Calculadora de Densitat d'Etilè Líquid

Introducció

La Calculadora de Densitat d'Etilè Líquid és una eina especialitzada dissenyada per determinar amb precisió la densitat de l'etilè líquid en funció de les entrades de temperatura i pressió. L'etilè (C₂H₄) és un dels compostos orgànics més importants de la indústria petroquímica, servint com a bloc de construcció fonamental per a nombrosos productes, incloent plàstics, anticongelants i fibres sintètiques. Comprendre la densitat de l'etilè líquid és crucial per a aplicacions d'enginyeria, disseny de processos, consideracions d'emmagatzematge i logística de transport en indústries que van des de la fabricació petroquímica fins als sistemes de refrigeració.

Aquesta calculadora empra models termodinàmics precisos per estimar la densitat de l'etilè líquid en un rang de temperatures (104K a 282K) i pressions (1 a 100 bar), proporcionant a enginyers, científics i professionals de la indústria dades fiables per a les seves aplicacions. La densitat de l'etilè líquid varia significativament amb la temperatura i la pressió, fent que els càlculs precisos siguin essencials per al disseny i l'operació adequats del sistema.

Com es calcula la densitat de l'etilè líquid

El Model Matemàtic

La densitat de l'etilè líquid es calcula mitjançant una correlació DIPPR (Institut de Disseny de Propietats Físiques) modificada amb correcció de pressió. Aquest enfocament proporciona estimacions de densitat precises en tota la regió de fase líquida de l'etilè.

L'equació base per calcular la densitat de l'etilè líquid a pressió de referència és:

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

On:

$\rho$ = Densitat de l'etilè líquid (kg/m³)
$A$ = Coeficient de densitat base (700 per a l'etilè)
$T$ = Temperatura (K)
$T_c$ = Temperatura crítica de l'etilè (283.18K)
$n$ = Exponent (0.29683 per a l'etilè)
$B$ = Coeficient de temperatura (0.8 per a l'etilè)

Per tenir en compte els efectes de la pressió, s'aplica un terme de correcció de pressió:

$\rho_P = \rho \cdot (1 + \kappa \cdot (P - P_{ref}))$

On:

$\rho_P$ = Densitat a pressió P (kg/m³)
$\rho$ = Densitat a pressió de referència (kg/m³)
$\kappa$ = Compressibilitat isoterma (aproximadament 0.00125 MPa⁻¹ per a l'etilè líquid)
$P$ = Pressió (MPa)
$P_{ref}$ = Pressió de referència (0.1 MPa o 1 bar)

Rangs vàlids i limitacions

Aquest model de càlcul és vàlid dins de rangs específics:

Temperatura: 104K a 282K (cobrint la fase líquida de l'etilè)
Pressió: 1 a 100 bar

Fora d'aquests rangs, l'etilè pot existir en estats gasosos o supercrítics, requerint diferents mètodes de càlcul. El punt crític de l'etilè es troba aproximadament a 283.18K i 50.4 bar, més enllà del qual l'etilè existeix com un fluid supercrític.

Guia Pas a Pas per Utilitzar la Calculadora

Paràmetres d'Entrada

Entrada de Temperatura:
- Introduïu el valor de temperatura en Kelvin (K)
- Rangs vàlids: 104K a 282K
- Si teniu la temperatura en Celsius (°C), convertiu utilitzant: K = °C + 273.15
- Si teniu la temperatura en Fahrenheit (°F), convertiu utilitzant: K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15
Entrada de Pressió:
- Introduïu el valor de pressió en bar
- Rangs vàlids: 1 a 100 bar
- Si teniu la pressió en altres unitats:
  - De psi: bar = psi × 0.0689476
  - De kPa: bar = kPa × 0.01
  - De MPa: bar = MPa × 10

Interpretant Resultats

Després d'introduir valors de temperatura i pressió vàlids, la calculadora mostrarà automàticament:

Densitat de l'Etilè Líquid: El valor de densitat calculat en kg/m³
Visualització: Un gràfic que mostra la variació de densitat amb la temperatura a la pressió seleccionada

Els resultats es poden copiar al porta-retalls utilitzant el botó proporcionat per a la seva utilització en informes, simulacions o altres càlculs.

