Ueber die Strömungen, denen das Gasgemenge in den Bleikammern unterworfen ist; von Karl Abraham in St. Petersburg. K. Abraham, über den Bleikammernprozeſs. Der Erfolg der Schwefelsäurefabrikation ist, wie die Erfahrung lehrt, u.a. von der Art und Weise der Einleitung der Röstgase, des Wasserdampfes und der Salpetersäure in die Kammer und der Ableitung derselben, von der Temperatur des die Kammern begrenzenden Raumes, theilweise auch von der Form, Zahl und Gröſse der Kammern abhängig. Alle diese Umstände wirken deshalb auf den Gang des Prozesses, weil sie mehr oder weniger die Strömungen, denen die Gase in der Kammer ausgesetzt sind, bedingen, welche das mehr oder weniger vollkommene Vermischen der Kammergase zur Folge haben. Aber nicht jedes Vermischen der Gase kann dem Prozesse zuträglich sein, da es z.B. nicht wünschenswerth ist, daſs Gase, welche schon längere Zeit in der Kammer sind, also nur noch wenig Schwefligsäure enthalten, sich mit frisch einströmenden Gasen mischen, da dadurch die Schwefelsäurebildung bedeutend verlangsamt wird. Zweckmäſsig ist nur das Vermischen von Gasen, welche sich ungefähr gleich lange in der Kammer befinden, damit während der ganzen Zeit ihres Verbleibens in derselben der Wasserdampf und die Stickstoffoxyde gleichmäſsig in ihnen vertheilt bleiben und sie, am Abzugsrohre angekommen, an Schwefligsäure gleichmäſsig ärmer geworden sind. Die Regelrnäſsigkeit des Kammerprozesses ist also hauptsächlich von den die Gasströmungen bedingenden Ursachen abhängig und diejenige Kammer ist die beste, welche den sie durchziehenden Gasen die zweckmäſsigsten Bewegungen erlaubt. Um daher in die Möglichkeit versetzt zu sein, den Werth eines beliebigen Kammersystemes von diesem Gesichtspunkte beurtheilen zu können, muſs man das Gesetz kennen, nach welchem sich die Gase durch das System bewegen. Bis jetzt ist, so viel ich weiſs, nur eine hervorragende Theorie über die Bewegung der Gase durch die Bleikammern bekannt geworden, nämlich die von Schwärzenberg, wonach sich die Gase in horizontalen Schichten von der Decke zum Boden der Kammer bewegen sollen. Diese Theorie, deren Richtigkeit er fest erwiesen zu haben glaubt (vgl. Bolley: Chemische Technologie, Bd. 2 S. 365), wird auch jetzt noch von Vielen als Gesetz angesehen; wie wenig sie aber ein solches ist oder sein kann, werden wir weiter unten sehen. Schwarzenberg experimentirte mit einem Kammersysteme von etwa 1000cbm bezieh. mit der ersten Kammer dieses Systemes, deren Rauminhalt ungefähr ⅞ des gesammten Kammerraumes ausmachte. Die Eintritt- und Austritt-Temperatur der Gase dieser Kammer war je 53 und 45,5°. Aus letzterem Grunde glaubte Schwarzenberg berechtigt zu sein, durch die Beobachtung der Temperatur an verschiedenen Stellen der Bleikammer einen Schluſs auf die relative Zeit, welche vom Eintritte der Gase in die Kammer bis deren Ankunft an den betreffenden Stellen verflossen ist, ziehen zu können, indem die Gase um so kälter seien, je länger sie in der Bleikammer zugebracht haben. Nun ist aber die Temperaturveränderung der Kammergase von zwei Umständen abhängig: von der abkühlenden Wirkung des die Kammer begrenzenden Raumes und vor Allem von der durch die Reaction der Schwefelsäurebildung entbundenen Wärme. Letztere ist so groſs, daſs, falls keine Abkühlung