Смешивание газов - Gas blending

Смешивание газов это процесс смешивания газы для конкретной цели, когда состав полученной смеси определяется и регулируется. Широкий спектр применений включает научные и промышленные процессы, производство и хранение пищевых продуктов, а также газы для дыхания.

Газовые смеси обычно указываются в единицах молярная доля газа (что близко аппроксимируется объемная доля газа для многих постоянные газы ): в процентах, частях на тысячу или миллионных долях. Объемная доля газа тривиально преобразуется в отношение парциальных давлений в соответствии с Закон парциальных давлений Дальтона. Смешивание парциального давления при постоянной температуре в вычислительном отношении просто, и измерение давления относительно недорого, но поддержание постоянной температуры при изменении давления требует значительных задержек для выравнивания температуры. Смешивание массовая доля не 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

Защитные газы для сварки

Сварка вольфрамовым электродом в среде защитного 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 сварки или затруднить сварку.

Газовая дуговая сварка металла (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 электродом в среде инертного газа (TIG) - это ручной процесс сварки, в котором используется неплавящийся вольфрам электрод, смесь инертного или полуинертного газа и отдельный наполнитель.^[2]

Упаковка в модифицированной атмосфере в пищевой промышленности

Упаковка в модифицированной атмосфере сохраняет свежие продукты, чтобы улучшить качество продукта и продлить срок его службы. Состав газа, который используется для упаковки пищевых продуктов, зависит от продукта. Высота кислород Содержание помогает сохранить красный цвет мяса, а низкий уровень кислорода снижает рост плесени в хлебе и овощах.^[3]

Газовые смеси для пивоварения

• Барботаж: Через вино пропускается инертный газ, например азот, который удаляет растворенный кислород. Также удаляется диоксид углерода, и для обеспечения того, чтобы оставалось соответствующее количество диоксида углерода, в качестве барботирующего газа можно использовать смесь азота и диоксида углерода.^[3]
• Продувка и заслонка: 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

Оборудование для смешивания газов парциального давления для подводного плавания с аквалангом

А дыхательный газ представляет собой смесь газообразных химических элементов и соединений, используемых для дыхание. Важным компонентом любого дыхательного газа является частичное давление из кислород от примерно 0,16 до 1,60 бар на давление внешней среды. Кислород обычно является единственным метаболически активным компонентом, если только 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 с аквалангом

Смесь газов для подводного плавания это наполнение баллоны для дайвинга с газами, не содержащими воздух для дыхания, такими как найтрокс, тримикс и гелиокс. Использование этих газов, как правило, предназначено для повышения общей безопасности запланированного погружения за счет снижения риска декомпрессионная болезнь и / или азотный наркоз, и может улучшить легкость дыхания.

Погружение с поверхности и насыщение

Смешивание газов для поверхность снабжена и насыщение дайвинг может включать фасовку навалом баллоны для хранения и аварийные цилиндры с дыхательными газами, но это также включает в себя смешивание дыхательных газов с более низким давлением, которые подаются непосредственно к дайверу или в бассейн. гипербарическая система 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 за составом газа в камере и периодическое добавление кислорода в газ 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 аварийный источник питания.^[4]

Смеси медицинские газовые

Наркозный аппарат

В наркозный аппарат используется для смешивания дыхательного газа для пациентов под анестезией во время операции. Система смешивания и подачи газа позволяет анестезиологу контролировать кислородную фракцию, концентрацию закиси азота и концентрацию летучих анестетиков.^[5]В аппарат обычно подается кислород (O₂) и закись азота (N₂O) из трубопроводов низкого давления и резервных баллонов высокого давления, и дозируемый газ смешивается при атмосферном давлении, после чего с помощью испарителя могут быть добавлены дополнительные анестетики, 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 (CO₂), 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]

Химические производственные процессы

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

Производство и хранение в контролируемой атмосфере

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

Калибровочные газы:

• Поверочные газы используются для тестирования и калибровки газоанализатора, подвергая датчик воздействию загрязнителя известной концентрации. 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 компонента, который необходимо измерить, и максимально близкий к составу контролируемого газа, используемого для калибровки нулевой точки датчика.

Смеси калибровочных газов обычно производятся партиями гравиметрическим или волюметрическим методами.

Гравиметрический метод использует чувствительные и точно откалиброванные весы для взвешивания количества газов, добавленных в баллон. 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 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 емкости, чтобы предотвратить возможные изменения в составе внутри емкости. Обычно это делается путем горизонтального перекатывания контейнера в течение 2–4 часов.^[7]

Методы

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

Пакетные методы

Для смешивания порционного газа требуется, чтобы соответствующие количества составляющих газов были измерены и смешаны вместе, пока смесь не станет однородной. 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 давлениях ниже 200 бар, каждый из них 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 мольной доли, умножив молярную долю на молекулярная масса для каждой составляющей, чтобы найти составляющую массу и сравнить ее с суммированными массами всех составляющих. Фактическая масса каждого компонента, необходимого для смеси, рассчитывается путем умножения массовой доли на желаемую массу смеси.

Смешивание при частичном давлении

Также известно как объемное смешивание. Это необходимо делать 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 за счет использования манометра, который показывает точность до 0,5 бар и позволяет температуре уравновеситься после добавления каждого газа.

Смешивание массовых долей

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

Смешение 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

Добавка

Станция смешивания найтрокса, использующая непрерывное смешивание потока перед сжатием

Трубка для смешивания найтрокса для подмешивания кислорода во всасываемый воздух для компрессора

• 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, использующих реактивные газовые смеси, особенно когда может возникнуть необходимость в изменении смеси во время операции или процесса.

Субтрактивный

Эти процессы начинаются со смеси газов, обычно воздуха, и снижают концентрацию одного или нескольких компонентов. Эти процессы могут быть использованы для производства Найтрокс для подводного плавания и дезоксигенированный воздух для 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 газов - 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.

Анализ газа

Как правило, газовые смеси 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 электрогальванические элементы и они обычно используются в индустрии подводного плавания для этой цели, хотя другие методы могут быть более точными и надежными.

Эта секция нуждается в расширении. Вы можете помочь добавляя к этому. (Июль 2019)

Рекомендации

• Линкольн Электрик (1994). Руководство по дуговой сварке. 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.

Смотрите также

• Смесь газов для подводного плавания