Linde-Verfahren
Erfahre, wie das Linde-Verfahren im 19. Jahrhundert von Carl von Linde entwickelt wurde, um Luft zu verflüssigen und zu zerlegen. Durch die Beschreibung des Verfahrens und seiner physikalischen Grundlagen begibst du dich auf eine spannende Reise in die Welt fortschrittlicher Technik. Interessiert? Das und mehr im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Linde-Verfahren
Linde-Verfahren – Chemie
Hast du dich schon einmal gefragt, warum eine Spraydose bei längerem Sprayen kalt wird? Genau diesen Effekt nutzte im 19. Jahrhundert der deutsche Ingenieur Carl von Linde. Er entwickelte das nach ihm benannte Linde-Verfahren. Das ist eine technische Methode zur Verflüssigung von Luft und zur Luftzerlegung. Die Anwendung des Linde-Verfahrens ist für Wirtschaft und Technik von großem Interesse. Beispiele für die Verwendung der flüssigen Luft aus dem Linde-Verfahren sind die intensive Kühlung und die Gewinnung der Luftbestandteile Stickstoff, Sauerstoff und Argon (Zusammensetzung der Luft).
Was sind die physikalischen Grundlagen des Linde-Verfahrens?
Das Linde-Verfahren beruht auf dem Joule-Thomson-Effekt. Danach sinkt die Temperatur von realen Gasen oder Gasgemischen, wenn man sie in ein größeres Volumen entspannt. Du kennst den Effekt von Spraydosen: Das Gas wird in Spraydosen auf ein kleines Volumen zusammengepresst. Drückt man den Sprühkopf, entweicht das Gas nach außen, es entspannt sich. Bei längerem Drücken spürst du dann, wie sich die Spraydose abkühlt, denn auch im Inneren der Spraydose hat das verbliebene Gas nun ein größeres Volumen.
Beschreibung des Linde-Verfahrens
Das Linde-Verfahren kann in zwei Abschnitte unterteilt werden – die Luftverflüssigung und die fraktionierte Destillation. Schauen wir uns beide Prozesse genauer an:
Linde-Verfahren: Luftverflüssigung
Die technische Realisierung der Luftverflüssigung gelang Carl Linde 1905.
- Am Start des Prozesses wird die Luft durch einen Kompressor geschickt und stark verdichtet. Sie erwärmt sich auf 65 °C und hat nun einen hohen Druck von 200 bar.
- Anschließend durchläuft die Luft einen Kühler, sie wird dabei auf 20 °C heruntergekühlt. Der hohe Druck von 200 bar bleibt bestehen.
- In einem Wärmetauscher wird die Luft unter Nutzung des Joule‑Thomson‑Effektes weiter abgekühlt. Das ist der zentrale Punkt des Prozesses. Das Gas wird entspannt, d. h., das Volumen wird größer, der Druck vermindert und damit sinkt auch die Temperatur.
- Am Ende des Prozesses erhält man flüssige Luft. Ein Teil der kalten Luft ist aber nicht flüssig, sondern weiterhin gasförmig. Dieser wird nach oben geleitet zum Wärmetauscher. Im Wärmetauscher kühlt die kalte Luft die neu ankommende Luft. Sie selber wird weitergeleitet zum Kompressor und der Vorgang beginnt aufs Neue. Der Joule‑Thompson‑Effekt wird hier also in einer sich wiederholenden Schleife genutzt!
Das Bild stellt das Linde-Verfahren schematisch dar:
Für seine großen Verdienste und wegen der Bedeutung der Anwendung des Linde-Verfahrens wurde Carl Linde geadelt. Er hieß von da an Carl von Linde.
Linde-Verfahren: Fraktionierte Destillation
Die fraktionierte Destillation ist eine Destillation über viele kleine Stufen (Böden). Mit ihr kann man aus einem flüssigen Stoffgemisch die Stoffe mit sehr nah beieinanderliegenden Siedepunkten besonders gut abtrennen. Die fraktionierte Destillation von Erdöl ist ein weiteres bekanntes Beispiel für diese Methode, die auch Rektifikation genannt wird. Technisch läuft die Rektifikation in einer sogenannten Kolonne ab. Damit wird die nach dem Linde‑Verfahren gewonnene flüssige Luft in die Luftbestandteile Sauerstoff, Stickstoff usw. getrennt.
