Пусть смешиваются n химически невзаимодействующих между собой идеальных газов. Предполагается, что известны начальные термодинамические параметры состояния всех компонентов до смешения и условия смешения (условия взаимодействия с окружающей средой). Требуется найти равновесные параметры состояния газов после смешения.
Рассмотрим два случая смешения, для простоты полагая, что этот процесс идет без теплообмена с окружающей средой .
2.1. Смешение при W=Const
В этом случае условия смешения таковы, что объем образующейся смеси W см равен сумме начальных объемов компонентов смеси W H i:
(Не следует путать W H i с парциальными объемами W i , рассмотренными в параграфе 1.4.3.)
Обозначим:
Р H i – начальное давление i -го газа;
Т H i , t H i – начальная температура i -го газа соответственно в 0 К или 0 С .
Т.к. вся система из n газов при смешении в условиях W=Const не совершает внешней работы, то в соответствии с первым началом термодинамики для этого случая () можно записать:
Здесь: U см – внутренняя энергия смеси газов массой m см килограммов
с температурой Т 0 К ;
U H i - внутренняя энергия i -го газа массой m i килограммов
с начальной температурой Т H i .
Введем обозначения:
u см – удельная внутренняя энергия смеси газов при температуре Т 0 К ;
u H i – удельная внутренняя энергия i -го газа с начальной температурой Т H i .
Тогда уравнение (2.1.1) принимает следующий вид:
(2.1.2)
Как известно, для идеального газа du=C v dT , откуда при отсчете внутренней энергии от 0 0 К можно записать:
Здесь: - средняя в диапазоне 0 Т 0 К массовая изохорная теплоемкость смеси газов;
Средняя в диапазоне 0 Т H i 0 К массовая изохорная теплоемкость i -го газа.
После подстановки (2.1.3) в (2.1.2) получим:
Но в соответствии с параграфом 1.4.10 истинная массовая теплоемкость смеси газов выражается через массовые доли компонентов g i и их истинные теплоемкости следующим образом:
Аналогично средняя в диапазоне 0 Т 0 К массовая изохорная теплоемкость смеси газов определится как:
Подставляя это выражение в левую часть уравнения (2.1.4) получим:
откуда (2.1.5)
Т.к. из уравнения состояния , то после подстановки m i в уравнение (2.1.5) окончательно получим формулу для температуры смеси n газов:
Как известно, , поэтому формула (2.1.6) может быть записана в следующем виде:
(Следует напомнить, что произведение - это средняя в диапазоне 0- Т H i 0 К молярная изохорная теплоемкость i -го газа.)
В справочной литературе эмпирические зависимости теплоемкости от температуры часто даются для диапазона 0 t 0 С .
После подстановки (2.1.8) и (2.1.9) в уравнение (2.1.2) получим:
Заменяя m i его значением , окончательно получим формулу для температуры смеси газов в градусах Цельсия :
Выражая R i через малекулярную массу , получим еще одну формулу:
В знаменателях формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11) содержатся средние теплоемкости, у которых в качестве верхнего предела осреднения используется температура смеси (t или Т ), подлежащая определению. В силу этого, температура смеси по этим формулам определяется методом последовательных приближений .
2.1.1. Частные случаи смешения газов при W=Const
Рассмотрим несколько частных случаев формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11).
1. Пусть смешиваются газы, у которых зависимостью показателя адиабаты К i от температуры можно пренебречь.
(В действительности К убывает с ростом температуры, т. к.
где с о р , а – эмперические положительные коэффициенты.
Для технических расчетов в диапазоне от 0 до 2000 0 С можно пользоваться следующими формулами:
а) для двухатомных газов К 1,40 - 0,50 10 -4 t ;
б) для продуктов сгорания К 1,35 - 0,55 10 -4 t .
Из этих формул видно, что влияние температуры на показатель адиабаты К становится заметным лишь при температурах, порядка сотен градусов по шкале Цельсия.)
Т. о., если допустить, что
то формула (2.1.6) примет следующий вид:
Формулу (2.1.12) можно использовать в качестве первого приближения для формул (2.1.6), (2.1.7), (2.1.10) и (2.1.11)
2. Пусть смешиваются газы, у которых мольные изохорные теплоемкости равны и зависимостью этих теплоемкостей от температуры можно пренебречь, т. е.:
Тогда уравнение (2.1.7) принимает очень простой вид:
Если у газов равны между собой мольные изохорные теплоемкости, то в соответствии с уравнением Майера
должны быть равны между собой и мольные изобарные теплоемкости, а, следовательно, равны и показатели адиабаты, т. е.
При этом условии уравнение (2.1.12) превращается в (2.1.13).
2.1.2. Давление после смешения газов при W=Const
Давление, устанавливающееся после смешения газов, можно определить либо по формулам параграфа 1.4.2, либо из условия:
Р см W см = m см R см Т = m см Т .
