Смешивание газов

Смешивание газов - это процесс смешивания газов с определенной целью, при котором состав полученной смеси определяется и регулируется. Широкий спектр применений включает научные и промышленные процессы, производство и хранение пищевых продуктов и газы для дыхания.

Газовые смеси обычно указываются в единицах молярной доли газа (которая близко аппроксимируется объемной долей газа для многих постоянных газов ): в процентах, частях на тысячу или частях на миллион. Объемная доля газа тривиально преобразуется в отношение парциальных давлений в соответствии с законом Дальтона о парциальных давлениях . Смешение парциального давления при постоянной температуре является простым в вычислительном отношении процессом, а измерение давления относительно недорого, но поддержание постоянной температуры во время изменений давления требует значительных задержек для выравнивания температуры. Смешивание по массовой долене зависит от изменения температуры во время процесса, но требует точного измерения массы или веса и расчета составляющих масс на основе указанного молярного отношения. На практике используются как парциальное давление, так и смешивание массовой доли.

Приложения [ править ]

Защитные газы для сварки [ править ]

Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа

Защитные газы - это инертные или полуинертные газы, используемые при газовой дуговой сварке металлическим электродом и газовой вольфрамовой дуговой сварке для защиты зоны сварки от кислорода и водяного пара, которые могут снизить качество сварного шва или затруднить сварку.

Газовая дуговая сварка металлическим электродом (GMAW) или сварка в среде инертного газа (MIG) - это процесс, в котором используется непрерывная подача проволоки в качестве расходуемого электрода и смесь инертного или полуинертного газа для защиты сварного шва от загрязнения. ^[1] Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) или сварка вольфрамовым инертным газом (TIG) - это процесс ручной сварки, в котором используется неплавящийся вольфрамовый электрод, смесь инертного или полуинертного газа и отдельный присадочный материал. ^[2]

Упаковка в модифицированной атмосфере в пищевой промышленности [ править ]

Упаковка в модифицированной атмосфере сохраняет свежие продукты, чтобы улучшить качество продукта и продлить срок его службы. Газовый состав, используемый для упаковки пищевых продуктов, зависит от продукта. Высокое содержание кислорода помогает сохранить красный цвет мяса, а низкое содержание кислорода снижает рост плесени в хлебе и овощах. ^[3]

Газовые смеси для пивоварения [ править ]

• Барботаж : через вино пропускается инертный газ, такой как азот, который удаляет растворенный кислород. Углекислый газ также удаляется, и для обеспечения того, чтобы оставалось соответствующее количество углекислого газа, в качестве барботирующего газа можно использовать смесь азота и двуокиси углерода. ^[3]
• Продувка и заполнение: удаление кислорода из свободного пространства над вином в контейнере путем промывки газовой смесью, аналогичной той, которая используется для барботирования, называется продувкой, а если он остается там, то это называется продувкой или инертизацией. ^[3]

Смеси газов для дыхания для дайвинга [ править ]

Дыхание газ представляет собой смесь газообразных химических элементов и соединений , используемые для дыхания . Важный компонент для любого дыхательного газа является парциальным давлением из кислорода в интервале от примерно 0,16 до 1,60 бара при давлении окружающей среды . Кислород обычно является единственным метаболически активным компонентом, если газ не является анестезирующей смесью. Некоторая часть кислорода в дыхательном газе потребляется метаболическими процессами, а инертные компоненты остаются неизменными и служат в основном для разбавления кислорода до соответствующей концентрации и поэтому также известны как разбавляющие газы.

Подводное плавание [ править ]

Смесь газов для подводного плавания с аквалангом - это заполнение водолазных баллонов газами, не связанными с воздухом, такими как найтрокс , тримикс и гелиокс . Использование этих газов обычно предназначено для повышения общей безопасности запланированного погружения за счет снижения риска декомпрессионной болезни и / или азотного наркоза , а также может улучшить легкость дыхания .

Дайвинг на поверхности и насыщение [ править ]

Смешение газов для подводных погружений с поверхности и погружений с насыщением может включать наполнение баллонов для хранения и аварийных баллонов дыхательными газами, но также включает смешивание дыхательных газов с более низким давлением, которые подаются непосредственно к водолазу или в гипербарическую систему жизнеобеспечения. . Частью работы системы жизнеобеспечения является восполнение количества кислорода, используемого пассажирами, и удаление углекислого газа с помощью блока подготовки газа. Это влечет за собой контроль состава газа камеры и периодическое добавление кислорода к газу камеры при внутреннем давлении камеры.

