Калькулятор густини рідкого етилену

Вступ

Калькулятор густини рідкого етилену — це спеціалізований інструмент, розроблений для точного визначення густини рідкого етилену на основі введених температури та тиску. Етилен (C₂H₄) є одним з найважливіших органічних сполук у нафтохімічній промисловості, слугуючи основним будівельним блоком для численних продуктів, включаючи пластмаси, антифризи та синтетичні волокна. Розуміння густини рідкого етилену є важливим для інженерних застосувань, проектування процесів, розглядів зберігання та логістики транспорту в галузях від нафтохімічного виробництва до холодильних систем.

Цей калькулятор використовує точні термодинамічні моделі для оцінки густини рідкого етилену в діапазоні температур (104K до 282K) та тисків (1 до 100 бар), надаючи інженерам, вченим та фахівцям галузі надійні дані для їх застосувань. Густина рідкого етилену значно змінюється в залежності від температури та тиску, що робить точні розрахунки необхідними для правильного проектування та експлуатації систем.

Як розраховується густина рідкого етилену

Математична модель

Густина рідкого етилену розраховується за допомогою модифікованої кореляції DIPPR (Інститут проєктування фізичних властивостей) з корекцією тиску. Цей підхід забезпечує точні оцінки густини в рідкій фазі етилену.

Основне рівняння для розрахунку густини рідкого етилену при референсному тиску:

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

Де:

• $\rho$ = Густина рідкого етилену (кг/м³)
• $A$ = Базовий коефіцієнт густини (700 для етилену)
• $T$ = Температура (K)
• $T_c$ = Критична температура етилену (283.18K)
• $n$ = Показник (0.29683 для етилену)
• $B$ = Температурний коефіцієнт (0.8 для етилену)

Для врахування впливу тиску застосовується термін корекції тиску:

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

Де:

• $\rho_P$ = Густина при тиску P (кг/м³)
• $\rho$ = Густина при референсному тиску (кг/м³)
• $\kappa$ = Ізотермічна стислість (приблизно 0.00125 МПа⁻¹ для рідкого етилену)
• $P$ = Тиск (МПа)
• $P_{ref}$ = Референсний тиск (0.1 МПа або 1 бар)

Дійсні діапазони та обмеження

Ця модель розрахунку дійсна в межах певних діапазонів:

• Температура: 104K до 282K (покриває рідку фазу етилену)
• Тиск: 1 до 100 бар

Поза цими межами етилен може існувати в газоподібному або надкритичному станах, що вимагає інших методів розрахунку. Критична точка етилену знаходиться приблизно на 283.18K і 50.4 бар, за межами якої етилен існує як надкритична рідина.

Покрокова інструкція щодо використання калькулятора

Введення параметрів

1. Введення температури:

   • Введіть значення температури в Кельвінах (K)
   • Дійсний діапазон: 104K до 282K
   • Якщо у вас температура в Цельсіях (°C), конвертуйте за допомогою: K = °C + 273.15
   • Якщо у вас температура у Фаренгейтах (°F), конвертуйте за допомогою: K = (°F - 32) × 5/9 + 273.15

2. Введення тиску:

   • Введіть значення тиску в барах
   • Дійсний діапазон: 1 до 100 бар
   • Якщо у вас тиск в інших одиницях:
     • З psi: бар = psi × 0.0689476
     • З кПа: бар = кПа × 0.01
     • З МПа: бар = МПа × 10

Інтерпретація результатів

Після введення дійсних значень температури та тиску калькулятор автоматично відобразить:

1. Густина рідкого етилену: обчислене значення густини в кг/м³
2. Візуалізація: Графік, що показує зміну густини в залежності від температури при вибраному тиску

Результати можна скопіювати в буфер обміну за допомогою наданої кнопки для використання в звітах, симуляціях або інших розрахунках.

