Смешивание газов — это процесс смешивания газов для определенной цели, где состав полученной смеси определяется и, следовательно, контролируется. Широкий спектр применения включает научные и промышленные процессы, производство и хранение продуктов питания, а также дыхательные газы.
Газовые смеси обычно указываются в терминах 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 парциального давления, следуя закону Дальтона о парциальных давлениях . Смешивание парциального давления при постоянной температуре вычислительно просто, а измерение давления относительно недорого, но поддержание постоянной температуры во время изменений давления требует значительных задержек для выравнивания температуры. Смешивание по массовой доле не зависит от изменения температуры во время процесса, но требует точного измерения массы или веса и расчета масс компонентов из указанного молярного отношения. На практике используются как смешивание парциального давления, так и смешивание массовой доли.
Защитные газы — это инертные или полуинертные газы, используемые при газовой дуговой сварке плавящимся электродом и газовой дуговой сварке вольфрамовым электродом для защиты зоны сварки от кислорода и водяного пара, которые могут ухудшить качество сварки или затруднить ее выполнение.
Сварка металлическим электродом в среде защитного газа (GMAW) или сварка металлическим электродом в среде инертного газа (MIG) — это процесс, в котором используется непрерывная подача проволоки в качестве расходуемого электрода и инертная или полуинертная газовая смесь для защиты сварного шва от загрязнения. [1] Сварка металлическим электродом в среде защитного газа (GTAW) или сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) — это процесс ручной сварки, в котором используется нерасходуемый вольфрамовый электрод, инертная или полуинертная газовая смесь и отдельный присадочный материал. [2]
Упаковка в модифицированной атмосфере сохраняет свежие продукты, 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, в то время как низкое содержание кислорода снижает рост плесени на хлебе и овощах. [3]
Дыхательный газ представляет собой смесь газообразных химических элементов и соединений, используемых для дыхания. Основным 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 только газ не является анестезирующей смесью. 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 их также называют газами-разбавителями.
Смешивание газов для подводного плавания — это заполнение баллонов для дайвинга невоздушными дыхательными газами, такими как нитрокс , тримикс и гелиокс . Использование этих газов, как правило, направлено на повышение общей безопасности запланированного погружения за счет снижения риска декомпрессионной болезни и/или азотного наркоза , а также может облегчить дыхание .
Газовая смесь для поверхностного и насыщенного погружения может включать заполнение баллонов для хранения и баллонов для аварийного отключения дыхательными газами, но она также включает смешивание дыхательных газов при более низком давлении, которые подаются непосредственно водолазу или в гипербарическую систему жизнеобеспечения . Частью работы системы жизнеобеспечения является пополнение кислорода, используемого пассажирами, и удаление отходов углекислого газа блоком кондиционирования газа. Это влечет за собой мониторинг состава газа в камере и периодическое добавление кислорода в газ камеры при внутреннем давлении камеры.
Газосмесительный блок 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 кондиционирования 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 фракцию кислорода, концентрацию закиси азота и концентрацию летучих анестетиков. [5] Аппарат обычно снабжается кислородом (O 2 ) и закисью азота (N 2 O) из линий низкого давления и резервных баллонов высокого давления, а дозированный газ смешивается при давлении окружающей среды, после чего с помощью испарителя могут быть добавлены дополнительные анестетики, а газ может быть увлажнен. Воздух используется в качестве разбавителя для снижения концентрации кислорода. В особых случаях в смесь могут также добавляться другие газы. Они могут включать углекислый газ (CO 2 ), используемый для стимуляции дыхания, и гелий (He) для снижения сопротивления потоку или улучшения теплопередачи. [6]
Системы смешивания газа могут быть механическими, использующими обычные ротаметрические блоки, или электронными, использующими пропорциональные соленоиды или импульсные инжекторы, а управление может быть ручным или автоматическим. [5]
Обеспечение химически активных газообразных материалов для химических производственных процессов в требуемом соотношении
Защитные газовые смеси могут использоваться для исключения доступа воздуха или других газов к поверхности чувствительных материалов во время обработки. Примерами служат плавка реактивных металлов, таких как магний, и термическая обработка сталей.
