Зміст

Закон об'єму, парціальних тисків – теорія Дальтона.

Закон Дальтона в пневматиці – суміші газів у промисловій практиці

Закон Дальтона – суть і визначення.

Значення закону Дальтона в промисловій пневматиці

Приклади сумішей газів у промисловості:

Приклади застосування в практиці пневматики.

1. Пакування в захисній атмосфері (MAP)

2. Аналіз герметичності у виробництві електроніки.

3. Пневматичні системи змішування газів.

Закон Дальтона та вибір пневматичних елементів.

Значення для компонентів Festo.

Безпека та закон Дальтона.

Промислове майбутнє – цифровізація та газові суміші

 

Закон об'єму, парціальних тисків – теорія Дальтона

Закон Дальтона в пневматиці – суміші газів у промисловій практиці

Пневматика, як одна з ключових галузей промислової автоматики, використовує властивості стиснених газів для передачі енергії, управління процесами та транспортування матеріалів. Хоча в промислових застосуваннях найчастіше ми маємо справу з атмосферним повітрям як робочим середовищем, у багатьох спеціалізованих процесах також використовуються суміші газів із чітко визначеними пропорціями та властивостями.

Розуміння поведінки таких сумішей є необхідним для забезпечення безпеки, енергоефективності та якості технологічних процесів. У цьому контексті величезне значення має закон Дальтона, який описує, як окремі компоненти в суміші газів поводяться стосовно тиску. Ці знання знаходять практичне застосування в промисловій пневматиці, особливо в додатках, що вимагають точного контролю складу газів.

У цій статті ми пояснимо:

• у чому полягає закон Дальтона,
• як він впливає на проектування та експлуатацію пневматичних систем,
• у яких промислових процесах він має ключове значення,
• та яку пропозицію в цій галузі пропонує відома компанія Festo.

Закон Дальтона – суть і визначення

Закон Дальтона, сформульований у 1801 році британським хіміком Джоном Дальтоном, говорить, що:

Загальний тиск суміші газів дорівнює сумі парціальних тисків усіх газів, з яких складається суміш.

Математично це виражається формулою:

Pзагальне = P1 + P2 + P3 +⋯+ Pn

Pзагальне – загальний тиск суміші,

P1,P2,P3,…,Pn – парціальні тиски окремих газових компонентів.

Частковий тиск – це гіпотетичний тиск, який чинив би кожен газ, якби він самостійно займав весь об'єм посудини при тій самій температурі. У промисловій практиці це означає, що навіть якщо ми працюємо з сумішшю газів, ми можемо розглядати кожен компонент окремо в контексті його впливу на тиск, що має величезне значення при проектуванні пневматичних систем та аналізі технологічних процесів.

Значення закону Дальтона в промисловій пневматиці

Пневматика та газові суміші

У більшості пневматичних систем робочим середовищем є стиснене повітря. Повітря саме по собі є сумішшю газів (приблизно 78% азоту, 21% кисню, решта – аргону, вуглекислого газу, неону, гелю, криптону, водню, водяної пари). Однак у деяких галузях, наприклад, харчовій, фармацевтичній, електронній, хімічній або металургійній, використовуються суміші газів, підібрані з урахуванням:

• антикорозійних властивостей,
• захисту від окислення,
• безпеки технологічних процесів,
• безпеки технологічних процесів, управління хімічними реакціями,
• досягнення відповідних фізичних параметрів (наприклад, теплопровідності, в'язкості).

Приклади сумішей газів у промисловості:

суміш аргону з CO₂ у зварюванні (процеси MAG),

• захисні суміші в упаковці MAP (Modified Atmosphere Packaging),
• гелій і водень в перевірках герметичності (виявлення витоків),
• спеціальні суміші у виробництві електроніки (захисні атмосфери),
• азот в процесах інертизації.

У кожній з цих застосувань закон Дальтона дозволяє інженерам передбачити, яким буде загальний тиск системи і яка частина цього тиску припадає на окремі газові компоненти. Це має вирішальне значення при виборі:

• клапанів,
• регуляторів тиску,
• витратомірів,
• детекторів газу,
• систем безпеки.

Приклади застосування в практиці пневматики

1. Пакування в захисній атмосфері (MAP)

У харчовій промисловості продукти часто пакують у модифікованій атмосфері, наприклад, у суміші азоту та вуглекислого газу. Знаючи закон Дальтона, інженери можуть обчислити:

• яку частку тиску становить кожен компонент,
• як підібрати дозуючі клапани для отримання певних пропорцій,
• як уникнути ризику перевищення робочого тиску в системі.

