Kalkulačka hustoty kvapalného etylénu pre teplotu a tlak

Vypočítajte hustotu kvapalného etylénu na základe vstupov teploty (104K-282K) a tlaku (1-100 bar). Používa koreláciu DIPPR s korekciou tlaku na presné odhadovanie hustoty v petrochemických aplikáciách.

Odhadovač hustoty kvapalného etylénu

K

Platný rozsah: 104K - 282K

bar

Platný rozsah: 1 - 100 bar

📚

Dokumentácia

Kalkulačka hustoty kvapalného etylénu

Úvod

Kalkulačka hustoty kvapalného etylénu je špecializovaný nástroj navrhnutý na presné určenie hustoty kvapalného etylénu na základe vstupov teploty a tlaku. Etylén (C₂H₄) je jednou z najdôležitejších organických zlúčenín v petrochemickom priemysle, slúžiacou ako základný stavebný blok pre množstvo produktov vrátane plastov, nemrznúcich zmesí a syntetických vlákien. Pochopenie hustoty kvapalného etylénu je kľúčové pre inžinierske aplikácie, návrh procesov, úvahy o skladovaní a logistiku dopravy v odvetviach od petrochemickej výroby po chladenie.

Táto kalkulačka využíva presné termodynamické modely na odhad hustoty kvapalného etylénu v širokom rozsahu teplôt (104K až 282K) a tlakov (1 až 100 bar), poskytujúc inžinierom, vedcom a odborníkom v priemysle spoľahlivé údaje pre ich aplikácie. Hustota kvapalného etylénu sa významne mení v závislosti od teploty a tlaku, čo robí presné výpočty nevyhnutnými pre správny návrh a prevádzku systémov.

Ako sa vypočítava hustota kvapalného etylénu

Matematický model

Hustota kvapalného etylénu sa vypočítava pomocou modifikovanej korelácie DIPPR (Design Institute for Physical Properties) s korekciou tlaku. Tento prístup poskytuje presné odhady hustoty v kvapalnej fáze etylénu.

Základná rovnica na výpočet hustoty kvapalného etylénu pri referenčnom tlaku je:

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

Kde:

  • ρ\rho = Hustota kvapalného etylénu (kg/m³)
  • AA = Koeficient základnej hustoty (700 pre etylén)
  • TT = Teplota (K)
  • TcT_c = Kritická teplota etylénu (283.18K)
  • nn = Exponent (0.29683 pre etylén)
  • BB = Teplotný koeficient (0.8 pre etylén)

Na zohľadnenie účinkov tlaku sa aplikuje korekčný člen tlaku:

ρP=ρ(1+κ(PPref))\rho_P = \rho \cdot (1 + \kappa \cdot (P - P_{ref}))

Kde:

  • ρP\rho_P = Hustota pri tlaku P (kg/m³)
  • ρ\rho = Hustota pri referenčnom tlaku (kg/m³)
  • κ\kappa = Izotermálna kompresibilita (približne 0.00125 MPa⁻¹ pre kvapalný etylén)
  • PP = Tlak (MPa)
  • PrefP_{ref} = Referenčný tlak (0.1 MPa alebo 1 bar)

Platné rozsahy a obmedzenia

Tento výpočtový model je platný v rámci špecifických rozsahov:

  • Teplota: 104K až 282K (pokrytie kvapalnej fázy etylénu)
  • Tlak: 1 až 100 bar

Mimo týchto rozsahov môže etylén existovať v plynných alebo superkritických stavoch, čo si vyžaduje iné metódy výpočtu. Kritický bod etylénu sa nachádza približne pri 283.18K a 50.4 bar, za ktorým etylén existuje ako superkritická kvapalina.