Калибровочные газовые смеси обычно производятся партиями гравиметрическим или объемным методами.
Гравиметрический метод использует чувствительные и точно откалиброванные весы для взвешивания количества газов, добавляемых в цилиндр. Точное измерение необходимо, так как неточность или примеси могут привести к неправильной калибровке. Контейнер для калибровочного газа должен быть максимально чистым. Цилиндры можно очищать путем продувки азотом высокой чистоты, вакуумирования. Для особо критических смесей цилиндр можно нагревать во время вакуумирования, чтобы облегчить удаление любых примесей, прилипших к стенкам. [7]
После заполнения газовую смесь необходимо тщательно перемешать, чтобы гарантировать равномерное распределение всех компонентов по всему контейнеру и предотвратить возможные изменения состава внутри контейнера. Обычно это делается путем горизонтального вращения контейнера в течение 2–4 часов. [7]
Существует несколько методов смешивания газов. Их можно разделить на пакетные методы и непрерывные процессы.
Для пакетного смешивания газов требуется измерение и смешивание соответствующих количеств газов-компонентов до тех пор, пока смесь не станет однородной. Количества основаны на молярных (или молярных) долях, но измеряются либо по объему, либо по массе. Измерение объема может быть выполнено косвенно по парциальному давлению, поскольку газы часто последовательно сливаются в один и тот же контейнер для смешивания и, следовательно, занимают один и тот же объем. Измерение веса обычно используется в качестве заменителя измерения массы, поскольку ускорение обычно можно считать постоянным.
Мольная доля также называется долей количества и представляет собой число молекул компонента, деленное на общее число всех молекул в смеси. Например, смесь 50% кислорода, 50% гелия будет содержать приблизительно одинаковое число молекул кислорода и гелия. Поскольку и кислород, и гелий приблизительно являются идеальными газами 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, затем смешать или по парциальному давлению при переливании в один и тот же контейнер.
Массовую долю можно рассчитать из молярной доли, умножив молярную долю 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. Это должно выполняться при постоянной температуре для лучшей точности, хотя можно компенсировать изменения температуры пропорционально точности температуры, измеренной до и после добавления каждого газа в смесь.
Смешивание парциального давления обычно используется для дыхательных газов для дайвинга. Точность, требуемая для этого применения, может быть достигнута с помощью манометра, который показывает показания с точностью до 0,5 бар, и позволяя температуре уравновешиваться после добавления каждого газа.
Также известно как гравиметрическое смешивание. Оно относительно не зависит от температуры, а точность зависит от точности измерения массы компонентов.
Смешивание массовой доли используется там, где важна высокая точность смеси, например, в калибровочных газах. Метод не подходит для движущихся платформ, где ускорения могут привести к неточным измерениям, и поэтому не подходит для смешивания газов для дайвинга на судах.
Непрерывное смешивание газов используется для некоторых водолазных работ с поверхностной подачей, а также для многих химических процессов, в которых используются химически активные газовые смеси, особенно там, где может возникнуть необходимость в изменении состава смеси во время операции или процесса.
Эти процессы начинаются со смеси газов, обычно воздуха, и снижают концентрацию одного или нескольких компонентов. Эти процессы могут использоваться для производства Nitrox для подводного плавания и обескислороженного воздуха для целей одеяла.
Газовые смеси обычно должны анализироваться либо в процессе, либо после смешивания для контроля качества. Это особенно важно для дыхательных газовых смесей, где ошибки могут повлиять на здоровье и безопасность конечного пользователя.
Содержание кислорода сравнительно просто контролировать с помощью электрогальванических элементов , и они обычно используются в подводном плавании для этой цели, хотя другие методы могут быть более точными и надежными.