(整理)《裝瓶系數(shù)》及《CO2氣瓶沖裝知識(shí)》

1、充裝系數(shù)所謂“充裝系數(shù)”是指氣瓶每升容許充裝液化氣的質(zhì)量（kg） 。這是液化氣體在充裝過(guò)程中應(yīng)了解的很重要的數(shù)據(jù)。因?yàn)槊總€(gè)氣瓶都有一定的承受壓力。液化氣體在常溫下充裝一般以液態(tài)進(jìn)入瓶中， 當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)部分液體轉(zhuǎn)化為氣體使瓶?jī)?nèi)的壓力增大。所以為確保安全，充裝時(shí)不能裝得過(guò)多，一定要參照充裝系數(shù)進(jìn)行充裝。在盛裝液化氣體的壓力容器設(shè)計(jì)中，充裝系數(shù)一般取0.9，對(duì)容器容積經(jīng)實(shí)際測(cè)定者，可取大于0.9，但不得大于0.95。所謂充裝系數(shù)，是指每升氣瓶容積充裝液化氣體的重量（kg），且按下式進(jìn)行計(jì)算。F=W/V （6 1）式中：F充裝系數(shù)，kg/L；V氣瓶容積，L；W液化氣體的充裝重量，kg。常見(jiàn)的液化氣

2、體充裝系數(shù)，應(yīng)符合表6 5 和表6 6 的規(guī)定。 表6 5 高壓液化氣體的充裝系數(shù)表6 6 低壓液化氣體的充裝系數(shù)注： 表中沒(méi)列液化石油氣的充裝系數(shù)，是因?yàn)橐夯蜌怃撈吭谠O(shè)計(jì)時(shí)， 就已按充裝系數(shù)計(jì)算，將三種不同規(guī)格鋼瓶的充裝量作了規(guī)定，故此表不予再列。1 低壓液化氣體氣瓶充裝量的計(jì)算因?yàn)榈蛪阂夯瘹怏w的臨界溫度(tc)高于氣瓶最高工作溫度(t=60 )，所以，低壓液化氣瓶在充裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中都不會(huì)發(fā)生相變。只要充裝適量，不發(fā)生滿瓶，瓶?jī)?nèi)始終是氣液二相共存，兩者之間有著非常明顯的界面，液相是飽和液體，氣相是飽和蒸氣。若充液過(guò)量，氣相容積不夠，甚至消失，氣瓶達(dá)到“滿液”， 這時(shí)如果溫度升

3、高，致使液體無(wú)法膨脹，則瓶?jī)?nèi)壓力就會(huì)驟然增高，直至氣瓶爆破。為了防止瓶?jī)?nèi)液化氣體因受熱膨脹而導(dǎo)致發(fā)生事故，應(yīng)使氣瓶在最高工作溫度下，液相不要“充滿”氣瓶全部容積，要留有一定的氣相空間。這一空間就是瓶容與液容之差。即：V G=V-VL (6 2)式中：VG瓶?jī)?nèi)氣相空間，L；V 瓶?jī)?nèi)有效容積，L；V L瓶?jī)?nèi)液相容積，L。而 VL 與液化氣體在充裝時(shí)的定壓比容p 的比值就是氣瓶的充裝重量。即：式中：W氣瓶的充裝重量，kg； p液化氣體的定壓比容，L kg；V L同6 2 式，L。對(duì)于低壓液化氣瓶，液化氣體雖然在加壓狀態(tài)充裝，但進(jìn)入瓶?jī)?nèi)就是處于飽和狀態(tài)，所以， 我們可用飽和狀態(tài)下的比容來(lái)代替液化氣體的

4、定壓比容，即：式中：W同6 3 式， kg；V L同6 2 式，L；飽和狀態(tài)下的液體比容， L kg。又因飽和液體密度與飽和狀態(tài)下的液體比容互為倒數(shù)所以W=VLd (6 5)式中： d飽和液體密度， kg L；W、 VL 同前。如果我們把6 2 式代入6 5 式，則；W=(V-VG)d (6 6)因以上所述均屬理想狀態(tài)，即 VG=0 是在沒(méi)有任何誤差的情況下才能成立?？墒?，理想狀態(tài)在生產(chǎn)實(shí)踐中是不存在的。如果我們把生產(chǎn)中某些可以預(yù)計(jì)到的誤差疊加起來(lái)，稱為安全余量，其值與瓶?jī)?nèi)有效容積之比即為安全系數(shù)，并賦予符號(hào)n，并使其最終在氣相容積VG 上得到反映的話，那么，n=VG V，但我們?cè)跉怏w充裝工作

