Berg» und Hüttenmännische Zeitschrift
Nr. 47 18. November 1916 52. Jahrg.
Sehaubiletliche Ermittlung des Druckverlustes in Rohrleitungen.
V on A. Hi nz , O b erin g e n ieu r d e r F ra n k f u r te r M a sch in e n b au -A k tie n g ese llsc h aft v o rm . P o k o rn y & W itte k in d
— in F r a n k f u r t (M ain), z. Z. W ilhelm shaven.
Bei der B erechnung des Durchm essers einer Leitung für W asser, D am pf, L u ft oder Gas begnügt m an sich nicht m ehr dam it, eine gewisse Ström ungsgeschwindig
keit der R echnung zugrunde zu legen. Die F orderung nach W irtschaftlichkeit jedes B etriebes h a t die ein
fachen »Erfahrungsw erte ü ber Geschwindigkeiten in Rohrleitungen« v erd rän g t; sie bedingt eine genauere R echnung nach ändern G esichtspunkten.
Mit den S tröm ungen im R oh r ist eine R eibung an der R ohrw and verbunden, zu deren Ü berw indung A rbeit erforderlich ist. Infolgedessen ist bei P um pen außer der eigentlichen F örd erarb eit eine M ehrarbeit zu leisten, da auf einen höhern D ruck gepreßt w erden m uß, als theoretisch ohne B erücksichtigung der R ohrreibung n o t
wendig w äre; bei K raftm aschinen geht ein Teil des v er
fügbaren Gefälles in der Z uleitung verloren. Man muß bestrebt sein, diesen V erlust in beiden Fällen so gering wie m öglich zu halten.
Die E rfah ru n g h a t gelehrt, daß die R ohrreibung außer von der B eschaffenheit der innern W andung von der Ström ungsgeschw indigkeit abhängt, derem Q uadrat sie fast proportional ist. Ohne R ücksicht auf An
schaffungskosten und R aum bedarf m ü ß te m an also m öglichst geringe Geschwindigkeiten im R ohr wählen, wobei sich große R ohrdurchm esser ergeben w ürden.
Dem V orteil des geringem D ruckverlustes' stehen aber N achteile gegenüber. Bei D am pfleitungen z. B. haben reichlichere R ohrabm essungen größere Abkühlungs- und K ondensationsverluste zu r Folge. Bei jeder A rt L eitung nehm en außer den Beschaffungs- die U n terh altu n g s
kosten m it den R ohrdurchm essern zu; ihr Einfluß auf die W irtschaftlichkeit der Anlage kan n den V orteil des geringem D ruckverlustes m ehr als aufzehren.
Von F a ll zu F a ll sind diese beiden H aup tgesichts
p u n k te, D ruckverlust infolge R ohrreibung un d A n
schaffungspreis, zu prüfen. D anach ist der richtige Leitungsdurchm esser zu bestim m en. D ie sich alsdann ergebende Ström ungsgeschw indigkeit w ird dabei m ehr oder w eniger nebensächlich.
D ie genaue B erechnung des D ruckverlustes in einer L eitung s tü tz t sich auf E rfahrungsw erte, durch deren B erücksichtigung die Gleichungen keine ganz einfache Form m eh r aufweisen. Die nachstehend wiedergegebenen S chaubilder sollen die A usw ertung dieser Gleichungen erleichtern, vo r allem aber dem N ichtfachm ann eine
gewisse Sicherheit geben. Ih r größter V orteil liegt darin, daß ihre B enutzung R echenfehler um ganze D ezim al
stellen ausschließt, und daß der E influß, den die W ahl eines großem oder kleinem D urchm essers oder auch eine für später geplante E rw eiterung haben, in bequem ster Weise veranschaulicht wird.
Die O rdinaten u nd Abszissen sind in logarithm ischem M aßstab aufgetragen. D as Bild erleidet dadu rch aller
dings eine Verzerrung, da die K oordinatenachsen in der U nendlichkeit liegen. Dem ste h t aber der V orteil gegen
über, daß die Tafel ein w eites Gebiet um fassen kann, und daß trotzdem die G enauigkeit der A blesung in jedem Gebiet verhältnism äßig die gleiche b leib t, w orauf es ja ankom m t.
D ruckverlust d urch R ohrw idorstäudc in W a sse rle itu n g e n .
D er D ruckverlust w in geraden W asserrohrleitungen ist zunächst propo rtio nal der R ohrlänge 1 und um gekehrt proportional dem R ohrdurchm esser d. F erner ist je nach der Ström ungsgeschw indigkeit v, dem D u rch messer, dem R auhigkeitsgrad der innern R ohrw andung und dem W ärm egrad des W assers, durch den der Flüssigkeitsgrad beeinflußt w ird, der R ohrw iderstand m ehr oder w eniger angenähert pro po rtion al dem Q u ad rat der W assergeschwindigkeit. E s ist üblich, den W ider
stan d dem Q u ad rat der m ittle rn G eschw indigkeit im R ohr genau proportional zu setzen und den F eh ler d urch entsprechende Änderung eines Beiwertes, der R eibungs
zahl
X,bei verschiedenen G eschw indigkeiten usw. au s
zugleichen.
W erden alle Maße in m ausgedrückt, v in m /sek, so ergibt sich der D ruckverlust
Ist Q die durchström ende W asserm enge in cbm /sek, so kann die m eistens zunächst u n b ek an n te Geschwindig
keit v ersetzt w erden durch
■
d *und es wird
w = 0,0826 / 1 in m W S.
Abb. 1. DruckverlustdurchRohrvviderständein
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18. N o v e m b e r 1916 G l ü c k a u f 999
Im R ohr können zwei A rten der S tröm ung unterschieden w erden, Strom linienbew egung m it parallelen Flüssig
keitsfäden und w irbelnde Ström ung, die einen großem D ruckverlust als jene zu r Folge hat. Die »kritische«
Geschwindigkeit, bei der wirbelnde Ström ung einsetzt, ist aber so gering (0,02 m /sek bei 100 mm R ohrdurch
messer), daß, von einigen Sonderfällen abgesehen, die Strom linienbew egung praktisch belanglos ist.
Als Reibungszahl
Xbei der fast im m er auftretenden w irbelnden S tröm ung w ar nach bisherigen Anschauungen der A usdruck
X - . / » M
a+y
d v •üblich. D urch a w urde der R auhigkeitsgrad der W andung, durch M der Zähflüssigkeitsgrad des W assers beriiek- sichtigt. F ü r m ittlere
tem p eratu r w urde:
R auhigkeit und '15° C Wasscr-
X
= 0,02 + 0,0018
y d vMit den sich so ergebenden R eibungszahlen sind die m eisten bisher vorliegenden Zahlentafeln über W ider
standshöhen gerader W asserleitungen errechnet worden.
Neuere V ersuche haben aber einen A usdruck ergeben, der genauer den tatsächlichen R eibungsverlusten R ech
nung tr ä g t1. Der verschiedene R auhigkeitsgrad der R ohrw andung w ird erst nach E inführu ng einer Un
veränderlichen und abhängig vom R ohrdurchm esser b e rü c k sic h tig t:
n a 0,0018
X
= 0,009 + + - Vgjgr- • ]/ d ’[/d v
W erte der Zahl a zeigt die folgende Zusam m enstellung:
a, =
0,0004, neue R ohre m it ganz g latter Innenfläche und ganz gleichem D urchm esser (Kupfer, Messing, Blei, Glas usw.).
0,0007, neue, besonders glatte, schmiedeeiserne Rohre ohne erkennbare N aht oder Verbindungsstelle.
0,0009, neue, gewöhnliche, schm iedeeiserne R ohre und neue gußeiserne Flanschenrohre.
0,0026, neue, glatte, gußeiserne M uffenrohre und ge
nietete schmiedeeiserne Rohre.
.0,005, gereinigte, gußeiserne Rohre und glatte, v er
zinkte, schmiedeeiserne Rohre.
0,012, R ohre m it dünner A nsatzschicht und rauhe, verzinkte, schmiedeeiserne Rohre.
Im obern Teil der Abb. I 2 ü ber D ruckverlust in W asserleitungen sind die so erm ittelten W erte der Rei
bungszahl als O rdinaten auf den R ohrdurchm essern als Abszissen aufgetragen. D er erw ähnte W ert nach älterer Anschauung ist gestrichelt eingezeichnet, der bei kleinen Rohrdurchm essern zu geringe, bei großen R ohrdurch
messern zu hohe W erte ergab.
F ü r den H a u p tteil des Schaubildes sind die W ider
standshöhen für verschiedene W asserm engen und R o hr
durchm esser m it dem m ittle rn W ert der R eibungszahl 0,0026 0,0018
X
= 0,009 +
y..—1 4--- — y d y d v
1 3. H ü tte 1915, B d. 1, S. 294, . .
2 V on den n a c h s te h e n d e n i S e h a u b ild c rn k ö n n e n fü r den H a n d g e b ra u c h A bzüge a u f K u n s td ru c k p a p ie r v om V erlag e d e r Z e its c h rift b e z o g e n w erd en .
für 1 =. 10 m R ohrlänge errechnet w orden. Auf der rechten H älfte finden sich die W asserm engen als A b
szissen, die D ruckverluste als O rdinaten aufgetragen.
Als Abszissenm aßstab sind außer der u ntern Teilung, welche die W asserm engen in 1/sek ang ib t, w eitere Teilungen am obern R and an g eb racht, denen, häufigem G ebrauch der P raxis entsprechend, cbm /m in und cb m /st zugrunde liegen. N achträglich sind noch die Linien gleicher W assergeschwindigkeiten eingezeichnet und die G eschw indigkeitshöhen ^— v erm erk t worden,
V 2die unabhängig vom R eibungsverlust auf alle F älle berücksichtigt w erden müssen. D a der D ruckverlust proportional der R ohrlänge zunim m t, so ist nach links hin geradlinig ein logarithm ischer U m rechnungsm aßstab für Rohrlängen von 10 bis 10 000 m angeschlossen. D op
pelte Länge ergibt doppelten, lOfache Länge lOfachen D ruckverlust usw.
Zahlenbeispiele sowohl zur E rm ittlu n g der W id er
standshöhe als auch um gekehrt zur B estim m ung des Rohrdurchm essers bei festliegendem D ruckverlust sind unten links aufgeführt und durch gestrichelte W eg
weiser im Schaubild selbst kenntlich gem acht.
Ist in einem R ohr nicht die dem S chaubild zugrunde gelegte m ittlere W andungsrauhigkeit entsprechend a = 0,0026 vorauszusetzen, so k an n die U m rechnung im V erhältnis der voneinander abw eichenden R eibungs
zahlen erfolgen, die der schaubildlichen D arstellun g der 2-W erte zu entnehm en sind.
B e i s p i e l : Neues," glattes M essingrohr von 1). = 16 mm Durchm esser, 1 = 4 m, v = 2 m /sek .
Tafelw ert w = 5 4 2 m W S m it
X
= 0 ,0 4 (a = 0 ,0 0 2 6 , D = 1 6 m m , v = 2 m /sek).
Reibungszahl fü r neues M essingröhr
V = 0,022 (a = 0,0004, D = 16 m m , v = 2 m /sek).
, „ 0,022
0,04 1,1 m WS.
Die W iderstände in L eitungszubehörteilen, V entilen, Schiebern, F orm stücken usw ., sind von den geraden R ohrstrecken gesondert zu erm itteln. D urch Versuche ist fü r die verschiedenen Z ubehörstücke die W ider- standszahl £ festgestellt worden; f — erg ibt den je- v 2
ß
w'eiligen D ruckverlust in m WS.
Aus den beiden Gleichungen:
l v t d 2g und
v 2 W ~ i 2 j '
ergibt sich eine geu'isse »gleichwertige« R ohrlänge l= _ L .d , die den gleichen D ruckverlust zur Folge h a t
7,
wie der Zubehörteil m it der entsprechenden W id er
standszahl f. Da
Xsich m it der Geschwindigkeit im R ohr etwas än dert, so k an n die E rm ittlu n g m it Hilfe des Schaubildes nur als N äherungsverfahren bezeichnef
l
~ für gerade R ohrstrecken
fü r Zubehörteile
Abb2. DruckverlustdurchRohrwiderständein Druckluftleitungen.
1 0 0 0 G l ü c k a u f N r . M
D ru c J a /e r/u sf /n d t
fi/votrer/i/sf /n e i 6et 6á£mM Oóen/rucA
IS. N o v e m b e r 1916 G l ü c k a u f 1001
werden. A nderseits liegt in der W ahl der richtigen W iderstandszahl eine gleich große U nsicherheit, da f sich b eträ ch tlic h m it der jeweiligen A usführung ändern kann, so daß die A nwendung fester, gleich
w ertiger R ohrlängen durchaus berechtigt ist.
in der Z ahlentafel oben links sind für verschiedene L eitungszubehörteile und Rohrdurchm esser die abge
rundeten gleichwertigen R ohrlängen für m ittlere Ge
schw indigkeiten zusam m engestellt. Dazwischen liegende Rohrdurchm esser sind zu interpolieren.
B e i s p i e l : E ck v en til 175 1. Durchmesser.
Gleichwertige Rohrlänge 1 = 25 m. ' D iese Länge ist entw eder der geraden R ohrlänge zu
zuzählen, bevor der D ruckverlust e rm ittelt wird, oder der D ruckverlust ist gesondert abzulesen.
W enn im letzten Beispiel Q = 50 1/sek ist, so ergibt sich der W iderstand im E ckventil zu w = ~ 0,55 m WS.
ünu'kverlust durch Rohr widerstünde in
Gas-
und D am pfleitungen.
Bei der F o rtleitu n g von Gasen und Dämpfen durch R ohrleitungen sind in ähnlicher Weise wie beim W asser 2 A rten der Bewegung zu unterscheiden, schichten
weise V erdrängung und w irbelnde Ström ung. Die kritische Geschwindigkeit, unterhalb welcher S trom linienbewegung m it dem geringem D ruckverlust über
h au p t m öglich wird, ist aber w ieder so gering (z. B. für L u ft von atm osphärischer Spannung 0,3 m /sek bei 100 m m R ohrdurchm esser), daß fü r die P raxis auch hier nu r w irbelnde Ström ung in B etrach t kom m t. Die R ohrreibung h a t eine D ruckabnahm e dP un d eine V erringerung des Arbeitsverm ögens um v d P zu r Folge, die p ro p o rtio n al der R ohrlänge 1 und abhängig vom Q u a d rat der Geschwindigkeit w und dem R o h rd urch
m esser D ist. N ach E inführung einer R eibungszahl
ßgilt die Beziehung:
dP
Die m it der E xpansion verbundene T em peraturabn ahm e ist selbst bei w ärm edichter R ohrw andung so gering, daß m it großer A nnäherung bei vollkom m enen (rasen gleichbleibende T em peratur, allgemein isotherm ische E xpansion, in der L eitung angenom m en w erden kann.
D ann ergibt die A usw ertung u n te r Vernachlässigung des geringen Einflusses kleiner H öhenunterschiede:
P , 2 - P 2 2 +
2
f è -
10000
,jVj D
Die Geschwindigkeit wx ist m eistens zunächst u n b e k a n n t;
sie k a n n aber aus dem Gasgewicht G in kg/sek, dein spezifischen R au m in h alt v. in c b m /k g und dem Rohr-
71 71 ( T> Y
q uerseh m tt
- j -D 2 qmm =
- j -( Jqqq ) werden.
Gvj
ji lD y _ J _ . 10000 G v j Wl 3600' ~4~
[ M O ~ 7i '36 D 2
qm erm ittelt
G leichbedeutend ist dem nach 16 2•1 0000
P r ' - P s 2 =71
362
ß P l V1 « - r L CD■ ü F
G 2
,
25 ß \h Vljp5 L
Durch E inführen des m ittlern Druckes, pm un d des D ruckverlustes zl p == Pj - p2 wird
z i p
P i + P 2
P r'
- P** = \ Pm + 2 P m “ W“ ) • 2 Pm à Pund som it
z i p 12,5
ßpj v, G2 J . D5
p,„gemessen in a t, in kg/qcm .
Die W iderstandszahl 13 ist abhängig vom R auhig
keitsgrad der R ohrw andung; außerdem nim m t sie mit steigendem Gas- oder D am pf gewicht, also m it großem L eitungsquerschnitten ab. Ih r W ert ist von P r i t s c h e un d vom bayerischen Revisionsverein1 durch Versuche erm ittelt worden, nach denen bei einem m ittlern R auhig
keitsgrade der innern R ohrw andung m it großer An- näherung gesetzt werden k a n n :
ß- 2,86 Dieser W ert ist der R echnung zu r Aufzeichnung der folgenden Schaubilder zugrunde gelegt worden.
D r u c k v e r l u s t e in D r u c k l u f t l e i t u n g e n . N ach dem Gasgesetz P v - R T k an n fü r atm o sphärische L uft, ein vollkom m enes Gas, p^ v^ durch _ _ L ersetzt w erden (G askonstantc für L uft R = 29,27, R T T, - 2 7 3 + t 1u C). Der D ruckabfall in L uftleitungen ist dem nach:
. G2 1 zl p 0,00125
ßR 1
1jyr
Pm
E r ist bei unverändertem Luftgew iclit u n d R ohrdurch messer proportional der R ohrlänge 1 und um gekehrt proportional dem m ittle rn absoluten L uftd ru ck p m.
