Калкулатор на плътността на течен етилен

Въведение

Калкулаторът на плътността на течен етилен е специализиран инструмент, проектиран да определя точно плътността на течен етилен на базата на входни данни за температура и налягане. Етилен (C₂H₄) е едно от най-важните органични съединения в нефтената индустрия, служейки като основен строителен блок за множество продукти, включително пластмаси, антифриз и синтетични влакна. Разбирането на плътността на течен етилен е от решаващо значение за инженерни приложения, проектиране на процеси, съображения за съхранение и логистика на транспорта в индустрии, вариращи от нефтопреработвателно производство до системи за охлаждане.

Този калкулатор използва прецизни термодинамични модели за оценка на плътността на течен етилен в диапазон от температури (104K до 282K) и налягания (1 до 100 бара), предоставяйки на инженери, учени и индустриални специалисти надеждни данни за техните приложения. Плътността на течен етилен варира значително с температурата и налягането, което прави точните изчисления съществени за правилното проектиране и работа на системите.

Как се изчислява плътността на течен етилен

Математическият модел

Плътността на течен етилен се изчислява с помощта на модифицирана корелация на DIPPR (Институт за проектиране на физични свойства) с корекция за налягане. Този подход предоставя точни оценки на плътността в течната фаза на етилен.

Основното уравнение за изчисляване на плътността на течен етилен при референтно налягане е:

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

Където:

• $\rho$ = Плътност на течен етилен (кг/м³)
• $A$ = Основен коефициент на плътност (700 за етилен)
• $T$ = Температура (K)
• $T_c$ = Критична температура на етилен (283.18K)
• $n$ = Степен (0.29683 за етилен)
• $B$ = Температурен коефициент (0.8 за етилен)

За да се вземат предвид ефектите на налягането, се прилага корекционен термин за налягане:

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

Където:

• $\rho_P$ = Плътност при налягане P (кг/м³)
• $\rho$ = Плътност при референтно налягане (кг/м³)
• $\kappa$ = Изотермична компресибилност (приблизително 0.00125 MPa⁻¹ за течен етилен)
• $P$ = Налягане (MPa)
• $P_{ref}$ = Референтно налягане (0.1 MPa или 1 бар)

Валидни диапазони и ограничения

Този модел на изчисление е валиден в специфични диапазони:

• Температура: 104K до 282K (покриваща течната фаза на етилен)
• Налягане: 1 до 100 бара

Извън тези диапазони етиленът може да съществува в газообразно или свръхкритично състояние, изискващо различни методи на изчисление. Критичната точка на етилен е приблизително при 283.18K и 50.4 бара, отвъд която етиленът съществува като свръхкритична течност.

Стъпка по стъпка ръководство за използване на калкулатора

Входни параметри

1. Въвеждане на температура:

   • Въведете стойността на температурата в Келвини (K)
   • Валиден диапазон: 104K до 282K
   • Ако имате температура в Целзий (°C), преобразувайте с: K = °C + 273.15
   • Ако имате температура в Фаренхайт (°F), преобразувайте с: K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15

2. Въвеждане на налягане:

   • Въведете стойността на налягането в бар
   • Валиден диапазон: 1 до 100 бара
   • Ако имате налягане в други единици:
     • От psi: бар = psi × 0.0689476
     • От kPa: бар = kPa × 0.01
     • От MPa: бар = MPa × 10

Интерпретиране на резултатите

След въвеждане на валидни стойности за температура и налягане, калкулаторът автоматично ще покаже:

1. Плътност на течен етилен: Изчислената стойност на плътността в кг/м³
2. Визуализация: Графика, показваща вариацията на плътността с температурата при избраното налягане

Резултатите могат да бъдат копирани в клипборда с помощта на предоставения бутон за използване в отчети, симулации или други изчисления.

