液态乙烯密度计算器 | 工程师免费工具

液态乙烯密度计算器是什么？

液态乙烯密度计算器根据温度和压力估算液态乙烯（C₂H₄）的密度。它基于美国国家标准与技术研究院（NIST）运营的免费物性数据库 NIST 化学网络手册中的参考数据。该工具适用于 105 K 至 282 K 的温度和 1 bar 至 100 bar 的压力。如果在所选条件下乙烯是气体，工具会如实说明，而不是给出液态密度。

乙烯在室温下是气体。生产商在大气压下将其冷却到正常沸点约 169 K（约 -104 °C）以下，或让它处于加压状态，使它在储存和运输时保持液态。同样体积下，液态乙烯容纳的质量比气体多得多。设计储罐尺寸、核对管道流量以及进行工厂的物料平衡，都需要知道它在给定温度和压力下的密度。

计算器的工作原理

计算器分三步工作。

**第 1 步：饱和值。**低于临界点的每个温度都有一个饱和压力。这是液体与蒸气共存时的压力，也称为蒸气压。在该压力下的液体具有饱和液体密度。计算器存储了 NIST 表中 105 K 至 282 K 各温度下的这两个值。在表中各点之间，它采用插值（在两个已知点之间估算一个值）。饱和液体密度随温度按直线插值。饱和压力则按压力的对数对 1/T 作插值，这样更贴近其弯曲的形状。

**第 2 步：相态检查。**如果压力低于饱和压力，乙烯就会沸腾，因此是气体。此时计算器报告“气体”和饱和压力，不给出液态密度。

**第 3 步：压力修正。**高于饱和压力时，液体被轻微压缩，密度变大。计算器使用塔特型方程，这是描述液体密度如何随压力升高的标准形式：

$\rho = \frac{\rho_{sat}}{1 - C \ln\left(1 + \dfrac{P - P_{sat}}{D}\right)}$

其中：

$C$ 和 $D$ 是针对每个表中温度，用 NIST 数据从饱和压力一直到 100 bar 拟合得到的。与其他数值一样，它们在表中各点之间插值。用户只需输入温度和压力。

压力是从饱和压力起算的，而不是从大气压起算。这在临界点附近很重要。例如在 270 K 时，液体只在约 38 bar 以上才存在，而且它的压缩程度比 200 K 时大得多。

结果会四舍五入到小数点后两位。

算例

求 200 K 和 100 bar 下液态乙烯的密度。

**第 1 步。**从表中读取 200 K 下的饱和值：

• $P_{sat}$ = 4.55482 bar
• $\rho_{sat}$ = 521.222 kg/m³
• $D$ = 280.22 bar
• $C$ = 0.089762

**第 2 步。**检查相态。100 bar 高于 4.55 bar，所以乙烯是液体。

**第 3 步。**进行压力修正：

$\frac{100 - 4.55482}{280.22} = 0.34061$

$\ln(1.34061) = 0.29312$

$1 - 0.089762 \times 0.29312 = 0.97369$

$\rho = \frac{521.222}{0.97369} = 535.31 \text{ kg/m}^3$

计算器返回 535.31 kg/m³。NIST 列出的200 K、10 MPa 下的值为 535.31 kg/m³（10 MPa 即 100 bar）。

更多示例

在 200 K 时，压力从 10 bar 升到 100 bar，密度增加约 13 kg/m³，即 2.5%。在 270 K 时，液体要“软”得多。它的密度从饱和状态（38.1 bar）下的 356.39 kg/m³ 升到 100 bar 下的 412.70 kg/m³，约增加 16%。

在 250 K 和 10 bar 时，压力低于饱和压力 2.3295 MPa（约 23.30 bar）。此时乙烯是气体，因此计算器不给出液态密度。

有效输入范围

计算器接受 105 K 至 282 K 的温度和 1 bar 至 100 bar 的压力。

• 接近 104 K 时，乙烯会凝固。它的三相点为 104.0 K，即固、液、气三相共存的温度。在 104 K 时，NIST 只列出了饱和压力下的液体，所以该工具从 105 K 开始。
• 在 282.35 K 时，乙烯达到临界点。高于该温度，液体和气体就无法区分了。该工具在 282 K 处停止。
• 低于 1 bar 或高于 100 bar 时，计算器会给出验证错误。

