Tiefkühltechnik und technischer Sauerstoff.

Wohl das wichtigste Erzeugnis der neuzeitlichen Tiefkühltechnik stellt der sogenannte „technische Sauerstoff“ dar, der sich auf den verschiedensten Zweigen der Technik immer weitere Anwendungsgebiete verschafft. Seine Erzeugung ist von der der flüssigen Luft untrennbar. Diese letztere tritt in bezug auf Verwendung gegen ihn aber immer mehr zurück. Freilich erscheint es nicht ausgeschlossen, daß sich auch für die flüssige Luft dann neue große Möglichkeiten ergeben, sobald es gelingt, die schon so lange gesuchte Lösung des Antriebes von Motoren durch flüssige Gase zu finden. Es handelt sich hierbei jedoch mehr um ein wirtschaftliches als um ein technisches Problem, denn der technische Teil dieser Frage kann als gelöst gelten. Da ein Raumteil flüssiger Luft etwa 800 Raumteile gasförmiger Luft ergibt, so hält es an und für sich nicht schwer, einen Motor zu bauen, in dem die bei der Expansion frei werdende Energie in nutzbare Arbeit umgesetzt werden kann. Aber alle Versuche der Konstruktion eines derartigen Motors scheiterten an seiner Unwirtschaftlichkeit. Ist doch die zur Verflüssigung aufgewendete Energie im allgemeinen sechs- bis siebenmal größer als die Arbeitsleistung, die sich bisher im Motor zurückgewinnen ließ.

Soll daher die flüssige Luft jemals ein Treibmittel für Motoren werden, so müßten zunächst Verfahren gefunden werden, die den für die Verflüssigung notwendigen Energieaufwand vermindern oder den Wirkungsgrad des Motors erhöhen, oder die beide Ziele gleichzeitig erreichen und dadurch das notwendige wirtschaftliche Gleichgewicht herstellen.

Das Hauptanwendungsgebiet der flüssigen Luft liegt daher in der Verwertung ihrer niedrigen Temperatur, die tatsächlich zu mancherlei, aber nicht allzu viel Zwecken ausgenutzt wird.

Im Gegensatz hierzu gewinnt der sogenannte „technische Sauerstoff“ immer mehr an Bedeutung, der ebenfalls ein Erzeugnis der Tiefkühltechnik bildet und dessen Darstellung jetzt in immer steigender Menge erfolgt. Vor allem ist es die hüttenmännische Industrie, die sich seiner in neuerer Zeit in ständig wachsendem Umfang bedient, seit man nach dem Gaylay'schen Verfahren der Gebläseluft des Hochofens Sauerstoff zusetzt. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß man Oefen von kleineren Abmessungen verwenden und in ihnen höhere Temperaturen erzeugen, sowie den Schmelzprozeß beschleunigen und mit besserer Ausbeute durchführen kann. Aus dem gleichen Grunde verwendet man den technischen Sauerstoff auch bei anderen metallurgischen Verfahren. Große Mengen davon werden auch in den Metalle verarbeitenden Industrien für die Zwecke des autogenen Schweißens und Schneidens benötigt. Ebenso verwendet ihn die Chemie zu zahlreichen Oxydationsprozessen, sowie zur Erzeugung hoher Temperaturen. Es sei in dieser Hinsicht an die Gewinnung gewisser schwer schmelzbarer Körper, insbesondere von Siliziumverbindungen der verschiedensten Art erinnert. In die Medizin hat der Sauerstoff als Wiederbelebungsmittel sowie für Heilzwecke gleichfalls Eingang gefunden. Zur Unterstützung wird er im Luftverkehr, im Taucherwesen und neuerdings sogar in der Hochtouristik benutzt.

Die Entwicklung der Tiefkühltechnik ermöglicht es nun auch bei weiterer Steigerung des Bedarfs, den Verbrauch in kürzester Zeit zu decken, sind doch die Einrichtungen der Sauerstoffgewinnung derart verbessert und vervollkommnet worden, daß es mit ihrer Hilfe gelingt, in kurzer Zeit große Mengen von Sauerstoff zu erzeugen. Auch die schwierige Transportfrage hat eine glückliche Lösung gefunden.

Die Herstellung des technischen Sauerstoffs geschieht allgemein auf dem Wege über die flüssige Luft. Man verdichtet Luft und sorgt dann für entsprechende Ausdehnung. Durch die hierbei stattfindende starke Abkühlung tritt Verflüssigung ein. Aus der erhaltenen Luftflüssigkeit verdampft nun infolge seiner höheren Verdampfungstemperatur zunächst der Stickstoff, so daß ziemlich reiner Sauerstoff, der sogenannte „technische Sauerstoff“ zurückbleibt, der für die meisten der oben genannten Zwecke ohne weiteres Verwendung finden kann. Wo jedoch Sauerstoff höherer Reinheit notwendig ist, da gelingt es verhältnismäßig leicht, auch ein hochprozentiges Produkt zu gewinnen.