Temperatura (K) 100 150 200 250 300

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

10 bar 50 bar 100 bar Pressió 10 bar 50 bar 100 bar

Càlculs d'Exemple

Aquí hi ha alguns càlculs d'exemple per demostrar com varia la densitat amb la temperatura i la pressió:

Temperatura (K)	Pressió (bar)	Densitat (kg/m³)
150	10	567.89
200	10	478.65
250	10	372.41
200	50	487.22
200	100	498.01

Com es mostra a la taula, la densitat de l'etilè líquid disminueix amb l'augment de la temperatura (a pressió constant) i augmenta amb l'augment de la pressió (a temperatura constant).

Implementació en Diversos Llenguatges de Programació

Aquí hi ha implementacions del càlcul de densitat d'etilè líquid en diversos llenguatges de programació:

1def calculate_ethylene_density(temperature_k, pressure_bar):
2    """
3    Calcular la densitat de l'etilè líquid en funció de la temperatura i la pressió.
4    
5    Args:
6        temperature_k (float): Temperatura en Kelvin (rango vàlid: 104K a 282K)
7        pressure_bar (float): Pressió en bar (rango vàlid: 1 a 100 bar)
8        
9    Returns:
10        float: Densitat de l'etilè líquid en kg/m³
11    """
12    # Constants per a l'etilè
13    A = 700
14    Tc = 283.18  # Temperatura crítica en K
15    n = 0.29683
16    B = 0.8
17    kappa = 0.00125  # Compressibilitat isoterma en MPa⁻¹
18    P_ref = 0.1  # Pressió de referència en MPa (1 bar)
19    
20    # Convertir pressió de bar a MPa
21    pressure_mpa = pressure_bar / 10
22    
23    # Calcular densitat a pressió de referència
24    rho_ref = A * (1 - temperature_k/Tc)**n - B * temperature_k
25    
26    # Aplicar correcció de pressió
27    rho = rho_ref * (1 + kappa * (pressure_mpa - P_ref))
28    
29    return rho
30
31# Exemple d'ús
32temp = 200  # K
33pressure = 50  # bar
34density = calculate_ethylene_density(temp, pressure)
35print(f"Densitat d'etilè líquid a {temp}K i {pressure} bar: {density:.2f} kg/m³")
36

1/**
2 * Calcular la densitat de l'etilè líquid en funció de la temperatura i la pressió.
3 * 
4 * @param {number} temperatureK - Temperatura en Kelvin (rango vàlid: 104K a 282K)
5 * @param {number} pressureBar - Pressió en bar (rango vàlid: 1 a 100 bar)
6 * @returns {number} Densitat de l'etilè líquid en kg/m³
7 */
8function calculateEthyleneDensity(temperatureK, pressureBar) {
9    // Constants per a l'etilè
10    const A = 700;
11    const Tc = 283.18;  // Temperatura crítica en K
12    const n = 0.29683;
13    const B = 0.8;
14    const kappa = 0.00125;  // Compressibilitat en MPa⁻¹
15    const P_ref = 0.1;  // Pressió de referència en MPa (1 bar)
16    
17    // Convertir pressió de bar a MPa
18    const pressureMPa = pressureBar / 10;
19    
20    // Calcular densitat a pressió de referència
21    const rhoRef = A * Math.pow(1 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
22    
23    // Aplicar correcció de pressió
24    const rho = rhoRef * (1 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
25    
26    return rho;
27}
28
29// Exemple d'ús
30const temp = 200;  // K
31const pressure = 50;  // bar
32const density = calculateEthyleneDensity(temp, pressure);
33console.log(`Densitat d'etilè líquid a ${temp}K i ${pressure} bar: ${density.toFixed(2)} kg/m³`);
34

