Получение газовых смесей

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана 

 

В. Л. Бондаренко 

 

 

Получение газовых смесей 

Допущено Учебно-методическим объединением вузов 

Российской Федерации по университетскому политехническому 
образованию в качестве учебного пособия для студентов высших 

учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 

«Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения» 

(16.03.03 и 16.04.03) 

 

 

 

 

 

УДК 533.27(075.8) 
 ББК 31.392 

 Б81 

 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 

по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/57/book926.html 

 

Факультет «Энергомашиностроение» 

Кафедра «Холодильная, криогенная техника, 

системы кондиционирования и жизнеобеспечения» 

 
 
 

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Е.И. Борзенко,  

канд. техн. наук В.В. Школа 

 
Бондаренко, В. Л.

 
Б81
Получение газовых смесей : учебное пособие / В. Л. Бон-

даренко. — Москва : Издательство МГТУ им.  Н. Э.  Баумана,
2015. — 34, [6] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-4012-2 

 
 
Приведены основные сведения о газовых смесях. Указаны

перспективные области использования многокомпонентных веществ. 
Даны примеры решения задач, связанных с получением
продуктов с заданной концентрацией компонентов. Рассмотрены
основные методы приготовления комбинированных веществ, в
том числе на основе редких газов. 

Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих криоген-

ную технику.

 
 
УДК 533.27(075.8)

                                            ББК 31.392 

 

                                                                       МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
                                                                       Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-4012-2                                  им. Н.Э. Баумана, 2015 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В современных технологиях применяют разнообразные газовые 
смеси, в состав которых входят гелий, неон и тяжелые редкие 
газы. Эти компоненты обладают рядом уникальных свойств, их 
введение в состав защитных, лазерных и дыхательных газов позволяет 
получить ощутимый положительный эффект [1, 2]. 
Растущие объемы потребления газовых смесей и многообразие 
их составов обусловили появление различных типов смесительных 
устройств. Однако не все они пригодны для получения 
газовых сред, в состав которых входят относительно дорогие компоненты (
Ne, Kr, Хе и их стабильные изотопы).  
В учебном пособии рассмотрены основные методы приготовления 
комбинированных веществ с заданной концентрацией компонентов, 
в том числе редких газов. 
Издание включает три раздела: «Общие сведения», «Газовые 
смеси» и «Способы образования газовых смесей». В первом разделе 
описан состав атмосферного воздуха и некоторые физические 
свойства его компонентов. Рассмотрены области применения 
газовых смесей на основе инертных газов. Второй раздел посвящен 
смесям на основе инертных газов. Описан процесс смешения, 
процесс изменения концентрации газовой смеси в установке. 
В третьем разделе изложены способы образования различных газовых 
смесей. Описаны методы смешения в замкнутом объеме. 
Даны контрольные вопросы. 
Учебное пособие предназначено для студентов МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, изучающих криогенную технику. 
 
 
 
 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

Чистые вещества в природе практически не встречаются. Понятие «
чистый продукт» употребляется в повседневной жизни для 
того, чтобы подчеркнуть относительно малое содержание примесей. 
Например, понятие «чистый воздух» акцентирует внимание на 
том, что в продукте, состоящем из десятка компонентов (табл. 1.1), 
содержится мало вредных примесей (СО, пыли и др.), «чистый 
спирт» – не что иное, как раствор этилового спирта и 4 % воды, 
«чистая вода» – смесь обычной воды (Н2О) и тяжелой воды (D2O). 

Таблица 1.1 

Состав воздуха и некоторые физические свойства  
его компонентов [1–4] 

Вещество 
Химическая 

формула 

Атомная 
(молекулярная) 
масса µ,
кг/кмоль 

Плотность 
при 0,1 МПа
и 293 K, 
кг/м3

Нормальная 
температура  
кипения 

Объемная  
доля  
в воздухе 
y, % 
K 
С 

Гелий 
Не 
4,00 
0,1663 
4,2 
–269,0
0,000524 

Водород 
Н2 
2,02 
0,0837 
20,4 –252,8
0,00005 

Неон 
Ne 
20,18 
0,829 
27,1 –246,1
0,0018 

Азот 
N2 
28,01 
1,165 
77,4 –195,8
78,09 

Аргон 
Ar 
39,95 
1,662 
87,3 –185,9
0,93 

Кислород 
O2 
32,00 
1,331 
90,2 –183,0
20,95 

Криптон 
Kr 
83,80 
3,493 
119,8 –153,4
0,000114 

Ксенон 
Xe 
131,30 
5,497 
165,0 –108,2
0,000008 

Диоксид 
углерода 
СО2 
44,01 
1,815 
194,6* –78,6*
0,036 

Водяной 
пар 
Н2О 
18,04 
0,017** 
373,2 +100,0
0,1…5 

* Сублимация (фазовый переход твердое тело – пар).
** Плотность водяного пара приведена при р = 0,0023 МПа. 