在此范围内，直到 280 K，计算器与 NIST 数据的偏差都在约 0.3% 以内。在 280 K 和 282 K 之间，液体变得极易压缩，误差可达约 1%。在低温下，饱和压力远低于 1 bar，因此每个允许的压力都对应液体。高于约 169 K 后，低压对应的是气体。

液态乙烯密度为何重要

密度计算支持化工厂中的多项日常工作：

• **储罐尺寸设计。**液态乙烯受热会膨胀。储罐需要留有足够的顶部空间来容纳这种膨胀。
• **管道和泵的设计。**压降和泵吸入口的计算取决于管线中液体的密度。
• **物料平衡。**流量计常测量体积，而不是质量。把体积换算成质量需要密度值。
• **贸易交接计量。**乙烯易主时，要用密度把测得的体积换算成质量。质量决定结算的数量。

局限性

该计算器对存储的 NIST 数值进行插值。它不是完整的状态方程，不能处理乙烯与其他气体的混合物，也不给出气体密度。需要认证数据的安全关键工作，应使用 NIST 自己的软件，例如 REFPROP。

在临界点附近，温度或压力的微小变化就会引起密度的大幅变化。280 K 至 282 K 之间的结果最不准确。

常见问题

液态乙烯密度用什么单位表示？ 计算器以千克每立方米（kg/m³）为单位报告密度，这是密度的 SI 单位。

计算器使用什么温度和压力单位？ 温度使用开尔文（K），压力使用巴（bar）。从摄氏度换算时，加上 273.15。从 psi 换算成 bar 时，乘以 0.06895。一兆帕（MPa）等于 10 bar。

为什么计算器有时会显示“气体”？ 在每个温度下，乙烯只有高于其饱和压力时才保持液态，低于该压力就会沸腾。例如在 250 K 时，饱和压力约为 23.3 bar，所以 10 bar 对应的是气体。

为什么温度越高，压力的影响越大？ 接近临界点时，液体排列松散，容易压缩。在 200 K 时，把压力从 10 升到 100 bar，密度增加约 2.5%。在 270 K 时，从饱和状态到 100 bar 的变化约为 16%。

这个计算器可以用于乙烯气体吗？ 不能用于。它只给出液态密度。气相乙烯需要不同的模型，例如状态方程。

这个计算器的精度如何？ 直到 280 K，它与 NIST 值的偏差都在约 0.3% 以内。在 280 K 和 282 K 之间，接近 282.35 K 的临界点时，误差可达约 1%。

参考文献

1. 美国国家标准与技术研究院。Ethylene: Phase change data，NIST 化学网络手册，SRD 69。NIST 手册中乙烯的相变数据 — 正常沸点约 169 K，三相点 104.0 K。
2. 美国国家标准与技术研究院。Saturation properties for ethylene, 150 K to 250 K，NIST 化学网络手册，SRD 69。NIST 乙烯饱和性质表 — 250 K 时的饱和压力为 2.3295 MPa。
3. 美国国家标准与技术研究院。Isothermal properties for ethylene at 200 K，NIST 化学网络手册，SRD 69。NIST 乙烯 200 K 等温线 — 1 MPa 时液体密度为 522.13 kg/m³，10 MPa 时为 535.31 kg/m³；临界温度 282.35 K。
4. 美国国家标准与技术研究院。Isothermal properties for ethylene at 270 K，NIST 化学网络手册，SRD 69。NIST 乙烯 270 K 等温线 — 3.8125 MPa 时饱和液体为 356.39 kg/m³；10 MPa 时为 412.70 kg/m³。
5. 美国国家标准与技术研究院。Isothermal properties for ethylene at 280 K，NIST 化学网络手册，SRD 69。NIST 乙烯 280 K 等温线 — 10 MPa 时为 387.76 kg/m³。