D ie D ruckverluste sind zunächst fü r 1 = 10 m R ohr länge, p = 7 a t abs. (~ 6 a t Luftüberdruck) un d t x = 15 0 ( fü r verscliiedene R ohrdurchm esser und Luftgew icht e rechnerisch nach der vorstehenden Gleichung erm ittelt worden. Auf der rech ten H älfte der Abb. 2 sind die D ruckverluste als O rdinaten aufgetragen worden, w ährend als Abszissen die L uftgew ichte h ä tte n ein
gezeichnet w erden m üssen. S ta tt dessen ist der M aßstab so gew ählt worden, daß sofort die entsprechenden Luft - m engen vom A nsaugezustand bei p0 = 1,033 a t abs.
L u ftd ru ck = 760 mm QS un d t 0 = 15° C .L ufttem p eratu r abgelesen w erden können, am u n tern R an d von 0,1 bis 1000 cbm /m in, am obern R and, dem G ebrauch entsprechend, fü r größere Mengen in cb m /st. Die Praxis rechnet nicht m it G ew ichtseinheiten, da von einer M aschine m it gegebenen Abm essungen nur eine bestim m te M e n g e angesaugt w erden k a n n , w ährend das L uftgew icht, das noch von D ruck u nd T em p e ratu r ab häng t, fast nie w illkürlich zu beeinflussen ist. Die Linien gleicher R ohrdurchm esser verlaufen schräg von links u n ten nach rech ts oben. A nnähernd einen W inkel von 90° bilden hierm it die L inien gleicher Geschwindig
keit, die für 7 a t abs. L u ftd ru c k u nd 15°
Cerrechnet und nachträglich eingezeiehnet w orden sind, die aber bei der
1 s.
Hütte 1915, Bd.1, s.
-148.Abb. 3. Druckverlust durchRohrwiderständein Dampfleitungen.
1 0 0 2 G l ü c k a u f N r . 47
w /m m e n s t
in a s
/? ru c /f/e r/ö 's//ü a t |
| |Ä||
I hr*
D r u c k r e r /a s f/n a f
Ä 31 | | |
iS. N o v e m b e r 1916 G l ü c k a u f 1003
B estim m ung des D ruckabfalls en tb eh rt werden können.
N ach links hin schließt sich der geradlinige U m rechnungsm aßstab fü r m ehr als 10 bis 10 000 m R oh r
länge an. D er D ruckverlust steigt proportional der R ohrlänge. Im Gegensatz hierzu nim m t er m it steigen
dem m ittlerm L u ftdruck wieder ab. Zu dieser Um rechnung dient der sich anschließende zw eite gerad
linige U m rechnungsm aßstab, der den D ruckabfall von 7 bis 251 a t abs. proportional verringert, nach dem M aßstab von 6 bis 250 at L uftüberdruck.
Zahlenbeispiele sowohl zu r E rm ittlu n g des R ohr
durchm essers als auch um gekehrt zur B estim m ung des D ruckverlu stes sind w ieder auf dem S chaubild an . gegeben und durch gestrichelte Wegweiser kenntlich gem acht.
Vernachlässigt m an wie im zw eiten Beispiel die geringe D ruckabnahm e von px auf p m, so begeht m an einen Fehler, der aber ohne B edeutung ist in A nbetracht des Einflusses, den stärkere oder geringere W andungs
rauhigkeit auf den D ruckabfall haben kann. Die Größe des-Fehlers ist auf dem Schaubild angegeben.
Zur E rm ittlu n g des D ruckverlustes in Zubehörteilen ist wieder aus den beiden Gleichungen
y ^
A
p =
ßw2 T T Scr;u^e Rohrstrecken
I)und
w- für Zubehörteile
1 f
10 000 2 g
die gleichwertige R ohrlänge 1 =
~D zu errechnen.
- S ß
Da
ßm it dem Luftgew icht abnim m t, so ist die Länge noch vom Gewicht abhängig; fü r m ittlere Verhältnisse ergibt aber die Zahlentafel u n ten links gute N äherungs
w erte.
B e is p ie l. E ckventil 175 1. D urchm esser.
Gleichwertige R ohrlänge 1 = 30 m.
Diese Länge ist entw eder der geraden R ohrlänge zu
zuzählen, oder der W iderstand des Ventils ist gesondert nach Abb. 2 zu erm itteln.
Ström en durch das V entil 100 cbm in 1 m in angesaugte Luft bei 6 at Ü berdruck, so ist
Ap ~ ~ 0 ,0 1 1 at (w = ~ 10 m /sek).
D r u c k v e r l u s t in D a m p f l e i t u n g e n .
F ü r W asserdam pf ist das Gasgesetz nicht ohne weiteres anw endbar. E inm al ist die T em p eratu r des gesättigten D am pfes eine F u n k tio n lediglich des Druckes, sodann h a t die sinngem äß angew andte G askonstante R einen veränderlichen W ert. Mit großer A nnäherung gilt aber v, = pm vm, zum al px und p m schon nicht be
trächtlich voneinander abweichen (bei 10% D ruck
verlust b eträ g t der F ehler erst ~ 0,3% ). Mit dieser A nnahm e w ird aus der schon abgeleiteten allgemein gültigen Gleichung
A
p = 12,5
ß— 1 vm in a t (kg/qcm ). Gä
D er D ruckverlust in D am pfleitungen ist also bei un
verändertem Dam pfgewicht und Rohrdurchm esser pro
po rtion al der R ohrlängc 1 und dem m ittlern spezifischen R au m inh alt vm.
Die Zahlenw erte sind zu nächst fü r 1 = 10 m R o h r
längc und vm = 0,1 cbm /k g (entsprechend pm = ~ 20 at abs. D am pfdruck) errechnet und auf der rechten H älfte der Abb. 3 aufgetragen worden, die D am pfgew ichte von 100 bis 100 000 k g /st als Abszissen, die D ruckverluste als O rdinatcn. Die Linien gleicher G eschw indigkeiten bei vm 0,1 cbm /kg sind nachträglich eingezeichnet w orden.
Nach links hin schließt sich zunächst der geradlinige U m rechnungsm aßstab für Rohrlängen von 10 bis 1000 m an, sodann der gleichgerichtete M aßstab fü r U m rechnung auf andere spezifische R au m in halte. D a zu jedem spezifischen D am pfvolum en trocken - g esättig ten Z u
standes ein b estim m ter D am pfdruck gehört u nd auch zunächst im m er der D ruck des D am pfes festgelegt w ird, so ist neben den v-W erten ein zw eiter Streifen m it den entsprechenden p-W erten angeorclnet. E rst diese Linien sind über das Tafelfeld senkrecht nach oben hin aus
gezogen worden, so daß die U m rechnung auf beliebige D am pfdrücke im V erhältnis der spezifischen R a u m inhalte erfolgen kann, ohne die zahlenm äßige E r w ähnung der le tz te m notw endig zu m achen.
Bei überhitztem D am pf m uß der D ruckabfall größer ausfallen, da sein spezifischer R au m in h alt größer ist.
D am p ftem peraturen von 300 und 400° C sind von 5 bis 20 at abs. im obern Teil hervorgehoben. Dazwischen liegende W erte sind zu interpolieren. Die U m rechnung erfolgt über die D rucklinie bei trocken-gesättigtem Z ustand hinaus bis zu einem W ert, der nach den beiden Streifen fü r 300 und 100° C geschätzt werden kann.
Zahlenbeispiele sind wieder auf dem S chaubild a n geführt u nd durch gestrichelte W egweiser kenntlich gem acht.
F erner ist der geringe Fehler angegeben, der bei E r
satz der M ittelw erte durch die A nfangsw erte vx bzw.
Pj entsteh t.
Schließlich ist unten links wieder eine Z ah len tafel über angenahert gleichwertige R ohrlängen angeordnet, der m ittlere V erhältnisse zugrunde liegen.
Beispiel: Eckventil 175 1. D urchm esser, G = 5000 k g /st, p = 12 at abs., t = 300° C.
Gleichwertige R ohrlänge 1 = 35 m.
zl;;p = ~ 0,012 at (Dam pfgeschw indigkeit 5,8 0,22
0,
= ~ 13 m /sek).
D r u c k v e r l u s t in L u f t- u n d G a s l e i t u n g e n . F ü r atm osphärische L u ft ist die G askonstante R — 29,27, w ährend bei än dern vollkom m enen Gasen fü r R der entsprechende W ert einzusetzen ist. E s ist zweckmäßig und üblich, die v erän d erte G ask on stan te, durch E inführung des Begriffs der spezifischen Gas
dichte 6
,bezogen auf L uft, zu berücksichtigen. D ann gilt fü r alle Gase
A
p = 0,00125
ß4 t , ~ — in at.
^ 1D ° Pm
Abb. 4. Druckverlust durchRohrreibungin Luft- und Gasleitungen.
1004 G l ü c k a u f Nr. 47
O n/rck/er/usf/hat
liRlt iMil
S,“ fRg te 4 ■ ' t i l i ;
D n /ck/er/a sf /n <?/
ürucfoer/ust/nmm W S
18. N o v e m b e r 1916 G l ü c k a u f 1005
A ußer von der R ohrlänge 1 und dem m ittlern L eitungs
druck pm, wie in der bisher angegebenen Weise, ist der D ruckverlust noch von der Gasdichte <5 abhängig.