Пусть в отдельных термостатированных сосудах под одинаковым давлением p находятся газы А и В , взятые в количествах имолей. При соединении этих сосудов произойдет самопроизвольное смешение газов вплоть до установления однородного состава газовой смеси по всему объему системы. Будем предполагать, что исходные газы и их смеси подчиняются уравнениям состояния идеальных газов. Тогда при сохранении постоянного общего давления газов p парциальные давления газов в образовавшейся смеси будут равны
При смешении идеальных газов тепловые эффекты отсутствуют, поэтому теплообмена между газами и термостатом не происходит, и изменение энтропии системы будет полностью определяться необратимостью процессов внутри системы.
Чтобы найти искомое изменение энтропии, необходимо противопоставить описанному самопроизвольному процессу мысленный равновесный переход между теми же начальным и конечным состояниями системы.
Для равновесного смешения газов воспользуемся специальным гипотетическим устройством, по аналогии с термостатомназываемым хемостатом. Это устройство состоит из термостатируемого цилиндра, снабженного перемещающимся без трения поршнем; в основании цилиндра находится избирательно проницаемая только для данного индивидуального химического вещества мембрана; последняя отделяет индивидуальное вещество, загруженное в хемостат, от изучаемой смеси веществ, находящейся в другом сосуде. В отличие от термостата, предназначенного для поддержания заданной температуры погруженного в него тела, либо для нагревания или охлаждения последнего в равновесном режиме, с помощью хемостата обеспечивают поддержание определенного значения химического потенциала данного индивидуального вещества в исследуемой смеси веществ, а также равновесный подвод и отвод вещества из смеси. Химический потенциал i -гохимического компонента в хемостате однозначно определяется температурой T и давлением, создаваемым на поршне. Изменяя давление на поршне, можно изменять направление перехода данного компонента через селективную мембрану: если – химический потенциал компонента в исследуемой смеси, то при вещество будет подводиться в смесь, при – выводиться из смеси, и при между хемостатом и смесью поддерживается химическое равновесие. Квазиравновесному изменению состава смеси соответствует диффузионный перенос вещества через мембрану под действием весьма малой разности значений химического потенциала по обе стороны мембраны.
Химический потенциал идеального газа, независимо от того, находится ли этот газ в индивидуальном состоянии или же в смеси с другими идеальными газами, выражается простым соотношением , где p i есть либо давление чистого газа, либо его парциальное давление в смеси. Поэтому при переносе идеального газа через полупроницаемую мембрану равновесие между смесью и хемостатом характеризуется равенством давления в хемостате и парциального давления газа в смеси.
Рис. 2.3. Равновесное смешение двух газов с помощью хемостатов: a – начальное состояние системы; б – состояние системы после изотермического расширения газов; в – конечное состояние после смешения газов через мембраны; 1 – хемостаты индивидуальных газов A и B ; 2 – полупроницаемые мембраны; 3 – сосуд для равновесного смешения газов.
Равновесное смешение идеальных газов A и B проведем в термостатируемой системе, состоящей из двух хемостатов индивидуальных компонентов A и B , соединенных с третьим сосудом – сборником образующейся смеси, снабженным, так же как и хемостаты, подвижным поршнем (рис. 2.3).
Пусть в начальный момент в хемостатах содержится соответственно молей компонента
A
и молей
компонента B
под одинаковым давлением p
; поршень в
сборнике смеси находится в нулевой позиции (объем газа под поршнем равен нулю).
Процесс смешения проводим в два этапа. На первом этапе совершаем обратимое
изотермическое расширение газов A
и B
; при этом давление A
снижаем от p
до заданного давления и давление B
соответственно
от p
до . Объемы, занимаемые газами в первом и во втором хемостатах,
изменятся соответственно от до и от до . Работа, совершенная расширяющимся газом в первом хемостате,
равна 
; во
втором 
.
Таким образом, на первом этапе в нашем гипотетическом устройстве производится
суммарная работа . Так как при изотермическом расширении идеального газа его
внутренняя энергия не изменяется, указанная работа осуществляется за счет
эквивалентного подвода теплоты из термостата . Отсюда обратимое изменение энтропии в
системе будет равно
На втором этапе процесса (собственно смешении) производим перепускание газов из хемостатов через селективные мембраны в сборник смеси путем синхронизированного движения трех поршней. При этом на каждом из поршней поддерживается постоянное давление, соответственно, и в хемостатах и в сборнике, что обеспечивает равновесный переход газов через мембраны (точнее говоря, в сборнике создается давление, чуть меньшее p , сохраняя отличную от нуля движущую силу диффузии через мембраны). Обратимость процесса смешения в данном случае обеспечивается возможностью синхронного изменения направления движения всех трех поршней, что приводило бы к обратному разделению смеси на индивидуальные компоненты. После завершения операции смесь, очевидно, займет в сборнике объем .
Так как в случае идеальных газов смешение не сопровождается каким-либо тепловым эффектом, теплообмен нашего устройства с термостатом на втором этапе операции отсутствует, . Следовательно, изменение энтропии системы на этом этапе не происходит, .
Полезно убедиться путем прямого подсчета, что работа газов на втором этапе равна нулю. Действительно, на перемещение поршней в хемостатах расходуется работа , в то же время в сборнике газами производится та же самая по величине работа . Отсюда .
Итак, суммарный прирост энтропии при смешении газов определяется выражением
(2.9), .
