Ueber eine Ursache des unregelmässigen Verlaufes pneumatischer Processe; von Dr. Ferdinand Hurter in Widnes (Lancashire). Hurter, über pneumatischer Processe. Die in der Technik verwertheten chemischen Processe werden manchmal, je nach dem Zustand der verwendeten Reagentien, als trockene, nasse und pneumatische Processe unterschieden. Man hat unter die pneumatischen Processe namentlich auch den Hargreaves'schen Sulfatproceß und den Deacon'schen Chlorproceß gezählt, hat diesen beiden Processen vorgeworfen, daß sie unregelmäßig arbeiten, hat diesen Vorwurf, welcher specieller dem Hargraeves' Proceß gemacht worden, generalisirt und auf sämmtliche pneumatische Processe übertragen (vgl. Lunge 1876 219 252). Dieser Vorwurf ist nicht unbegründet. Jedem pneumatischen Processe, speciell wo man Gase auf feste Körper einwirken läßt, hängen gewisse Unannehmlichkeiten an oft so groß, daß diese Processe wieder verworfen werden. Die erste Schwierigkeit ist gewöhnlich die, den festen Körper in regelmäßigen Stücken von gleichmäßiger Größe dem Gase darzubieten. Bei manchen Substanzen ist dies fast unmöglich. Wie lange schon hat Schinz empfohlen, beim Verbrennungsproceß das Brennmaterial in möglichst gleich großen Stücken der Luft auszusetzen, und an wie vielen Orten wird wohl diese Maßregel befolgt? – In Deacon's Chlorproceß hat man diese Schwierigkeit dadurch beseitigt, daß man den gebrannten Thon in Form kleiner Kugeln anwendete, und nachdem gefunden wurde, daß diese Kugeln nur auf beschränkte Zeit arbeiten, wurden sie durch kleinere Stücke ersetzt, welche durch sorgfältiges Sieben möglichst gleichförmig gehalten wurden. In Hargreaves' Proceß hat sich die Nothwendigkeit des gleichförmigen Materials auch als bedeutende Schwierigkeit fühlbar gemacht, und wird jetzt immer mehr daran gedacht, das Salz mittels Maschinen in kugelförmige oder cylindrische Klumpen zu pressen, damit der Gang des Processes ein regelmäßiger werde. Bei gewissen pneumatischen Processen ist die Unregelmäßigkeit der Stücke von keinem andern Nachtheil begleitet als dem, daß größere Stücke des festen Körpers längere Zeit zu ihrer Umwandlung bedürfen. So z.B. kann man bei der Darstellung von doppeltkohlensaurem Natron ungestraft Stücke von ganz verschiedener Größe verwenden, so lange man reine Kohlensäure zur Verfügung hat; nimmt man aber Kohlensäure, welche mit viel Luft verdünnt ist, etwa Verbrennungsgase, so macht sich obige Schwierigkeit sofort fühlbar. Der Grund dieser Erscheinung dürfte nicht schwer zu finden sein. Wo die ganze Gasmasse während der Reaction verschwindet, wird innerhalb der Poren des festen Körpers ein leerer Raum erzeugt, in welchen neue Gastheilchen sich stürzen; da kommt es denn auf die Größe der Stücke und den verschiedenen Widerstand, welchen verschiedene Canäle bieten, nur wenig an. Wo aber die Gasmasse theilweise active und inactive Bestandtheile enthält, die activen also durch den in den Poren gelassenen Rest der inactiven Gase diffundiren müssen, da hat die Größe der Stücke einen bedeutenden Einfluß. Hat man aber auch diese Schwierigkeit überwunden, so kommt gewöhnlich eine neue, verursacht durch Temperaturverschiedenheiten innerhalb der Masse. Wie man diese zweite Schwierigkeit zu überwinden hat, soll diese kleine Abhandlung näher besprechen. Bekanntlich wird in dem von Hargreaves und Robinson vorgeschlagenen Proceß zur Darstellung von Sodasulfat großes Gewicht darauf gelegt, daß der auf die porösen Kochsalzstücke einwirkende Strom von schwefliger Säure, Luft und Wasserdampf, von oben nach unten sich bewege und nicht umgekehrt. Es wird sogar behauptet, daß ohne diese Vorsicht der Proceß überhaupt nicht erfolgreich ausführbar sei. Weniger bekannt ist es, daß auch in Deacon's Proceß zur Darstellung von Chlor die Gase stets in abwärts gehender Richtung geleitet werden. Obwohl nicht so ausgesprochen als bei Hargreaves' Proceß läßt sich doch sicher behaupten, daß die Resultate entschieden besser ausfallen, wenn die Gase abwärts geleitet werden, als wenn sie aufwärts durch die mit Kupfersalz getränkten Massen von Thon streichen. Es scheint, als ob bei diesen Processen die Richtung des Gasstromes einen bedeutenden Einfluß auf den Erfolg ausübte. Was aber bei diesen beiden Processen beobachtet worden, wird wohl auch bei andern stattfinden, und deshalb dürfte das Besprechen dieses Umstandes von allgemeinerem Interesse sein. Es ist natürlich dieser Einfluß der Richtung des Gasstromes rein physikalischer Natur; wenn also, wie bei Hargreaves' Proceß, die Reactionen sich auch manchmal abändern, so sind dies secundäre Wirkungen, welche an und für sich mit der Richtung des Stromes nichts zu schaffen haben. Die Ursachen, welche diesen verschiedenen Erfolg der Processe je nach der Richtung des Stromes bedingen, lassen sich auf Verschiedenheiten in der Vertheilung der Wärme in den Apparaten zurückführen, und sind sehr einfacher Natur. Hargreaves, welcher meines Wissens zuerst diese Verschiedenheit beobachtete, gibt selbst folgende Erklärung für die ausschließliche Anwendung der abwärtsgehenden Richtung des Gasstromes: „In einem Apparat von großem Querschnitt kann es vorkommen, daß an einer Stelle die Temperatur zufällig höher ist als an den übrigen Stellen. Hierdurch wird die wärmere Stelle den kältern gegenüber zum Kamin. Bei aufwärts gehendem Gasstrom wird die Geschwindigkeit an dieser heißern Stelle dem Temperaturunterschiede entsprechend vergrößert, die chemische Action dadurch beschleunigt und die Temperatur (wenn bei der Reaction Wärme frei wird) erhöht. Eine anfänglich unbedeutende Unregelmäßigkeit in der Temperaturvertheilung führt bald zu gefährlichen Verschiedenheiten. Ganz anders ist es, wenn der Gasstrom abwärts geführt wird. In diesem Falle geht durch allfällig heißere Stellen weniger Gas als durch die kältern, weil die Geschwindigkeit abwärts um die der Temperaturverschiedenheit entsprechende Größe verringert wird. Anstatt die chemische Activität zu vergrößern, wird sie beruhigt, und der Apparat erhält die Tendenz, vorhandene Temperaturunterschiede auszugleichen.“ So richtig auch diese Erklärung ist, so ist sie doch nicht erschöpfend und reicht namentlich nicht dazu aus, Rechenschaft zu geben, unter welchen Bedingungen ein Abwärtsführen der Gase unbedingt nothwendig ist. In einer engen Röhre z.B. würde man bei lebhaftem Gasstrome gewiß keine großen Verschiedenheiten im Erfolg einer Operation erwarten, ob man nun das Gas aufwärts, abwärts oder seitwärts führe. Bei der Herstellung mancher Apparate ist es ohnedies nicht immer thunlich, die Gase in abwärts gehender Richtung zu führen, und da ist es wünschenswerth zu wissen, unter welchen Bedingungen man aufwärts leiten kann, ohne den Erfolg der auszuführenden Operation zu gefährden. Verhielte sich ein mit Stücken gefüllter Kasten (also beispielsweise ein Hargreaves'scher Cylinder oder ein Deacon'scher Zersetzungsofen) einfach wie ein Kamin, wie Hargreaves voraussetzt, so würde obige Erklärung nur für Temperaturen unter 300° giltig sein. Ueber diese Temperatur dürfte man ungestraft aufwärts führen, weil in einem Kamin die Zugkraft bei 300° ein Maximum ist. – Es läßt sich aber beweisen, daß ein solcher Apparat in gewissen Beziehungen vom Kamin abweicht, und es ist ohne weitere Untersuchung nicht erlaubt, die Gesetze, welche den Zug eines Schornsteins reguliren, sofort auf diese Apparate zu übertragen. Man muß zuerst die Gesetze studiren, nach welchen der Durchgang von Gasen durch Canäle, die mit grobkörnigem Material gefüllt sind, stattfindet. Es würde zu weit führen, die einschlagenden Versuche, welche ich an großen Apparaten in der Fabrik von Gaskell, Deacon und Comp. unternahm, zu beschreiben, ich will hier nur die gefundenen Gesetze anführen. Die Versuche sind mit Massen aller Art ausgeführt worden, z.B. mit Thonkugeln, Thonscherben, Kokes, zerschlagenen Pyriten, Kieselsteinen u.s.w. Sind die angewendeten Stücke von möglichst gleicher Größe und betragen ihre kleinsten Dimensionen nicht unter 1cm, so gelten die nachfolgenden, für diese Untersuchung wichtigen Beziehungen: Man denke sich einen mit Stücken von gebranntem Thon gefüllten Kasten, durch welchen in irgend welcher Richtung durch künstlich hervorgebrachten Druck ein Gas getrieben wird. Man findet dann für einen und denselben Apparat folgende Beziehungen zwischen dem Ueberdruck p und der erzeugten Geschwindigkeit v v²/p = constant.          (1) Werden die Dimensionen der Stücke kleiner als 1cm, so ändert sich das Gesetz, und je kleiner die Stücke werden, um so mehr nähert sich das Gesetz folgender Form v/p = constant.           (2) Unter p verstehen wir den Ueberdruck am einen Ende des Apparates verglichen mit dem andern Ende, d. i. die Druckdifferenz beider Enden. Nun weiß man, daß ein solcher Ueberdruck p theoretisch annähernd eine Geschwindigkeit v erzeugen sollte, welche mittels der Formel v = √(2gps/d)      (3) berechnet werden kann. In dieser Formel bedeutet p der Ueberdruck, gemessen mit einem Hebermanometer, welches mit einer Flüssigkeit vom specifischen Gewicht s gefüllt ist; g ist der bekannte Coefficient der Schwere und d die Dichte des Gases, verglichen mit Wasser als Einheit. Praktisch läßt sich aber die durch Formel (3) berechnete Geschwindigkeit mittels des Druckes p so nicht erreichen. Um mit dieser Formel die wirklich erhaltbare Geschwindigkeit berechnen zu können, braucht man nur den Druck mit einer Constanten zu dividiren, welche vom Apparat und der zur Füllung verwendeten Masse abhängt. Man schreibt also v = √(2gsp/dR)      (4) Die Constante R ist eine Zahl immer größer als die Einheit; wäre sie für einen bestimmten Apparat einmal der Einheit gleich, so würde man sagen: dieser Apparat läßt die Gase ohne Reibung durchgehen, er bietet keinen Widerstand. Man bezeichnet daher die Constante R als den Reibungscoefficienten des Apparates. Bei gleichem Querschnitt zweier mit gleichartigem Material gefüllten Apparate verhalten sich deren Widerstände genau wie die