充装系数

液化气体充装数据

所谓“充装系数”是指气瓶每升容许充装液化气的质量（kg）。这是液化气体在充装过程中应了解的很重要的数据。因为每个气瓶都有一定的承受压力。液化气体在常温下充装一般以液态进入瓶中，当环境温度升高时部分液体转化为气体使瓶内的压力增大。所以为确保安全，充装时不能装得过多，一定要参照充装系数进行充装。

基本介绍

在盛装液化气体的压力容器设计中，装量系数一般取0.9，对容器容积经实际测定者，可取大于0.9，但不得大于0.95。

所谓充装系数，是指每升气瓶容积充装液化气体的重量（kg），且按下式进行计算。

F=W/V （6．1）

式中：F——充装系数，kg/L；

V——气瓶容积，L；

W——液化气体的充装重量，kg。

常见的液化气体充装系数，应符合表6—5和表6—6的规定。表6—5 高压液化气体的充装系数

表6—6 低压液化气体的充装系数

注：表中没列液化石油气的充装系数，是因为液化石油气钢瓶在设计时，就已按充装系数计算，将三种不同规格钢瓶的充装量作了规定，故此表不予再列。

低压液化气体

因为低压液化气体的临界温度（tc）高于气瓶最高工作温度（t=60℃），所以，低压液化气瓶在充装、储存、运输和使用过程中都不会发生相变。只要充装适量，不发生满瓶，瓶内始终是气液二相共存，两者之间有着非常明显的界面，液相是饱和液体，气相是饱和蒸气。若充液过量，气相容积不够，甚至消失，气瓶达到“满液”，这时如果温度升高，致使液体无法膨胀，则瓶内压力就会骤然增高，直至气瓶爆破。

为了防止瓶内液化气体因受热膨胀而导致发生事故，应使气瓶在最高工作温度下，液相不要“充满”气瓶全部容积，要留有一定的气相空间。这一空间就是瓶容与液容之差。即：

VG=V-VL （6．2）

式中：VG——瓶内气相空间，L；

V——瓶内有效容积，L；

VL——瓶内液相容积，L。

而VL与液化气体在充装时的定压比容υp的比值就是气瓶的充装重量。

即：

式中：W——气瓶的充装重量，kg；

υp——液化气体的定压比容，L/kg；

VL——同6．2式，L。

对于低压液化气瓶，液化气体虽然在加压状态充装，但进入瓶内就是处于饱和状态，所以，我们可用饱和状态下的比容来代替液化气体的定压比容，即：

式中：W——同6．3式，kg；

VL——同6．2式，L；

υ——饱和状态下的液体比容，L/kg。

又因饱和液体密度与饱和状态下的液体比容互为倒数所以

W=VLd （6．5）

式中：d——饱和液体密度，kg/L；

W、VL同前。

如果我们把6．2式代入6．5式，则；

W=(V-VG)d （6．6）

因以上所述均属理想状态，即VG=0是在没有任何误差的情况下才能成立。可是，理想状态在生产实践中是不存在的。如果我们把生产中某些可以预计到的误差叠加起来，称为安全余量，其值与瓶内有效容积之比即为安全系数，并赋予符号∑n，并使其最终在气相容积VG上得到反映的话，那么，∑n=VG/V，但我们在气体充装工作中常常使用的是充装系数F，因此6．6式中可变为：

式中：F——充装系数，kg/L。

根据中国目前的实际条件，对∑n的选取，应考虑以下两种情况：

⑴物性数据误差（n1）。主要指液化气体饱和度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，密度数据误差约在±0．5～1%左右，为安全起见取n1=1%。

⑵衡器称重误差（n2）。气瓶容积大都采用同体积水重法，气瓶在充液时也需称重控制，因此，称重误差也需考虑。称重误差一般均不超过±0．1%。假定在称重过程中，累积误差约为正误差的6倍，亦即n2=0．6%，由此得出n1和n2之和为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%以上气相容积作为安全系数。

例：确定液氯的充装系数是多少?

解：查60℃时液氯的饱和液体密度为1．2789kg/L，其气相空间应为2%，所以F=（1-2%）×1．2789kg/L=1．25kg/L。

高压液化气体

因为多数高压液化气体的临界温度（tc）低于气瓶的最高工作温度（t=60℃），所以，高压液化气体在充装时为液态，此时瓶内的压力就是液体界面上的饱和蒸气压，这与低压液化气体没有什么差别。但在高压液化气体的储存、运输和使用过程中，由于环境温度的影响，当液体温度到达tc时，则发生液体向气体的相变。其结果气瓶内压由于大量气体产生而骤然上升，此时表征气瓶的压力状况，实质上就和永久气体一样。因此对于高压液化气体气瓶，一方面和永久气体气瓶一样，在20℃时内压不应超过气瓶的公称工作压力，在60℃时的压力不应超过其水压试验压力的0．8倍（液化二氧化碳和液化氧化氮除外），另一方面又和低压液化气瓶一样，按表选择充装系数。

高压液化气体的P—V—T关系，服从真实气体状态方程式，见公式2．20。表6—5所列充装系数是采用偏心因子法计算出来的，其中对于临界温度（tc）小于气瓶最高工作温度（t=60℃）的高压液化气体，在充液量计算时，安全系数（∑n）可以不予考虑（很小）；对于临界温度（tc）介于气瓶最高工作温度t和70℃（高压液化气体的定义上限温度）之间的高压液化气体（例如tc=67℃的三氧溴甲烷），因其相态与低压液化气体完全一样，即在气瓶正常使用温度范围内，瓶内介质始终为液相，故应考虑安全系数，而且其液态密度的计算误差要比低压液化气体略高，所以在充液量计算时，∑n取2．5%，即在60℃时，此类高压液化气体的充液量，必须小于气瓶有效容积的97．5%，留有2．5%的气相空间。

过充危险性

液化气体过量充液后，爆炸危险性极大，其中低压液化气瓶尤为严重。当前气瓶爆炸事故中，由于过量充装导致气瓶物理性爆炸的比例很大，这些气瓶在爆炸前大都处于静止状态，未受撞击或震动，而且处于常温，甚至是在雪天，爆炸后的瓶体均存在明显的变形，破口很大，有的几乎碾成平板。这些迹象充分说明，爆炸事故的直接原因，不是由于气瓶本身存在严重缺陷，而是由于瓶内超压，即瓶内的压力已远远超过液化气体正常温度下的饱和蒸气压，气瓶承受不了这样高的压力因而发生了爆炸。表6—7以液氯钢瓶为例，说明0℃满量充装以后，随温度上升的增压情况（假定瓶容不变），以此告诫人们过量充装的危险。

表6—7 液氯钢瓶在0℃满液充装后随温升增压数据表

为什么会有这么高的压力，这是因为气瓶的容积是一定的，而且又是封闭的，瓶内的液化气体随着温度的升高，其体积必然膨胀，但它又必须受气瓶容积的限制，一旦液体胀满了气瓶内全部空间以后，膨胀即转为压缩。由于液体的压缩性很少，以致反作用于瓶壁的压力剧烈增高。也就是说，液化气瓶“满瓶”后，随温度变化的压力值与盛装介质的膨胀系数成正比，与压缩系数成反比。正因为液体的压缩系数很少，而膨胀系数相对比较大（相差一个数量级），所以，瓶内压力的升高是很惊人的。

如上所述，液化气瓶过量充液是极其危险的，它是导致气瓶爆炸的主要原因，解决问题的措施就是：严禁超装。

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