Prawo objętości, ciśnień cząstkowych – teoria Daltona

Prawo Daltona – istota i definicja

Prawo Daltona, sformułowane w 1801 roku przez brytyjskiego chemika Johna Daltona, mówi, że:

Ciśnienie całkowite mieszaniny gazów jest równe sumie ciśnień cząstkowych wszystkich gazów, z których składa się mieszanina.

Matematycznie wyraża się to wzorem:

P_całkowite = P1 + P2 + P3 +⋯+ Pn

• P_całkowite – ciśnienie całkowite mieszaniny,

• P1,P2,P3,…,Pn – ciśnienia cząstkowe poszczególnych składników gazowych.

Ciśnienie cząstkowe to hipotetyczne ciśnienie, jakie wywierałby każdy gaz, gdyby zajmował całą objętość naczynia samodzielnie, w tej samej temperaturze. W praktyce przemysłowej oznacza to, że nawet jeśli pracujemy z mieszaniną gazów, możemy traktować każdy składnik niezależnie w kontekście jego wpływu na ciśnienie – co ma kolosalne znaczenie w projektowaniu układów pneumatycznych oraz w analizie procesów technologicznych.

Znaczenie Prawa Daltona w pneumatyce przemysłowej

Pneumatyka a mieszaniny gazów

W większości układów pneumatycznych medium roboczym jest sprężone powietrze. Powietrze samo w sobie jest mieszaniną gazów (ok. 78% azotu, 21% tlenu, reszta to m.in. argon, dwutlenek węgla, neon, hel, krypton, wodór, para wodna). W pewnych branżach, np. spożywczej, farmaceutycznej, elektronicznej, chemicznej czy metalurgicznej, stosuje się jednak mieszanki gazów dobrane pod kątem:

• właściwości antykorozyjnych,

• ochrony przed utlenianiem,

• bezpieczeństwa procesów technologicznych,

• bezpieczeństwa procesów technologicznych, sterowania reakcjami chemicznymi,

• uzyskania odpowiednich parametrów fizycznych (np. przewodności cieplnej, lepkości).

Przykłady mieszanin gazów w przemyśle:

• mieszanina argonu z CO₂ w spawalnictwie (procesy MAG),

  

• mieszanki ochronne w pakowaniu MAP (Modified Atmosphere Packaging),

• hel i wodór w kontrolach szczelności (detekcja wycieków),

• specjalne mieszanki w produkcji elektroniki (atmosfery ochronne),

• azot w procesach inertyzacji.

W każdej z tych aplikacji prawo Daltona pozwala inżynierom przewidywać, jakie będzie ciśnienie całkowite układu oraz jaka część tego ciśnienia przypada na poszczególne składniki gazowe. Ma to krytyczne znaczenie w doborze:

• zaworów,

• regulatorów ciśnienia,

• przepływomierzy,

• detektorów gazowych,

• systemów bezpieczeństwa.

Przykłady zastosowań w praktyce pneumatycznej

1. Pakowanie w atmosferze ochronnej (MAP)

W przemyśle spożywczym produkty często pakuje się w zmodyfikowanej atmosferze, np. w mieszaninie azotu i dwutlenku węgla. Znając prawo Daltona, inżynierowie mogą obliczyć:

• jaką frakcję ciśnienia stanowi każdy składnik,

• jak dobrać zawory dozujące do uzyskania określonych proporcji,

• jak uniknąć ryzyka przekroczenia ciśnienia roboczego w układzie.

Przykład:

Załóżmy, że w opakowaniu ma panować ciśnienie całkowite 1,2 bara, przy składzie 70% N₂ i 30% CO₂. Oznacza to:

• ciśnienie cząstkowe N₂ = 0,7 × 1,2 bar = 0,84 bar,

• ciśnienie cząstkowe CO₂ = 0,36 bar.

To ciśnienie cząstkowe warunkuje zarówno ochronę przed rozwojem drobnoustrojów, jak i stabilność opakowania.

2. Analiza szczelności w produkcji elektroniki

W testach szczelności układów elektronicznych często stosuje się hel lub wodór jako gaz znacznikowy. Urządzenia detekcyjne mierzą nie ciśnienie całkowite, lecz stężenie gazu znacznikowego. Dzięki prawu Daltona można precyzyjnie przeliczać:

• ilość helu w mieszaninie,

• przewidywane stężenie w przypadku mikrowycieków,

• wpływ ciśnienia na czułość pomiaru.

