액체 에틸렌 밀도 계산기 | 엔지니어를 위한 무료 도구

액체 에틸렌 밀도 계산기란?

액체 에틸렌 밀도 계산기는 온도와 압력으로 액체 에틸렌(C₂H₄)의 밀도를 추정합니다. 이 계산기는 미국 국립표준기술연구소가 운영하는 무료 물성 데이터베이스인 NIST Chemistry WebBook의 기준 데이터를 바탕으로 합니다. 이 도구는 105 K에서 282 K까지의 온도와 1 bar에서 100 bar까지의 압력에서 작동합니다. 선택한 조건에서 에틸렌이 기체이면, 액체 밀도를 주지 않고 기체라고 알려 줍니다.

에틸렌은 실온에서 기체입니다. 생산자는 에틸렌을 대기압에서 정상 끓는점 약 169 K(약 -104 °C) 아래로 냉각하거나 압력을 가해 유지하여, 저장과 운송 중에 액체 상태가 되도록 합니다. 액체 에틸렌은 같은 부피에 기체보다 훨씬 많은 질량을 담습니다. 주어진 온도와 압력에서의 밀도는 저장 탱크 크기 산정, 배관 유량 점검, 공장의 질량 수지 계산에 필요합니다.

계산기 작동 방식

계산기는 세 단계로 작동합니다.

1단계: 포화 값. 임계점보다 낮은 모든 온도에는 포화 압력이 있습니다. 이는 액체와 증기가 함께 존재하는 압력이며 증기압이라고도 합니다. 그 압력에서의 액체가 포화 액체 밀도를 가집니다. 계산기는 105 K에서 282 K까지의 온도에 대해 NIST 표에서 가져온 두 값을 저장해 두고 있습니다. 표의 점 사이에서는 보간(알려진 두 점 사이의 값을 추정하는 방법)을 합니다. 포화 액체 밀도는 온도에 대해 직선으로 보간합니다. 포화 압력은 압력의 로그를 1/T에 대해 보간하는데, 이 방식이 곡선 모양을 더 가깝게 따라갑니다.

2단계: 상 확인. 압력이 포화 압력보다 낮으면 에틸렌이 끓으므로 기체입니다. 이 경우 계산기는 액체 밀도 없이 "기체"와 포화 압력을 표시합니다.

3단계: 압력 보정. 포화 압력보다 높으면 액체가 약간 압축되어 밀도가 높아집니다. 계산기는 압력에 따라 액체 밀도가 커지는 정도를 나타내는 표준 형태인 Tait 유형 방정식을 사용합니다.

$\rho = \frac{\rho_{sat}}{1 - C \ln\left(1 + \dfrac{P - P_{sat}}{D}\right)}$

각 기호의 의미:

$C$와 $D$는 각 표 온도에서 포화 압력부터 100 bar까지의 NIST 데이터에 맞추어 구했습니다. 다른 값들과 마찬가지로 표의 점 사이에서 보간합니다. 사용자는 온도와 압력만 입력합니다.

압력은 대기압이 아니라 포화 압력을 기준으로 잰 값입니다. 이 점은 임계점 근처에서 중요합니다. 예를 들어 270 K에서는 약 38 bar 이상에서만 액체가 존재하며, 200 K에서보다 훨씬 많이 압축됩니다.

결과는 소수점 둘째 자리까지 반올림됩니다.

계산 예시

200 K, 100 bar에서 액체 에틸렌의 밀도를 구합니다.

1단계. 표에서 200 K의 포화 값을 읽습니다.

• $P_{sat}$ = 4.55482 bar
• $\rho_{sat}$ = 521.222 kg/m³
• $D$ = 280.22 bar
• $C$ = 0.089762

2단계. 상을 확인합니다. 100 bar는 4.55 bar보다 높으므로 에틸렌은 액체입니다.

3단계. 압력 보정을 적용합니다.

$\frac{100 - 4.55482}{280.22} = 0.34061$

$\ln(1.34061) = 0.29312$

$1 - 0.089762 \times 0.29312 = 0.97369$

$\rho = \frac{521.222}{0.97369} = 535.31 \text{ kg/m}^3$

계산기는 535.31 kg/m³를 반환합니다. NIST는 200 K, 10 MPa에서 535.31 kg/m³로 제시합니다(10 MPa은 100 bar입니다).

추가 예제

200 K에서 10 bar에서 100 bar로 올라가면 밀도는 약 13 kg/m³, 즉 2.5% 증가합니다. 270 K에서는 액체가 훨씬 더 잘 압축됩니다. 밀도는 포화 상태(38.1 bar)의 356.39 kg/m³에서 100 bar의 412.70 kg/m³로 약 16% 증가합니다.

250 K, 10 bar에서는 압력이 포화 압력 2.3295 MPa(약 23.30 bar)보다 낮습니다. 그 조건에서 에틸렌은 기체이므로 계산기는 액체 밀도를 주지 않습니다.

유효한 입력 범위

이 계산기는 105 K에서 282 K까지의 온도와 1 bar에서 100 bar까지의 압력을 받아들입니다.

• 104 K 근처에서 에틸렌은 얼어붙습니다. 삼중점은 104.0 K로, 고체, 액체, 기체가 함께 존재하는 온도입니다. 104 K에서 NIST는 포화 압력에서의 액체만 제시하므로, 이 도구는 105 K부터 시작합니다.
• 282.35 K에서 에틸렌은 임계점에 이릅니다. 그보다 높으면 액체와 기체를 더 이상 구별할 수 없습니다. 이 도구는 282 K에서 멈춥니다.
• 1 bar 미만이거나 100 bar 초과이면 계산기는 검증 오류를 표시합니다.

