Mieszanie gazów - Gas blending
Mieszanie gazów to proces mieszania gazów w określonym celu, w którym skład powstałej mieszaniny jest określony i kontrolowany. Szeroki zakres zastosowań obejmuje procesy naukowe i przemysłowe, produkcję i przechowywanie żywności oraz gazy oddechowe.
Mieszaniny gazów są zwykle określane w kategoriach molowej frakcji gazu (która jest ściśle przybliżona objętościową frakcją gazu dla wielu stałych gazów ): procentowo, części na tysiąc lub części na milion. Frakcja objętościowa gazu konwertuje trywialnie na stosunek ciśnień cząstkowych, zgodnie z prawem ciśnień cząstkowych Daltona . Mieszanie przy ciśnieniu parcjalnym w stałej temperaturze jest proste obliczeniowo, a pomiar ciśnienia jest stosunkowo niedrogi, ale utrzymanie stałej temperatury podczas zmian ciśnienia wymaga znacznych opóźnień w celu wyrównania temperatury. Na mieszanie według frakcji masowej nie mają wpływu zmiany temperatury podczas procesu, ale wymaga on dokładnego pomiaru masy lub wagi oraz obliczenia mas składników na podstawie określonego stosunku molowego. W praktyce stosuje się mieszanie pod ciśnieniem cząstkowym i frakcją masową.
Aplikacje
Gazy osłonowe do spawania
Gazy osłonowe to gazy obojętne lub półobojętne stosowane w spawaniu łukiem gazowym z metalem i wolframem w celu ochrony obszaru spawania przed tlenem i parą wodną, które mogą obniżyć jakość spoiny lub utrudnić spawanie.
Spawanie łukiem gazowym (GMAW) lub spawanie w osłonie gazów obojętnych (MIG) to proces, w którym jako elektrodę topliwą stosuje się ciągłe podawanie drutu oraz mieszaninę gazów obojętnych lub półobojętnych w celu ochrony spoiny przed zanieczyszczeniem. Spawanie elektrodą wolframową elektrodą wolframową (GTAW) lub spawanie w osłonie wolframowej w osłonie gazów obojętnych (TIG) to proces spawania ręcznego, w którym stosuje się nietopliwą elektrodę wolframową , obojętną lub półobojętną mieszankę gazów oraz oddzielny materiał wypełniający.
Opakowania ze zmodyfikowaną atmosferą w przemyśle spożywczym
Pakowanie w atmosferze modyfikowanej chroni świeże produkty, poprawiając jakość dostarczanego produktu i przedłużając jego żywotność. Skład gazu używany do pakowania produktów spożywczych zależy od produktu. Wysoka zawartość tlenu pomaga zachować czerwony kolor mięsa, a niski poziom ogranicza rozwój pleśni w pieczywie i warzywach.
Mieszanki gazowe do parzenia
- Napełnianie : Przez wino przepuszczany jest gaz obojętny, taki jak azot, który usuwa rozpuszczony tlen. Dwutlenek węgla jest również usuwany i aby zapewnić, że pozostanie odpowiednia ilość dwutlenku węgla, do gazu rozpryskującego można użyć mieszaniny azotu i dwutlenku węgla.
- Oczyszczanie i kocowanie: usuwanie tlenu z przestrzeni nad winem w pojemniku poprzez przepłukiwanie mieszaniną gazów podobną do tej używanej do spłukiwania nazywa się oczyszczaniem, a jeśli zostanie tam, nazywane jest kocowaniem lub zobojętnianiem.
Mieszanki oddechowe do nurkowania
Gaz do oddychania jest mieszaniną gazów pierwiastków i związków stosowanych do oddychania . Zasadniczym elementem dowolnego gazu do oddychania jest ciśnienie cząstkowe w tlen pomiędzy w przybliżeniu 0,16 i 1,60 bar przy ciśnieniu otoczenia . Tlen jest zwykle jedynym składnikiem aktywnym metabolicznie, chyba że gaz jest mieszaniną znieczulającą. Część tlenu zawartego w gazie oddechowym jest zużywana w procesach metabolicznych, a składniki obojętne pozostają niezmienione i służą głównie do rozcieńczania tlenu do odpowiedniego stężenia, dlatego też nazywane są gazami rozcieńczającymi.