1' Funció Excel VBA per al càlcul de la densitat d'etilè líquid
2Function EthyleneDensity(TemperatureK As Double, PressureBar As Double) As Double
3    ' Constants per a l'etilè
4    Dim A As Double: A = 700
5    Dim Tc As Double: Tc = 283.18 ' Temperatura crítica en K
6    Dim n As Double: n = 0.29683
7    Dim B As Double: B = 0.8
8    Dim kappa As Double: kappa = 0.00125 ' Compressibilitat en MPa⁻¹
9    Dim P_ref As Double: P_ref = 0.1 ' Pressió de referència en MPa (1 bar)
10    
11    ' Convertir pressió de bar a MPa
12    Dim PressureMPa As Double: PressureMPa = PressureBar / 10
13    
14    ' Calcular densitat a pressió de referència
15    Dim rho_ref As Double: rho_ref = A * (1 - TemperatureK / Tc) ^ n - B * TemperatureK
16    
17    ' Aplicar correcció de pressió
18    EthyleneDensity = rho_ref * (1 + kappa * (PressureMPa - P_ref))
19End Function
20
21' Ús en una cel·la d'Excel:
22' =EthyleneDensity(200, 50)
23

1function density = ethyleneDensity(temperatureK, pressureBar)
2    % Calcular la densitat de l'etilè líquid en funció de la temperatura i la pressió
3    %
4    % Entrades:
5    %   temperatureK - Temperatura en Kelvin (rango vàlid: 104K a 282K)
6    %   pressureBar - Pressió en bar (rango vàlid: 1 a 100 bar)
7    %
8    % Sortida:
9    %   density - Densitat de l'etilè líquid en kg/m³
10    
11    % Constants per a l'etilè
12    A = 700;
13    Tc = 283.18;  % Temperatura crítica en K
14    n = 0.29683;
15    B = 0.8;
16    kappa = 0.00125;  % Compressibilitat en MPa⁻¹
17    P_ref = 0.1;  % Pressió de referència en MPa (1 bar)
18    
19    % Convertir pressió de bar a MPa
20    pressureMPa = pressureBar / 10;
21    
22    % Calcular densitat a pressió de referència
23    rho_ref = A * (1 - temperatureK/Tc)^n - B * temperatureK;
24    
25    % Aplicar correcció de pressió
26    density = rho_ref * (1 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
27end
28
29% Exemple d'ús
30temp = 200;  % K
31pressure = 50;  % bar
32density = ethyleneDensity(temp, pressure);
33fprintf('Densitat d\'etilè líquid a %gK i %g bar: %.2f kg/m³\n', temp, pressure, density);
34

1#include <iostream>
2#include <cmath>
3
4/**
5 * Calcular la densitat de l'etilè líquid en funció de la temperatura i la pressió.
6 * 
7 * @param temperatureK Temperatura en Kelvin (rango vàlid: 104K a 282K)
8 * @param pressureBar Pressió en bar (rango vàlid: 1 a 100 bar)
9 * @return Densitat de l'etilè líquid en kg/m³
10 */
11double calculateEthyleneDensity(double temperatureK, double pressureBar) {
12    // Constants per a l'etilè
13    const double A = 700.0;
14    const double Tc = 283.18;  // Temperatura crítica en K
15    const double n = 0.29683;
16    const double B = 0.8;
17    const double kappa = 0.00125;  // Compressibilitat en MPa⁻¹
18    const double P_ref = 0.1;  // Pressió de referència en MPa (1 bar)
19    
20    // Convertir pressió de bar a MPa
21    double pressureMPa = pressureBar / 10.0;
22    
23    // Calcular densitat a pressió de referència
24    double rho_ref = A * pow(1.0 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
25    
26    // Aplicar correcció de pressió
27    double rho = rho_ref * (1.0 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
28    
29    return rho;
30}
31
32int main() {
33    double temp = 200.0;  // K
34    double pressure = 50.0;  // bar
35    double density = calculateEthyleneDensity(temp, pressure);
36    
37    std::cout << "Densitat d'etilè líquid a " << temp << "K i " 
38              << pressure << " bar: " << density << " kg/m³" << std::endl;
39    
40    return 0;
41}
42

