Warum ist es schwierig, Helium- und Stickstoffgase zu mischen?

Kürzlich habe ich eine interessante Tatsache erfahren: Dass es schwierig ist, Helium- und Stickstoffgase in einer Druckgasflasche zu mischen. Gaslieferanten, die die beiden Gase mischen müssen, müssen die Zylinder stunden- oder sogar tagelang drehen, nachdem die beiden Gase eingespritzt wurden, damit sich die beiden Gase mischen.

Und wenn sie einmal gemischt sind, trennen sie sich nicht wieder.

Mir wurde gesagt, dass der Grund dafür der große Unterschied in der Dichte ist. Und dann nehme ich an, dass der Diffusionsdruck viel kleiner ist als der Druck, der durch die Schwerkraft und den Dichteunterschied ausgeübt wird. Aber stunden- bis tagelanges mechanisches Rühren klingt übertrieben und lässt mich fragen, ob da nicht mehr passiert als nur die Spannung zwischen Schwerkraft und Diffusion.

Ich habe zwei Fragen zu diesem Verhalten:

(1) Sind Dichteunterschiede der einzige Grund, warum es schwierig ist, die beiden Gase zu mischen?

(2) Gibt es eine einfache Möglichkeit, abzuschätzen, wie lange es dauern würde, bis sich Stickstoff und Helium in einem geschlossenen Behälter (ohne mechanisches Rühren) gerade unter den Diffusionskräften vermischt haben? - Angenommen, er ist oben.

Mit (2) kann vielleicht die gleiche Berechnung für zwei Gase mit ähnlichen Dichten wie Sauerstoff und Stickstoff zum Vergleich durchgeführt werden.

Es klingt für mich wie ein Mythos, zumal ein kommerzieller Anbieter Gase nicht von vornherein in der Flasche mischt. Sie werden zwei Gasleitungen haben, die sich in einer Mischkammer treffen und dann die resultierende Mischung in die Zylinder leiten. Haben Sie sich die Diffusionskoeffizienten dieser Gase ineinander angesehen?
Wenn man bedenkt, wie billig ein He/N2-Gemisch ist, ist es wirklich schwer zu glauben. Außerdem habe ich nie ein Problem mit dem Mischen von N2 und He in verschiedenen Vakuumsystemen gesehen, die ich betrieben habe. Die Diffusivität von He ist ziemlich hoch.
@CuriousOne wo würde ich Diffusionskoeffizienten für bestimmte Gase ineinander finden? Ich glaube nicht, dass der CRC HB von Chem & Physics das hat.
@JonCuster ist vielleicht kein Problem in Vakuumsystemen, in denen die Dichte der Gase gering wäre. Die Informationen, die ich erhalte, beziehen sich auf Hochdrucksysteme in der Größenordnung von 2000 psig.
@CuriousOne Meine Informationen stammen aus einer zuverlässigen Quelle. Ich vermute, dass das Mischen chargenweise und gemäß dem Enddruck erfolgt, um die gewünschte Mischung zu erhalten, anstatt eine ratiometrische Durchflussmethode zu verwenden.
Sicher, aber bei 2000 psig ist mit N2 oder mit He nichts Besonderes los - sie sind im Grunde immer noch ideale Gase (sicher, wir würden es nicht mögen, aber es ist ihnen egal). Und die billigen He / N2-Mischungen, auf die ich mich beziehe, befinden sich in normalen K-Flaschen (das Einmischen von He erleichtert die Leckprüfung viel einfacher). Auf der anderen Seite haben wir einen großen 200-psi-Tank mit N2/CO2/SF6 darin – die Leute behaupten, dass sich das SF6 schnell abscheiden sollte, aber wir sehen keine Beweise dafür.
@JonCuster Also hast du die Gase selbst gemischt und die Mischung bald danach getestet? Oder werden sie Ihnen vom Anbieter zur Verfügung gestellt?
Sie werden vom Anbieter geliefert. Allerdings wäre es nicht billig, eine spezielle Ausrüstung zu haben, um die Zylinder stunden- oder tagelang zu drehen, und ich würde dafür bezahlen! Außerdem habe ich bei mehreren Besichtigungen von Spezialgasunternehmen noch nie eine Ausrüstung gesehen, die so etwas leisten würde. Das Gleiche gilt für die speziellen Tieftauchmischungen mit He.
Es gibt in der Tat Berichte, dass dies ein Problem für einige medizinische Lieferanten von Anästhesie-Atemmischungen ist, und Krankenhäuser scheinen Trommelwalzen zu haben, um sicherzustellen, dass die Mischungen korrekt sind. Die bei Normaldruck angegebenen Mischungszeitskalen für Helium und Luft liegen im Stundenbereich, daher stellt sich die Frage, ob dies bei Hochdruck signifikant unterdrückt wird. Ich neige dazu, Jon Custer zuzustimmen, dass dies nicht der Fall sein sollte.
Es besteht ein großer Unterschied darin, zuerst einen Zylinder mit einem Gas zu füllen und dann ein weiteres Gas hinzuzufügen und die beiden Gase zu mischen, indem man sie (turbulent) in eine kleine Mischkammer strömen lässt. Ich glaube, dass Sie im letzteren Fall sehr schnell eine homogene Mischung erreichen können. Dies erfordert erhebliche Turbulenzen - Sie müssen die Entfernung verringern, über die ein Gas in das andere diffundieren muss. Die natürliche Energiedifferenz aufgrund der Schwerkraft kann ansonsten die Entropie übertrumpfen ... zumindest für einige Zeit.
Aufgrund der Beweise muss ich sagen, dass dies ein sehr offensichtlicher Fall ist, in dem die Realität meine Intuition (Physiksprache für „Einbildung“) übertrumpft. Vielen Dank für das Posten, ich betrachte dies als eine Lektion gelernt!
In Anbetracht sowohl medizinischer als auch Tauchanwendungen bin ich nun neugierig zu wissen, ob es, bevor dieses Problem entdeckt und richtig behandelt wurde, Unfälle oder sogar Todesfälle gegeben hat, wenn man bedenkt, dass sich die He-Schicht oben im Zylinder befinden würde. Es unterstreicht ernsthaft die Notwendigkeit von O2-Sensoren auf der Empfängerseite.