Узел смешивания газов является частью оборудования жизнеобеспечения системы насыщения, наряду с другими компонентами, которые могут включать в себя хранилище газа, компрессоры, блок извлечения гелия, систему горячего водоснабжения колокола и водолаза, блок подготовки газа и аварийное электроснабжение ^[4]

Смеси медицинских газов [ править ]

Аппарат для анестезии используется для смешивания дыхательного газа для пациентов, находящихся под наркозом во время операции. Система смешивания и подачи газа позволяет анестезиологу контролировать кислородную фракцию, концентрацию закиси азота и концентрацию летучих анестетиков. ^[5] Аппарат обычно снабжается кислородом (O ₂ ) и закисью азота (N ₂ O) из трубопроводов низкого давления и резервных баллонов высокого давления, а измеренный газ смешивается при атмосферном давлении, после чего могут быть добавлены дополнительные анестетики. испарителем, и газ может быть увлажнен. Воздух используется в качестве разбавителя для снижения концентрации кислорода. В особых случаях к смеси могут быть добавлены и другие газы. Они могут включать диоксид углерода (CO ₂), используемый для стимуляции дыхания, и гелий (He) для уменьшения сопротивления потоку или для усиления теплопередачи. ^[6]

Системы смешения газов могут быть механическими с использованием обычных ротаметров или электронными с использованием пропорциональных соленоидов или импульсных инжекторов, а управление может быть ручным или автоматическим. ^[5]

Процессы химического производства [ править ]

Обеспечение химически активных газообразных материалов для химических производственных процессов в необходимом соотношении

Производство и хранение в контролируемой атмосфере [ править ]

Смеси защитных газов могут использоваться для предотвращения попадания воздуха или других газов на поверхность чувствительных материалов во время обработки. Примеры включают плавление химически активных металлов, таких как магний, и термическую обработку стали.

Индивидуальные газовые смеси для аналитических приложений [ править ]

Калибровочные газы :

• Поверочные газы используются для тестирования и калибровки газоанализатора, подвергая датчик воздействию загрязняющих веществ с известной концентрацией. Газы используются в качестве контрольной точки для обеспечения правильных показаний после калибровки и имеют очень точный состав, при этом определяемое содержание газа близко к заданному значению для детектора.
• Нулевой газ, как правило, представляет собой газ, не содержащий измеряемого компонента и максимально близкий к составу контролируемого газа, используемого для калибровки нулевой точки датчика.

Смеси калибровочных газов обычно производятся партиями гравиметрическим или волюметрическим методами.

В гравиметрическом методе используются чувствительные и точно откалиброванные весы для взвешивания количества газов, добавленных в баллон. Требуется точное измерение, поскольку неточность или примеси могут привести к неправильной калибровке. Емкость для калибровочного газа должна быть как можно более чистой. Цилиндры можно очистить путем продувки азотом высокой чистоты и вакуумирования. Для особо важных смесей цилиндр можно нагреть во время вакуумирования, чтобы облегчить удаление любых примесей, приставших к стенкам. ^[7]

После заполнения газовая смесь должна быть тщательно перемешана, чтобы гарантировать, что все компоненты равномерно распределены по всему контейнеру, чтобы предотвратить возможные изменения состава в контейнере. Обычно это делается путем горизонтального перекатывания контейнера в течение 2–4 часов. ^[7]

Методы [ править ]

Доступно несколько методов смешивания газов. Их можно разделить на периодические методы и непрерывные процессы.

Пакетные методы [ править ]

Для периодического смешивания газов необходимо измерить и смешать соответствующие количества составляющих газов до тех пор, пока смесь не станет гомогенной. Количества основаны на мольных (или молярных) долях, но измеряются либо по объему, либо по массе. Измерение объема может производиться косвенно по парциальному давлению, поскольку газы часто последовательно декантируют в один и тот же контейнер для смешивания и, следовательно, занимают один и тот же объем. Измерение веса обычно используется в качестве прокси для измерения массы, поскольку ускорение обычно можно считать постоянным.