Если при равновесном варианте смешения этот прирост связан с обратным подводом
теплоты и производством эквивалентного количества работы 
, то при прямом
(необратимом) смешении газов этот же прирост энтропии происходит за счет ее
генерации внутри системы; никакой работы система при этом не совершает.
После подстановки (2.8) выражение (2.9) можно переписать в виде
. (2.10)
Этому соотношению отводится обязательное место в курсах термодинамики ввиду его кажущейся парадоксальности. Примечательно, что для изменения энтропии (при смешении идеальных газов!) не имеет значения, что с чем смешивается, а также при каких давлении и температуре. По существу здесь приведен неформальный вывод (2.10).
Дополним вывод (2.10) его полезными следствиями. Вводя молярные доли
компонентов 
и , получим выражение для изменения энтропии в расчете на 1 моль
образующейся смеси:
. (2.11)
Максимум этой функции приходится на эквимолярную смесь газов, 0.5.
С точки зрения теории разделения смесей веществ представляет интерес проследить изменение производства энтропии при добавлении достаточно большого числа молей компонента B к одному молю компонента A . Полагая в (2.10) и , получим
При выводе (2.12) использовалось математическое представление логарифмической функции
.
Формула (2.12) показывает, что последовательное разведение смеси сопровождается бесконечным ростом энтропии в расчете на моль примесного компонента.
Формула (2.10) дает интегральную величину приращения энтропии при смешении конечных количеств газа. Для того, чтобы придти к компактному дифференциальному выражению, аналогичному формуле (2.7) для теплообмена, видоизменим модель смешения компонентов (см. рис. 2.4). Будем предполагать, что смешение происходит через проницаемую для обоих компонентов мембрану, либо через достаточно узкий вентиль, разделяющие сосуды, заполненные смесями A и B разного состава. Система термостатирована, и в обоих сосудах при помощи поршней поддерживается постоянное давление p . При ограниченной скорости смешения состав смеси в каждом из сосудов может считаться однородным по объему сосуда. Таким образом, данная система аналогична теплообменной системе со слабопроводящей перегородкой.
Глава 9. Общие сведения о смешивании газов.
Цели и задачи главы:
Узнать о правилах пожарной безопасности при работе с кислородом
Узнать о правилах обращения и работы с кислородом
Узнать о применении "правила 40%"
Узнать о различных системах для смешивания газов.
Новые термины в данной главе.
Огнеопасный (пожароопасный) треугольник
Кислородо-совместимая смазка
Адиабатическое нагревание (процесс Дизеля)
Кислородная очистка
Правило 40%
Смешивание парциальных давлений
Смешивание с постоянным потоком
Абсорбция с периодической очисткой абсорбента
Мембранное разделение.
Будучи дайвером, использующим в своих погружениях обогащенные смеси, вы должны иметь возможность получать эти смеси. Вам не нужно знать, как готовить нитрокс самостоятельно, однако, вы должны иметь предсталение о том, как они готовятся, и знать о требованиях к очистке вашего оборудования, налагаемых использованием нитрокса. Некоторые из общеупотребительных методов получения обогащенных смесей рассматриваются в данной главе, обсуждаются их преимущества и недостатки. Смесь, которой вы дышите, должна обязательно иметь соответствующее солдержание кислорода.
1.Обращение и работа с кислородом.
Кислород - удивительный газ. Он может быть как другом, так и врагом. При смешивании газов для использования в аквалангах оператор должен получить соответствующее содержание кислорода в находящейся под высоким давлением смеси. Это может быть выполнено путем смешивания чистого кислорода с азотом или воздухом или путем удаления части азота из воздуха. Главная проблема при смешивании находящегося под высоким давлением кислорода - пожароопасность. Все, что не является полностью окисленным - а это значит, практически все, - будет гореть в находящемся под высоким давлением кислороде при наличии источника воспламенения. Некоторый риск существует и при обращении со смесями, но гораздо больший риск несет обращение с чистым сжатым кислородом. Дайвер, использующий обогащенные смеси, не обязан уметь обращаться с чистым кислородом, но он должен иметь некоторое представление о сопутствующих факторах риска, поскольку кислород начинает использоваться по мере усложнения и расширения деятельности дайвера.
2.Огнеопасный (пожароопасный) треугольник.
Для предотвращения пожара необходимо знать, какие составляющие вызывают пожар и поддерживают его. Эти составляющие изображены на рисунке
в виде так называемого "огнеопасного или пожароопасного треугольника". Огонь - быстрая химическая реакция между топливом и кислородом (окислителем), которая может возникнуть только при наличии источника воспламенения (тепла). Окисление может протекать и без возгорания, как, например, в процессе ржавения. Огонь же возникает при наличии источника воспламенения (тепла). После воспламенения в ходе химической реакции горения выделяется энергия (тепло), которая и поддерживает дальнейшее горение. Если мы удалим одну из составляющих (топливо, кислород, источник воспламенения), огонь не может возникнуть. Если, таким образом, одновременно не имеются в наличии все три составляющих, возгорание будет предотвращено. Если пламя уже существует, удаление одной из составляющих приведет к угасанию пламени. Это основы теории борьбы с пожаром. Еще один важный момент состоит в том, что огонь должен распространяться для того, чтобы поддерживать свое существование. Иногда стремление к распространению огня даже добавляют в качестве еще одной составляющей вышеописанного "треугольника".