Antworten (3)

Das ist wahr. Zum Mischen von Helium und Stickstoff ist eine spezielle Ausrüstung und eine lange Zeit erforderlich. Einer Studie zufolge ist eine Mischung aus 2,7 % He, 93,3 % N 2 bei 800 psig erforderte eine spezielle Wiege, um den Zylinder wiederholt umzudrehen, und 20,5 Stunden, um ausgeglichenes Gas zu erreichen, das dann gemischt blieb: http://doi.org/10.1021/je60005a002 . Das Helium rutschte immer wieder von einem Ende des Zylinders zum anderen. Die Autoren überwanden diese Schwierigkeit, indem sie einen Mischmechanismus innerhalb der Zylinder entwickelten.

Das Molekulargewicht von Helium beträgt 4,02 und die Dichte beträgt 0,1786 kg/m^3 bei Standardtemperatur und -druck. Für Stickstoff beträgt das Molekulargewicht 28,02 und die Dichte 1,2506 kg/m^3. Hier ist eine Tabelle mit Molekulargewicht und Dichte für verschiedene Gase: http://www.engineeringtoolbox.com/gas-density-d_158.html .

Helium mischt sich wegen des großen Unterschieds in ihrer Dichte nicht leicht mit Stickstoff. Aber sobald sie gemischt sind, sind die Gasmoleküle dicht beieinander und bewegen sich ziemlich viel mit kinetischer Energie, sodass sie gemischt bleiben und sich nicht in Schichten trennen.