vorhanden wäre und die Reaction dennoch von statten gehen würde, das Gasgemenge, am Ende des Systemes angekommen, je nach dem Luftüberschusse in den Röstgasen eine Temperatur von 700 bis 900° haben müſste. Wenn nun die Gase in wagrechten Schichten herabsinken möchten, so würden die in der Mitte jeder Schicht gelegenen Gasmengen, welche ja keiner Abkühlung ausgesetzt sind, eine weit höhere Temperatur haben als die an die Kammerwände grenzenden Gasmengen derselben Schichten, obgleich sie nichts desto weniger gleichzeitig mit ersteren in die Kammer getreten wären. Der oben angeführte Schluſs Schwarzenberg's muſs also ganz falsch sein, wenn seine Theorie richtig sein soll. Seine Theorie kann aber aus demselben Grunde nicht richtig sein, da im entgegengesetzten Falle im Inneren der Kammer eine sehr viel höhere Temperatur herrschen müſste als in den den Kammerwänden zunächst gelegenen Theilen derselben, was unbedingt senkrechte Strömungen nach oben im Inneren der Kammer, nach unten an den Kammerwänden hervorrufen würde, da bei solchen Umständen die Gase nicht im Gleichgewichte bleiben können. Eben so wenig zutreffend ist die Beweisführung Schwarzenberg's in ihren übrigen Theilen. So sagt er beispielsweise (a. a. O. S. 368), „die oben beschriebene Art der Fortbewegung des Gasgemenges in der ersten Kammer kann, wie schon erwähnt, nur eine Folge der Zunahme des specifischen Gewichtes sein,“ und berechnet, um zu zeigen, daſs wirklich eine Zunahme des specifischen Gewichtes im Laufe des Prozesses stattfindet, die Dichtigkeit der Gase am Eintritte in die erste Kammer bei der Temperatur von 53° und am Ende des Systemes bei 20° (also nicht am Ende der ersten Kammer bei 45,5°, auf welche sich seine Beobachtungen beziehen). Das Gewicht von 1l Gasgemenge am ersteren Punkte berechnet er zu 1g,163, am zweiten zu 1g,169. Es findet also, in den von ihm gewählten Grenzen, wirklich eine geringe Zunahme des specifischen Gewichtes statt. Da nun aber eine Abkühlung der Kammergase von 53 bis auf 20° in einer Kammer wohl nie vorkommt, so wollen wir untersuchen, ob dasselbe auch für die Temperaturgrenzen 53 und 45,5° zutrifft, welche in der Schwarzenberg'schen Kammer vorkamen. Da ⅞ des gesammten Kammerraumes auf die erste fielen und das System ohne Gay-Lussac-Thurm arbeitete, so kann man annehmen, daſs die Schwefelsäurebildung in der ersten Kammer zu Ende ging, die Zusammensetzung des Gasgemenges also am Ausgange der ersten Kammer im Wesentlichen so war wie am Ende des Systemes, also nach Schwarzenberg aus 95 Proc. Stickstoff und 5 Proc. Sauerstoff bestand, welche mit Wasserdampf gesättigt waren. Nach Schwarzenberg wiegt 1l eines solchen Gases trocken bei 760mm und 0° 1g,2649. Aus je 1l desselben bildet sich aber bei unverändertem Druck, durch Sättigung mit Wasserdampf bei der Temperatur von 45,5°, bei welcher die Spannung des letzteren 75mm beträgt = (273 + 45,5) 760 : 273 (760 – 75) = 1l,294. 1l,294 Wasserdampf wiegen aber bei 45,50 und 75mm Spannung 0g,0874, 1l,285 mit Wasserdampf gesättigten Gases also 1,2649 + 0,0874 = 1g,3523 und 1l daher 1g,045. Vergleicht man nun diese Zahl mit der von Schwarzenberg gefundenen 1g,163, welche das Gewicht von 1l in die Kammer frisch eintretenden Gasgemisches ausdrückt, so ersieht man, daſs das specifische Gewicht der Gase im Laufe des Prozesses bedeutend abnimmt, also von einem schichtenweisen Herabsinken keine Rede sein kann. Diese Folgerung bleibt in Kraft, selbst wenn in den aus der ersten Kammer tretenden Gasen 1 Vol.