Fraktionierte Destillation flüssiger Luft. Flüssige Luft ist die Grundlage für die Gewinnung von reinem Sauerstoff

EIGENSCHAFTEN VON SAUERSTOFF UND METHODEN FÜR SEINE HERSTELLUNG

Sauerstoff O 2 ist das am häufigsten vorkommende Element auf der Erde. Es kommt in großen Mengen in Form chemischer Verbindungen mit verschiedenen Stoffen in der Erdkruste (bis zu 50 Gew.-%), in Verbindung mit Wasserstoff in Wasser (ca. 86 Gew.-%) und in freiem Zustand in der atmosphärischen Luft vor, hauptsächlich mit Stickstoff in einer Menge von 20,93 % vol gemischt. (23,15 Gew.-%).

Sauerstoff ist in der Volkswirtschaft von großer Bedeutung. Es ist in der Metallurgie weit verbreitet; Chemieindustrie; zum Beflammen von Metallen, Feuerbohren von Vollmaterial Felsen, unterirdische Kohlevergasung; in der Medizin und verschiedenen Beatmungsgeräten, beispielsweise für Höhenflüge, und in anderen Bereichen.

Sauerstoff ist unter normalen Bedingungen ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, nicht brennbar, unterstützt aber aktiv die Verbrennung. Bei sehr niedrigen Temperaturen wird Sauerstoff flüssig und sogar fest.

Die wichtigsten physikalischen Konstanten des Sauerstoffs sind:

Sauerstoff hat eine hohe chemische Aktivität und bildet mit allen chemischen Elementen außer Edelgasen Verbindungen. Reaktionen von Sauerstoff mit organischen Stoffen haben einen ausgeprägt exothermen Charakter. Wenn also komprimierter Sauerstoff mit fettigen oder fein verteilten festen brennbaren Substanzen in Wechselwirkung tritt, werden diese sofort oxidiert und die freigesetzte Wärme trägt zur Selbstentzündung dieser Substanzen bei, was zu einem Brand oder einer Explosion führen kann. Diese Eigenschaft muss besonders beim Umgang mit Sauerstoffgeräten berücksichtigt werden.

Eine der wichtigen Eigenschaften von Sauerstoff ist seine Fähigkeit, mit brennbaren Gasen und Dämpfen flüssiger Brennstoffe weithin explosive Gemische zu bilden, die auch in Gegenwart einer offenen Flamme oder sogar eines Funkens zu Explosionen führen können. Sprengstoffe sind auch Gemische von Luft mit gas- oder dampfförmigen Brennstoffen.

Sauerstoff kann gewonnen werden: 1) auf chemischem Wege; 2) Wasserelektrolyse; 3) mit physikalischen Mitteln aus der Luft.

Chemische Methoden, die darin bestehen, Sauerstoff aus verschiedenen Substanzen zu gewinnen, sind ineffizient und haben derzeit nur Laborbedeutung.

Die Elektrolyse von Wasser, d. h. seine Zersetzung in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff, wird in Apparaten durchgeführt, die als Elektrolyseure bezeichnet werden. Dabei wird ein Gleichstrom durch Wasser geleitet, dem zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit Natronlauge NaOH zugesetzt wird; Sauerstoff wird an der Anode gesammelt und Wasserstoff wird an der Kathode gesammelt. Der Nachteil dieser Methode ist der hohe Stromverbrauch: Pro 1 m 3 0 2 werden 12-15 kW verbraucht (zusätzlich werden 2 m 3 H 2 erhalten). h) Dieses Verfahren ist in Gegenwart billiger Elektrizität ebenso sinnvoll wie bei der Herstellung von elektrolytischem Wasserstoff, wenn Sauerstoff ein Abfallprodukt ist.

Das physikalische Verfahren besteht in der Zerlegung von Luft in Bestandteile durch Tiefenkühlung. Dieses Verfahren ermöglicht die Gewinnung von Sauerstoff in praktisch unbegrenzten Mengen und ist von großer technischer Bedeutung. Der Stromverbrauch pro 1 m 3 O 2 beträgt 0,4–1,6 kW. h, abhängig von der Art der Installation.

ERHALTEN VON SAUERSTOFF AUS LUFT

Atmosphärische Luft ist im Grunde ein mechanisches Gemisch aus drei Gasen mit folgendem Volumengehalt: Stickstoff - 78,09 %, Sauerstoff - 20,93 %, Argon - 0,93 %. Außerdem enthält es ca. 0,03 % Kohlendioxid und geringe Mengen an Edelgasen, Wasserstoff, Lachgas etc.

Die Hauptaufgabe bei der Gewinnung von Sauerstoff aus Luft besteht darin, die Luft in Sauerstoff und Stickstoff zu trennen. Dabei wird Argon abgeschieden, dessen Einsatz in speziellen Schweißverfahren stetig zunimmt, sowie Edelgase, die in vielen Branchen eine wichtige Rolle spielen. Stickstoff wird beim Schweißen als Schutzgas, in der Medizin und anderen Bereichen verwendet.

Das Wesen des Verfahrens liegt in der tiefen Abkühlung der Luft mit ihrer Überführung in einen flüssigen Zustand, der bei normalem Atmosphärendruck im Temperaturbereich von -191,8 °C (Beginn der Verflüssigung) bis -193,7 °C (dem Beginn der Verflüssigung) erreicht werden kann Ende der Verflüssigung).

Die Trennung von Flüssigkeit in Sauerstoff und Stickstoff erfolgt anhand der Differenz ihrer Siedepunkte, nämlich: T kip. o2 \u003d -182,97 ° C; Siedepunkt N2 = -195,8 °C (bei 760 mm Hg).

Beim allmählichen Verdampfen der Flüssigkeit geht zunächst der niedriger siedende Stickstoff in die Gasphase über, bei dessen Freisetzung die Flüssigkeit mit Sauerstoff angereichert wird. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Vorgangs ist es möglich, Sauerstoff und Stickstoff in der erforderlichen Reinheit zu erhalten. Dieses Verfahren zum Trennen von Flüssigkeiten in ihre Bestandteile wird als Rektifikation bezeichnet.

Für die Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft gibt es spezialisierte Betriebe, die mit Hochleistungsanlagen ausgestattet sind. Darüber hinaus verfügen große metallverarbeitende Betriebe über eigene Sauerstoffstationen.