Температура (K) 100 150 200 250 300

Плътност (кг/м³) 200 300 400 500 600 700 800

10 бара 50 бара 100 бара Налягане 10 бара 50 бара 100 бара

Примерни изчисления

Ето някои примерни изчисления, за да демонстрираме как плътността варира с температурата и налягането:

Температура (K)	Налягане (бара)	Плътност (кг/м³)
150	10	567.89
200	10	478.65
250	10	372.41
200	50	487.22
200	100	498.01

Както е показано в таблицата, плътността на течен етилен намалява с увеличаване на температурата (при постоянно налягане) и се увеличава с увеличаване на налягането (при постоянна температура).

Имплементация в различни програмни езици

Ето кодови имплементации на изчислението на плътността на течен етилен на няколко програмни езика:

1def calculate_ethylene_density(temperature_k, pressure_bar):
2    """
3    Calculate the density of liquid ethylene based on temperature and pressure.
4    
5    Args:
6        temperature_k (float): Temperature in Kelvin (valid range: 104K to 282K)
7        pressure_bar (float): Pressure in bar (valid range: 1 to 100 bar)
8        
9    Returns:
10        float: Density of liquid ethylene in kg/m³
11    """
12    # Constants for ethylene
13    A = 700
14    Tc = 283.18  # Critical temperature in K
15    n = 0.29683
16    B = 0.8
17    kappa = 0.00125  # Isothermal compressibility in MPa⁻¹
18    P_ref = 0.1  # Reference pressure in MPa (1 bar)
19    
20    # Convert pressure from bar to MPa
21    pressure_mpa = pressure_bar / 10
22    
23    # Calculate density at reference pressure
24    rho_ref = A * (1 - temperature_k/Tc)**n - B * temperature_k
25    
26    # Apply pressure correction
27    rho = rho_ref * (1 + kappa * (pressure_mpa - P_ref))
28    
29    return rho
30
31# Example usage
32temp = 200  # K
33pressure = 50  # bar
34density = calculate_ethylene_density(temp, pressure)
35print(f"Liquid ethylene density at {temp}K and {pressure} bar: {density:.2f} kg/m³")
36

1/**
2 * Calculate the density of liquid ethylene based on temperature and pressure.
3 * 
4 * @param {number} temperatureK - Temperature in Kelvin (valid range: 104K to 282K)
5 * @param {number} pressureBar - Pressure in bar (valid range: 1 to 100 bar)
6 * @returns {number} Density of liquid ethylene in kg/m³
7 */
8function calculateEthyleneDensity(temperatureK, pressureBar) {
9    // Constants for ethylene
10    const A = 700;
11    const Tc = 283.18;  // Critical temperature in K
12    const n = 0.29683;
13    const B = 0.8;
14    const kappa = 0.00125;  // Isothermal compressibility in MPa⁻¹
15    const P_ref = 0.1;  // Reference pressure in MPa (1 bar)
16    
17    // Convert pressure from bar to MPa
18    const pressureMPa = pressureBar / 10;
19    
20    // Calculate density at reference pressure
21    const rhoRef = A * Math.pow(1 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
22    
23    // Apply pressure correction
24    const rho = rhoRef * (1 + kappa * (pressureMPA - P_ref));
25    
26    return rho;
27}
28
29// Example usage
30const temp = 200;  // K
31const pressure = 50;  // bar
32const density = calculateEthyleneDensity(temp, pressure);
33console.log(`Liquid ethylene density at ${temp}K and ${pressure} bar: ${density.toFixed(2)} kg/m³`);
34

1' Excel VBA Function for Liquid Ethylene Density Calculation
2Function EthyleneDensity(TemperatureK As Double, PressureBar As Double) As Double
3    ' Constants for ethylene
4    Dim A As Double: A = 700
5    Dim Tc As Double: Tc = 283.18 ' Critical temperature in 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 ' Isothermal compressibility in MPa⁻¹
9    Dim P_ref As Double: P_ref = 0.1 ' Reference pressure in MPa (1 bar)
10    
11    ' Convert pressure from bar to MPa
12    Dim PressureMPa As Double: PressureMPa = PressureBar / 10
13    
14    ' Calculate density at reference pressure
15    Dim rho_ref As Double: rho_ref = A * (1 - TemperatureK / Tc) ^ n - B * TemperatureK
16    
17    ' Apply pressure correction
18    EthyleneDensity = rho_ref * (1 + kappa * (PressureMPa - P_ref))
19End Function
20
21' Usage in Excel cell:
22' =EthyleneDensity(200, 50)
23