-Proc. Schwefligsäure enthalten wäre, was bei regelmäſsigem Kammergange bei Schwarzenberg durchaus nicht der Fall gewesen sein konnte. Meiner Ansicht nach sind die Strömungen, denen das Gasgemenge in den Bleikammern unterworfen ist, folgende: Die Röstgase kommen, nachdem sie in die Kammer eingetreten, in eine Mischung von Gasen, deren Temperatur und Zusammensetzung sich von ersteren nur sehr wenig unterscheiden, deren Dichtigkeit also der ihrigen ungefähr gleich ist. Sie breiten sich daher am Vorderende der Kammer ausMan findet allgemein die Meinung verbreitet, das Gasgemenge steige beim Eintritt in die Kammer sofort zur Decke; dies ist aber eine ganz unbegründete Annahme, welche ihren Grund wohl darin hat, daſs man sich anders nicht erklären konnte, warum über der Eintrittsröhre die höchste Temperatur beobachtet wird. und bewegen sich in Folge des Zuges langsam durch den ganzen Querschnitt der Kammer gleichmäſsig nach dem entgegengesetzten Ende der Kammer. Da die Gase gleich beim Eintritt in die Kammer sich in zur Schwefelsäurebildung günstigen Verhältnissen befinden, so geht letztere regelmäſsig an allen Punkten eines zur Kammerlänge senkrechten Querschnittes ungefähr gleichmäſsig – anfangs schnell, dann immer langsamer – vor sich. Die Wärme, welche durch die Reaction entbunden wird, gibt im Inneren der Kammer die Temperaturerhöhung- an den Seitenwänden und der Decke wird sie dagegen dem um die Kammer liegenden Räume übermittelt, ohne Temperaturerhöhung hervorzubringen. Die so entstehende Differenz in der Temperatur, also auch im Volumengewicht, hat ein Aufsteigen der Gase in der Mitte der Längsrichtung und ein Herabsinken derselben an den Seitenwänden der Kammer zur Folge. Da die Ursache der Temperaturdifferenz fortdauert und in allen Schichten der Kammer entlang vorhanden ist, so findet diese Bewegung durch die ganze Kammerlänge statt und wird nur nahe an den schmalen Seitenwänden etwas geändert, theils wegen der örtlichen Wirkung der Gasröhre, theils wegen der abkühlenden Wirkung dieser Wände selbst. Ich kann meine Auffassung also folgendermaſsen formuliren: Die Gase bewegen sich in vertikalen, zur Kammerlänge senkrechten Schichten vom Eintritte zum Abzugsrohre; jedes einzelne Gasmolecül aber beschreibt in der Kammer eine Schraubenlinie, deren Achse zur Kammerlänge parallel ist. Da die Temperaturdifferenz der Gasgemenge an der Decke der Kammer und am Boden derselben im Mittel auf 5 bis 6° angenommen werden kann, so ist die Abkühlung jedes Gasmolecüles bei der Beschreibung einer Windung der Schraubenlinie auch 5 bis 6°. Da nun aber, wie schon erwähnt, die Reactionswärme eine Temperaturerhöhung von 700 bis 900° hervorbringen kann, so muſs, falls keine Temperaturänderung der Gase eintritt, die Schraubenlinie 100 bis 150 Windungen haben. Die Reaction ist am Ende der Kammer nicht so energisch wie am Anfange derselben; daher müssen hier die Strömungen auch weniger stark und der Temperaturunterschied am Boden und an der Decke der Kammer weniger groſs sein. Letzteres ist aus Schwarzenberg's Temperaturbeobachtungen klar ersichtlich. Gegen diese Auffassung kann folgendes Bedenken erhoben werden: Da das Gasgemisch während des Prozesses leichter wird, wie oben erwiesen worden ist, so müssen auſser den angeführten Strömungen noch solche stattfinden, daſs die Gase am Boden nach hinten gehen, hier aufsteigen und der Decke entlang wieder nach vorn kommen. Hierauf kann entgegnet werden, daſs die Kammergase gewöhnlich mit Wasserdämpfen nicht nur gesättigt sind, wie dies oben angenommen wurde, sondern in der Regel eine gewisse Menge Wasser in nebelartiger Vertheilung enthalten; daher muſs das wirkliche Volumengewicht der Gase gröſser sein als das theoretisch bei Vernachlässigung des letzteren Umstandes gefundene. Da sich nun aber die Schwefelsäure hauptsächlich am Anfange der Kammer bildet und tropfenförmig zu Boden fällt, am Ende derselben dies aber viel weniger der Fall ist, so steht auch zu erwarten, daſs an letzterem Platze die Gase mit Wasserdämpfen viel mehr übersättigt sind, da sie hier durch die Säure viel weniger getrocknet werden. Somit ist ersichtlich, daſs die Gase am Ende der Kammer dennoch annähernd dieselbe Dichtigkeit haben können wie am Anfange und daſs es vollkommen in der Hand liegt, oben erwähnte schädliche Strömungen nicht zuzulassen, indem man dem Kammerende mehr Wasserdampf zuleitet, was man in der Praxis, ohne sich darüber Rechenschaft zu geben, wahrscheinlich auch thut. Uebrigens hemmt die schraubengangförmige Bewegung solche schädliche Strömungen bedeutend, indem sie die Gase vom Boden zur Decke hebt und dann wieder herabläſst; werden nun letztere im oberen Theile der Kammer auf eine gewisse Strecke nach vorn zu getrieben, so werden sie, am Boden angelangt, um eben so viel zurück bewegt, da ja hier die Strömung die entgegengesetzte Richtung hat. Es bleibt noch zu zeigen, daſs meine Theorie alle, die von Schwarzenberg eigentlich wohl keine der in der Praxis beobachteten Erscheinungen erklärt. Bekanntlich erscheinen die Gase gleich nach ihrem Eintritte in die Kammer als ein undurchsichtiges, von keiner bestimmten Farbe begleitetes Gemisch; später wird es immer klarer und dabei anfangs röthlich gelb, dann roth und endlich dunkelroth, hierbei oft wieder beinahe undurchsichtig. Wenn sich nun die Gase in vertikalen Schichten durch die Kammer bewegen, so muſs der vordere Theil derselben undurchsichtig, der mittlere röthlich gelb, der hintere dunkelroth gefärbt sein; sinken die Gase aber in horizontalen Schichten von der Decke zum Boden, so muſs das Gasgemisch auf halber Höhe der Kammer überall röthlich gelb, unten aber überall dunkelroth gefärbt sein. Ersteres beobachtet man wohl immer, letzteres wohl nie. Hasenclever (vgl. Hofmanns Bericht über die Wiener Ausstellung 1875, Braunschweig 1875 Bd. 1 S. 179) fand die Mengen der in verschiedenen Höhen der Kammer gebildeten Schwefelsäure ungefähr gleich, Smith (vgl. Chemie der Schwefelsäurefabrikation, übersetzt von F. Bode. Freiberg i. S. 1874 S. 44) aber fand die Schwefelsäurebildung am Anfange der Kammer viel bedeutender als am Ende derselben. Beides bestätigt meine und widerlegt Schwarzenberg's Theorie. Smith fand (a. a. O. S. 37) den Procentgehalt an Schwefligsäure im Gasgemische desto kleiner, je weiter dasselbe vom Vorderende der Kammer entfernt war. Daſs in dem unter dem