Die Destillation flüssiger Luft in der Kolonne:
Die Kolonne besteht aus vielen Böden. Die einzelnen Stoffe im Gemisch sieden und kondensieren wieder und sammeln sich auf den einzelnen Böden an. Im oberen Teil des Kolonnenturms ist es mit ca. -230 °C am kältesten und unten mit ca. -130 °C am wärmsten. Je nach Siedetemperatur finden wir nun die einzelnen Stoffe auf verschiedenen Böden vor. Die Destillation der flüssigen Luft läuft in folgenden Schritten ab:
- Unten leiten wir die flüssige Luft ein und erwärmen.
- Sauerstoff weist mit -183 °C die höchste Siedetemperatur auf und sammelt sich daher im unteren Teil der Böden an.
- Die Siedetemperatur des Argons ist mit -185 °C etwas niedriger, wir finden es im Mittelteil des Kolonnenturms.
- Die niedrigste Siedetemperatur der drei Gase besitzt Stickstoff mit
-196 °C , er sammelt sich im oberen Teil des Turms an.
Nun braucht man nur noch abzufüllen und hat flüssigen Sauerstoff, flüssiges Argon und flüssigen Stickstoff in reiner Form. Für die drei Gase gibt es verschiedene Anwendungen in Wirtschaft, Wissenschaft und Technik.
Hinweise zum Video
In diesem Video werden dir für die Schule das Linde-Verfahren und das Prinzip des Linde-Verfahrens kurz erklärt. Zum besseren Verständnis solltest du bereits die Zusammensetzung der Luft kennen.
Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein neues Wissen über das Linde-Verfahren zu testen.
Transkript Linde-Verfahren
Hallo und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das Linde-Verfahren. Du kennst bereits die Bestandteile der Luft und ihre Anteile an der Luft. Nachher kannst du erläutern, wie man die Luft verflüssigt und wie man die Bestandteile daraus gewinnt. Der Film besteht aus vier Abschnitten. Erstens: Flüssige Luft, Zweitens: Die Grundlagen, Drittens: Luftverflüssigung und Viertens: Fraktionierte Destillation. Flüssige Luft ist für Wirtschaft und Technik von großem Interesse. Zum einen verwendet man sie für intensive Kühlung, außerdem kann man aus flüssiger Luft die Luftbestandteile gewinnen, Stickstoff, Sauerstoff und das Edelgas Argon. Zweitens: Die Grundlagen. Um flüssige Luft zu gewinnen, war eine wichtige Entdeckung der beiden Physiker Joule und Thomson notwendig. Nehmen wir an, wir haben ein abgeschlossenes Gefäß mit einem Gas, welches mit einem Kolben versehen ist. Der Kolben wird nun herausgezogen. Dabei vergrößert sich das Volumen des Gases, es wird entspannt. Dabei kommt es zu einer Temperaturverminderung des Gases. Diesen Effekt kann man für alle realen Gase beobachten. Nach seinen Entdeckern bezeichnet man diesen Effekt Joule-Thomson-Effekt. Allein diese Entdeckung war jedoch für die Luftverflüssigung zu wenig. Hier trat der Forscher Carl von Linde auf den Plan. Carl von Linde war ein tüchtiger Ingenieur. Damit waren die Grundlagen für die Luftverflüssigung gelegt. Drittens: Luftverflüssigung nach Carl Linde. Die technische Realisierung der Luftverflüssigung gelang Carl Linde 1905. Am Start des Prozesses haben wir gasförmige Luft. Sie hat eine Temperatur von 20°C und wird auf einen Druck von 20 bar komprimiert, das ist etwa der 20-fache Atmosphärendruck. Nun wird die Luft durch einen Kompressor geschickt, hier wird sie stark verdichtet. Sie erwärmt sich auf 65°C und hat nun einen hohen Druck von 200 bar. Anschließend durchläuft die Luft einen Kühler, sie wird dabei auf 20°C heruntergekühlt. Der hohe Druck von 200 bar bleibt bestehen. In einem