INGENIEURBÜRO FÜR ELEKTROTECHNIK

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1 BEDEUTUNG DER LUFTAUFBEREITUNG BEI DER ZNERZEUGUNG Eine im hohen Grad getrocknete Luft ist die Voraussetzung für die Herstellung von starken zonkonzentrationen unter normalen industriellen Bedingungen. Aufgrund der Glimmentladung, der die Luft unterworfen wird, enthält das zon Spuren von Sauerstoffverbindungen des Stickstoffs, hauptsächlich N 5 und inertem N. Unter normalen Voraussetzungen beträgt das Molarverhältnis von 0zon zu Stickstoffpentoxid 00 :, also 00 N 5 Salpetersäure-Anhydrid N 5 sind farblose, an der Luft zerfließliche Kristalle, welche bei 0 K schmelzen. Diese recht unbeständige Verbindung zerfällt rasch, oft auch schon bei Zimmertemperatur: N 5 N + Sie besitzt stark oxidierende Eigenschaften und reagiert mit Wasser unter Salpetersäurebildung gemäß folgender Reaktion: N 5 HN Fehlt es also an zur Bildung von Salpetersäure benötigtem Wasser, so wird keine oder nur eine dem vorhandenen Wasseranteil entsprechende Menge an Salpetersäure entstehen. Stickstoffdioxid N ist ein braunrotes, charakteristisch riechendes und stark giftiges Gas, das sich leicht verflüssigen lässt. Die Flüssigkeit ist kurz unterhalb des Siedepunktes (95,4 K) rotbraun, wird beim Abkühlen immer heller und schließlich bedeutung der luftaufbereitung Seite 5

2 farblos. Es erstarrt bei 6,8 K zu farblosen Kristallen. Erwärmt man umgekehrt das Gas von Zimmer-Temperatur ausgehend, so nimmt die Intensität der braunroten Farbe zu. Die Farbänderung rührt daher, dass sich das braune Stickstoffdioxid N im Gleichgewicht mit farblosem Distickstoff-Tetroxid (Stickstofftetroxid) N 4 befindet: N N 4 + 6, 5Kj braun farblos und dass sich das obige Gleichgewicht entsprechend der positiven Wärmetönung mit steigender Temperatur nach links, mit fallender Temperatur nach rechts verschiebt. Und zwar sind bei 00 K : 0%, bei K : 40% des N in 4 N gespalten. N steht in seiner Zusammensetzung zwischen dem Salpetrigsäureanhydrid 4 N und dem Salpetersäureanhydrid N 5 und kann als gemischtes Anhydrid der salpetrigen und Salpeter-Säure aufgefasst werden. Dementsprechend reagiert N (bzw. 4 N ) mit Wasser unter Bildung von salpetriger Säure und Salpetersäure; erstere zersetzt sich leicht in Salpetersäure und Stickoxid, so dass letzten Endes nur Salpetersäure entsteht: N 4N N + HN + H + HN HN N 4HN N + N + + Da bei Gegenwart von 00 Mol ein Mol N 5 entsteht, würde die größtmögliche HN -Bildung 6 g je Kg produzierten zons betragen. Dazu sind ca.,75 g Wasser für Kg notwendig. Der Wassergehalt ist jedoch vom Trockenheitsgrad und der dem zonerzeuger zugeführte Luftmenge abhängig. Die beiliegende Tabelle zeigt die Bildung von Salpetersäure pro erzeugtem Kg an, u.zw. in Abhängigkeit von der zonkonzentration C und vom Trockenheitsgrad der Luft (Taupunkt der getrockneten Luft). bedeutung der luftaufbereitung Seite 5

