Bestimmung des Dampfdruckes und der Verdampfungswärme von flüssigem Acetylen

19 Pages·1959·0.91 MB·German

by  Dr. phil. habil. Paul Hölemann, Ing. Rolf Hasselmann (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.792
Dr. phil. habil. Paul Hölemann
Ing. Rolf Hasselmann
Forschungsstelle für Acetylen, Dortmund
Bestimmung des Dampfdruckes und der
Verdampfungswärme von flüssigem Acetylen
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KOLN UND OPLADEN
1959
ISBN 978-3-663-03555-8 ISBN 978-3-663-04744-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04744-5
G 1 i e der u n g
A. Einleitung s. 5
s.
B. Bericht 6
I. Experimentelles s. 6
Ir. Durchführung der Messungen s. 11
IIr. Ergebnisse s. 12
s.
a. Dampfdruckmessungen 12
s.
b. Messungen der Verdampfungswärme 14
c. s.
Zusammenfassung 17
s.
D. Literaturverzeichnis 19
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A. Ein lei tun g
Calciumcarbid und Acetylen wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit prak
tisch nur in großtechnischen Anlagen erzeugt. Für die Dissousgasherstel
lung besteht jedoch die Notwendigkeit, Acetylen an stark verstreuten
Stellen zu verarbeiten. Das Acetylen muß daher in großen Mengen trans
portiert bzw. gestapelt werden. Ein solcher Transport über größere Ent
fernungen und in größerem Maßstab ist bisher nur in Form von Karbid
möglich. Dabei bedingt das ungünstige Gewichtsverhältnis von Karbid zu
Acetylen einen relativ hohen Anteil an Transportkosten und einen beträcht
lichen Raum für die Stapelung. Es ist noch zu berücksichtigen, daß die
Speicherung von Karbid wegen seiner großen Reaktionsfähigkeit mit der
Luftfeuchtigkeit einen erheblichen technischen Aufwand mit sich bringt
und unter Umständen zu merkbaren Verlusten führt.
Im Zusammenhang mit dem Problem einer Verbilligung des Transportes und
der Stapelung von Acetylen gewinnt die Frage ein erhöhtes Interesse,
wieweit sich eine Verbesserung durch Verwendung von flüssigem Acetylen
durchführen läßt. Zur Beurteilung der damit zusammenhängenden Probleme
ist eine genaue Erfassung der Eigenschaften des flüssigen und gasför
migen Acetylens bei tieferen Temperaturen von großer Wichtigkeit. Dazu
gehört vor allem auch die genaue Kenntnis des Dampfdruckes und der Ver
dampfungswärmen als Funktion der Temperatur.
Die zahlreichen in der Literatur vorl.iegenden Daten über die Dampfdrucke
des Acetylens weichen z.T. erheblich voneinander ab. Die in der Litera
tur für die Verdampfungswärme angegebenen Werte sind aus den Dampfdruck
werten unter Zuhilfenahme der spezifischen Volumina des Gases und der
Flüssigkeit im Sättigungszustand berechnet worden. Aus der Unsicherheit
der Dampfdruckwerte ergibt sich damit eine beträchtliche Fehlermöglich
keit bei der Berechnung der Verdampfungswärme.
Zur Gewinnung genauer Werte für diese wichtigen thermodynamischen Eigen
schaften des flüssigen Acetylens erschien es daher von großem Interesse,
sowohl die Dampfdruckwerte einer Kontrolle zu unterziehen als auch die
Verdampfungswärme direkt experimentell zu bestimmen. Die Versuche er
streckten sich dabei auf einen Temperaturbereich von -60 bis +200 C und
auf ein Druckintervall von 3,6 bis 44,6 ata.
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B. B e r ich t
I. Experimentelles
Die Bestimmung der Verdampfungswärme erfolgte nach dem isothermen Ver
fahren durch Zuführung von Wärme in Form elektrischer Energie bei kon
stantem Druck. Die verwendete Apparatur ist schematisch in der Abbil
dung 1 dargestellt.