3.Кислород.
В рассматриваемых ниже ситуациях кислород присутствует в концентрациях, больших, чем его концентрация в воздухе. Это значит, что окислитель в "огнеопасном треугольнике" по умолчанию присутствует всегда и не может быть удален из этой "формулы пожара". Известно всем, что кислород воздуха при соответствующих обстоятельствах может активно участвовать в реакции горения, так что не должно удивлять, что более высокая его концентрация способна только увеличить риск. Далее, необходимо вспомнить, что увеличенное содержание кислорода в воздухе означает уменьшенное содержание инертного газа. По этой и некоторым другим причинам интенсивность горения зависит от процентного содержания кислорода не линейным образом. Она зависит и от процентного содержания (доли) кислорода в смеси, и от его парциального давления и существенно возрастает при возрастании этих параметров.
4.Топливо.
В данном параграфе мы будем говорить о топливе, имеющемся в газовой системе, обеспечивающей использование газа для дыхания. При высоких давлениях кислорода в случае возгорания сама система может стать топливом для химической реакции, однако для начала возгорания необходимо нечто более легко воспламенимое. Это может быть какая-то отдельная часть системы, растворитель, смазка, мягкие компоненты системы (резина, пластик).
Некоторые типы топлива, имеющиеся в газовых системах, могут быть практически негорючими в обычных условиях и очень горючими в обогащенной кислородом среде. К этим типам топлива относятся силиконовая смазка, силиконовая резина, неопрен, компрессорные смазки, пластиковые и металлические стружки и заусенцы, органические вещества и материалы, пыль различного характера, даже жир на пяльцах. Возможно, наиболее опасным топливом являются различные смазки. Существует распространенное заблуждение о том, что силикон (вероятно, в силу экзотичности названия) безопасен при использовании с кислородом. На самом деле это не так. Существуют специальные кислородно-совместимые смазки, такие как Christo-lube, Krytox, Halocarbon. Именно такие самазки должны использоваться в кислородно-обогащенной среде.
5.Воспламенение.
Некоторые источники воспламенения очевидны, однако, большинство из них находятся вне газовой системы и нами не рассматриваются. Два главных источника воспламенения внутри системы: трение и сжатие газа в процессе его прохождения по системе. Термин "трение" использован здесь в общем смысле: в смысле наличия каких-либо частиц в газовом потоке или в смысле движения самого газового потока и столкновения его с углами газопроводов или иными препятствиями. Еще одно явление - то самое, которое вызывает нагрев баллона, - может вызвать и возгорание (при выделении достаточного количества тепла). Это тот же самый эффект, который вызывает воспламенение топлива в цилиндрах дизельного двигателя без запальной свечи. Этот эффект носит название "адиабатическое нагревание (процесс Дизеля)".
Резкое открытие и закрытие вентиля цилиндра в процессе сжатия газа может вызвать нарастание температуры до точки воспламенения, а при наличии в газовом потоке загрязнений - и само воспламение. Поэтому в компрессорах не используются клапаны быстрого переключения ("шариковые клапаны").
6.Использование кислородных систем.
Важная мысль данной главы состоит в том, что риск при обращении с кислородом может быть минимизирован путем соблюдения определенных правил при разработке систем и обращении с сними. В частности, важно избегать острых углов и клапанов быстрого переключения, а также использовать соответствующие материалы. Металлы, используемые для изготовления воздушных систем, пригодны и для изготовления кислородных систем. Что касается "мягких составялющих", таких как прокладки, гибкие сочленения, диафрагмы, то они должны быть заменены на кислородно-совместимые. В некоторых случаях основной критерий - меньшая горючесть в кислороде, но в большинстве случаев - повышенная стойкость к кислороду, находящемуся под высоким давлением. Выпускаются специальные наборы, позволяющие превратить воздушное оборудование в оборудование для использования нитрокса.
Необходимо, в частности, выполнять правильную очистку оборудования и поддерживать оборудование в чистом виде, использовать соответствующие смазки, обращаться с газами так, чтобы не вызвать воспламенения, открывать вентили медленно и плавно.
7.Очистка оборудования для использования его с кислородом. Некоторые соображения и относительно очистки оборудования.
Понятие "кислородная очистка" вызывает определенную путаницу в рядах дайверов-любителей. Причина состоит в том, что не вполне ясно, нужна ли очистка оборудования для использования его со смесями, содержащими от 21% до 40% кислорода. Эта проблема имеет более глубокие корни: не существует разработанных и стандартизированных промышленных процедур для обращения со смесями, содержащими некоторое промежуточное количество кислорода в диапазоне от 21% (воздух) до 100% (чистый кислород). Стандарты существуют только на обращение с чистым кислородом; таким образом, любая смесь, содержащая кислорода более 21%, с точки зрения существующих стандартов эквивалентна чистому кислороду. Поэтому, чтобы выполнять все операции в соответствии с промышленными стандартами, приходится обращаться с любой обогащенной сместью как с чистым кислородом.