Мольная доля также называется количественной долей и представляет собой количество молекул компонента, деленное на общее количество всех молекул в смеси. Например, смесь 50% кислорода и 50% гелия будет содержать примерно одинаковое количество молекул кислорода и гелия. Поскольку и кислород, и гелий приближаются к идеальным газам при давлении ниже 200 бар, каждый будет занимать один и тот же объем при одинаковом давлении и температуре, поэтому их можно измерить по объему при одинаковом давлении, а затем смешать, или по парциальному давлению при декантации в тот же контейнер.

Массовую долю можно рассчитать из молярной доли, умножив молярную долю на молекулярную массу для каждого компонента, чтобы найти массу компонента, и сравнив ее с суммированными массами всех компонентов. Фактическая масса каждого компонента, необходимого для смеси, рассчитывается путем умножения массовой доли на желаемую массу смеси.

Смешивание при частичном давлении [ править ]

Также известно как объемное смешивание. Это должно выполняться при постоянной температуре для обеспечения максимальной точности, хотя можно компенсировать изменения температуры пропорционально точности измерения температуры до и после добавления каждого газа в смесь.

Смешивание парциального давления обычно используется для дыхания газов при дайвинге. Точность, требуемая для этого применения, может быть достигнута с помощью манометра, который показывает точность до 0,5 бар и позволяет температуре уравновеситься после добавления каждого газа.

Смешивание массовых долей [ править ]

Также известно как гравиметрическое смешение. Это относительно не зависит от температуры, и точность зависит от точности измерения массы компонентов.

Смешивание массовых долей используется там, где важна высокая точность смеси, например, в калибровочных газах. Этот метод не подходит для движущихся платформ, где ускорение может привести к неточным измерениям, и поэтому не подходит для смешивания газов на судах.

Непрерывные процессы [ править ]

Добавка [ править ]

• Смешивание в постоянном потоке - контролируемый поток составляющих газов смешивается с образованием продукта. Смешивание может происходить при атмосферном давлении или при настройке давления выше атмосферного, но ниже давления подаваемого газа.
  • Подача постоянного массового расхода: прецизионные регуляторы массового расхода используются для управления расходом каждого газа для смешивания. На выходах регуляторов массового расхода могут быть установлены массовые расходомеры для контроля выхода. Газы можно пропускать через статический смеситель для обеспечения однородного выхода.

Непрерывное смешение газов используется для некоторых применений для подводного плавания с поверхности, а также для многих химических процессов с использованием смесей химически активных газов, особенно там, где может возникнуть необходимость в изменении смеси во время операции или процесса.

Вычитающий [ править ]

Эти процессы начинаются со смеси газов, обычно воздуха, и снижают концентрацию одного или нескольких компонентов. Эти процессы могут быть использованы для производства найтрокса для подводного плавания и деоксигенированного воздуха для создания одеял.

• Адсорбция при переменном давлении - Селективная адсорбция газа на среде, обратимая и пропорциональная давлению. Газ загружается в среду во время фазы высокого давления и выпускается во время фазы низкого давления.
• Мембранное разделение газа - газ проходит через полупроницаемую мембрану за счет разности давлений. Некоторые из составляющих газов проходят через мембрану легче, чем другие, и выход со стороны низкого давления обогащается газами, которые проходят через мембрану легче. Газы, которые медленнее проходят через мембрану, накапливаются на стороне высокого давления и непрерывно выпускаются для поддержания постоянной концентрации. Процесс может повторяться в несколько этапов для увеличения концентрации.

Газовый анализ [ править ]

Газовые смеси обычно должны анализироваться либо в процессе, либо после смешивания для контроля качества. Это особенно важно для дыхательных смесей газов, ошибки в которых могут повлиять на здоровье и безопасность конечного пользователя.

Содержание кислорода относительно просто контролировать с помощью гальванических элементов, которые обычно используются в индустрии подводного плавания для этой цели, хотя другие методы могут быть более точными и надежными.

Ссылки [ править ]

• Линкольн Электрик (1994). Справочник по методике дуговой сварки . Кливленд : Линкольн Электрик. ISBN 99949-25-82-2.
• Веман, Клас (2003). Справочник по сварочным процессам . Нью-Йорк, Нью-Йорк: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8.

См. Также [ править ]

• Смесь газов для подводного плавания