Смешивание 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 (которая для многих постоянных газов близко соответствует объемной доле газа ): 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.
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]
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]
Дыхательный газ — это смесь газообразных химических элементов и соединений, используемых для дыхания . Важным компонентом любого дыхательного газа является парциальное давление кислорода примерно 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 не изменяются и служат главным образом для разбавления кислорода до соответствующей концентрации, поэтому их также называют газами-разбавителями.
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 .
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 объемное хранилище газа, компрессоры, установку восстановления гелия, систему подачи горячей воды в колокол и водолаз, установку подготовки газа и аварийный источник питания [4].
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 могут быть добавлены дополнительные анестетики. 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 для 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]
Обеспечение реактивными газообразными материалами для химических производств в необходимом соотношении
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.
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]
Существует несколько методов смешивания газов. Их можно разделить на периодические методы и непрерывные процессы.
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.
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.
Также известно как гравиметрическое смешивание. На это относительно не влияет температура, а точность зависит от точности измерения массы компонентов.
Смешивание 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.
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.
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.
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.