Температура (K) 100 150 200 250 300

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

10 бар 50 бар 100 бар Тиск 10 бар 50 бар 100 бар

Приклад розрахунків

Ось кілька прикладів розрахунків, щоб продемонструвати, як густина змінюється з температурою та тиском:

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

Як показано в таблиці, густина рідкого етилену зменшується з підвищенням температури (при постійному тиску) і збільшується з підвищенням тиску (при постійній температурі).

Реалізація на різних мовах програмування

Ось код для розрахунку густини рідкого етилену на кількох мовах програмування:

1def calculate_ethylene_density(temperature_k, pressure_bar):
2    """
3    Розрахунок густини рідкого етилену на основі температури та тиску.
4    
5    Аргументи:
6        temperature_k (float): Температура в Кельвінах (дійсний діапазон: 104K до 282K)
7        pressure_bar (float): Тиск в барах (дійсний діапазон: 1 до 100 бар)
8        
9    Повертає:
10        float: Густина рідкого етилену в кг/м³
11    """
12    # Константи для етилену
13    A = 700
14    Tc = 283.18  # Критична температура в K
15    n = 0.29683
16    B = 0.8
17    kappa = 0.00125  # Ізотермічна стислість в МПа⁻¹
18    P_ref = 0.1  # Референсний тиск в МПа (1 бар)
19    
20    # Конвертуємо тиск з барів в МПа
21    pressure_mpa = pressure_bar / 10
22    
23    # Розрахунок густини при референсному тиску
24    rho_ref = A * (1 - temperature_k/Tc)**n - B * temperature_k
25    
26    # Застосування корекції тиску
27    rho = rho_ref * (1 + kappa * (pressure_mpa - P_ref))
28    
29    return rho
30
31# Приклад використання
32temp = 200  # K
33pressure = 50  # бар
34density = calculate_ethylene_density(temp, pressure)
35print(f"Густина рідкого етилену при {temp}K та {pressure} бар: {density:.2f} кг/м³")
36

1/**
2 * Розрахунок густини рідкого етилену на основі температури та тиску.
3 * 
4 * @param {number} temperatureK - Температура в Кельвінах (дійсний діапазон: 104K до 282K)
5 * @param {number} pressureBar - Тиск в барах (дійсний діапазон: 1 до 100 бар)
6 * @returns {number} Густина рідкого етилену в кг/м³
7 */
8function calculateEthyleneDensity(temperatureK, pressureBar) {
9    // Константи для етилену
10    const A = 700;
11    const Tc = 283.18;  // Критична температура в K
12    const n = 0.29683;
13    const B = 0.8;
14    const kappa = 0.00125;  // Ізотермічна стислість в МПа⁻¹
15    const P_ref = 0.1;  // Референсний тиск в МПа (1 бар)
16    
17    // Конвертуємо тиск з барів в МПа
18    const pressureMPa = pressureBar / 10;
19    
20    // Розрахунок густини при референсному тиску
21    const rhoRef = A * Math.pow(1 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
22    
23    // Застосування корекції тиску
24    const rho = rhoRef * (1 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
25    
26    return rho;
27}
28
29// Приклад використання
30const temp = 200;  // K
31const pressure = 50;  // бар
32const density = calculateEthyleneDensity(temp, pressure);
33console.log(`Густина рідкого етилену при ${temp}K та ${pressure} бар: ${density.toFixed(2)} кг/м³`);
34

1' Функція Excel VBA для розрахунку густини рідкого етилену
2Function EthyleneDensity(TemperatureK As Double, PressureBar As Double) As Double
3    ' Константи для етилену
4    Dim A As Double: A = 700
5    Dim Tc As Double: Tc = 283.18 ' Критична 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 ' Ізотермічна стислість в МПа⁻¹
9    Dim P_ref As Double: P_ref = 0.1 ' Референсний тиск в МПа (1 бар)
10    
11    ' Конвертуємо тиск з барів в МПа
12    Dim PressureMPa As Double: PressureMPa = PressureBar / 10
13    
14    ' Розрахунок густини при референсному тиску
15    Dim rho_ref As Double: rho_ref = A * (1 - TemperatureK / Tc) ^ n - B * TemperatureK
16    
17    ' Застосування корекції тиску
18    EthyleneDensity = rho_ref * (1 + kappa * (PressureMPa - P_ref))
19End Function
20
21' Використання в комірці Excel:
22' =EthyleneDensity(200, 50)
23