Nurkowanie z akwalungiem
Mieszanie gazów do nurkowania z akwalungiem polega na napełnianiu butli do nurkowania gazami nieoddychającymi powietrzem, takimi jak nitrox , trimix i heliox . Stosowanie tych gazów ma ogólnie na celu poprawę ogólnego bezpieczeństwa planowanego nurkowania, poprzez zmniejszenie ryzyka choroby dekompresyjnej i / lub narkozy azotowej , oraz może poprawić łatwość oddychania .
Nurkowanie z zaopatrzeniem i saturacją
Mieszanie gazów do nurkowania powierzchniowego i nasyconego może obejmować napełnianie butli zbiorczych i butli ratunkowych gazami oddechowymi, ale obejmuje również mieszanie gazów oddechowych pod niższym ciśnieniem, które są dostarczane bezpośrednio do nurka lub do hiperbarycznego systemu podtrzymywania życia . Częścią działania systemu podtrzymywania życia jest uzupełnianie tlenu używanego przez mieszkańców oraz usuwanie produktu odpadowego dwutlenku węgla przez jednostkę uzdatniania gazu. Obejmuje to monitorowanie składu gazu w komorze i okresowego dodawania tlenu do gazu w komorze pod ciśnieniem wewnętrznym komory.
Jednostka mieszania gazów jest częścią wyposażenia podtrzymującego życie systemu nasycania, wraz z innymi komponentami, które mogą obejmować zbiorcze magazynowanie gazu, sprężarki, jednostkę odzysku helu, doprowadzenie ciepłej wody dzwonka i nurka, jednostkę uzdatniania gazu i zasilanie awaryjne
Mieszanki gazów medycznych
Aparat do znieczulenia służy do mieszania gazów oddechowych dla pacjentów znieczulonych podczas operacji. System mieszania i dostarczania gazów pozwala anestezjologowi kontrolować frakcję tlenu, stężenie podtlenku azotu oraz stężenie lotnych środków znieczulających. Maszyna jest zwykle zasilana tlenem (O 2 ) i podtlenkiem azotu (N 2 O) z linii niskiego ciśnienia i butli rezerwowych wysokiego ciśnienia, a odmierzony gaz jest mieszany pod ciśnieniem otoczenia, po czym parownik może dodać dodatkowe środki znieczulające , a gaz może być nawilżany. Powietrze jest używane jako rozcieńczalnik w celu zmniejszenia stężenia tlenu. W szczególnych przypadkach do mieszaniny można również dodać inne gazy. Mogą to być dwutlenek węgla (CO 2 ), używany do stymulacji oddychania i hel (He), zmniejszający opór przepływu lub poprawiający wymianę ciepła.
Systemy mieszania gazu mogą być mechaniczne, wykorzystujące konwencjonalne banki rotametrów lub elektroniczne, wykorzystujące proporcjonalne solenoidy lub wtryskiwacze impulsowe, a sterowanie może być ręczne lub automatyczne.
Chemiczne procesy produkcyjne
Dostarczanie reaktywnych materiałów gazowych do chemicznych procesów produkcyjnych w wymaganym stosunku
Produkcja i przechowywanie w kontrolowanej atmosferze
Aby wykluczyć powietrze lub inne gazy z powierzchni wrażliwych materiałów podczas przetwarzania, można stosować ochronne mieszaniny gazów. Przykłady obejmują topienie reaktywnych metali, takich jak magnez, oraz obróbkę cieplną stali.