Längen. Um dieselbe Quantität Gas durch die doppelte Schichthöhe zu treiben, braucht man den doppelten Ueberdruck. Dieses Gesetz gilt für alle Füllungsarten, auch die feinkörnigsten, bis zum Grobsand. Um dasselbe der Formel (4) einzuverleiben, hat man der Constanten R nur den Sinn beizulegen, daß R jetzt den Widerstand der Längeneinheit des Apparates und RL, den Widerstand der Schichthöhe L bedeutet. Man hat dann v = √(2gs/d p/LR)      (5) Wie sich Apparate von verschiedenen Querschnitten zu einander verhalten, ist auch ohne Versuche leicht einzusehen. Multiplicirt man in Formel (5) die Geschwindigkeit v mit dem Querschnitte A des Apparates, so erhält man offenbar das pro Secunde durchfließende Gasvolum Q, daher Q = Av = √(2gs/d pA²/LR)Hierbei wird mit der Große A am besten der wirkliche Querschnitt des leeren Apparates bezeichnet und nicht etwa die Summe der Querschnitte der Intersticien. Wenn bei Bestimmung der Konstanten k ein ähnliches Verfahren angewendet wurde, so begeht man hernach keinen Fehler.       (6) Soll also in der Secunde die Quantität Gas Q durch einen Apparat vom Querschnitt A und der Schichthöhe L, gefüllt mit Material mit dem Widerstandscoefficienten R, getrieben werden, so bedarf man eines Druckes p = Q² RL/A² d/2gs      (7) Im Falle das Füllungsmaterial feinkörnig wird, wobei R ganz bedeutend groß wird, ist annähernd p = Q RL/A d/2gs      (8) Hat man zwei Apparate (oder zwei Stellen eines Apparates), welche von derselben Quelle gespeist werden, und deren Widerstände ungleich sind, so vertheilt sich das Gasquantum so auf beide Apparate, daß die zum Durchtriebe der betreffenden Theile nöthigen Drücke gleich werden. Bezeichnet man die entsprechenden Größen mit Q₁, Q₂ resp. A₁, A₂ u.s.w., so ist Q₁ + Q₂ = Q und Q₁/Q₂ = A₁/A₂ √(R₂R₂/R₁L₁),    (9) mit welcher Formel sich die Gasvertheilung berechnen läßt. Soviel über diese Bewegungsgesetze. Ich füge nochmals hinzu, daß sie alle innerhalb solcher Grenzen, welche in der Praxis vorkommen, experimentell sich bewährt haben. Gehen wir nun an unsere Aufgabe. Wir beginnen damit, zu untersuchen, wie sich z.B. ein mit faustgroßen Stücken Kochsalz gefüllter Hargreaves'scher Cylinder, oben und unten offen, der Luft gegenüber verhält. Sei der Widerstand solcher Kochsalzstücke bei der Lufttemperatur T₀ (vom absoluten Nullpunkt gerechnet) zu R bestimmt worden, so läßt sich mittels des Druckes p bei dieser Temperatur eine Quantität Gas durchtreiben dem Volum nach Q = √(2gs/d pA²/RL),    (10) dem Gewichte nach, wenn Qd = W gesetzt wird, W = √(2gsd pA²/RL),    (10a) Durch Erhöhung der Temperatur dieses Apparates verändern sich jedenfalls die Dimensionen der Salzstücke etwas. Diese Veränderung ist aber nur unbedeutend. Die Hauptveränderung ist die Abnahme der Dichte des Gases. Bei der höhern Temperatur T₁ ist die Dichte des Gases d T₀/T₁ geworden, wo T₀ die absolute Temperatur 273°, auf welche die Dichte des Gases und der Widerstand des Apparates bezogen sind, bedeutet. Führt man diese neue Dichte in die Formel (10a) ein, so ergibt sich W = √(2gsd pA²/RL T₀/T₁),    (11) Hieraus sieht man sofort, daß mit einem gegebenen Druck p um so weniger Gas durch den Apparat getrieben werden kann, je höher dessen Temperatur ist; man kann dies auch so auffassen, daß man sagt, der Widerstand des Apparates wächst proportional