3. Pneumatyczne systemy mieszania gazów

W laboratoriach przemysłowych oraz w niektórych procesach produkcyjnych używa się systemów mieszających gazy w proporcjach objętościowych lub ciśnieniowych. Przykład:

• mieszanka O₂/N₂ dla symulacji warunków atmosferycznych,

• mieszanki w testach spalania.

W takich układach prawo Daltona stanowi podstawę wyznaczania ustawień regulatorów ciśnienia i przepływomierzy. Na tej podstawie ustala się punkty pracy zaworów proporcjonalnych, aby uzyskać żądane ciśnienia cząstkowe.

Prawo Daltona a dobór elementów pneumatycznych

Wpływ ciśnień cząstkowych na konstrukcję układów

Projektując instalację, w której występują mieszaniny gazów, inżynier musi wziąć pod uwagę:

• Projektując instalację, w której występują mieszaniny gazów, inżynier musi wziąć pod uwagę:

• ciśnienia cząstkowe (decydują o agresywności chemicznej gazów względem materiałów armatury),

• rodzaj gazów (palne, toksyczne, obojętne),

• zgodność materiałową (np. uszczelki, metale),

• wymogi bezpieczeństwa (ATEX, przepisy branżowe).

To oznacza, że nawet jeśli całkowite ciśnienie pracy jest niskie, obecność np. tlenu pod ciśnieniem wymaga zastosowania materiałów odpornych na utlenianie oraz wyklucza stosowanie smarów niekompatybilnych z tlenem.

Znaczenie dla komponentów Festo

Festo, jako jeden z liderów technologii pneumatycznej, posiada w ofercie szeroką gamę komponentów dostosowanych do pracy z różnymi gazami, także w mieszaninach:

• Regulatory ciśnienia proporcjonalne (np. seria VEAB, VEMP, VEAA)

  Umożliwiają precyzyjne sterowanie ciśnieniem w zakresie od próżni do kilkunastu barów. Idealne do mieszania gazów na podstawie ciśnień cząstkowych.

  

• Przepływomierze (np. SFAB, SFAH)

  Pozwalają monitorować przepływ poszczególnych składników mieszaniny. Dostępne są wersje kompatybilne z różnymi gazami, w tym z mieszankami gazów procesowych.

• Zawory proporcjonalne (np. VPPM)

  Doskonałe do dynamicznego dozowania mieszanin gazów w proporcjach wynikających z obliczeń Prawa Daltona.

  

• Zawory odcinające i bezpieczeństwa (np. VZQA, VZWM, MS6-SV-C)

  Kluczowe dla zapewnienia bezpieczeństwa w systemach pracujących z gazami palnymi czy toksycznymi.

• Elementy przygotowania powietrza (seria MS-Basic, MS)

  Choć często kojarzone wyłącznie z powietrzem sprężonym, ich modułowa budowa pozwala na konfiguracje pod kątem specyficznych mieszanin gazowych – z odpowiednimi filtrami i regulatorami.

  

Bezpieczeństwo a Prawo Daltona

Znajomość Prawa Daltona jest również istotna z punktu widzenia bezpieczeństwa. Nawet jeśli całkowite ciśnienie jest w normie, wysokie ciśnienia cząstkowe niektórych gazów mogą stwarzać ryzyko:

• wybuchu (mieszaniny palnych gazów),

• korozji chemicznej,

• zatrucia (toksyczne gazy),

• reakcji niekontrolowanych (np. nadmiar tlenu w układzie).

Dlatego wszystkie systemy muszą być projektowane z uwzględnieniem norm bezpieczeństwa, a komponenty powinny posiadać odpowiednie certyfikaty (np. ATEX, ISO, FDA w przypadku przemysłu spożywczego).

Przemysłowa przyszłość – digitalizacja i mieszanki gazów

W dobie Przemysłu 4.0 rośnie zapotrzebowanie na inteligentne układy pneumatyczne, zdolne do:

• monitorowania składu gazów w czasie rzeczywistym,

• zdalnego sterowania proporcjami mieszanek,

• automatycznej korekty parametrów pracy.

Festo rozwija w tym kierunku komponenty z komunikacją cyfrową (IO-Link, Ethernet/IP, Profinet). Przykładem są przepływomierze SFAB, które mogą przesyłać dane do systemów SCADA, umożliwiając pełną kontrolę nad składem gazów oraz szybkie wykrywanie odchyleń od zadanych wartości.

Autor:
Jerzy Witkoś
Product Manager
Pneumat.

Autor:
Jerzy Witkoś
Product Manager
Pneumat.