Die zur Verflüssigung der Luft erforderlichen niedrigen Temperaturen werden durch sogenannte Kältekreisläufe erreicht. Die wichtigsten Kühlkreisläufe, die in modernen Installationen verwendet werden, werden im Folgenden kurz erörtert.

Der Kältekreislauf mit Luftdrosselung basiert auf dem Joule-Thomson-Effekt, d. h. einer starken Temperaturabnahme des Gases während seiner freien Expansion. Das Zyklusdiagramm ist in Abb. 2 dargestellt. 2.

Die Luft wird in einem mehrstufigen Kompressor 1 auf 200 kgf/cm 2 komprimiert und durchläuft dann den Kühler 2 mit fließendem Wasser. Im Wärmetauscher 3 erfolgt eine tiefe Luftkühlung durch einen Rückstrom von kaltem Gas aus dem Flüssigkeitssammler (Verflüssiger) 4. Durch Luftexpansion in der Drosselklappe 5 wird diese zusätzlich gekühlt und teilweise verflüssigt.

Der Druck in der Sammlung 4 wird innerhalb von 1–2 kgf/cm 2 reguliert. Die Flüssigkeit wird periodisch aus dem Kollektor durch das Ventil 6 in spezielle Behälter abgelassen. Der nicht verflüssigte Teil der Luft wird durch den Wärmetauscher entfernt und kühlt neue Teile der einströmenden Luft.

Luft wird allmählich auf die Verflüssigungstemperatur abgekühlt; Beim Einschalten des Geräts gibt es eine Anlaufzeit, während der keine Luftverflüssigung zu beobachten ist, sondern nur das Gerät abkühlt. Dieser Zeitraum dauert mehrere Stunden.

Der Vorteil des Zyklus ist seine Einfachheit und der Nachteil ist der relativ hohe Stromverbrauch - bis zu 4,1 kW. h pro 1 kg Flüssigluft bei einem Kompressordruck von 200 kgf/cm 2 ; bei niedrigerem Druck steigt die spezifische Leistungsaufnahme stark an. Dieser Zyklus wird in Installationen von kleinen und verwendet durchschnittliche Leistung gasförmigen Sauerstoff zu erzeugen.

Etwas aufwändiger ist der Drosselkreislauf mit Ammoniak-Vorkühlung.

Der Mitteldruck-Kältekreislauf mit Expansion in einem Expander basiert auf einer Abnahme der Gastemperatur während der Rückstoßexpansion Außenarbeiten. Darüber hinaus wird auch der Joule-Thomson-Effekt genutzt. Das Zyklusdiagramm ist in Abb. 2 dargestellt. 3.

Die Luft wird im Kompressor 1 auf 20-40 kgf / cm 2 komprimiert, strömt durch den Kühlschrank 2 und dann durch die Wärmetauscher 3 und 4. Nach dem Wärmetauscher 3 wird der größte Teil der Luft (70-80%) geschickt zum K6, und der kleinere Teil der Luft (20-30%) geht zur freien Expansion in das Drosselventil 5 und dann in den Sammler 7, der ein Ventil 8 zum Ablassen der Flüssigkeit aufweist. Im Expander 6

Die bereits im ersten Wärmetauscher gekühlte Luft funktioniert - sie drückt auf den Kolben der Maschine, ihr Druck fällt auf 1 kgf / cm 2, wodurch die Temperatur stark abfällt. Aus dem Expander wird kalte Luft mit einer Temperatur von etwa -100 ° C durch die Wärmetauscher 4 und 3 nach außen abgegeben, wodurch die einströmende Luft gekühlt wird. Somit sorgt der Expander für eine sehr effiziente Kühlung der Anlage bei relativ niedrigem Druck im Kompressor. Die Arbeit des Expanders wird sinnvoll genutzt und der Energieaufwand zum Komprimieren der Luft im Kompressor teilweise kompensiert.

Die Vorteile des Kreislaufs sind: ein relativ niedriger Kompressionsdruck, der die Konstruktion des Kompressors vereinfacht, und eine erhöhte Kühlkapazität (dank des Expanders), die einen stabilen Betrieb der Einheit gewährleistet, wenn Sauerstoff in flüssiger Form entnommen wird.

Niederdruckkältekreislauf mit Expansion in einem Turboexpander, entwickelt von Acad. P. L. Kapitsa basiert auf der Verwendung von Niederdruckluft mit Kälteerzeugung nur aufgrund der Expansion dieser Luft in einer Luftturbine (Turboexpander) unter Erzeugung externer Arbeit. Das Zyklusdiagramm ist in Abb. 2 dargestellt. 4.

Die Luft wird durch den Turbolader 1 auf 6–7 kgf/cm 2 komprimiert, im Kühler 2 mit Wasser gekühlt und tritt in die Regeneratoren 3 (Wärmetauscher) ein, wo sie durch einen Gegenstrom kalter Luft gekühlt wird. Bis zu 95 % der Luft nach den Regeneratoren werden zum Turboexpander 4 geleitet, expandieren auf einen absoluten Druck von 1 kgf/cm 2 unter Verrichtung externer Arbeit und werden schnell gekühlt, wonach sie in den Rohrraum geleitet werden den Kondensator 5 und kondensiert die restliche Druckluft (5 %), die in den Ringraum eintritt. Vom Kondensator 5 wird der Hauptluftstrom zu den Regeneratoren geleitet und kühlt die einströmende Luft, und die flüssige Luft wird durch das Drosselventil 6 zum Sammler 7 geleitet, aus dem sie durch das Ventil 8 abfließt. Das Diagramm zeigt einen Regenerator , aber in Wirklichkeit werden sie mehrfach installiert und der Reihe nach eingeschaltet.

Die Vorteile des Niederdruckkreislaufs mit Turboexpander sind: höherer Wirkungsgrad von Turbomaschinen gegenüber Kolbenmaschinen, Vereinfachung technologisches Schema, was die Zuverlässigkeit und Explosionssicherheit der Anlage erhöht. Der Zyklus wird in Anlagen mit hoher Produktivität verwendet.