mit der Temperatur; nur muß dabei immer vorausgesetzt werden, daß es sich um Gasgewicht, nicht um Gasvolum handelt. Es läßt sich auch leicht beweisen, daß, wenn ein Apparat in verschiedenen Schichten verschiedene Temperatur hat, der Widerstand der Durchschnittstemperatur proportional ist. Ueberläßt man nun einen solchen Apparat sich selbst, so strömt eine gewisse Quantität Luft durch. Die dabei thätige Triebkraft ist der Gewichtsunterschied zweier Luftsäulen, einer von der Lufttemperatur T und einer andern von der Temperatur des Apparates, welche um x höher ist als die Temperatur der Luft, deren Temperatur also T + x beträgt; beide Luftsäulen sind so hoch zu rechnen, als der Apparat selbst ist. Dieser Gewichtsunterschied ist gleich einem Ueberdruck p, so daß Textabbildung Bd. 223, S. 206 Führt man diesen Ausdruck anstatt p in Formel (11) ein, so findet man, wenn man berücksichtigt, daß T₁ = T + x ist, Textabbildung Bd. 223, S. 206 eine Formel, welche das Gewicht der durch den Apparat strömenden Luft angibt, wenn die andern Verhältnisse des Apparates alle bekannt sind. Diese Formel spricht nun recht deutlich dafür, daß man einen solchen Apparat mit einem Kamin nicht sofort vergleichen darf. Bei diesem hängt die Masse des evacuirten Gases von der Höhe sowohl als von der Temperatur ab, bei jenem einzig und allein von der Temperatur, die Länge hat hier keinen Einfluß mehr. Differentirt man die Formal (13) nach x und setzt den Differentialquotienten gleich Null, so findet man, daß die durchgehende Quantität Gas ein Maximum sei, wenn der Temperaturüberschuß des Apparates, welcher mit x bezeichnet worden, gleich ist der absoluten Temperatur T der Umgebung, d. i. also, wenn x = T. Unter gewöhnlichen Umständen ist also die durch einen solchen Apparat strömende Luft ein Maximum, wenn der Apparat eine Temperatur von 300° hat. Daraus folgt, daß überall, wo Luft sich blos in Folge von Temperaturdifferenzen bewegt, an der heißern Stelle weniger Gas durchgeht als an der kältern, wenn die Temperatur beider 300° überschreitet. Man überzeugt sich also leicht, daß beim Aufwärtsleiten der Gase ganz dieselbe Sicherheit zu erlangen ist als beim Abwärtsleiten, so lange die Durchschnittstemperatur über 300° hinaus liegt und die Geschwindigkeit der Gase gleich ist derjenigen, welche durch Temperaturdifferenz allein erzeugt worden wäre. Die letztere Bedingung ist nun aber wieder schwierig einzuhalten. Gewöhnlich kann man eine solch große Geschwindigkeit nicht verwerthen. Bei Deacon's Proceß verwendet man höchstens 8chm Gase für die Stunde und 1chm Ofenraum. Bei Hargreaves' Proceß ist das Quantum Gas wahrscheinlich noch kleiner, obwohl die lineare Geschwindigkeit etwas größer sein dürfte als beim erstern Proceß. Man muß also noch untersuchen, wie sich die Sache verhält, wenn man irgend eine beliebige Geschwindigkeit der Gase verwendet. Man denke sich nun den Apparat oben geschlossen und auf geeignete Weise mit einem Aspirator verbunden, welcher die Gase wegschafft; aber unten am Apparate stehe derselbe noch irgendwie mit der Luft in Verbindung. Es können nun zwei Fälle eintreten: entweder der Aspirator zieht die Gase schneller weg als der Apparat sie vermöge seiner hohen Temperatur liefern würde, oder aber langsamer. Im ersten Falle unterstützt er, im zweiten widersetzt er sich dem