瓶装气体的基础知识

瓶装气体的基础知识——瓶装气体充装量的确定瓶装气体的基础知识——瓶装气体充装量的确定瓶装气体的充装量是涉及气瓶安全和经济使用的重要问题。由于气体在气瓶中的状态不同即气体类别不同，其充装量的确定方法也不同，充装量的计量方式也不同。

一、永久气体充装量的确定

对于永久气体是通过控制气瓶充装终了时的压力的方法来控制气体的充装量的。充装压力在不同的充装温度下是不同的。但其确定原则是：使气瓶在基准温度(20℃)下瓶内气体压力不超过公称工作压力，在最高工作温度(60℃)下．不超过气瓶水压试验压力的0．8倍。所以永久气体的充装量是以气瓶在基准温度下的充装压力限定值来表示的。表3—3是常用永久气体在不同充装温度下的充装压力。

表3-3常用永久气体在不同充装温度下的充装压力气体名称

充装温度℃

充装压力MPa

许用压力MPa1816.515氧气513.8012.6311.641014.1213.0011.851514.3113.3212.142014.7013.6112.422515.1613.9112.703015.5214.2713.033515.8714.5113.254016.2214.8913.544516.5915.2113.845017.3015.5414.14空气513.9812.8911.741014.3113.1812.001514.6313.4712.272014.9113.7812.482515.3314.0712.813015.6114.3913.093515.9514.6913.354016.3215.0013.854516.6415.3213.905016.9715.6214.23氮气513.7712.8611.681014.3713.1311.921514.6913.3612.262015.0613.7012.582515.4714.0712.783015.7514.3713.113516.0914.6713.384016.4314.9713.654516.7815.3413.955017.1215.7014.31氢气514.7213.6312.381014.9913.9112.671515.2414.0812.842015.4814.3512.972515.7314.5513.263015.9714.8413.483516.2215.0212.684015.5815.2713.884516.8415.5014.155017.1015.7214.40甲烷512.3411.3810.671013.0212.1111.161513.5112.4911.52014.0513.4711.802514.6113.8512.253014.9614.2112.613515.3814.5712.964015.8014.9413.364516.3415.3213.705016.7612.8014.02一氧化碳513.8712.8011.651014.1913.1011.911514.5113.3812.152014.8813.6912.432515.1714.0412.693015.5214.3213.013515.8414.6212.284016.1614.8913.564516.6115.2613.835016.9315.5614.15氩气513.8212.7211.631014.1513.0011.881514.4813.3012.172014.8213.6212.442515.1613.9312.713015.5214.2512.993515.8714.5713.274016.2414.9013.564516.6115.2313.865016.9815.5714.17氦气514.793.5112.251015.0413.7512.541515.3414.0212.732015.6014.2912.952515.8714.5113.203016.1814.7513.403516.4215.0313.614016.6715.2713.874516.9715.4614.085017.2115.7314.30氖气514.5913.1912.331014.8713.7412.531515.1313.9612.762013.3914.2113.002515.6514.4613.203016.0314.7013.413516.2914.9613.614016.5815.2513.834516.8915.4814.055017.1615.7414.27

因为正常环境下的永久气体在瓶内不发生相变，其P、V、T的关系符合真实气体状态方程式，所以可以通过真实气体状态方程式计算瓶内气体的量。因此，只要知道气瓶的公称工作压力和瓶内所装气体，就能确定该气体在气瓶公称工作压力下的最大充装量。

例6.计算公称工作压力为20MPa,容积为40升的气瓶，充装氧气时的最大充装量。

解：

但在永久气体充装时，其气体温度通常并不是20℃，因此在偏离这一温度时，气瓶的充装压力就不是公称工作压力了，否则将使气瓶产生超装或欠装。如上例，当充装终了的温度为45℃时，它的充装压力应是多少?可用理想气体状态方程式大致估算一下。因为充装量不变，所以：

这说明永久气体在充装或使用过程中允许出现充装或使用压力超过公称工作压力的情况。

二、低压液化气体充装量的确定

低压液化气体充装时，其压力与充装量并没有对应关系。当气瓶内没有充满液体时，其压力取决于液温对应的饱和蒸气压。当气瓶内充满液体时，其压力是液体被压缩的程度所决定的压力。所以低压液化气体充装时不能计压而必须计重。充液量是关系到气瓶经济和安全使用的重要问题。充液太少，不经济；而充液太多，则又极不安全。低压液化气体的气瓶爆炸事故大多是由于充液过量所引起的。因此经济合理地选择充液量是至关重要的。

