Gasmischung - Gas blending
Beim Gasmischen werden Gase für einen bestimmten Zweck gemischt , wobei die Zusammensetzung des resultierenden Gemisches festgelegt und gesteuert wird. Ein breites Anwendungsspektrum umfasst wissenschaftliche und industrielle Prozesse, Lebensmittelherstellung sowie Lagerung und Atemgase.
Gasgemische werden normalerweise als molare Gasfraktion angegeben (die für viele permanente Gase durch die volumetrische Gasfraktion eng angenähert wird ): in Prozent, Teile pro Tausend oder Teile pro Million. Die volumetrische Gasfraktion wandelt sich nach dem Daltonschen Partialdruckgesetz trivial in ein Partialdruckverhältnis um . Das Partialdruckmischen bei konstanter Temperatur ist rechnerisch einfach und die Druckmessung ist relativ kostengünstig, aber das Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur während Druckänderungen erfordert erhebliche Verzögerungen für den Temperaturausgleich. Das Mischen nach Massenanteil wird durch Temperaturschwankungen während des Prozesses nicht beeinflusst, erfordert jedoch eine genaue Messung der Masse oder des Gewichts und die Berechnung der Massenbestandteile aus dem angegebenen Molverhältnis. In der Praxis werden sowohl Partialdruck- als auch Massenfraktionsmischungen verwendet.
Anwendungen
Schutzgase zum Schweißen
Schutzgase sind Inert- oder Halbinertgase, die beim Gasmetall-Lichtbogenschweißen und beim Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen verwendet werden, um den Schweißbereich vor Sauerstoff und Wasserdampf zu schützen, was die Qualität der Schweißnaht verringern oder das Schweißen erschweren kann.
Das Gasmetall- Lichtbogenschweißen (GMAW) oder das Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) ist ein Verfahren, bei dem eine kontinuierliche Drahtzufuhr als Verbrauchselektrode und ein Inert- oder Halb-Inertgasgemisch verwendet werden, um die Schweißnaht vor Verunreinigungen zu schützen. Das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) oder das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) ist ein manuelles Schweißverfahren, bei dem eine nicht verbrauchbare Wolframelektrode , ein Inert- oder Halb-Inertgasgemisch und ein separates Füllmaterial verwendet werden.
Verpackung in modifizierter Atmosphäre in der Lebensmittelindustrie
Verpackungen mit modifizierter Atmosphäre bewahren frische Produkte, um die Lieferqualität des Produkts zu verbessern und seine Lebensdauer zu verlängern. Die zum Verpacken von Lebensmitteln verwendete Gaszusammensetzung hängt vom Produkt ab. Ein hoher Sauerstoffgehalt trägt dazu bei, die rote Farbe des Fleisches beizubehalten, während ein niedriger Sauerstoffgehalt das Schimmelwachstum in Brot und Gemüse verringert.
Gasgemische zum Brauen
- Sparging : Ein Inertgas wie Stickstoff wird durch den Wein geblasen , wodurch der gelöste Sauerstoff entfernt wird. Kohlendioxid wird ebenfalls entfernt, und um sicherzustellen, dass eine angemessene Menge Kohlendioxid verbleibt, kann ein Gemisch aus Stickstoff und Kohlendioxid für das Einblasgas verwendet werden.
- Spülen und Abdecken: Das Entfernen von Sauerstoff aus dem Kopfraum über dem Wein in einem Behälter durch Spülen mit einem ähnlichen Gasgemisch wie das zum Einblasen verwendete wird als Spülen bezeichnet. Wenn es dort belassen wird, wird es als Abdecken oder Inertisieren bezeichnet.
Atemgasgemische zum Tauchen
Ein Atemgas ist eine Mischung aus gasförmigen chemischen Elementen und Verbindungen, die zur Atmung verwendet werden . Die wesentliche Komponente für jedes Atemgas ist ein Partialdruck von Sauerstoff von zwischen etwa 0,16 und 1,60 bar in dem Umgebungsdruck . Der Sauerstoff ist normalerweise die einzige metabolisch aktive Komponente, es sei denn, das Gas ist eine Narkosemischung. Ein Teil des Sauerstoffs im Atemgas wird durch die Stoffwechselprozesse verbraucht, und die inerten Komponenten bleiben unverändert und dienen hauptsächlich dazu, den Sauerstoff auf eine geeignete Konzentration zu verdünnen, und werden daher auch als Verdünnungsgase bezeichnet.
