Gasgemisch

Gasgemische sind Gase aus mindestens zwei verschiedenen chemischen Elementen oder chemischen Verbindungen.

Das bekannteste und häufigste Gasgemisch ist die Luft in der Erdatmosphäre. Gasgemische sind immer homogene Stoffgemische.

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

Für ideale Gemische gelten folgende Beziehungen:

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

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

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

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

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

Spezifische Entropie :
${\displaystyle s(T)=\sum _{i}w_{i}\cdot s_{i}(T)+R\cdot \sum _{i}{\frac {w_{i}}{M_{i}}}\cdot \ln \left({\frac {M_{i}}{Mw_{i}}}\right)}${\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 :
${\displaystyle D_{im}={\frac {1-x_{i}}{\sum _{j}x_{j}/D_{ij}}}}${\displaystyle D_{im}={\frac {1-x_{i}}{\sum _{j}x_{j}/D_{ij}}}}

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

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

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

${\displaystyle \lambda (T)=\sum _{i}{\frac {x_{i}\lambda _{i}(T)}{\sum _{j}x_{j}\Phi _{ij}(T)}}}${\displaystyle \lambda (T)=\sum _{i}{\frac {x_{i}\lambda _{i}(T)}{\sum _{j}x_{j}\Phi _{ij}(T)}}} (Mischungsformel nach Wassiljewa^[1] )

Die Korrekturfaktoren ${\displaystyle \Phi _{ij}(T)}${\displaystyle \Phi _{ij}(T)} ergeben sich nach Mason und Saxena^[2] aus den Viskositätskoeffizienten ${\displaystyle \eta _{i}(T)}${\displaystyle \eta _{i}(T)} und den molaren Massen ${\displaystyle M_{i}}${\displaystyle M_{i}} der Bestandteile:

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

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

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

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 O₂ zu angereicherter Luft oder aus Luft mit N₂ 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

Diese und viele weitere Gasgemische werden in vielen Industrien^[3] 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 oder Gasemischern spricht man meist bei kleineren (von wenigen Liter pro Minute bis ca. 500 Nm3/h) Leistungsgrößen die als in Serie gefertigte Geräte werden^[4] , von Gasmischanlagen spricht man üblicher Weise bei darüber liegenden Leistungsgrößen, die durchaus auch bis zu 10.000 Nm3/h betragen können und die individuell geplant und gefertigt werden.

Gasmischer werden meist dann eingesetzt, wenn das Gasgemisch in größeren Mengen benötigt wird und somit der Einsatz eines Gasmischers oder einer Gasmischanlage wirtschaftlicher wird als die Versorgung mit Gasflaschen oder Gasbündeln. So beginnt z. B. der wirtschaftliche Einsatz von Gasmischern zur Erzeugung eines typischen Schweißgasgemisches von 8% CO₂ in 92% Argon erfahrungsgemäß bei ca. 5 Schweißplätzen (abhängig vom Gasbezugspreis, und Einschaltdauer). Diese haben einen monatlichen Bedarf von ca. 40 Gasflaschen, so dass bei einer Beschaffung der ungemischten Gase und Mischung vor Ort mit Hilfe eines Gasmischers eine Einsparung erwirtschaftet wird.

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

• Atemgas
• Formiergas
• Schutzgas
• Schutzgas für Lebensmittel

1. ↑ VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC): VDI-Wärmeatlas; 6. Auflage, VDI-Verlag, Düsseldorf 1991
2. ↑ Mason, E.A., u. S. C. Saxena: Phys. Fluids 1 (1958), 361
3. ↑ Branchen / Referenzen | LT Gasetechnik. In: LT Gasetechnik. Abgerufen am 7. April 2016 (deutsch). 
4. ↑ Serien-Gasmischer - LT Gasetechnik. In: LT Gasetechnik. Abgerufen am 7. April 2016 (deutsch). 

• 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

• Stoffgemisch