Elemente, Schulbuch

138 6 LUFT, WASSER, BODEN – UNSERE UMwElT 6.2 LuFT alS TECHNISCHER ROHSTOFF Gasverflüssigung • Luftzerlegung • Stickstoff • Sauerstoff • Edelgase • Ihre Verwendung Zur Gewinnung von reinem Sauerstoff wird Luft verflüssigt und bei tiefen Tempe- raturen destilliert. Da in vielen technischen Verfahren Luft heute durch reinen Sau- erstoff ersetzt wird, gewinnt dieser Prozess zunehmend an Bedeutung. Auch für die Nebenprodukte Stickstoff und die Edelgase entwickelte sich ein bedeutender Markt. Die Gasverflüssigung Um ein Gas zu verflüssigen, muss man es entweder unter sehr hohen Druck setzen oder die Temperatur stark absenken. Die Gasverflüssigung durch Druckerhöhung ist technisch einfacher. Sie gelingt allerdings nicht bei jedem Gas. Eine absolute Gren- ze für diese Methode bildet die kritische Temperatur . Sie ist für jedes Gas eine stoffspezifische Größe. Wird sie überschritten, so reichen die Wechselwirkungskräf- te zwischen den Gasteilchen für eine Verflüssigung nicht aus und das Gas bleibt bei beliebig hohen Drucken gasförmig. Seine Dichte kann dabei der einer Flüssigkeit entsprechen – trotzdem erfüllt es jeden zur Verfügung stehenden Raum gleichmä- ßig. Technisch kann man Gase daher in zwei Gruppen einteilen: in Permanentgase und druckverflüssigbare Gase. Druckverflüssigbare Gase Diese Gase haben eine kritische Temperatur, die über der Umgebungstemperatur liegt. Wird ein solches Gas komprimiert, so wird es flüssig, sobald sein Sättigungs- dampfdruck überschritten ist. Die Heizgase Propan und Butan („Flüssiggas“) sind Beispiele für solche Gase. In Stahlflaschen, die mit Flüssiggas gefüllt sind, befindet sich der Stoff im flüssigen Zustand. In der Flasche herrscht der Sättigungsdampf- druck. Entnimmt man Gas, so sinkt der Druck und die Flüssigkeit siedet. Nach der Entnahme verdampft so viel von der Flüssigkeit, dass der Sättigungsdampfdruck wieder erreicht wird. Flüssiggasflaschen haben daher meist kein Manometer, da dieses bis zum letzten Rest Flüssigkeit immer denselben Druck anzeigt. Der Gasvor- rat wird durch Wiegen bestimmt. Permanentgase Permanentgase haben eine tiefe kritische Temperatur. Bei Umgebungstemperatur liegen sie über ihrer kritischen Temperatur und können nicht verflüssigt werden. Auch bei hohen Drucken gelten noch mit relativ guter Genauigkeit die Gasgesetze. Permanentgasflaschen haben meist ein Manometer, das den zur Füllmenge propor- tionalen Druck anzeigt. Die aus dem Unterricht bekannten Sauerstoff- und Wasser- stoffflaschen sind Beispiele dafür. Aus der Tabelle (Abb. 138.2) erkennt man, dass alle wichtigen Luftbestandteile Per- manentgase sind. Luft muss daher zur Verflüssigung zumindest unter die kritische Temperatur von Stickstoff abgekühlt werden. Dies kann mit dem Linde-Verfahren geschehen. Dabei nützt man zur Abkühlung den Joule-Thomson-Effekt . Wenn ein stark komprimiertes Gas über ein Drosselventil plötzlich entspannt wird, so verrin- gert sich seine Temperatur. In der Gasverflüssigungsmaschine (Abb. 138.3) wird die getrocknete Luft auf etwa 50 bar komprimiert. Nach Abführen der Kompressionswärme über einen Kühler ent- spannt man die Luft an einer Drossel. Die durch den Joule-Thomson-Effekt stark abgekühlte Luft verwendet man nun zum Vorkühlen der komprimierten Luft vor der Drossel. Durch diese Gegenstromkühlung sinkt die Temperatur immer tiefer, bis sich die Luft nach der Drossel verflüssigt. Der geringe Helium- und Neonanteil bleibt gasförmig und entweicht mit dem zur Kühlung nötigen Luftanteil. Die Luftverflüssigung kostet beträchtliche Mengen Energie zum Betrieb der Kom- pressoren. KÜHLUNG KOMPRESSION ENTSPANNUNG LUFT Kalte gasförmige Luft Flüssige LUFT KÜHLUNG Kp T krit N 2 –195,8 °C –147,1 °C O 2 –183,0 °C –118,4 °C Ar –185,9 °C –122,5 °C CO 2 –78,5 °C (subl.) 31,1 °C Ne –246,0 °C –188,8 °C He –268,9 °C –268,0 °C Kr –153,4 °C –63,8 °C Xe –108,1 °C 16,4 °C Abb. 138.3: Schema der Luftverflüssigung Abb. 138.2: Siedepunkte und kritische Temperaturen der Luftbestandteile Abb. 138.1: Eine Luftzerlegungsanlage Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv