Gasgemisch

Gasgemische sind Gemische aus mindestens zwei verschiedenen Gasen. Diese können ihrerseits chemische Elemente oder Verbindungen sein.

Das bekannteste und häufigste Gasgemisch ist die Luft in der Erdatmosphäre. Gasgemische sind immer Lösungen, also unabhängig von eventuell vorhandenen Konzentrationsgradienten formell homogen.

Gemischeigenschaften

Die Stoffwerte von Gasgemischen können näherungsweise aus den Stoffwerten der einzelnen Komponenten durch Interpolation und Mischungsregeln berechnet werden. Im Folgenden bezeichnet ${\displaystyle M_{i}}$ die molare Masse, ${\displaystyle x_{i}}$ den Stoffmengenanteil und ${\displaystyle w_{i}}$ den Massenanteil der ${\displaystyle i}$-ten Spezies (Bestandteil) des Gasgemisches.

Für ideale Gemische gelten folgende Beziehungen:

Mittlere molare Masse:
${\displaystyle M=\sum _{i}x_{i}M_{i}=\left(\sum _{i}{\frac {w_{i}}{M_{i}}}\right)^{-1}}$

Massenanteil:
${\displaystyle w_{i}={\frac {x_{i}M_{i}}{M}}}$

Dichte:
${\displaystyle \rho (T)=\left(\sum _{i}{\frac {w_{i}}{\rho _{i}(T)}}\right)^{-1}}$ (s. Gesetz von Amagat)

Spezifische Enthalpie:
${\displaystyle h(T)=\sum _{i}w_{i}\cdot h_{i}(T)}$

Spezifische Wärmekapazität:
${\displaystyle c(T)=\sum _{i}w_{i}\cdot c_{i}(T)}$

Spezifische Entropie:
${\displaystyle s(T)=\sum _{i}w_{i}\cdot s_{i}(T)+R\cdot \sum _{i}{\frac {w_{i}}{M_{i}}}\cdot \ln \left({\frac {M_{i}}{Mw_{i}}}\right)}$

Diffusionskoeffizient:
${\displaystyle D_{im}={\frac {1-x_{i}}{\sum _{j}{\frac {x_{j}}{D_{ij}}}}}}$

${\displaystyle D_{ij}}$ ist der Diffusionskoeffizient der Spezies ${\displaystyle i}$ in der Komponente ${\displaystyle j}$

${\displaystyle D_{im}}$ der Diffusionskoeffizient der Spezies ${\displaystyle i}$ in der Mischung.

Viskosität ${\displaystyle \eta }$ und Wärmeleitfähigkeit ${\displaystyle \lambda }$:
${\textstyle \eta (T)=\sum _{i}{\frac {x_{i}\eta _{i}(T)}{\sum _{j}x_{j}\Phi _{ij}(T)}}}$^[1]

${\displaystyle \lambda (T)=\sum _{i}{\frac {x_{i}\lambda _{i}(T)}{\sum _{j}x_{j}\Phi _{ij}(T)}}}$ (Mischungsformel nach Wassiljewa^[2])

Die Korrekturfaktoren ${\displaystyle \Phi _{ij}(T)}$ ergeben sich nach Mason und Saxena^[3] aus den Viskositätskoeffizienten ${\displaystyle \eta _{i}(T)}$ und den molaren Massen ${\displaystyle M_{i}}$ der Bestandteile:

${\displaystyle \Phi _{ij}(T)={\frac {1}{2{\sqrt {2}}}}\left(1+{\frac {M_{i}}{M_{j}}}\right)^{-{\frac {1}{2}}}\cdot \left[1+\left({\frac {\eta _{i}(T)}{\eta _{j}(T)}}\right)^{\frac {1}{2}}\cdot \left({\frac {M_{j}}{M_{i}}}\right)^{\frac {1}{4}}\right]^{2}}$^[1]

Adiabatenexponent
Der Adiabatenexponent ${\displaystyle \kappa }$ eines idealen Gasgemischs ergibt sich aus den Adiabatenexponenten ${\displaystyle \kappa _{i}}$ der einzelnen Komponenten:

${\displaystyle \kappa ={\frac {\sum _{i}{\frac {x_{i}\cdot \kappa _{i}}{\kappa _{i}-1}}}{\sum _{i}{\frac {x_{i}}{\kappa _{i}-1}}}}}$

Gasmischer und Gasmischanlagen

Technische Gasgemische werden mit Hilfe von Gasmischern und Gasmischanlagen (andere Namen sind auch z. B. Gasemischer, Blender, Gasmischstation oder Gasmischsystem) aus Einzelgasen oder aus bereits gemischten Gasen (Gasgemischen) erzeugt, z. B. als

• Schutzgas für die Schweißtechnik (z. B. Ar/CO₂)
• Synthetische Luft für die Medizin oder Chemische Industrie (Mischungen aus Luft mit Sauerstoff zu angereicherter Luft oder aus Luft oder Sauerstoff mit Stickstoff zu Magerluft)
• Schutzgas für die Lebensmittelindustrie (z. B. N₂/CO₂)
• Reaktionsgas für die Thermische Verformungstechnik (z. B. Ar/O₂/H₂)
• Formiergas für Stahl- und Walzwerke (z. B. N₂/H₂) oder mit Wasserdampf befeuchtetes Schutzgas (N₂/H₂/H₂O)
• Formiergas für die Glasherstellung (z. B. N₂/H₂)
• Beimischung von CO₂ in der Biotechnologie zur Begasung von Fermentern z. B. zur Regelung des pH-Wert des Mediums
• Prüfgas für hohe Analysengenauigkeit durch hohe Reinheit und geringe Herstelltoleranz

Diese und viele weitere Gasgemische werden in vielen Industrien^[4] eingesetzt, so z. B.

• Anlagen- und Maschinenbau
• Automobilindustrie
• Chemie
• Eisen-/Nichteisen-Metalle
• Energieversorgung
• Galvanotechnik
• Glasindustrie
• Halbleitertechnik
• Industrieofenbau
• Kunstharze
• Kupferbearbeitung
• Lebensmittelindustrie
• Medizintechnik
• Pharmaindustrie
• Schweiß- und Lasertechnik
• Stahl
• Werften

Von Gasmischern spricht man meist bei in Serie gefertigten Geräten mit Leistungsgrößen von wenigen Litern pro Minute bis ca. 500 Nm³/h^[5]. Als Gasmischanlagen hingegen werden üblicherweise Geräte mit darüberliegenden Leistungsgrößen bezeichnet, die bis zu 10.000 Nm³/h betragen können und individuell geplant und gefertigt werden.

Gasmischer werden in der Regel eingesetzt, wenn ein oder mehrere Gasgemische in größeren Mengen oder Gemische mit variablen Bestandteilen benötigt werden. In solchen Fällen ist der Einsatz eines lokalen Gasmischers oder einer Gasmischanlage wirtschaftlicher wird als die Fremdversorgung mit Gasen in Gasflaschen oder Gasbündeln. Beispielsweise beginnt ein wirtschaftlicher Einsatz von Gasmischern zur Erzeugung eines typischen Schweißgasgemisches (8 % CO₂ in 92 % Argon) abhängig von Gasbezugspreis und Einschaltdauer bei etwa fünf Schweißstellen. Diese Stellen hätten bei normalem Materialfluss einen monatlichen Gasbedarf von 750 Litern (entspricht etwa 40 Flaschen zu 18L), so dass bei einer Beschaffung der ungemischten Gase und Mischung vor Ort mit Hilfe eines Gasmischers eine Einsparung erwirtschaftet wird. Gleiches gilt für variable Eingasstellen wie Krankenhäuser, Industrieanlagen, Messanlagen und ähnliche Anwendungen mit variabler Einstreuung.

Gasmischer können als statische, d. h. mit einem oder mehreren Regelventilen oder als dynamische Systeme, also mit automatischen Regelventilen, ausgeführt werden. Die Gasgemische werden häufig durch einen Gasanalysator überprüft und in Pufferbehältern gelagert und drucknormiert, bevor sie zur Verbrauchsstelle geleitet werden.