Gerätetauchen
Gasmisch zum Tauchen ist die Befüllung von Tauchflaschen mit nicht-luftatmende Gasen wie nitrox , trimix und Heliox . Die Verwendung dieser Gase soll im Allgemeinen die allgemeine Sicherheit des geplanten Tauchgangs verbessern, indem das Risiko einer Dekompressionskrankheit und / oder einer Stickstoffnarkose verringert wird , und kann die Atmungsfreundlichkeit verbessern .
Oberflächenversorgung und Sättigungstauchen
Das Gasmischen für die Oberflächenversorgung und das Sättigungstauchen kann das Befüllen von Massenspeicherzylindern und Rettungszylindern mit Atemgasen umfassen, beinhaltet jedoch auch das Mischen von Atemgasen mit niedrigerem Druck, die direkt dem Taucher oder dem hyperbaren Lebenserhaltungssystem zugeführt werden . Ein Teil des Betriebs des Lebenserhaltungssystems besteht darin, den von den Insassen verbrauchten Sauerstoff wieder aufzufüllen und das Kohlendioxid-Abfallprodukt durch die Gaskonditionierungsanlage zu entfernen. Dies beinhaltet die Überwachung der Zusammensetzung des Kammergases und die periodische Zugabe von Sauerstoff zum Kammergas bei dem Innendruck der Kammer.
Die Gasmischeinheit ist Teil der lebenserhaltenden Ausrüstung eines Sättigungssystems, zusammen mit anderen Komponenten, die einen Gasspeicher, Kompressoren, eine Heliumrückgewinnungseinheit, eine Heißwasserversorgung für Glocken und Taucher, eine Gaskonditionierungseinheit und eine Notstromversorgung umfassen können
Medizinische Gasgemische
Das Anästhesiegerät wird verwendet, um Atemgas für Patienten unter Narkose während der Operation zu mischen. Das Gasmisch- und Abgabesystem ermöglicht es dem Anästhesisten, die Sauerstofffraktion, die Lachgaskonzentration und die Konzentration flüchtiger Anästhetika zu steuern. Die Maschine wird normalerweise mit Sauerstoff (O 2 ) und Lachgas (N 2 O) aus Niederdruckleitungen und Hochdruckreservezylindern versorgt , und das dosierte Gas wird bei Umgebungsdruck gemischt, wonach zusätzliche Anästhetika durch einen Verdampfer zugesetzt werden können und das Gas kann befeuchtet werden. Luft wird als Verdünnungsmittel verwendet, um die Sauerstoffkonzentration zu verringern. In besonderen Fällen können dem Gemisch auch andere Gase zugesetzt werden. Diese können Kohlendioxid (CO 2 ) zur Stimulierung der Atmung und Helium (He) zur Verringerung des Strömungswiderstands oder zur Verbesserung der Wärmeübertragung umfassen.
Gasmischsysteme können mechanisch unter Verwendung herkömmlicher Rotameterbänke oder elektronisch unter Verwendung von Proportionalmagneten oder gepulsten Injektoren sein, und die Steuerung kann manuell oder automatisch erfolgen.
Chemische Produktionsprozesse
Bereitstellung reaktiver gasförmiger Materialien für chemische Produktionsprozesse im erforderlichen Verhältnis
Herstellung und Lagerung unter kontrollierter Atmosphäre
Schutzgasgemische können verwendet werden, um Luft oder andere Gase während der Verarbeitung von der Oberfläche empfindlicher Materialien auszuschließen. Beispiele umfassen das Schmelzen von reaktiven Metallen wie Magnesium und die Wärmebehandlung von Stählen.