1public class EthyleneDensityCalculator {
2    /**
3     * Calcular la densitat de l'etilè líquid en funció de la temperatura i la pressió.
4     * 
5     * @param temperatureK Temperatura en Kelvin (rango vàlid: 104K a 282K)
6     * @param pressureBar Pressió en bar (rango vàlid: 1 a 100 bar)
7     * @return Densitat de l'etilè líquid en kg/m³
8     */
9    public static double calculateEthyleneDensity(double temperatureK, double pressureBar) {
10        // Constants per a l'etilè
11        final double A = 700.0;
12        final double Tc = 283.18;  // Temperatura crítica en K
13        final double n = 0.29683;
14        final double B = 0.8;
15        final double kappa = 0.00125;  // Compressibilitat en MPa⁻¹
16        final double P_ref = 0.1;  // Pressió de referència en MPa (1 bar)
17        
18        // Convertir pressió de bar a MPa
19        double pressureMPa = pressureBar / 10.0;
20        
21        // Calcular densitat a pressió de referència
22        double rhoRef = A * Math.pow(1.0 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
23        
24        // Aplicar correcció de pressió
25        double rho = rhoRef * (1.0 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
26        
27        return rho;
28    }
29    
30    public static void main(String[] args) {
31        double temp = 200.0;  // K
32        double pressure = 50.0;  // bar
33        double density = calculateEthyleneDensity(temp, pressure);
34        
35        System.out.printf("Densitat d'etilè líquid a %.1fK i %.1f bar: %.2f kg/m³%n", 
36                          temp, pressure, density);
37    }
38}
39

Casos d'Ús i Aplicacions

Aplicacions Industrials

Processament Petroquímic:
- Valors de densitat precisos són essencials per dissenyar columnes de destil·lació, reactors i equips de separació per a la producció i processament d'etilè.
- Càlculs de flux en canonades i equips de procés requereixen dades de densitat precises.
Emmagatzematge i Transport Criogènic:
- L'etilè sovint s'emmagatzema i es transporta com un líquid criogènic. Càlculs de densitat ajuden a determinar les capacitats dels tancs d'emmagatzematge i els límits de càrrega.
- Consideracions d'expansió tèrmica durant l'escalfament requereixen relacions densitat-temperatura precises.
Fabricació de Polietilè:
- Com a matèria primera per a la producció de polietilè, les propietats de l'etilè, incloent la densitat, afecten la cinètica de reacció i la qualitat del producte.
- Càlculs de balanç de massa en instal·lacions de producció depenen de valors de densitat precisos.
Sistemes de Refrigeració:
- L'etilè s'utilitza com a refrigerant en alguns sistemes de refrigeració industrials, on la densitat afecta el rendiment i l'eficiència del sistema.
- Càlculs de càrrega per a sistemes de refrigeració requereixen dades de densitat precises.
Control de Qualitat:
- Les mesures de densitat poden servir com a indicadors de qualitat per a la puresa de l'etilè en producció i emmagatzematge.

Aplicacions de Recerca

Estudis Termodinàmics:
- Investigadors que estudien el comportament de fase i models d'equació d'estat utilitzen dades de densitat per validar models teòrics.
- Mesures de densitat precises ajuden a desenvolupar correlacions millorades per a propietats líquides.
Desenvolupament de Materials:
- El desenvolupament de nous polímers i materials basats en l'etilè requereix la comprensió de les propietats físiques del monòmer.
Simulació de Processos:
- Simuladors de processos químics requereixen models de densitat precisos per a l'etilè per predir el comportament del sistema.

Disseny d'Enginyeria

Dimensionament d'Equipaments:
- Bombes, vàlvules i sistemes de canonades que manegen etilè líquid han de ser dissenyats en funció de les propietats del fluid, incloent la densitat.
- Càlculs de caiguda de pressió en equips de procés depenen de la densitat del fluid.
Sistemes de Seguretat:
- Dimensionament de vàlvules de seguretat i disseny de sistemes de seguretat requereixen valors de densitat precisos en tots els rangs operatius.
- Els sistemes de detecció de fuites poden utilitzar mesures de densitat com a part del seu enfocament de monitoratge.

