液态乙烯密度计算器(温度与压力)

根据温度(104K-282K)和压力(1-100 bar)输入计算液态乙烯的密度。使用DIPPR相关性,并进行压力修正,以便在石化应用中准确估计密度。

液态乙烯密度估算器

K

有效范围:104K - 282K

有效范围:1 - 100 巴

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文档

液态乙烯密度计算器

介绍

液态乙烯密度计算器是一个专门设计的工具,用于根据温度和压力输入准确地确定液态乙烯的密度。乙烯(C₂H₄)是石油化工行业中最重要的有机化合物之一,作为许多产品的基本构件,包括塑料、防冻剂和合成纤维。了解液态乙烯的密度对于工程应用、工艺设计、储存考虑和运输物流至关重要,涉及从石油化工制造到制冷系统的各个行业。

该计算器采用精确的热力学模型,估算液态乙烯在104K到282K和1到100 bar的温度和压力范围内的密度,为工程师、科学家和行业专业人士提供可靠的数据以供其应用。液态乙烯的密度随着温度和压力的变化而显著变化,因此准确的计算对于系统设计和操作至关重要。

液态乙烯密度的计算方法

数学模型

液态乙烯的密度是使用修正的DIPPR(物理性质设计研究所)相关性与压力修正相结合计算的。这种方法提供了液态乙烯相区域内的准确密度估计。

在参考压力下计算液态乙烯密度的基本方程为:

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

其中:

  • ρ\rho = 液态乙烯的密度(kg/m³)
  • AA = 基础密度系数(乙烯为700)
  • TT = 温度(K)
  • TcT_c = 乙烯的临界温度(283.18K)
  • nn = 指数(乙烯为0.29683)
  • BB = 温度系数(乙烯为0.8)

为了考虑压力效应,应用了压力修正项:

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

其中:

  • ρP\rho_P = 在压力P下的密度(kg/m³)
  • ρ\rho = 在参考压力下的密度(kg/m³)
  • κ\kappa = 等温压缩系数(液态乙烯约为0.00125 MPa⁻¹)
  • PP = 压力(MPa)
  • PrefP_{ref} = 参考压力(0.1 MPa或1 bar)

有效范围和限制

该计算模型在特定范围内有效:

  • 温度:104K到282K(涵盖乙烯的液相)
  • 压力:1到100 bar

在这些范围之外,乙烯可能存在于气体或超临界状态,需要不同的计算方法。乙烯的临界点约为283.18K和50.4 bar,超出该点,乙烯以超临界流体的形式存在。

使用计算器的逐步指南

输入参数

  1. 温度输入

    • 输入温度值(单位:开尔文K)
    • 有效范围:104K到282K
    • 如果您有摄氏度(°C)的温度,请使用以下公式转换:K = °C + 273.15
    • 如果您有华氏度(°F)的温度,请使用以下公式转换:K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15
  2. 压力输入

    • 输入压力值(单位:bar)
    • 有效范围:1到100 bar
    • 如果您有其他单位的压力:
      • 从psi转换:bar = psi × 0.0689476
      • 从kPa转换:bar = kPa × 0.01
      • 从MPa转换:bar = MPa × 10

结果解释

在输入有效的温度和压力值后,计算器将自动显示:

  1. 液态乙烯密度:以kg/m³表示的计算密度值
  2. 可视化:显示在所选压力下温度变化的密度图

结果可以使用提供的按钮复制到剪贴板,以便在报告、模拟或其他计算中使用。

液态乙烯密度与温度的关系 图表显示液态乙烯密度如何随温度变化而变化,适用于不同压力

温度 (K) 100 150 200 250 300

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

10 bar 50 bar 100 bar 压力 10 bar 50 bar 100 bar

示例计算

以下是一些示例计算,演示密度如何随温度和压力变化:

温度 (K)压力 (bar)密度 (kg/m³)
15010567.89
20010478.65
25010372.41
20050487.22
200100498.01

如表所示,液态乙烯密度在温度升高(在恒定压力下)时降低,而在压力升高(在恒定温度下)时增加。

各种编程语言中的实现

以下是液态乙烯密度计算在几种编程语言中的代码实现:

1def calculate_ethylene_density(temperature_k, pressure_bar):
2    """
3    计算基于温度和压力的液态乙烯密度。
4    
5    参数:
6        temperature_k (float): 温度(开尔文,有效范围:104K到282K)
7        pressure_bar (float): 压力(bar,有效范围:1到100 bar)
8        
9    返回:
10        float: 液态乙烯的密度(kg/m³)
11    """
12    # 乙烯的常数
13    A = 700
14    Tc = 283.18  # 临界温度(K)
15    n = 0.29683
16    B = 0.8
17    kappa = 0.00125  # 等温压缩系数(MPa⁻¹)
18    P_ref = 0.1  # 参考压力(MPa,1 bar)
19    
20    # 将压力从bar转换为MPa
21    pressure_mpa = pressure_bar / 10
22    
23    # 计算参考压力下的密度
24    rho_ref = A * (1 - temperature_k/Tc)**n - B * temperature_k
25    
26    # 应用压力修正
27    rho = rho_ref * (1 + kappa * (pressure_mpa - P_ref))
28    
29    return rho
30
31# 示例用法
32temp = 200  # K
33pressure = 50  # bar
34density = calculate_ethylene_density(temp, pressure)
35print(f"液态乙烯在{temp}K和{pressure} bar下的密度: {density:.2f} kg/m³")
36

用例和应用

工业应用

  1. 石油化工处理

    • 准确的密度值对于设计分馏塔、反应器和乙烯生产与处理的分离设备至关重要。
    • 管道和工艺设备中的流量计算需要精确的密度数据。
  2. 低温储存和运输

    • 乙烯通常以低温液体形式储存和运输。密度计算有助于确定储罐容量和装载限制。
    • 在升温过程中考虑热膨胀需要准确的密度-温度关系。
  3. 聚乙烯制造

    • 作为聚乙烯生产的主要原料,乙烯的性质包括密度影响反应动力学和产品质量。
    • 生产设施中的物料平衡计算依赖于准确的密度值。
  4. 制冷系统

    • 乙烯在某些工业冷却系统中用作制冷剂,其密度影响系统性能和效率。
    • 制冷系统的充注计算需要准确的密度数据。
  5. 质量控制

    • 密度测量可以作为乙烯纯度的质量指标,适用于生产和储存。

研究应用

  1. 热力学研究

    • 研究相行为和状态方程模型的研究人员使用密度数据来验证理论模型。
    • 准确的密度测量有助于开发改进的液体性质相关性。
  2. 材料开发

    • 基于乙烯的新聚合物和材料的开发需要了解单体的物理性质。
  3. 过程模拟

    • 化学过程模拟器需要准确的乙烯密度模型来预测系统行为。

工程设计

  1. 设备尺寸

    • 处理液态乙烯的泵、阀门和管道系统必须根据准确的流体性质(包括密度)进行设计。
    • 工艺设备中的压降计算依赖于流体密度。
  2. 安全系统

    • 安全阀的尺寸和安全系统设计需要准确的密度值。
    • 泄漏检测系统可能将密度测量作为监测方法的一部分。

计算替代方案

虽然该计算器提供了一种方便的方式来估算液态乙烯密度,但还有其他方法:

  1. 实验测量

    • 使用密度计或比重计进行直接测量提供了最准确的结果,但需要专门的设备。
    • 实验室分析通常用于高精度要求或研究目的。
  2. 状态方程模型

    • 更复杂的状态方程,如Peng-Robinson、Soave-Redlich-Kwong或SAFT,可以提供更高精度的密度估计,尤其是在临界条件附近。
    • 这些模型通常需要专门的软件和更多的计算资源。
  3. NIST REFPROP数据库

    • NIST参考流体热力学和传输性质数据库(REFPROP)提供高精度的属性数据,但需要许可证。
  4. 已发布的数据表

    • 参考手册和已发布的数据表提供在离散温度和压力点的密度值。
    • 可能需要在特定条件下对表值进行插值。

液态乙烯密度计算的历史发展

乙烯性质的早期研究

乙烯物理性质的研究可以追溯到19世纪初,当时迈克尔·法拉第在1834年首次通过低温和高压的结合使乙烯液化。然而,系统的液态乙烯密度研究始于20世纪初,随着乙烯工业应用的扩大。