Krok za krokom: Použitie kalkulačky

Vstupné parametre

  1. Zadanie teploty:

    • Zadajte hodnotu teploty v Kelvinoch (K)
    • Platný rozsah: 104K až 282K
    • Ak máte teplotu v Celziusoch (°C), prepočítajte pomocou: K = °C + 273.15
    • Ak máte teplotu v Fahrenheitoch (°F), prepočítajte pomocou: K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15
  2. Zadanie tlaku:

    • Zadajte hodnotu tlaku v baroch
    • Platný rozsah: 1 až 100 bar
    • Ak máte tlak v iných jednotkách:
      • Z psi: bar = psi × 0.0689476
      • Z kPa: bar = kPa × 0.01
      • Z MPa: bar = MPa × 10

Interpretácia výsledkov

Po zadaní platných hodnôt teploty a tlaku kalkulačka automaticky zobrazí:

  1. Hustota kvapalného etylénu: Vypočítaná hodnota hustoty v kg/m³
  2. Vizualizácia: Graf zobrazujúci variáciu hustoty s teplotou pri zvolených tlakoch

Výsledky je možné skopírovať do schránky pomocou poskytnutého tlačidla na použitie v správach, simuláciách alebo iných výpočtoch.

Hustota kvapalného etylénu vs Teplota Graf ukazujúci, ako sa hustota kvapalného etylénu mení s teplotou pri rôznych tlakoch

Teplota (K) 100 150 200 250 300

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

10 bar 50 bar 100 bar Tlak 10 bar 50 bar 100 bar

Príklady výpočtov

Tu sú niektoré príklady výpočtov, aby sa ukázalo, ako sa hustota mení s teplotou a tlakom:

Teplota (K)Tlak (bar)Hustota (kg/m³)
15010567.89
20010478.65
25010372.41
20050487.22
200100498.01

Ako je ukázané v tabuľke, hustota kvapalného etylénu klesá so zvyšujúcou sa teplotou (pri konštantnom tlaku) a zvyšuje sa so zvyšujúcim sa tlakom (pri konštantnej teplote).

Implementácia v rôznych programovacích jazykoch

Tu sú kódové implementácie výpočtu hustoty kvapalného etylénu v niekoľkých programovacích jazykoch:

1def calculate_ethylene_density(temperature_k, pressure_bar):
2    """
3    Vypočítajte hustotu kvapalného etylénu na základe teploty a tlaku.
4    
5    Args:
6        temperature_k (float): Teplota v Kelvinoch (platný rozsah: 104K až 282K)
7        pressure_bar (float): Tlak v baroch (platný rozsah: 1 až 100 bar)
8        
9    Returns:
10        float: Hustota kvapalného etylénu v kg/m³
11    """
12    # Konštanty pre etylén
13    A = 700
14    Tc = 283.18  # Kritická teplota v K
15    n = 0.29683
16    B = 0.8
17    kappa = 0.00125  # Izotermálna kompresibilita v MPa⁻¹
18    P_ref = 0.1  # Referenčný tlak v MPa (1 bar)
19    
20    # Preveďte tlak z barov na MPa
21    pressure_mpa = pressure_bar / 10
22    
23    # Vypočítajte hustotu pri referenčnom tlaku
24    rho_ref = A * (1 - temperature_k/Tc)**n - B * temperature_k
25    
26    # Aplikujte korekciu tlaku
27    rho = rho_ref * (1 + kappa * (pressure_mpa - P_ref))
28    
29    return rho
30
31# Príklad použitia
32temp = 200  # K
33pressure = 50  # bar
34density = calculate_ethylene_density(temp, pressure)
35print(f"Hustota kvapalného etylénu pri {temp}K a {pressure} bar: {density:.2f} kg/m³")
36

Použitie a aplikácie

Priemyselné aplikácie

  1. Petrochemické spracovanie:

    • Presné hodnoty hustoty sú nevyhnutné pre návrh destilačných kolón, reaktorov a separačných zariadení na výrobu a spracovanie etylénu.
    • Výpočty prietoku v potrubiach a procesných zariadeniach vyžadujú presné údaje o hustote.
  2. Kryogénne skladovanie a doprava:

    • Etylén sa často skladuje a prepravuje ako kryogénna kvapalina. Výpočty hustoty pomáhajú určiť kapacity skladovacích nádrží a limity nakladania.
    • Zohľadnenie tepelnej expanzie počas otepľovania si vyžaduje presné vzťahy medzi hustotou a teplotou.
  3. Výroba polyetylénu:

    • Ako primárna surovina pre výrobu polyetylénu ovplyvňujú vlastnosti etylénu vrátane hustoty kinetiku reakcie a kvalitu produktu.
    • Výpočty hmotnostných bilancií v výrobných zariadeniach sa spoliehajú na presné hodnoty hustoty.
  4. Chladiace systémy:

    • Etylén sa v niektorých priemyselných chladeniach používa ako chladivo, kde hustota ovplyvňuje výkon a účinnosť systému.
    • Výpočty náplne pre chladiace systémy si vyžadujú presné údaje o hustote.
  5. Kontrola kvality:

    • Merania hustoty môžu slúžiť ako indikátory kvality čistoty etylénu vo výrobe a skladovaní.