1function density = ethyleneDensity(temperatureK, pressureBar)
2    % Calculate the density of liquid ethylene based on temperature and pressure
3    %
4    % Inputs:
5    %   temperatureK - Temperature in Kelvin (valid range: 104K to 282K)
6    %   pressureBar - Pressure in bar (valid range: 1 to 100 bar)
7    %
8    % Output:
9    %   density - Density of liquid ethylene in kg/m³
10    
11    % Constants for ethylene
12    A = 700;
13    Tc = 283.18;  % Critical temperature in K
14    n = 0.29683;
15    B = 0.8;
16    kappa = 0.00125;  % Isothermal compressibility in MPa⁻¹
17    P_ref = 0.1;  % Reference pressure in MPa (1 bar)
18    
19    % Convert pressure from bar to MPa
20    pressureMPa = pressureBar / 10;
21    
22    % Calculate density at reference pressure
23    rho_ref = A * (1 - temperatureK/Tc)^n - B * temperatureK;
24    
25    % Apply pressure correction
26    density = rho_ref * (1 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
27end
28
29% Example usage
30temp = 200;  % K
31pressure = 50;  % bar
32density = ethyleneDensity(temp, pressure);
33fprintf('Liquid ethylene density at %gK and %g bar: %.2f kg/m³\n', temp, pressure, density);
34

1#include <iostream>
2#include <cmath>
3
4/**
5 * Calculate the density of liquid ethylene based on temperature and pressure.
6 * 
7 * @param temperatureK Temperature in Kelvin (valid range: 104K to 282K)
8 * @param pressureBar Pressure in bar (valid range: 1 to 100 bar)
9 * @return Density of liquid ethylene in kg/m³
10 */
11double calculateEthyleneDensity(double temperatureK, double pressureBar) {
12    // Constants for ethylene
13    const double A = 700.0;
14    const double Tc = 283.18;  // Critical temperature in K
15    const double n = 0.29683;
16    const double B = 0.8;
17    const double kappa = 0.00125;  // Isothermal compressibility in MPa⁻¹
18    const double P_ref = 0.1;  // Reference pressure in MPa (1 bar)
19    
20    // Convert pressure from bar to MPa
21    double pressureMPa = pressureBar / 10.0;
22    
23    // Calculate density at reference pressure
24    double rho_ref = A * pow(1.0 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
25    
26    // Apply pressure correction
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 << "Liquid ethylene density at " << temp << "K and " 
38              << pressure << " bar: " << density << " kg/m³" << std::endl;
39    
40    return 0;
41}
42

1public class EthyleneDensityCalculator {
2    /**
3     * Calculate the density of liquid ethylene based on temperature and pressure.
4     * 
5     * @param temperatureK Temperature in Kelvin (valid range: 104K to 282K)
6     * @param pressureBar Pressure in bar (valid range: 1 to 100 bar)
7     * @return Density of liquid ethylene in kg/m³
8     */
9    public static double calculateEthyleneDensity(double temperatureK, double pressureBar) {
10        // Constants for ethylene
11        final double A = 700.0;
12        final double Tc = 283.18;  // Critical temperature in K
13        final double n = 0.29683;
14        final double B = 0.8;
15        final double kappa = 0.00125;  // Isothermal compressibility in MPa⁻¹
16        final double P_ref = 0.1;  // Reference pressure in MPa (1 bar)
17        
18        // Convert pressure from bar to MPa
19        double pressureMPa = pressureBar / 10.0;
20        
21        // Calculate density at reference pressure
22        double rhoRef = A * Math.pow(1.0 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
23        
24        // Apply pressure correction
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("Liquid ethylene density at %.1fK and %.1f bar: %.2f kg/m³%n", 
36                          temp, pressure, density);
37    }
38}
39

Приложения и приложения

Индустриални приложения

1. Нефтопреработвателна индустрия:

   • Точните стойности на плътността са от съществено значение за проектиране на дестилационни колони, реактори и разделителни съоръжения за производство и обработка на етилен.
   • Изчисленията на потока в тръбопроводите и процесното оборудване изискват прецизни данни за плътността.

