Уважаемые посетители! На сайте проводятся технические работы. Некоторые страницы могут быть недоступны.
Уважаемые Дамы и Господа! 22.12.2017г. Наш офис и склад работает до 12:00
Просьба по всем вопросам писать на почту mail@mvif.ru
Уважаемые коллеги! 05.07.2019г наш офис и склад работают до 11:00
Просьба учесть это при планировании отгрузок.
Контакты склада: +7 (495) 988-64-44 (доб.318 и 336), +7 (925) 254-61-09

Подразделы:

Динамические газовые смесители

Скачать статью

>>> Термин «газ» впервые употребили в XVII столетии. В обиход его ввел по аналогии с греческим словом хаос Ян Баптист ван Гельмонт – известный голландский ученый.

Ян Баптист ван Гельмонт был алхимиком и искал, как и многие его коллеги, философский камень. Удивительно точна его догадка, связывающая газ с хаосом или, с позиций молекулярнокинетической теории, с хаотическим движением молекул. Не все его исследования были столь пророческими. Известен, например, очень показательный опыт, в котором он взял 200 фунтов сухой земли, посадил ивовую ветвь весом 5 фунтов и выращивал её пять лет, поливая только дождевой водой. Вес ивы через 5 лет составлял 164 фунта. При этом вес земли уменьшился всего на две унции. В итоге учёный сделал ошибочный вывод, что материал, из которого образовалось дерево, произошёл только из воды, использованной для полива. Эту ошибку вполне можно понять, так как слово «биосинтез» вошло в обиход намного позднее. Важно другое – он своим пятилетним кропотливым опытом сформулировал важный вопрос, на который ответили его последователи. Со времени исследований Гельмонта газом принято называть особое состояние вещества, которое, находясь в стандартных условиях, способно заполнять все существующее пространство без кардинального изменения своих признаков. В этом определении и заключается основное отличие газообразных веществ от твердых и жидких.

Рисунок 1. Ян Баптист ван Гельмонт (1580-1644),
голландский химик, физиолог, врач

Все газы подразделяются на технические и природные (атмосферные и подземные). Техническими принято называть химические вещества газообразного характера, которые человек добывает искусственным путем с целью эксплуатации для собственных нужд. Соответственно, природными газами считаются вещества, которые образовались естественным путем и находятся в воздухе, земле и растворены в воде. Безусловно, количество природных газов значительно превышает запасы технических, созданных химическим синтезом или разделением или очисткой природных.

К основным техническим газам, используемым человеком, относятся: водород, кислород, углекислота, азот, гелий, аргон и ацетилен.

Чистые газы широко применяются в разных областях промышленности и лабораторных исследованиях. Их применяют при производстве полупроводников, получении особо чистых металлов, выращивании кристаллов, в аналитике и при создании защитных сред.

Поговорим подробнее именно о технических газовых смесях, а также о способах приготовления газовых смесей.

Для начала разберемся в том, что такое газовая смесь? Газовой смесью принято называть смесь отдельных газов, не вступающих между собой в химические реакции. Каждый компонент в газовой смеси сохраняет свои свойства и ведёт себя так, как если бы он один занимал весь объём.

Полное (абсолютное) давление газовой смеси Pсмеси по закону Дальтона равно сумме парциальных давлений всех компонентов газовой смеси:

$$P_{смеси} = P_1 + P_2 + \cdots + P_n = \sum_{i=1}^{n} P_i,$$

где Pi - парциальное давление i - того газового компонента смеси.

Парциальным давлением принято называть давление, создаваемое одним компонентом на стенки сосуда. Закон Дальтона – это основа технологии массового приготовления газовых смесей в баллонах. Для приготовления смеси парциальным методом нужно подать в баллон или группу баллонов последовательно каждый из газов смеси так, чтобы к завершению процесса смешения обеспечить заранее заданную пропорцию парциальных давлений.

Газовые смеси встречаются в технике чаще, нежели чистые газы. Так к газовым смесям относится атмосферный воздух, состоящий из азота, кислорода, углекислого газа, водяного пара и других газов. Природный газ также является смесью предельных и непредельных углеводородов, оксида углерода, водорода, сероводорода, азота, кислорода, углекислого газа и других газов. К газовым смесям относятся также продукты сгорания топлива в котлоагрегатах (дымовые газы), состоящие из углекислого газа, паров воды, азота, кислорода и других газов.