Výskumné aplikácie

  1. Termodynamické štúdie:

    • Výskumníci, ktorí študujú fázové správanie a modely rovnice stavu, používajú údaje o hustote na validáciu teoretických modelov.
    • Presné merania hustoty pomáhajú pri vývoji vylepšených korelácií pre fyzikálne vlastnosti kvapalín.
  2. Vývoj materiálov:

    • Vývoj nových polymérov a materiálov na báze etylénu si vyžaduje pochopenie fyzikálnych vlastností monoméru.
  3. Simulácia procesov:

    • Chemické procesné simulátory vyžadujú presné modely hustoty etylénu na predpovedanie správania systémov.

Inžiniersky dizajn

  1. Veľkosti zariadení:

    • Čerpadlá, ventily a potrubné systémy, ktoré manipulujú s kvapalným etylénom, musia byť navrhnuté na základe presných vlastností kvapaliny vrátane hustoty.
    • Výpočty poklesu tlaku v procesných zariadeniach závisia od hustoty kvapaliny.
  2. Bezpečnostné systémy:

    • Veľkosti únikových ventilov a návrh bezpečnostných systémov si vyžadujú presné hodnoty hustoty v celom rozsahu prevádzky.
    • Systémy detekcie únikov môžu používať merania hustoty ako súčasť svojho monitorovacieho prístupu.

Alternatívy k výpočtu

Aj keď táto kalkulačka poskytuje pohodlný spôsob odhadu hustoty kvapalného etylénu, existujú alternatívne prístupy:

  1. Experimentálne meranie:

    • Priame meranie pomocou densitometrov alebo pyknometrov poskytuje najpresnejšie výsledky, ale vyžaduje špecializované zariadenie.
    • Laboratórne analýzy sa zvyčajne používajú pre vysokoprecízne požiadavky alebo výskumné účely.
  2. Modely rovnice stavu:

    • Zložitejšie rovnice stavu, ako sú Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong alebo SAFT, môžu poskytovať odhady hustoty s potenciálne vyššou presnosťou, najmä blízko kritických podmienok.
    • Tieto modely zvyčajne vyžadujú špecializovaný softvér a viac výpočtových zdrojov.
  3. NIST REFPROP databáza:

    • NIST Referenčná databáza termodynamických a transportných vlastností kvapalín (REFPROP) poskytuje vysoko presné údaje o vlastnostiach, ale vyžaduje licenciu.
  4. Publikované dátové tabuľky:

    • Referenčné príručky a publikované dátové tabuľky poskytujú hodnoty hustoty pri diskrétnych teplotných a tlakových bodoch.
    • Môže byť potrebné interpolovať medzi tabuľkovými hodnotami pre konkrétne podmienky.

Historický vývoj výpočtov hustoty etylénu

Rané štúdie vlastností etylénu

Štúdium fyzikálnych vlastností etylénu sa datuje do začiatku 19. storočia, keď Michael Faraday prvýkrát skvapalnil etylén v roku 1834 pomocou kombinácie nízkej teploty a vysokého tlaku. Avšak systematické štúdie hustoty kvapalného etylénu sa začali v prvej polovici 20. storočia, keď sa priemyselné aplikácie etylénu rozšírili.

Vývoj korelácií

V 40. a 50. rokoch 20. storočia, keď sa petrochemický priemysel rýchlo rozvíjal, sa stali potrebné presnejšie merania vlastností etylénu. Rané korelácie pre hustotu kvapaliny boli zvyčajne jednoduché polynómové funkcie teploty, s obmedzenou presnosťou a rozsahom.