Die Zerlegung von flüssiger Luft in Bestandteile erfolgt durch einen Rektifikationsprozess, dessen Kern darin besteht, dass das beim Verdampfen von flüssiger Luft entstehende dampfförmige Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff durch eine Flüssigkeit mit geringerem Sauerstoffgehalt geleitet wird. Da die Flüssigkeit weniger Sauerstoff und mehr Stickstoff enthält, hat sie eine niedrigere Temperatur als der durchströmende Dampf, was die Kondensation von Sauerstoff aus dem Dampf und die Anreicherung der Flüssigkeit bei gleichzeitiger Verdampfung von Stickstoff aus der Flüssigkeit, d.h. , die Anreicherung des Dampfes über der Flüssigkeit .

Eine Vorstellung vom Wesen des Berichtigungsprozesses kann durch den in Abb. 5 ist ein vereinfachtes Diagramm des Prozesses der mehrfachen Verdampfung und Kondensation von flüssiger Luft.

Wir gehen davon aus, dass Luft nur aus Stickstoff und Sauerstoff besteht. Stellen Sie sich vor, dass mehrere Gefäße miteinander verbunden sind (I-V), im oberen befindet sich flüssige Luft mit einem Gehalt von 21% Sauerstoff. Durch die gestufte Anordnung der Gefäße fließt die Flüssigkeit nach unten und wird gleichzeitig allmählich mit Sauerstoff angereichert und ihre Temperatur erhöht sich.

Nehmen wir an, in Gefäß II befindet sich eine Flüssigkeit mit 30 % O 2 , in Gefäß III - 40 %, in Gefäß IV - 50 % und in Gefäß V - 60 % Sauerstoff.

Um den Sauerstoffgehalt in der Dampfphase zu bestimmen, verwenden wir ein spezielles Diagramm - Abb. 6, deren Kurven den Sauerstoffgehalt in Flüssigkeit und Dampf bei verschiedenen Drücken angeben.

Beginnen wir mit dem Verdampfen der Flüssigkeit im Gefäß V bei einem absoluten Druck von 1 kgf/cm 2 . Wie aus Abb. 6, über der Flüssigkeit in diesem Gefäß, bestehend aus 60 % O 2 und 40 % N 2 , kann es einen Gleichgewichtsdampf in der Zusammensetzung geben, der 26,5 % O 2 und 73,5 % N 2 enthält und die gleiche Temperatur wie die Flüssigkeit hat. Diesen Dampf leiten wir in Gefäß IV ein, wo die Flüssigkeit nur 50 % O 2 und 50 % N 2 enthält und daher kälter sein wird. Von Abb. 6 ist ersichtlich, dass der Dampf über dieser Flüssigkeit nur 19 % O 2 und 81 % N 2 enthalten kann, und nur in diesem Fall wird seine Temperatur gleich der Temperatur der Flüssigkeit in diesem Gefäß sein.

Daher hat der dem Gefäß IV von Gefäß V zugeführte Dampf, der 26,5 % O 2 enthält, eine höhere Temperatur als die Flüssigkeit in Gefäß IV; daher kondensiert der Sauerstoff des Dampfes in der Flüssigkeit von Gefäß IV, und ein Teil des Stickstoffs daraus wird verdampfen. Dadurch wird die Flüssigkeit im Behälter IV mit Sauerstoff und der Dampf darüber mit Stickstoff angereichert.

In ähnlicher Weise findet der Prozess in anderen Gefäßen statt, und so wird die Flüssigkeit beim Ablassen von den oberen Gefäßen in die unteren mit Sauerstoff angereichert, kondensiert sie aus den aufsteigenden Dämpfen und gibt ihnen ihren Stickstoff.

Wenn Sie den Prozess nach oben fortsetzen, können Sie einen Dampf erhalten, der aus fast reinem Stickstoff und im unteren Teil aus reinem flüssigem Sauerstoff besteht. Tatsächlich ist der Rektifikationsprozess, der in den Destillationskolonnen von Sauerstoffanlagen abläuft, viel komplizierter als beschrieben, aber sein grundlegender Inhalt ist derselbe.

Unabhängig vom technologischen Schema der Anlage und der Art des Kältekreislaufs umfasst der Prozess der Sauerstofferzeugung aus Luft die folgenden Phasen:

1) Luftreinigung von Staub, Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Bindung von CO 2 wird erreicht, indem Luft durch eine wässrige Lösung von NaOH geleitet wird;

2) Luftkompression im Kompressor mit anschließender Kühlung in Kühlschränken;

3) Kühlung von Druckluft in Wärmetauschern;

4) Expansion von Druckluft in einem Drosselventil oder Expander zu ihrer Kühlung und Verflüssigung;

5) Verflüssigung und Rektifikation von Luft zur Gewinnung von Sauerstoff und Stickstoff;

6) Ablassen von flüssigem Sauerstoff in stationäre Tanks und Abführen von gasförmigem Sauerstoff in Gasbehälter;

7) Qualitätskontrolle des resultierenden Sauerstoffs;

8) Füllen von Transporttanks mit flüssigem Sauerstoff und Füllen von Flaschen mit gasförmigem Sauerstoff.

Die Qualität von gasförmigem und flüssigem Sauerstoff wird durch die entsprechenden GOSTs geregelt.

Gemäß GOST 5583-58 wird gasförmiger technischer Sauerstoff in drei Klassen hergestellt: die höchste - mit einem Gehalt von mindestens 99,5% O 2, die 1. - mindestens 99,2% O 2 und die 2. - mindestens 98,5% O 2 , der Rest ist Argon und Stickstoff (0,5-1,5%). Der Feuchtigkeitsgehalt sollte 0,07 g/l 3 nicht überschreiten. Durch Elektrolyse von Wasser gewonnener Sauerstoff darf nicht mehr als 0,7 Volumenprozent Wasserstoff enthalten.

Gemäß GOST 6331-52 wird flüssiger Sauerstoff in zwei Klassen hergestellt: Klasse A mit einem Gehalt von mindestens 99,2% O 2 und Klasse B mit einem Gehalt von mindestens 98,5% O 2. Der Gehalt an Acetylen in flüssigem Sauerstoff sollte 0,3 cm 3 /l nicht überschreiten.

Technologischer Sauerstoff, der zur Intensivierung verschiedener Prozesse in Unternehmen der metallurgischen, chemischen und anderen Industrien verwendet wird, enthält 90-98% O 2 .

Die Qualitätskontrolle von gasförmigem sowie flüssigem Sauerstoff erfolgt direkt im Produktionsprozess mit speziellen Instrumenten.