5、中常常使用的是充裝系數(shù)F，因此6 6 式中可變?yōu)椋菏街校篎充裝系數(shù)，kg L。根據(jù)我國(guó)目前的實(shí)際條件，對(duì) n 的選取， 應(yīng)考慮以下兩種情況：(1)物性數(shù)據(jù)誤差(n1)。 主要指液化氣體飽和度d 值的誤差。我們無(wú)論采用推算數(shù)據(jù)，還是采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差總是客觀存在的。一般情況下，密度數(shù)據(jù)誤差約在0 5 1 左右，為安全起見(jiàn)取n1=1 。(2)衡器稱重誤差(n2)。 氣瓶容積大都采用同體積水重法，氣瓶在充液時(shí)也需稱重控制，因此，稱重誤差也需考慮。稱重誤差一般均不超過(guò)0 1。假定在稱重過(guò)程中，累積誤差約為正誤差的6 倍，亦即 n2=0 6，由此得出n1 和 n2 之和為 1 6。為安全起見(jiàn)，取 n

6、=2。所以，低壓液化氣體的充液量在60時(shí)所占體積，必須小于氣瓶有效容積的98，即還有2以上氣相容積作為安全系數(shù)。例：確定液氯的充裝系數(shù)是多少?解： 查 60時(shí)液氯的飽和液體密度為1 2789kg L，其氣相空間應(yīng)為 2，所以F=(1-2 )1 2789kg L=1 25kg L。2高壓液化氣體氣瓶充裝量的計(jì)算因?yàn)槎鄶?shù)高壓液化氣體的臨界溫度(tc)低于氣瓶的最高工作溫度(t=60 )，所以，高壓液化氣體在充裝時(shí)為液態(tài)，此時(shí)瓶?jī)?nèi)的壓力就是液體界面上的飽和蒸氣壓，這與低壓液化氣體沒(méi)有什么差別。但在高壓液化氣體的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，由于環(huán)境溫度的影響，當(dāng)液體溫度到達(dá)tc 時(shí)，則發(fā)生液體向氣體的相變

7、。其結(jié)果氣瓶?jī)?nèi)壓由于大量氣體產(chǎn)生而驟然上升，此時(shí)表征氣瓶的壓力狀況，實(shí)質(zhì)上就和永久氣體一樣。因此對(duì)于高壓液化氣體氣瓶，一方面和永久氣體氣瓶一樣，在20時(shí)內(nèi)壓不應(yīng)超過(guò)氣瓶的公稱工作壓力，在60時(shí)的壓力不應(yīng)超過(guò)其水壓試驗(yàn)壓力的0 8 倍 (液化二氧化碳和液化氧化氮除外 )，另一方面又和低壓液化氣瓶一樣，按表選擇充裝系數(shù)。高壓液化氣體的P V T 關(guān)系，服從真實(shí)氣體狀態(tài)方程式，見(jiàn)公式 2 20。表6 5 所列充裝系數(shù)是采用偏心因子法計(jì)算出來(lái)的，其中對(duì)于臨界溫度(tc)小于氣瓶最高工作溫度(t=60 )的高壓液化氣體，在充液量計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)( n)可以不予考慮(很小)；對(duì)于臨界溫度(tc)介于氣瓶最

8、高工作溫度t和 70 (高壓液化氣體的定義上限溫度 )之間的高壓液化氣體(例如tc=67 的三氧溴甲烷)，因其相態(tài)與低壓液化氣體完全一樣，即在氣瓶正常使用溫度范圍內(nèi)，瓶?jī)?nèi)介質(zhì)始終為液相， 故應(yīng)考慮安全系數(shù)，而且其液態(tài)密度的計(jì)算誤差要比低壓液化氣體略高，所以在充液量計(jì)算時(shí)，n 取 2 5%，即在 60時(shí)，此類高壓液化氣體的充液量，必須小于氣瓶有效容積的97 5%，留有2 5的氣相空間。3過(guò)量充裝的危險(xiǎn)性液化氣體過(guò)量充液后，爆炸危險(xiǎn)性極大，其中低壓液化氣瓶尤為嚴(yán)重。 當(dāng)前氣瓶爆炸事故中，由于過(guò)量充裝導(dǎo)致氣瓶物理性爆炸的比例很大，這些氣瓶在爆炸前大都處于靜止?fàn)顟B(tài)，未受撞擊或震動(dòng)，而且處于常溫，甚至是