(一)低压液化气体气瓶充液量的计算

因为低压液化气体的临界温度t。高于气瓶的最高工作温度t(t＝60℃)，所以，低压液化气体气瓶在充装、储存、运输和使用过程中都不会发生相变。只要充装适量，瓶内不被液相占满。瓶内就始终处于气液两相共存，两相间存在着非常明显的界面。此时瓶内处于饱和状态，其瓶内压力是液体在此温度下的饱和蒸气压。如果充装过量．将使瓶内气相空间不足或失去气相空间，致使气瓶达到“满液”状态。此时，如果温度继续升高，瓶内液体的膨胀将受到气瓶的限制。由于液体的可压缩性很小，瓶内的压力将剧增，当压力超过气瓶的爆破压力时，气瓶将爆破。为了防止瓶内液化气体因受热膨胀而引起的气瓶爆破，应使气瓶在最高工作温度时，气瓶内的液化气体仍没有达到“满液”状态，即尚留有一定的气相空间。这一气相空间就是此时气瓶容积与液相容积之差。可表述为：

VG＝V-VL(3．21)

式中；VG——瓶内的气相容积，L；

V—瓶内的有效容积，L；

VL-瓶内的液相容积，

设瓶内液化气体在温度t1时的液相容积为VL，当液体温度由V1升高到t2

式中：VL一在t1温度下瓶内液化气体液相的容积，L；

V——气瓶的有效容积，L；

β——液相温度由t1升至t2的平均体积膨胀系数，℃-1；

t1——气瓶内液相容积为VL时的液相温度，℃；．

t2

式中：W——气瓶的充液量，kg；v——液化气体的定压比容，L／kg；

△t——温度的差值，即△t=t2-t1,℃

对于低压液化气体气瓶，虽然液化气体在加压状态下，但在进入气瓶后即是饱和状态，因此我们也可用饱和状态下的液体比容v代替vi且”与饱和液体密度d互为倒数，所以：式中：r——液化气体在饱和状态下的液体比容，L／kg；

d——液化气体在饱和状态下的液体密度，kg／L。

例7．设容积为V的气瓶，在0℃时充装某种液化气体，当60℃时瓶内刚好被液化气体所胀满。求气瓶充装时该留的气相空间和充液量。(此液化气体在0℃和60℃时的体积膨胀系数分别为：β1=178×10-5℃-1，；β2＝278×10-5℃-1，0℃时的饱和液体密度d＝1．4685kg/L)。

即气瓶在充装时液相容积为气瓶容积的87．97％，而气相容积为：VG=V--VL=V-0．8797V=0．1203V<L)气相容积为气瓶容积的12．03％。气瓶的充液量为:w=VL·d=0.8797V×1.4685kg／L=1．292V，kg

如果充装时的温度是20℃，此气瓶的气相空间和充液量又是多少呢?(设20℃时此液体的膨胀系数，β=212X10-5℃-1；饱和液体密度d＝1．4108kg／L)。

即在20℃充装时，气、液相分别占气瓶全容积的91．07％和8．93％。而此时气瓶的充液量为：W＝VL·d＝0．9107V×1．4108kg／L＝1．285Vkg这说明尽管在不同温度下充装，并且液相所占瓶容也不相同。但控制了“满液”的温度，则其充液量也就确定了。

