Licuación de gases y licuación del aire

Introducción

La licuación de gases es la transformación de una fase gaseosa a líquida mediante reducción de la energía térmica de las moléculas hasta que las fuerzas intermoleculares permiten la condensación. En la industria moderna la licuación es una tecnología central: permite almacenar y transportar gases a alta densidad energética, obtener oxígeno y nitrógeno de alta pureza por destilación criogénica y alimentar procesos que requieren temperaturas criogénicas. Este artículo explica con detalle los fundamentos físicos, los métodos industriales más usados, el proceso específico de licuación del aire, el equipo y criterios de diseño, y las prácticas operativas y de seguridad necesarias en plantas criogénicas.

Fundamentos físicos de la licuación

Temperatura crítica y principio general

• Temperatura crítica: para cada gas existe una temperatura crítica $T_{c}T\_c$ por encima de la cual no puede licuarse por compresión, independientemente de la presión aplicada. La licuación exige alcanzar temperaturas por debajo de $T_{c}T\_c$ y presiones adecuadas.
• Balance energético: la licuación requiere extraer energía térmica del gas; en la práctica se combina compresión, intercambio térmico y expansión para reducir la entalpía y la temperatura del fluido.

Efecto Joule‑Thomson y coeficiente asociado

• Efecto Joule‑Thomson: la expansión a través de una válvula de estrangulamiento a entalpía constante puede producir enfriamiento o calentamiento según la naturaleza del gas y su estado inicial.
• Coeficiente Joule‑Thomson:

$${\mu }_{JT}={\left(\frac{\mathrm{\partial }T}{\mathrm{\partial }P}\right)}_H\backslash mu\_\{JT\}=\backslash left(\backslash frac\{\backslash partial\; T\}\{\backslash partial\; P\}\backslash right)\_H$$

Un valor positivo de ${\mu }_{JT}\backslash mu\_\{JT\}$ indica enfriamiento al expandir a entalpía constante; su magnitud y signo dependen de la temperatura y presión iniciales.

Consideraciones termodinámicas prácticas

• Preenfriamiento: para gases con $T_{c}T\_c$ muy bajo se requiere preenfriamiento con refrigerantes en cascada o con etapas intermedias.
• Recuperación de trabajo: el uso de turboexpansores permite recuperar energía y mejorar la eficiencia frente a la simple expansión por estrangulamiento.
• Propiedades de mezcla: en mezclas (como el aire) las diferencias de volatilidad entre componentes permiten la separación por destilación criogénica tras la licuación.

Métodos industriales de licuación

Ciclo Linde Hampson clásico

• Descripción: compresión del gas → enfriamiento en intercambiadores → expansión por válvula de estrangulamiento → retorno del gas frío para precalentar la corriente entrante. Repetición del ciclo produce enfriamiento acumulado y generación de líquido.
• Ventajas: diseño robusto y relativamente simple; adecuado para plantas pequeñas y medianas.
• Limitaciones: eficiencia energética moderada; mayor consumo específico de energía que ciclos con recuperación de trabajo.

Ciclos con turboexpansores y recuperación de trabajo

• Descripción: en lugar de estrangular, el gas se expande en un turboexpansor que realiza trabajo mecánico (recuperable) y produce un enfriamiento más profundo.
• Ventajas: mayor eficiencia térmica y menor consumo energético por unidad de producto; preferido en plantas medianas y grandes.
• Combinación óptima: turboexpansores para la etapa final y refrigeración en cascada para preenfriamiento.

Refrigeración en cascada y ciclos mixtos

• Refrigerantes intermedios: uso de fluidos con puntos de ebullición más altos (por ejemplo, propano, etileno) para preenfriar antes de la etapa criogénica.
• Estrategia: combinar etapas de compresión, refrigeración en cascada y expansión para minimizar consumo energético y optimizar recuperación.

Licuación del aire y separación criogénica

Composición y propiedades relevantes

• Composición típica del aire seco: ~78% N₂, ~21% O₂, ~1% Ar y trazas de CO₂ y vapor de agua.
• Puntos de ebullición a 1 atm: ${\mathrm{N}}_2-195{}^{\circ }\mathrm{C}\backslash mathrm\{N\_2\}\; \backslash ;\; -195\{^\backslash circ\}\backslash mathrm\{C\}$, ${\mathrm{O}}_2-182.5{}^{\circ }\mathrm{C}\backslash mathrm\{O\_2\}\; \backslash ;\; -182\{.\}5\{^\backslash circ\}\backslash mathrm\{C\}$. La diferencia de 12.5 °C permite la separación por destilación fraccionada.