1function density = ethyleneDensity(temperatureK, pressureBar)
2    % Розрахунок густини рідкого етилену на основі температури та тиску
3    %
4    % Вхідні дані:
5    %   temperatureK - Температура в Кельвінах (дійсний діапазон: 104K до 282K)
6    %   pressureBar - Тиск в барах (дійсний діапазон: 1 до 100 бар)
7    %
8    % Вихідні дані:
9    %   density - Густина рідкого етилену в кг/м³
10    
11    % Константи для етилену
12    A = 700;
13    Tc = 283.18;  % Критична температура в K
14    n = 0.29683;
15    B = 0.8;
16    kappa = 0.00125;  % Ізотермічна стислість в МПа⁻¹
17    P_ref = 0.1;  % Референсний тиск в МПа (1 бар)
18    
19    % Конвертуємо тиск з барів в МПа
20    pressureMPa = pressureBar / 10;
21    
22    % Розрахунок густини при референсному тиску
23    rho_ref = A * (1 - temperatureK/Tc)^n - B * temperatureK;
24    
25    % Застосування корекції тиску
26    density = rho_ref * (1 + kappa * (pressureMPa - P_ref));
27end
28
29% Приклад використання
30temp = 200;  % K
31pressure = 50;  % бар
32density = ethyleneDensity(temp, pressure);
33fprintf('Густина рідкого етилену при %gK та %g бар: %.2f кг/м³\n', temp, pressure, density);
34

1#include <iostream>
2#include <cmath>
3
4/**
5 * Розрахунок густини рідкого етилену на основі температури та тиску.
6 * 
7 * @param temperatureK Температура в Кельвінах (дійсний діапазон: 104K до 282K)
8 * @param pressureBar Тиск в барах (дійсний діапазон: 1 до 100 бар)
9 * @return Густина рідкого етилену в кг/м³
10 */
11double calculateEthyleneDensity(double temperatureK, double pressureBar) {
12    // Константи для етилену
13    const double A = 700.0;
14    const double Tc = 283.18;  // Критична температура в K
15    const double n = 0.29683;
16    const double B = 0.8;
17    const double kappa = 0.00125;  // Ізотермічна стислість в МПа⁻¹
18    const double P_ref = 0.1;  // Референсний тиск в МПа (1 бар)
19    
20    // Конвертуємо тиск з барів в МПа
21    double pressureMPa = pressureBar / 10.0;
22    
23    // Розрахунок густини при референсному тиску
24    double rho_ref = A * pow(1.0 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
25    
26    // Застосування корекції тиску
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 << "Густина рідкого етилену при " << temp << "K та " 
38              << pressure << " бар: " << density << " кг/м³" << std::endl;
39    
40    return 0;
41}
42

1public class EthyleneDensityCalculator {
2    /**
3     * Розрахунок густини рідкого етилену на основі температури та тиску.
4     * 
5     * @param temperatureK Температура в Кельвінах (дійсний діапазон: 104K до 282K)
6     * @param pressureBar Тиск в барах (дійсний діапазон: 1 до 100 бар)
7     * @return Густина рідкого етилену в кг/м³
8     */
9    public static double calculateEthyleneDensity(double temperatureK, double pressureBar) {
10        // Константи для етилену
11        final double A = 700.0;
12        final double Tc = 283.18;  // Критична температура в K
13        final double n = 0.29683;
14        final double B = 0.8;
15        final double kappa = 0.00125;  // Ізотермічна стислість в МПа⁻¹
16        final double P_ref = 0.1;  // Референсний тиск в МПа (1 бар)
17        
18        // Конвертуємо тиск з барів в МПа
19        double pressureMPa = pressureBar / 10.0;
20        
21        // Розрахунок густини при референсному тиску
22        double rhoRef = A * Math.pow(1.0 - temperatureK/Tc, n) - B * temperatureK;
23        
24        // Застосування корекції тиску
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("Густина рідкого етилену при %.1fK та %.1f бар: %.2f кг/м³%n", 
36                          temp, pressure, density);
37    }
38}
39

Сфери застосування та додатки

Промислові застосування

1. Нафтохімічна обробка:

   • Точні значення густини є важливими для проектування дистиляційних колон, реакторів та розділового обладнання для виробництва та обробки етилену.
   • Розрахунки потоку в трубопроводах та процесному обладнанні вимагають точних даних про густину.