则得：在上面的例题是假定在最高工作温度60℃时，气瓶内全部为液相所充满，(即VG0)。但实际上，为了安全起见，在最高工作温度时还将瓶．内留有一定的气相空间，即(VG=0)，称为安全裕量。而将其与气瓶的有效容积之比做为气瓶的安全系数，瓶赋符号∑，。即∑n＝VG／V。而充装量则可表示为：式中：W——气瓶的充液量，kg；∑n——气瓶充装量计算的安全系数；V——气瓶的有效容积，L；

d——饱和液体密度，ks/L。

(二)液化气体密度的计算：

各种液化气体的饱和液体密度可通过下式进行计算

式中：do——已知状态下液化气体的饱和液体密度，kg/L；

W0——已知状态下液化气体的饱和液体膨胀因数；

w——欲求状态下液化气体的饱和液体膨胀因数。欲求状态下液化气体的饱和液体的膨胀因数可从图3—7查得。

(三)低压液化气体充装系数的确定

液化气体的充装量是一与气瓶容积有关的数值，所以在气瓶安全监察规程中是以规定的充装系数来表示其充装量的。充装系数是气瓶的充装量与瓶容的比值，并表示为：

式中：F——充装系数，kg/L。而公式中的安全系数∑n，的确定，主要是考虑下述两个因素：

1．物性数据误差(n1)，主要指液化气体饱和液体密度d值的误差。我们无论采用推算数据，还是采用实测数据，数据误差总是客观存在的。一般情况下，密度数据的误差约在±0．5％～1％左右，取n1＝1％。

2．衡器称重误差(n，)。气瓶容积的测量大都采用同体积水重法。气瓶在充液时也需要称重控制亢液量，而衡器的误差一般不超过±0．1％。如果气瓶的所有称量误差均为正误差，其累积的最大正误差也不超过0，6％，取n2=0．6％，所以，∑n=12+n2=1．6％，为安全起见，取∑n=2％。所以，低压液化气体的充液量在60℃时所占体积，必须小于气瓶有效容积的98％，即还有2％以上的气相容积作为安全空间。当按∑n＝2％和60℃时的饱和液体密度所计算的低压液化气体的充装系数，进行充装的气瓶，其达到“满液”的温度绝大多数在65℃以上。考虑也有少数临界温度低于100℃的液化气体的“满液”温度达不到65℃。但我国有少数地区夏季地面极端最高温度会超过65℃，因此，我们对这一部分气体直接取其65℃时的饱和液体密度作为充装系数。即，以60℃的饱和液体密度计算的充装系数与65℃的饱和液体的密度比较、取其小者。采取小数点后两位，而第三位不论多大一律略去的办法计算机充装系数。表3-4为低压液化气体的充装系数。

表3-4低压液化气体充装系数

例8液氯在60℃和65℃时的饱和液体密度分别为：

d60=1.2789kg/L

d65=1.2607kg/L

试计算液氯的充装系数。

解：

F＝（１－Σn）d60=(1-20%)×1.2789

＝1.2533kg/L

此值小于65℃时的饱和液体密度。因此，液氯的充装系数应为：

F＝1．25kg／L

例9．液体丙烯在60C和65C时的饱和液体分别为：

d60＝0．439kg／L

d65=0．422kg／L

试计算液化丙烯的充装系数。

解：

F＝(1一∑n)d60＝(1—2％)×0．439

＝0．4302kg／L

此值大于65℃时的饱和液体密度。因此，液化丙烯的充装系数为：

F＝0．42kg／L

三、高压液化气体充装量的确定

高压液化气体由于其临界温度(㈠低于气瓶的最高工作温度(绝大部分)，而充装时温度一般较低(低于它的临界温度)，压力较高，所以，基本上都是以液态装瓶。此时瓶内的压力就是饱和液体在此温度下的饱和蒸气压，这与低压液化气体是没有区别的。但在运输、使用和储存等过程，由于环境温度的影响，瓶内的液化气体温度可能会升高，当达到液化气体的临界温度时，瓶内的液化气体就会全部气化，压力将迅速升高，此时瓶内的压力就不是液化气体的饱和蒸气压了，而是与永久气体相同，取决于它的充装量厂，这时气瓶内的状态也与永久气体一样。所以，对于高压液化气体气瓶，在选取公称工作压力级别时，既要考虑发生相变后，在60℃时瓶内压力不应超过气瓶的公称工作压力，又要考虑在充装时，由于充装介质是液态，又只能以充装系数去计量充装量。但由于气体的临界温度的不同和可选用不同压力级别的气瓶，所以，对应不同公称工作压力的气瓶又有不同的充装系数。因此，高压液化气体的充装量是以规定公称工作压力下的充装系数来表示的。常用的高压液化气体的充装系数见表3—5。序号气体名称化学式气瓶在不同公称工作压力下的充装系数（kg/L）不大于20.015.012.58.01氙Xc--1.23-2二氧化碳CO20.740.60--3气化亚氨（笑气）N2O-0.620.52-4六氟化硫SF6--1.331.175氯化氢HCL--0.57-6乙烷C2H6[CH3CH3]0.370.340.31-7乙烯C2H6[CH2=CH2]0.340.280.24-8三氟氯甲烷（F-13）CF3CL--0.940.739三氟甲烷（F-23）CHF3--0.76-10六氟乙烷（F-116）C2H6F2[CF3--1.060.8311二氟乙烯C2H2F2[CH2=CF2--0.660.4612氟乙烷（乙烯基氟）C2H3F[CH2--0.540.4713三氟溴甲烷（F-13B）CF3Br--1.451.33