So einfach nun auch die hier geschilderten Vorgänge sind, so große Schwierigkeiten stellten sich der technischen Durchbildung der Gewinnungsverfahren entgegen. Abgesehen davon, daß bei derart niederen Temperaturen, wie den hier zur Anwendung kommenden, die im allgemeinen bei – 192 Grad liegen, ganz besondere Maßregeln zu ergreifen sind, um das Einfrieren der Einrichtungen zu verhüten und, falls es eintritt, ihm entgegenzuwirken, gestaltete sich insbesondere die Durchführung der Expansion nicht immer zufriedenstellend.

Es gibt hierfür verschiedene Verfahren. So arbeiten Linde und Hampson mit einem besonders konstruierten Entspannungsventil. Claude, der auf dem Wege der Tiefkühltechnik bekanntlich auch verschiedene Edelgase darstellte, sowie Pictet und Mewes, verwenden besondere Expansionszylinder. In diesen Zylindern bewegt sich ein Kolben, dessen Schmierung bei derartig tiefen Temperaturen mit den gewöhnlichen Hilfsmitteln nicht durchgeführt werden kann. Es mußten besondere Schmiermittel gefunden werden, die bei – 100 Grad noch nicht gefrieren, dagegen aber bei gewöhnlicher Temperatur äußerst flüchtig oder sogar gasförmig sein müssen. Als derartiges Schmiermittel verwendet Claude das Pentan, Pictet hingegen die flüssige Luft.

Eine weitere Schwierigkeit liegt in dem Umstand, die Entspannung richtig zu leiten. Bringt man ein Gas erst bei – 100 Grad zur Entspannung, so läßt sich damit nur eine viel niedrigere Menge an nutzbarer Kälte gewinnen, als wenn das gleiche Gas bei + 10 Grad entspannt wird, muß doch der zur Abkühlung des verdichteten Gases auf – 100 Grad vorher verbrauchte Kraftaufwand von dem erhaltenen Gewinn an Kälte in Abzug gebracht werden.

Es war nun Heylandt, der diese Schwierigkeiten durch ein besonderes Verfahren überwand, durch ein Verfahren, dessen wesentlichster Teil die so lange Zeit für praktisch vollkommen unausführbar erachtete Konstruktion eines Expansionsmotors ist. Es handelte sich bei diesem Expansionsmotor darum, unter Berücksichtigung großer Druckdifferenzen derart zu entspannen, daß ein möglichst großer Temperatursturz erzielt wird. Des weiteren mußten die beweglichen Teile des Motors von der Expansionsmaschine räumlich getrennt werden. Dadurch gelingt es, von besonderen Schmiermitteln abzusehen und gewöhnliches Kompressoröl zu verwenden, dessen Schmierfähigkeit ja bewährt ist. Allerdings muß das Festwerden des Oels verhindert werden. Es ist Heylandt gelungen, eine Anordnung zu finden, dies Ziel ohne Verwendung einer künstlichen Wärmequelle nur durch die natürliche Wärme der Außenluft zu erreichen. Die hochkomprimierte Luft wird unter beträchtlicher Druckdifferenz entspannt. In einer einzigen Stufe findet der Uebergang von 180 bis 200 Atmosphären auf 1,3 bis 1,5 Atmosphären statt. Dadurch entstehen beträchtliche Mengen von Kälte. Trotzdem kann der Kolben, wie schon erwähnt, mit Kompressoröl geschmiert werden, obschon theoretische Berechnungen stets ergeben hatten, daß er festfrieren müsse. Die praktische Erprobung hat jedoch gezeigt, daß die Ergebnisse der theoretischen Erörterungen hier nicht zutreffen.

Nachdem wir nunmehr die theoretischen Grundlagen des mit Expansionsmotor arbeitenden Heylandtschen Verfahrens kennen gelernt haben, das auf Grund eingehender wissenschaftlicher Untersuchungen und praktischer Erprobungen durchgebildet wurde, sei die technische Gewinnung des flüssigen Sauerstoffs einer näheren Betrachtung unterzogen.

