Kalkulator Ketumpatan Etilena Cecair | Alat Percuma untuk Jurutera

Apakah kalkulator ketumpatan etilena cecair?

Kalkulator ketumpatan etilena cecair menganggarkan ketumpatan etilena cecair (C₂H₄) berdasarkan suhu dan tekanannya. Pengiraan ini berasaskan korelasi DIPPR, iaitu persamaan piawai yang digunakan di seluruh industri kejuruteraan kimia untuk meramalkan kelakuan cecair. Alat ini berfungsi pada suhu dari 104 K hingga 282 K dan tekanan dari 1 bar hingga 100 bar.

Etilena ialah gas pada suhu bilik. Pengeluar menyejukkannya hingga suhu kriogenik, di bawah kira-kira -104 °C (169 K) pada tekanan atmosfera, supaya kekal sebagai cecair untuk penyimpanan dan pengangkutan. Etilena cecair mengandungi jauh lebih banyak jisim dalam isipadu yang sama berbanding gas, sebab itulah loji menyimpan dan menghantarnya sebagai cecair. Mengetahui ketumpatannya pada suhu dan tekanan tertentu penting untuk menentukan saiz tangki penyimpanan, memeriksa aliran dalam saluran paip dan mengimbangi jisim dalam loji.

Formula ketumpatan etilena cecair

Kalkulator ini menggunakan Persamaan DIPPR 105, iaitu korelasi yang dibina daripada pengukuran eksperimen ketumpatan cecair tepu. Mula-mula, kalkulator menentukan ketumpatan molar pada suhu yang dipilih, kemudian menukarkannya kepada ketumpatan jisim, dan seterusnya membuat pelarasan bagi tekanan.

Langkah 1: Ketumpatan molar pada tekanan rujukan

$\rho_m = \frac{A}{B^{\,1 + \left(1 - \frac{T}{T_c}\right)^{D}}}$

Langkah 2: Tukar kepada ketumpatan jisim

$\rho_{ref} = \rho_m \times M$

Langkah 3: Laraskan bagi tekanan

$\rho = \rho_{ref} \times \left[1 + \kappa \left(P - P_{ref}\right)\right]$

Dengan:

$A$, $B$, $T_c$ dan $D$ ialah pemalar terpadan bagi etilena, bukannya ukuran fizikal yang perlu dimasukkan oleh pengguna. Kalkulator ini hanya meminta suhu dan tekanan.

Ketumpatan lebih sensitif terhadap suhu berbanding tekanan. Cecair hampir tidak termampat, jadi terma tekanan hanya mengubah hasil sebanyak sedikit peratus walaupun merentasi julat penuh 1–100 bar yang digunakan oleh kalkulator. Sebaliknya, suhu menyebabkan sebahagian besar perubahan dalam ketumpatan.

Cara mengira ketumpatan etilena cecair: contoh pengiraan

Cari ketumpatan etilena cecair pada 200 K dan 50 bar.

Langkah 1. Kira sebutan suhu:

$1 - \frac{200}{282.34} = 0.2916$

Langkah 2. Naikkannya kepada kuasa $D = 0.29147$:

$0.2916^{0.29147} = 0.6983$

Langkah 3. Tambahkan 1 dan naikkan $B$ kepada kuasa tersebut:

$0.27657^{\,1.6983} = 0.11273$

Langkah 4. Bahagikan $A$ dengan hasil tersebut, kemudian darabkan dengan jisim molar:

$\rho_{ref} = \frac{2.0961}{0.11273} \times 28.054 = 521.6345 \text{ kg/m}^3$

Ini ialah ketumpatan pada tekanan rujukan 1 bar (0.1 MPa). Kalkulator membawa nilai ini pada ketepatan penuh ke langkah seterusnya; apabila dibundarkan untuk paparan, nilainya ialah 521.63 kg/m³.

Langkah 5. Gunakan pembetulan tekanan bagi 50 bar (5 MPa) pada ketumpatan rujukan yang belum dibundarkan:

$\rho = 521.6345 \times \left[1 + 0.00125 \times (5 - 0.1)\right] = 524.83 \text{ kg/m}^3$

Kalkulator memberikan 524.83 kg/m³ bagi 200 K dan 50 bar.

Contoh lain

Jadual menunjukkan corak tersebut dengan jelas. Peralihan daripada 150 K kepada 250 K pada 10 bar yang tetap mengurangkan ketumpatan kira-kira 175 kg/m³, iaitu penurunan sebanyak 29%. Peralihan daripada 10 bar kepada 100 bar pada 200 K yang tetap hanya meningkatkan ketumpatan kira-kira 6 kg/m³, lebih kurang 1%. Perubahan suhu memberikan kesan yang jauh lebih besar daripada perubahan tekanan dalam julat yang diliputi oleh alat ini.