Indywidualne mieszanki gazów do zastosowań analitycznych
- Gazy z zakresu są używane do testowania i kalibracji sprzętu do wykrywania gazu poprzez wystawienie czujnika na działanie zanieczyszczeń o znanym stężeniu. Gazy są używane jako punkt odniesienia, aby zapewnić prawidłowe odczyty po kalibracji i mają bardzo dokładny skład, z zawartością gazu, który ma być wykrywany, zbliżoną do wartości zadanej dla detektora.
- Gaz zerowy jest zwykle gazem niezawierającym mierzonego składnika i tak podobnym do składu gazu, który ma być monitorowany, na ile to praktycznie możliwe, stosowanym do kalibracji punktu zerowego czujnika.
Mieszaniny gazów kalibracyjnych są generalnie wytwarzane partiami metodami grawimetrycznymi lub wolumetrycznymi.
Metoda grawimetryczna wykorzystuje czułe i dokładnie skalibrowane wagi do ważenia ilości gazów dodanych do butli. Wymagany jest dokładny pomiar, ponieważ niedokładność lub zanieczyszczenia mogą skutkować nieprawidłową kalibracją. Pojemnik na gaz kalibracyjny musi być tak blisko, aby był idealnie czysty, jak to jest praktycznie możliwe. Butle mogą być czyszczone przez przedmuchanie azotem o wysokiej czystości, odkurzane. W przypadku szczególnie krytycznych mieszanin cylinder można podgrzać z jednoczesnym odkurzaniem, aby ułatwić usuwanie wszelkich zanieczyszczeń przylegających do ścian.
Po napełnieniu mieszaninę gazów należy dokładnie wymieszać, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie wszystkich składników w pojemniku, aby zapobiec możliwym wahaniom składu w pojemniku. Odbywa się to zwykle przez obracanie pojemnika w poziomie przez 2 do 4 godzin.
Metody
Dostępnych jest kilka metod mieszania gazów. Można je wyróżnić jako metody okresowe i procesy ciągłe.
Metody wsadowe
Mieszanie gazów okresowych wymaga pomiaru odpowiednich ilości gazów składowych i mieszania ich razem, aż mieszanina stanie się jednorodna. Ilości są oparte na ułamkach molowych (lub molowych), ale są mierzone objętościowo lub masowo. Pomiar objętości można przeprowadzić pośrednio przez ciśnienie cząstkowe, ponieważ gazy są często dekantowane sekwencyjnie do tego samego pojemnika w celu zmieszania, a zatem zajmują tę samą objętość. Pomiar masy jest zwykle używany jako przybliżenie pomiaru masy, ponieważ przyspieszenie można zwykle uznać za stałe.
Ułamek molowy jest również nazywany ułamkiem ilościowym i jest liczbą cząsteczek składnika podzieloną przez całkowitą liczbę wszystkich cząsteczek w mieszaninie. Na przykład mieszanina zawierająca 50% tlenu i 50% helu będzie zawierała w przybliżeniu taką samą liczbę cząsteczek tlenu i helu. Ponieważ zarówno tlen, jak i hel zbliżają się do idealnych gazów przy ciśnieniu poniżej 200 barów, każdy z nich będzie zajmował tę samą objętość przy tym samym ciśnieniu i temperaturze, więc można je mierzyć objętościowo przy tym samym ciśnieniu, a następnie mieszać lub przez ciśnienie cząstkowe po zdekantowaniu ten sam pojemnik.
Ułamek masowy można obliczyć z ułamka molowego, mnożąc ułamek molowy przez masę cząsteczkową każdego składnika, aby znaleźć masę składową i porównać ją z zsumowanymi masami wszystkich składników. Rzeczywistą masę każdego składnika potrzebnego do stworzenia mieszaniny oblicza się, mnożąc ułamek masowy przez żądaną masę mieszanki.
Mieszanie pod ciśnieniem parcjalnym
Znany również jako mieszanie wolumetryczne. Aby uzyskać najlepszą dokładność, należy to zrobić w stałej temperaturze, chociaż możliwe jest skompensowanie zmian temperatury proporcjonalnie do dokładności pomiaru temperatury przed i po dodaniu każdego gazu do mieszaniny.