Die Luft enthält stets Wasserdampf und bestimmte Mengen von Kohlensäure, die zunächst entfernt werden müssen, ehe man an die Verflüssigung bzw. an die Herstellung technischen Sauerstoffs gehen kann. Zu diesem Zwecke wird sie vom Luftkompressor C (Abb. 1) durch einen Berieselungsturm A hindurch angesaugt. Sie tritt von unten in den Berieselungsturm ein, von dessen oberem Teil sie der Kompressor absaugt, so daß sie ihn also in seiner vollen Höhe durchströmen muß. Von oben her rieselt ihr Natronlauge entgegen, die die Kohlensäure aufnimmt, und die, nachdem sie unten am Turm angelangt ist, mit Hilfe der Zentrifugalpumpe B wieder auf die Höhe des Turms emporgedrückt wird, so daß also ein ständiger Kreislauf stattfindet. Die von der Kohlensäure befreite Luft wird nun vom Kompressor C angesaugt, einer Verbundmaschine mit 3 bis 4 Kompressionstufen, der die zu verarbeitende Luft auf 200 Atmosphären verdichtet. Dieser Kompressions-Enddruck erniedrigt sich im Beharrungszustande auf etwa 60 Atmosphären und genügt, um die Kälteverluste im Trennapparat zu decken. In jede Stufe des Kompressors ist ein Wasserkühler eingeschaltet, der die Aufgabe hat, der Luft die Kompressionswärme zu entziehen. Diese so hochkomprimierte und auf Kühlwasser zurückgekühlte Luft wird nun, nachdem sie nach der letzten Kompressionsstufe einen Oel-, bzw. Wasserabschneider passiert hat, in eine oder mehrere Lufttrockenflaschen-Batterien D geleitet. Durch die Kompression scheidet bereits aus der angesaugten Luft der in dieser enthaltene Wasserdampf zu einem großen Teile aus, so daß die Luft am Ende ihrer Kompression nur mehr einen Wasserdampfgehalt von ungefähr 1/10 des ursprünglichen aufweist. Diese Restmenge Wasserdampf wird unter dem erwähnten Höchstdruck in den Trockenbatterien D durch Absorption mit Chlorcalcium entfernt. Bei größeren Anlagen kann man das Wasser als Eis ausfrieren lassen.

Textabbildung Bd. 339, S. 142 Abb. 1. Schema einer Sauerstoff-Erzeugungs-Anlage; System-Heylandt.

Die gereinigte und getrocknete Luft gelangt nun in den Trennapparat E, wo sie auf nahezu atmosphärischen Druck entspannt wird, und wo daher starke Abkühlung und Verflüssigung eintritt. Der Trennapparat ist so eingerichtet, daß in ihm nicht nur die Verflüssigung, sondern vor allem die Trennung der Luft in ihre Hauptbestandteile, also die Gewinnung von Sauerstoff stattfindet. Zu diesem Zweck ist in den Trennapparat eine Rektifikationssäule eingebaut.

Betrachten wir nun die Einrichtung des Trennapparates im einzelnen, so finden wir (Abb. 2) an ihm folgende Teile: den Wärmeaustauscher A, das Regulier- oder Entspannungsventil B, das Sauerstoffverdamptgefäß C und die Berieselungssäule oder Rektifikationskolonne D.

Textabbildung Bd. 339, S. 143 Abb. 2. Schema eines Sauerstoff-Apparates.

Der Wärmeaustauscher stellt einen konischen Trichterkanal dar, in dem das von der Kolonne D kommende kalte Gas von unten nach oben hindurchstreicht, während die verdichtete Luft von oben nach unten zum Entspannungsventil zieht. Hierbei nimmt die Hochdruckluft Kälte auf, so daß sie bereits vorgekühlt nach dem Entspannungsventil kommt. Bei diesem erfolgt nun die Entspannung und damit die Verflüssigung der Luft. Ist der Beharrungszustand eingetreten, d.h. ist der Apparat vollständig abgekühlt, so sammelt sich im Sauerstoffverdampfungsgefäß C flüssiger Sauerstoff an, der durch die aus dem Wärmeaustauscher kommende, eine Heizschlange E durchströmende Luft verdampft wird. In dieser Schlange E wird die Luft schon soweit abgekühlt, daß sie sich zu einem großen Teil verflüssigt.

Auf dem Verdampfungsgefäß ist nun die Berieselungs- oder Rektifikationssäule aufgebaut, in der die Trennung der Luft in ihre Bestandteile und demnach die eigentliche Gewinnung des Sauerstoffs vor sich geht. Die Rektifikationskolonne ist mit einer eigenartigen Rohrschüttung ausgestattet, die aus Raschigschen Ringen besteht. Es sind dies kleine Messingringe, durch deren Verwendung eine sehr große Oberfläche erzielt wird. Diese ergibt den Vorteil, daß die Trennungskolonnen sehr kurz gehalten werden können, und daß trotzdem eine sehr gute Rektifikation bewirkt wird. Der Sauerstoff sammelt sich unten im Verdampfer C an, in dem er zu der gewünschten Reinheit angereichert wird. Solange er noch nicht die gewünschte Reinheit besitzt, läßt man ihn durch den Dreiwegehahn B ins Freie austreten.