Sonst gleiche Verhältnisse, also auch gleiches Gewicht, nicht Volumen, vorausgesetzt, nim m t der D ruckabfall in gleichem Maße zu, wie die G asdichte abnim m t.
D er A ufbau der Abb. 4 zur E rm ittlu n g des D ruck
verlustes in Gasleitungen entspricht dem der bereits erlä u terten Schaubilder. Zur Bestim m ung des Gas
gewichtes, von dem die W iderstandszahl
ßab häng t, dient der U m rechnungsm aßstab oberhalb der rechten H älfte, die den D ruckverlust fü r 10 m Rohrlänge festlegt.
D ie M aßstäbe erlauben, sofort die entsprechenden Mengen in cbm /st abzulesen, 760 mm OS = 1,0.83 a t abs.
Druck und 15°’ C vorausgesetzt. Der untere M aßstab ohne Um rechnung auf eine bestim m te Gasdichte, also für <5=1, gilt für L u f t mengen, der obere für G a s m engen m it < 5 = 1 bis <5 = 0,1 (W erte der G asdichten häufig vorkom m ender Gase sind in einer Zahlentafel zusam m engestellt). E s m uß sich z. B. ergeben, daß 1000 cbm Gas von <5 = 0,5 500 cbm L uft entsprechen, ihre G ewichte sind gleich, in beiden Fällen gilt die gleiche W iderstandszahl ß. Anschließend an die rechte H älfte erfolgt die geradlinige U m rechnung auf die Gas
dich te <5, sodann im zw eiten und d ritte n U m rechnungs
m aßstab die B erücksichtigung der Rohrlänge und des
m ittle rn Leitungsdruckes in der vorher g eü bten Weise.
Zahlenbeispiele u nd W egweiser sind auf dem S ch au b ild angegeben.
Wie auf den bisherigen Schaubildern sind auch die gleichwertigen R ohrlängen von Leitungszubehörteilen zusam m engestellt; b ei der A nnahm e der W iderstands
zahl
ßliegt den Zahlen eine G asdichte <5 = 0,5 zugrunde.
Z u s a m m e n f a s s u n i
N icht die Geschwindigkeit im R ohr, sondern d er D ruckverlust in der ganzen L eitun g ist in der H a u p t
sache bei der B estim m ung von R ohrdurchm essern m aß gebend. Aus den bek an n ten Gleichungen ü b er D ru c k verlust werden d ie Form eln entw ickelt, die sich fü r die schaubildliche E rm ittlu n g am besten eignen. Auf den, beigegebenen Schaubildern fü r W asser-, D ru ck lu ft-, W asserdam pf- u nd G asleitungen sind die D ru ckv erluste fü r beliebige R ohrlängen, D rücke und spezifische G as
dichten bei festliegenden R ohrdurchm essern und Mengen u n m ittelb ar ablesbar. D er um gekehrte Weg, die E r m ittlu n g des R ohrdurchm essers bei bestim m tem D ruck
verlust usw., ist in gleich einfacher Weise möglich. Z ur Bestim m ung des D ruckverlustes in L eitungszubehör
teilen sind Zahlentafeln m it R ohrlängen aufgestellt, die bei m ittlern V erhältnissen gleichen D ruckabfall ergeben.
Die W irksam keit der W assergasreaktion bei der Zersetzung von W asserdampf durch glühenden Kohlenstoff und ihre Bedeutung für die technische W assergasgewinnung.
V on D ip l.-In g . J. G w o s d z , C h a rlo tte n b u rg .
Bei der Zersetzung von W asserdam pf durch glühenden
Kohlenstoff können vier chemische R eaktionen auf treten, n äm lich :
1. C + 14,0 = CO + H., 2. C. + 2 HaO = CO, + 2 H., 3. CO + H 20 = C 0 2 + H 2 4. C 0 2 + C = 2 CO.
Die Möglichkeit eines gleichzeitigen A uftretens dieser vier R eaktionen h a t m an seit längerer Zeit angenommen.
N a u m a n n und P i s t o r h atten sich schon im Ja h re 1885 das Ziel gesteckt, durch die E rforschung der Einzel
vorgänge für sich eine A ufklärung über den W assergas
prozeß zu gewinnen. S päter verfolgte Oskar H a h n * dasselbe Ziel. Seine A rbeit ist aber auf die Erforschung des Gleichgewichtes CO -f H20 ^ C 0 2 + H2 beschränkt geblieben, wie auch die altern Versuche von N aum ann und P isto r sowie von L a n g 3 im wesentlichen n u r einige A ufklärung ü ber die R eaktionen 3 und 4 gebracht haben.
Neben den vorstehend G enannten sind noch von ändern Forschern A rbeiten ausgeführt worden, die die
1 Ber. D. ehern: Ges. 1885.,S. ;1MT.
2 Z. f. phya. C hem ie 1*908, Bd. 44,- S. 518.
3 Z. f. p h y s. C hem ie 1888, S. 161.
Zersetzung von W asserdam pf an K ohlenstoff zum G egenstand h atten. Diese A rbeiten b eschränkten sich im wesentlichen auf die F eststellung von Endergebnissen der genannten Einw irkung. E s ist daher erklärlich, daß m an noch heute über die W irksam keit der ein
zelnen Vorgänge sehr voneinander abweichende An
sichten v ertreten findet.
Die m eisten Verschiedenheiten in den Anschauungen zeigen sich in der L ite ra tu r hinsichtlich der G ründe/für das A u ftreten der Kohlensäure. Bei der technischen H erstellung des W assergases w ird der Gehalt an Kohlen
säure gewöhnlich als W ertm esser fü r die G üte des Gases und die richtige D u rchführung der V ergasung angesehen.
N un w ird als H a u p tfak to r für die E rzielung eines nied
rigen C 0 2 -G ehaltes vielfach die T em p eratu r hingestellt, die d afü r m aßgebend sei, ob der Vorgang 1, der allein ein g utes W assergas ergebe, neben dem Vorgang 2 vorherrsche.
So sag t z. B. H a b e r 1 »Nach der üblichen V orstellung greifen hier zwei Prozesse ineinander:
a) C + H aO = CO + H ., K , = C'co ' ' '
-h2o
i T h e rm o d y n a m ik te c h n is c h e r G a sre a k tio n e n , 1905,: S. 203. ...' V . .
1ÖÖÖ G l ü c k a u f Nr. 47
b) C + 2 H ,0 .= CO., + 2 H.,, K„ Cco, ■ C2h „ K,
K ~
C2
= K =
h,o
C c o » ■C'H,
W enn beide bis zum Gleichgewicht verlaufen, so erhält m an, je nach der T em peratur, ein sehr gutes oder ein sehr schlechtes W assergas fü r L eucht- und Heiz- zwecke. D as W assergas ist schlecht, wenn es viel CO, en th ält, also wenn die R eaktion b einen erheblichen L m fang besitzt. E s kom m t also hier n i c h t einfach d arauf an, dem Gleichgewicht m öglichst nahe zu kommen und es festzuhalten, sondern die E rreichung und hixierung des Gleichgewichtes ist n u r in einem Tein■ ■ peraturgebiet p raktisch erw ünscht, in welchem die R eaktion b ganz zu rü c k tritt. N un kann m an erwägen daß a und b noch durch
c) C + CO, 2 CO, K ,„ = o.
. . . . . Cco„
v erknüpft sind«.
Man sieht, daß bei dieser D arstellung die R eaktion 3 in den beiden Vorgängen 1 und 2 aufgeht und n u r in dem fü r den G leichgew ichtzustand in der G asphase geltenden V erhältnis
_
rr _ Gh*o-C<x>k ., ^ “ c^ t c^ :
ihren A usdruck findet. Diese D arstellung herrscht auch je tz t noch in der L ite ra tu r vor. So sagt z. B. S t r a c h e 1:
»Da es n u r in seltenen Fällen möglich ist, die Tem p e ra tu r des K ohlenstoffs so hoch zu steigern, daß beim D arüberleiten von W asserdam pf ausschließlich CO ge
bildet wird, so kann auch diese R eaktion nicht in ihrer theoretischen Vollkom menheit durchgeführt werden, und das entstehende Gasgemisch, welches m an in diesem Falle W assergas nennt, en th ält im m er kleinere oder größere Mengen von C 02, jenachdem , ob die T em peratu r höher oder geringer war«. K. N e u m a n n 2, der sich in seiilei bekannten H abilitationsschrift das Studium der Einw irkung des W asserdum pfes bei der Mischgas
erzeugung als Ziel gesteckt h atte, sagt bezüglich der Gewinnung eines an CO., arm en Generatorgases:
» . .. d i e V erhältnisse m üssen so gew ählt werden, daß von den beiden möglichen R eaktionen des Kohlenstoffes m it W asserdam pf
C + H 20 = CO + H2 und C -f 2 H ,0 == CO, + 2H , die erste überwiegt«.