Verwaltung Gesamtbewertung des Artikels: Veröffentlicht: 2012.06.01

WIE FLÜSSIGER SAUERSTOFF HERGESTELLT WIRD

Typischerweise basiert die industrielle Produktion von Sauerstoff auf der fraktionierten Destillation von Luft.

"Fraktionierte Destillation (oder fraktionierte Destillation) ist die Trennung von flüssigen Mehrkomponentengemischen in Teile, die sich in der Zusammensetzung unterscheiden - Fraktionen. Sie basiert auf dem Unterschied in der Zusammensetzung einer Mehrkomponentenflüssigkeit und dem daraus gebildeten Dampf. Sie wird teilweise durchgeführt Verdampfung der flüchtigen Bestandteile des Ausgangsgemisches und deren anschließende Kondensation Die ersten (Niedertemperatur-)Fraktionen des entstehenden Kondensats werden mit Leichtsiedern angereichert, der Rest des flüssigen Gemisches ist hochsiedend Zur Verbesserung der Trennung von Fraktionen wird ein Rückflusskühler verwendet "

"Die Luftzerlegung ist die Hauptmethode zur Gewinnung von Sauerstoff in der modernen Technologie. Es ist sehr schwierig, die Luft im normalen gasförmigen Zustand zu zerlegen, daher wird die Luft zuerst verflüssigt und erst dann in ihre Bestandteile zerlegt. Diese Methode der Sauerstoffgewinnung nennt man Luftzerlegung durch Tiefenkühlung: Zunächst wird die Luft durch einen Kompressor verdichtet, dann nach dem Passieren der Wärmetauscher in einer Expandermaschine oder einem Drosselventil entspannt, wodurch sie entfaltet wird auf eine Temperatur von 93 K (-180 °C) abgekühlt und verwandelt sich in flüssige Luft. Die weitere Trennung von flüssiger Luft, die hauptsächlich aus flüssigem Stickstoff und flüssigem Sauerstoff besteht, basiert auf dem Unterschied im Siedepunkt ihrer Bestandteile [Bp O2 90.18 K (-182,9°C), EL N2 77,36 K (-195,8°C)] Beim allmählichen Verdampfen flüssiger Luft wird zunächst Stickstoff verdampft und die verbleibende Flüssigkeit reichert sich immer mehr mit Sauerstoff an. In den Kolonnen wird flüssiger Sauerstoff in der gewünschten Reinheit (Konzentration) gewonnen. Die UdSSR stellt kleine (mehrere Liter) und die weltweit größten Sauerstoff-Luftzerlegungsanlagen (35.000 m3/h Sauerstoff) her. Diese Einheiten produzieren technologischen Sauerstoff mit einer Konzentration von 95-98,5 %, technischen Sauerstoff mit einer Konzentration von 99,2-99,9 % und reineren, medizinischen Sauerstoff, wobei Produkte in flüssiger und gasförmiger Form abgegeben werden. Der Verbrauch an elektrischer Energie liegt zwischen 0,41 und 1,6 kWh/m3.“

„In der Industrie, in der Medizin, in anderen Bereichen wird viel Sauerstoff verbraucht Menschliche Aktivität. Kommerzielle Mengen an Sauerstoff werden aus flüssiger Luft gewonnen. Zunächst wird die Luft von leistungsstarken Kompressoren komprimiert – gleichzeitig erwärmt sie sich, wie jedes kompressible Gas, sehr stark. Wenn Sie einen Fahrradschlauch kräftig aufpumpen mussten, dann müssen Sie bedenken, dass sich Pumpenkörper und Schlauch deutlich erwärmen.

Druckluft in großen Zylindern wird gekühlt. Dann wird es durch enge Kanäle, die mit Laufrädern ausgestattet sind, einer schnellen Expansion unterzogen, um den Gasmolekülen zusätzliche Energie zu entziehen. Diese Geräte werden Turboexpander genannt. Wenn sich ein Gas ausdehnt, kühlt es sich immer ab. Wurde das Gas sehr stark komprimiert, so kann seine Ausdehnung zu einer so starken Abkühlung führen, dass sich ein Teil der Luft verflüssigt. Flüssige Luft wird in speziellen Behältern, sogenannten Dewars, gesammelt. Flüssiger Sauerstoff siedet bei einer "höheren" Temperatur (-183 °C) als flüssiger Stickstoff (-196 °C). Daher wird beim "Erhitzen" von flüssiger Luft, wenn die Temperatur dieser sehr kalten Flüssigkeit langsam von -200 ° C auf -180 ° C ansteigt, zunächst bei -196 ° C Stickstoff destilliert (der wieder verflüssigt wird) und erst dann wird Sauerstoff destilliert. Wenn eine solche Destillation von flüssigem Stickstoff und Sauerstoff wiederholt durchgeführt wird, kann sehr reiner Sauerstoff gewonnen werden.
„In der Industrie wird Sauerstoff durch Tiefenkühlung und Luftrektifikation aus atmosphärischer Luft gewonnen.
In Anlagen zur Herstellung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft wird letztere von schädlichen Verunreinigungen gereinigt, in einem Kompressor auf den entsprechenden Druck des Kältekreislaufs von 0,6-20 MPa (6-200 kgf / cm2) komprimiert und in Wärmetauschern gekühlt auf Verflüssigungstemperatur gebracht und im flüssigen Zustand einer Trennung unterzogen (Niedertemperaturrektifikation).(Siehe Anmerkung 1) ) zu Sauerstoff und Stickstoff. Der Unterschied in den Verflüssigungstemperaturen (Sieden) von Sauerstoff und Stickstoff beträgt etwa 13 °, was für ihre vollständige Trennung in der flüssigen Phase ausreicht.