Важнейшим назначением искусственно приготовленных смесей 
является создание защитной среды (рис. 1.1), что позволило 
внедрить в пищевые отрасли герметичные упаковки с модифицированными 
газовыми составами. В отличие от вакуумного хранения 
инертные среды дают возможность сберечь натуральные качества 
продукта и сохранить его форму.  
 

Рис. 1.1. Некоторые области применения газовых смесей на основе 
инертных газов 
 
В осветительных приборах используют смеси на основе тяжелых 
инертных газов (Ar, Kr и Хе). Они исключают взаимодействие 
раскаленных нитей с кислородом и снижают тепловые потери. 
Это дает возможность повысить мощность специальных 
ламп накаливания и продлить срок их службы. 
Современные технологии электродуговой сварки базируются 
на применении многокомпонентных смесей на основе аргона, диоксида 
углерода, гелия и других промышленных газов. Защитные 
газы гарантируют качество сварного соединения и повышают 
производительность сварочных работ. Себестоимость сварных 
соединений уменьшают за счет сокращения потерь электродного 
металла на разбрызгивание и снижения трудоемкости обработки 
области сварного шва. Защитные газовые смеси востребованы 
также при пайке, плавлении и горячей обработке металлов в электронике 
и прецизионном машиностроении. 
Перспективная область применения газовых смесей — эксимер-
ные лазеры. Для эксимерных газов используют следующие смеси: 

 аргон – гелий – неон (буфер) (Ar He  Ne); 
 фтор (5 %) гелий (F He); 
 фтор – аргон – гелий (F Ar  He); 
 фтор – аргон – гелий – неон (F Ar He  Ne); 
 фтор – аргон – неон (F Ar  He); 
 фтор – криптон неон (F Kr  Ne). 
Эксимерные лазеры являются мощнейшими источниками ультрафиолетового 
излучения. Их применяют во многих современных 
технологиях. Активное тело таких лазеров – многокомпонентная 
газовая среда на основе галогенов, а также Не, Ne, Ar, Kr 
и Xe. Используют следующие лазерные смеси:  
 диоксид углерода – азот (СО2  N2); 
 диоксид углерода – азот – гелий (СО2 N2  He); 
 гелий (<40 %) – азот – диоксид углерода (He N2  CO2); 
 
гелий – оксид углерода – диоксид углерода – ксенон – кислород (
He + CO + CO2 + Xe + O2). 
Ксенон в сочетании с другими инертными газами применяют 
также для наполнения ячеек плоских мониторов. Такая панель содержит 
миллионы капсул, из которых каждые три (зеленый, красный, 
синий) образуют одну точку на экране. Управляемый холодный 
разряд вызывает ионизацию и свечение газа, называемое холодной 
плазмой (что отразилось в названии телевизионных экранов). 
Кислород в сочетании с инертными газами используют в медицинской 
практике (при диагностике, анестезии). Например, кислородно-
гелиевая смесь (гелиокс) необходима при лечении дыхательной 
недостаточности. Ксенон в составе смесей с кислородом применяют 
для диагностики кровотока в мышцах, состояния легких, для 
лечения неврозов и посттравматических синдромов, а также в компьютерной 
томографии. Уникальные свойства стабильных изотопов 
гелия-3, неона-21 и ксенона-129 обусловили их использование в качестве 
инструмента визуализации в системах ядерного магнитного 
резонанса для диагностики легочной микроструктуры. 
Гипербарические дыхательные смеси формируют преимущественно 
на основе гелия и кислорода. Такие среды необходимы 
для обеспечения глубоководных погружений в автономном снаряжении 
и кессонных аппаратах. При этом по мере возрастания 
давления объемная доля кислорода в газе снижается до нескольких 
процентов (рис. 1.2). 