Die Messungen wurden mit Acetylen durchgeführt, welches einer acetonfrei
en, nur mit Mikropormasse der Firma Linde gefüllten Flasche entnommen
%
wurde. Da dieses Gas noch bis zu 0,5 Fremdgas enthalten kann, war
eine weitere Reinigung notwendig. Diese erfolgte durch Einfrieren des
Acetylens bei _900 C und abpumpen der nicht kondensierten Inertgase, die
im wesentlichen aus Stickstoff, Wasserstoff und Methan bestehen. Das
Einfrieren wurde im Gefäß E ausgeführt, das in einem Dewargefäß mit
Aceton-C0 -Mischung gekühlt wurde. Um eine Temperatur von -900C zu er-
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Saugen
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Schematische Darstellung der Apparatur zur Messung der
Verdampfungswärme von flüssigem Acetylen
T: Trockenturm; L: Dewargefäß; E: Kondensationsgefäßj
M: Meßzylinder; 0: Standrohr; D: Druckzylinder;
A: Null-Marke; B: Kalorimetergefäß; S: Tauchsieder;
C: Thermometer-Stutzen; W: Gaszuleitung; Z: Stromzuführungj
F: Gasmeßkolben; K: Thermometer; H: Eichkolben;
V1, 2, 3: Ventile; n1 , 2: Hg-Manometer; H1, 2: Glashähne
Se i te 6
reichen, wurde der Aceton-C0 -Druck über der Mischung auf ca. 500 mm Hg
2
gehalten. Gleichzeitig wurde ein schwacher, im Trockenturm T über Alugel
getrockneter Luftstrom zur Homogenisierung und Durchmischung des Kühl
mediums durch das Dewargefäß L gesaugt. Von der im Kondensationsgefäß E
eingefrorenen Acetylenmenge wurde über Hahn H1 das nicht kondensierte
Fremdgasgemisch abgepumpt, bis sich am Manometer n1 ein konstanter, der
Temperatur entsprecherider Dampfdruck des festen Acetylens eingestellt
hatte.
Das so gereinigte feste Acetylen wurde vorsichtig in den Meßzylinder M
%,
verdampft. Der letzte Teil von ca. 20 in dem sich möglicherweise die
leichter kondensierbaren Verunreinigungen befanden, wurde dabei verwor
fen. In dem Meßzylinder M, welcher mit einem Standrohr 0 versehen war,
wurde das Acetylen durch Aufgabe von Stickstoffdruck auf den Druckzylin
der D mit Hilfe von Quecksilber als Drucküberträger komprimiert und ih
das Kalorimetergefäß B übergeführt. Aus dem Anfangs- bzw. Endstand des
Quecksilbers in M sowie aus den dazugehörigen Drucken und Temperaturen
wurde die in das Versuchsgefäß Beingefüllte Acetylenmenge berechnet.
Das Kalorimetergefäß B aus vergütetem Stahl hatte ein lichtes Volumen
von 37,6 cm3• In dem Gefäß war ein Tauchsieder S, sowie ein Rohrstutzen C
zur Aufnahme des Thermometers eingebaut. Die Gaszuleitung und die Strom
zuführung Z zum Tauchsieder erfolgte durch den Deckel. Die Anordnung
des Kalorimetergefäßes ist in der Abbildung 2 dargestellt.
Die Messung des aus dem Gefäß B verdampften Acetylens erfolgte im Meß
kolben F aus der Druckdifferenz am Hg-Manometer n • Der Druck des Acety
2
lens im Kalorimetergefäß B wurde am geeichten Feinmeßmanometer U ge
2
messen. Je nach Versuchstemperatur bzw. Acetylendruck wurde ein Mano
meter mit möglichst hoher Ablesegenauigkeit gewählt. Mit Hilfe des Eich
kolbens H war vor Beginn der Messung das Volumen des Kalorimetergefäßes
bzw. des Meßkolbens F bestimmt worden.