Kältekreisläufe dienen der Erstkühlung der Apparate der Luftzerlegungsanlage und dem Ausgleich von Kälteverlusten. In diesen Zyklen werden zwei Hauptmethoden verwendet, um niedrige Temperaturen von realen Gasen zu erhalten: 1) Drosselung von Druckluft; 2) Expansion von Druckluft in einem Kolbenexpander oder Turboexpander (Expandieren).
Beim Drosseln eines komprimierten Gases erfolgt seine Abkühlung aufgrund der Verwendung der inneren Energie des Gases zur Überwindung der inneren Kohäsionskräfte zwischen den Gaspartikeln und des äußeren Widerstands zur Vergrößerung seines Volumens während der Expansion. Bei der Expansion wird das Gas wesentlich stärker abgekühlt als beim Drosseln, da seine innere Energie durch die polytrope Expansion des Gases im Expander auch für die Erbringung externer Arbeit verbraucht wird. In modernen Anlagen werden zudem komplexe Kombikreisläufe eingesetzt, um den spezifischen Energieverbrauch für die Herstellung von Sauerstoff oder Stickstoff zu reduzieren. In großen modernen Luftzerlegungsanlagen wird als Hauptkältekreislauf ein Niederdruck-Kältekreislauf mit Turboexpander eingesetzt. Kleinere Anlagen werden auf Mitteldruckkreisläufen mit Expander aufgebaut. Der einfache Drosselzyklus wird nur noch in sehr kleinen Installationen verwendet. Zur Herstellung von flüssigem Sauerstoff oder Stickstoff werden Hochdruckkreisläufe mit Expander und bei sehr großen Anlagen Niederdruckkreisläufe mit Turboexpander und einem zusätzlichen Stickstoffkältekreislauf eingesetzt.

Anmerkung 1. Rektifikation ist der Prozess der wiederholten Verdampfung und Kondensation von Flüssigkeit auf den Böden einer Trennvorrichtung - der sogenannten Destillationskolonne, in der im oberen Teil der Kolonne Dämpfe gesammelt werden, die aus einer reinen niedrigsiedenden Komponente bestehen (Stickstoff) und im unteren Teil - eine Flüssigkeit, die hauptsächlich weniger flüchtige Bestandteile (Sauerstoff) enthält."

DANKE an Akademiker PETER LEONIDOVICH KAPITSA!

Pjotr ​​Leonidovich Kapitsa (26. Juni (9. Juli) 1894, Kronstadt - 8. April 1984, Moskau) - Physiker, Akademiker der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (1939), Mitglied des Präsidiums der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (seit 1957) , zweimaliger Held der sozialistischen Arbeit (1945, 1974).

Gewinner des Nobelpreises für Physik (1978) für grundlegende Entdeckungen und Erfindungen auf dem Gebiet der Tieftemperaturphysik. Zweimal Gewinner des Stalin-Preises (1941, 1943). Er erhielt eine große Goldmedaille, benannt nach M. V. Lomonosov von der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (1959). Einer der Gründer des Moskauer Instituts für Physik und Technologie. Mitglied des Jüdischen Antifaschistischen Komitees.

Über seine Arbeit zur Erstellung einer Anlage zur Herstellung von flüssigem Sauerstoff können Sie hier nachlesen:http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/KAPITZA/KAP_17.HTM

Es gibt auch ein Installationsdiagramm für den Erhalt eines LCD.

Fraktionierte (fraktionierte) Destillation hat eine Reihe wichtiger Anwendungen, wie z. B. die Herstellung von Sauerstoff, Stickstoff und Edelgasen aus flüssiger Luft, die Ölraffination, die Herstellung von alkoholischen Getränken (siehe Einleitungstext zu diesem Kapitel) usw.

Auf Abb. 6.16 ist ein schematisches Diagramm einer typischen fraktionierten Labordestillationsanlage. Die vertikale Säule ist mit Glasperlen oder willkürlich ausgerichteten kurzen Längen von Glasröhrchen gefüllt. Stattdessen kann eine Blasensäule verwendet werden. Eine solche Säule ermöglicht es den sublimierenden Dämpfen, mit der nach unten fließenden Flüssigkeit in Kontakt zu kommen.

Mal sehen, was wann passiert fraktionierte Destillation einer Zweikomponentenmischung der Zusammensetzung xA(C) (Abb. 6.17). Wenn diese Mischung erhitzt wird, steigt ihre Temperatur auf Punkt C. Dann beginnt die Flüssigkeit zu sieden. Der entstehende Dampf ist reicher als die Flüssigkeit an der flüchtigeren Komponente A. Am Siedepunkt befinden sich dieser Dampf und die Flüssigkeit im Gleichgewicht. Dieses Gleichgewicht entspricht der Verbindungslinie CD im Phasendiagramm. Der durch die Fraktionierkolonne aufsteigende Dampf kühlt allmählich ab und kondensiert schließlich zu einer Flüssigkeit. Diese Temperaturabnahme ist im Phasendiagramm durch die senkrechte Linie DD" dargestellt. Am Punkt D" stellt sich ein neues Gleichgewicht zwischen dem Kondensat der Zusammensetzung xA(D) und seinem Dampf der Zusammensetzung xA( E). Das flüssige Kondensat fließt die Säule hinunter, und der Dampf steigt daran entlang auf. Somit befinden sich auf jeder Ebene der Kolonne die strömende Flüssigkeit und der aufsteigende Dampf im Gleichgewicht. Diese Gleichgewichte werden durch Verbindungslinien dargestellt. Wenn der Dampf die Säule hinaufsteigt und jedes aufeinanderfolgende Gleichgewicht durchläuft, wird er zunehmend mit der flüchtigeren Komponente angereichert. Der Dampf entweicht schließlich durch ein Loch am Kopf der Säule, kondensiert und die resultierende Flüssigkeit läuft in einen Auffangbehälter ab. Währenddessen reichert sich die Flüssigkeit im Kolben immer mehr mit der weniger flüchtigen Komponente an, wodurch ihr Siedepunkt allmählich ansteigt.

Durch die Entnahme von Dampf durch das Loch am Kopf der Gleichgewichtssäule wird dieser kontinuierlich verdrängt. Eine gute Trennung wird nur erreicht, wenn der Kolben langsam genug erhitzt wird, um genügend Zeit zu lassen, um Gleichgewichte herzustellen. In der Praxis wird üblicherweise eine fraktionierte Destillation verwendet, um flüssige Mehrkomponentengemische zu trennen.

