TEMA 17. LICUEFACCIÓN DE GASES | MÉTODO LINDE

El Método Linde-Hampson para la Licuefacción del Aire El método Linde es un proceso industrial continuo desarrollado a finales del siglo XIX que sentó las bases de la criogenia moderna y la separación de gases. Su éxito radica en la combinación de un fenómeno termodinámico molecular, el efecto Joule-Thomson, con un sistema de enfriamiento regenerativo en contracorriente. Principio Termodinámico Fundamental El núcleo del proceso es la expansión controlada de un gas real. Cuando un gas real se expande desde una presión muy alta a una presión baja a través de un estrechamiento (como una válvula de aguja o un tapón poroso) en condiciones adiabáticas, el proceso ocurre a entalpía constante (expansión isoentálpica). En un gas ideal, este cambio no alteraría la temperatura. Sin embargo, en el caso del aire (nitrógeno y oxígeno) a temperatura ambiente, las moléculas se encuentran por debajo de su temperatura de inversión. Esto significa que las fuerzas de atracción intermoleculares (fuerzas de Van der Waals) predominan. Al expandirse y separarse las moléculas, deben vencer esa fuerza de atracción mutua a expensas de su propia energía cinética, lo que se traduce macroscópicamente en una caída de la temperatura del gas. Etapas del Ciclo de Licuefacción Dado que una única expansión no es suficiente para enfriar el aire desde la temperatura ambiente hasta su punto de licuefacción (alrededor de los 194 grados Celsius bajo cero a presión atmosférica), el método opera en un ciclo cerrado y acumulativo a través de las siguientes fases: Purificación: El aire atmosférico se filtra y se purifica por completo para eliminar el vapor de agua y el dióxido de carbono. Este paso es mecánicamente crítico; de lo contrario, estos componentes se congelarían en estado sólido mucho antes que el nitrógeno o el oxígeno, bloqueando por completo las tuberías y las válvulas de expansión. Compresión: El aire limpio y seco se somete a una compresión mecánica multietapa, elevando su presión de forma drástica hasta alcanzar valores cercanos a las doscientas atmósferas. Refrigeración preliminar: Como la compresión eleva considerablemente la temperatura del gas debido al calor de compresión, el aire caliente a alta presión se hace pasar por un intercambiador de calor enfriado con agua (o sistemas de refrigeración con amoníaco) para devolverlo a una temperatura cercana a la ambiental o inferior. Intercambio en contracorriente (Efecto Regenerativo): El aire comprimido fluye por el canal interno de un intercambiador de calor de doble tubo. Justo antes de expandirse, este gas es enfriado por el aire residual muy frío que regresa de la cámara de expansión por el canal externo en sentido opuesto. Expansión y Separación: El aire, previamente enfriado en el intercambiador y aún a alta presión, atraviesa la válvula de expansión hacia una cámara que se encuentra a baja presión. Al expandirse, la temperatura cae bruscamente superando el punto de condensación, lo que provoca que una fracción del aire se licúe y se acumule en el fondo del depósito. El aire que no ha logrado licuarse (que sigue estando sumamente frío) es redirigido hacia el intercambiador de calor en contracorriente para enfriar el nuevo flujo de aire comprimido entrante. Este bucle de retroalimentación reduce de manera progresiva la temperatura en el extremo inferior del aparato hasta que el sistema alcanza el estado estacionario, permitiendo la extracción constante de aire líquido para su posterior destilación fraccionada.