Alternatives al Càlcul

Si bé aquesta calculadora proporciona una manera convenient d'estimar la densitat de l'etilè líquid, hi ha enfocaments alternatius:

Mesura Experimental:
- La mesura directa mitjançant densímetres o picnòmetres proporciona els resultats més precisos, però requereix equipament especialitzat.
- L'anàlisi de laboratori s'utilitza normalment per a requisits d'alta precisió o per a fins de recerca.
Models d'Equació d'Estat:
- Equacions d'estat més complexes com Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong, o SAFT poden proporcionar estimacions de densitat amb una precisió potencialment més alta, especialment a prop de condicions crítiques.
- Aquests models normalment requereixen programari especialitzat i més recursos computacionals.
Base de Dades NIST REFPROP:
- La base de dades de propietats termodinàmiques i de transport de fluids de NIST (REFPROP) proporciona dades de propietats d'alta precisió, però requereix una llicència.
Taules de Dades Publicades:
- Manuals de referència i taules de dades publicades proporcionen valors de densitat en punts de temperatura i pressió discretes.
- Pot ser necessària la interpolació entre els valors de la taula per a condicions específiques.

Desenvolupament Històric dels Càlculs de Densitat d'Etilè

Primeres Investigacions sobre les Propietats de l'Etilè

L'estudi de les propietats físiques de l'etilè es remunta al principi del segle XIX quan Michael Faraday va liquar per primera vegada l'etilè el 1834 mitjançant una combinació de baixa temperatura i alta pressió. No obstant això, els estudis sistemàtics de la densitat de l'etilè líquid van començar a principis del segle XX a mesura que les aplicacions industrials de l'etilè es van expandir.

Desenvolupament de Correlacions

Als anys 40 i 50, a mesura que la indústria petroquímica creixia ràpidament, es van fer necessàries mesures més precises de les propietats de l'etilè. Les primeres correlacions per a la densitat líquida eren normalment funcions polinòmiques simples de la temperatura, amb una precisió limitada i un rang restringit.

La dècada dels 60 va veure el desenvolupament de models més sofisticats basats en el principi dels estats corresponents, que permetien estimar propietats basades en paràmetres crítics. Aquests models van millorar la precisió però encara tenien limitacions, especialment a altes pressions.

Enfocaments Moderns

L'Institut de Disseny de Propietats Físiques (DIPPR) va començar a desenvolupar correlacions estàndard per a propietats químiques als anys 80. Les seves correlacions per a la densitat de l'etilè líquid representaven una millora significativa en precisió i fiabilitat.

En les darreres dècades, els avenços en mètodes computacionals han permès el desenvolupament d'equacions d'estat més complexes que poden predir amb precisió les propietats de l'etilè en una àmplia gamma de temperatures i pressions. Les tècniques modernes de simulació molecular també permeten la predicció de propietats a partir de principis fonamentals.

Tècniques Experimentals

Les tècniques de mesura per a la densitat líquida també han evolucionat significativament. Les primeres mètodes es basaven en tècniques de desplaçament simples, mentre que els mètodes moderns inclouen:

Densímetres de tub vibratori
Equilibris de suspensió magnètica
Picnòmetres amb control de temperatura
Mètodes de pesatge hidrostàtic

Aquestes tècniques avançades han proporcionat les dades experimentals d'alta qualitat necessàries per desenvolupar i validar les correlacions utilitzades en aquesta calculadora.

Preguntes Freqüents

Què és l'etilè líquid?

L'etilè líquid és l'estat líquid de l'etilè (C₂H₄), un gas incolor i inflamable a temperatura ambient i pressió atmosfèrica. L'etilè ha de ser refredat per sota del seu punt d'ebullició de -103.7°C (169.45K) a pressió atmosfèrica per existir com a líquid. En aquest estat, s'utilitza comunament en processos industrials, particularment com a matèria primera per a la producció de polietilè.

Per què és important la densitat de l'etilè?

La densitat de l'etilè és crucial per dissenyar tancs d'emmagatzematge, sistemes de transport i equips de procés. Valors de densitat precisos permeten el dimensionament adequat dels equips, asseguren la seguretat en el maneig i permeten càlculs precisos de fluxos de massa, transferència de calor i altres paràmetres de procés. La densitat també afecta l'economia de l'emmagatzematge i el transport, ja que determina quanta etilè es pot contenir en un volum donat.