Ассоциация по сжатым газам CGA, Национальная противопожарная ассоциация NFPA, NASA и ряд других организаций рекомендуют обращаться с газами с промежутчными концентрациями как с чистым кислородом. Это не говорит о том, что они выполнили какие-то исследования в данном диапазоне концентраций. Это говорит лишь о том, что не существует промышленно выработанных и принятых норм, и эти организации предпочитают занимать консервативную позицию. С другой стороны, ВМФ США разработал процедуры, гласящие, что смеси с концентрацией кислорода до 40% с точки зрения обращения могут рассматриваться как воздух. Не было опубликовано никаких результатов тестов, которые могли бы сказать, что это заключение истинно, однако, такой подход практикуется уже многие годы, и отчетов о связанных с этим вопросом аварийных ситуациях не поступало. NOAA приняла этот предел концентрации при работе с обогащенными смесями; NAUI, в общем, тоже, однако, с некоторыми ограничениями.
Чистый сжатый воздух.
Еще одна путаница возникает применительно к понятию "чистоты воздуха". Различные "степени" чистоты дыхательных газов, применяемые различными ассоциациями и организациями (CGA, ВМФ США), сбивают с толку, когда речь ведется о чистоте обогащенной смеси. Стандарты допускают наличие некоторого количества паров масла (углеводородов) в сжатом воздухе (обычно 5 мг / куб. м). Это количество безопасно с точки зрения дыхания, но может быть опасно с точки зрения возгорания при работе со сжатым кислородом.
Таким образом, отсутствуют общепринятые и согласованные градации чистоты воздуха, определяющие его пригодность для смешивания с чистым кислородом. Законодатели промышленных стандартов договорились о том, что уровень углеводородов порядка 0.1 мг / куб. м может считаться приемлемым для воздуха, который "далее должен быть смешан с кислородом". В последние несколько лет стали доступны фильтрующие системы (на фотографии), позволяющие получать сжатый воздух, удовлетворяющий этим требованиям. Компрессоры, которые предотвращают контакт воздуха со смазкой, конечно, справляются с этой задачей лучше, но они стоят существенно дороже.Формализованный подход к кислородной очистке.
Словосочетание "кислородная очистка" звучит страшно еще и по той причине, что при ее промышленном осуществлении требуется соблюдение довольно строгих процедур. Эти периодически выполняемые процедуры опубликованы CGA и другими организациями. Они предназначены для того, чтобы поддерживать безопасность при работе со сжатым кислородом.
NAUI утверждает, что любое оборудование, предназначенное для использования с чистым кислородом или со смесями, содержащими больше 40% кислорода при давлении более 200 psi (приблизительно 13 атм), должно быть кислородо-совместимым и очищенным для использования с кислородом. Очистке подлежат баллон, первая ступень регулятора и все шланги. Некоторые элементы оборудования могут быть преобразованы для работы с такими смесями путем использования компонентов из специальных наборов.
8.Неформализованный подход к кислородной очистке: "правило 40%"
Несмотря на недостаток формального тестирования, в отрасли дайвинга довольно успешно применяется так называемое "правило 40%", и его применение не выявило каких-либо проблем. Многочисленные пожары в системах смешивания газов для дайвинга имели место, но были вызваны более высокими концентрациями кислорода.
NAUI приемлет данное правило, но требует, чтобы оборудование было подвергнуто кислородной очистке и чтобы в нем использовались кислородо-совместимые смазки. Этот подход менее строг, чем формальный, однако, при правильном выполнении весьма эффективен. Очистка должна выполняться квалифицированными техниками.
Оборудование должно быть очищено ото всех видимых загрязнений и следов смазки, затем вычищено щеткой или ультразвуком с использованием сильного чистящего средства в горячей воде. Хороши жидкие чистящие средства для домашнего использования типа Joy. Чистота должна быть не хуже той, которая ожидается от тарелок и серебрянных столовых изделий. После высыхания мягкие составляющие подлежат замене на кислородо-совместимые, после чего оборудование смазывается кислородо-совместимой смазкой.
После выполнения очистки оборудование долно быть использовано только для работы с обогащенными смесями и не должно использоваться со сжатым воздухом, в противном случае его придется очищать повторно.
9.Приготовление обогащенных смесей.
Традиционная схема построения системы смешивания газов основана на добавлении кислорода в воздух тем или иным способом. Недавно разработаны и стали доступны два новых метода, которые обогащают воздух другим путем - удаляя азот. В данном параграфе будут рассмотрены 3 метода с добавлением кислорода: смешивание по весу, смешивание парциальных давлений, смешивание с постоянным потоком; и 2 метода с удалением азота: абсорбция с периодической очисткой абсорбента, мембранное разделение (Ballantyne and Delp, 1996).
Тип используемой системы смешивания газов важен для конечного пользователя с той точки зрения, что он определяет процедуры заполнения баллонов и диапазон возможных концентраций кислорода в получаемой смеси.
Смешивание газов по весу.
Наиболее простой и надежный метод получения точных по составу смесей - покупка готовых смесей. Промышленныйе производители газов обычно смешивают чистый кислород и чистый азот, а не чистый кислород и воздух.