Arten von Mischtechniken

Gasmischer können in vier unterschiedlichen Varianten ausgeführt sein. Der Unterschied liegt in der angewendeten Mischtechnik und wird durch den Anwendungszweck bestimmt.^[6]

• Gasmischer mit mechanischem Mischventil

• Gasmischer mit elektronischem Mischventil

• Gasmischer mit pneumatischem Mengendurchflußregler

• Gasmischer mit Massendurchflussregler

Gasmischer mit mechanischem Mischventil

Gasmischer mit mechanischem Mischventil sind seit dem frühen Mittelalter im Einsatz.^[7] Aus allen Gasen lassen sich mit diesem Verfahren zuverlässig Gasgemische erzeugen. Das mechanische Mischventil verfügt über Gaseingänge und einen Gasausgang für das Mischgas. Durch Drehen des Ventils werden in einem Zusammenspiel von Blenden und Kolben die Strömungsmengen der Einzelgase reguliert und so das benötigte Gasgemisch erzeugt. Gasmischer mit mechanischem Mischventil sind zur kontinuierlichen Entnahme oder, mit einem Gasbehälter, auch zur diskontinuierlichen Entnahme geeignet.

Gasmischer mit elektrischem Mischventil

Wie bei dem mechanischen Mischverfahren werden hier Proportional- bzw. Einzelmischventile der Eingangsgase bewegt. Ein Kolben in Verbindung mit unterschiedlichen Blenden regelt die Durchflussmenge der Gase und produziert so das gewünschte Gemisch. Die elektrischen Mischventile werden, anders als bei Gasmischern mit mechanischem Mischventil, nicht per Hand über einen Drehknopf, sondern mittels Elektromotoren betrieben. Diese Elektromotoren werden in der Regel über eine elektronische Steuerung bedient.

Gasmischer mit pneumatischem Durchflussmengenregler

Die Mischung der Gase erfolgt pneumatisch über einen Sinterkörper. Je nach Mischverhältnis wird den einzelnen Gasen eine unterschiedlich große Oberfläche des Sinterkörpers zum Durchfluss geboten.

Gasmischer mit Durchflussmengenregler

Im Unterschied zum mechanischen Gasmischer werden hier die Volumenströme jedes beteiligten Einzelgases geregelt. Pro Gas kommt ein Massen-Durchflussregler (MFC) zum Einsatz. Der Volumenstrom der Gase wird im jeweiligen Massen-Durchflussregler mittels thermischer Leitfähigkeit erfasst und anschließend geregelt.

Die Volumenströme der einzelnen Gase werden erst danach zu einem Gemisch zusammengeführt. Das ermöglicht eine Steuerung, die den Massenfluss der Gase gegen Störeinflüsse wie Druckschwankungen oder Temperatureinflüsse ausgleicht.

Beispiele

• Atemgas
• Formiergas
• Schutzgas
• Schutzgas für Lebensmittel
• Magerluft

Literatur

1. ↑ ^{a b} Thomas A. Davidson: A Simple and Accurate Method for Calculating Viscosity of Gaseous Mixtures. Hrsg.: United States Department of the Interior Bruce Babbitt, Secretary BUREAU OF MINES. 1993, Viscosity Equations. 
2. ↑ VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC): VDI-Wärmeatlas; 6. Auflage, VDI-Verlag, Düsseldorf 1991
3. ↑ Mason, E.A., u. S. C. Saxena: Phys. Fluids 1 (1958), 361
4. ↑ Branchen / Referenzen | LT Gasetechnik. In: LT Gasetechnik. Abgerufen am 7. April 2016. 
5. ↑ Serien-Gasmischer. Abgerufen am 17. Februar 2020. 
6. ↑ Gasmischer. Abgerufen am 20. September 2019. 
7. ↑ Bingenheimer, Klaus: Die Luftheizungen des Mittelalters : zur Typologie und Entwicklung eines technikgeschichtlichen Phänomens. Hrsg.: Verlag Dr. Kovac. Kovač, Hamburg 1998, ISBN 3-86064-788-1. 

Weblinks

Wiktionary: Gasgemisch – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Berechnung der Wärmeleitfähigkeit von Gasgemischen mit verbesserten Wechselwirkungs-Koeffizienten, In: Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications, NASA Reference Publication 1311, 1994, S. 22