Калькулятор плотности жидкого этилена

Введение

Калькулятор плотности жидкого этилена — это специализированный инструмент, предназначенный для точного определения плотности жидкого этилена на основе введенных значений температуры и давления. Этилен (C₂H₄) является одним из самых важных органических соединений в нефтехимической промышленности, служа основным строительным блоком для множества продуктов, включая пластмассы, антифризы и синтетические волокна. Понимание плотности жидкого этилена имеет решающее значение для инженерных приложений, проектирования процессов, хранения и логистики транспортировки в таких отраслях, как нефтехимическое производство и системы охлаждения.

Этот калькулятор использует точные термодинамические модели для оценки плотности жидкого этилена в диапазоне температур (104K до 282K) и давлений (1 до 100 бар), предоставляя инженерам, ученым и профессионалам отрасли надежные данные для их приложений. Плотность жидкого этилена значительно варьируется в зависимости от температуры и давления, что делает точные расчеты необходимыми для правильного проектирования и эксплуатации систем.

Как рассчитывается плотность жидкого этилена

Математическая модель

Плотность жидкого этилена рассчитывается с использованием модифицированной корреляции DIPPR (Институт проектирования физических свойств) с учетом давления. Этот подход обеспечивает точные оценки плотности в области жидкой фазы этилена.

Основное уравнение для расчета плотности жидкого этилена при эталонном давлении:

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

Где:

• $\rho$ = Плотность жидкого этилена (кг/м³)
• $A$ = Коэффициент базовой плотности (700 для этилена)
• $T$ = Температура (K)
• $T_c$ = Критическая температура этилена (283.18K)
• $n$ = Экспонента (0.29683 для этилена)
• $B$ = Температурный коэффициент (0.8 для этилена)

Чтобы учесть влияние давления, применяется корректирующий член давления:

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

Где:

• $\rho_P$ = Плотность при давлении P (кг/м³)
• $\rho$ = Плотность при эталонном давлении (кг/м³)
• $\kappa$ = Изотермическая сжимаемость (примерно 0.00125 МПа⁻¹ для жидкого этилена)
• $P$ = Давление (МПа)
• $P_{ref}$ = Эталонное давление (0.1 МПа или 1 бар)

Допустимые диапазоны и ограничения

Эта модель расчета действительна в определенных диапазонах:

• Температура: 104K до 282K (охватывает жидкую фазу этилена)
• Давление: 1 до 100 бар

За пределами этих диапазонов этилен может находиться в газообразном или сверхкритическом состоянии, что требует других методов расчета. Критическая точка этилена находится примерно при 283.18K и 50.4 бар, за пределами которой этилен существует как сверхкритическая жидкость.

Пошаговое руководство по использованию калькулятора

Ввод параметров

1. Ввод температуры:

   • Введите значение температуры в Кельвинах (K)
   • Допустимый диапазон: 104K до 282K
   • Если у вас температура в Цельсиях (°C), преобразуйте с помощью: K = °C + 273.15
   • Если у вас температура в Фаренгейтах (°F), преобразуйте с помощью: K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15

2. Ввод давления:

   • Введите значение давления в барах
   • Допустимый диапазон: 1 до 100 бар
   • Если у вас давление в других единицах:
     • Из psi: бар = psi × 0.0689476
     • Из кПа: бар = кПа × 0.01
     • Из МПа: бар = МПа × 10

Интерпретация результатов

После ввода допустимых значений температуры и давления калькулятор автоматически отобразит:

1. Плотность жидкого этилена: Рассчитанное значение плотности в кг/м³
2. Визуализация: График, показывающий изменение плотности в зависимости от температуры при выбранном давлении

Результаты можно скопировать в буфер обмена с помощью предоставленной кнопки для использования в отчетах, симуляциях или других расчетах.

Температура (K) 100 150 200 250 300

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

10 бар 50 бар 100 бар Давление 10 бар 50 бар 100 бар

Примеры расчетов

Вот несколько примеров расчетов, чтобы продемонстрировать, как плотность варьируется в зависимости от температуры и давления:

Температура (K)	Давление (бар)	Плотность (кг/м³)
150	10	567.89
200	10	478.65
250	10	372.41
200	50	487.22
200	100	498.01

Как показано в таблице, плотность жидкого этилена уменьшается с увеличением температуры (при постоянном давлении) и увеличивается с увеличением давления (при постоянной температуре).