In Uganda ist die Herstellung des alkoholischen Getränks Inguli, das durch fraktionierte Destillation von Bier in provisorischen Brennereien gewonnen wird, üblich.In Uganda verkaufen die Lizenzinhaber für die Herstellung von Inguli ihre Produkte an industrielle Brennereien, wo sie ein alkoholisches Getränk herstellen Waragi genannt. Hausgemachte Inguli und ähnliche hausgemachte alkoholische Getränke, die in ostafrikanischen Ländern hergestellt werden, sind gefährlich zu trinken, da die zweite Fraktion oft giftige Verunreinigungen aus der ersten und dritten Fraktion enthält. Aus diesem Grund besteht in den meisten ostafrikanischen Ländern ein Verbot der Herstellung und des Konsums solcher alkoholischer Getränke.

Enguli. Die Fermentation von Würze aus Melasse und Bananensaft wird erhalten Afrikanisches Bier "inguli", aus dem drei Fraktionen destillativ gesammelt werden.

Die erste Fraktion enthält giftige niedrigsiedende Aldehyde, Ketone, Alkohole. Zum Beispiel Propanal (Kp 48 °C, giftig), Propanon (Kp 56 °C giftig) und Methanol (Kp 64 °C, sehr giftig, führt zu Sehverlust. Diese Fraktion wird zerstört.

Die zweite Destillationsfraktion ist das Zielprodukt von Inguli. O. enthält Wasser und Ethanol. Ethanol (Ethylalkohol) hat einen Siedepunkt von 78 0 C. in geringen Mengen eingesetzt, ist es nicht schädlich (siehe jedoch den einleitenden Text am Anfang dieses Kapitels).

Die dritte Fraktion enthält Alkohole mit Siedepunkten im Bereich von 12 bis 130°C. Auch diese Fraktion wird zerstört.

Das Prinzip der Sauerstoffgewinnung aus flüssiger Luft beruht darauf, dass der Siedepunkt der Haupt- Bestandteile Luft ist anders.

Der Siedepunkt von Sauerstoff liegt bei -183°, der Siedepunkt von Stickstoff bei -196°. Wenn also flüssige Luft langsam verdunstet, verdunstet zunächst vor allem Stickstoff. Nachdem der größte Teil des Stickstoffs verdampft ist, steigt die Temperatur der verbleibenden Flüssigkeit auf -183 °C und der Sauerstoff beginnt zu sieden.

Jede fraktionierte oder fraktionierte Destillation eines flüssigen Gemisches aus mehreren Stoffen mit unterschiedlichen Siedepunkten basiert auf diesem Prinzip. Eine solche Destillation wird fraktioniert genannt, weil das Flüssigkeitsgemisch in Teilen destilliert wird, ausgehend von der Flüssigkeit, die bei einer niedrigeren Temperatur siedet. Bis der Hauptteil der niedrigsiedenden Flüssigkeit destilliert ist, bleibt die Temperatur der gesamten Mischung trotz Erwärmung nahezu unverändert. Sobald die bei der niedrigeren Temperatur siedende Flüssigkeit abdestilliert ist, steigt die Temperatur schnell auf den Siedepunkt des nächsten Teils der Mischung und so weiter, bis die gesamte destillierte Flüssigkeit stückweise abdestilliert ist.

Die Destillation von Öl basiert auf diesem Prinzip, aus dem zuerst Benzin destilliert wird, das bei einer niedrigeren Temperatur als andere Ölbestandteile siedet, gefolgt von Kerosin, dann wird eine schwerere Kraftstoffart destilliert - der sogenannte Dieselkraftstoff oder Solaröl.

In der Destillationsapparatur nach der Destillation von Benzin, Kerosin u DieselkraftstoffÖl bleibt. Durch Erhitzen von Heizöl auf eine noch höhere Temperatur, verschiedene Schmieröle und Teer.

Mit einer einzigen fraktionierten Destillation ist es unmöglich, sofort reine Destillationsprodukte zu erhalten. Nach der ersten Destillation sind die erhaltenen Produkte mit Verbindungen verunreinigt, deren Siedepunkte nahe beieinander liegen. Um Verunreinigungen loszuwerden, sind anschließende Destillationen notwendig.

Mit einer einzigen Verdampfung flüssiger Luft ist es auch unmöglich, reinen Sauerstoff und Stickstoff zu gewinnen. Wenn die flüssige Luft anfangs 21 Prozent Sauerstoff und 78 Prozent Stickstoff enthält, verdunstet hauptsächlich der Stickstoff. Je weniger Stickstoff jedoch in der Flüssigkeit verbleibt, desto mehr Sauerstoff beginnt gleichzeitig mit Stickstoff zu verdampfen. Wenn also beispielsweise 50 Prozent Stickstoff in der flüssigen Phase verbleiben, befinden sich über einer solchen Flüssigkeit bereits etwa 20 Prozent Sauerstoff im Dampf. Um reinen Sauerstoff und Stickstoff zu erhalten, reicht es nicht aus, flüssige Luft einmal zu verdampfen.

Die nach der Verdampfung erhaltenen gasförmigen Produkte werden kondensiert – wieder in eine Flüssigkeit umgewandelt, die einer sekundären Destillation unterzogen wird. Je öfter der Verdampfungs- und Kondensationsprozess wiederholt wird, desto reiner werden die Destillationsprodukte erhalten.

Kondensation und Verdunstung sind zwei gegensätzliche Prozesse. Beim Verdampfen einer Flüssigkeit muss Wärme aufgewendet werden, beim Kondensieren von Dampf wird Wärme freigesetzt. Wenn kein Wärmeverlust auftritt, ist die Verdampfungswärme des Stoffes gleich der Kondensationswärme.

Um Sauerstoff aus flüssiger Luft zu gewinnen, muss eine bestimmte Menge Wärme aufgewendet werden - die latente Verdampfungswärme.

Wird gasförmiger Sauerstoff durch flüssige Luft geleitet, kondensiert dieser und wird flüssig. Dabei wird Wärme freigesetzt, die sogenannte latente Kondensationswärme. Flüssige Luft, die diese Wärme erhalten hat, wird sie sofort verwenden, um Stickstoff zu verdampfen, dessen Siedepunkt niedriger ist als der Siedepunkt von Sauerstoff.

Da die latente Kondensationswärme von Sauerstoff fast gleich der latenten Verdampfungswärme von Stickstoff ist, wird ungefähr die gleiche Volumenmenge an Stickstoff aus flüssiger Luft freigesetzt, wenn Sauerstoff kondensiert.

Der Prozess der Trennung von flüssiger Luft in reinen gasförmigen Stickstoff und reinen flüssigen Sauerstoff basiert auf dem Prinzip der Mehrfachkondensation von Sauerstoff bei gleichzeitiger Verdampfung von Stickstoff aus flüssiger Luft.