Also auch er schreibt das A uftreten der C 0 2 der R eaktion 2 zu, und es ist zu beachten, daß in seinem V ersuchsgenerator in der wirksamen Brennstoffzone T em peraturen herrschten, die wesentlich über 1000°
lagen.
D as E ndergebnis der R eaktion 2 ist nun zw ar iden
tisch m it dem der beiden Vorgänge C + H20 = CO + H„
und CO -f H 20 = C 0 2 + H2. Man könnte daher w’ohl zu der A nnahm e neigen, daß es p raktisch gleich
gültig sei, ob m an für den A usdruck der chemischen Vor
gänge das Sym bol der Gleichung 2 oder die Sym bole der
i G a sb e le u c h tu n g u n d G a s in d u s'rie . 1913. S. 3 3 1.
K. K p u m a n n : Die V o rg än g e im G a s g e n e ra to r a u f G ru n d des zw ®1.t ®D H a u p ts a tz e s d e r T h e rm o d y n a m ik , M itt. ü b e r F o rs c h u n g s -
artreffen, H . 140, 9. 8& °
Gleichungen 1 und 3 w ählt. Dies ist jedoch keineswegs der Fall. D enn es w ird sich zeigen, daß diese D arstellung leicht zu einer Ü berschätzung des Einflusses füh rt, den die T em peratur auf die E rzielung eines an CO, arm en W assergases besitzt.
Die Aufgabe der vorliegenden A rbeit b esteh t darin, auf G rund des in der L ite ra tu r vorliegenden altern und neuern V ersuchsm aterials die W irksam keit der R e
aktion 3, der sogenannten W assergasreaktion, bei der Zersetzung von W asserdam pf ah glühendem Kohlenstoff und ihre B edeutung fü r die technische Wassergas- gew innung darzulegen.
Geschichtlicher Überblick über die Untersuchungen zur Zersetzung des- W asscrdampfes an Kohlenstoff und zur
W assergasreaktion.
Die ersten w issenschaftlichen U ntersuchungen zur F rage der Zersetzung des W asserdam pfes an Kohlenstoff w urden bereits zu Beginn des letzten Ja h rh u n d e rts an
gestellt. C l e m e n t und D e s o r m e s 1 äußern sich darüb er in folgender W eise:
»Läßt m an W ässerdäm pfe durch ein R e h r gehen, das viel K ohle en th ält, so geben sie ein Gemenge von kohlensauerm Gas, kohligtsauerm Gas und W asser
stoffgas«. D as von ihnen so erhaltene Gas h a tte folgende Zusam m ensetzung:
0/Zo
W a s s e rs to ff... 56,22 K o h l e n o x y d ...28,96 K o hlen säu re... ,14,63 M ethan ... 0/19
Im J a h re 1839 h a t dann B im s e n anschließend an seine
»Untersuchungen über die gasförmigen P ro d u k te des Hochofens« auch Versuche über die Zersetzung des W asserdam pfes an glühendem K ohlenstoff vorgenommen und h at zufälligerweise die gleichen V olum enverhältnisse fü r W asserstoff, K ohlenoxyd und K ohlensäure gefunden.
Aus den A nalysen von B unsen h a t m an gefolgert2, daß der Sauerstoff des W asserdam pfes zu gleichen fe ile n in CO und in C 0 2 übergehe. Die A nnahm e einer all
gemeinen G ültigkeit dieser stöchiom etrischen B e
ziehungen w urde 1857 durch L a n g l o i s als unzutreffend erwiesen. Seine Versuche zeigten zuerst den Einfluß der T em p eratu r und der B renn stoffart (Koks- oder Holzkohle) auf die B eschaffenheit d er gewonnenen Gase3.
S päterhin stellten F. F i s c h e r 4" u nd Lang® den Beginn der Zersetzung des W asserdam pfes fest. E rsterer fand h ieifü r m it B raunkohlenkoks eine T em p eratu r von 400° und letzterer m it Gaskoks eine solche von 530°.
Die Versuche von L ang ließen auch erkennen, daß die Zersetzung selbst bei 1000° noch nicht vollendet zu sein braucht.
Ii. B u n t e 6 teilte im Ja h re 1894 die Ergebnisse von Versuchen m it, die au f seine V eranlassung von H a r r i e s angestellt worden waren. Dieser h a tte bei T em peraturen
1 Ü .-er d as g a sfö rm ig e K o h le n s to ffo sy ü , G ilb e rts A nn. 1801, B d . 9,
o. 4z3. 1 '
3 W a g n e rs J a h r e s h e r . 1859, S. ß40.
3 Ann. Chim . P h y s. 1857, Bd. 61, S. 822.
4 F isc h e rs, Ja h re s h e r. d e r ehem . T e c h n o lo g ie 188B, S. 18«!
° Z. f. p h y s. Chem . 1888, S. 163.
8 J o n rn . f. G asbel. 1894, S. 8 2.
18. N o v e m b e r 1916 G l ü c k a u f 1 0 0 7
Z a h l e n t a f e l 1.
T e m p e G as Z u sam m en setz u n g des W a sse rd a m p f H jÖ CO H , c o 2 K
r a tu r stro m tro ck n e
H j V olum -
l W asse rgases
z e rse tz t u n - tot _ [CO ][H aO] b e
re c h n e t v o n
(M ittel) CO c o 5 ze rse tz t [COs] [ n 2]
°C 1 / m i n 1 % % % % % % % % % L u g g i n
674 0,9 65,2 4,9 29,8 8,8 91,2 87,12 0,63 8,41 3,84 1,70 0,49
758 1,8 65,2 7,8 27,0 25,3 74,7 65,82 2,67 22,28 9,23 0,85 0,70
838 3,66 62,4 13,1 24,5 34,7 65,3 — — —
—
— —838 3,28 61,9 15,1 22,9 41,0 59,0 47,15 7,96 32,77 12,11 0,94 0,98
801 5,3 59,9 18,1 21,9 48,2 61,8 39,18 11,01 36,48 13,33 0,89 1,07
954 6,3 53,3 39,3 6,8 70,2 27,2 17,21 32,70 44,43 5,66 2,25 1,41
1010 0,15 48,8 49,7 1,5 94,0 6,0 3,02 48,20 47,30 1,45 2,12 1,65
1060 9,8 50,7 48,0 1,3 93,0 7,0 3,68 46,31 48,84 1,25 2,78 1,88
1125 11,3 50,9 48,5 0,6 99,4 0,6 0,30 4S.34 50,73 0,60 0,48 2,11
> In (len m eisten L ite ra tu ra n g a b e n (so a u c h in' d e r von B nnte) f in d e t sic h fü r den G a sstro m d ie Bezeichmmpr l/sek an g eg eb en ._________■ _____________________ _ .. D ies i s t offen-S b ar ein Irrtu m Denn es i s t k au m "(len k b ar, daß cs m it den g e b rä u c h lic h e n H ilfsm itte ln m ö g lich w äre, d u rc h ein n u r w enige Z e n tim e n te r s ta ik e s u n d no ch d a z u zum e rh e b lic h e n T eil m it K ohle g e fü llte s P o rz e lla n ro h r bis zu 11 1 G as in 1 se k zu tre ib e n . A n d e rse its w ä re au ch d ie d ie se r A n n ah m e e n ts p re c h e n d e E in w irk u n g s d a u e r d es W asserd am p fes a u f d ie K o h le fü r e in e e rh e b lic h e Z e rse tz u n g des D am pfes zu k u r z gew esen, w ie ein V erg leich m it den Z ahlen d e r Z a h le n ta fe l 3 zeigt.
von. 6 7 4 -1 1 2 5 ° W asserdam pf über glühende Kohlen geleitet und die Zusam m ensetzung des hierbei erfolgenden Gasgemisches bestim m t. Die gefundenen Zahlen sind in der linken H älfte der Zahlentafel 1 wiedergegeben;
die rech te H älfte en th ält die daraus von L u g g in für das wasserhaltige Gas berechneten W erte1. Diese Zahlen wurden, da sie zum ersten Male A nhaltpunkte für die bei verschiedenen T em peraturen erzielbaren Gas
zusam m ensetzungen boten, in der L ite ra tu r für eine B e
urteilung der im praktischen Wassergas- und Misch
gasbetriebe obw altenden Verhältnisse vielfach heran
gezogen.
E inen im Vergleich hierzu fast völlig unbeachteten B eitrag zur F rage der W asserdam pfzersetzung an K ohlenstoff h at in der Folgezeit (1906) F a r u p a geliefert.
In neuester Zeit haben C le m e n t und A d a m s 3 diese F rage eingehender erforscht. Sie suchten besonders den E intluß der Einw irkungsdauer auf das F ortschreiten der
R eaktion nachzuweisen.