Реализация на различных языках программирования

Вот реализации расчета плотности жидкого этилена на нескольких языках программирования:

1def calculate_ethylene_density(temperature_k, pressure_bar):
2    """
3    Рассчитать плотность жидкого этилена на основе температуры и давления.
4    
5    Аргументы:
6        temperature_k (float): Температура в Кельвинах (допустимый диапазон: 104K до 282K)
7        pressure_bar (float): Давление в барах (допустимый диапазон: 1 до 100 бар)
8        
9    Возвращает:
10        float: Плотность жидкого этилена в кг/м³
11    """
12    # Константы для этилена
13    A = 700
14    Tc = 283.18  # Критическая температура в K
15    n = 0.29683
16    B = 0.8
17    kappa = 0.00125  # Изотермическая сжимаемость в МПа⁻¹
18    P_ref = 0.1  # Эталонное давление в МПа (1 бар)
19    
20    # Преобразовать давление из бар в МПа
21    pressure_mpa = pressure_bar / 10
22    
23    # Рассчитать плотность при эталонном давлении
24    rho_ref = A * (1 - temperature_k/Tc)**n - B * temperature_k
25    
26    # Применить корректировку давления
27    rho = rho_ref * (1 + kappa * (pressure_mpa - P_ref))
28    
29    return rho
30
31# Пример использования
32temp = 200  # K
33pressure = 50  # бар
34density = calculate_ethylene_density(temp, pressure)
35print(f"Плотность жидкого этилена при {temp}K и {pressure} бар: {density:.2f} кг/м³")
36

1/**
2 * Рассчитать плотность жидкого этилена на основе температуры и давления.
3 * 
4 * @param {number} temperatureK - Температура в Кельвинах (допустимый диапазон: 104K до 282K)
5 * @param {number} pressureBar - Давление в барах (допустимый диапазон: 1 до 100 бар)
6 * @returns {number} Плотность жидкого этилена в кг/м³
7 */
8function calculateEthyleneDensity(temperatureK, pressureBar) {
9    // Константы для этилена
10    const A = 700;
11    const Tc = 283.18;  // Критическая температура в K
12    const n = 0.29683;
13    const B = 0.8;
14    const kappa = 0.00125;  // Изотермическая сжимаемость в МПа⁻¹
15    const P_ref = 0.1;  // Эталонное давление в МПа (1 бар)
16    
17    // Преобразовать давление из бар в МПа
18    const pressureMPa = pressureBar / 10;
19    
20    // Рассчитать плотность при эталонном давлении
21    const rhoRef = A * Math.pow(1 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
22    
23    // Применить корректировку давления
24    const rho = rhoRef * (1 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
25    
26    return rho;
27}
28
29// Пример использования
30const temp = 200;  // K
31const pressure = 50;  // бар
32const density = calculateEthyleneDensity(temp, pressure);
33console.log(`Плотность жидкого этилена при ${temp}K и ${pressure} бар: ${density.toFixed(2)} кг/м³`);
34

1' Функция Excel VBA для расчета плотности жидкого этилена
2Function EthyleneDensity(TemperatureK As Double, PressureBar As Double) As Double
3    ' Константы для этилена
4    Dim A As Double: A = 700
5    Dim Tc As Double: Tc = 283.18 ' Критическая температура в 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 ' Изотермическая сжимаемость в МПа⁻¹
9    Dim P_ref As Double: P_ref = 0.1 ' Эталонное давление в МПа (1 бар)
10    
11    ' Преобразовать давление из бар в МПа
12    Dim PressureMPa As Double: PressureMPa = PressureBar / 10
13    
14    ' Рассчитать плотность при эталонном давлении
15    Dim rho_ref As Double: rho_ref = A * (1 - TemperatureK / Tc) ^ n - B * TemperatureK
16    
17    ' Применить корректировку давления
18    EthyleneDensity = rho_ref * (1 + kappa * (PressureMPa - P_ref))
19End Function
20
21' Использование в ячейке Excel:
22' =EthyleneDensity(200, 50)
23

