Aire II. Aire Liquido. QUÍM.

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Química

Por enfriamiento suficiente el a. se condensa, obteniéndose un líquido azul claro, que hierve entre los puntos de ebullición del oxígeno ( 1830 C) y del nitrógeno (1960C), a presión ordinaria. El condensado se enriquece en oxígeno, por ser menos volátil (48% las primeras fracciones); al hervir se evapora preferentemente el nitrógeno, más volátil. A la temperatura del a.l. se modifica el estado de agregación y las propiedades de numerosas sustancias: los gases, menos el hidrógeno, helio y neón, se licuan e incluso solidifican cloro, amoniaco, etc.. Los líquidos se solidifican y el mercurio forma una masa dura utilizable incluso como un martillo. El cinc y los plásticos se hacen quebradizos. El caucho pierde elasticidad. El a.l. se emplea en procesos a muy baja temperatura y para destilar sus componentes: oxígeno, nitrógeno y gases nobles. Esta industria se inició a principios de siglo, para obtener oxígeno de alta pureza, requerido en la soldadura y corte de metales, y nitrógeno, también de gran pureza, para síntesis de amoniaco y fabricación de cianamida cálcica. Hacia 1930 se dan dos circunstancias de efectos complementarios: por un lado, la industria química, el alto horno y la fabricación de cementos, entre otras, sustituyen el a. por oxígeno, sin exigir la elevada pureza que requiere la soldadura, y, por otro, el mejor conocimiento de los procesos de licuación y destilación del a. permite aplicar a este fin técnicas más sencillas y además más baratas. Aún se abarata más, pues la mayor demanda permite instalaciones de elevada capacidad, con la consiguiente economía de escala, y la menor riqueza necesaria disminuye los costes de fabricación, al ser menos exigente la destilación (v.).

En la actualidad, la industria del a. l. cubre la demanda de los siguientes productos: a) Nitrógeno de alta pureza, más del 99,8% (gas), para fabricar amoniaco o cianamida cálcica. b) Oxígeno de alta pureza, más del 99,5% (gas o líquido) para soldadura y corte de metales.

c) Oxígeno de media pureza, 8599% (gas), para la industria química: oxidación de acetaldehído a ácido acético, de metano a acetileno, etc.; craqueo húmedo del metano para producir el gas de síntesis (monóxido de carbono e hidrógeno), etc. d) Aire enriquecido, menos de 85%, u oxígeno de baja concentración, como comburente para los altos hornos siderúrgicos, los hornos de cementos, los de tostación de piritas pobres, etc. e) Gases nobles como subproducto de las fabricaciones anteriores para llenar lámparas, tubos luminosos y otros artificios electrónicos, así como diversas aplicaciones específicas: el argón para soldadura de metales ligeros, el helio en aerostación, etc.

Cualquiera que sea el grado de pureza pretendido, para separar por destilación los componentes del a. es necesaria la previa licuación parcial del mismo y esto implica un cierto nivel de enfriamiento, que presupone una compresión y un aprovechamiento del frío a través de un intercambio calorífico. Las etapas, pues, de la separación de los componentes del a. son: compresión, intercambio calorífico, expansión o producción de frío y destilación o rectificación.

Licuación del aire. El necesario enfriamiento del a. para licuarlo no puede lograrse en la práctica por contacto mediato con un fluido de temperatura suficientemente baja, porque tal fluido no existe; se usa el a. l. para licuar el helio o el hidrógeno y no al revés. La realización práctica se lleva a cabo: 1°, por compresión isotérmica (a temperatura constante) del a., que aporta la energía necesaria para el proceso, y 2°, por expansión del mismo, en la que se origina el frío. Esto último se produce de dos formas, ambas utilizadas industrialmente:

a) Expansión isentálpica (a entalpía (v.) constante), cuando el a. se deja expandir a través de una estrangulación de una llave poco abierta, p. ej. sin producir trabajo exterior. El enfriamiento se produce a costa de la energía interna de las moléculas gaseosas, de acuerdo con el primer principio de termodinámica (v.), y el correspondiente salto de temperatura se denomina efecto JouleThomson. Industrialmente fue utilizado por primera vez por Linde (1895) para licuar el a.