Die Ergebnisse dieser neuen Forschungen sollen vor
nehm lich zur G rundlage für die B ehandlung der vor
liegenden Aufgabe dienen. Z uvor ist jedoch noch eine kurze Ü bersicht über die einschlägigen A rbeiten zur B estim m ung des Gleichgewichts der W assergasreaktion zu geben.
Daß K ohlenoxyd durch W asserdam pf zersetzt wird, w ar schon lange b ek a n n t4. Um die bei der Wassergas- herstellung und der G eneratorgaserzeugung obw altenden Vorgänge näher zu erforschen, stellten sich N a u m a n n und P i s t o r 5 (1885) auch die Aufgabe, die R eaktion CO + H.,0
ZC 0 2 + H 2
z ustudieren. Nach ihren Ver
suchen ist eine W echselwirkung zwischen CO und H 20 bis zu etw a 560° nicht nachw eisbar; bei ungefähr 600° w aren 2% , bei etw a 900° waren 8% , und bei etwa 954° w aren 10% des CO in COz verw andelt worden.
F ern er w ar bis zu 900° die R eduktion von Kohlensäure durch W asserdam pf noch nich t nachweisbar. An diese Versuche schlossen sich die von L a n g 6 an, die u. a. auch
i v g l. Z. f p h y s C hem ie 1903. Bd. 44, S. 517.
1 Z. f. aiiorg. Ghem 19u6, S. 280.
3 E sse n tia l fa c to rs in th e fo rm a tio n of p ro d u c e r gas, B u re a u of
^ " ' A g i . ' d i e L ite ra t u ra n g a b e n von L o n g in L ie b ig s Ann. J878, S. 293.
5 Ber. D. ehem . Ges. 1885, S. 1048, 2712 und 2819.
6 z . f. p h y s. Chem. 1888, S. 163.
den Beweis fü r die U nvollständigkeit des Vorganges CO + H 20 = C 0 2 + H2 erbringen sollten.
Ohne u n m ittelb are B eziehung zu der technischen W assergasgewinnung h a tte m an sich schon früher m it.
der W assergasreaktion besch äftig t1. B u n s e n und H o r s t m a n n entw ickelten zuerst die Anschauung, daß bei einer unzureichenden Menge von Sauerstoff ein Gemisch von CO u nd H bis zu dem durch den A usdruck [CO] • [H „0] T. . , , ... . , . , f
• .— - . .= K wiedergegebenen Gleichgewicht, ver-
[COgj * [H-gjbrennt. W eiterhin folgten die U ntersuchungen über die G leichgew ichtkonstante Iv von L u g g in , H a h n , H a b e r
i ’S00° 750° 1000° 1550° 1500° 1750°
Die G lcic h g e w ic h tk o n sta n te K fü r die W a sse rg a sre a k tio n .
u. a. Durch diese' U ntersuchungen ist sie in Ab
hängigkeit von der T em peratu r bestim m t worden.
Die Gleichgewichtkonstante ist bekanntlich vom D ruck unabhängig, weil die R eaktion m it keiner Änderung des Volumens verbunden ist. D urch die A rbeiten von H aber sind auch frühere U ntersuchungen und B erech
nungen von B o u d o u a r d , bzw. L e C h a t e l i e r als un
richtig erwiesen worden.
Die vorstehende A bbildung zeigt die Gleichgewicht- konstante K der W assergasreaktion in Abhängigkeit von der T em peratur nach der Berechnung von K. N eu m a n n 2.
1 E in e a u s fü h rlic h e Z u sa m m e n ste llu n g d e r h ie r a u f bezügliche)»
L ite r a t ir f in d e t sic h b e i H a b e r u n d R i c h a r d t Z. f. a n o rg . Chem, 1904. Bd. 38, S. 5.
2 a. a. O., S, 8.
1008 G l ü c k a u f
N r. 47
F ü r die technische Gaserzeugung kom m t nun nicht
allein die Lage der Gleichgewichte, sondern besonders auch die Geschwindigkeit des Verlaufs der R eaktionen in B etracht. Aus den altern Versuchen, wie denen von N a u m a n n und P i s t o r sowie von L a n g , w a r zu schließen, daß die W assergasreaktion bei m ittfirn T em peraturen n u r träge verläuft. N ach H a b e r w ird das W assergas
gleichgewicht erst über 1400° verhältnism äßig schnell erreicht. U nter Anwendung von P la tin als K a ta ly sa to r k onnte L la h n schon bei /00 —900° eine rasche E in stellung des Gleichgewichts erzielen.
D ie \ e r s u c h e v o n F a r u p s o w ie C le m e n t u n d A d a m s .
Die unm ittelbare E inw irkung des festen Kohlenstoffs auf. W asserdam pf kann n u r nach den Gleichungen 1 und 2 erfolgen. H ier wäre die Frage möglich, ob die erste Zersetzung nicht vielleicht zunächst lediglich nach einer der beiden Gleichungen erfolgt und die andere alsdann als das E ndergebnis der ersten in V erbindung m it einei rasch auf diese folgenden R eaktion aufzufassen wäre. N im m t m an also die Zersetzung nach 1 als die prim äre R eaktion an, so könnte die R eaktion 2 als das E ndergebnis von 1 u n d 3 u n d im ändern F all die R e
aktion 1 als d as E rgebnis von 2 in V erbindung m it 4 angesehen weiden. Ü ber diese Vorgänge sind w ir bis jetzt noch im unklaren. W ollte m an jedoch die vor-
• stehende A nnahm e m achen, so m üßte jedenfalls w eiter vorausgesetzt werden, daß die sekundären Vorgänge sich u n m ittelb ar an die prim ären anschließen, also schon in dem Z eitp u n k t ansetzen, in dem das Kohlenstoffatom den Sauerstoff vom W asserstoff losreiß't.
Gegen die A nnahm e, daß beispielsweise das bei hohem 1 em peraturen bereits etw a fertig gebildete K ohlendioxyd durch R eduktion in K ohlenoxyd über- g efühit werde, sp rich t der verhältnism äßig langsam e Verlauf der R eaktion C 0 2 + C = 2 CO noch bei Tem pe
ra tu ren , bei denen bereits das alleinige A uftreten von CO bei der E inw irkung von W asserdam pf auf K ohlenoxyd
b eobachtet worden ist.
F ü r den praktischen B edarf kann m an also die allgemeine Vorstellung als richtig annehm en, daß die W asseidam pfzersetzung bei hohem T em peraturen nach der Gleichung 1 und bei niedrigem nach der Gleichung 2 erfolgt und daß bei den Z w ischentem peraturen beide
\ orgänge nebeneinander verlaufen. Nun fragt es sich, wo ist die T em peraturgrenze, bei der praktisch der Vorgang 1 ausschließlich e in trittv In der L itera tu r findet m an vielfach die Ansicht vertreten , daß der Vorgang C + H20 == CO + IL, erst bei T em peraturen ü ber 1000° vorherrscht. So sagt z. B. S c h m a t o l l a 1:
»Sobald die T em p eratu r u n ter 1000° sinkt, wird sich bereits erheblich C 0 2 bilden, da alsdann die R eaktion nach der Gleichung C + 2 PRO = CO., + 2 H., zu ver
laufen beginnt«. Um diese Auffassungen verständlich zu finden, m uß m an sich d aran erinnern, daß die m eisten F orscher in den Vorgängen I und 2 zugleich auch das Ergebnis der Vorgänge 3 un d 4 sehen, da sie d er A nsicht sind, daß die le tz te m von den erstem nicht zu trennen seien,
1 Die Gaserzeuger und G asfeuerungen, 1901, S. 40.
Ist nun diese zuletzt ausgesprochene A nsicht zu- tieffend oder besteht vielleicht doch die M öghchkeit, die Vorgänge 1 und 2 versuchsm äßig un d u n te r Los
lösung von den Vorgängen 3 und 4 zu erfassen?
D as tatsächliche B estehen dieser Möglichkeit m it einer für die gewöhnlichen Zwecke hinreichenden Genauig
keit ist aus Ergebnissen von Versuchen zu folgern, die F a r u p im L ab o rato riu m von N e r n s t angestellt hat.
Sie verfolgten als Ziel eine B estim m ung der relativen Geschwindigkeiten der R eaktionen C + 0 2 = C 0 2, C 0 2 + C = 2 CO u nd C + H20 = CO + H 2. F aru p leitete bei seiner d ritten Versuchsreihe durch Stickstoff verdünnten W asserdam pf über K ohlenstäbchen,' die auf 821 — 911° erh itz t waren. Bei diesen Versuchen konnte er neben dem K ohlenoxyd keine w ägbaren .Mengen von C 0 2 nachweisen. E r v e rtritt die Ansicht, daß die R eaktion C + 2 H 20 = C 0 2 + 2 H 2, wenn es nicht auf besondere G enauigkeit ankom m t, schon bei 800° neben d er R eak tio n C + H aO = CO + H 2 ver
nachlässigt werden könne. D iese A nnahm e entsp rich t nach F a ru p auch den Ergebnissen d er Versuche von B o u d o u a r d , nach denen die C 02-K o n zentratio n beim Gleichgewicht des System s C 0 2 - C 0 - C bei 800°
schon klein ist. Aus den Versuchen F aru p s w ürde sich also die w eitere Folgerung ergeben, daß sich bei der Zersetzung von W asserdam pf K ohlenoxyd u nd K ohlen
säure in dem Maße bilden, das dem Gleichgewicht dieser Gase m it K ohlenstoff bei der Z ersetzun gstem p eratur entspricht, h ie rv o n w ird noch w eiter u nten die R ede sein.
