vaporización y Entropía de GLP

¿Cómo Calculamos la Vaporización de tu Mezcla GLP?

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Nuestra calculadora utiliza principios termodinámicos avanzados para predecir si tu mezcla de propano y butano sufrirá vaporización instantánea al pasar por una restricción. Aquí te explicamos el proceso en lenguaje sencillo:

1. Determinamos las presiones de vapor puras

Para cada componente (propano y butano), calculamos cuánta presión ejerce su vapor a la temperatura que nos indicas. Usamos ecuaciones científicas probadas (Ecuación de Antoine) que relacionan matemáticamente la temperatura con la presión de vapor.

2. Calculamos la presión de vapor de tu mezcla

Dependiendo del modelo que elijas:

• Modelo Ideal (Raoult): Simplemente promediamos las presiones según el porcentaje de cada gas

• Modelo Real (Margules): Ajustamos el cálculo considerando cómo interactúan las moléculas diferentes entre sí

3. Comparamos con tu presión aguas abajo

El momento de la verdad: si la presión después de la restricción (P₂) es menor que la presión de vapor que calculamos, ¡habrá vaporización! Esto se debe a que el líquido no puede mantenerse estable a esa presión.

4. Te mostramos qué porcentaje se vaporiza

No solo decimos "sí" o "no", sino que calculamos exactamente qué parte de tu mezcla cambiará a vapor y qué parte permanecerá líquida, representándolo en un gráfico fácil de entender.

5. Calculamos la energía involucrada
Determinamos la entropía de vaporización, que te indica cuánta energía se requiere para este cambio de fase, información valiosa para diseñar sistemas eficientes.

 

Limitaciones del Modelo

1. Rango de Validez

-Temperatura: -50°C a 100°C (fuera de este rango, los resultados pueden perder precisión).
-Presión: Hasta 20 bar (no aplicable para condiciones criogénicas o ultra-altas presiones).
-Composición: Solo válido para mezclas binarias de propano/butano. No considera:

• Impurezas (metano, etano, pentano).

• Aditivos (odorizantes, inhibidores de corrosión).

2. Suposiciones en los Cálculos

• Ley de Raoult: Asume comportamiento ideal (sin interacciones moleculares).

• Modelo Margules: Considera interacciones, pero con coeficientes fijos (A₁₂ = 0.143, A₂₁ = 0.128).

• Ecuación de Antoine: Precisión reducida cerca del punto crítico (T > Tc).

3. Factores No Considerados

-Efectos cinéticos: No evalúa velocidad de expansión o tiempo de residencia.
-Pérdidas de calor: Asume proceso adiabático (sin intercambio térmico con el entorno).
-Geometría de la restricción: No tiene en cuenta el tipo de placa/válvula (orificio, globo, etc.).

Incertidumbre en los Resultados​

Presión de vapor (Pv)±2-5%Ecuación de Antoine (ajuste experimental)

Composición±1%Redondeo en % de propano/butano

Temperatura±0.5°CPrecisión del termopar (si se usa medición real)

Modelo Margules±3-8%Coeficientes de interacción aproximados

*Valores referenciales para condiciones estándar (25°C, mezcla 70/30).

Recomendaciones para Uso Profesional

✔ Validar con software especializado en diseños críticos.
✔ Considerar un factor de seguridad del 10-15% en aplicaciones industriales.
✔ No usar para:

• Diseño de recipientes a presión (normas ASME/API requieren métodos más rigurosos).

• Mezclas con >5% de otros hidrocarburos.

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Interpretación:

• Si P₂ está dentro del rango de incertidumbre de Pv, se recomienda análisis adicional.​

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Ecuaciones que usa la calculadora

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1. Presión de vapor de cada componente (ecuación de Antoine, P en mmHg y T en °C): log₁₀ P = A − B / (T + C). El resultado se divide entre 750.062 para pasarlo a bar absolutos.

Propano: A = 6.80398, B = 803.997, C = 246.78 · Butano: A = 6.80776, B = 935.773, C = 238.789.

2. Mezcla ideal (ley de Raoult): Pv = x₁·Pv,propano + x₂·Pv,butano, donde x₁ y x₂ son las fracciones de propano y butano.

3. Mezcla real (Margules): ln γ₁ = x₂²·[A₁₂ + 2·(A₂₁ − A₁₂)·x₁] y ln γ₂ = x₁²·[A₂₁ + 2·(A₁₂ − A₂₁)·x₂], con A₁₂ = 0.143 y A₂₁ = 0.128; entonces Pv = x₁·γ₁·Pv,propano + x₂·γ₂·Pv,butano.

4. Criterio: hay vaporización instantánea si la presión aguas abajo P₂ (absoluta) es menor que la Pv de la mezcla.

5. Entropía de vaporización: ΔS = ΔHvap / T, con T en kelvin y ΔHvap = x₁·425.5 + x₂·385.6 kJ/kg (con Margules se multiplica por x₁·γ₁ + x₂·γ₂).