9、在雪天，爆炸后的瓶體均存在明顯的變形，破口很大， 有的幾乎碾成平板。這些跡象充分說(shuō)明，爆炸事故的直接原因，不是由于氣瓶本身存在嚴(yán)重缺陷，而是由于瓶?jī)?nèi)超壓，即瓶?jī)?nèi)的壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)液化氣體正常溫度下的飽和蒸氣壓，氣瓶承受不了這樣高的壓力因而發(fā)生了爆炸。表6 7 以液氯鋼瓶為例，說(shuō)明0滿量充裝以后，隨溫度上升的增壓情況(假定瓶容不變)，以此告誡人們過(guò)量充裝的危險(xiǎn)。表6 7 液氯鋼瓶在0滿液充裝后隨溫升增壓數(shù)據(jù)表為什么會(huì)有這么高的壓力，這是因?yàn)闅馄康娜莘e是一定的，而且又是封閉的，瓶?jī)?nèi)的液化氣體隨著溫度的升高，其體積必然膨脹，但 它又必須受氣瓶容積的限制，一旦液體脹滿了氣瓶?jī)?nèi)全部空間以后，膨脹即轉(zhuǎn)為壓縮

10、。由于液體的壓縮性很少，以致反作用于瓶壁的壓力劇烈增高。也就是說(shuō)，液化氣瓶“滿瓶”后，隨溫度變化的壓力值與盛裝介質(zhì)的膨脹系數(shù)成正比，與壓縮系數(shù)成反比。正因?yàn)橐后w的壓縮系數(shù)很少，而膨脹系數(shù)相對(duì)比較大（相差一個(gè)數(shù)量級(jí)），所以，瓶?jī)?nèi)壓力的升高是很驚人的。如上所述，液化氣瓶過(guò)量充液是極其危險(xiǎn)的，它是導(dǎo)致氣瓶爆炸CO2 氣瓶沖裝知識(shí)ZT一直以來(lái)，對(duì)co2 氣瓶沖裝存在疑問(wèn)，有說(shuō)不能灌入液態(tài)co2，有說(shuō)沖裝系數(shù)是0.6kg/L，有說(shuō) co2 臨界溫度是31 度的，小弟一直對(duì)此不解，如果灌入都是氣態(tài)co2，那在 31 度以下時(shí)，一升的空間內(nèi)能存在 0.6kg 的氣態(tài) co2 嗎？問(wèn)：二氧化碳?xì)馄抗Q工作壓力

11、為15Mpa，充裝結(jié)束時(shí)的壓力也不過(guò)是7 8 Mpa，遠(yuǎn)低于公稱工作壓力，為什么強(qiáng)調(diào)“嚴(yán)禁超裝”，必須按0.6kg/L 標(biāo)準(zhǔn)充裝？答：在瓶裝氣體中屬于高壓液化氣體，其臨界溫度為31 ，當(dāng)溫度低于31 時(shí)加壓即可液化，當(dāng)溫度等于或高于31 ，瓶?jī)?nèi)液態(tài)二氧化碳就轉(zhuǎn)化為氣態(tài)二氧化碳。按 0.6kg/L 標(biāo)準(zhǔn)充裝二氧化碳時(shí)，在溫度接近31 時(shí)，瓶?jī)?nèi)呈現(xiàn)的壓力是氣液共存狀態(tài)下，液體界面上的飽和蒸汽壓力為7.39Mpa。當(dāng)溫度達(dá)到或超過(guò)31 時(shí)，則發(fā)生液體向氣體的相變，瓶?jī)?nèi)壓力不再是二氧化碳飽和蒸汽壓的延伸，而是液態(tài)二氧化碳大量汽化而驟然上升的壓力。此時(shí)表征瓶?jī)?nèi)的壓力狀況，實(shí)質(zhì)上和永久氣體一樣。 當(dāng)溫度繼