Приклад:

Припустимо, що в упаковці має бути загальний тиск 1,2 бара, при складі 70% N₂ і 30% CO₂. Це означає:

• частковий тиск N₂ = 0,7 × 1,2 бара = 0,84 бара,
• частковий тиск CO₂ = 0,36 бара.

Це парціальне тиск визначає як захист від розвитку мікроорганізмів, так і стабільність упаковки.

2. Аналіз герметичності у виробництві електроніки

У тестах на герметичність електронних схем часто використовують гелій або водень як маркерний газ. Детектуючі пристрої вимірюють не загальний тиск, а концентрацію маркерного газу. Завдяки закону Дальтона можна точно перерахувати:

• кількість гелю в суміші,
• передбачувану концентрацію в разі мікровитоків,
• вплив тиску на чутливість вимірювання.

3. Пневматичні системи змішування газів

В промислових лабораторіях та в деяких виробничих процесах використовуються системи змішування газів у об'ємних або тискових пропорціях. Приклад:

• суміш O₂/N₂ для імітації атмосферних умов,
• суміші в тестах на горіння.

У таких системах закон Дальтона є основою для визначення налаштувань регуляторів тиску та витратомірів. На цій основі встановлюються точки роботи пропорційних клапанів для отримання бажаних парціальних тисків.

Закон Дальтона та вибір пневматичних елементів

Вплив парціальних тиснень на конструкцію систем

При проектуванні установки, в якій присутні суміші газів, інженер повинен враховувати:

• Проектуючи установку, в якій присутні суміші газів, інженер повинен враховувати:
• парціальні тиски (визначають хімічну агресивність газів по відношенню до матеріалів арматури),
• тип газів (горючі, токсичні, інертні),
• сумісність матеріалів (наприклад, ущільнювачі, метали),
• вимоги безпеки (ATEX, галузеві норми).

Це означає, що навіть якщо загальний робочий тиск є низьким, наявність, наприклад, кисню під тиском вимагає використання матеріалів, стійких до окислення, та виключає використання мастил, несумісних з киснем.

Значення для компонентів Festo

Festo, як один з лідерів у галузі пневматичних технологій, пропонує широкий асортимент компонентів, пристосованих для роботи з різними газами, в тому числі в сумішах:

• Пропорційні регулятори тиску (наприклад, серії VEAB, VEMP, VEAA)

Вони забезпечують точне регулювання тиску в діапазоні від вакууму до декількох барів. Ідеально підходять для змішування газів на основі парціальних тисків.

• Витратоміри (наприклад, SFAB, SFAH)

Дозволяють контролювати витрату окремих компонентів суміші. Доступні версії, сумісні з різними газами, включаючи суміші технологічних газів.

• Пропорційні клапани (наприклад, VPPM)

Ідеально підходять для динамічного дозування сумішей газів у пропорціях, що випливають з розрахунків закону Дальтона.

• Запірні та запобіжні клапани (наприклад, VZQA, VZWM, MS6-SV-C)

Ключові для забезпечення безпеки в системах, що працюють з горючими або токсичними газами.

• Елементи підготовки повітря (серія MS-Basic, MS)

Хоча вони часто асоціюються виключно зі стисненим повітрям, їх модульна конструкція дозволяє конфігурувати їх під конкретні газові суміші – з відповідними фільтрами та регуляторами.

Безпека та закон Дальтона

Знання закону Дальтона також важливе з точки зору безпеки. Навіть якщо загальний тиск знаходиться в нормі, високий парціальний тиск деяких газів може створювати ризик:

• вибуху (суміші горючих газів),
• хімічної корозії,
• отруєння (токсичні гази),
• неконтрольованих реакцій (наприклад, надлишок кисню в системі).

Тому всі системи повинні проектуватися з урахуванням норм безпеки, а компоненти повинні мати відповідні сертифікати (наприклад, ATEX, ISO, FDA для харчової промисловості).

Промислове майбутнє – цифровізація та газові суміші

В епоху Індустрії 4.0 зростає попит на інтелектуальні пневматичні системи, здатні:

• моніторити склад газів у реальному часі,
• дистанційно керувати пропорціями сумішей,
• автоматично коригувати параметри роботи.

Festo розвиває в цьому напрямку компоненти з цифровою комунікацією (IO-Link, Ethernet/IP, Profinet). Прикладом є витратоміри SFAB, які можуть передавати дані до систем SCADA, забезпечуючи повний контроль над складом газів та швидке виявлення відхилень від заданих значень.