Eingangsrohre gelegenen Theile der Kammer nur sehr wenig Schwefligsäure enthalten war, erklärt sich dadurch., daſs dort ein todter Raum vorhanden sein muſste, welchen der unter dem Gasrohre angebrachte Dampfstrahl hervorgebracht haben konnte; letzterer verursachte nicht nur eine schädliche Mischung, indem er die frischen Gase nach dem Kammerende zutrieb, sondern verhinderte diesen auch, sich zum Kammerboden herabzulassen. Die sonst bei Smith vorkommenden auffallenden Unregelmäſsigkeiten in der Veränderung der Temperatur und der Zusammensetzung des Gasgemisches sind etwa nicht als Beobachtungsfehler, sondern vielmehr als Folgen einer unzweckmäſsigen Dampfeinleitung aufzufassen. Schwarzenberg's Theorie verlangt, daſs das Abzugsrohr unbedingt am untersten Theile der Kammer ausmündet, und wäre es hiernach gar kein Fehler, wenn beide Gasrohre an einem Kammerende angebracht wären; ersteres wird in der Praxis zwar noch oft befolgt, letzteres aber nie; ersteres ist nach meiner Theorie eine unnöthige Verschwendung von Blei, letzteres aber ein groſser Fehler. Da ich meine Ansicht hierdurch für hinreichend erwiesen halte, so will ich jetzt einige für die Schwefelsäurefabrikation wichtige Folgerungen daraus ziehen: Das Eintrittsrohr ist zweckmäſsig auf mittler Kammerhöhe anzubringen; damit die Gase jedoch nicht mit zu groſser Schnelligkeit in die Kammer dringen und die schraubengangförmigen Strömungen ganz nahe von der schmalen Vorderseite der Kammer ihren Anfang nehmen können, so muſs man das Rohr konisch erweitern. Dasselbe gilt vom Abzugsrohre. Der Wasserdampf soll nicht in Strahlen, welche die Kammer der Länge nach durchdringen, eingeleitet werden, da er so eine schädliche Mischung bewirkt. Am besten wäre es, die Dampfstrahlen durch den Kammerboden eindringen zu lassen; da dies jedoch mit Schwierigkeiten verbunden ist, so schlage ich vor, den Wasserdampf an einigen Punkten der Decke je zu zwei wagrechten Strahlen rechtwinklig zur Längsrichtung der Kammer einzuleiten, um die der Schwefelsäurebildung vortheilhafte Mischung zu befördern. Jedenfalls sollen die Strahlen nicht zu scharf, also die Mündungen der Dampfrohre nicht zu klein sein. – Ein künstliches Vermischen der Gase, wie es Th. Richters (1882 243 * 56) hervorbringt, ist unpraktisch, da man auf diese Weise die vortheilhafte Vermischung der Gase nur verderben kann. Ich bin auch schon lange der Ansicht, daſs man durch ein zweckmäſsiges künstliches Vermischen der Gase die Leistungsfähigkeit einer Kammer erhöhen, auch wohl an Salpetersäure sparen kann, würde dies aber anders ausführen. – Wenn die Erfahrung lehrt, daſs es unnöthig sei, mehrere Kammern zu einem Systeme zu vereinigen, so ist dies, vom Gesichtspunkte meiner Theorie betrachtet, sehr wahrscheinlich. Befürchtet man dennoch schädliche Strömungen, so vereinige man zwei Kammern zu einem System, wobei die zweite Kammer etwa 2 mal gröſser als die erste ist. Hierdurch wird die Ursache dieser Strömungen (d.h. die Dichtigkeitsdifferenz der Gase jeder Kammer) um das doppelte vermindert. – Vielleicht sind die in England üblichen, am oberen Theile der Kammer angebrachten und die Kammer der Länge nach durchdringenden Strahlen von Dampf geringer Spannung dennoch zu empfehlen, da sie derartige schädliche Strömungen neutralisiren können.