ガス混合

ガス混合とは、特定の目的のためにガスを混合するプロセスであり、生成される混合物の組成が定義され、制御されます。科学および工業プロセス、食品の生産と保管、呼吸用ガスなど、幅広い用途があります。

ガス混合物は通常、モルガス分率（多くの永久ガスでは体積ガス分率でほぼ近似される）で指定される：パーセンテージ、1000分の1、または100万分の1。体積ガス分率は、ドルトンの分圧の法則に従って、分圧比に簡単に変換されます。一定温度での部分圧混合は計算上簡単であり、圧力測定は比較的安価ですが、圧力変化中に一定温度を維持するには、温度均等化のためにかなりの遅延が必要です。質量分率による混合は、プロセス中の温度変化の影響を受けませんが、質量または重量を正確に測定し、指定されたモル比から構成質量を計算する必要があります。実際には、分圧混合と質量分率混合の両方が使用されています。

シールドガスは、ガスメタルアーク溶接やガスタングステンアーク溶接で使用される不活性または半不活性ガスであり、溶接の品質を低下させたり、溶接を困難にしたりする可能性のある酸素や水蒸気から溶接領域を保護します。

ガスメタルアーク溶接（GMAW）または金属不活性ガス（MIG）溶接は、連続ワイヤ供給を消耗電極として使用し、不活性または半不活性ガス混合物を使用して溶接部を汚染から保護するプロセスです。^[1] ガスタングステンアーク溶接（GTAW）またはタングステン不活性ガス（TIG）溶接は、非消耗タングステン電極、不活性または半不活性ガス混合物、および別のフィラー材料を使用する手動溶接プロセスです。 ^[2]

調整雰囲気包装は新鮮な農産物を保存し、製品の配送品質を向上させ、製品の寿命を延ばします。食品の包装に使用されるガスの組成は製品によって異なります。酸素含有量が多いと肉の赤色が保たれ、酸素含有量が少ないとパンや野菜のカビの繁殖が抑えられます。^[3]

• スパージング：ワインに窒素などの不活性ガスを吹き込み、溶存酸素を除去します。二酸化炭素も除去されるため、適切な量の二酸化炭素が残るように、スパージングガスとして窒素と二酸化炭素の混合物が使用されることもあります。^[3]
• パージとブランケット処理：容器内のワインの上部の空間から酸素を、スパージ処理に使用したのと同様のガス混合物で洗い流すことで除去することをパージと呼び、酸素をそのまま残しておくことをブランケット処理または不活性化と呼びます。^[3]

呼吸ガスは、呼吸に使用されるガス状の化学元素と化合物の混合物です。呼吸ガスの必須成分は、大気圧で約 0.16 ～ 1.60 bar の酸素分圧です。ガスが麻酔混合物でない限り、酸素は通常、代謝活性成分のみです。呼吸ガス中の酸素の一部は代謝プロセスによって消費され、不活性成分は変化せず、主に酸素を適切な濃度に希釈する役割を果たすため、希釈ガスとも呼ばれます。

スキューバダイビングのガス混合とは、ナイトロックス、トライミックス、ヘリオックスなどの非空気呼吸ガスをダイビングシリンダーに充填することです。これらのガスの使用は、通常、減圧症や窒素酔いのリスクを軽減することで、計画されたダイビングの全体的な安全性を向上させ、呼吸のしやすさを改善することを目的としています。

表面供給および飽和潜水のガス混合には、バルク貯蔵シリンダーおよびベイルアウト シリンダーへの呼吸ガスの充填が含まれますが、ダイバーまたは高圧生命維持システムに直接供給される低圧の呼吸ガスの混合も含まれます。生命維持システムの動作には、乗員が使用する酸素の補充と、ガス調整ユニットによる二酸化炭素廃棄物の除去が含まれます。これには、チャンバー ガスの組成の監視と、チャンバーの内部圧力でのチャンバー ガスへの酸素の定期的な追加が含まれます。

ガス混合ユニットは、バルクガス貯蔵、コンプレッサー、ヘリウム回収ユニット、ベルおよびダイバー温水供給、ガス調整ユニット、緊急電源などの他のコンポーネントとともに、飽和システムの生命維持装置の一部です^[4]

麻酔器は、手術中に麻酔を受ける患者の呼吸ガスを混合するために使用されます。ガス混合・供給システムにより、麻酔医は酸素分率、亜酸化窒素濃度、揮発性麻酔薬の濃度を制御できます。^[5] 麻酔器には通常、低圧ラインと高圧予備シリンダーから酸素 (O ₂ ) と亜酸化窒素 (N ₂ O) が供給され、計量されたガスは常圧で混合されます。その後、気化器で追加の麻酔薬を追加し、ガスを加湿することができます。空気は酸素濃度を下げるための希釈剤として使用されます。特別な場合には、混合物に他のガスも追加されることがあります。これには、呼吸を刺激するために使用される二酸化炭素 (CO ₂ ) や、流れの抵抗を減らしたり熱伝達を高めたりするヘリウム (He) が含まれます。^[6]

ガス混合システムは、従来のロータメーターバンクを使用する機械式、比例ソレノイドまたはパルスインジェクターを使用する電子式があり、制御は手動または自動です。^[5]

化学生産プロセスに必要な比率で反応性ガス材料を供給する

保護ガス混合物は、処理中に敏感な材料の表面から空気やその他のガスを排除するために使用されることがあります。例としては、マグネシウムなどの反応性金属の溶解や鋼の熱処理などがあります。

校正ガス:

• スパンガスは、センサーを既知の濃度の汚染物質にさらすことで、ガス検知装置のテストと校正に使用されます。ガスは、校正後の正確な測定値を保証するための基準点として使用され、非常に正確な組成を持ち、検知対象のガスの含有量は検知器の設定値に近くなります。
• ゼロガスは通常、測定対象成分を含まないガスであり、監視対象ガスの組成に可能な限り類似しており、センサーのゼロ点を校正するために使用されます。

校正ガス混合物は、通常、重量法または容積法によってバッチで生成されます。

重量法では、シリンダーに注入されたガスの量を、感度が高く正確に校正された秤を使って計量します。不正確さや不純物があると校正が不正確になる可能性があるため、正確な測定が必要です。校正ガスの容器は、可能な限り完全に清潔でなければなりません。シリンダーは、高純度窒素でパージして真空にすることで洗浄できます。特に危険な混合物の場合は、シリンダーを真空にしながら加熱して、壁に付着した不純物を除去します。^[7]

充填後、ガス混合物は、容器内の組成のばらつきを防ぐために、すべての成分が容器全体に均等に分散されるように徹底的に混合する必要があります。これは通常、容器を水平に2〜4時間転がすことによって行われます。^[7]

ガスの混合にはいくつかの方法があります。これらはバッチ方式と連続プロセスとして区別できます。

バッチガス混合では、適切な量の成分ガスを測定し、混合物が均質になるまで混合する必要があります。量はモル分率に基づいていますが、体積または質量で測定されます。ガスは混合のために同じ容器に連続的にデカントされることが多く、同じ体積を占めるため、体積測定は部分圧によって間接的に行うことができます。加速度は通常一定と見なせるため、重量測定は一般に質量測定の代理として使用されます。

モル分率は量分率とも呼ばれ、混合物中の全分子の総数で割った成分の分子数です。たとえば、酸素 50%、ヘリウム 50% の混合物には、酸素とヘリウムの分子がほぼ​​同じ数含まれます。酸素とヘリウムはどちらも 200 bar 未満の圧力では理想気体に近いため、同じ圧力と温度では同じ体積を占めます。そのため、同じ圧力で混合して体積で測定するか、同じ容器に注ぎ入れて分圧で測定することができます。

質量分率は、モル分率に各成分の分子量を掛けて成分質量を求め、それをすべての成分の合計質量と比較することで、モル分率から計算できます。混合物に必要な各成分の実際の質量は、質量分率に混合物の希望質量を掛けて計算されます。

容積混合とも呼ばれます。最高の精度を得るには一定の温度で行う必要がありますが、各ガスを混合物に追加する前後で測定された温度の精度に比例して温度変化を補正することは可能です。

部分圧力混合は、ダイビングの呼吸ガスによく使用されます。この用途に必要な精度は、0.5 バールまで正確に読み取れる圧力計を使用し、各ガスを追加した後に温度を平衡化することで達成できます。

重量混合とも呼ばれます。温度による影響は比較的少なく、精度は成分の質量測定の精度に依存します。

質量分率混合は、較正ガスなど、混合物の高精度が重要な場合に使用されます。この方法は、加速度によって不正確な測定が生じる可能性がある移動プラットフォームには適していないため、船舶での潜水ガスの混合には適していません。

• 定流量混合 - 制御された流量の構成ガスを混合して製品を形成します。混合は、周囲圧力で、または周囲圧力より高いが供給ガス圧力より低い圧力設定で行われます。
  • 定流量供給: 精密マスフローコントローラは、混合する各ガスの流量を制御するために使用されます。出力を監視するために、マスフローメータをマスフローコントローラの出力に取り付けることもできます。ガスは、均一な出力を確保するためにスタティックミキサーを通過する場合があります。

連続ガス混合は、一部の水面供給ダイビング用途や、特に操作中またはプロセス中に混合物を変更する必要がある場合に、反応性ガス混合物を使用する多くの化学プロセスで使用されます。

これらのプロセスは、通常は空気であるガス混合物から始まり、1 つ以上の成分の濃度を下げます。これらのプロセスは、スキューバ ダイビング用のナイトロックスやブランケット用の脱酸素空気の生成に使用できます。

• 圧力スイング吸着– 可逆的で圧力に比例する媒体へのガスの選択吸着。ガスは高圧段階で媒体に負荷され、低圧段階で放出されます。
• 膜ガス分離– ガスは圧力差によって半透膜を通過させられます。構成ガスの一部は他のガスよりも容易に膜を通過し、低圧側からの出力は容易に通過するガスで濃縮されます。膜を通過するのが遅いガスは高圧側に蓄積され、一定の濃度を保つために継続的に排出されます。濃度を上げるために、このプロセスを数段階で繰り返すことができます。

ガス混合物は、通常、品質管理のために、製造工程中または混合後に分析する必要があります。これは、エラーがエンドユーザーの健康と安全に影響を与える可能性がある呼吸用ガス混合物の場合に特に重要です。

酸素含有量は電気ガルバニ電池を使用して監視するのが比較的簡単で、水中ダイビング業界ではこの目的で日常的に使用されていますが、他の方法の方が正確で信頼性が高い場合があります。

• リンカーン・エレクトリック（1994年）。アーク溶接手順ハンドブック。クリーブランド：リンカーン・エレクトリック。ISBN 99949-25-82-2。
• ウィーマン、クラス（2003）。溶接プロセスハンドブック。ニューヨーク、NY：CRC Press LLC。ISBN 0-8493-1773-8。

• スキューバダイビング用ガス混合