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液体エチレン密度計算ツール | エンジニア向け無料ツール

液体エチレン（C2H4）の密度を、温度と圧力からDIPPR相関式を用いて計算します。結果はkg/m³単位で表示され、密度曲線をグラフで確認できます。極低温での貯蔵タンクの設計、プロセス設計、物質収支の計算など、石油化学プラントに携わる技術者向けの計算ツールです。

液体エチレン密度推定器

K

有効範囲: 104K - 282K

bar

有効範囲: 1 - 100 bar

計算結果

液体エチレン密度
522.22kg/m³

計算式

密度は圧力補正を用いたDIPPR相関式で計算されます：

ρ = A·(1 - T/Tc)^n - B·T

ρ_P = ρ·(1 + κ·(P - P_ref))

ここで、ρは密度、Tは温度、Tcは臨界温度、Pは圧力、P_refは基準圧力、κは等温圧縮率です。

密度 vs 温度 グラフ

ローディング計算機...
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ドキュメンテーション

液体エチレン密度計算機とは何ですか？

液体エチレン密度計算機は、温度と圧力から液体エチレン（C₂H₄）の密度を見積もります。米国国立標準技術研究所が運営する無料の物性データベースである NIST Chemistry WebBook の基準データに基づいています。このツールは、温度が105 Kから282 K、圧力が1 barから100 barの範囲で使えます。選んだ条件でエチレンが気体になる場合は、液体の密度を示す代わりに、その旨を表示します。

エチレンは常温では気体です。製造事業者は、大気圧下で標準沸点の約169 K（約-104 °C）より低く冷やすか、加圧した状態に保つことで、貯蔵や輸送のために液体の状態を維持します。液体エチレンは、同じ体積に気体よりはるかに多くの質量を詰め込めます。ある温度と圧力での密度は、貯蔵タンクの容量設計、配管の流れの確認、プラントでの物質収支の計算に必要です。

計算機の仕組み

計算機は3段階で処理します。

ステップ1：飽和値。 臨界点より低いどの温度にも、飽和圧力があります。これは液体と蒸気が共存する圧力で、蒸気圧とも呼ばれます。その圧力での液体は、飽和液体密度を持ちます。計算機は、105 Kから282 Kまでの温度について、NISTの表からこの二つの値を保持しています。表の点と点の間では補間します（既知の二点の間の値を推定します）。飽和液体密度は、温度に対して直線で補間します。飽和圧力は、1/Tに対する圧力の対数として補間します。こうすると、その曲線的な形によりよく沿います。

ステップ2：相の確認。 圧力が飽和圧力より低い場合、エチレンは沸騰するため、気体です。このとき計算機は「気体」と飽和圧力を報告し、液体の密度は示しません。

ステップ3：圧力補正。 飽和圧力を超えると、液体はわずかに圧縮されて密度が高くなります。計算機は、圧力に伴う液体密度の上昇を表す標準的な形であるテイト型の式を使います。

ρ=ρsat1−Cln⁡(1+P−PsatD)\rho = \frac{\rho_{sat}}{1 - C \ln\left(1 + \dfrac{P - P_{sat}}{D}\right)}

ここで、

記号意味単位
ρ\rho選んだ圧力での液体の密度kg/m³
ρsat\rho_{sat}その温度での飽和液体密度kg/m³
PP選んだ圧力bar
PsatP_{sat}その温度での飽和圧力bar
CCその温度に対するフィッティング定数なし
DDその温度に対するフィッティング定数bar

CCとDDは、表の各温度について、飽和圧力から100 barまでのNISTデータに合わせて決めた値です。ほかの値と同様に、表の点と点の間は補間します。ユーザーが入力するのは温度と圧力だけです。

圧力は大気圧ではなく、飽和圧力を基準にして測ります。これは臨界点付近で重要になります。たとえば270 Kでは、液体が存在するのは約38 bar以上に限られ、200 Kの場合よりはるかに大きく圧縮されます。

結果は小数点以下2桁に丸められます。

計算例

200 K、100 barにおける液体エチレンの密度を求めます。

ステップ1。 表から、200 Kでの飽和値を読み取ります。

  • PsatP_{sat} = 4.55482 bar
  • ρsat\rho_{sat} = 521.222 kg/m³
  • DD = 280.22 bar
  • CC = 0.089762

ステップ2。 相を確認します。100 barは4.55 barより高いため、エチレンは液体です。

ステップ3。 圧力補正を適用します。

100−4.55482280.22=0.34061\frac{100 - 4.55482}{280.22} = 0.34061

ln⁡(1.34061)=0.29312\ln(1.34061) = 0.29312

1−0.089762×0.29312=0.973691 - 0.089762 \times 0.29312 = 0.97369

ρ=521.2220.97369=535.31 kg/m3\rho = \frac{521.222}{0.97369} = 535.31 \text{ kg/m}^3

計算機は535.31 kg/m³を返します。NISTは535.31 kg/m³を、200 K、10 MPaの値として記載しています（10 MPaは100 barです）。

その他の計算例

温度（K）圧力（bar）計算機の結果NISTの値
20010522.12 kg/m³522.13 kg/m³
200100535.31 kg/m³535.31 kg/m³
270100412.52 kg/m³412.70 kg/m³
280100386.69 kg/m³387.76 kg/m³
25010気体（飽和圧力 23.30 bar）蒸気