Tiefe Temperaturen lassen sich durch Verdampfen niedrig siedender Sub
stanzen unter genauer Einhaltung des der Temperatur zugeordneten Dampf
druckes [1, 2J konstant auf ~ 0,01 0 C einstellen. So konnte durch Ver
wendung von Difluordichlormethan _500 C, von Difluormonochlormethan
_600 C erreicht werden. Das abgesaugte Kältemittel wurde über einen Klein
kompressor der Firma Frigidaire, Typ DI 020 S, mit angebautem Konden
sator wieder verflüssigt und im Kreislauf zum Kühlgefäß zurückgeführt.
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Seite
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-
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Darstellung des Kalorimetergefäßes mit Tauchsieder und
Thermometerstutzen
B: Kalorimetergefäß; S: Tauchsieder; C: Thermometerstutzen;
W: Gaszuleitung; Z: Stromzuführung;
In der Abbildung 3 ist der Einbau des Kalorimetergefäßes in das Kühlge
fäß und in die Isoliergefäße im Schnitt dargestellt. Das Kalorimeterge
fäß B hing dabei in dem doppelwandigen Kühlgefäß A. Nach oben hin war
der Verdampfer durch eine Styroporplatte isoliert. Über der Styropor
platte war das Kühlgefäß durch einen Aluminiumblock abgeschlossen, um
eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Innern zu erhalten. Zur Ver
meidung von Kälteverlusten war der Aluminiumblock nach außen nochmals
durch Styropor isoliert.
An dem oberen Rand des Kühlgefäßes A war ein Einspritzventil J der
Firma Fricka vom Typ AW 3 angebracht, durch welches Kältemittel aus dem
Kondensator fein verteilt und dosiert zugeführt wurde. Die zum Saug
stutzen des Kompressors führende Saugleitung P sowie ein Thermometer
stutzen Y, welcher ein Thermometer zur Messung der Temperatur im Innern
des Kühlgefäßes aufnehmen konnte, waren im oberen Rand, auf den Umfang
verteilt, eingelassen. Das Kühlgefäß wiederum befand sich in einem 6-1-
fassenden Dewargefäß der Firma Isotherm, welches mit einem Deckel aus
Pertinax und Schaumgummi verschlossen war. An diesem Deckel hing sowohl
das Kalorimetergefäß B als auch das Kühlgefäß A. Die Gaszuleitungen,
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Anordnung des Kalorimetergefäßes mit Kühlgefäß im 1soliergefäß
B: Kalorimetergefäßj A: KühlgefäBj
Y: Thermometerstutzenj R: Dewargefäßj
W: Isoliergefäßj J: Kältemitteleinspritzventilj
Q.: Druckleitungj P: Saugleitungj
I: Pertinaxj 11: Schaumgummij
111: Aluminiumblockj IV: styropor
die Stromzuführung, die beiden Thermometer, der Knebel des Dosierungs
ventils sowie die Saug- und Druckleitungen des Kompressors waren durch
diesen Deckel nach außen geführt. Das Dewargefäß endlich stand in einem
doppelwandigen 1soliergefäß W, dessen Innenraum zur Wärmeabstrahlung
mit einer polierten Aluminiumfolie ausgelegt war. Den oberen Abschluß
bildete ein 3 cm starker Deckel aus Styropor.
In der Saugleitung vom Kühlgefäß zum Kompressor befand sich ein Ventil,
mit dessen Hilfe der Druck konstant gehalten und damit die Temperatur
eingestellt werden konnte. An dem Kondensator des Kompressors war ein
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Schauglas angebracht, durch welches der Kältemittelstand beobachtet
wurde. Da ein geschlossener Umlauf vorhanden war, zeigte der Stand im
Kondensator ebenfalls den Stand des Kältemittels im Kühlgefäß an. Um
das Mitreißen von Öl aus dem Kompressor in den Verdampfer zu vermeiden,
wurde ein Ölabscheider eingebaut, aus dem über ein Ventil das Öl konti
nuierlich in das Kurbelgehäuse des Kompressors zurückgeführt wurde.
