Почему трудно смешать гелий и азот?

Недавно я узнал интересный факт: трудно смешать газы гелий и азот в баллоне со сжатым газом. Поставщики газа, которым необходимо смешать два газа, должны вращать цилиндры в течение нескольких часов или даже дней после впрыска двух газов, чтобы смешать два газа.

И однажды смешавшись, они больше не разделяются.

Мне сказали, что причиной этого является большая разница в плотности. И тогда я предполагаю, что давление от диффузии намного меньше, чем давление, создаваемое гравитацией и разницей в плотности. Но часы или дни механического перемешивания кажутся чрезмерными и заставляют меня задаться вопросом, происходит ли что-то большее, чем просто напряжение между силами гравитации и диффузии.

У меня есть два вопроса относительно этого поведения:

(1) Являются ли различия в плотности единственной причиной того, что эти два газа трудно смешать?

(2) Существует ли простой способ рассчитать, сколько времени понадобится азоту и гелию, чтобы смешаться в закрытом сосуде (без механического перемешивания) только под действием сил диффузии? - Предположим, Он на вершине.

С (2) возможно, такой же расчет можно сделать для двух газов с одинаковыми плотностями, таких как кислород и азот для сравнения.

Мне это кажется мифом, тем более, что коммерческий поставщик не будет смешивать газы в цилиндре с самого начала. У них будут две газовые линии, соединяющиеся в смесительной камере, а затем полученная смесь подается в цилиндры. Вы коэффициенты диффузии этих газов друг в друга смотрели?
Учитывая, насколько дешева смесь He/N2, в это действительно трудно поверить. Кроме того, я никогда не видел проблем со смешиванием N2 и He в различных вакуумных системах, которые я запускал. Коэффициент диффузии He достаточно высок.
@CuriousOne, где я могу найти коэффициенты диффузии определенных газов друг в друге? Я не верю, что в CRC HB of Chem & Physics это есть.
@JonCuster, возможно, это не проблема в вакуумных системах, где плотность газов будет низкой. Информация, которую я получаю, относится к системам высокого давления порядка 2000 фунтов на квадратный дюйм.
@CuriousOne Моя информация из надежного источника. Я подозреваю, что смешивание выполняется партиями и в соответствии с конечным давлением для получения желаемой смеси, а не с использованием логометрического метода потока.
Конечно, но при 2000psig ничего особенного не происходит ни с N2, ни с He - они все еще в основном идеальные газы (конечно, нам бы это не понравилось, но им все равно). И дешевые смеси He/N2, о которых я говорю, находятся в обычных цилиндрах размера K (смешивание с He значительно упрощает проверку на герметичность). С другой стороны, у нас есть большой резервуар на 200 фунтов на квадратный дюйм с N2 / CO2 / SF6 в нем - люди утверждают, что SF6 должен быстро отделяться, но мы не видим никаких доказательств того, что это происходит.
@JonCuster Итак, вы сами смешивали газы и вскоре после этого тестировали смесь? Или они поставляются вам продавцом?
Их предоставляет продавец. Однако иметь специальное оборудование для вращения цилиндров часами или днями было бы недешево, и я бы за это заплатил! Кроме того, побывав в нескольких турах по специализированным газовым компаниям, я никогда не видел оборудования, которое могло бы делать подобные вещи. То же касается и специальных смесей для глубоководных погружений с участием He.
Действительно, есть сообщения о том, что это проблема для некоторых медицинских поставщиков анестезирующих дыхательных смесей, и в больницах, похоже, есть барабанные ролики, чтобы убедиться, что смеси правильные. Шкалы времени смешивания гелия и воздуха, указанные при нормальном давлении, находятся в диапазоне часов, поэтому вопрос заключается в том, значительно ли это подавлено при высоком давлении. Я склонен согласиться с Джоном Кастером, что так быть не должно.
Существует большая разница между заполнением цилиндра сначала одним газом, а затем добавлением другого газа и смешиванием двух газов путем их потока (турбулентным) в небольшую смесительную камеру. Я считаю, что в последнем случае вы сможете очень быстро добиться однородного смешивания. Это требует значительной турбулентности — вам нужно уменьшить расстояние, на котором один газ должен диффундировать в другой. Естественная разница в энергии из-за гравитации может в противном случае превзойти энтропию... по крайней мере, на какое-то время.
Основываясь на доказательствах, я должен сказать, что это очень очевидный случай, когда реальность превосходит мою интуицию (физическая речь для «воображения») по этому поводу. Спасибо за публикацию, я считаю это уроком!
Принимая во внимание как медицинские, так и водолазные применения, мне теперь любопытно узнать, были ли до того, как эта проблема была обнаружена и должным образом решена, какие-либо несчастные случаи или даже смертельные случаи, учитывая, что слой гелия находился в верхней части цилиндра. Это серьезно подчеркивает необходимость датчиков O2 на принимающей стороне.

