吴文龙

（常州市常飞乙炔制造有限公司，江苏省常州市新冶路９号，邮编：213012）

引言

在目前流通使用的乙炔瓶中，缺少丙酮量在1.5kg以上的乙炔瓶非常普遍，需妥善处理后才能充装。用人工查表计算的传统充装工艺要确定瓶内剩余乙炔量非常困难和缓慢。随着计算机在气瓶档案管理和充装管理中的应用，伺机快速确定乙炔瓶内剩余乙炔量成为可能。为了用计算机计算乙炔瓶内剩余乙炔量，需要确定乙炔瓶相关参数的理论计算方法。

一、代号

G_s——乙炔瓶内剩余乙炔量，kg　；

δ——填料孔隙率，%

V——钢瓶实际容积，Ｌ；

Ｂ——乙炔在丙酮中的重量溶解度，kg／kg　；

m_F——丙酮补加量，kg　；

m_s——丙酮规定充装量，kg，（m_Ｓ取0.38δV）；

Ｗ——丙酮实际充装量，kg　；

T_m——乙炔瓶皮重，kg　；

A——乙炔瓶实重，kg　；

G_L——乙炔瓶内溶解乙炔量，kg　；

G_G——乙炔瓶内气态乙炔量，kg　；

p_S——乙炔瓶内余气压力（表压），ＭPa　；

t——瓶内温度，℃ ；

ρ——乙炔瓶内丙酮密度，kg／Ｌ；

θ——乙炔丙酮溶液体积膨胀比例系数。

二、乙炔瓶内剩余乙炔量的组成及计算

乙炔瓶内乙炔由溶解状态和游离气态两部分组成，在规定充装条件下，瓶内游离气态乙炔所占比例很小，实际充装中计算余气时仅考虑溶解状态乙炔量；但在丙酮缺少较多的情况下，计算瓶内剩余乙炔量时应同时考虑溶解状态和气态乙炔的重量，即：

乙炔瓶内剩余乙炔量：

G_S＝G_L＋G_G       …………………………………………………………………………①

溶解状态乙炔的重量：

Ｇ_L＝Ｗ﹒Ｂ     …………………………………………………………………………②

对气态乙炔的重量Ｇ_G，按真实气体状态方程来计算，即：

P﹒V＝Z﹒n﹒R﹒T

式中：P――为气体的绝对压力，ＭPa

V――气体的体积，L

Z――气体的压缩系数

n――气体的摩尔数；  n = m/ M

m——气体质量，kg　

M——分子量；

R——通用气体常数，8.314J/K·mol；

T——绝对温度，K      T=273 + t

为了计算气态乙炔的重量，首先要知道乙炔瓶内气相空间的体积．为此，首先要确定乙炔丙酮溶液的体积．实验证明，丙酮溶解乙炔后体积增加比ΔＶ／Ｖ_A并不是与压力成直线关系，而是与溶解度Ｂ之间成正比，设比例系数为θ，则：