Kundenspezifische Gasgemische für analytische Anwendungen
- Spangase werden zum Testen und Kalibrieren von Gasdetektionsgeräten verwendet, indem der Sensor einer bekannten Konzentration einer Verunreinigung ausgesetzt wird. Die Gase werden als Referenzpunkt verwendet, um korrekte Messwerte nach der Kalibrierung sicherzustellen, und haben eine sehr genaue Zusammensetzung, wobei der Gehalt des zu erfassenden Gases nahe am eingestellten Wert für den Detektor liegt.
- Nullgas ist normalerweise ein Gas, das frei von der zu messenden Komponente ist und der Zusammensetzung des zu überwachenden Gases so ähnlich wie möglich ist, um den Nullpunkt des Sensors zu kalibrieren.
Kalibriergasgemische werden im Allgemeinen chargenweise oder gravumetrisch chargenweise hergestellt.
Bei der gravimetrischen Methode werden empfindliche und genau kalibrierte Waagen verwendet, um die in den Zylinder eingebrachten Gasmengen zu wiegen. Eine genaue Messung ist erforderlich, da Ungenauigkeiten oder Verunreinigungen zu einer falschen Kalibrierung führen können. Der Behälter für Kalibriergas muss so sauber wie möglich sein. Die Zylinder können durch Spülen mit hochreinem Stickstoff gereinigt und abgesaugt werden. Bei besonders kritischen Gemischen kann der Zylinder während des Absaugens erwärmt werden, um die Entfernung von an den Wänden haftenden Verunreinigungen zu erleichtern.
Nach dem Befüllen muss das Gasgemisch gründlich gemischt werden, um sicherzustellen, dass alle Komponenten gleichmäßig im Behälter verteilt sind, um mögliche Variationen der Zusammensetzung innerhalb des Behälters zu vermeiden. Dies geschieht üblicherweise durch horizontales Rollen des Behälters für 2 bis 4 Stunden.
Methoden
Für das Gasmischen stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Diese können als Batch-Methoden und kontinuierliche Prozesse unterschieden werden.
Batch-Methoden
Beim Mischen von Chargengas müssen die geeigneten Mengen der Gasbestandteile gemessen und zusammengemischt werden, bis das Gemisch homogen ist. Die Mengen basieren auf den Mol- (oder Mol-) Fraktionen, werden jedoch entweder nach Volumen oder nach Masse gemessen. Die Volumenmessung kann indirekt durch Partialdruck erfolgen, da die Gase häufig nacheinander zum Mischen in denselben Behälter dekantiert werden und daher dasselbe Volumen einnehmen. Die Gewichtsmessung wird im Allgemeinen als Proxy für die Massenmessung verwendet, da die Beschleunigung normalerweise als konstant angesehen werden kann.
Die Molfraktion wird auch als Mengenfraktion bezeichnet und ist die Anzahl der Moleküle eines Bestandteils geteilt durch die Gesamtzahl aller Moleküle in der Mischung. Beispielsweise enthält eine Mischung aus 50% Sauerstoff und 50% Helium ungefähr die gleiche Anzahl von Molekülen Sauerstoff und Helium. Da sich sowohl Sauerstoff als auch Helium bei Drücken unter 200 bar ungefähren idealen Gasen annähern, nimmt jedes bei gleichem Druck und gleicher Temperatur das gleiche Volumen ein, so dass sie nach Volumen bei gleichem Druck gemessen, dann gemischt oder nach Partialdruck gemessen werden können, wenn sie in das Wasser dekantiert werden gleicher Behälter.
Der Massenanteil kann aus dem Molenbruch berechnet werden, indem der Molenbruch mit der Molekularmasse für jeden Bestandteil multipliziert wird, um eine Bestandteilsmasse zu finden und diese mit den summierten Massen aller Bestandteile zu vergleichen. Die tatsächliche Masse jedes für ein Gemisch benötigten Bestandteils wird berechnet, indem der Massenanteil mit der gewünschten Masse des Gemisches multipliziert wird.
Partialdruckmischung
Wird auch als volumetrisches Mischen bezeichnet. Dies muss bei konstanter Temperatur erfolgen, um die beste Genauigkeit zu erzielen. Es ist jedoch möglich, Temperaturänderungen proportional zur Genauigkeit der Temperatur zu kompensieren, die vor und nach der Zugabe jedes Gases zum Gemisch gemessen wird.