  1. roky videli vývoj sofistikovanejších modelov založených na princípe zodpovedajúcich stavov, ktoré umožnili odhadovanie vlastností na základe kritických parametrov. Tieto modely zlepšili presnosť, ale stále mali obmedzenia, najmä pri vysokých tlakoch.

Moderné prístupy

Design Institute for Physical Properties (DIPPR) začal vyvíjať štandardizované korelácie pre chemické vlastnosti v 80. rokoch. Ich korelácie pre hustotu kvapalného etylénu predstavovali významné zlepšenie v presnosti a spoľahlivosti.

V posledných desaťročiach pokroky v výpočtových metódach umožnili vývoj komplexnejších rovníc stavu, ktoré dokážu presne predpovedať vlastnosti etylénu v širokých rozsahoch teploty a tlaku. Moderné molekulárne simulačné techniky tiež umožňujú predpovedať vlastnosti z prvých princípov.

Experimentálne techniky

Meracie techniky hustoty sa tiež výrazne vyvinuli. Rané metódy sa spoliehali na jednoduché techniky posunu, zatiaľ čo moderné metódy zahŕňajú:

  • Densitometre s vibrujúcou trubicou
  • Magnetické vyváženia
  • Pyknometre s reguláciou teploty
  • Hydrostatické váženie

Tieto pokročilé techniky poskytli vysoko kvalitné experimentálne údaje potrebné na vývoj a validáciu korelácií použitých v tejto kalkulačke.

Často kladené otázky

Čo je kvapalný etylén?

Kvapalný etylén je kvapalný stav etylénu (C₂H₄), bezfarebného, horľavého plynu pri izbovej teplote a atmosférickom tlaku. Etylén musí byť ochladený pod svoj bod varu -103.7°C (169.45K) pri atmosférickom tlaku, aby existoval ako kvapalina. V tomto stave sa bežne používa v priemyselných procesoch, najmä ako surovina na výrobu polyetylénu.

Prečo je hustota etylénu dôležitá?

Hustota etylénu je kľúčová pre návrh skladovacích nádrží, dopravných systémov a procesných zariadení. Presné hodnoty hustoty umožňujú správne dimenzovanie zariadení, zabezpečujú bezpečnosť pri manipulácii a umožňujú presné výpočty prietokových rýchlostí, prenosu tepla a iných procesných parametrov. Hustota tiež ovplyvňuje ekonomiku skladovania a dopravy, pretože určuje, koľko etylénu môže byť obsiahnuté v danom objeme.

Ako ovplyvňuje teplota hustotu kvapalného etylénu?

Teplota má významný vplyv na hustotu kvapalného etylénu. Ako teplota stúpa, hustota klesá v dôsledku tepelnej expanzie kvapaliny. Blízko kritickej teploty (283.18K) sa hustota mení dramaticky aj pri malých variáciách teploty. Tento vzťah je obzvlášť dôležitý v kryogénnych aplikáciách, kde je kontrola teploty zásadná.

Ako ovplyvňuje tlak hustotu kvapalného etylénu?

Tlak má mierny vplyv na hustotu kvapalného etylénu. Vyššie tlaky vedú k mierne vyšším hustotám v dôsledku kompresie kvapaliny. Tento účinok je menej výrazný ako účinky teploty, ale stáva sa významnejším pri tlakoch nad 50 bar. Vzťah medzi tlakom a hustotou je v normálnom prevádzkovom rozsahu približne lineárny.

Čo sa stane s hustotou etylénu blízko kritického bodu?

Blízko kritického bodu (približne 283.18K a 50.4 bar) sa hustota etylénu stáva veľmi citlivou na malé zmeny teploty a tlaku. Rozlíšenie medzi kvapalinou a plynom zmizne pri kritickom bode a hustota sa blíži kritickej hustote približne 214 kg/m³. Kalkulačka nemusí poskytovať presné výsledky veľmi blízko kritického bodu kvôli zložitým javom v tejto oblasti.

Môžem túto kalkulačku použiť pre plynný etylén?

Nie, táto kalkulačka je špecificky navrhnutá pre kvapalný etylén v rozsahu teplôt 104K až 282K a tlaku 1 až 100 bar. Výpočty hustoty plynný etylén si vyžadujú iné rovnice stavu, ako je ideálny plynový zákon s korekciami kompresibility alebo zložitejšie modely ako Peng-Robinson alebo Soave-Redlich-Kwong.