Diesen Trennvorgang nennt man Berichtigung.

Sie besteht darin, dass das beim Verdampfen von flüssiger Luft entstehende gasförmige Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff erneut durch flüssige Luft geleitet wird. Dabei kondensiert Sauerstoff und setzt dabei Wärme frei. Durch diese Wärme verdampft ein neuer Teil des Stickstoffs. überspringen

neu gebildete Gase durch flüssige Luft, können Sie schließlich reinen gasförmigen Stickstoff und flüssigen reinen Sauerstoff erhalten.

Als Destillationskolonne bezeichnet man den Apparat, in dem flüssige Luft in Stickstoff und Sauerstoff zerlegt wird.

Die Destillationskolonne ist durch Trennwände in Bodenkammern unterteilt. Flüssige Luft wird langsam von oben in die Kolonne eingespeist. Es fließt allmählich die Abflussgläser hinunter und füllt alle Platten der Säule. Die Trennwände bestehen aus Messingblech, in das im Abstand von etwa 3 Millimetern kleine Löcher mit einem Durchmesser von 0,8-0,9 mm schachbrettartig gestanzt sind. Gase, die während der Verdampfung von flüssiger Luft gebildet werden, dringen leicht durch solche Löcher und verhindern, dass Flüssigkeit durch sie sickert. Einmal in der Flüssigkeit, schäumen Gase sie auf und vermischen sich mit ihr. Während des Mischens kondensiert gasförmiger Sauerstoff und wird flüssig, und verdampfender Stickstoff tritt durch die Löcher in den Trennwänden bis zur nächsten Platte aus. Somit werden die Gase auf jeder Platte mit Stickstoff angereichert und mit Sauerstoff abgereichert.

Während sie sich ansammelt, fließt die Flüssigkeit immer mehr mit Sauerstoff angereichert durch die Ränder des Abflusses.

Dadurch wird oben am Ausgang der Kolonne reiner gasförmiger Stickstoff gewonnen und unten wird reiner flüssiger Sauerstoff gesammelt, der über einen Hahn abgelassen wird.

So wird aus atmosphärischer Luft Sauerstoff für die Industrie gewonnen.

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Der Begriff fraktionierte Destillation ist als sukzessive Wiederholung des Verdampfungs- und Kondensationsvorgangs zu verstehen.

Die Rektifikation ist eine ständig wiederholte Wiederholung des Prozesses des Verdampfens und Kondensierens.

Die fraktionierte Destillation wird verwendet, um ein homogenes Gemisch von siedenden Flüssigkeiten zu trennen unterschiedliche Temperatur und keine ständig siedenden Gemische miteinander bilden. Jede fraktionierte Destillation basiert auf dem von D. P. Konovalov entdeckten Gesetz des Phasengleichgewichts im Flüssigkeit-Dampf-System: „Dampf wird mit dieser Komponente angereichert, deren Zugabe zu einer Flüssigkeit ihren Siedepunkt senkt?“ (d. h. leichter siedend) und dient einer perfekteren Trennung des Gemisches, insbesondere bei einem geringen Unterschied in den Siedepunkten seiner Komponenten.

Durch die große Kontaktfläche von Dampf und Flüssigkeit in der Kolonne wird der Wärmeübergang erleichtert und die Trennung der Phasen (Dampf und Flüssigkeit) verbessert. Dadurch wird die in den Destillationskolben zurückkehrende flüssige Phase mit einer weniger flüchtigen Komponente angereichert und die aufsteigende Gasphase mit einer leichter flüchtigen Komponente angereichert.

Aus dem Phasengleichgewichtsdiagramm ist ersichtlich, dass die Dampfphase bei jedem Siedepunkt eine größere Menge des Leichtsieders enthält als die flüssige Phase; Gleichzeitig entsprechen jedem Siedepunkt fest definierte Zusammensetzungen von Flüssigkeit und Dampf.

Somit enthält der aus einem siedenden binären Gemisch erzeugte Dampf immer beide Komponenten, ist jedoch mit der flüchtigeren von ihnen (Zusammensetzung M1) angereichert. Bei vollständiger Kondensation eines solchen Dampfes entsteht eine Flüssigkeit mit der gleichen Zusammensetzung wie der Dampf. Bei der Nachdestillation dieser Flüssigkeit entsteht Wasserdampf (Zusammensetzung M2), der noch stärker mit dem Leichtsieder angereichert ist. Durch mehrmaliges Wiederholen der Bedingungen des Phasengleichgewichts (Destillation) für jede erste Fraktion kann man daher letztlich in der ersten Fraktion aus der letzten Destillation den leichtsiedenden Bestandteil des Gemisches erhalten, der den anderen Bestandteil nicht enthält. Dementsprechend wird die letzte Fraktion aus dem reinen hochsiedenden Bestandteil der ursprünglichen Mischung bestehen. Dies ist im Wesentlichen das Trennprinzip der fraktionierten Destillation.

Als einfache Destillationskolonnen werden im Labor verschiedene Arten von Rückflusskühlern verwendet (Abb. 46), deren Wirkungsgrad umso höher ist, je größer ihre Oberfläche ist.

Rückflusskühler bewirken, dass in ihnen bei unvollständiger Abkühlung des Dampfes einer siedenden Lösung eine teilweise Kondensation des Dampfes einer höhersiedenden Flüssigkeit eintritt. Das entstehende Zwischenkondensat wird Schleim genannt.

Der Schleim fließt zurück in den Reaktionskolben, der Dampf reichert sich mit einer Komponente mit niedrigerem Siedepunkt an und gelangt in den Kühlschrank, wo er vollständig kondensiert.

Dephlegmatoren tragen zur Freisetzung eines Teils des Kondensats mit einem engen Siedebereich von etwa 1-2oC bei.

Bei der fraktionierten Destillation wird das Gemisch in einer Apparatur dispergiert (Abb. 47), bestehend aus einem Destillationskolben mit Rückflusskühler, einem Thermometer, einem Kühlschrank, einer Allonge und einer Vorlage.

Nachdem das Gerät zusammengebaut und installiert ist, laden Sie die Arbeitsmischung.

Reis. 47.