Am Verdampfungsgefäß ist dann ein Rohr angeschlossen, durch das ein Teil der erzeugten Sauerstoffdämpfe abzieht und durch den Austauscher A den Apparat verläßt.

Wird nun die in Abbildung 1 wiedergegebene Anlage mit einer Expansionsmaschine System Heylandt versehen, so ergibt sich neben den oben bereits ausgeführten Vorteilen der weitere, daß die Zeit der Herunterkühlung des Trennapparates bis zum Beharrungszustand um ein wesentliches verkürzt wird, was einer Kraftersparnis von annähernd 30 Prozent gleichkommt. Die von der Expansionsmaschine durch die expandierte Luft zurückgewonnene Betriebskraft kann zweckentsprechend wieder auf die Kompressorwelle übertragen werden.

Der gewonnene Sauerstoff kann nun entweder in einem Gasbehälter H in gasförmigem Zustand aufgefangen werden (Abb. 1), wobei man in die Zuleitung eine zum Messen des stündlichen Gasdurchgangs dienende Gasuhr G einbaut, mit deren Hilfe sich die stündliche Sauerstoffproduktion ohne weiteres feststellen läßt. Dort, wo gasförmiger Sauerstoff gebraucht wird, wie z.B. im Hochofenbetrieb usw., wird man ihn aus dem Gasbehälter entnehmen. Für viele Zwecke, insbesondere die der Metallindustrie, vor allem aber auch zum autogenen Schweißen, pflegt der Sauerstoff in Stahlflaschen unter einem Druck von 150 bis 160 Atmosphären bezogen zu werden. Um ihn auch in diese Form bringen zu können, wird an dem Gasbehälter H ein Hochdrucksauerstoffkompressor J und eine Abfüllstation K angeschlossen.

Nun ist es eine leider viel zu wenig bekannte Tatsache, daß gerade beim Transport des Sauerstoffs in Stahlflaschen ein großes Mißverhältnis zwischen dem Gewicht der Hülle und dem des Inhalts besteht. Um 6 m8 Sauerstoff, der unter einem Druck von 160 Atmosphären steht, zu versenden, ist eine Stahlflasche von 80 Kilogramm Gewicht nötig, die aber nicht nur hin-, sondern auch wieder zurückgesandt werden muß. 6 m3 Sauerstoff wiegen 8,4 Kilogramm. Es sind deshalb für den Hin- und Rücktransport dieser Gewichtsmenge des Gases Frachtspesen für 160 Kilogramm der Umhüllung zu zahlen – ein Mißverhältnis, wie man es vielleicht nicht so leicht ein zweites Mal finden wird.

Textabbildung Bd. 339, S. 144 Abb. 3. Schematische Darstellung einer Sauerstofferzeugungs- und Verdichtungsanlage System Heylandt. 1. Kohlensäure-Abscheider; 2. Hochdruckluftkompressor mit Zwischenkühler; 3. Trockenbatterie; 4. Trennapparat; 5. Gasuhr; 6. Gasbehälter; 7. Sauerstoffkompressor; 8. Abfüllstand.

Um nun auch hier größere Wirtschaftlichkeit zu erzielen, hat Heylandt nach längeren Versuchen eine sondere Isolierschicht aus Schlackenwolle von bestimmter Dichte hindert den Wärmeaustausch zwischen Inhalt und Außenluft. Die Gefäße werden entweder auf Automobilen oder auf Eisenbahnwagen aufmontiert. Sie werden unmittelbar aus der Verflüssigungsanlage mit flüssigem Sauerstoff gefüllt. Dadurch wird es er Konstruktion für große Tankgefäße gefunden, die es ermöglichen, gewaltige Mengen von Sauerstoff bei geringem Gewicht der Hülle zu verschicken und ihn am Verwendungsort in beliebigem Aggregatzustand zu entnehmen. Diese Gefäße haben die Form großer Kessel, sind doppelwandig und halten einen inneren Ueberdruck von 5 bis 10 Atmosphären aus. Eine bemöglicht, größere Mengen davon zu transportieren, als in Form von Druckgas. Soll der Sauerstoff Verwendung finden, so kann er entweder flüssig oder, was meist der Fall sein wird, auch in Form von Druckgas und zwar unter beliebigem Druck aus dem Tank entnommen werden.