Ответы (3)

Это правда. Для смешивания гелия и азота требуется специальное оборудование и длительное время. Согласно одному исследованию, смесь 2,7% He, 93,3% N 2 при 800 фунтов на квадратный дюйм требовалось специальное приспособление для многократного переворачивания баллона и 20,5 часов для достижения уравновешенного газа, который затем оставался смешанным: http://doi.org/10.1021/je60005a002 . Гелий неоднократно перескакивал с одного конца цилиндра на другой. Авторы преодолели эту трудность, разработав смесительный механизм внутри цилиндров.

Молекулярная масса гелия составляет 4,02, а плотность — 0,1786 кг/м^3 при стандартной температуре и давлении. Молекулярная масса азота составляет 28,02, а плотность — 1,2506 кг/м^3. Вот таблица молекулярной массы и плотности различных газов: http://www.engineeringtoolbox.com/gas-density-d_158.html .

Гелий плохо смешивается с азотом из-за большой разницы в их плотности. Но после смешивания молекулы газа располагаются близко друг к другу и довольно сильно перемещаются за счет кинетической энергии, поэтому они остаются смешанными и не разделяются на слои.

Что интересно, оборудование, используемое для смешивания (клапаны, трубки и т. д.), вероятно, приводит к турбулентному, а не ламинарному потоку, поэтому можно подумать, что турбулентность и водовороты обеспечат хорошее смешивание. Вот что заставляет меня думать, что может быть что-то большее, чем просто разница в плотности. Силы Ван-дер-Вааля имеют малый радиус действия, верно?
Это похоже на демо-версию плавающей иены. Долгое время люди считали, что сила, которая держит монету в воздухе, состоит исключительно из поверхностного натяжения. Я сделал некоторые расчеты, и оказалось, что значительная часть силы приходится на выталкивающую (перемещение жидкости) силу.
@docscience: Чем больше радиус атома и чем больше количество электронных оболочек, тем больше вероятность того, что временные диполи Ван-дер-Ваальса будут достаточно сильными, чтобы поляризовать соседние атомы и притягивать их друг к другу. Гелий имеет только одну электронную оболочку, поэтому он не кажется сильным ван-дер-ваальсовым переносчиком. Его низкая температура кипения (-269 градусов С) указывает на очень слабое притяжение между атомами гелия. Но атомы гелия также не могут быть хорошими кандидатами на ван-дер-ваальсово притяжение к другим молекулам. Я не знаю, какой эффект будет преобладать.
@docscience: Если вы прокрутите эту ссылку примерно до середины, она сравнивает точки кипения благородных газов и говорит о временном образовании диполей в атомах гелия: chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/… . (Рассеивающие силы, о которых здесь говорится, — это силы притяжения.)
Дело «часы и часы» было, когда они переворачивали цилиндр каждые 30 минут. Вручную переворачивая его каждые 5 секунд или около того, можно довольно хорошо смешать его менее чем за минуту.
@Kevin Kostlan: На странице не указано, сколько времени потребовалось гелию, чтобы скользить с одного конца на другой. Если бы это заняло 30 минут, то более частые инверсии ничего бы не дали.
@Ernie: Я сомневаюсь, что для соскальзывания вниз потребовалось больше нескольких секунд (не считая времени, чтобы полностью осесть), основываясь на наблюдениях за жидкостями и газами.

Диффузия — это медленный процесс по всей длине газового баллона. Коэффициент диффузии гелия в воздухе составляет около 0,7 см 2 /с ( источник ). При 100 атмосферах это было бы примерно в сто раз медленнее, примерно 0,006   м 2 /день.

Не совсем прямой ответ на исходные вопросы. Я предлагаю два наблюдения, которые испытал каждый. 1) Он может сбежать с резинового шара за один день (т.е. пройти через крошечные отверстия в резине) 2) газы менее твердые, чем резина. Поэтому Он может проникнуть в любой газ при наличии достаточного времени.

Но это всего один миллиметр или около того. Диффузия на цилиндр диаметром 1 метр займет в миллион раз больше времени, чем диффузия на 1 мм.
@Pieter Возможно, даже на порядки дольше. Отношения могут быть не такими линейными. В любом случае это кажется довольно спорным вопросом, поскольку нам нужно учитывать, как гравитация повлияет на эту систему, что является главной проблемой.
Спасибо за разъяснение. Я внимательно читаю и другие ответы. Наиболее важным фактором является особенно высокое давление в системе, значительно уменьшающее длину свободного пробега молекул и атомов (скажем, в 100 раз).
Почему трудно смешать гелий и азот?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 8v