Рис. 1.2. Безопасный состав дыхательной смеси Не – О2 
в зависимости от глубины погружения 
 
Эталонные (поверочные) газовые смеси предназначены для 
метрологического обеспечения газоаналитических средств, которые 
используют во многих технологических процессах. Достоверная 
информация о компонентном составе потоков и стационарных 
газовых объемах – залог эффективности и безопасности 
производств. 
Приведенные примеры охватывают далеко не всю сферу применения 
комбинированных газовых продуктов, которые также 
востребованы в строительной отрасли, холодильной технике, 
энергетике и др. 

 

 

2. ГАЗОВЫЕ СМЕСИ 

2.1. Основные определения 

Чистые вещества – элементы или соединения, их смеси, 
сплавы, характеризующиеся содержанием примесей ниже определенного 
предела.  
Этот предел зависит от свойств веществ, способа получения 
или использования веществ и, как правило, составляет доли процента. 
Классические примеры газообразных чистых веществ – 
гелий, кислород, криптон. 
Смесь – продукт смешения или механического соединения каких-
либо веществ (воздух, неоногелиевая смесь, пропан-бутановая 
смесь). 
Раствор – гомогенная (однородная) смесь, образованная не 
менее чем двумя компонентами, один из которых – растворитель, 
а другие растворены в нем. 
Компонент – составная часть чего-либо, одно из чистых веществ, 
образующих смесь. 
Состав смеси может быть задан в объемных, молярных или 
массовых долях.  
Доля вещества есть отношение объема (числа молей или массы) 
этого вещества к объему (числу молей или массе) всей смеси.  
Объемная доля – отношение объема растворенного вещества к 
объему раствора. 
Молярная доля – отношение числа молей данного компонента 
к общему числу молей всех компонентов.  
Массовая доля – отношение массы растворенного вещества к 
массе раствора. Объемную, массовую и молярную доли измеряют 
в долях единицы или в процентах. 
Моль (обозначение – моль, mol) – единица измерения количества 
вещества в системе СИ. Соответствует количеству вещества, 
содержащему столько структурных единиц (атомов, молекул, 
ионов, электронов или любых других частиц), сколько содержится 
атомов в объеме, занимаемом 0,012 кг изотопа углерода 12C. 

При низких давлениях (идеальные смеси) моли разных газов в 
одних и тех же условиях занимают одинаковый объем (например, 
при р = 0,1013 МПа и Т = 20 С объем V0  24 дм3). Из этого следуют 
такие выводы: 
 у смесей, близких к идеальным, объемные и молярные концентрации 
равны, т. е. 

,
i
i
i
V
N
y
V
N




                                   (2.1) 

где Vi и Ni – объем и число молей отдельного вещества; V и N – 
объем и число молей всей смеси;  

 массовая концентрация связана с объемной следующим соотношением: 


i
i
i
i
i
i
m
N
с
y
m
N












,                                (2.2) 

где mi и m – массы отдельного компонента и всей смеси; i – молекулярная 
масса i-го компонента;  – кажущаяся молекулярная 
масса смеси. 

Последний термин обусловлен тем, что не существует молекулы 
вещества с данной молекулярной массой. В дальнейшем, 
когда будем его применять при определении свойств смесей, слово «
кажущаяся» для краткости будем опускать. 
Напомним, количество частиц в одном моле любого вещества постоянно 
и носит название числа Авогадро (NA = 6,0220451023 моль−1). 

2.2. Процесс смешения 

На рис. 2.1 условно показан процесс приготовления смеси.  
Допустим, что до смешения чистых компонентов 1 и 2 массой 
m1 и m2 каждый из них занимал объемы V1 и V2. После перемешивания 
получена смесь массой m = m1 + m2 в объеме V = V1 + V2. 
До и после процесса газы находились при одинаковых условиях, 
заданных р и Т. 

Рис. 2.1. Приготовление смеси из чистых компонентов 1 и 2 
 
Для смеси и ее компонентов при достаточно низких давлениях 
справедливо уравнение Клапейрона  Менделеева.  
Уравнение для произвольной смеси газов имеет вид 

0
.
рV
m
R T






                                   (2.3) 

 

Масса первого компонента такой смеси  

1
1
1
0
,
рV
m
R T


                                 (2.4а) 

а второго –  

2
2
2
0
.
рV
m
R T


                               (2.4б) 

Принимая во внимание, что m = m1 + m2, определяем массу 
смеси и компонентов с учетом формул (2.3), (2.4а) и (2.4б): 

1
1
2
2

0
0
0
.
рV
рV
рV
m
R T
R T
R T










 

После сокращений и переноса V в правую часть этого выражения 
получаем формулу для молекулярной массы смеси