2. Кріогенне зберігання та транспортування:

   • Етилен часто зберігається та транспортується як кріогенна рідина. Розрахунки густини допомагають визначити ємності сховищ та обмеження завантаження.
   • Розгляди теплового розширення під час нагрівання вимагають точних співвідношень густини та температури.

3. Виробництво поліетилену:

   • Як основна сировина для виробництва поліетилену, властивості етилену, включаючи густину, впливають на кінетику реакції та якість продукту.
   • Розрахунки масового балансу на виробничих підприємствах залежать від точних значень густини.

4. Холодильні системи:

   • Етилен використовується як холодоагент у деяких промислових системах охолодження, де густина впливає на продуктивність та ефективність системи.
   • Розрахунки зарядки для холодильних систем вимагають точних даних про густину.

5. Контроль якості:

   • Вимірювання густини можуть слугувати індикаторами якості чистоти етилену у виробництві та зберіганні.

Дослідницькі застосування

1. Термодинамічні дослідження:

   • Дослідники, які вивчають фазову поведінку та моделі рівнянь стану, використовують дані про густину для валідації теоретичних моделей.
   • Точні вимірювання густини допомагають у розвитку покращених кореляцій для фізичних властивостей рідин.

2. Розробка матеріалів:

   • Розробка нових полімерів та матеріалів на основі етилену вимагає розуміння фізичних властивостей мономера.

3. Симуляція процесів:

   • Хімічні процеси симулятори вимагають точних моделей густини етилену для прогнозування поведінки системи.

Інженерне проектування

1. Розмір обладнання:

   • Насоси, клапани та трубопроводи, що обробляють рідкий етилен, повинні бути спроектовані на основі точних властивостей рідини, включаючи густину.
   • Розрахунки перепаду тиску в процесному обладнанні залежать від густини рідини.

2. Системи безпеки:

   • Розмір клапанів скидання та проектування систем безпеки вимагають точних значень густини в усіх робочих діапазонах.
   • Системи виявлення витоків можуть використовувати вимірювання густини як частину свого моніторингового підходу.

Альтернативи розрахунку

Хоча цей калькулятор забезпечує зручний спосіб оцінки густини рідкого етилену, існують альтернативні підходи:

1. Експериментальне вимірювання:

   • Пряме вимірювання за допомогою денситометри або пікнометри забезпечує найточніші результати, але вимагає спеціалізованого обладнання.
   • Лабораторний аналіз зазвичай використовується для високоточних вимог або дослідницьких цілей.

2. Моделі рівняння стану:

   • Більш складні рівняння стану, такі як Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong або SAFT, можуть надавати оцінки густини з потенційно вищою точністю, особливо поблизу критичних умов.
   • Ці моделі зазвичай вимагають спеціалізованого програмного забезпечення та більше обчислювальних ресурсів.

3. База даних NIST REFPROP:

   • База даних NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) надає дані про властивості з високою точністю, але вимагає ліцензії.

4. Опубліковані таблиці даних:

   • Довідкові посібники та опубліковані таблиці даних надають значення густини при дискретних температурах та тисках.
   • Може знадобитися інтерполяція між значеннями таблиці для конкретних умов.

Історичний розвиток розрахунків густини етилену

Ранні дослідження властивостей етилену

Вивчення фізичних властивостей етилену почалося ще на початку 19 століття, коли Майкл Фарадей вперше зрідив етилен у 1834 році, використовуючи поєднання низької температури та високого тиску. Однак систематичні дослідження густини рідкого етилену почалися в середині 20 століття, коли промислові застосування етилену розширилися.