Для чего нужны газовые смеси в промышленности, и где они могут применяться?

Газовые смеси применяются в следующих отраслях:

  • Сварка металлов;
    Полуавтоматическая сварка плавящимся электродом и ручная сварка неплавящимся электродом, осуществляемая с применением защитных газовых смесей (аргон, углекислота, кислород, гелий), позволяет обеспечивать отличное качество и высокую прочность сварного соединения при высокой производительности процесса.
  • Пищевая промышленность;
    Модифицированные газовые смеси (среды) используются в пищевой промышленности для продления срока хранения продуктов без использования консервантов. Специально подобранный состав газовой смеси позволяет затормозить биохимические процессы в продукте и сохранить его натуральные свойства. Самым важным из компонентов модифицированной пищевой газовой среды является углекислый газ (СО2), выполняющий функцию натурального антисептика, сдерживая и подавляя рост аэробных бактерий и плесени. Азот (N2) как инертный газ используется для замещения атмосферного воздуха, особенно кислорода. Введение в состав газовой смеси кислорода (O2) позволяет сохранить свежесть и натуральный цвет охлажденного мяса, поддержать процесс «дыхания» для фруктов и овощей.
  • Медицина.
    В качестве дыхательных смесей при наркозе в медицине используют смесь закиси азота с кислородом. Газовые смеси на основе этиленоксида и углекислого газа применяют для медицинских газовых стерилизаторов. В медицине есть такое понятие, как культуральный газ. Это газовая смесь, в состав которой входит углекислый газ, кислород и азот. Применяется данная газовая смесь как среда для культивирования ооцитов и эмбрионов для процедуры экстракорпорального оплодотворения (ЭКО).

А также газовые смеси используются в стекольной промышленности, лазерных технологиях, дайвинге и в других сферах промышленности.

Сегодня можно приобрести некоторые готовые смеси газов в баллонах, но применение газовых смесителей по-прежнему актуально. Приготовление газовых смесей в точке потребления часто дешевле, чем применение готовых газовых смесей в баллонах и позволяет оказывать влияние на технологический процесс за счет изменения состава. Именно поэтому многие предприятия предпочитают готовить смеси самостоятельно и контролировать процесс смешения.

Динамические газовые смесители можно условно разделить на следующие типы:

  • Механические;
  • Электронные.

Самым простым механическим смесителем технических газов является смеситель, сделанный на основе обычных газовых ротаметров. Такие смесители очень просты в изготовлении и обычно применяются при сварке в защитной среде, когда не требуется высокая точность получаемой смеси.

Широко применяемый в сварочном производстве способ защиты сварочной ванны с помощью однокомпонентных газов (углекислоты или аргона) со временем не стал удовлетворять требованиям качества и производительности. Дальнейшим этапом повышения эффективности сварки при изготовлении сварных металлоконструкций стало применение многокомпонентных газовых смесей на основе аргона. Изменяя состав газовой смеси, можно в определенных пределах изменять свойства шва и сварного соединения в целом.

Смешивание газов в таких смесителях происходит непосредственно на рабочем месте сварщика. Но у данного смесителя есть недостатки – не высокая точность приготовления газовой смеси и зависимость итоговой концентрации смеси от исходного давления газовых компонентов, входящих в состав смеси. Иными словами, при уменьшении давления в баллоне одного из компонентов, придется корректировать расход этого газа с помощью вентиля на ротаметре, а это не всегда удобно.

Более точными газовыми смесителями являются смесители на основе объемных бустеров и пропорциональных клапанов. Сначала выравнивается давление входных газовых потоков по давлению одного из них, называемого пилотным, а затем на регулируемых или нерегулируемых дюзах или пропорциональных клапанах обеспечивается регулирование состава смеси. Эта технология позволяет надежно смешивать практически любые виды технических газов и получать точные и стабильные газовые смеси. Для производства двухкомпонентных газовых смесей регулируемого состава чаще всего применяется пропорциональный смесительный клапан.

Компания «МВиФ» применяет в своих проектах газовые смесители компании WITT. Данные механические смесители известны во всем мире и хорошо себя зарекомендовали. При изготовлении двухкомпонентных газовых смесей компания WITT использует пропорциональный смесительный клапан.

