Смешивание газов
Смешение газов — это процесс смешивания газов для определенной цели, при котором состав получаемой смеси задается и контролируется.Широкий спектр применений включает научные и промышленные процессы, производство и хранение продуктов питания, а также газы для дыхания.
Газовые смеси обычно указываются в единицах молярной доли газа близко соответствует объемной доле газа (которая для многих постоянных газов ): в процентах, частях на тысячу или частях на миллион. Объемная доля газа тривиально преобразуется в степень парциального давления в соответствии с законом парциальных давлений Дальтона . Смешивание при парциальном давлении при постоянной температуре является вычислительно простым, а измерение давления относительно недорогим, но поддержание постоянной температуры во время изменений давления требует значительных задержек для выравнивания температуры. На смешивание по массовой доле не влияет изменение температуры во время процесса, но требуется точное измерение массы или веса, а также расчет масс компонентов на основе указанного молярного соотношения. На практике используются как парциальное давление, так и смешение массовых фракций.
Приложения [ править ]
Защитные газы для сварки [ править ]
Защитные газы — это инертные или полуинертные газы, используемые при газовой дуговой сварке и газовой вольфрамовой дуговой сварке для защиты зоны сварного шва от кислорода и водяных паров, которые могут снизить качество сварного шва или затруднить сварку.
Газовая дуговая сварка (GMAW) или сварка металла в инертном газе (MIG) — это процесс, в котором в качестве плавящегося электрода используется непрерывная подача проволоки и смесь инертных или полуинертных газов для защиты сварного шва от загрязнения. [1] Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) или сварка вольфрамовым инертным газом (TIG) — это ручной процесс сварки, в котором используется неплавящийся вольфрамовый электрод, смесь инертных или полуинертных газов и отдельный присадочный материал. [2]
в пищевой промышленности в модифицированной атмосфере Упаковка
Упаковка в модифицированной атмосфере сохраняет свежесть продуктов, улучшая качество поставляемого продукта и продлевая его срок службы. Состав газа, 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 ]
- Барботирование : через вино барботируют инертный газ, такой как азот, который удаляет растворенный кислород. Углекислый газ также удаляется, и чтобы обеспечить сохранение соответствующего количества диоксида углерода, в качестве барботирующего газа можно использовать смесь азота и диоксида углерода. [3]
- Очистка и защита: Удаление кислорода из свободного пространства над вином в контейнере путем промывки газовой смесью, аналогичной той, которая используется для барботажа, называется продувкой, а если кислород там остается, это называется защитой или инертизацией. [3]
Дыхательные газовые смеси для дайвинга [ править ]
Дыхательный газ — это смесь газообразных химических элементов и соединений, используемых для дыхания . Важным компонентом любого дыхательного газа является парциальное давление примерно кислорода от 0,16 до 1,60 бар при давлении окружающей среды . Кислород обычно является единственным метаболически активным компонентом, если газ не является анестезирующей смесью. Некоторая часть кислорода в дыхательном газе потребляется в метаболических процессах, а инертные компоненты остаются неизменными и служат главным образом для разбавления кислорода до соответствующей концентрации и поэтому также известны как газы-разбавители.
Подводное плавание [ править ]
Смешивание газов для подводного плавания — это заполнение баллонов для дайвинга газами, не содержащими воздух, 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 облегчить дыхание .
с поверхности и погружение насыщением с Погружение
Смешивание газов для погружений с поверхности и погружений с насыщением может включать заполнение баллонов для хранения и аварийных баллонов дыхательными газами, но оно также включает смешивание дыхательных газов при более низком давлении, которые подаются непосредственно водолазу или в гипербарическую систему жизнеобеспечения. . Частью работы системы жизнеобеспечения является пополнение запаса кислорода, используемого обитателями, и удаление продуктов углекислого газа с помощью установки кондиционирования газа. Это влечет за собой контроль состава камерного газа и периодическое добавление кислорода в камерный газ при внутреннем давлении камеры.