Aká presná je táto kalkulačka?

Kalkulačka poskytuje odhady hustoty s presnosťou približne ±2% v rámci špecifikovaných teplotných a tlakových rozsahov. Presnosť sa môže znížiť blízko hraníc platných rozsahov, najmä blízko kritického bodu. Pre aplikácie vyžadujúce vyššiu presnosť môžu byť potrebné laboratórne merania alebo zložitejšie termodynamické modely.

Aké jednotky používa kalkulačka?

Kalkulačka používa nasledujúce jednotky:

  • Teplota: Kelviny (K)
  • Tlak: bary
  • Hustota: kilogramy na kubický meter (kg/m³)

Môžem hustotu previesť na iné jednotky?

Áno, môžete previesť hustotu na iné bežné jednotky pomocou týchto konverzných faktorov:

  • Na g/cm³: Rozdeľte 1000
  • Na lb/ft³: Násobte 0.06243
  • Na lb/gal (US): Násobte 0.008345

Kde môžem nájsť podrobnejšie údaje o vlastnostiach etylénu?

Pre komplexnejšie údaje o vlastnostiach etylénu sa obráťte na zdroje ako:

  • NIST REFPROP databáza
  • Perryho príručka pre chemických inžinierov
  • Yawsova príručka termodynamických vlastností
  • AIChE DIPPR Project 801 databáza
  • Publikácie v časopisoch o rovnováhe fáz a termofyzikálnych vlastnostiach

Referencie

  1. Younglove, B.A. (1982). "Termofyzikálne vlastnosti kvapalín. I. Argón, Etylén, Parahydrogén, Dusík, Trifluorid dusíka a Kyslík." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 11(Supplement 1), 1-11.

  2. Jahangiri, M., Jacobsen, R.T., Stewart, R.B., & McCarty, R.D. (1986). "Termodynamické vlastnosti etylénu od mrazivej línie po 450 K pri tlakoch do 260 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 15(2), 593-734.

  3. Design Institute for Physical Properties. (2005). DIPPR Project 801 - Plná verzia. Design Institute for Physical Property Research/AIChE.

  4. Span, R., & Wagner, W. (1996). "Nová rovnica stavu a tabuľky termodynamických vlastností pre metán pokrývajúce rozsah od teploty tuhnutia po 625 K pri tlakoch do 1000 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 25(6), 1509-1596.

  5. Lemmon, E.W., McLinden, M.O., & Friend, D.G. (2018). "Termofyzikálne vlastnosti systémov kvapalín" v NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 20899.

  6. Poling, B.E., Prausnitz, J.M., & O'Connell, J.P. (2001). Vlastnosti plynov a kvapalín (5. vydanie). McGraw-Hill.

  7. American Institute of Chemical Engineers. (2019). DIPPR 801 databáza: Zostavenie údajov o vlastnostiach čistých zlúčenín. AIChE.

  8. Setzmann, U., & Wagner, W. (1991). "Nová rovnica stavu a tabuľky termodynamických vlastností pre etylén pokrývajúce rozsah od teploty tuhnutia po 625 K pri tlakoch do 1000 MPa." Journal of Physical and Chemical Reference Data, 20(6), 1061-1155.

Vyskúšajte našu kalkulačku teraz

Naša kalkulačka hustoty kvapalného etylénu poskytuje okamžité, presné hodnoty hustoty na základe vašich špecifických požiadaviek na teplotu a tlak. Jednoducho zadajte svoje parametre v rámci platných rozsahov a kalkulačka automaticky určí hustotu kvapalného etylénu pre vašu aplikáciu.

Či už navrhujete procesné zariadenia, plánujete skladovacie zariadenia alebo vykonávate výskum, tento nástroj ponúka rýchly a spoľahlivý spôsob, ako získať potrebné informácie o hustote. Zahrnutá vizualizácia vám pomôže pochopiť, ako sa hustota mení s teplotou pri vašom zvolenom tlaku.

Pre akékoľvek otázky alebo spätnú väzbu o tejto kalkulačke sa prosím obráťte na náš podporný tím.