Для изготовления смесей из трех и более видов газа вместо пропорционального смесительного клапана применяются отдельные смесительные клапаны для каждого вида газа. Решающим фактором для идеального функционирования смесителей такого типа является стабильное входное давление отдельных газов. Предотвратить колебания входного давления позволяют встроенные эффективные регуляторы давления.

Одним из направлений деятельности компании «МВиФ» является производство динамических электронных газовых смесителей, сделанных на основе контроллеров массового расхода - регуляторов расхода газа (РРГ). На рисунке 2 представлен внешний вид такого двухкомпонентного газового динамического смесителя производства MV&F.

Рисунок 2. Двухкомпонентный газовый смеситель производства MV&F

Такой газовый смеситель можно применить для приготовления двухкомпонентных и многокомпонентных смесей любых газов.

  • Сварочные смеси:
    Аргон Ar + углекислый газ СО2
    Аргон Ar + углекислый газ СО2 + кислород О2
    Аргон Ar + водород Н2
    Аргон Ar + гелий He
  • Пищевые смеси:
    Кислород О2 + углекислый газ СО2 + азот N2
    Этилен C2H4 + азот N2
  • Лазерная смесь:
    Углекислый газ СО2 + азот N2 + гелий He
  • Формиргаз:
    Азот N2 + водород H2

С помощью графической сенсорной панели оператора, которая входит в состав системы управления смесителем, оператор может задавать требуемую концентрацию газовой смеси, расход каждого газа по отдельности или приготовленной газовой смеси, сохранять и передавать полученные данные.

Динамические газовые смесители на основе РРГ в сравнении с механическими отличаются следующими преимуществами:

  • регулировка концентрации в широком диапазоне 0-100%;
  • стабильность концентрации приготовленной смеси независимо от колебаний интенсивности потребления смеси;
  • стабильность концентрации приготовленной смеси независимо от колебаний входного давления компонентов смеси;
  • возможность архивирования параметров и передачи данных по проводным и беспроводным протоколам.

По требованию заказчика данный смеситель может быть выполнен в общепромышленном или во взрывозащищенном исполнении. Так же данный смеситель можно укомплектовать датчиками температуры, давления, влажности, для контроля параметров исходного газа и конечной приготовленной смеси, а также очень полезной опцией является установка на выходе из смесителя газоанализатора для контроля концентрации приготовленной смеси. В случае выхода анализируемой смеси за допустимые границы система сигнализации оповестит оператора об этом, перекроет автоматические клапаны подачи газа и прекратит процесс смешения. На рисунке 3 представлена мнемосхема системы управления динамическим смесителем.

Рисунок 3. Мнемосхема системы управления динамического смесителя

Динамические регуляторы расхода газа могут применяться не только в простых газовых смесителях, но для более сложных задач. Например, таких, которые были поставлены перед специалистами «МВиФ» учеными из Объединенного института ядерных исследования (ОИЯИ) г. Дубна при строительстве новой установки по синтезу и изучению свойств трансурановых элементов. Основной установкой, на которой выполняются эксперименты, является газонаполненный сепаратор, разделяющий продукты ядерных реакций. Камера сепаратора заполняется газом – водородом или гелием – под давлением около 1.3 мбар (1 Торр). Для обеспечения работоспособности установки необходимо поддерживать постоянным давление и состав газа. Камера сепаратора отделяется от трубы циклотрона (ионопровод), по которой летят бомбардирующие ядра к сепаратору, вращающимся входным окном (титан 1.5-2 мкм). При этом в ионопроводе должен сохраняться вакуум ниже 10-6 Торр. Поэтому необходимо обеспечить полное разделение камеры сепаратора от ионопровода с перепадом давления от 1 до 10-6 Торр. Расход газа при этом минимален (около 1 л/час). В другом режиме работы установки система состоит из 3-х последовательных по пучку камер, непрерывно откачиваемых вакуумными насосами. Камеры соединяются патрубками с диафрагмами, создающими сопротивление потоку газа. В этом случае расход газа около 50 л/час. Откачиваемый газ направляется в специальную вентиляцию для удержания и обезвреживания радиоактивных продуктов ядерных взаимодействий. При работе с водородом задача становится еще более сложной в связи с тем, что направлять в специальную вентиляцию горючий газ нельзя.