Розробка кореляцій

У 1940-х і 1950-х роках, коли нафтохімічна промисловість швидко зростала, стало необхідним більш точне вимірювання властивостей етилену. Ранні кореляції для густини рідких речовин зазвичай були простими поліноміальними функціями температури, з обмеженою точністю та діапазоном.

1960-ті роки стали свідками розробки більш складних моделей, заснованих на принципі відповідних станів, які дозволяли оцінювати властивості на основі критичних параметрів. Ці моделі покращили точність, але все ще мали обмеження, особливо при високих тисках.

Сучасні підходи

Інститут проєктування фізичних властивостей (DIPPR) почав розробляти стандартизовані кореляції для фізичних властивостей у 1980-х роках. Їх кореляції для густини рідкого етилену представляли собою значне покращення в точності та надійності.

В останні десятиліття досягнення в обчислювальних методах дозволили розробити більш складні рівняння стану, які можуть точно прогнозувати властивості етилену в широких діапазонах температури та тиску. Сучасні молекулярні симуляційні техніки також дозволяють прогнозувати властивості з перших принципів.

Експериментальні техніки

Методи вимірювання густини також значно еволюціонували. Ранні методи покладалися на прості методи заміщення, тоді як сучасні методи включають:

• Вібраційні трубні денситометри
• Магнітні підвісні ваги
• Пікнометри з контролем температури
• Гідростатичні методи зважування

Ці вдосконалені техніки надали високоякісні експериментальні дані, необхідні для розробки та валідації кореляцій, які використовуються в цьому калькуляторі.

Часто задавані питання

Що таке рідкий етилен?

Рідкий етилен — це рідкий стан етилену (C₂H₄), безбарвного, горючого газу при кімнатній температурі та атмосферному тиску. Етилен потрібно охолодити нижче його точки кипіння -103.7°C (169.45K) при атмосферному тиску, щоб він існував як рідина. У цьому стані його зазвичай використовують у промислових процесах, особливо як сировину для виробництва поліетилену.

Чому густина етилену важлива?

Густина етилену є важливою для проектування сховищ, транспортних систем та процесного обладнання. Точні значення густини дозволяють правильно розраховувати розміри обладнання, забезпечують безпеку при обробці та дозволяють точно розраховувати масові потоки, теплопередачу та інші параметри процесу. Густина також впливає на економіку зберігання та транспортування, оскільки визначає, скільки етилену можна вмістити в певному обсязі.

Як температура впливає на густину рідкого етилену?

Температура має значний вплив на густину рідкого етилену. При підвищенні температури густина зменшується через теплове розширення рідини. Поблизу критичної температури (283.18K) густина змінюється більш драматично при незначних змінах температури. Це співвідношення є особливо важливим у кріогенних застосуваннях, де контроль температури є суттєвим.

Як тиск впливає на густину рідкого етилену?

Тиск має помірний вплив на густину рідкого етилену. Вищі тиски призводять до незначного збільшення густини через стиснення рідини. Вплив є менш помітним, ніж вплив температури, але стає більш значним при тисках вище 50 бар. Співвідношення між тиском та густиною приблизно лінійне в межах нормального робочого діапазону.

Що відбувається з густиною етилену поблизу критичної точки?

Поблизу критичної точки (приблизно 283.18K та 50.4 бар) густина етилену стає дуже чутливою до незначних змін температури та тиску. Різниця між рідкою та газоподібною фазами зникає на критичній точці, і густина наближається до критичної густини близько 214 кг/м³. Калькулятор може не надавати точних результатів дуже близько до критичної точки через складну поведінку в цьому регіоні.

Чи можна використовувати цей калькулятор для газоподібного етилену?

Ні, цей калькулятор спеціально розроблений для рідкого етилену в межах температурного діапазону 104K до 282K та тискового діапазону 1 до 100 бар. Розрахунки густини газоподібного етилену вимагають інших рівнянь стану, таких як ідеальний газовий закон з корекціями стиснення або більш складні моделі, такі як Peng-Robinson або Soave-Redlich-Kwong.