Mieszanie pod ciśnieniem cząstkowym jest powszechnie stosowane do oddychania gazami do nurkowania. Dokładność wymaganą dla tego zastosowania można osiągnąć za pomocą manometru z dokładnym odczytem do 0,5 bara i umożliwienia wyrównania temperatury po dodaniu każdego gazu.
Mieszanie frakcji masowych
Znany również jako mieszanie grawimetryczne. Temperatura jest stosunkowo niezależna od temperatury, a dokładność zależy od dokładności pomiaru masy składników.
Mieszanie frakcji masowych jest stosowane tam, gdzie ważna jest duża dokładność mieszanki, na przykład w gazach kalibracyjnych. Metoda nie jest odpowiednia do ruchomych platform, gdzie przyspieszenia mogą powodować niedokładny pomiar, a zatem nie nadaje się do mieszania gazów nurkowych na statkach.
Ciągłe procesy
Przyłączeniowy
- Mieszanie o stałym przepływie - kontrolowany przepływ gazów składowych jest mieszany w celu utworzenia produktu. Mieszanie może nastąpić pod ciśnieniem otoczenia lub przy ciśnieniu ustawionym powyżej otoczenia, ale niższym niż ciśnienie gazu zasilającego.
- Stały przepływ masowy: Precyzyjne kontrolery przepływu masowego służą do kontrolowania natężenia przepływu każdego mieszanego gazu. Przepływomierze masowe mogą być instalowane na wyjściach regulatorów przepływu masowego w celu monitorowania wyjścia. Gazy mogą być przepuszczane przez mieszalnik statyczny, aby zapewnić jednorodną wydajność.
Ciągłe mieszanie gazów jest używane w niektórych zastosowaniach nurkowych z zasilaniem powierzchniowym oraz w wielu procesach chemicznych wykorzystujących mieszaniny gazów reaktywnych, szczególnie tam, gdzie może zajść potrzeba zmiany mieszanki podczas operacji lub procesu.
Odejmowanie
Procesy te rozpoczynają się od mieszaniny gazów, zwykle powietrza, i zmniejszają stężenie jednego lub więcej składników. Procesy te mogą być wykorzystywane do produkcji Nitroxu do nurkowania i odtlenionego powietrza do celów osłonowych.
- Adsorpcja zmiennociśnieniowa - selektywna adsorpcja gazu na ośrodku, który jest odwracalny i proporcjonalny do ciśnienia. Gaz jest ładowany do medium podczas fazy wysokiego ciśnienia i jest uwalniany podczas fazy niskiego ciśnienia.
- Separacja gazów przez membranę - gaz jest przepuszczany przez półprzepuszczalną membranę z powodu różnicy ciśnień. Niektóre z gazów składowych przechodzą przez membranę łatwiej niż inne, a wyjście po stronie niskiego ciśnienia jest wzbogacane gazami, które łatwiej przez nią przechodzą. Gazy, które wolniej przechodzą przez membranę, gromadzą się po stronie wysokiego ciśnienia i są w sposób ciągły odprowadzane w celu utrzymania stałego stężenia. Proces można powtarzać w kilku etapach, aby zwiększyć stężenia.
Analiza gazów
Mieszanki gazów muszą być generalnie analizowane w procesie lub po mieszaniu w celu kontroli jakości. Jest to szczególnie ważne w przypadku mieszanin gazów do oddychania, w przypadku których błędy mogą wpłynąć na zdrowie i bezpieczeństwo użytkownika końcowego.
Zawartość tlenu jest stosunkowo łatwa do monitorowania za pomocą ogniw elektro-galwanicznych i są one rutynowo używane do tego celu w przemyśle nurkowym, chociaż inne metody mogą być dokładniejsze i bardziej niezawodne.
Bibliografia
- Lincoln Electric (1994). Podręcznik procedur spawania łukowego . Cleveland : Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2 .
- Weman, Klas (2003). Podręcznik procesów spawalniczych . Nowy Jork, NY: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 .