Die Ergebnisse der F arupschen V ersuche sind bisher nur wenig gew ürdigt worden. Ich habe in d er deutschen L itera tu r über das W assergas nirgends gefunden, daß sie zu r E rlä u te ru n g der Vorgänge beim W assergas- jrrozeß herangezogen worden sind. N u r C l e m e n t und A d a m s erwähnen sie in ihrem nachstehend zu be
sprechenden B ericht ganz kurz und sehen sie n u r insofern als bedeutsam an, als sie »die außerordentliche T rägheit der R eaktion zwischen K ohlenstoff un d W asserdam pf un terh alb 900°« erkennen lassen. Diese R eak tio ns
träg h e it ist jedoch, wie sich beispielsweise aus den Ver
suchen von H a r r i e s ergibt, bei den besagten Tem peratu ren keinesfalls dem K ohlenstoff an sich eigen, und es w äre d aher verfehlt, aus dem V erhalten der an
gew andten K o hlenart auf das des K ohlenstoffes im allgemeinen zu schließen. D as B edeutsam e der F a ru p schen Versuchsergebnisse liegt vielm ehr darin, daß er gezeigt h at, oberhalb 800° w ird W asserdam pf durch den glühenden festen K ohlenstoff p ra k tisch n u r zu K ohlenoxyd und W asserstoff zersetzt. D ieses E rgebnis erlau bt, die sich bei der E in w irk u n g von W asserdam pf aut K ohlenstoff noch w eiter abspielenden Vorgänge schärfer zu erfassen.
H ierm it ist, die R ich tigk eit d er Versuchsergebniss^
F aru p s vorausgesetzt, die G rundlage fü r die A uffassung
gefunden, daß bei d e r technischen W assergaserzeugung,
sofern m it T em peraturen ü b er 800° gearb eitet wird,
das A u ftreten der K ohlensäure fa st ausschließlich auf
die sekundären Vorgänge zurü ckzuführen ist, u n d zw ar
n u r auf die R eaktion 3, d a die R eaktion 4 wegen d er
18. N o v e m b e r 1916 G l ü c k a u f 1009
niedrigen C 0 2-K onzentration beim Gleichgewicht ober
halb dieser T em peraturgrenze nicht m ehr in B etracht kom m en kann. Diese Auffassung w ird besonders eine nähere B etra c h tu n g der von C l e m e n t und A d a m s erzielten Versuchsergebnisse bestätigen. Vor dem E in gehen auf diese ist jedoch noch einiges über den Vor
gang 3, die W assergasreaktion in Gegenwart von glühen
dem K ohlenstoff, zu bem erken.
W eiter oben1 is t gezeigt worden, daß sowohl die E inw irkung von H 20 auf CO als auch die R eduktion von C 0 2 durch H bei T em peraturen von 900° und d a ru n te r sehr langsam erfolgt und daß die E instellungs
geschwindigkeit des W assergasgleichgewichts erst bei T em peraturen über 1400° verhältnism äßig groß ist.
N un zeigen die Versuche von H a r r i e s , daß in der Gasphase die Gase C 0 2, H 2, H 20 und CO fast durchweg das Gleichgewicht m iteinander teils erreicht h atten , teils ihm sehr nahe gekommen waren. D a es sich hierbei um T em peraturen handelte, die teilweise noch unterhalb von 900.° lagen, so schließt hieraus H a b e r 2, daß die glühende Kohle ähnlich wie P la tin sta rk beschleunigend auf die E instellung des W assergasgleichgewichts ein
w irken m üsse. E r s a g t: »Die Kohle w irk t also auf das W assergleichgewicht wie P latin . Welche Zwischen
reak tion dieses interessante V erhalten veranlaßt, w äre w ertvoll zu erfahren. Man w ird dabei insbesondere im Auge behalten m üssen, daß die Kohle kein reiner K ohlen
stoff ist und daß eine Zw ischenreaktion sich auch an die A schenbestandteile der K ohle knüpfen kann«.
Aus Fai'ups Versuchen geht aber hervor, daß bei T em p eraturen von ü ber 800° tro tz langsam er Gas
ström ung noch keine nachweisbaren Mengen von C 0 2 au ftraten , die R eaktion CO + H 20 = C 0 2 + H2 trotz Anwesenheit rotglühender Kohle und großen W asser
dam pfüberschusses dem nach noch nicht m erklich w irksam war. D arau s ist zu schließen, daß dem K ohlen
stoff an sich noch keine stärkere katalytisch e W irkung zukom m t, sondern daß es hierbei auch wesentlich aui die physikalische Beschaffenheit der Kohle ankom m t.
Im H inblick auf die angeführte A nsicht H abers könnte m an vielleicht verm uten, daß der für die Lam penkohle verw endete K ohlenstoff besonders rein von m ineralischen oder m etallischen B estandteilen und seine kataly tische W irkung aus diesem Grunde schwach gewesen sei.
Gegen diese A nnahm e sprechen jedoch die V ersuche von L a n g 3, der R etortengraphit (Hochofengraphit), also gleichfalls eine sehr reine Kohlenstofform , an
w andte und bei T em peraturen zwischen 8 0 0 -9 0 0 ° große Mengen von K ohlensäure erhielt. D er w ahre G rund für die geringe k ataly tisch e W irkung der Kohle bei F arups Versuchen wird daher aller W ahrscheinlichkeit nach in erste r L inie in d e r g latten Oberfläche u n d der D ichte der angew andten K ohlenlam penstäbe zu suchen sein.
W eiterhin ist es selbstverständlich nicht ausgeschlossen, daß die R eaktio nsträgheit durch den Mangel der Kohle an m etallischen oder m ineralischen B estandteilen noch beg ün stig t wurde.
Die vorstehend aufgestellte Ansicht, daß ein höherer C 0 2-G ehalt des W assergases bei T em peraturen oberhalb von 800° auf das A uftreten der W assergasreaktion zurückzuführen ist, findet, wie bereits angedeutet wurde, ihre S tü tze w eiterhin in den Versuchen von C le m e n t un d A d a m s (s. die Zahlentafeln 2 un d 3). D er Ablauf der R eaktion CO + H 20 C 0 2 + H 2 ist nicht nu r von der T em peratur, sondern auch von der Zeit abhängig.
Die V ersuche von Clement sind hier gerade deshalb w ertvoll, weil sie neben d er T em p eratu r auch die E in
w irkungsdauer berücksichtigen. Allerdings ist diese bei den bei weniger hohen T em peraturen (80 0 -1 0 0 0 °) angestellten Versuchen durchw eg nich t so lang gewesen, daß der größere Teil des W asserdam pfes bereits zersetzt worden wäre. Aber gerade du rch diesen U m stand w ird ein E inblick in den V erlauf d er R eaktion ermöglicht, noch bevor ihre W irksam keit durch die der gleichzeitig verlaufenden R eaktion 4 verd un kelt wird. Daneben haben die Versuche noch dadurch W ert, daß sie auf höhere T em peraturen ausgedehnt worden sind und, w enn auch n u r in beschränktem Maße, einen Vergleich des Ablaufs der R eaktion bei Am vendung zweier v er
schiedener B rennstoffe (Koks u nd Holzkohle) zulassen.
Auch den Ergebnissen dieser Versuche ist in der tech
nischen L ite ra tu r .bisher noch nicht die verdiente Be- _ ach tu n g geschenkt worden, und zw ar vielleicht aus dem Grunde, weil die in dem B erich t1 m itgeteilten Zahlen, die in der Zahlentafel 2 wiedergegebcn sind, zunächst keine E rw eiterung der bisherigen Vorstellungen über die' in F rage stehenden V o rg äng e.zu bieten schienen.
D enn auch die Verfasser haben aus den von ihnen er
m ittelten Zahlen u n m ittelb a r w enig m ehr gefolgert, als schon vorher b ekan nt war. Befangen in der Vorstellung, daß, gleiche Einw irkungsdauer vorausgesetzt, m it steigender T em p eratu r eine stetige A bnahm e des K ohlen
säuregehaltes au ftreten m üsse, haben sie die von ihnen gefundenen Ergebnisse m it dieser Auffassung in Ü ber
einstim m ung zu bringen gesucht, indem sie sag e n : »Ob
wohl die Ä nderung n ich t gleichm äßig ist, so geht doch' aus den Zahlen der Zahlenreihen 5 u n d 6 (vgl. Zahlen
tafel 2) hervor, daß m it dem Ansteigen der T em p eratu r der P rozentgehalt an K ohlendioxyd in dem trocknen Gase abnim m t und derjenige an K ohlenoxyd zunimmt«-.