Wärmetauscher wird die Luft weiter abgekühlt und das ist der zentrale Punkt des Prozesses. Das Gas wird entspannt, das Volumen größer, der Druck vermindert und damit sinkt auch die Temperatur. Am Ende des Prozesses erhält man flüssige Luft. Ein Teil der kalten Luft, unten rechts, ist aber nicht flüssig. Er wird nach oben geleitet zum Wärmetauscher. Im Wärmetauscher kühlt die kalte gasförmige Luft neu ankommende Luft. Sie selber wird weitergeleitet zum Kompressor und der Vorgang beginnt aufs Neue. Im Wärmetauscher wird so die ankommende Luft auf 0°C heruntergekühlt. Der Joule-Thompson-Effekt, JTE abgekürzt, wird hier vielfach benutzt. Für seine großen Verdienste wurde Carl Linde geadelt. Er hieß von nun an Carl von Linde. Viertens: Fraktionierte Destillation. Fraktionierte Destillation wird auch als Rektifikation bezeichnet. Hier seht ihr eine Rektifikationskolonne in der Industrie. Die Siedetemperaturen von Stickstoff, Argon und Sauerstoff liegen dicht beieinander. Daher reicht eine einfache Destillation für die Trennung der drei Gase nicht aus. Nur eine sorgfältige Rektifikation führt zur Trennung. Und so läuft eine Rektifikation vereinfacht ab: Am unteren Teil der Kolonne wird das flüssige Stoffgemisch eingeleitet. Die Kolonne besteht aus vielen, vielen Böden, von denen ich hier nur einige wenige einzeichne. Die Stoffe sieden und kondensieren wieder und sammeln sich auf den einzelnen Böden an. Und je nach Siedetemperatur können wir nun die einzelnen Stoffe auf verschiedenen Böden vorfinden. Und das sieht dann so aus: Unten leiten wir die flüssige Luft ein und erwärmen vorsichtig. Sauerstoff weist die höchste Siedetemperatur auf und sammelt sich daher im unteren Teil der Böden an. Die Siedetemperatur des Argons ist etwas niedriger, wir finden es am Mittelteil des Turms. Die niedrigste Siedetemperatur der drei Gase besitzt Stickstoff, er sammelt sich im oberen Teil des Turms an. So, und nun braucht man nur noch abzufüllen und hat flüssigen Sauerstoff, flüssiges Argon und flüssigen Stickstoff. Für die drei Gase gibt es verschiedene Anwendungen in Wirtschaft, Wissenschaft und Technik. Das war’s schon wieder für heute. Ich hoffe, ihr hattet etwas Spaß. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!
Linde-Verfahren Übung
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Gib an, woraus Luft besteht.
TippsDie Hauptkomponenten der Luft werden durch das Linde-Verfahren isoliert.
Ein Feuer brennt zwar bei Luft, jedoch eher gemächlich. Welche Gase haben Einfluss auf die Geschwindigkeit einer Verbrennung?
LösungDie Hauptbestandteile der Luft sind Stickstoff (ca. 78%), Sauerstoff (ca. 21%) und in sehr geringem Anteil Argon (ca. 1%). Das für uns Menschen lebensnotwendige Gas Sauerstoff ist also nur zu ungefähr einem Fünftel in der Luft enthalten. Wäre der Anteil höher, würde aber auch beim kleinsten Funken sofort all jenes, was brennbar ist, in Flammen stehen.
Neben diesen Hauptbestandteilen besteht die Luft auch noch aus Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, nitrosen Gasen, Methan und anderen Edelgasen. Alle diese Gase sind jedoch nur in Spuren ($<$1%) in der Luft enthalten. Jedoch steigt ihr Anteil durch den destruktiven Einfluss des Menschen auf die Natur immer mehr an. -
Erkläre den Joule-Thomson-Effekt.
TippsWas geschieht mit der Temperatur, wenn man ein Gas verdichtet?
Der beschriebene Effekt tritt beim Einsatz eines CO$_2$-Feuerlöschers auf.