2. Криогенно съхранение и транспорт:

   • Етиленът често се съхранява и транспортира като криогенна течност. Изчисленията на плътността помагат за определяне на капацитетите на съхранителните резервоари и лимитите на натоварване.
   • Съображенията за термично разширение по време на затопляне изискват точни отношения между плътността и температурата.

3. Производство на полиетилен:

   • Като основно суровина за производството на полиетилен, свойствата на етилен, включително плътността, влияят на кинетиката на реакцията и качеството на продукта.
   • Изчисленията на масовия баланс в производствените съоръжения разчитат на точни стойности на плътността.

4. Системи за охлаждане:

   • Етиленът се използва като хладилен агент в някои индустриални охлаждащи системи, където плътността влияе на производителността и ефективността на системата.
   • Изчисленията на заряда за охлаждащите системи изискват точни данни за плътността.

5. Контрол на качеството:

   • Измерванията на плътността могат да служат като индикатори за качеството на чистотата на етилен в производството и съхранението.

Изследователски приложения

1. Термодинамични изследвания:

   • Изследователите, изучаващи фазовото поведение и моделите на уравнението на състоянието, използват данни за плътността, за да валидират теоретичните модели.
   • Точните измервания на плътността помагат при разработването на подобрени корелации за физическите свойства на течности.

2. Разработка на материали:

   • Разработването на нови полимери и материали на базата на етилен изисква разбиране на физическите свойства на мономера.

3. Симулация на процеси:

   • Химическите симулатори на процеси изискват точни модели на плътността на етилен, за да предсказват поведението на системата.

Инженерно проектиране

1. Размер на оборудването:

   • Помпи, вентили и тръбопроводи, обработващи течен етилен, трябва да бъдат проектирани на базата на точни свойства на течността, включително плътността.
   • Изчисленията на загубата на налягане в процесното оборудване зависят от плътността на течността.

2. Системи за безопасност:

   • Размерите на облекчителните вентили и проектирането на системите за безопасност изискват точни стойности на плътността в целия работен диапазон.
   • Системите за откриване на течове могат да използват измервания на плътността като част от своя подход за мониторинг.

Алтернативи на изчислението

Докато този калкулатор предоставя удобен начин за оценка на плътността на течен етилен, съществуват алтернативни подходи:

1. Експериментално измерване:

   • Пряко измерване с помощта на дензитометри или пикнометри предоставя най-точните резултати, но изисква специализирано оборудване.
   • Лабораторният анализ обикновено се използва за изисквания с висока прецизност или изследователски цели.

2. Модели на уравнението на състоянието:

   • По-сложни уравнения на състоянието, като Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong или SAFT, могат да предоставят оценки на плътността с потенциално по-висока точност, особено близо до критичните условия.
   • Тези модели обикновено изискват специализираен софтуер и повече изчислителни ресурси.

3. База данни NIST REFPROP:

   • Базата данни на NIST за термодинамични и транспортни свойства на течности (REFPROP) предоставя данни с висока точност за свойства, но изисква лиценз.

4. Публикувани таблици с данни:

   • Справочните ръководства и публикуваните таблици с данни предоставят стойности на плътността при дискретни температурни и налягане точки.
   • Интерполацията между стойностите в таблиците може да е необходима за специфични условия.