3 Hieraus ist ersichtlich, dass zur Vermeidung von korrosiven Ablagerungen der Trockenheitsgrad und die zonkonzentration der Luft möglichst große Werte erreichen müssen. Aktiviertes Aluminiumoxid (Alugel) wird im Allgemeinen von Fachleuten dem Silikagel vorgezogen, da es zur Trocknung von Luft vor Eintritt in die zonerzeuger wirtschaftlicher und auch sicherer ist. Aluminiumoxid liefert zudem tiefere Taupunkte und ist gegenüber Wassertropfen bzw. Wasseraerosolen unempfindlicher. Alugel ist besonders abriebfest und eine Füllung verfügt deshalb über eine verhältnismäßig lange Lebensdauer. Die Wärmeleitfähigkeit ist außerdem um 60% höher als diejenige von Silikagel und gestattet somit eine günstigere Regeneration der Adsorberfüllung. Hinzu kommt noch, dass die von Natur aus kugelförmigen Adsorbensgranulate die Druck- und Reibungsverluste beim Luftdurchgang bedeutend herabsetzen. Der mit aktiviertem Aluminiumoxid erzielte Luft-Taupunkt liegt im Allgemeinen weit unter K. Dieser Vorteil wirkt sich gerade bei Anwendung starker zonkonzentrationen auf das Korrosionsverhalten des Werkstoffs für zoneure und zonluftleitungen besonders günstig aus. In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, dass häufige Betriebs-Störungen bei früheren Anlagen zumeist auf eine ungenügende Lufttrocknung zurückzuführen waren. Salpetersäure setzt sich gewöhnlich auf der Innenwand des zonröhrenbündels ab, weshalb hier die Verwendung von Edelstahl für alle Metallteile unumgänglich ist. Die Stahlqualität (Anteil an Cr -Ni -Mo) muss im Hinblick auf die Korrosionsfestigkeit einmal gegen Salpetersäure, zum anderen gegen etwaige im Kühlwasser gelöste und auf die Materialbeständigkeit sich ungünstig auswirkende Substanzen sorgfältig ausgewählt werden. Der Einfluss des Taupunkts der Trockenluft auf die zonerzeugung ist ebenfalls in Betracht zu ziehen. So wurde ein Produktionsabfall von ca. 5% festgestellt, wenn der Taupunkt von K auf 5 K anstieg. bedeutung der luftaufbereitung Seite 5

4 Aufgrund vorgenannter Angaben und Erfahrungswerte kann folgende Stöchiometrische Gleichung zur Berechnung der Salpetersäurebildung unter gegebenen Betriebsbedingungen aufgestellt werden: Luft L undln 5 HN Mol. Gewichte= Zieht man in Betracht, dass bei einem vorhandenen Molverhältnis von Mol N 5 zu 00 Molen in Gegenwart von überschüssigem oder stöchiometrisch zumindest benötigtem Wasserdampfanteil in der Trockenluft,5 g N je Kg 5 entstehen, so folgt aus obiger Gleichung, dass somit 6 g Salpetersäure je Kg zon gebildet werden. Voraussetzung dafür ist, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Luft bei einer zonproduktion von Kg mindestens,75 g H beträgt. Nimmt man als Rechnungsbasis eine Dichte der Luft bei 9 K von. Kgm³ an, so werden zur Erzeugung von Kg bei C = g0 m Luft: 8, m = 00 Kg Luft benötigt und bei C = 8 g0 m Luft: 55,55 m = 66,67Kg Luft benötigt. Hieraus errechnet sich der tatsächlich gebildete an Salpetersäure bei einem Taupunkt von K. Dementsprechend beträgt der erzeugter Salpetersäure: bei C = g0 m Luft: gebildetes HN : =,05 t( ghn Kg ) 6 66, bei C = 8 g0 m Luft: gebildetes HN : = 0,47 t( ghn Kg ) 6 7,5 000 bei C = g0 m Luft: gebildetes HN : = 0,5 t( ghn Kg ) t = Wasserdampfgehalt in mg H Kg Luft. Weiter Werte über Salpetersäurebildung bei der zonherstellung in Abhängigkeit vom Taupunkt der verwendeten Trockenluft sind nachfolgender Tabelle zu entnehmen. bedeutung der luftaufbereitung Seite 4 5

5 Bei höheren Taupunkten als K (bei C = 8 g m n Luft) bleibt neben des zur Salpetersäurebildung benötigten Wassers auch noch ungebundenes, überschüssiges Wasser vorhanden. Der maximale gewichtsmäßige Anteil an gebildeter Salpetersäure beträgt demnach 6 gkg sobald der Wassergehalt der Luft, bezogen auf Kg erzeugten zons, den Wert von,75 g H überschreitet. Lajos Rácz -Konzentration, Luftgewicht 00 kg -Konzentration 8, Luftgewicht 66,67 kg Taupunkt K g HN Kg g HN Kg Wassergehalt mg H kg g H Kg g H Kg 7,05 7,5 0,47,5 8,0 9,0 0,86 5,64 0 8,80,60, 8,46,0 6,0,5 0, ,0 -, Wasser -,,7 6,5 im Überschuss 4,6 9, 77 zum vorhandenen N 5 Werte auf Atmosphärendruck bezogen: m³ Luft bei 9 K ca., kg! bedeutung der luftaufbereitung Seite 5 5