Die genannten Zahlenreihen lassen, w enigstens bis zu den T em peraturen von 1200°, keineswegs eine der
artig e Regelm äßigkeit erkennen. In einer weitern B etrac h tu n g über die R eaktionen des W assergases3 weisen die Verfasser zw ar auf die M öglichkeit der E in w irkung der R eaktion CO + H 20 V C 0 2 + H 2 im Sinne einer C 0 2-B ildung hin. D a sie aber zugleich selbst für T em peraturen von 1000 —1200° noch die R eaktion 2 H20 + C == C 0 2 + 2 H 2 als möglich ansehen, so ge
langen sie zu keiner entschiedenen A uffassung ü b er die B edeutung der W assergasreaktion bei den Vorgängen der Zersetzung des W asserdam pfes an glühendem K ohlenstoff.
W as bei einer B etrac h tu n g der Zahlenreihen in der Zahlentafel • 2 zunächst auffällt, ist das. stark e Über-
1 a. S. 1007.
2 a. a. O.
s.
291.3 Z. f. p h y s. C hem ie 1888, S. 163.
1 a. a. O. S; 41.
2 a. a. O. S. 43- 3 a. a. O. S. 50.
•1010 G l ü c k a u f N r. 47
Z a h le n ta f e l 2.
V e r s u c h e m i t K o k s b e i 8 0 0 -1 3 0 0 ° C.
1 2 3 4
N r. d es V er
su ch es
T e m p e r a tu r
°C
Be- rü h ru ngs-
d a u e r t sek
1 t
1 800 1,019 0,983
2 800 0,627 1,594
3 800 0,416 2,400
' 4 900 8,350 0,120
5 900 2,960 0,337
6 900 2,880 0,347
7 900 1,470 0,679
8 900 1,370 0,728
9 900 0,721 1,387
10 900 0,608 1,643
11 900 0,500 2,000
12 900 0,442 2,262
13 900 0,428 2,336
14 900 0,272 3,680
15 900 0,245 4,080
16 1000 6,980 0,142
17 1000 3,420 0,292
18 1000 2,640 0,379
19 1000 1,504 0,666
20 1000 1,025 0,976
21 1000 0,733 1,364
22 1000 0,437 2,290
23 1000 0,244 4,080
24 1100 7,970 0,1255
25 1100 1,970 0,507
26 1100 1,034 0,967
27 1100 0,493 2,026
28 1100 0,377 2,650
29 1100 0,259 3,850
30 1200 11,050 0,0903
31 1200 4.4S0 0,2224
32 1200 2,132 0.46S
33 1200 0,866 1,155
34 1200 0,478 2,084
35 1200 0,337 2,960
36 1300 4,320 0,2314
37 1300 2,250 0,443
3S 1300 1,633 0,612
39 1300 1,245 0,802
6 9
Z u sam m e n se tz u n g d e s tro c k n e n G ases
CH„
%
CO, 4.8 3,6 4.2 9.8 6.8 8,1 7,9 6,0 6.4 4.8 6,0 5.5 5.4 4.9 5.9 13.6 10.7 9.6 8.7 7.8 7.2 8,0 7,1 14.6 12.8 13.3 14,8 13.4 13,3
0,3 0,6 0,9 7.4 11.5 3.6 0,4 0,3 0,3 0,3
CO H , zus.
10 11 12 13 14
Z u sam m e n se tz u n g d es G esa m tg a ses 0/
,
oHoO CO» CO 14,
34,4 31.3 35.0 30.4 39.8 37.0 36.0 41.2 40.1 41.3 40.8 42.7 41.3 41.9 39.5 28.6 33.6 35.1 37.3 38.0 38.6 38.2 39.0 28.1 28.9 30.5 28,0- 28.9 30.4 51.8 52.1 48.6 39.3 33.1 46.3 50.5 49.2 49.5 49.5
42.5 41.7 45.5 45.7 47.5 46.7 46.6 47.8 47.9 47.9 47,5 48,1 47,4 51.8 48.0 49.3 50.3 48.4 49.7 48.5 48.7 49.3 48.1 53.1 51.2 52.5 54.1 51.5 53.1 42.9 43.1 44.8 49.4 53.4 47,0 43.7 42.4 43.9 45.8
C H 4
2,0.
1.9 2,1 1,8 1.7 2,2 1, 6 1.9 1,0 1. 8 1,2 2,6 2,0 1.9 1.9 1, 6 1.7 1.8 1.9 1.4 1.5 1.9 1.4 1.7 1.4 1,0 1,2 1.5 1,2 1,1 1.9 1.9 1.7 1.8 1.9
81,7 99,1 0,06 0,40 0,49
I K
76,6 99,4 0,03 ! 0,25 0,34
•.:
84,7 99,6 0,02 0,16 0,21 J __
87,9 75,4 2,75 8,51 12,78 i 0,57
96,0 89,5 0,75 4,36. 5,22 0,21
93,9 89,5 0,91 4,16 5,25 0,23
92,3 92,9 0,61 2,78 3,60 0,14
96,7 92,3 0,48 3,29 3,82 0,14
96,6 95,0 0,33 2,08 2,50 0,11
95,6 95,6 0,27 2,34 2,71 0,08
96,2 96,2 0,24 1,62 1,88 0,08
97,9 96,7 0,19 1,45 1,63 0,05
95,9 97,4 0,15 1,12 1,28 0,05
98,6 98,0 0,10 0,86 1,06
94,6 97,9 0,13 0,90 1,09 0,03
94,1 69,8 4,38 9,16 15,80 0,84
96,6 78,4 2,40 7,53 11,28 0,45
95,0 81,3 1,89 0,92* 9,56 0,37
97,6 84,2 1,41 6,05 8,07 0,30
95,9 88,7 0,91 4,48 5,71 0,19
96,2 90,6 0,70 3,76 4,75 • 0,17
97,3 93,7 0,52 2,48 3,22 0,11
96,1 96,4 0,27 1,47 1,81 0,08
97,2 34,9 9,80 18,80 35,60 0,90
94,4 67,6 4,40 9,92 17,60 0,51
.98,2 76,8 3,16 7,22 12,41 0,44
98,3 88,6 1,73 3^25 0,30 0,16
95,5 90,1 1,39 3,00 5,36 0,18
9S,2 92,0 1,09 2,4S 4,32 0,11
96,0 5,0 0,30 51,30 42,50 1,00
97,0 17,0 0,50 44,60 37,00 0,90
95,8 52,3 0,40 24,20 22,30 ' 0,80
97,3 74,8 1,92 10,18 1 12,80 1 0,31
99,1 80,8 2,23 6,43 ! 10,37 i 0,23
98,8 83,0 0,62 8,00 ! 8,11 1 0,32
96,5 0 0,40 52,40 45,30 ¡ 2,00
93,6 2,1 | 0,30 51,50 44,30 | 1,80
95,5 7 ,7 ; 0,30 47,80 42,50 ! 1,70
97,6 17,4 0,30 | 41,90 38,80 ! 1,60
wiegen des CO-Gehalts ü ber den C 0 2-G ehalt bei 800 und 900°. Bei den Versuchen von 800° t r itt d ie se 'T a t
sache noch m eh r hervor, w enn m an die Zahlen auf den großem G esam tgehalt an fixiertem Gas der bei den höhern le m p e ra tu re n angestellten Versuche um rechnet1.
Man kann dann beispielsweise bei dem Versuch I m it
co + co% C° Und 5,7 % C° 2 rechnen' Die Werte iü r
£
qliegen bei den V ersuchen 1 —3 zwischen 8 und 9 und ih r M ittel reicht dem nach nahe an den von B o u d o u a r o 2 fü r das Gleichgewicht m it K ohle' bei 800° erm ittelten W ert 10 heran. Auch die oben aus
gesprochene Annahme, daß die B ildung der Kohlen
säure bei der prim ären Zersetzung des W asserdam pfes durch den K ohlenstoff entsprechend dem für das Gleichgewicht m it der Kohle bei der jeweiligen Tem
,, 1 D ieser g e rin g e re G e s a m tg e h a it an fix ie rte m G as e r k lä r t sie h wie d i ß he1nr t J , n d ,.A d a m ,S, iU lh re tn B e ric h t b fm e rk e ... a u s d e r Tatsache®
d ie S bnrpn d e s z e rse tz te n W a sse rd a m p fe s sic h schon Sm.« t o h in te r dem V e rsu c h a p p a ra t in d ie G a s le itu n g ein c e - d ru n g e n e u L u ftm e n g e n d e u tli h b e m e rk tia r m ach en .
i vgl. G lü c k a u f l'JU , S, I3p4 ff.