12、續(xù)升到54時(shí)，瓶?jī)?nèi)壓力約增至15Mpa，與氣瓶公稱工作壓力相當(dāng)。由于瓶?jī)?nèi)二氧化碳具有這些特點(diǎn)，為保證氣瓶在充裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用時(shí)的安全，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定的充裝系數(shù)進(jìn)行充裝。氣瓶是一個(gè)獨(dú)立的無(wú)絕熱層的薄壁密閉容器，瓶?jī)?nèi)二氧化碳的壓力不僅與溫度有關(guān)，而且與充裝量有關(guān)。氣瓶的公稱工作壓力，對(duì)于永久氣體氣瓶是指20時(shí)所充裝氣體的限定充裝壓力，充裝量是以壓力計(jì)量；對(duì)于盛裝二氧化碳等高壓液化氣體的氣瓶是指溫度為60時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體壓力的限定值，充裝量是以重量計(jì)量。若不按0.6kg/L 標(biāo)準(zhǔn)充裝， 而采取超量充裝，瓶?jī)?nèi)的氣相空間相應(yīng)減小，隨著溫度的升高，液態(tài)二氧化碳的體積相應(yīng)膨脹，氣相空間繼續(xù)減小，最終造成瓶?jī)?nèi)“滿

13、液”和氣相空間消失。瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)滿液現(xiàn)象，其壓力不再是飽和蒸汽壓，而是液態(tài)二氧化碳體積膨脹的脹力。此脹力遠(yuǎn)大于飽和蒸汽壓。液態(tài)二氧化碳的體積膨脹系數(shù)較大，在-5 35范圍內(nèi)，溫度每升高1 ，瓶?jī)?nèi)壓力相應(yīng)升高 0.314 0.834Mpa ，所以超裝很容易使氣瓶超壓爆炸。P.S：根據(jù)我的理解，正常充co2（室溫低于31 度），只能在每升氣瓶中充入低于0.6 公斤液態(tài)co2。這樣以保證在室溫逐步升高，乃至高于31 度時(shí)，瓶?jī)?nèi)有足夠的空間讓液態(tài)co2 體積膨脹，乃至氣化。而不是禁止灌入液態(tài)co2。下面這個(gè)圖稱為二氧化碳實(shí)驗(yàn)等溫線圖。其中橫坐標(biāo)是密度的倒數(shù)，縱坐標(biāo)是壓強(qiáng)。線條表示不同溫度下，壓強(qiáng)和密度的關(guān)

14、系。不同的顏色表示co2 的狀態(tài)， 包括液態(tài)、氣態(tài)、 蒸汽狀態(tài)和液汽共存狀態(tài)。 C 點(diǎn)為臨界狀態(tài)，表示超過(guò)31 時(shí)不管壓強(qiáng)多大co2 都不可能被液化。圖片附件: co2 實(shí)驗(yàn)等溫線.JPG (2006-12-8 09:16, 35.98 K)31 是 co2 的臨界溫度，超過(guò)31 時(shí)原先為液態(tài)的co2 會(huì)全部這個(gè)狀態(tài)稱為超臨界狀態(tài)。表示隨著壓強(qiáng)迅速增大。實(shí)際使用中如果進(jìn)入超臨界狀態(tài)意味著31 是不是很危險(xiǎn)。 翠湖水草網(wǎng)的文章 CO2 的鋼壓與鋼瓶的安全性也提到“ .不得超過(guò)31 ， 以免液化CO2 液體將隨溫度的升高，體積膨脹而形成高壓氣體，對(duì)鋼瓶產(chǎn)生更大的壓力，而有爆炸危險(xiǎn)之虞?！蔽艺J(rèn)為這個(gè)提法不是很準(zhǔn)確，co2 的壓強(qiáng)會(huì)隨著溫度的提高而上升，但與它是氣態(tài)還是液態(tài)沒(méi)有太大的關(guān)系，不必?fù)?dān)心溫度超過(guò)31 壓強(qiáng)會(huì)大幅提高。 也就是說(shuō)溫度從30升到 31 以下， 或者從 31 以下升到32，壓強(qiáng)變化沒(méi)有太大的差別。實(shí)際我國(guó)夏天大部分地區(qū)的溫度都會(huì)超過(guò)這個(gè)溫度，也不見(jiàn)因此產(chǎn)生什么麻煩。當(dāng)然，實(shí)際發(fā)生爆炸時(shí)，直接誘因都是溫度的升高。這是因?yàn)樵谙嗤拿芏认拢瑴囟仍礁咴饺菀走M(jìn)入超臨界狀態(tài)。其根本原因是密度過(guò)高，接近超臨界狀態(tài)。與公稱壓力的關(guān)系實(shí)際上， 充裝量和公稱壓力也沒(méi)有什么關(guān)系。這一點(diǎn)有人可能會(huì)覺(jué)得不可理解。假設(shè)我有一個(gè)質(zhì)量很好的鋼瓶，公稱壓力達(dá)到100MPA，那么我是否可以