Историческо развитие на изчисленията на плътността на етилен

Ранни изследвания на свойствата на етилен

Изследването на физическите свойства на етилен датира от началото на 19-ти век, когато Майкъл Фарадей първоначално е втечнил етилен през 1834 г. с помощта на комбинация от ниска температура и високо налягане. Въпреки това, систематичните изследвания на плътността на течен етилен започват в началото на 20-ти век, когато индустриалните приложения за етилен се разширяват.

Разработка на корелации

През 40-те и 50-те години на миналия век, с бързия растеж на нефтопреработвателната индустрия, стана необходимо по-прецизно измерване на свойствата на етилен. Ранните корелации за плътността на течността обикновено бяха прости полиномиални функции на температурата, с ограничена точност и обхват.

60-те години видяха разработването на по-сложни модели, базирани на принципа на съответстващите състояния, което позволи оценките на свойствата да се основават на критични параметри. Тези модели подобриха точността, но все още имаха ограничения, особено при високи налягания.

Съвременни подходи

Институтът за проектиране на физични свойства (DIPPR) започна да разработва стандартизирани корелации за химическите свойства през 80-те години. Неговите корелации за плътността на течен етилен представляват значително подобрение в точността и надеждността.

През последните десетилетия напредъкът в компютърните методи е позволил разработването на по-сложни уравнения на състоянието, които могат точно да предсказват свойствата на етилен в широки диапазони на температура и налягане. Съвременните молекулярни симулационни техники също позволяват предсказване на свойствата от първите принципи.

Експериментални техники

Методите за измерване на плътността също значително еволюираха. Ранните методи разчитаха на прости техники за заместване, докато съвременните методи включват:

• Дензитометри с вибрираща тръба
• Магнитни баланси за суспензия
• Пикнометри с контрол на температурата
• Методи за хидростатично претегляне

Тези напреднали техники предоставиха висококачествени експериментални данни, необходими за разработването и валидирането на корелациите, използвани в този калкулатор.

Често задавани въпроси

Какво е течен етилен?

Течният етилен е течната форма на етилен (C₂H₄), безцветен, запалим газ при стайна температура и атмосферно налягане. Етиленът трябва да бъде охладен под точката на кипене от -103.7°C (169.45K) при атмосферно налягане, за да съществува като течност. В това състояние той обикновено се използва в индустриалните процеси, особено като суровина за производството на полиетилен.

Защо плътността на етилен е важна?

Плътността на етилен е от решаващо значение за проектиране на съхранителни резервоари, транспортни системи и процесно оборудване. Точните стойности на плътността позволяват правилно оразмеряване на оборудването, осигуряват безопасност при работа и позволяват прецизни изчисления на масовите потоци, топлопредавания и други параметри на процеса. Плътността също така влияе на икономиката на съхранение и транспорт, тъй като определя колко етилен може да бъде съдържан в даден обем.

Как температурата влияе на плътността на течен етилен?

Температурата оказва значително влияние върху плътността на течен етилен. С увеличаване на температурата плътността намалява поради термично разширение на течността. Близо до критичната температура (283.18K) плътността се променя по-значително с малки вариации в температурата. Тази връзка е особено важна в криогенните приложения, където контролът на температурата е от съществено значение.

Как налягането влияе на плътността на течен етилен?

Налягането оказва умерен ефект върху плътността на течен етилен. По-високите налягания водят до леко увеличаване на плътността поради компресия на течността. Ефектът е по-малко изразен от температурните ефекти, но става по-съществен при налягания над 50 бара. Връзката между налягането и плътността е приблизително линейна в нормалния работен диапазон.

Какво се случва с плътността на етилен близо до критичната точка?

Близо до критичната точка (приблизително 283.18K и 50.4 бара) плътността на етилен става много чувствителна към малки промени в температурата и налягането. Разликата между течната и газовата фаза изчезва при критичната точка, а плътността приближава критичната плътност от около 214 кг/м³. Калкулаторът може да не предоставя точни резултати много близо до критичната точка поради сложното поведение в този регион.

Може ли този калкулатор да се използва за газообразен етилен?