Die Bestimmung ~er zugeführten elektrischen Energie erfolgte durch Mes
sung der Leistung nach dem Kompensations-Verfahren [3] mit Hilfe eines
Normalelementes. Das Prinzipschaltbild zeigt Abbildung 4.
~~--------,
U,
U
r-------~--------~~ g.------------~
$
r R
I
1I1III1
8 Volt
[1
1-0;; :
1
'V
St
A b b i 1 dun g 4
Schaltbild der Kompensationsschaltung
:
2
R: Heizer; r: Vergleichswiderstand; R , R Kompensationswiderstand;
2
N: Normalelement; G: Nullinstrument; S: Kompensationsschalter;
M: Schaltschütz; H: Drucktaster AK 2; St: Stoppuhr;
Der Hauptstrom I durchfließt dabei einen bekannten, im Verhältnis zum
Verbraucher R kleinen WideFstand r. Parallel zum Verbraucher wurde ein
im Verhältnis zu diesem großer Widerstand R2 gelegt. Der Widerstand r
2
und das Widerstandsverhältnis R /R sind so zu wählen,daß die Spannungen
2
U und u gleich der des Kompensationsnormalelementes N werden. Das Nor-
1
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malelement N der Firma Ruhstrat in Göttingen war geeicht und hatte bei
200 C eine Spannung von 1,01830 int. Volt. Bezeichnet E die EMK des
Normalelementes, so ist nach Gleichung 1 die elektrische Leistung L des
durch den Heizer fließenden Stromes:
(1) L
Der Widerstand R, d.h. der Widerstand des Heizers, betrug 210 Ohm bei
2
r = 30 Ohm und einem Verhältnis von R /R2 von 0,15. Die angelegte Ge
samtspannung betrug 8 Volt und der Stromverbrauch 34 mA.
Je nach der eingestellten Meßtemperatur wurde 20 - 30 Min lang geheizt,
um eine genügend große Acetylenmenge zu verdampfen. Zur genauen Messung
dieser Zeit wurde eine elektrische Stoppuhr st der Firma Hanhart ver
wendet. Die Uhr gestattete die Ablesung von 1/100 sec. Sie wurde über
einen Schaltschütz M der Firma Klöckner-Möller gleichzeitig mit der
Heizspannung durch Betätigung des Schalters H gestartet. Als Nullinstru
ment G fand ein Multiflex der Firma Dr. B. Lange, Berlin, Verwendung.
Für den Aufbau der Kompensationsschaltung wurden Normalwiderstände der
Firma Ruhstrat eingebaut. Zur schnelleren Schaltung der Widerstände r
2
bzw. R gegen das zur Kompensation dienende Normalelement N wurde ein
dreipoliger Walzenschalter S der Firma Siemens verwendet.
11. Durchführung der Messung
Zur Durchführung der Messung wurde Acetylen im Kdlorimetergefäß B bei
der Versuchs temperatur kondensiert. Die eingefüllte Gasmenge wurde da
bei so bemessen, daß das kondensierte flüssige Acetylen ca. 10 mm über
der Oberkante des Tauchsieders im Innern des Kalorim~ters stand. Bei
dem Gesamtvolumen von 37,6 ml entsprach dieser Stand eipem Acetylen
volumen von 31 ml, so daß über der Flüssigkeit noch ein Gasraum von ca.
7 ml verblieb. Es wurde in einer Versuchsreihe stets nur so viel Acety
len verdampft, daß der Acetylenstand nicht niedriger als 2 mm über der
Tauchsiederoberkante stand. Das Volumen des flüssigen Acetylens im Ver
suchsgefäß wurde aus der eingefüllten Gasmenge und der Dichte des flüs
sigen Actylens berechnet.
Vor der Messung, d.h. 15 - 20 Min vor Einschalten des Stromes betrug
der Gang des Thermometers im Innern der Versuchsbombe höchstens
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