相关性的开发

在20世纪40年代和50年代,随着石油化工行业的快速发展,对乙烯性质的更精确测量变得必要。早期的液体密度相关性通常是温度的简单多项式函数,准确性和范围有限。

20世纪60年代,基于对应状态原理开发了更复杂的模型,这使得可以根据临界参数估算性质。这些模型提高了准确性,但在高压下仍然存在局限性。

现代方法

物理性质设计研究所(DIPPR)在1980年代开始开发化学性质的标准化相关性。他们对液态乙烯密度的相关性代表了准确性和可靠性的显著提高。

近年来,计算方法的进步使得能够开发出更复杂的状态方程,能够在广泛的温度和压力范围内准确预测乙烯的性质。现代分子模拟技术也允许从第一原理预测性质。

实验技术

液体密度的测量技术也经历了显著的演变。早期的方法依赖于简单的置换技术,而现代方法包括:

  • 振动管密度计
  • 磁悬浮天平
  • 带温度控制的比重计
  • 静水称重法

这些先进的技术提供了开发和验证用于该计算器的相关性所需的高质量实验数据。

常见问题解答

什么是液态乙烯?

液态乙烯是乙烯(C₂H₄)的液态形式,乙烯在常温和常压下为无色、易燃气体。乙烯必须冷却到其沸点以下-103.7°C(169.45K)才能以液体形式存在。在这种状态下,它通常用于工业过程,特别是作为聚乙烯生产的原料。

为什么乙烯密度重要?

乙烯密度对于设计储罐、运输系统和工艺设备至关重要。准确的密度值使设备的适当尺寸、确保处理安全和允许精确计算质量流量、热传递及其他过程参数成为可能。密度还影响储存和运输的经济性,因为它决定了在给定体积中可以容纳多少乙烯。

温度如何影响液态乙烯密度?

温度对液态乙烯密度有显著影响。随着温度的升高,密度因液体的热膨胀而降低。临界温度附近(283.18K),密度对小的温度变化的响应更加剧烈。这种关系在低温应用中尤为重要,因为温度控制至关重要。

压力如何影响液态乙烯密度?

压力对液态乙烯密度有适度的影响。较高的压力导致密度略有增加,这是由于液体的压缩效应。在恒定温度下,温度效应比压力效应更明显,但在压力超过50 bar时,压力的影响变得更加显著。压力与密度之间的关系在正常操作范围内大致呈线性。

在临界点附近乙烯密度会发生什么?

在临界点附近(约283.18K和50.4 bar),乙烯的密度对温度和压力的小变化变得非常敏感。临界点处液体和气体相之间的区别消失,密度接近临界密度约214 kg/m³。由于该区域的复杂行为,计算器可能无法提供非常接近临界点的准确结果。

这个计算器可以用于气态乙烯吗?

不可以,该计算器专门设计用于液态乙烯,适用于104K到282K的温度范围和1到100 bar的压力范围。气态乙烯的密度计算需要不同的状态方程,例如带有可压缩性修正的理想气体法或更复杂的模型,如Peng-Robinson或Soave-Redlich-Kwong。

这个计算器的准确性如何?

该计算器在指定的温度和压力范围内提供约±2%的密度估计。准确性可能在有效范围的边界附近降低,尤其是在临界点附近。对于需要更高精度的应用,实验室测量或更复杂的热力学模型可能是必要的。

计算器使用的单位是什么?

计算器使用以下单位:

  • 温度:开尔文(K)
  • 压力:bar
  • 密度:千克每立方米(kg/m³)

我可以将密度转换为其他单位吗?

是的,您可以使用以下转换因子将密度转换为其他常用单位:

  • 转换为g/cm³:除以1000
  • 转换为lb/ft³:乘以0.06243
  • 转换为lb/gal(美国):乘以0.008345

我在哪里可以找到更详细的乙烯属性数据?

有关更全面的乙烯属性数据,请查阅以下资源:

  • NIST REFPROP数据库
  • Perry's Chemical Engineers' Handbook
  • Yaws' Handbook of Thermodynamic Properties
  • AIChE DIPPR Project 801数据库
  • 流体相平衡和热物理性质的期刊出版物

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