이 범위 안에서 계산기는 280 K까지 NIST 데이터와 약 0.3% 이내로 일치합니다. 280 K와 282 K 사이에서는 액체가 매우 잘 압축되므로 오차가 약 1%까지 커질 수 있습니다. 낮은 온도에서는 포화 압력이 1 bar보다 훨씬 낮으므로 허용되는 모든 압력에서 액체가 됩니다. 약 169 K보다 높으면 낮은 압력에서 기체가 됩니다.

액체 에틸렌 밀도가 중요한 이유

밀도 계산은 화학 플랜트에서 다음과 같은 일상적인 작업을 지원합니다.

• 저장 탱크 크기 산정. 액체 에틸렌은 따뜻해지면 팽창합니다. 탱크에는 이 팽창을 수용할 충분한 상부 공간이 있어야 합니다.
• 배관과 펌프 설계. 압력 강하와 펌프 흡입 계산은 배관 속 액체의 밀도에 따라 달라집니다.
• 질량 수지. 유량계는 질량이 아니라 부피를 재는 경우가 많습니다. 부피를 질량으로 바꾸려면 밀도 값이 필요합니다.
• 거래 계량. 에틸렌의 소유가 넘어갈 때는 측정한 부피를 밀도를 이용해 질량으로 환산합니다. 이 질량이 청구 금액을 정합니다.

제한 사항

이 계산기는 저장된 NIST 값을 보간합니다. 완전한 상태 방정식이 아닙니다. 에틸렌과 다른 기체의 혼합물은 다루지 못합니다. 기체 밀도도 제공하지 않습니다. 인증된 데이터가 필요한 안전 관련 작업에는 REFPROP 같은 NIST의 자체 소프트웨어를 사용해야 합니다.

임계점 근처에서는 온도나 압력이 조금만 바뀌어도 밀도가 크게 변합니다. 280 K와 282 K 사이의 결과가 가장 정확도가 낮습니다.

자주 묻는 질문

액체 에틸렌 밀도는 어떤 단위로 측정합니까? 계산기는 밀도의 SI 단위인 세제곱미터당 킬로그램(kg/m³)으로 밀도를 표시합니다.

계산기는 어떤 온도와 압력 단위를 사용합니까? 온도는 켈빈(K), 압력은 bar를 사용합니다. 섭씨에서 변환하려면 273.15를 더합니다. psi에서 bar로 변환하려면 0.06895를 곱합니다. 한 메가파스칼(MPa)은 10 bar와 같습니다.

계산기가 가끔 "기체"라고 말하는 이유는 무엇입니까? 각 온도에서 에틸렌은 포화 압력보다 높을 때만 액체로 남습니다. 그 압력보다 낮으면 끓습니다. 예를 들어 250 K에서 포화 압력은 약 23.3 bar이므로, 10 bar에서는 기체가 됩니다.

온도가 높을수록 압력이 더 중요한 이유는 무엇입니까? 임계점에 가까우면 액체가 느슨하게 채워져 있어 압축하기 쉽습니다. 200 K에서 압력을 10에서 100 bar로 올리면 밀도가 약 2.5% 늘어납니다. 270 K에서 포화 상태에서 100 bar까지의 변화는 약 16%입니다.

이 계산기를 에틸렌 기체에 사용할 수 있습니까? 아니요. 액체 밀도만 제공합니다. 기체 상태의 에틸렌에는 상태 방정식 같은 다른 모델이 필요합니다.

이 계산기는 얼마나 정확합니까? 280 K까지는 NIST 값과 약 0.3% 이내로 일치합니다. 282.35 K의 임계점에 가까운 280 K와 282 K 사이에서는 오차가 약 1%까지 커질 수 있습니다.

참고 자료

1. 미국 국립표준기술연구소(NIST). Ethylene: Phase change data, NIST Chemistry WebBook, SRD 69. 에틸렌의 NIST WebBook 상변화 데이터 — 정상 끓는점 약 169 K, 삼중점 104.0 K.
2. 미국 국립표준기술연구소(NIST). Saturation properties for ethylene, 150 K to 250 K, NIST Chemistry WebBook, SRD 69. 에틸렌의 NIST 포화 표 — 250 K에서 포화 압력 2.3295 MPa.
3. 미국 국립표준기술연구소(NIST). Isothermal properties for ethylene at 200 K, NIST Chemistry WebBook, SRD 69. 에틸렌의 NIST 200 K 등온선 — 1 MPa에서 액체 밀도 522.13 kg/m³, 10 MPa에서 535.31 kg/m³. 임계 온도 282.35 K.
4. 미국 국립표준기술연구소(NIST). Isothermal properties for ethylene at 270 K, NIST Chemistry WebBook, SRD 69. 에틸렌의 NIST 270 K 등온선 — 3.8125 MPa에서 포화 액체 356.39 kg/m³, 10 MPa에서 412.70 kg/m³.
5. 미국 국립표준기술연구소(NIST). Isothermal properties for ethylene at 280 K, NIST Chemistry WebBook, SRD 69. 에틸렌의 NIST 280 K 등온선 — 10 MPa에서 387.76 kg/m³.