200 Kで10 barから100 barに上げると、密度は約13 kg/m³、つまり2.5%上がります。270 Kでは、液体ははるかに圧縮されやすくなります。密度は、飽和時（38.1 bar）の356.39 kg/m³から、100 barでの412.70 kg/m³へと、約16%上がります。

250 K、10 barでは、圧力が飽和圧力2.3295 MPa（約23.30 bar）を下回ります。そこではエチレンは気体なので、計算機は液体の密度を示しません。

入力可能な範囲

計算機が受け付ける温度は105 Kから282 K、圧力は1 barから100 barです。

  • 104 K付近では、エチレンは凍ります。三重点は104.0 Kで、固体、液体、気体が共存する温度です。104 Kでは、NISTは液体を飽和圧力のときだけ記載しているため、このツールは105 Kから始まります。
  • 282.35 Kで、エチレンは臨界点に達します。それより上では、液体と気体を区別できなくなります。このツールは282 Kで止まります。
  • 1 barを下回る場合、または100 barを上回る場合、計算機は入力エラーを表示します。

この範囲内では、計算機は280 Kまで、NISTのデータとの差が約0.3%以内に収まります。280 Kから282 Kの間では、液体が非常に圧縮されやすくなり、誤差は約1%に達することがあります。低温では、飽和圧力が1 barをはるかに下回るため、許容される圧力はすべて液体になります。約169 K以上では、低い圧力では気体になります。

液体エチレンの密度が重要な理由

密度の計算は、化学プラントで日常的に行われる複数の作業を支えます。

  • 貯蔵タンクの容量設計。 液体エチレンは温まると膨張します。タンクには、その膨張に十分な上部空間が必要です。
  • 配管とポンプの設計。 圧力損失やポンプ吸込みの計算は、配管内の液体の密度に左右されます。
  • 物質収支。 流量計は、質量ではなく体積を測ることが多くあります。体積を質量に換算するには、密度の値が必要です。
  • 取引計量。 エチレンが取引されるとき、測定した体積は密度を使って質量に換算されます。その質量が請求額を決めます。

制限事項

この計算機は、保存されたNISTの値を補間します。完全な状態方程式ではありません。エチレンとほかの気体との混合物は扱えません。気体の密度も示しません。認証済みのデータが必要な安全上重要な作業には、REFPROPなど、NIST自身のソフトウェアを使ってください。

臨界点付近では、温度や圧力のわずかな変化が密度の大きな変化を引き起こします。280 Kから282 Kの間の結果は、最も精度が低くなります。

よくある質問

液体エチレンの密度は何の単位で測りますか？ 計算機は密度を、密度のSI単位である立方メートルあたりキログラム（kg/m³）で報告します。

計算機はどの温度と圧力の単位を使いますか？ 温度はケルビン（K）、圧力はbarです。摂氏から換算するには、273.15を加えます。psiからbarに換算するには、0.06895を掛けます。一メガパスカル（MPa）は10 barに等しくなります。

計算機が「気体」と表示することがあるのはなぜですか？ エチレンは、各温度で飽和圧力を超えているときだけ液体の状態を保ちます。その圧力より低いと沸騰します。たとえば250 Kでは飽和圧力が約23.3 barなので、10 barでは気体になります。

高温ほど圧力の影響が大きくなるのはなぜですか？ 臨界点に近いと、液体は粒子の詰まり方がゆるく、圧縮されやすくなります。200 Kでは、圧力を10から100 barに上げると、密度が約2.5%増えます。270 Kでは、飽和から100 barまでの変化は約16%です。

この計算機はエチレンガスにも使えますか？ いいえ。液体の密度のみを示します。気相のエチレンには、状態方程式など、別のモデルが必要です。

この計算機の精度はどのくらいですか？ 280 Kまでは、NISTの値との差が約0.3%以内に収まります。282.35 Kの臨界点に近い280 Kから282 Kの間では、誤差が約1%に達することがあります。

参考文献

  1. 米国国立標準技術研究所。Ethylene: Phase change data、NIST Chemistry WebBook、SRD 69。エチレンの相変化データ（NIST WebBook） — 標準沸点は約169 K、三重点は104.0 K。
  2. 米国国立標準技術研究所。Saturation properties for ethylene, 150 K to 250 K、NIST Chemistry WebBook、SRD 69。エチレンのNIST飽和表 — 飽和圧力は2.3295 MPa（250 K）。
  3. 米国国立標準技術研究所。Isothermal properties for ethylene at 200 K、NIST Chemistry WebBook、SRD 69。NISTのエチレン200 K等温線 — 液体密度 522.13 kg/m³（1 MPa）、535.31 kg/m³（10 MPa）、臨界温度 282.35 K。
  4. 米国国立標準技術研究所。Isothermal properties for ethylene at 270 K、NIST Chemistry WebBook、SRD 69。NISTのエチレン270 K等温線 — 飽和液体 356.39 kg/m³（3.8125 MPa）、412.70 kg/m³（10 MPa）。
  5. 米国国立標準技術研究所。Isothermal properties for ethylene at 280 K、NIST Chemistry WebBook、SRD 69。NISTのエチレン280 K等温線 — 387.76 kg/m³（10 MPa）。