Наскільки точний цей калькулятор?

Калькулятор надає оцінки густини з точністю приблизно ±2% в межах зазначених температурних та тискових діапазонів. Точність може знижуватися поблизу меж дійсних діапазонів, особливо поблизу критичної точки. Для застосувань, що вимагають вищої точності, можуть знадобитися лабораторні вимірювання або більш складні термодинамічні моделі.

Які одиниці використовує калькулятор?

Калькулятор використовує наступні одиниці:

• Температура: Кельвін (K)
• Тиск: бар
• Густина: кілограми на кубічний метр (кг/м³)

Чи можу я конвертувати густину в інші одиниці?

Так, ви можете конвертувати густину в інші загальні одиниці, використовуючи ці коефіцієнти конверсії:

• В g/cm³: поділити на 1000
• В lb/ft³: помножити на 0.06243
• В lb/gal (США): помножити на 0.008345

Де я можу знайти більш детальні дані про властивості етилену?

Для отримання більш комплексних даних про властивості етилену зверніться до ресурсів, таких як:

• База даних NIST REFPROP
• Посібник хімічних інженерів Перрі
• Посібник термодинамічних властивостей Яу
• База даних AIChE DIPPR Project 801
• Публікації журналів з рівноваги фаз та термофізичних властивостей

Посилання

1. Younglove, B.A. (1982). "Термофізичні властивості рідин. I. Аргон, етилен, параводень, азот, трифторид азоту та кисень." Журнал фізичних та хімічних даних, 11(додаток 1), 1-11.

2. Jahangiri, M., Jacobsen, R.T., Stewart, R.B., & McCarty, R.D. (1986). "Термодинамічні властивості етилену від лінії замерзання до 450 K при тисках до 260 МПа." Журнал фізичних та хімічних даних, 15(2), 593-734.

3. Інститут проєктування фізичних властивостей. (2005). База даних DIPPR Project 801 - Повна версія. Інститут проєктування фізичних властивостей/AIChE.

4. Span, R., & Wagner, W. (1996). "Нове рівняння стану та таблиці термодинамічних властивостей для метану, що охоплює діапазон від температури плавлення до 625 K при тисках до 1000 МПа." Журнал фізичних та хімічних даних, 25(6), 1509-1596.

5. Lemmon, E.W., McLinden, M.O., & Friend, D.G. (2018). "Термофізичні властивості рідин" у NIST Chemistry WebBook, Номер стандартної довідкової бази даних 69. Національний інститут стандартів і технологій, Гейтерсбург, MD, 20899.

6. Poling, B.E., Prausnitz, J.M., & O'Connell, J.P. (2001). Властивості газів та рідин (5-е вид.). McGraw-Hill.

7. Американський інститут хімічних інженерів. (2019). База даних DIPPR 801: Компиляція даних про властивості чистих сполук. AIChE.

8. Setzmann, U., & Wagner, W. (1991). "Нове рівняння стану та таблиці термодинамічних властивостей для метану, що охоплює діапазон від температури плавлення до 625 K при тисках до 1000 МПа." Журнал фізичних та хімічних даних, 20(6), 1061-1155.

Спробуйте наш калькулятор зараз

Наш калькулятор густини рідкого етилену надає миттєві, точні значення густини на основі ваших специфічних вимог до температури та тиску. Просто введіть ваші параметри в межах дійсних діапазонів, і калькулятор автоматично визначить густину рідкого етилену для вашого застосування.

Чи ви проектуєте процесне обладнання, плануєте сховища або проводите дослідження, цей інструмент пропонує швидкий та надійний спосіб отримати інформацію про густину, яку вам потрібно. Включена візуалізація допомагає вам зрозуміти, як густина змінюється з температурою при вибраному тискові.

Якщо у вас є питання або відгуки про цей калькулятор, будь ласка, зв'яжіться з нашою командою підтримки.