6. Fracción vaporizada (flash adiabático): se busca la temperatura T₂ a la que la Pv de la mezcla es igual a P₂ y se aplica x = 1 − exp(−cp·(T₁ − T₂) / ΔHvap), con cp del líquido = x₁·2.52 + x₂·2.39 kJ/(kg·K). Supone composición constante durante la expansión.

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Ejemplo resuelto: GLP 70/30 a 25 °C

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Datos: 70 % propano, 30 % butano, T = 25 °C y presión aguas abajo P₂ = 6 bar absolutos.

1. Propano: log₁₀ P = 6.80398 − 803.997 / (25 + 246.78) = 3.84572 → P = 7 010 mmHg = 9.346 bar.

2. Butano: log₁₀ P = 6.80776 − 935.773 / (25 + 238.789) = 3.26033 → P = 1 821 mmHg = 2.428 bar.

3. Raoult: Pv = 0.70 × 9.346 + 0.30 × 2.428 = 7.270 bar. Con Margules: γ₁ = 1.0110, γ₂ = 1.0694 y Pv = 7.393 bar.

4. Como P₂ = 6 bar es menor que 7.27 bar, el GLP se vaporiza al pasar la restricción. Con P₂ = 8 bar seguiría líquido.

5. Entropía: ΔHvap = 0.70 × 425.5 + 0.30 × 385.6 = 413.53 kJ/kg; ΔS = 413.53 / 298.15 = 1.3870 kJ/(kg·K) (1.4266 con Margules).

6. Fracción vaporizada: la Pv de la mezcla baja a 6 bar a T₂ = 17.7 °C; cp = 0.70 × 2.52 + 0.30 × 2.39 = 2.481 kJ/(kg·K); x = 1 − exp(−2.481 × (25 − 17.7) / 413.53) = 4.3 %. El 95.7 % sigue líquido (con Margules: T₂ = 17.1 °C y 4.5 % de vapor).

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Presión de vapor del GLP según temperatura y mezcla (Raoult, bar absolutos)

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−20 °C: propano 2.42 · 70/30 1.83 · 50/50 1.44 · 30/70 1.04 · butano 0.45

−10 °C: propano 3.41 · 70/30 2.60 · 50/50 2.06 · 30/70 1.51 · butano 0.70

0 °C: propano 4.69 · 70/30 3.59 · 50/50 2.86 · 30/70 2.13 · butano 1.03

10 °C: propano 6.28 · 70/30 4.84 · 50/50 3.88 · 30/70 2.92 · butano 1.48

20 °C: propano 8.23 · 70/30 6.38 · 50/50 5.15 · 30/70 3.92 · butano 2.07

30 °C: propano 10.57 · 70/30 8.25 · 50/50 6.70 · 30/70 5.15 · butano 2.83

40 °C: propano 13.35 · 70/30 10.47 · 50/50 8.56 · 30/70 6.64 · butano 3.77

Para pasar a presión manométrica resta la presión atmosférica (unos 1.013 bar a nivel del mar).

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Preguntas frecuentes

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¿P₂ debe ser absoluta o manométrica? Absoluta, porque la presión de vapor de Antoine es absoluta. Si tu manómetro marca 5 bar, a nivel del mar son unos 6.01 bar absolutos.

¿Por qué el butano se vaporiza menos que el propano? Su presión de vapor es unas cuatro veces menor (2.43 contra 9.35 bar a 25 °C). Por eso las mezclas ricas en butano siguen líquidas a menor presión, pero vaporizan mal en clima frío: a −10 °C el butano puro tiene solo 0.70 bar, menos que la presión atmosférica.

¿Cuándo usar Raoult y cuándo Margules? Raoult supone una mezcla ideal y suele bastar para propano y butano, que son moléculas parecidas. Margules corrige con coeficientes de actividad y da presiones un poco mayores (7.39 contra 7.27 bar en el ejemplo).

¿Qué significa que P₂ sea menor que Pv? Que el líquido queda por debajo de su presión de burbuja y una parte hierve de golpe (flash). En placas de orificio y válvulas esto provoca errores en la medición de flujo, ruido y desgaste.

¿Para qué sirve la entropía de vaporización? Indica cuánta energía por kilogramo y por kelvin absorbe el cambio de fase; ayuda a estimar el enfriamiento que produce la vaporización.

¿Cómo calcula el porcentaje que se vaporiza? Al bajar la presión, el líquido hierve y se enfría hasta la temperatura T₂ en la que su presión de vapor es igual a P₂. El calor que pierde al enfriarse es el que evapora una parte. Por ejemplo, butano puro a 25 °C descargado a la atmósfera se enfría a unos −0.5 °C y se vaporiza cerca del 15 %.

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Nota Final

Esta herramienta es útil para estimaciones preliminares, pero decisiones técnicas deben basarse en normativas internacionales (API, ISO) y mediciones experimentales.