Interessant ist, dass die zum Mischen verwendete Ausrüstung (Ventile, Schläuche usw.) wahrscheinlich eher zu einer turbulenten als zu einer laminaren Strömung führt, sodass Sie denken würden, dass die Turbulenzen und Wirbel für eine gute Mischung sorgen würden. Das lässt mich glauben, dass es mehr als nur den Unterschied in der Dichte geben könnte. Van-der-Waal-Kräfte haben eine kurze Reichweite, richtig?
Es ist wie die schwebende Yen-Demo. Lange Zeit glaubten die Menschen, dass die Kraft, die die Münze schweben lässt, ausschließlich Oberflächenspannung ist. Ich habe einige Berechnungen durchgeführt und es stellt sich heraus, dass ein guter Teil der Kraft Auftriebskraft (Flüssigkeitsverdrängung) ist.
@docscience: Je größer der Atomradius und je größer die Anzahl der Elektronenhüllen, desto wahrscheinlicher ist es, dass temporäre Van-der-Waals-Dipole stark genug sind, um benachbarte Atome zu polarisieren und sie anzuziehen. Helium hat nur eine einzige Elektronenhülle, daher scheint es kein starkes Van-der-Waals-Vehikel zu sein. Sein niedriger Siedepunkt (-269 Grad C) weist auf eine sehr schwache Anziehung zwischen Heliumatomen hin. Aber die He-Atome sind möglicherweise auch keine guten Kandidaten für die Van-der-Waals-Anziehung zu anderen Molekülen. Ich weiß nicht, welcher Effekt überwiegen würde.
@docscience: Wenn Sie in diesem Link etwa bis zur Mitte scrollen, werden die Siedepunkte der Edelgase verglichen und über die vorübergehende Dipolbildung in He-Atomen gesprochen: chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/… . (Die Dispersionskräfte, von denen es spricht, sind Anziehungskräfte.)
Der "Stunden und Stunden"-Fall war, als sie den Zylinder alle 30 Minuten umdrehten. Wenn Sie es etwa alle 5 Sekunden manuell umkehren, wird es in weniger als einer Minute ziemlich gut gemischt.
@ Kevin Kostlan: Die Seite sagt nicht, wie lange es gedauert hat, bis das Helium von einem Ende zum anderen gerutscht ist. Hätte es 30 Minuten gedauert, dann hätten häufigere Umkehrungen nichts gebracht.
@Ernie: Ich bezweifle, dass es mehr als ein paar Sekunden gedauert hat, um nach unten zu rutschen (ohne die Zeit zum vollständigen Absetzen), basierend auf Beobachtungen von Flüssigkeiten und Gasen.

Diffusion ist ein langsamer Prozess über die Länge einer Gasflasche. Die Diffusivität von Helium in Luft beträgt ca 0,7 cm 2 /s ( Quelle ). Bei 100 Atmosphären wäre es ungefähr hundertmal langsamer 0,006   M 2 /Tag.

Nicht wirklich eine direkte Antwort auf die ursprünglichen Fragen. Ich biete zwei Beobachtungen an, die jeder erlebt hat. 1) Er kann einem Gummiballon an einem Tag entkommen (dh er geht durch winzige Löcher im Gummi) 2) Gase sind weniger fest als Gummi. Daher kann er bei ausreichender Zeit jedes Gas durchdringen.

Aber das ist nur ein Millimeter oder so. Die Diffusion über einen 1-Meter-Zylinder würde millionenfach länger dauern als die Diffusion über 1 mm.
@Pieter Vielleicht sogar um Größenordnungen länger. Die Beziehung ist möglicherweise nicht so linear. Scheint sowieso ein ziemlich strittiger Punkt zu sein, da wir berücksichtigen müssen, wie sich die Schwerkraft auf dieses System auswirken würde, was ein Hauptproblem darstellt.
Danke für die Klarstellung. Ich habe jetzt auch die anderen Antworten aufmerksam gelesen. Der wichtigste Faktor ist der besonders hohe Druck des Systems, der die mittlere freie Weglänge von Molekülen und Atomen stark reduziert (z. B. um den Faktor 100).
Warum ist es schwierig, Helium- und Stickstoffgase zu mischen?
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