1function density = ethyleneDensity(temperatureK, pressureBar)
2    % Рассчитать плотность жидкого этилена на основе температуры и давления
3    %
4    % Входные данные:
5    %   temperatureK - Температура в Кельвинах (допустимый диапазон: 104K до 282K)
6    %   pressureBar - Давление в барах (допустимый диапазон: 1 до 100 бар)
7    %
8    % Выходные данные:
9    %   density - Плотность жидкого этилена в кг/м³
10    
11    % Константы для этилена
12    A = 700;
13    Tc = 283.18;  % Критическая температура в K
14    n = 0.29683;
15    B = 0.8;
16    kappa = 0.00125;  % Изотермическая сжимаемость в МПа⁻¹
17    P_ref = 0.1;  % Эталонное давление в МПа (1 бар)
18    
19    % Преобразовать давление из бар в МПа
20    pressureMPa = pressureBar / 10;
21    
22    % Рассчитать плотность при эталонном давлении
23    rho_ref = A * (1 - temperatureK/Tc)^n - B * temperatureK;
24    
25    % Применить корректировку давления
26    density = rho_ref * (1 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
27end
28
29% Пример использования
30temp = 200;  % K
31pressure = 50;  % бар
32density = ethyleneDensity(temp, pressure);
33fprintf('Плотность жидкого этилена при %gK и %g бар: %.2f кг/м³\n', temp, pressure, density);
34

1#include <iostream>
2#include <cmath>
3
4/**
5 * Рассчитать плотность жидкого этилена на основе температуры и давления.
6 * 
7 * @param temperatureK Температура в Кельвинах (допустимый диапазон: 104K до 282K)
8 * @param pressureBar Давление в барах (допустимый диапазон: 1 до 100 бар)
9 * @return Плотность жидкого этилена в кг/м³
10 */
11double calculateEthyleneDensity(double temperatureK, double pressureBar) {
12    // Константы для этилена
13    const double A = 700.0;
14    const double Tc = 283.18;  // Критическая температура в K
15    const double n = 0.29683;
16    const double B = 0.8;
17    const double kappa = 0.00125;  // Изотермическая сжимаемость в МПа⁻¹
18    const double P_ref = 0.1;  // Эталонное давление в МПа (1 бар)
19    
20    // Преобразовать давление из бар в МПа
21    double pressureMPa = pressureBar / 10.0;
22    
23    // Рассчитать плотность при эталонном давлении
24    double rho_ref = A * pow(1.0 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
25    
26    // Применить корректировку давления
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;  // бар
35    double density = calculateEthyleneDensity(temp, pressure);
36    
37    std::cout << "Плотность жидкого этилена при " << temp << "K и " 
38              << pressure << " бар: " << density << " кг/м³" << std::endl;
39    
40    return 0;
41}
42

1public class EthyleneDensityCalculator {
2    /**
3     * Рассчитать плотность жидкого этилена на основе температуры и давления.
4     * 
5     * @param temperatureK Температура в Кельвинах (допустимый диапазон: 104K до 282K)
6     * @param pressureBar Давление в барах (допустимый диапазон: 1 до 100 бар)
7     * @return Плотность жидкого этилена в кг/м³
8     */
9    public static double calculateEthyleneDensity(double temperatureK, double pressureBar) {
10        // Константы для этилена
11        final double A = 700.0;
12        final double Tc = 283.18;  // Критическая температура в K
13        final double n = 0.29683;
14        final double B = 0.8;
15        final double kappa = 0.00125;  // Изотермическая сжимаемость в МПа⁻¹
16        final double P_ref = 0.1;  // Эталонное давление в МПа (1 бар)
17        
18        // Преобразовать давление из бар в МПа
19        double pressureMPa = pressureBar / 10.0;
20        
21        // Рассчитать плотность при эталонном давлении
22        double rhoRef = A * Math.pow(1.0 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
23        
24        // Применить корректировку давления
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;  // бар
33        double density = calculateEthyleneDensity(temp, pressure);
34        
35        System.out.printf("Плотность жидкого этилена при %.1fK и %.1f бар: %.2f кг/м³%n", 
36                          temp, pressure, density);
37    }
38}
39

Применение и области использования

Промышленные приложения

1. Нефтехимическая переработка:

   • Точные значения плотности необходимы для проектирования колонн дистилляции, реакторов и оборудования для разделения в производстве и переработке этилена.
   • Расчеты потока в трубопроводах и технологическом оборудовании требуют точных данных о плотности.

2. Криогенное хранение и транспортировка:

   • Этилен часто хранится и транспортируется в виде криогенной жидкости. Расчеты плотности помогают определить емкости хранилищ и предельные нагрузки.
   • Учет теплового расширения при нагреве требует точных зависимостей плотности от температуры.

3. Производство полиэтилена:

   • Как основной сырьевой материал для производства полиэтилена, свойства этилена, включая плотность, влияют на кинетику реакции и качество продукта.
   • Расчеты баланса массы на производственных предприятиях зависят от точных значений плотности.