(一)高压液化气体的充装量计算

既然高压液化气体要保证在全部液化气体气化后，在60℃时瓶内压力不超过气瓶的公称工作压力，那么它的最大充装量也只能是瓶容与气体在60℃时气瓶公称工作压力下气体密度的乘积。此时的气体户一r一97关系应符合真实气体状态方程式。因此，宜用真实气体状态方程式进行计算。

(二)高压液化气体充装系数的确定

由于高压液化气体允许发生相变后，在-60℃时瓶内压力达到气瓶的公称工作压力，此时瓶内的气体密度就等于该液化气体的充装系数，因此可用真实气体状态方程计算60℃、公称工作压力下气体的密度作为高压液化气体的充装系数。这时可不考虑安全系数(∑n＝0)。但对于临界温度高于60℃的高压液化气体(如三氟溴甲烷cc＝67℃)，在正常环境温度下不发生相变，它又与低压液化气体相同，其充装系数的确定也与低压液化气体一样。所不同的是，由于各参数和计算结果的误差较低压液化为大，因此，其安全系数也应比低压液化气体的大，所以，取∑n=2．5％，

例10．确定公称工作压力为15MPa的气瓶充装乙烯的充装系数。

解：

查附表五得乙烯的分子量、临界温度、临界压力和偏心因子分别为：

即可取乙烯的充装系数F＝d6o＝0．28kg／L

例11．试求公称工作压力为8．0MPa的气瓶充装三氟溴甲烷的充装系数。

解：

查附表五得三氟溴甲烷的分子量、临界参数和偏心因子分别为：

四、溶解乙炔气充装量的确定

溶解乙炔气的充装量的确定方式既不同于永久气体，也不同于液化气体。这是因为溶解乙炔是通过加压使乙炔溶于溶剂之中的，而溶于溶剂中的乙炔气的状态与液化气体很相似，即其充装量(极限)是由瓶内溶剂中溶解的乙炔量和瓶内安全空间容积中气态乙炔量两部分组成，且乙炔在溶剂中的溶解度又与压力和温度有关。因此，溶解乙炔气瓶的最大充装量是与气瓶的实际容积和瓶内填料的孔隙率(即可充装溶剂和乙炔气的有效空间)有关，而且还与限定的充装压力、温度、溶剂的溶解系数，乙炔溶于溶剂的体积膨胀系数有关。由于在计算和确定乙炔充装量是以限定压力和温度为基准的(GB1163g一89溶解乙炔气瓶规定其限定压力为1．55MPa，限定温度为15℃)，即限定压力和温度是确定值，其溶解系数和体积膨胀系数也为确定值。所以，溶解乙炔气瓶乙炔的最大充装量(Gmax)是取决于气瓶的实际容积(V)和气瓶内填料孔隙率的，其表达式为：