Partialdruckmischung wird üblicherweise zum Atmen von Gasen zum Tauchen verwendet. Die für diese Anwendung erforderliche Genauigkeit kann erreicht werden, indem ein Manometer verwendet wird, das auf 0,5 bar genau anzeigt und die Temperatur nach Zugabe jedes Gases ins Gleichgewicht bringt.
Mischen der Massenfraktion
Auch als gravimetrisches Mischen bekannt. Dies wird von der Temperatur relativ unberührt gelassen, und die Genauigkeit hängt von der Genauigkeit der Massenmessung der Bestandteile ab.
Das Mischen von Massenfraktionen wird verwendet, wenn eine große Genauigkeit des Gemisches kritisch ist, beispielsweise bei Kalibriergasen. Das Verfahren eignet sich nicht zum Bewegen von Plattformen, bei denen die Beschleunigungen zu ungenauen Messungen führen können, und ist daher nicht zum Mischen von Tauchgasen auf Schiffen geeignet.
Kontinuierliche Prozesse
Zusatzstoff
- Mischen mit konstantem Fluss - Ein kontrollierter Fluss der Gasbestandteile wird gemischt, um das Produkt zu bilden. Das Mischen kann bei Umgebungsdruck oder bei einer Druckeinstellung oberhalb der Umgebung erfolgen, die jedoch unter dem Versorgungsgasdruck liegt.
- Konstante Massendurchflussversorgung: Präzise Massendurchflussregler steuern die Durchflussrate jedes Gases zum Mischen. Massendurchflussmesser können an den Ausgängen der Massendurchflussregler installiert werden, um den Ausgang zu überwachen. Die Gase können durch einen statischen Mischer geleitet werden, um eine homogene Leistung sicherzustellen.
Kontinuierliches Gasmischen wird für einige oberflächenversorgte Tauchanwendungen und für viele chemische Prozesse unter Verwendung reaktiver Gasgemische verwendet, insbesondere wenn das Gemisch während des Betriebs oder Prozesses geändert werden muss.
Subtraktiv
Diese Prozesse beginnen mit einem Gemisch von Gasen, üblicherweise Luft, und verringern die Konzentration eines oder mehrerer der Bestandteile. Diese Verfahren können zur Herstellung von Nitrox zum Tauchen und von sauerstofffreier Luft für Deckenzwecke verwendet werden.
- Druckwechseladsorption - Selektive Adsorption von Gas auf einem Medium, das reversibel und proportional zum Druck ist. Während der Hochdruckphase wird Gas auf das Medium geladen und während der Niederdruckphase freigesetzt.
- Membrangastrennung - Gas wird durch eine Druckdifferenz durch eine semipermeable Membran gedrückt. Einige der Gasbestandteile passieren die Membran leichter als die anderen, und der Ausstoß von der Niederdruckseite wird mit den Gasen angereichert, die leichter passieren. Gase, die langsamer durch die Membran gelangen, sammeln sich auf der Hochdruckseite an und werden kontinuierlich abgegeben, um eine konstante Konzentration aufrechtzuerhalten. Der Vorgang kann in mehreren Stufen wiederholt werden, um die Konzentrationen zu erhöhen.
Gasanalyse
Gasgemische müssen im Allgemeinen entweder im Prozess oder nach dem Mischen zur Qualitätskontrolle analysiert werden. Dies ist besonders wichtig für Atemgasgemische, bei denen Fehler die Gesundheit und Sicherheit des Endbenutzers beeinträchtigen können.
Der Sauerstoffgehalt ist mit elektro-galvanischen Zellen relativ einfach zu überwachen, und diese werden routinemäßig in der Unterwassertauchindustrie zu diesem Zweck verwendet, obwohl andere Methoden möglicherweise genauer und zuverlässiger sind.
Verweise
- Lincoln Electric (1994). Das Verfahrenshandbuch für das Lichtbogenschweißen . Cleveland : Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2 .
- Weman, Klas (2003). Handbuch für Schweißprozesse . New York, NY: CRC Press LLC. ISBN 0-8493-1773-8 .