4. Системы охлаждения:

   • Этилен используется в качестве хладагента в некоторых промышленных системах охлаждения, где плотность влияет на производительность и эффективность системы.
   • Расчеты зарядки для систем охлаждения требуют точных данных о плотности.

5. Контроль качества:

   • Измерения плотности могут служить индикаторами чистоты этилена в производстве и хранении.

Научные приложения

1. Термодинамические исследования:

   • Исследователи, изучающие фазовое поведение и модели уравнений состояния, используют данные о плотности для валидации теоретических моделей.
   • Точные измерения плотности помогают в разработке улучшенных корреляций для свойств жидкости.

2. Разработка материалов:

   • Разработка новых полимеров и материалов на основе этилена требует понимания физических свойств мономера.

3. Симуляция процессов:

   • Химические процессные симуляторы требуют точных моделей плотности этилена для предсказания поведения системы.

Проектирование в инженерии

1. Размеры оборудования:

   • Насосы, клапаны и трубопроводные системы, обрабатывающие жидкий этилен, должны быть спроектированы на основе точных свойств жидкости, включая плотность.
   • Расчеты падения давления в технологическом оборудовании зависят от плотности жидкости.

2. Системы безопасности:

   • Размеры предохранительных клапанов и проектирование систем безопасности требуют точных значений плотности в различных рабочих диапазонах.
   • Системы обнаружения утечек могут использовать измерения плотности как часть своего мониторинга.

Альтернативы расчету

Хотя этот калькулятор предоставляет удобный способ оценки плотности жидкого этилена, существуют альтернативные подходы:

1. Экспериментальное измерение:

   • Прямое измерение с использованием денситометров или пикнометров обеспечивает самые точные результаты, но требует специализированного оборудования.
   • Лабораторный анализ обычно используется для высокоточных требований или научных целей.

2. Модели уравнения состояния:

   • Более сложные уравнения состояния, такие как Пэнг-Робинсон, Соаве-Редлих-Квонг или SAFT, могут предоставить оценки плотности с потенциально более высокой точностью, особенно вблизи критических условий.
   • Эти модели обычно требуют специализированного программного обеспечения и больше вычислительных ресурсов.

3. База данных NIST REFPROP:

   • База данных NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) предоставляет данные о свойствах с высокой точностью, но требует лицензии.

4. Опубликованные таблицы данных:

   • Справочные справочники и опубликованные таблицы данных предоставляют значения плотности при дискретных температурах и давлениях.
   • Для конкретных условий может потребоваться интерполяция между значениями таблицы.

Историческое развитие расчетов плотности этилена

Ранние исследования свойств этилена

Изучение физических свойств этилена восходит к началу 19 века, когда Майкл Фарадей впервые сжижал этилен в 1834 году с использованием комбинации низкой температуры и высокого давления. Однако систематические исследования плотности жидкого этилена начались в начале 20 века, когда промышленные приложения для этилена стали расширяться.

Разработка корреляций

В 1940-х и 1950-х годах, с быстрым ростом нефтехимической промышленности, стали необходимы более точные измерения свойств этилена. Ранние корреляции для жидкой плотности, как правило, были простыми полиномиальными функциями температуры, с ограниченной точностью и диапазоном.

1960-е годы стали свидетелями разработки более сложных моделей, основанных на принципе соответствующих состояний, которые позволили оценивать свойства на основе критических параметров. Эти модели улучшили точность, но все еще имели ограничения, особенно при высоких давлениях.

Современные подходы

Институт проектирования физических свойств (DIPPR) начал разрабатывать стандартизированные корреляции для химических свойств в 1980-х годах. Их корреляции для плотности жидкого этилена представляют собой значительное улучшение в точности и надежности.

В последние десятилетия достижения в вычислительных методах позволили разработать более сложные уравнения состояния, которые могут точно предсказывать свойства этилена в широких диапазонах температуры и давления. Современные молекулярные симуляционные техники также позволяют предсказывать свойства из первых принципов.

Экспериментальные методы

Методы измерения плотности также значительно эволюционировали. Ранние методы полагались на простые методы вытеснения, в то время как современные методы включают:

• Денситометры с вибрацией
• Магнитные балансиры
• Пикнометры с контролем температуры
• Методы гидростатического взвешивания

Эти современные методы обеспечили высококачественные экспериментальные данные, необходимые для разработки и валидации корреляций, используемых в этом калькуляторе.

Часто задаваемые вопросы

Что такое жидкий этилен?