Не, този калкулатор е специално проектиран за течен етилен в диапазона на температура от 104K до 282K и налягане от 1 до 100 бара. Изчисленията на плътността на газообразен етилен изискват различни уравнения на състоянието, като идеалния газов закон с корекции за компресибилност или по-сложни модели като Peng-Robinson или Soave-Redlich-Kwong.

Колко точен е този калкулатор?

Калкулаторът предоставя оценки на плътността с точност от приблизително ±2% в рамките на указаните диапазони на температура и налягане. Точността може да намалее близо до границите на валидните диапазони, особено близо до критичната точка. За приложения, изискващи по-висока прецизност, лабораторните измервания или по-сложни термодинамични модели могат да бъдат необходими.

Какви единици използва калкулаторът?

Калкулаторът използва следните единици:

• Температура: Келвини (K)
• Налягане: бар
• Плътност: килограми на кубичен метър (кг/м³)

Мога ли да преобразувам плътността в други единици?

Да, можете да преобразувате плътността в други общи единици, използвайки следните фактори за преобразуване:

• В g/cm³: Разделете на 1000
• В lb/ft³: Умножете по 0.06243
• В lb/gal (САЩ): Умножете по 0.008345

Къде мога да намеря по-подробни данни за свойствата на етилен?

За по-комплексни данни за свойствата на етилен, консултирайте се с ресурси като:

• Базата данни NIST REFPROP
• Ръководството на Пери за химическите инженери
• Ръководството на Яус за термодинамични свойства
• Базата данни на AIChE DIPPR Project 801
• Публикации в научни списания за равновесия на фази и термофизични свойства

Източници

1. Younglove, B.A. (1982). "Термофизични свойства на флуидите. I. Аргон, етилен, параводород, азот, трифлуорид на азота и кислород." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 11(Допълнение 1), 1-11.

2. Jahangiri, M., Jacobsen, R.T., Stewart, R.B., & McCarty, R.D. (1986). "Термодинамични свойства на етилен от линията на замръзване до 450 K при налягания до 260 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 15(2), 593-734.

3. Институт за проектиране на физични свойства. (2005). DIPPR Project 801 - Пълна версия. Институт за проектиране на физични свойства/AIChE.

4. Span, R., & Wagner, W. (1996). "Ново уравнение на състоянието и таблици с термодинамични свойства за метан, обхващащи диапазона от линията на замръзване до 625 K при налягания до 1000 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 25(6), 1509-1596.

5. Lemmon, E.W., McLinden, M.O., & Friend, D.G. (2018). "Термофизични свойства на флуидни системи" в NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. Национален институт за стандарти и технологии, Гейтърсбърг MD, 20899.

6. Poling, B.E., Prausnitz, J.M., & O'Connell, J.P. (2001). Свойствата на газовете и течностите (5-то издание). McGraw-Hill.

7. Американски институт за химически инженери. (2019). База данни DIPPR 801: Събиране на данни за свойства на чисти съединения. AIChE.

8. Setzmann, U., & Wagner, W. (1991). "Ново уравнение на състоянието и таблици с термодинамични свойства за метан, покриващи диапазона от линията на замръзване до 625 K при налягания до 1000 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 20(6), 1061-1155.

Опитайте нашия калкулатор сега

Нашият калкулатор на плътността на течен етилен предоставя незабавни, точни стойности на плътността, базирани на вашите специфични изисквания за температура и налягане. Просто въведете вашите параметри в валидните диапазони и калкулаторът автоматично ще определи плътността на течен етилен за вашето приложение.

Независимо дали проектирате процесно оборудване, планирате съоръжения за съхранение или провеждате изследвания, този инструмент предлага бърз и надежден начин за получаване на информация за плътността, от която се нуждаете. Включената визуализация ви помага да разберете как плътността се променя с температурата при избраната точка на налягане.

За всякакви въпроси или обратна връзка относно този калкулатор, моля, свържете се с нашия екип за поддръжка.