Julat input yang sah

Kalkulator menerima suhu dari 104 K hingga 282 K dan tekanan dari 1 bar hingga 100 bar.

• Di bawah 104 K, etilena menghampiri takat bekunya dan korelasi ini tidak disahkan.
• Di atas 282 K, suhu menghampiri suhu kritikal etilena (282.34 K), iaitu titik apabila cecair dan gas menjadi tidak dapat dibezakan. Korelasi ini tidak dapat menerangkan rantau tersebut.
• Di luar 1–100 bar, sebutan pembetulan tekanan belum disahkan dan hasilnya mungkin tidak boleh dipercayai.

Memasukkan nilai di luar julat ini menghasilkan ralat pengesahan dan bukannya keputusan.

Mengapa ketumpatan etilena cecair penting

Pengiraan ketumpatan menyokong beberapa tugas harian di loji kimia:

• Penentuan saiz tangki penyimpanan. Etilena cecair mengembang apabila menjadi panas. Tangki mesti mempunyai ruang kosong yang mencukupi untuk menampung pengembangan itu dengan selamat.
• Reka bentuk saluran paip dan pam. Pengiraan kejatuhan tekanan dan sedutan pam kedua-duanya bergantung pada ketumpatan cecair yang mengalir melalui saluran.
• Imbangan jisim. Meter aliran selalunya mengukur isipadu, bukannya jisim. Penukaran isipadu kepada jisim memerlukan nilai ketumpatan yang tepat.
• Pemindahan hak milik. Apabila etilena bertukar tangan antara pembekal dengan pembeli, ukuran isipadu ditukarkan kepada jisim menggunakan ketumpatan, yang secara langsung mempengaruhi jumlah yang dibilkan.

Had

Korelasi ini ialah anggaran, dengan ketepatan kira-kira 2% dalam julat sahnya, berdasarkan padanan DIPPR yang mendasari data eksperimen. Ia bukan pengganti kepada persamaan keadaan penuh berhampiran titik kritikal, bagi campuran etilena dengan gas lain atau bagi pengiraan yang kritikal dari segi keselamatan dan memerlukan data rujukan bertauliah, seperti pangkalan data NIST REFPROP.

Soalan lazim

Apakah unit ukuran ketumpatan etilena cecair? Kalkulator melaporkan ketumpatan dalam kilogram per meter padu (kg/m³), iaitu unit SI piawai bagi ketumpatan dalam kejuruteraan kimia.

Apakah unit suhu dan tekanan yang digunakan oleh kalkulator? Suhu dalam Kelvin (K) dan tekanan dalam bar. Untuk menukar daripada Celsius, tambahkan 273.15. Untuk menukar daripada psi kepada bar, darabkan dengan 0.06895.

Apakah Persamaan DIPPR 105? Persamaan DIPPR 105 ialah bentuk matematik piawai yang digunakan untuk memadankan data eksperimen ketumpatan cecair tepu sebagai fungsi suhu. DIPPR ialah singkatan bagi Design Institute for Physical Properties, sebuah konsortium penyelidikan yang mengumpul dan mengesahkan data sifat bahan kimia industri.

Mengapa tekanan hampir tidak mengubah ketumpatan? Cecair lebih menentang pemampatan berbanding gas. Pembetulan tekanan dalam kalkulator ini, berdasarkan kebolehmampatan isotermal sebanyak 0.00125 per MPa, hanya mengubah ketumpatan sebanyak beberapa kg/m³ walaupun merentasi keseluruhan julat 1–100 bar.

Bolehkah kalkulator ini digunakan untuk gas etilena? Tidak. Kalkulator ini hanya memodelkan fasa cecair. Etilena dalam fasa gas memerlukan set persamaan yang berbeza, seperti model faktor kebolehmampatan atau persamaan keadaan.

Sejauh manakah ketepatan kalkulator ini berhampiran suhu kritikal? Ketepatan berkurang apabila suhu menghampiri 282.34 K, iaitu suhu kritikal yang digunakan dalam korelasi. Berhampiran titik itu, perubahan suhu yang kecil menyebabkan perubahan ketumpatan yang besar dan sukar diramalkan, dan korelasi ini tidak direka untuk rantau tersebut.

Rujukan

1. Design Institute for Physical Properties (DIPPR), ditaja oleh American Institute of Chemical Engineers (AIChE). Pangkalan data Projek DIPPR 801.
2. National Institute of Standards and Technology (NIST) Chemistry WebBook, Pangkalan Data Rujukan Piawai Nombor 69.
3. Poling, B.E., Prausnitz, J.M. & O'Connell, J.P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (edisi ke-5). McGraw-Hill.