La licuefacción de un gas se realiza enfriando hasta que alcanza su temperatura de condensación quitando entonces el calor latente de vaporización.

Mejoró la eficiencia y bajo los costos de la producción del aire líquido, por su importancia en la producción de oxígeno, nitrógeno y gases raros.

Así un estudio de procesos de licuefacción incluirán y compararán varios métodos prácticos de licuefacción.
 
 

I.- Proceso de Licuefacción de un Gas Ideal
 
 

La meta en la licuefacción de gases es hacer el proceso con el menor gasto de energía.

El punto óptimo de funcionamiento de un licuefador será obtenido en un proceso termodinámicamente reversible. Tal proceso se muestra en el siguiente diagrama de temperatura y entropía.
 

Se asume que se trata de un proceso de flujo continuo. El proceso parte con el gas con una cierta presión inicial, este es comprimido isotermalmente, el calor de compresión es absorbido por un disipador de calor. La compresión isotermal es seguida por una expansión isentrópica en la cual el trabajo producido por el motor de expansión es devuelto para ayudar con la compresión isotermal. La presión es elegida para obtener líquido después de la expansión.

Tabla que muestra la energía requerida por la licuefacción de varios gases usando el proceso ideal termicamente reversible
 
 

II.- Licuefacción del Aire
 
 

Proceso Hampson
 
 

 Aire limpio y seco con presión entre los 2000 - 3000 libras por pulgada cuadrada entra al cambiador de contracorriente, el fluido pasa a alta presión por el cambiador, y es expandido aproximadamente sobre la presión atmosférica pasando a través de la válvula de expansión.

El enfriamiento Joule - Thomson sobre la expansión causa una baja de temperatura, y el aire expandido frio es obligado a pasar a través de pasos de baja presión del cambiador de calor, donde se refresca a la entrada de la secuencia de alta presión. Así la temperatura en la válvula es bajada progresivamente hasta que la temperatura de licuefacción es alcanzada.

Proceso Hampson con Preenfriador
 
 

Para mejorar la eficiencia del Proceso de Hampson, se usa aparte un sistema de refrigeración para bajar la temperatura inicial del aire admitido en el intercambiador de calor, logrando con esto que las evoluciones de condensación y evaporación esten más cercanas al proceso reversible.

Proceso Linde de Altas Presiones
 
 

Este proceso es más avanzado en cuanto a eficiencia, y más barato que el proceso de Hampson.

En este proceso el aire que circula es expandido desde 200 atm hasta 40 atm y devuelto vía intercambiador de calor al compresor. Entonces el trabajo de compresión es aproximadamente proporcional al logaritmo de la razón de las presion p2/p1, mientras el enfriamiento Joule - Thomson es proporcional a la diferencia de las presiones, éste proceso, por incremento de p1, produce refrigeración más barato que en el proceso de Hampson.

Figura es un diagrama esquemático del sistema de licuefacción de presión dual de aire de Linde.
 
 

Proceso Claude
 
 

En este proceso una gran parte del aire es expandido en un motor, el cual transfiere la energía producida por la expansión fuera del sistema. El diseño es el más eficiente porque la energía producida por la expansión del motor es usada para ayudar la compresión del aire entrante.

La energía así quitada del aire expandido representa la refrigeración extra producida en el ciclo.

Licuefador de Aire de Kapitza
 
 

Este proceso utiliza un turbina expansora y un regenerador, los cuales sirven para el propósito dual de enfriar y purificar el aire. En esencia esta es una variación al ciclo de Claude, pero porque introduce muchas innovaciones e incluye información no disponible por otro lado, merece un tratamiento separado.

El aire desde el compresor hasta el sitio de temperatura y presión de 7 atmosferas entran bajo uno de los dos regeneradores paralelos, donde es progresivamente enfriado y las impurezas ( agua y CO2 ) son depositadas en la superficie fria del regenerador. Después de pasar a través del regenerador el aire dividido en dos secuencias. La mayor parte del aire pasa a través del ecualizador de temperatura y luego a través de la turbina de expansión, donde su temperatura es reducida haciendo el trabajo. ( Si la turbina fuera perfecta esto sería una expansión isentrópica ) El aire muy frio expulsado fuera de la turbina a una presión un poco superior a 1 atmósfera entra a un filtro de bobina de condensación dentro del cual el resto de aire a alta presión a sido encaminado. Este intercambio de calor resulta en la condensación a 7 atmosferas en el aire en la bobina de condensación y un calentamiento a baja presión. El aire a baja presión retorna a través de la otra regeneradora de enfriamiento. El aire licuado en el condensador pasa a través de las válvulas de expansión es reducida cerca de la presión atmosferica resultando una disminución de la temperatura y una pequeña evaporización adicional. Después de unos 5 minutos de operación la válvula de reversión es operada de modo que la secuencia de alta y baja presión cambia los regeneradores. Las funciones de los regeneradores son ahora aparentes. El aire impuro que entra a alta presión es enfriado y sus impurezas son condensadas sobre la superficie del primer regenerador mientras que en el otro regenerador el aire puro frio de baja presión expulsado es evaporado y remueve las impurezas, al mismo tiempo el regenerador es enfriado. El propósito del ecualizador es mantener la temperatura del aire suministrado en la turbina para alcanzar el valor donde pueda llevar una cantidad desagradable de CO2, que sería depositado en los inyectores de la turbina e interferir con la operación.

Proceso Cascada
 
 

El sistema de cascada es un proceso que consume una potencia más baja que los procesos ya descritos. Es un sistema donde una serie de líquidos con puntos de ebullición progresivamente más bajos son condensados bajo presión, en la temperatura producida por la evaporación del líquido de ebullición más alta.
 
 

Funcionamiento de un Licuefasor de Aire
 
 

Proceso de Heyland

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