Das Destillat sollte mit einer Geschwindigkeit von 30-40 Tropfen pro Minute in den Empfänger gelangen. Wenn die obere Grenze des Temperaturbereichs der ersten Fraktion erreicht ist, wird die Vorlage gewechselt. Sammeln Sie die nächste Fraktion im zweiten Auffangbehälter, ohne das Erhitzen zu stoppen. Dann wird der Hörer auf den dritten umgestellt. Die Destillation wird beendet, wenn 2-3 ml Flüssigkeit im Destillationskolben verbleiben.

Zur besseren Trennung des Stoffgemisches wird eine Nachdestillation durchgeführt. Die erste Fraktion wird in einen Destillationskolben gegeben und im gleichen Temperaturbereich destilliert. Wenn die Temperatur des Brüdendampfes die obere Grenze des ersten Temperaturintervalls erreicht, wird die Destillation gestoppt und die Vorrichtung gekühlt. Die Mittelfraktion der ersten Destillation wird in den Destillationskolben gegeben und die Destillation wie oben beschrieben erneut gestartet. Am Ende der Destillation der Mittelfraktion wird die dritte Fraktion zum Rückstand gegeben und die Destillation fortgesetzt, wobei die Fraktionen in der 2. und 3. Vorlage gesammelt werden. Bei mehreren Wiederholungen der Destillation nimmt die durchschnittliche Fraktion erheblich ab und teilt sich in die erste und dritte Fraktion. Dabei verengen sich die Temperaturintervalle der Extremfraktionen. Auf diese Weise ist es möglich, ein Gemisch von Komponenten mit sehr nahen Siedebereichen recht gut zu trennen.

Azeotrope Mischung - eine Mischung aus zwei oder mehr Flüssigkeiten, deren Zusammensetzung sich während des Siedens nicht ändert, dh eine Mischung mit gleichen Zusammensetzungen der flüssigen und dampfförmigen Gleichgewichtsphasen.

Beispielsweise enthält ein azeotropes Gemisch aus Wasser und Ethanol 95,57 % C2H5OH und siedet bei 78,15 °C. Dies erklärt die industriell akzeptierte Konzentration von Ethylalkohol von 96 %: Es handelt sich um ein azeotropes Gemisch, das durch weitere Destillation nicht in Fraktionen zerlegt werden kann. Der Siedepunkt für ein azeotropes Gemisch kann entweder kleiner (positive Azeotrope) oder größer (negative Azeotrope) als der Siedepunkt der niedrigsiedenden Komponente sein.

Bei Druckänderungen ändert sich nicht nur der Siedepunkt, sondern auch die Zusammensetzung des azeotropen Gemisches, darin unterscheiden sie sich von reinen Flüssigkeiten.

Zur Trennung azeotroper Gemische werden verschiedene Technologien eingesetzt:

Entfernung einer der Komponenten durch Adsorption an einem festen porösen Material.

Trennung auf porösen Membranen

Pervaporation auf nicht porösen Membranen

Destillation bei anderem als atmosphärischem Druck, insbesondere unter Vakuum, siehe oben.

Destillation mit einer zusätzlichen Komponente, wobei ein dreifaches (oder mehr) Azeotrop entsteht

Phasendiagramm eines positiven Zweikomponenten-Azeotrops.

Destillationsdruckmahlung

Das Wort Azeotrop kommt von den griechischen Wörtern jeine (Kochen) und phspt (Zustand), kombiniert mit dem Präfix b- (nein), um die allgemeine Bedeutung zu geben, "keine Veränderung beim Kochen".

Azeotrope Destillation

Viele Stoffe bilden in einem bestimmten Verhältnis miteinander azeotrope Gemische. Zu den bekannten azeotropen Mischungen gehören beispielsweise 96 % Ethylalkohol (wässrig) – Kp. 78,15 ° C - minimaler Siedepunkt; konzentrierte Bromwasserstoffsäure mit einem konstanten Siedepunkt von 126 ° C - dem maximalen Siedepunkt im Vergleich zu beiden Komponenten der Mischung (Bromwasserstoff und Wasser).

Beim Erhitzen eines Gemisches aus zwei Stoffen, die ein Azeotrop mit höchstem Siedepunkt bilden, wird zunächst die bezogen auf die Zusammensetzung des Azeotropgemisches im Überschuss vorhandene Komponente abdestilliert. Danach wird das Azeotrop mit dem höchsten Siedepunkt (mit dem niedrigsten Dampfdruck) abdestilliert. Bei der Destillation eines Gemisches, das ein Azeotrop mit minimalem Siedepunkt bildet, wird zuerst das Azeotropgemisch abdestilliert und dann die im Überschuss vorhandene Komponente. Es sind mehr als 3000 doppelt azeotrope Gemische mit minimalem Siedepunkt und nur etwa 250 mit maximalem Siedepunkt bekannt (in der Regel handelt es sich um homogene Gemische stark polarer Natur) ***.

Die azeotrope Trocknung ist in der Praxis von großer Bedeutung. Dazu wird dem zu trocknenden Stoff eine Verbindung zugesetzt, die mit Wasser ein azeotropes Gemisch bildet und sich vorzugsweise in der Kälte nicht mit Wasser mischt (zB Benzol). Anschließend wird das Gemisch erhitzt, das Destillat in einem absteigenden Kühler kondensiert und in einem Messbehälter gesammelt. Wasser, das mit Benzol ein azeotropes Gemisch bildet (Sdp. Gemisch 60 ° C, Wasser - 100 ° C, Benzol - 80 ° C), wird in der Vorlage in zwei Schichten aufgeteilt. Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, die Substanz durch Steuerung des Zeitpunkts des Endes der Wasserabgabe zu trocknen, sondern auch den Ablauf von Reaktionen zu beobachten, bei denen Wasser freigesetzt wird, sowie die Gleichgewichtsreaktionen in die gewünschte Richtung zu verschieben durch Destillation von Wasser.

Bekannte azeotrope Mischungen sind in dem Buch angegeben: Gordon A., Ford R. Sputnik chemist. M., Mir, 1976. 28

Am häufigsten werden Benzol, isomere Xylole, Toluol, Chloroform und Tetrachlorkohlenstoff verwendet, um Wasser während der azeotropen Trocknung abzutrennen. Es sollte nicht vergessen werden, dass CHCl3 und CCl4 schwerer als Wasser sind.