Газы смешиваются по весу. Это позволяет игнорировать многие аномалии в поведении газов, вызванные их отличием от идеальных и обеспечивает очень точный газовый состав смесей. Смешивание может производиться в баллонах, банках баллонов или цистернах. Необходимо иметь точные весы, которые весьма дороги, так как должны уметь измерять малые изменения при большом весе. Этот способ смешивания газов наиболее точен, и полученные смеси тщательно анализируются на соответствие фактического состава заявленному. При составлении таких смесей промышленная компания вынуждена использовать чистый кислород, но зато розничный продавец смесей может этого избежать. Этот метод довольно дорогой, и его стоимость увеличивается еще и тем, что емкости для хранения смесей принадлежат поставщику смесей, и следовательно, берутся продавцом смесей в аренду.
Смешивание парциальных давлений.
Как говорит само название метода, за основу в нем берется соотношение парциальных давлений. Техник заполняет баллон заданным количеством кислорода (которое измеряется по величине давления), затем дополняет его сверхчистым воздухом до нужного конечного давления. В первую очередь закачивается кислород, когда баллон еще пуст, что снижает пожароопасность процедуры, так как отсутствует необходимость манипуляций с кислородом при полном давлении заправленного баллона. Так как используется чистый кислород, вся система, включая наполняемый баллон, должна быть кислородо-совместима и очищена. Так как давление зависит от температуры, а баллон при наполнении нагревается, необходимо либо давать баллону остыть, либо учитывать влияние температуры при измерении давления. Поскольку окончательная коррекция состава часто производится после окончательного остывания баллона, весь процесс приготовления смеси занимает довольно много времени. Этот процесс может также использоваться для того, чтобы дополнить баллон со смесью известного состава до получения смеси такого же или иного определенного состава.
Компрессор для смешивания по такому методу не требуется, если воздух поставляется под давлением, достаточным для того, чтобы заполнять баллоны аквалангов без дополнительного сжатия. Чтобы добиться максимального использования банка заправочных баллонов, используют так называемую "каскадную технологию", которая заключается в том, что сначала используется заправочный баллон с самым низким давлением, после чего используется баллон с большим давлением и так далее. Иногда и сам метод называют "методом каскадного смешивания".
Компрессоры также часто используются при этом методе. В них не дожны использоваться масляные смазки, либо они должны обеспечивать воздуха ультравысокой чистоты, пригодный для смешивания с кислородом. Еще один способ закачать воздух в баллон - использовать пневматический насос, сжимающий воздух в наборе разных по диаметру цилиндров, порши которых соединены с одним распредвалом. Огна из наиболее популярных моделей - Haskel.
Смешивание парциальных давлений весьма популярно среди дайвинг-центров, которые готовят множество различных по составу смесей в малых объемах для различных целей любительского и технического дайвинга, в том числе и смеси с содержанием кислорода более 40%. В данном случае значительная доля стоимости системы - высокоточный манометр. При этом очень эффективно использование пневматического насоса. Такой способ используется в удаленных местах дайвинга. Поскольку кислород добавляется при малом далвении, некоторые техники не очищают баллоны для кислорода. Такой практики следует избегать: баллон всегда должен очищаться для использования с кислородом.
10.Смешивание с постоянным потоком.
Этот метод (называемый также методом загрузки атмосферного воздуха) был впервые разработан NOAA (1979, 1991) и является наиболее дружественным пользователю методом (Рис. 9-7). В соответствии с этим методом кислород при низком давлении добавляется во входной воздушный поток, поступающий в компрессор с высокой степенью очистки от паров масла. Выходной поток непрерывно анализируется на состав, и результат этого анализа используется для того, чтобы соответствующим образом изменить подмешивание кислорода во входной поток. Выходной поток может пускаться в обход банка заправочных баллонов на время подстройки состава смеси. После того как смесь закачана в заправочные баллоны, она затем может быть перекачана в баллоны аквалангов перепуском или с использованием пневматического насоса. В установке с постоянным потоком в качестве источника кислорода может также использоваться подсистема абсорбции с периодической очисткой абсорбента PSA .
Существует еще один класс установок с постоянным потоком, обеспечивающих подачу воздуха коммерческому водолазу по шлангу воздухообеспечения. Такие установки имеют средства контроля постоянства состава смеси - различные измерители потока и регуляторы. Их выходное давление, как правило, лежит в районе менее 200 psi (13 атм).
11.Абсорбция с периодической очисткой абсорбента (PSA).
Данный метод основан на использовании материала, называемого "молекулярным ситом" - синтетического пористого глиноподобного материала, поры котрого обеспечивают очень большую площать поверхности. Эта поверхность адсорбирует газы ("адсорбировать" значит "абсорбировать на поверхности"). Азот адсорбируется быстрее, чем кислород, поэтому воздух, проходящий через адсорбент, становится богаче кислородом (точнее, беднее азотом). Используются две адсорбирующие пластины, между которыми переключается поток воздуха. Когда поток направлен на одну пластину, она адсорбирует азот, вторая пластина в это время очищается от ранее адсорбированного азота. Затем пластины меняются ролями.