LösungDer Joule-Thomson-Effekt beschreibt die Temperaturerniedrigung eines realen Gases bei seiner Entspannung. Wird ein verdichtetes (komprimiertes) Gas entspannt, indem es in einen größeren Raum geleitet wird, so kühlt es ab.
Dieser Effekt ist bei idealen Gasen wie den Edelgasen nicht der Fall, da dieser Effekt unter anderem durch die Wechselwirkungen zwischen den Gasmolekülen bestimmt wird. Dennoch kann auch das Edelgas Argon auf diesem Wege aus der Luft gewonnen werden. Grund hierfür ist die extrem niedrige Temperatur der verflüssigten realen Gase, dessen Kühlkraft zur Verflüssigung des Argons verhilft. -
Erkläre die Vorgehensweise beim Linde-Verfahren.
TippsBei Normalbedingungen herrscht eine Temperatur von 20°C und ein Druck von 1 bar.
LösungDie Verflüssigung der Luft über das Linde-Verfahren beruht auf dem zuvor behandelten Joule-Thomson-Effekt (JTE). Im ersten Schritt wird die gasförmige Luft von 1 bar (Normalbedingungen) auf einen Druck von 200 bar komprimiert. Hierbei nimmt die Temperatur ebenfalls von 20°C auf ca. 65°C zu. Dieser Temperaturerhöhung wird durch eine anschließende Kühlung auf 20°C entgegengewirkt. Letztlich folgt noch die Expansion bzw. Entspannung der komprimierten Luft, wobei der JTE gilt. Die Luft kühlt sich während der Expansion so sehr ab, dass sie flüssig wird. Der kalte, nicht verflüssigte Teil der Luft wird im Wärmetauscher zur Kühlung der expandierenden Luft verwendet und anschließend zurück in den Kompressor geleitet.
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Erkläre das Prinzip der fraktionierten Destillation.
TippsWas macht Wasserdampf an einer Fensterscheibe?
LösungDie fraktionierte Destillation ist eine oft angewandte Methode, um Gemische von Flüssigkeiten aufzutrennen. Die Destillation ist umso einfacher, je größer der Temperaturunterschied zwischen den Siedepunkten der einzelnen Komponenten ist. Ansonsten ist Feingefühl nötig, um eine saubere Trennung zu erreichen. Im Prinzip wird bei dieser Methode nur die Änderung von Aggregatzuständen (flüssig-gasförmig) mehrmals ausgenutzt. Auf jedem Boden der Kolonne findet eine Art Gleichgewicht zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase statt, vergleichbar mit Wasserdampf, welcher an einem Fenster kondensiert.
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Ordne die Siedetemperaturen der Gase richtig an.
TippsDas Gas, welches bei der Rektifikation ganz unten in der Kolonne zu finden ist, verdampft als Letztes.
LösungDie Abfolge der Siedetemperaturen der Bestandteile der Luft ist bei der Rektifikation von Bedeutung. Ganz unten in der Kolonne findet man Sauerstoff vor, welches mit einem Siedepunkt von -183°C die am höchsten siedende Komponente darstellt. Es folgt das Edelgas Argon mit einem Siedepunkt von -186°C und letztlich Stickstoff bei einer Temperatur von -196°C. Das in minimalen Spuren enthaltene Gas Wasserstoff besitzt einen deutlich geringeren Siedepunkt von -252°C.
Besonders zwischen Sauerstoff und Argon wird es deutlich, dass die Trennung Feingefühl bedarf, da sich die Siedepunkte nur um 3°C unterscheiden. -
Bewerte die Aussagen zum Azeotrop.
TippsDie Gasphase eines Azeotrops besteht aus den beiden Komponenten der flüssigen Phase.
LösungEin azeotropes Gemisch (z.B. Wasser und Hexanol) kann destillativ nicht getrennt werden. Das Gemisch siedet bei der gleichen Temperatur, das bedeutet, dass die Gasphase die gleiche Zusammensetzung wie die flüssige Phase besitzt. Kondensiert dieses azeotrope Gemisch, so trennen sich die beiden Phasen voneinander. Diese Tatsache kann z.B. in sogenannten Wasserabscheidern verwendet werden, um entstehendes Wasser aus einer Reaktion zu entfernen.
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