natürlichen Zuge des Apparates. Dies drücken wir algebraisch so aus, daß wir dem natürlichen Zuge noch eine Größe zuaddiren, die wir positiv oder negativ wählen, je nachdem wir den einen oder andern Fall darstellen wollen. Man addire z.B. zu dem durch Formel (12) ausgedrückten natürlichen Druck die Größe p₁, so erhalten wir Textabbildung Bd. 223, S. 207 Setzen wir dies in Formel (13) ein, so ergibt sich Textabbildung Bd. 223, S. 207 Durch Differenzen dieser Formel nach x läßt sich dann bestimmen, daß W ein Maximum wird, wenn Textabbildung Bd. 223, S. 207 Da T die Lufttemperatur von T₀ derjenigen Temperatur, bei welcher die Widerstandsversuche gemacht worden sind, und auf die sich die Dichte d der Gase bezieht, nicht bedeutend abweicht, so kann man T₀/T = 1 setzen, wodurch die Gleichung (16) sich vereinfacht: Textabbildung Bd. 223, S. 207 In der Praxis stellt nun p annähernd den Druck vor, welcher oben am Apparat vor der Ausflußöffnung stattfindet. Mit dieser Bezeichnung sind dann folgende Schlüsse leicht aus Formel (17) und früher Gesagtem zu rechtfertigen. 1. Nennt man diejenige Temperatur, bei welcher ein Maximum von Gas durch den Apparat geht, die Sicherheitsgrenze der Temperatur, so liegt diese Grenze bei Apparaten, welche ohne künstlichen Zug arbeiten, bei ungefähr 300°. 2. Ist der Zug künstlich bewirkt, so liegt die Sicherheitsgrenze um so niedriger, je größer der angewendete Druck, und wenn dieser Druck gleichkommt dem Drucke einer Gassäule von der Höhe des Apparates und der Temperatur der Umgebung, so ist die Sicherheitsgrenze eben die Temperatur der Umgebung. Wir haben hier von Sicherheit gesprochen. So lange nämlich die Geschwindigkeit der Gase der Temperatur des Apparates nicht angepaßt ist, so kann man nicht mit Zuverlässigkeit darauf rechnen, daß Ungleichförmigkeiten in der Temperatur sich auszugleichen streben. Uebersteigt aber die Temperatur des Apparates die durch Formel (17) angegebene Sicherheitsgrenze, so wird dies immer eintreten. Es ist also gleichgiltig, ob man aufwärts oder abwärts leitet, so lange man nicht an eine gewisse Geschwindigkeit gebunden ist; ist diese aber vorgeschrieben und sehr klein, so muß man die Gase abwärts leiten, wenn man auf regelmäßigen Betrieb eines Processes rechnen will. Obwohl es nun als praktische Regel ausgesprochen werden darf, daß es immer sicherer ist, abwärts zu leiten statt aufwärts (wenn nämlich die Reactionen Wärme entbinden), so muß man doch keineswegs glauben, daß damit jede Veranlassung zu Störungen gehoben sei, wenn man diese Regel befolgt. Bei großem Querschnitt der Apparate ist eine ganz gleichmäßige Vertheilung der Gase über den ganzen Raum äußerst schwierig und läßt sich nur dann annähernd erreichen, wenn der Widerstand verhältnißmäßig groß ist. Aus Allem ergibt sich jedoch, daß die Hauptursachen des unregelmäßigen Verlaufes pneumatischer Processe die in großen Apparaten kaum zu vermeidenden Temperaturunterschiede sind. Das Bestreben der Techniker muß also darauf gerichtet sein, solche Apparate möglichst gleichmäßig zu erwärmen. (Ueber gleichmäßige Füllung haben wir schon früher gesprochen.) Um diese gleichmäßige Erwärmung zu erzielen, wendet man die eben besprochenen Grundsätze auf die Heizung selbst an, d.h. man führt die Feuergase oben in den Apparat ein, und zieht sie von unten hinweg.