Изменяя давления и периодичность очистки пластин, можно получать различные значения содержания кислорода в выходной смеси. Максимальное достижимое содержание кислорода - 95%, остальное - аргон. Аргон ведет себя по отношению к данному типу адсорбента почти как кислород (т.е. не адсорбируется), поэтому будет содержаться в выходой смеси почти в той же пропорции к кислороду, что и во входном воздухе. Этот аргон не оказывает влияния на дайвера.
Установки этого типа не требуют наличия кислорода под большим давлением, но они сложны и достаточно дороги в смысле приобретения и обслуживания; выходной поток должен закачиваться в баллоны с помощью кислородо-совместимого очищенного компрессора или пневматического насоса (на фотографии).
12.Мембранное разделение.
Данный метод основан на использовании мембраны, которая при прохождении через нее чистого воздуха пропускает молекулы кислорода лучше, чем азота. Выходная смесь таким образом обогащается кислородом, а концентрация кислорода определяется входным потоком. Максимальное достижимое значение содержания кислорода в коммерчески доступных системах - около 40%. Эта же технология, между прочим, используется для выделения гелия и в некоторых других процессах.
По аналогии с установками PSA, нет необходимости в использовании кислорода под большим давлением. Выходной поток должен закачиваться в баллоны с помощью кислородо-совместимого очищенного компрессора или пневматического насоса. Мембранные системы достаточно надежны и не требует особого обслуживания при том условии, что чистота входного потока достаточна.
газовархив
Газовой смеси водорода и кислорода, если их массовые доли 1 и 2 равны соответственно... параметров, характеризующих, индивидуальные свойства газа , и поэтому является... T=400 К. 8 ГЛАВА 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ГЛАВА 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ...
Введение 3 Глава 1 Ученые и их открытия
Автореферат диссертации... глав . Введение Глава 1: Учёные и их открытия. - Опыт Пристли Глава 2. История фотосинтеза. Глава 3: Значение фотосинтеза в природе. Глава ... углекислый газ в кислород. Углекислый газ необходим... электрохимического потенциала. Свойства тилакоидной мембраны...
Вообразим себе три горизонтальных слоя А, В и С нашего газового столба, причем слой В расположен выше А, а А - выше С. Всегда возмжно получить любое количество смеси состава А, смешав некоторый объем из слоя С с объемом из слоя В. Обратно, любое количество смеси состава А можно разложить на две смеси с составом В и С.
Это смешивание и разделение двух газов можно осуществить и обратимым путем, укрепив в А, В и С горизонтальные трубы. Тот конец каждой такой трубы, который выходит из газового столба наружу, закрывается поршнем. Будем теперь в слоях В и С вдвигать поршни внутрь, двигая их, скажем, слева направо, а в точке А, наоборот, будем выдвигать поршень наружу, т. е. справа налево. Тогда в В и С некоторые массы газа уйдут из столба, а в А, наоборот, поступит какой-то объем смеси. Мы примем, что в каждой такой трубе содержится некоторая масса смеси того же самого состава, что и горизонтальный слой газового столба, с которым сообщатся данная труба.
Значения определятся тогда из уравнений
Отсюда следует, что
Разделим теперь смесь каким-либо обратимым путем и подсчитаем затраченную работу.
Введем в А единицу объема смеси, а из В и выведем, соответственно, объемы
Вся работа, затраченная при этом процессе, равна
подставляя сюда значения видим, что эта работа равна нулю.
Здесь имеется некоторая тонкость: смеси В и на которые распалась смесь А, подняты на различную высоту и приобрели, таким образом, различную потенциальную энергию. Но раз работа равна нулю и температура системы постоянна, то это возможно лишь в том случае, если система отдала или получила некоторое количество теплоты. Зная изменение потенциальной энергии, найдем количество теплоты, сообщенное системе, а отсюда и изменение энтропии.
Приращение потенциальной энергии составит
но оно равно количеству теплоты, сообщенному системе, так что приращение энтропии будет равно
На такую величину сумма энтропий объема смеси В и объема смеси С больше энтропии единицы объема смеси А. Отсюда можно найти объемы смесей В и С, сумма энтропий которых равна энтропии единицы объема смеси А; для этого доведем объемы смесей В и С обратимым изотермическим путем до объемов и сумму приращений энтропий обеих смесей при этом процессе приравняем выражению (75), взятому с обратным знаком.