Газосмесительная установка является частью оборудования жизнеобеспечения системы насыщения наряду с другими компонентами, которые могут включать в себя хранилище газа, компрессоры, установку восстановления гелия, систему подачи горячей воды в колокол и водолаз, установку подготовки газа и аварийный источник питания. [4]
Медицинские газовые смеси [ править ]
Анестезиологический аппарат используется для смешивания дыхательного газа для пациентов, находящихся под наркозом во время операции. Система смешивания и подачи газа позволяет анестезиологу контролировать долю кислорода, концентрацию закиси азота и концентрацию летучих анестетиков. [5] В аппарат обычно подается кислород (O 2 ) и закись азота (N 2 O) из линий низкого давления и резервных баллонов высокого давления, а отмеренный газ смешивается при атмосферном давлении, после чего дополнительные анестетики могут быть добавлены с помощью испарителя. , и газ может быть увлажнен. Воздух используется в качестве разбавителя для снижения концентрации кислорода. В особых случаях в смесь могут быть добавлены и другие газы. Они могут включать углекислый газ (CO 2 ), используемый для стимуляции дыхания, и гелий (He) для уменьшения сопротивления потоку или улучшения теплопередачи. [6]
Системы смешивания газов могут быть механическими, с использованием обычных блоков ротаметров, или электронными, с использованием пропорциональных соленоидов или импульсных форсунок, а управление может быть ручным или автоматическим. [5]
Химические производственные процессы [ править ]
Обеспечение реактивными газообразными материалами для химических производств в необходимом соотношении
Производство и хранение контролируемой в атмосфере
Защитные газовые смеси могут использоваться для исключения воздуха или других газов с поверхности чувствительных материалов во время обработки.Примеры включают плавку химически активных металлов, таких как магний, и термическую обработку сталей.
Газовые смеси для аналитических применений по индивидуальному заказу [ править ]
- Поверочные газы используются для тестирования и калибровки оборудования для обнаружения газов путем воздействия на датчик известной концентрации загрязняющего вещества. Газы используются в качестве эталонной точки для обеспечения правильных показаний после калибровки и имеют очень точный состав, а содержание определяемого газа близко к заданному значению детектора.
- Нулевой газ обычно представляет собой газ, не содержащий измеряемого компонента и максимально приближенный к составу контролируемого газа, используемый для калибровки нулевой точки датчика.
Калибровочные газовые смеси обычно производятся партиями гравиметрическим или волюметрическим методами.
Гравиметрический метод использует чувствительные и точно откалиброванные весы для взвешивания количества газов, добавленных в цилиндр. Требуется точное измерение, поскольку неточность или примеси могут привести к неправильной калибровке. Контейнер для калибровочного газа должен быть максимально чистым. Цилиндры можно очистить путем продувки азотом высокой чистоты и вакуумирования. Для особо важных смесей цилиндр можно нагревать во время вакуумирования, чтобы облегчить удаление любых примесей, прилипших к стенкам. [7]
После заполнения газовую смесь необходимо тщательно перемешать, чтобы все компоненты равномерно распределились по контейнеру, чтобы предотвратить возможные изменения состава внутри контейнера. Обычно это делается путем катания контейнера по горизонтали на 2–4 часа. [7]
Методы [ править ]
Существует несколько методов смешивания газов. Их можно разделить на периодические методы и непрерывные процессы.
Пакетные методы [ править ]
Для периодического смешивания газов необходимо отмерять и смешивать соответствующие количества составляющих газов до тех пор, пока смесь не станет однородной. Количества основаны на мольных (или молярных) долях, но измеряются либо по объему, либо по массе. Измерение объема может осуществляться косвенно по парциальному давлению, поскольку газы часто последовательно декантируются в один и тот же контейнер для смешивания и, следовательно, занимают один и тот же объем. Измерение веса обычно используется в качестве замены 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 из них будет занимать одинаковый объем при одинаковом давлении и температуре, поэтому их можно измерить по объему при одном и том же давлении, а затем смешать или по парциальному давлению при декантации в газ. тот же контейнер.
Массовую долю можно рассчитать на основе молярной доли путем умножения молярной доли на молекулярную массу каждого компонента, чтобы найти массу компонента, и сравнить ее с суммой масс всех компонентов. Фактическая масса каждого компонента, необходимая для смеси, рассчитывается путем умножения массовой доли на желаемую массу смеси.