Proceso industrial típico paso a paso

1. Pretratamiento del aire: filtración, secado y eliminación de CO₂ y vapor de agua mediante adsorción o enfriamiento para evitar formación de hielo y obstrucciones criogénicas.
2. Compresión multietapa: compresores con enfriamiento intermedio para elevar la presión de alimentación.
3. Preenfriamiento: intercambiadores y refrigeración en cascada reducen la temperatura antes de la etapa criogénica.
4. Expansión criogénica: válvula Joule‑Thomson o turboexpansor para alcanzar temperaturas de licuación; se genera una fracción líquida de aire.
5. Destilación criogénica: columnas de rectificación separan N₂, O₂ y Ar por diferencias de volatilidad; etapas de rectificación y reflujo controlan purezas.
6. Almacenamiento y manejo: productos líquidos se almacenan en tanques criogénicos tipo Dewar o tanques con aislamiento de vacío y capas reflectantes.

Productos y aplicaciones

• Oxígeno líquido: usos médicos, metalurgia, procesos químicos y corte por oxicorte.
• Nitrógeno líquido: criogenia, conservación biológica, refrigeración industrial y atmósferas inertes.
• Argón: soldadura, atmósferas protectoras y aplicaciones electrónicas.

Equipos, diseño y parámetros críticos

Equipos principales

• Compresores multietapa con intercoolers.
• Intercambiadores de calor de alta eficacia diseñados para bajas temperaturas y diferencias de temperatura reducidas.
• Turboexpansores y válvulas de estrangulamiento según la estrategia de enfriamiento.
• Columnas de destilación criogénica con bandejas o empaques adecuados para baja temperatura.
• Tanques criogénicos con aislamiento al vacío y sistemas de alivio.

Parámetros de diseño y control

• Presión de operación y relación de compresión: afectan eficiencia y tamaño de equipos.
• Temperatura de alimentación y preenfriamiento: determinan la carga térmica y la fracción líquida obtenible.
• Caudal y recuperación: balance entre pureza del producto y recuperación energética.
• Control de pureza: sensores y analizadores para O₂, N₂, Ar y trazas de contaminantes.

Operación, seguridad y control de calidad

Pretratamiento y prevención de incrustaciones

• Eliminar CO₂ y H₂O antes de la etapa criogénica para evitar formación de hielo y obstrucciones en intercambiadores y columnas.
• Filtros y desecantes con regeneración programada.

Riesgos y medidas de seguridad

• Asfixia: escapes de N₂ o Ar desplazan oxígeno; ventilación y detectores de O₂ son obligatorios.
• Criogenia: riesgo de quemaduras por frío extremo; EPP criogénico y procedimientos de manipulación.
• Presión: sistemas de alivio, válvulas de seguridad y pruebas de integridad.
• Materiales: selección de materiales compatibles con bajas temperaturas para evitar fragilización.

Control de calidad y trazabilidad

• Análisis de pureza en línea y en laboratorio para O₂, N₂ y Ar.
• Registro de consumos energéticos y rendimiento específico (kWh por tonelada de producto).
• Mantenimiento predictivo en compresores, intercambiadores y turboexpansores para maximizar disponibilidad.

Eficiencia energética y mejoras operativas

• Uso de turboexpansores para recuperar trabajo y reducir consumo específico.
• Optimización de intercambiadores para minimizar diferencias de temperatura y pérdidas irreversibles.
• Refrigeración en cascada con fluidos intermedios para reducir carga en la etapa criogénica.
• Control avanzado de la relación aire/flujo de producto y reflujo en columnas para equilibrar pureza y consumo.
• Recuperación de calor residual y cogeneración cuando sea aplicable.

Conclusión

La licuación de gases y, en particular, la licuación del aire, combinan principios termodinámicos con ingeniería criogénica y control de procesos. Diseñar y operar una planta eficiente exige dominar el pretratamiento del aire, optimizar compresión e intercambio térmico, elegir la estrategia de expansión adecuada y dimensionar correctamente las columnas de destilación criogénica. La seguridad y el control de calidad son pilares ineludibles: manejo de riesgos de asfixia, protección contra criogenia y trazabilidad de purezas. Aplicando buenas prácticas de diseño y operación se logra producir oxígeno, nitrógeno y argón con eficiencia energética y fiabilidad industrial.