Com afecta la temperatura la densitat de l'etilè líquid?

La temperatura té un impacte significatiu en la densitat de l'etilè líquid. A mesura que la temperatura augmenta, la densitat disminueix a causa de l'expansió tèrmica del líquid. A prop de la temperatura crítica (283.18K), la densitat canvia de manera més dramàtica amb petites variacions de temperatura. Aquesta relació és particularment important en aplicacions criogèniques on el control de la temperatura és essencial.

Com afecta la pressió la densitat de l'etilè líquid?

La pressió té un efecte moderat en la densitat de l'etilè líquid. Pressions més altes resulten en densitats lleugerament més altes a causa de la compressió del líquid. L'efecte és menys pronunciat que els efectes de temperatura però esdevé més significatiu a pressions superiors a 50 bar. La relació entre pressió i densitat és aproximadament lineal dins del rang operatiu normal.

Què passa amb la densitat de l'etilè a prop del punt crític?

A prop del punt crític (aproximadament 283.18K i 50.4 bar), la densitat de l'etilè esdevé altament sensible a petits canvis de temperatura i pressió. La distinció entre les fases líquida i gasosa desapareix al punt crític, i la densitat s'apropa a la densitat crítica d'aproximadament 214 kg/m³. La calculadora pot no proporcionar resultats precisos molt a prop del punt crític a causa del comportament complex en aquesta regió.

Es pot utilitzar aquesta calculadora per a l'etilè gasós?

No, aquesta calculadora està dissenyada específicament per a l'etilè líquid dins del rang de temperatura de 104K a 282K i del rang de pressió de 1 a 100 bar. Els càlculs de densitat de l'etilè gasós requereixen diferents equacions d'estat, com ara la llei dels gasos ideals amb correccions de compressibilitat o models més complexos com Peng-Robinson o Soave-Redlich-Kwong.

Quina precisió té aquesta calculadora?

La calculadora proporciona estimacions de densitat amb una precisió d'aproximadament ±2% dins dels rangs de temperatura i pressió especificats. La precisió pot disminuir a prop dels límits dels rangs vàlids, particularment a prop del punt crític. Per a aplicacions que requereixen una major precisió, poden ser necessàries mesures de laboratori o models termodinàmics més complexos.

Quines unitats utilitza la calculadora?

La calculadora utilitza les següents unitats:

Temperatura: Kelvin (K)
Pressió: bar
Densitat: quilograms per metre cúbic (kg/m³)

Puc convertir la densitat a altres unitats?

Sí, podeu convertir la densitat a altres unitats comunes utilitzant aquests factors de conversió:

A g/cm³: Divideix per 1000
A lb/ft³: Multiplica per 0.06243
A lb/gal (EE. UU.): Multiplica per 0.008345

On puc trobar dades més detallades sobre les propietats de l'etilè?

Per a dades més completes sobre les propietats de l'etilè, consulteu recursos com:

Base de dades NIST REFPROP
Manual dels Enginyers Químics de Perry
Manual de Propietats Termodinàmiques de Yaws
Base de dades DIPPR del projecte AIChE 801
Publicacions en revistes sobre equilibris de fase i propietats termofísiques

Prova la nostra calculadora ara

La nostra Calculadora de Densitat d'Etilè Líquid proporciona valors de densitat instantanis i precisos basats en els seus requisits específics de temperatura i pressió. Simplement introduïu els seus paràmetres dins dels rangs vàlids, i la calculadora determinarà automàticament la densitat de l'etilè líquid per a la vostra aplicació.

Ja sigui que estigueu dissenyant equips de procés, planificant instal·lacions d'emmagatzematge o realitzant recerca, aquesta eina ofereix una manera ràpida i fiable d'obtenir la informació de densitat que necessiteu. La visualització inclosa us ajuda a entendre com la densitat canvia amb la temperatura al vostre punt de pressió seleccionat.

Per a qualsevol pregunta o comentari sobre aquesta calculadora, si us plau, poseu-vos en contacte amb el nostre equip de suport.

Calculadora de densitat d'etilè líquid per a temperatura i pressió

Estimador de densitat d'etilè líquid

Documentació