式中：Gmax——乙炔量大充装量，kg；

δ——填料孔隙率，％；

V——气瓶实际容积，l

例15．一乙炔气瓶的填料孔隙率为91％，实际容积为41．2L，求乙炔气的最大充装量。

解：δ=91％V＝41．2L

Gmax＝0．198×0．91×41.2L＝7．42kg

该乙炔瓶的乙炔限定充装量为7．42kg。

五、过量充装的危险性

(一)低压液化气体过量充装的危险性

低压液化气体气瓶发生爆炸事故的一个主要原因是由于气瓶的过量充装，其爆炸的主要特征是：(a)爆炸时温度不高，不超过气瓶的最高工作温度；(b)爆炸是物理性的，而且爆炸前气瓶一般都是处于静态；(c)爆破的气瓶都有比较明显塑性破环特征。从这些特征看，这种爆炸事故是由于气瓶内产生了很高的压力所造成的。这样高的压力是怎样产生的?在确定低压液化气体充装系数时，我们是以气瓶在60℃时不发生“满液”为依据的。如果在实际充装时超过了规定的充装系数，气瓶将在达到60℃前出现“满液”。出现“满液”的温度将由超装的程度所决定，超装的越多，出现“满液”的温度就越低。当气瓶“满液”后，若温度再升高，由于液体的膨胀受到气瓶的限制，被处于压缩状态。而液化气体的膨胀量远大于可压缩量，这就使得瓶内的压力急剧升高。下面将讨论气瓶在被饱和液体充满后，温度升高时瓶内压力的变化情况。设温度在t1时气瓶达到“满液”，此时瓶内压力为所装介质在t1温度下的饱和蒸气压P1，气瓶容积为V。当温度由t1升到t2时，如果液体没有受到气瓶容积的限制，其体积将膨胀至V2。压力为t2温度下的饱和蒸气压p2设此时液体的平均体积膨胀系数为β，则有：式中β－液化气体在tl至如温度时的平均体积膨胀系数，℃—1。

t1——气瓶内达到“满液”时的温度，℃；

t2——气瓶达到“满液”后继续升高的温度，℃；

V——气瓶的有效容积，L。

V2——温度达到t2时，液化气体体积不受限制时将达到的容积，L。

假设此时气瓶的体积没有变化仍为V的话，则应有一压力由p2升到p以将液体由V2压缩至V0设由P2至P之间的液体压缩系数为a则应有：式中：a——饱和液体由P2压缩至户时的平均压缩系数，MPa—1。

p2一—t2时液化气体的饱和蒸汽压，MPa：

P——将液化气体由V：压缩至V时的压力，MPa。若令t2-t1＝△t并将式(3—30)代入式(3—31)得：

式(3．32)分母中β△t项与]相比其值甚微，可以忽略，式(3．32)可写成：

式(3．33)经常被用来简单估算气瓶的压力增大值，但其精度很差。这是因为温度和压力的升高都使气瓶的容积增大，其对压力的影响是不能忽视的。

设气瓶内饱和液体温度由t1升至t2，压力由P2增至户时，气瓶的容积也随温度和压力的升高而由V增至V2则式中：N——由于温度引起的气瓶容积的增大系数，可近似取N＝3β，

β0-—为气瓶材料的线膨胀系数，℃-1；

Fr——由于压力引起的气瓶容积增大系数，MPa-1

V2——由于温度和压力的作用使用气瓶达到的容积，L；

如果液体膨胀不受限制，其体积将从V2，膨胀至V2液体受压缩则有：

对于线膨胀系数，钢质气瓶可取β0＝1．2×10-5℃”。容积增大系数Fr，在压力不超过材料的屈服极限时，由气瓶的外、内径之比值k确定，其值如表3—6。

表3-6钢质气瓶在内压升高的容器增大系数K(Dv/Di)1.021.031.041.05Fn×106(1/MAPa)474306237191Dv/Di1.061.071.081.09Fn×106(1/MAPa)161138121109Dv/Di1.101.151.201.50Fn×106(1/MAPa)99725528

例12．求一在10℃时满液的液氨气瓶30℃时气瓶内的压力。气瓶的内径为600mm，壁厚8mm，容积410L。液氨在10℃和30℃时的膨胀系数、压缩系数和饱和蒸气压分别为：

由上题的计算得知液氨在10℃满液时其压力只有0．62MPa，当温度升到30℃时，压力将达到28MPa以上。而液氨气瓶的公称工作压力只有3．OMPa其爆破压力也不超过20MPa。因此，当气瓶在10℃时满液，只要温度再升高10度左右，气瓶就将破裂。另外上述两式的计算结果相差很大，约为26．4％。以许多试验情况来看，式(3．36)的计算结果较为符合实际。式(3．33)只能做为一般估算用。

如果仅仅是为估算这种液化气体气瓶在不同充装量下对安全性的影响情况，用饱和液化气体的密度曲线和