Жидкий этилен — это жидкое состояние этилена (C₂H₄), бесцветного, воспламеняющегося газа при комнатной температуре и атмосферном давлении. Этилен необходимо охладить ниже его точки кипения -103.7°C (169.45K) при атмосферном давлении, чтобы он существовал в виде жидкости. В этом состоянии он обычно используется в промышленных процессах, особенно как сырье для производства полиэтилена.

Почему плотность этилена важна?

Плотность этилена имеет решающее значение для проектирования хранилищ, транспортных систем и технологического оборудования. Точные значения плотности позволяют правильно подбирать размеры оборудования, обеспечивать безопасность при обращении и позволять точно рассчитывать массовые потоки, теплообмен и другие параметры процесса. Плотность также влияет на экономику хранения и транспортировки, так как она определяет, сколько этилена можно содержать в заданном объеме.

Как температура влияет на плотность жидкого этилена?

Температура оказывает значительное влияние на плотность жидкого этилена. С увеличением температуры плотность уменьшается из-за теплового расширения жидкости. Вблизи критической температуры (283.18K) плотность изменяется более резко при небольших изменениях температуры. Эта зависимость особенно важна в криогенных приложениях, где контроль температуры имеет решающее значение.

Как давление влияет на плотность жидкого этилена?

Давление оказывает умеренное влияние на плотность жидкого этилена. Более высокие давления приводят к незначительному увеличению плотности из-за сжатия жидкости. Этот эффект менее выражен, чем температурные эффекты, но становится более значительным при давлениях выше 50 бар. Связь между давлением и плотностью примерно линейная в пределах нормального рабочего диапазона.

Что происходит с плотностью этилена вблизи критической точки?

Вблизи критической точки (примерно 283.18K и 50.4 бар) плотность этилена становится очень чувствительной к небольшим изменениям температуры и давления. Различие между жидкой и газообразной фазами исчезает в критической точке, и плотность приближается к критической плотности около 214 кг/м³. Калькулятор может не предоставлять точные результаты очень близко к критической точке из-за сложного поведения в этом регионе.

Можно ли использовать этот калькулятор для газообразного этилена?

Нет, этот калькулятор специально предназначен для жидкого этилена в диапазоне температур от 104K до 282K и давлений от 1 до 100 бар. Расчеты плотности газообразного этилена требуют других уравнений состояния, таких как закон идеального газа с поправками на сжимаемость или более сложные модели, такие как Пэнг-Робинсон или Соаве-Редлих-Квонг.

Насколько точен этот калькулятор?

Калькулятор предоставляет оценки плотности с точностью примерно ±2% в пределах указанных диапазонов температуры и давления. Точность может снижаться вблизи границ допустимых диапазонов, особенно вблизи критической точки. Для приложений, требующих более высокой точности, могут потребоваться лабораторные измерения или более сложные термодинамические модели.

Какие единицы измерения использует калькулятор?

Калькулятор использует следующие единицы измерения:

• Температура: Кельвины (K)
• Давление: бары
• Плотность: килограммы на кубический метр (кг/м³)

Могу ли я преобразовать плотность в другие единицы?

Да, вы можете преобразовать плотность в другие общие единицы, используя следующие коэффициенты преобразования:

• В г/см³: разделите на 1000
• В фунты/фут³: умножьте на 0.06243
• В фунты/гал (США): умножьте на 0.008345

Где я могу найти более подробные данные о свойствах этилена?

Для получения более обширных данных о свойствах этилена обращайтесь к таким ресурсам, как:

• База данных NIST REFPROP
• Справочник химических инженеров Перри
• Справочник термодинамических свойств Яуза
• База данных DIPPR проекта AIChE
• Публикации в журналах по равновесию фаз и термофизическим свойствам

Ссылка на наш калькулятор

Наш калькулятор плотности жидкого этилена предоставляет мгновенные, точные значения плотности на основе ваших конкретных требований к температуре и давлению. Просто введите ваши параметры в допустимых диапазонах, и калькулятор автоматически определит плотность жидкого этилена для вашего приложения.

Будь то проектирование технологического оборудования, планирование хранилищ или проведение исследований, этот инструмент предлагает быстрый и надежный способ получения необходимой информации о плотности. Включенная визуализация помогает вам понять, как плотность изменяется с температурой при выбранной точке давления.

Если у вас есть вопросы или отзывы о этом калькуляторе, пожалуйста, свяжитесь с нашей службой поддержки.