ΔＶ／Ｖ_A＝θＢ …………………………………………………………………………③

其中：Ｖ_A——溶剂体积（即未溶解乙炔的丙酮体积），Ｌ

Ｖ_B——溶液体积（即溶解乙炔后的丙酮体积），Ｌ

ΔＶ—— Ｖ_B－Ｖ_A   丙酮溶解乙炔后的体积增量

由③式得：

Ｖ_B－Ｖ_A＝Ｖ_A·θ·Ｂ　　　　　　　Ｖ_B＝Ｖ_A（１＋θＢ）

Ｖ_B＝（１＋θＢ）·(Ｗ/ρ) …………………………………………………④

乙炔瓶内气相空间：

V_s＝δＶ－Ｖ_B　　由④代入得：

V_s＝δＶ－（１＋θＢ）·(Ｗ/ρ)  …………………………………………⑤

根据真实气体状态方程，对瓶内剩余乙炔，有：

  ………………………………………………⑥

得：

    即：

 ………………………………⑦

将式②、⑦代入①式，得：

乙炔瓶内剩余乙炔量 ………⑧

三、瓶内丙酮实际充装量的确定及丙酮补加量的计算

假设乙炔瓶内除丙酮和乙炔外，未充入水分等其他物质。则根据质量守恒可知：

Ｔ_m－0.38δV＝Ａ－Ｗ－ G_s

将式⑧代入上式，得：

上式经换算得瓶内丙酮实际充装量：

上式中乙炔气体的压缩系数

其中Ａ_m为压缩度，是气体在任意状态下的PV积与该气体在标准状态（0℃、1atm）下的P₀V₀积的比值。由以上两式可得：

   ……………………………⑨

式⑨中各参数：

δ、Ｖ、Ｔ_m数值为气瓶原始数据，在气瓶档案中查得；

Ａ、p_s、t数值为充前检查时的实测值，

θ与温度t的关系如表1所示：

表１ θ与温度t的关系

Ｂ受溶剂性质、温度t、压力p_s影响，乙炔在不同温度压力下在丙酮中的溶解度如表2：

表 ２  乙炔在不同温度压力下在丙酮中的溶解度

丙酮密度ρ液态下压缩性极小，可认为仅随温度变化，ρ与温度t的关系如表3：

表 ３  ρ与温度t的关系

乙炔在不同温度、压力下的压缩度Ａ_m如表4：

表 ４  乙炔在不同温度、压力下的压缩度Ａ

在已知瓶内丙酮实际充装量Ｗ的情况下，丙酮补加量即为丙酮规定充装量m_s与丙酮实际充装量Ｗ的差值，因此：

丙酮补加量m_F＝m_s－Ｗ

m_F＝0.38δV－Ｗ   …………………………………………………………………………⑩

四、用计算机快速确定瓶内丙酮实际充装量及其他各参数

在计算机管理乙炔瓶档案的情况下，通过输入乙炔瓶编号，即可查询到该气瓶的δ、Ｖ、Ｔ_m等原始档案数值；将表１~４整理后存入计算机，当输入Ａ、p_s、t数值后；通过查找表１~４，计算机可确定θ、Ｂ、ρ和Ａ_m的数值，通过⑨式即可计算出瓶内丙酮实际充装量Ｗ。

将算出的Ｗ值代入式⑧，即可算出瓶内剩余乙炔量Ｇ_S，

将算出的Ｗ值代入式⑩，即可算出丙酮补加量m_F。

在计算机上，上述查询及计算过程在瞬间即可完成，配合与计算机相联的数据采集器等设施，可在充装过程中实时输入Ａ、p_s、t等测量数据，并实时读取计算结果，大大加快了确定瓶内剩余乙炔量、丙酮补加量等数据的速度和准确性，同时降低了充装人员的劳动强度，提高其工作效率。

实际应用中,为操作和计算方便,通常按“逢3作5，逢2作0”的方法，将测量得到的余气压力p_s以0.05MPa为间隔、温度t以5℃为间隔的离散数值作为测量结果,同样存入计算机中的表１~表４中，要求余气压力p_s以0.05MPa为间隔、温度t以5℃为间隔，列明相应的全部数据，即可满足实际使用中计算查询的需要。

五、计算数据与实际剩余乙炔量差异的影响因素

从上述的计算过程不难发现，计算中作了两个假设：其一、计算中假设瓶内丙酮中无水分等其他物质；其二、计算中假设自由空间全部被气态乙炔充满，未考虑丙酮蒸气在自由空间内的分压。

对第一个假设，认为瓶内充装的溶剂是纯丙酮，未考虑溶剂的性质差异对乙炔溶解度的影响。在乙炔瓶的实际使用中，由于乙炔充装时带入水分等因素，使瓶内丙酮对乙炔的溶解度大幅下降，造成计算出的瓶内剩余乙炔量值偏大。首先，瓶内丙酮带水分的多少在充装前检查时是无法知道的，一般来说，随着乙炔充装次数的增加，由充装时乙炔带入并积聚在瓶内的水分也将增加，对计算结果的影响也较大。其次，由于乙炔在低温、高压下在丙酮中的溶解度较大，此时由于丙酮含水对瓶内剩余乙炔量的数值影响也增大。可见，受丙酮含水影响，随着温度降低、余气压力增大计算结果误差也会增大。同样，在人工查表计算中，同样认为瓶内的溶剂是纯丙酮，由丙酮含水引起的计算结果误差一样存在。可见不管是计算机运算还是人工查表计算，都不能避免因丙酮中含水量的不确定造成计算结果的误差。

对第二个假设，计算机运算中考虑了自由空间中的气态乙炔，但未考虑丙酮蒸气的存在，在余气压力较低、温度较高时，丙酮蒸气的分压占自由空间气体的百分比会增大，但此时自由空间中的气体总量也不大，对计算结果不会引起大的误差。而人工查表计算中，未考虑自由空间中的气态乙炔量，当丙酮缺损量较大，自由空间容积增大时，计算误差也会增大。

由以上分析，应该说，由于计算机运算中考虑了自由空间中的气态乙炔，使计算出的瓶内剩余乙炔量得到修正，计算中即使瓶内丙酮实际充装量缺损较多时,也能得到与实际较接近的结果；而人工查表计算时，丙酮缺损量大于1.5kg时将被要求妥善处理后才能充装，计算机运算在实际充装中，适应气瓶内丙酮量的范围大大增加了。

六、结论

与传统的人工查表计算工艺相比较，用计算机确定瓶内剩余乙炔量、丙酮实际充装量等数据快速、全面，不仅可大大降低操作人员的劳动强度、提高准确率，而且乙炔气瓶内丙酮量严重缺损时,同样能快速确定瓶内剩余乙炔量、丙酮实际充装量等数据。

参考文献

①      《溶解乙炔气瓶》.全国气瓶标准化委员会.陈保仪主编

②      《溶解乙炔安全培训教材》.全国工业产品生产许可证办公室溶解乙炔审查部、中国化工安全卫生技术协会

③      GB 13591-92《溶解乙炔充装规定》