Смешивание при парциальном давлении [ править ]
Также известно как объемное смешивание. Для достижения максимальной точности это необходимо делать при постоянной температуре, хотя можно компенсировать изменения температуры пропорционально точности температуры, измеренной до и после добавления каждого газа в смесь.
Смешение парциального давления обычно используется для дыхания газов при дайвинге. Точность, необходимая для этого применения, может быть достигнута за счет использования манометра с точностью до 0,5 бар и обеспечения равновесия температуры после добавления каждого газа.
Смешивание массовых фракций [ править ]
Также известно как гравиметрическое смешивание. На это относительно не влияет температура, а точность зависит от точности измерения массы компонентов.
Смешение массовых фракций используется там, где важна высокая точность смеси, например, в калибровочных газах. Этот метод не подходит для движущихся платформ, ускорения которых могут привести к неточным измерениям, и поэтому не подходит для смешивания газов для дайвинга на судах.
Непрерывные процессы [ править ]
Добавка [ править ]
- Смешивание в постоянном потоке – контролируемый поток составляющих газов смешивается с образованием продукта. Смешивание может происходить при давлении окружающей среды или при давлении, превышающем давление окружающей среды, но ниже давления подаваемого газа.
- Постоянная подача массового расхода: прецизионные регуляторы массового расхода используются для управления расходом каждого газа для смешивания. Массовые расходомеры могут быть установлены на выходах регуляторов массового расхода для контроля выходного сигнала. Газы можно пропускать через статический смеситель для обеспечения однородного выхода.
Непрерывное смешивание газов используется для некоторых задач водолазного обслуживания с надводной подачей, а также для многих химических процессов с использованием реакционноспособных газовых смесей, особенно там, где может возникнуть необходимость изменить смесь во время операции или процесса.
Субтрактивный [ править ]
Эти процессы начинаются со смеси газов, обычно воздуха, и снижают концентрацию одного или нескольких компонентов. Эти процессы можно использовать для производства найтрокса для подводного плавания и деоксигенированного воздуха для укрытия.
- Адсорбция при переменном давлении – селективная адсорбция газа на среде, обратимая и пропорциональная давлению. Газ загружается в среду во время фазы высокого давления и высвобождается во время фазы низкого давления.
- Мембранное разделение газов – газ проталкивается через полупроницаемую мембрану за счет разницы 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 выводятся для поддержания постоянной концентрации. Процесс можно повторить в несколько этапов для увеличения концентрации.
Газовый анализ [ править ]
Газовые смеси обычно необходимо анализировать либо в процессе, либо после смешивания для контроля качества. Это особенно важно для дыхательных газовых смесей, ошибки в которых могут повлиять на здоровье и безопасность конечного пользователя.
Содержание кислорода относительно просто контролировать с помощью электрогальванических элементов , и они обычно используются для этой цели в индустрии подводного плавания, хотя другие методы могут быть более точными и надежными.
![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( июль 2019 г. ) |
Ссылки [ править ]
- ^ Линкольн Электрик, с. 5.4-3
- ^ Веман, с. 31
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с «Смешение газов для защитного газа, упаковки в модифицированной атмосфере и продувки – Dansensor» . www.gasmixing.com . Архивировано из оригинала 27 марта 2014 г.
- ^ Беван, Джон, изд. (2005). «Раздел 5.4». Справочник профессиональных дайверов (второе изд.). Алверсток, ГОСПОРТ, Хэмпшир: Submex Ltd., с. 242. ИСБН 978-0950824260 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Наркозный аппарат – системы смешивания газов http://www.anaesthesia.med.usyd.edu.au/resources/lectures/gas_supplies_clt/gasmixing.html
- ^ Бронзино, Джозеф Д. (15 февраля 2000 г.). Справочник по биомедицинской инженерии 1 . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-66351-5 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Сотрудники судовой службы Wilhelmsen: «Поверочные газы» http://www.wilhelmsen.com/services/maritime/companies/buss/BUSS_Pressroom/Documents/Span%20Gases.pdf
- Линкольн Электрик (1994). Справочник по технологиям дуговой сварки . Кливленд : Линкольн Электрик. ISBN 99949-25-82-2 .
- Веман, Клас (2003). Справочник по сварочным процессам . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 .