b) Expansión isentrópica (a entropía (v.) constante), cuando el a. se expande en el interior de un sistema émbolocilindro, con producción de trabajo externo. El grado de enfriamiento que se logra es bastante mayor que en el caso anterior y, además, al poderse recuperar parte del trabajo de expansión resulta aliviado el gasto de compresión previa. Este efecto refrigerante lo utilizó por primera vez con fines industriales G. Claude (1902). El inconveniente reside en la dificultad práctica de efectuar la operación, por aparecer a.l. en el expansor que produce dificultades mecánicas y térmicas y en la lubricación de un sistema mecánico a temperatura tan baja.

En la práctica el frío necesario no se consigue de una sola vez, sino por varias repeticiones de la compresiónexpansión y aprovechando el frío de los productos resultantes a. no licuado o los gases producidos en la destilación para preenfriar el a. comprimido antes de su expansión. Resultan así los ciclos de Linde (isentálpico) y de Claude (isentrópico).

El ciclo de Linde ha incorporado dos importantes mejoras: la prerrefrigeración y el doble ciclo de expansión. La prerrefrigeración enfría el a. comprimido antes de su expansión isentálpica, aprovechando que el enfriamiento de la expansión es más intenso a 40° C. que a temperatura ordinaria (mayor diferencia de temperaturas antes y después de la expansión). Este enfriamiento previo, complementario del obtenido con los gases del propio ciclo, se consigue de forma sencilla y económica haciendo circular el a. comprimido por un serpentín bañado por amoniaco líquido. El frío así producido es más barato que el obtenido por vía isentálpica y el rendimiento de la licuación se eleva un 40% aproximadamente.

El doble ciclo de expansión se adoptó al analizar la dependencia entre frío producido y trabajo consumido en la expansión. En efecto, el trabajo es función del cociente entre las presiones final e inicial, mientras que el descenso isentálpico de temperatura depende de la diferencia de presiones. Interesa operar, por tanto, con presiones cuya diferencia sea máxima y cuyo cociente sea mínimo; esto puede apreciarse al comparar dos supuestos a las presiones siguientes: a) de 1 a 50 atm., y b) de 150 a 200. La diferencia de presiones es la misma en ambos y, por tanto, también la producción de frío, pero el primero consume 3,6 veces más energía que el segundo.

Si bien en principio parece preferible la expansión isentrópica, las dificultades prácticas aludidas permiten tener en cuenta la expansión isentálpica, sin complicaciones mecánicas. Por tal motivo, Haylandt propuso un ciclo mixto LindeClaude: la corriente de a. comprimido se divide en dos, una de ellas se expansiona isentálpicamente y la otra isentrópicamente, pero desde una temperatura no demasiado baja para que en el cilindro de expansión no aparezca líquido causante de las perturbaciones. La primera es la encargada de producir el líquido; la otra aporta frío, simplemente. La proporción en que interviene una y otra expansión en el sistema Haylandt está perfectamente ajustada a las condiciones del óptimo económico.

Destilación del aire líquido. Se aprovecha para ello que el punto de ebullición del oxígeno es unos 130C superior al del nitrógeno, a la presión ordinaria. La técnica más extendida en la industria es la doble columna de Linde, esquemáticamente representada en la figura. La columna inferior trabaja a mayor presión (56 atm.) que la superior (1 atm.). El frío se produce en las expansiones isentálpicas de las válvulas VI, V2 y Vs. El condensado de la columna inferior suministra el reflujo necesario, a través de Va, para rectificar el nitrógeno en la columna superior.

V. t.: COMPRESORES; FRÍO, TÉCNICA DEL.

A. VIÁN ORTUÑO , A. ROMERO GONZÁLEZ.

BIBL.: E. R. RIEGEL y J. A. KENT, Química industrial, Barcelona 1964; M. RUHEMANN, The Separation of Gasses, 2 ed. Oxford 1949.