Рисунок 4. Торжественное открытие нового газонаполненного сепаратора
продуктов ядерных реакций

Компания «МВиФ» помогает ученым открывать новые химические элементы и покорять новые научные горизонты. Была разработана, изготовлена и смонти-рована система подачи гелия и водорода в газонаполненный сепаратор - установку для разделения сверхтяжелых ядер. Данная установка создана для синтеза и изучения свойств 119 и 120-го элементов периодической системы химических элементов Менделеева. В успешных работах по пусконаладке системы подачи гелия и водорода в установку для синтеза сверхтяжелых ядер принимали участие ведущие специалисты компании «МВиФ» и научные сотрудники ОИЯИ. На рисунке 5 представлен один из газовых щитов данной системы для контроля и регулирования расхода водорода и гелия.

Рисунок 5. Газовый щит подачи и регулирования расхода водорода и гелия производства MV&F

Данная система работает в автоматическом режиме. При этом контроллеры массового расхода компании A-Flow плавно и точно поддерживают заданный расход газа.

Отработанный водород, выходящий из установки синтеза сверхтяжелых ядер, просто выбрасывать в дренаж нельзя, так как может образоваться взрывоопасная концентрация водорода с воздухом. Его надо разбавлять до безопасной концентрации (менее 4% об.) и только потом утилизировать в специальную вентиляцию. Для этих целей компанией «МВиФ» была разработана система разбавления водорода до безопасной концентрации. Данная система представлена на Рисунке 6.

Рисунок 6. Система смешения-утилизации водорода производства MV&F

В состав данной системы входит: регулятор расхода воздуха, служащий для подачи в систему смешения (разбавления) воздуха с определенным заданным расходом; эжектор-смеситель водорода с воздухом, а также датчик давления и газоанализатор водорода в получившейся смеси. Задатчиком расхода воздуха является значение расхода водорода при подаче его в установку, а газоанализатор контролирует безопасность процесса. При любой нештатной ситуации: утечка взрывоопасного газа, отсутствие воздуха-разбавителя или других событиях, система управления перекроет подачу водорода, включит аварийную вентиляцию и систему светозвуковой сигнализации.

Компания «МВиФ» изготавливает динамические газовые смесители для разных сфер промышленности, на разные диапазоны расходов и давления. Например, была разработана и изготовлена система смешения кислорода с воздухом со встроенным промышленным нагревателем для подачи полученной кислородо-воздушной среды в печи по выплавке минерального расплава. Разработанная система смешения представлена на Рисунке 7.

Рисунок 7. Система смешения кислорода с воздухом производства MV&F

Характеристики системы:

  • Расход кислорода: 50-500 нм3/час;
  • Расход воздуха: 6000 нм3/час;
  • Давление: 2 бар;
  • Плавное поддержание температуры газа на входе;
  • Мониторинг параметров и управление с помощью сенсорной панели оператора;
  • Архивирование данных процесса;
  • Передача данных на верхний урове по протоколу Modbus.

В качестве регулирующего органа в данном смесителе служит высококачественный шаровой кран Meca-Inox с V-образным шаром с установленным на него регулируемым электроприводом. Данное решение в совокупности с ПИД регулятором и системой управления на базе контроллера Siemens позволяет с хорошей точностью регулировать расход газа. Помимо регулирования расхода и смешения данная система нагревает входной газ и плавно поддерживает температуру, а также измеряет давление и температуру газовой среды. На Рисунке 8 представлена мнемосхема системы управления, разработанной для данной установки смешения.

Рисунок 8. Мнемосхема системы управления кислородо-воздушного смесителя производства MV&F

В данном смесителе предусмотрен ручной и автоматический режим. В автоматическом режиме смеситель работает без участия оператора.

Применений у газового смесителя может быть множество. От простого смешения газов для сварки, до смешения редких и специальных газов, применяемых в научных целях с контролем параметров, архивированием и передачей данных.

Во множестве сложных и интересных задач Вам помогут разобраться специалисты компании «МВиФ». Мы помогаем как научным подразделениям, промышленным потребителям, газовым компаниям, так и проектным и монтажным организациям.

>>> АВТОР СТАТЬИ
Попков Сергей Анатольевич,
начальник отдела АСУ ТП
OOO «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)