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.