Gasphysik

Herstellung technischer Gase

Luftgase

Einige Gase werden direkt durch Zerlegung der Luft in ihre Bestandteile hergestellt. Hierzu gehören die Gase Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) und Argon (Ar). Helium (He) ist in der Umgebungsluft nur in Spuren vorhanden und wird wesentlich wirtschaftlicher aus Erdgas hergestellt; vornehmlich aus einigen, nordamerikanischen mit hohem Helium-Anteil.

Luftverflüssigung

Zwecks Extrahierung der einzelnen Luftgase wird die Luft verflüssigt. Das Prinzip der Luftverflüssigung wurde 1895 von Carl von Linde erfunden. Es basiert auf dem einfachen und genialen Prinzip der Kältemaschine, wie es in jedem Kühlschrank und jeder Klimaanlage zum Einsatz kommt.

Kältemaschine: Wie funktioniert das?
Wir wissen, dass sich ein Gas bei Komprimierung in dem Maße erwärmt, wie wir es komprimieren. Entspannt es sich, kühlt es sich wieder auf seine Ursprungstemperatur ab.

Der Trick besteht nun darin das warme Gas im komprimierten Zustand über einen Kühler laufen zu lassen. Dadurch kann es sich maximal wieder bis auf seine Ursprungstemperatur abkühlen.
Entspannt es sich anschließend, fällt seine Temperatur unter seine Ursprungstemperatur.

Hierdurch kann man Gase kühlen. Jedoch noch nicht in dem Masse, wie es für die Luftverflüssigung erforderlich ist. Der Siedepunkt von Luft liegt bei 80 - 82 K (entsprechend - 191°C bis - 193°C).

Carl von Linde hat das Problem wiederum durch einen genialen Trick gelöst: er benutzte einen Teil der entspannten Luft zum Kühlen der neu zugeführten Luft, indem er sie in den Kühler zurückführte. In diesem geschlossenen Kreislauf kühlt sich die Luft somit immer stärker ab, bis ein Teil von ihr flüssig wird.

Verfeinert wurde das Prinzip noch durch einen Herrn namens Claude, der sich dachte, man solle einen Teil der komprimierten Luft nicht einfach über ein Expansionsventil laufen lassen, sondern sollte sie in eine Expansionsmaschine leiten. Hier muss die komprimierte Luft Arbeit verrichten. Die geleistete Arbeit fehlt ihr anschließend an Wärmeenergie. Nach Entspannung ist sie somit noch kühler als wenn sie sich bloß entspannt ohne Arbeit zu verrichten.
Der am Ende zur Verfügung stehende Prozentsatz flüssiger Luft ist höher. Der Energiebedarf beträgt etwa 1 kWh pro kg flüssiger Luft.

Zerlegung in Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) und Argon (Ar)

Bei der Alkoholdestillation nutzt man den niedrigen Siedepunkt von Alkohol gegenüber Wasser. Der Alkohol verdampft bereits vollständig während die Wasseranteile noch flüssig bleiben.

Für die Luftzerlegung kommt das gleiche Prinzip zur Anwendung. Die Siedepunkte der einzelnen Elemente liegen jedoch sehr nahe beieinander:

• Sauerstoff: 90 K = - 183°C
• Argon: 87 K = - 186°C
• Stickstoff: 77 K = - 196°C

Die flüssige Luft wird in eine Rektifikationssäule geleistet. Über eine große Anzahl von Rektifikationsböden strömt der flüssige Teil nach unten, der gasförmige nach oben.
Beim Hinterlaufen nimmt die flüssige Luft Sauerstoff (O2) auf und gibt ihrerseits Stickstoff (N2) an das aufströmende Gas ab. Am Boden der Säule befindet sich ein Verdampfer, der den Gasstrom erzeugt. Oben ein Kondensator, der den Rückfluss der flüssigen Anteile sicherstellt.

Nach mehreren Durchläufen entnimmt man am Boden der Säule reinen Sauerstoff (O2); am Kopf der Säule reinen Stickstoff (N2).
Das Edelgas Argon (Ar) wird auf dem selben Wege gewonnen. Jedoch ist die Trennung wegen des geringen Unterschieds der Siedetemperatur aufwendiger. Außerdem ist die Ausbeute naturgemäß sehr gering (nur 0,93% Anteil in der Luft).

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