Приращение энтропии для смеси В составит
Подставим в уравнение (76) выражение для давлений через плотности
1. Смешение газов при V=const. Если суммарный объем, занимаемый газами до и после смешения, остается неизменным и газы до смешения занимают объемы V 1 , V 2 ,….. V n м 3 при давлениях р 1 , р 2 , р n и температурах Т 1 , Т 2 , Т n , а отношение теплоемкостей этих газов с р /с v равны k 1 , k 2 ,…. k n , то параметры смеси определяют по формулам:
температура
давление
(5.15)
Для газов, у которых мольные теплоемкости равны, а следовательно, равны и значения k, формулы (62) и (63) принимают вид:
2. Смешение газовых потоков. Если массовые расходы смешивающихся потоков равны М 1 , М 2 ,… М n , кг/ч, объемные расходы- V 1 , V 2 ,….. V n м 3 /ч, давления газов - р 1 , р 2 , р n и температуры - Т 1 , Т 2 ,…Т n , а отношения теплоемкостей отдельных газов равны соответственно k 1 , k 2 ,…. k n , то температуры смеси определяют по формуле:
(5.18)
Объемный расход смеси в единицу времени при температуре Т и давлении р:
(5.19)
Для газов, у которых значения k равны, температуру смеси определяют по формуле (64). Если газовые потоки, помимо одинаковых значений k, имеют также давления, то формулы (66) и (67) принимают вид:
(5.21)
Задачи
5.1. Найти изменение внутренней энергии 1 кг воздуха при переходе его от начального состояния t 1 =300 0 С до конечного при t 2 =50 0 С. Зависимость теплоемкости от температуры принять линейной. Ответ дать в кДж.
Изменение внутренней энергии найдено по формуле (5.9):
Du=С vm (t 2 -t 1).
Пользуясь табл. 4.3, получим для воздуха
(С vm) 0 t =0.7084+0.00009349t кДж/(кг К);
(С vm) 50 300 =0.7084+0.00009349(50+300)=0.7411 кДж/(кг К).
Следовательно,
Du=0.7411(50-300)= - 185.3 кДж/кг
Ответ: DU = - 185.3 кДж/кг
5.2. Найти изменение внутренней энергии 2 м 3 воздуха, если температура его понижается от t 1 =250 0 С до t 2 =70 0 С. Зависимость теплоемкости от температуры принять линейной. Начальное давление воздуха Р 1 =0.6 МПа.
Ответ: DU=-1063 кДж.
5.3. К газу, заключенному в цилиндре с подвижным поршнем, подводится извне 100 кДж теплоты. Величина произведенной работы при этом составляет 115 кДж. Определить изменение внутренней энергии газа, если количество его равно 0.8 кг.
Ответ: DU= - 18.2 кДж.
5.4. 2 м 3 воздуха при давлении 0.5 МПа и температуре 50 0 С смешиваются с 10 м 3 воздуха при давлении 0.2 МПа и температуре 100 0 С. Определить давление и температуру смеси.
Ответ: t см =82 0 С; Р см =0.25 МПа.
5.5. В сборном газоходе котельной смешиваются уходящие газы трех котлов, имеющие атмосферное давление. Для упрощения принимается, что эти газы имеют одинаковый состав, а именно: CO 2 =11.8 %; O 2 =6.8 %; N 2 =75.6 %; H 2 O=5.8 %. Часовые расходы газов составляют V 1 =7100 м 3 /ч; V 2 =2600 м 3 /ч; V 3 =11200 м 3 /ч, а температуры газов соответственно t 1 =170 0 С, t 2 =220 0 С, t 3 =120 0 С. Определить температуру газов после смешения и их объемный расход через дымовую трубу при этой температуре.
Ответ: t=147 0 С; V=20900 м 3 /ч.
5.6. Уходящие газы из трех паровых котлов при давлении 0.1 МПа смешиваются в сборном газоходе и через дымовую трубу удаляются в атмосферу. Объемный состав уходящих газов из отдельных котлов следующий: из первого
СО 2 =10.4 %; О 2 =7.2 %; N 2 =77.0%; H 2 O=5.4 %;
из второго
СО 2 =11.8 %; O 2 =6.9 %; N 2 =75.6 %; H 2 O=5.8 %;
из третьего
CO 2 =12.0 %; O 2 =4.1 %; N 2 =77.8 %; H 2 O=6.1 %.
Часовые расходы газов составляют
М 1 =12000 кг/ч; М 2 =6500 кг/ч; М 3 =8400 кг/ч; а температуры газов соответственно t 1 =130 0 С; t 2 =180 0 С; t 3 =200 0 С.
Определить температуру уходящих газов после смешения в сборном газоходе. Принять, что мольные теплоемкости этих газов одинаковы.
Ответ: t 2 =164 0 С.
5.7. В газоходе смешиваются три газовых потока, имеющих одинаковое давление, равное 0.2 МПа. Первый поток представляет собой азот с объемным расходом V 1 =8200 м 3 /ч при температуре 200 0 С, второй поток -двуокись углерода с расходом 7600 м 3 /ч при температуре 500 0 С и третий поток - воздух с расходом 6400 м 3 /ч при температуре 800 0 С. Найти температуру газов после смешения и их объемный расход в общем газопроводе.
Ответ: t 1 =423 0 С; V=23000 м3/ч.
5.8. Продукты сгорания из газохода парового котла в количестве 400 кг/ч при температуре 900 0 С должны быть охлаждены до 500 0 С и направлены в сушильную установку. Газы охлаждаются смешением газового потока с потоком воздуха при температуре 20 0 С. Давление в обоих газовых потоках одинаковое. Определить часовой расход воздуха, если известно, что R газ = R возд. Теплоемкость продуктов сгорания принять равной теплоемкости воздуха.
Ответ: М возд = 366 кг/ч.
