CO2气瓶冲装知识

ZHAOBIN

CO2气瓶冲装知识ZT
一直以来，对co2气瓶冲装存在疑问，有说不能灌入液态co2，有说冲装系数是0.6kg/L，有说co2临界温度是31度的，小弟一直对此不解，如果灌入都是气态co2，那在31度以下时，一升的空间内能存在0.6kg的气态co2吗？

问：二氧化碳气瓶公称工作压力为15Mpa，充装结束时的压力也不过是7～8 Mpa，远低于公称工作压力，为什么强调“严禁超装”，必须按0.6kg/L标准充装？

答：在瓶装气体中属于高压液化气体，其临界温度为31℃，当温度低于31℃时加压即可液化，当温度等于或高于31℃，瓶内液态二氧化碳就转化为气态二氧化碳。

按0.6kg/L标准充装二氧化碳时，在温度接近31℃时，瓶内呈现的压力是气—液共存状态下， 液体界面上的饱和蒸汽压力为7.39Mpa。当温度达到或超过31℃时，则发生液体向气体的相变，瓶内压力不再是二氧化碳饱和蒸汽压的延伸，而是液态二氧化碳大量汽化而骤然上升的压力。此时表征瓶内的压力状况，实质上和永久气体一样。当温度继续升到54℃时，瓶内压力约增至15Mpa，与气瓶公称工作压力相当。由于瓶内二氧化碳具有这些特点，为保证气瓶在充装、储存、运输和使用时的安全，应严格按规定的充装系数进行充装。

气瓶是一个独立的无绝热层的薄壁密闭容器，瓶内二氧化碳的压力不仅与温度有关，而且与充装量有关。气瓶的公称工作压力，对于永久气体气瓶是指20℃时所充装气体的限定充装压力，充装量是以压力计量；对于盛装二氧化碳等高压液化气体的气瓶是指温度为60℃时瓶内气体压力的限定值，充装量是以重量计量。若不按0.6kg/L标准充装，而采取超量充装，瓶内的气相空间相应减小，随着温度的升高，液态二氧化碳的体积相应膨胀，气相空间继续减小，最终造成瓶内“满液”和气相空间消失。

瓶内出现满液现象，其压力不再是饱和蒸汽压，而是液态二氧化碳体积膨胀的胀力。此胀力远大于饱和蒸汽压。液态二氧化碳的体积膨胀系数较大，在-5～35℃范围内，温度每升高1℃，瓶内压力相应升高0.314～0.834Mpa，所以超装很容易使气瓶超压爆炸。


P.S：根据我的理解，正常充co2（室温低于31度），只能在每升气瓶中充入低于0.6公斤液态co2。这样以保证在室温逐步升高，乃至高于31度时，瓶内有足够的空间让液态co2体积膨胀，乃至气化。而不是禁止灌入液态co2。



下面这个图称为二氧化碳实验等温线图。其中横坐标是密度的倒数，纵坐标是压强。线条表示不同温度下，压强和密度的关系。不同的颜色表示co2的状态，包括液态、气态、蒸汽状态和液汽共存状态。C点为临界状态，表示超过31℃时不管压强多大co2都不可能被液化。


图片附件: co2实验等温线.JPG (2006-12-8 09:16, 35.98 K)


左边有几条接近垂直状态的线，这个状态称为超临界状态。表示随着密度的增加，压强迅速增大。实际使用中如果进入超临界状态意味着爆炸！因此在实际使用中主要的安全考虑就是避免进入超临界状态。

与温度的关系
31℃是co2的临界温度，超过31℃时原先为液态的co2会全部气化。有人可能会担心如果在使用过程中温度升高超过31℃是不是很危险。翠湖水草网的文章《CO2的钢压与钢瓶的安全性》也提到“...不得超过31℃，以免液化CO2液体将随温度的升高，体积膨胀而形成高压气体，对钢瓶产生更大的压力，而有爆炸危险之虞。”我认为这个提法不是很准确，co2的压强会随着温度的提高而上升，但与它是气态还是液态没有太大的关系，不必担心温度超过31℃压强会大幅提高。也就是说温度从30℃升到31℃以下，或者从31℃以下升到32℃，压强变化没有太大的差别。实际我国夏天大部分地区的温度都会超过这个温度，也不见因此产生什么麻烦。

当然，实际发生爆炸时，直接诱因都是温度的升高。这是因为在相同的密度下，温度越高越容易进入超临界状态。其根本原因是密度过高，接近超临界状态。


与公称压力的关系
实际上，充装量和公称压力也没有什么关系。这一点有人可能会觉得不可理解。假设我有一个质量很好的钢瓶，公称压力达到100MPA，那么我是否可以充到50MPA呢？回答是否定的，即使有这样一个钢瓶，也只能按照0.6kg/L的标准充气，压力也是只能在7－8mpa左右。这是因为进入超临界状态时压强会增加几百倍，再好的钢瓶也没有用。而且充的多也不划算，压强从7mpa到50mpa，可能只是多充了一点点而已。

从图中可以看到，co2的安全主要考虑就是避免进入超临界状态，而影响进入超临界状态的关键因素就是密度，与其它因素关系不大。据此估算，一般夏天的时候充0.5kg/L，冬天的时候充0.6kg/L可确保安全。