Escuela Politécnica Nacional Título: Aire Liquido
AIRE LÍQUIDO PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL AIRE EN GENERAL Se denomina aire a la mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad. El aire es esencial para la vida en el planeta, es particularmente delicado, fino, transparente en las distancias cortas y medias si está limpio, y está compuesto, en proporciones ligeramente variables por sustancias tales como el nitrógeno, oxígeno, la cual su composición volumétrica es 78% nitrógeno, 21%oxigeno y en otros como vapor de agua (variable entre 0-7%), ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y algunos gases nobles como el criptón o el argón, es decir, 1% de otras sustancias. El aire está compuesto principalmente por nitrógeno, oxígeno y argón. El resto de los componentes, entre los cuales se encuentran los gases de efecto invernadero, son el vapor de agua, dióxido de carbono, metano, oxido nitroso y ozono, entre otros. Otro tipo de substancias pueden estar presente en pequeñas cantidades como polvo, polen y esporas, y Ceniza volcánica. También es detectable la presencia de elementos vertidos a la atmósfera en forma de contaminante como el cloro y sus compuestos, flúor, mercurio y compuestos de azufre. El contenido del aire en vapor de agua se eleva por término medio a 1-1,5% en e n volumen. Además contiene el aire pequeñas cantidades de peróxido de hidrogeno, ozono amoniaco, acido nitroso nitrito amónico, y en las comarcas industriales, además, hollín y gas sulfuro. PROPIEDADES FISICAS DEL AIRE Todos los gases, independiente de sus propiedades, tienen un comportamiento que es característico del estado gaseoso .Los gases, tienen masa y adoptan la forma del recipiente que los contiene. El aire ocupa espacio: aunque al mirar el cielo no veamos nada, los gases del aire están ahí ocupando espacio. Tienen la capacidad de desplazarse de un lugar a otro y ocupar todos los espacios vacíos o que nos parecen vacíos.
El aire se expande y se contrae: los gases llenan todo el espacio del que disponen de manera uniforme, no tienen un volumen propio .Cuando un gas se calienta ocupa mayor volumen; el gas se dilata al calentarse y se contrae al enfriarlo.
El aire es una mezcla de gases: los componentes del aire están mezclados pero no químicamente combinados. La composición de la atmósfera varía de acuerdo a la latitud y altitud, los compuestos químicos en cambio, son siempre los mismos. Densidad del aire: La densidad es la masa de una sustancia contenida en una unidad de volumen, se expresa en gramos/ . Todas las sustancias tienen una densidad propia a una determinada temperatura. Por ejemplo la densidad del agua es 1 gramos/ , esto significa que un volumen de 1 de agua pesa 1 gramo. El valor de la densidad calculada para el aire seco y frío es 0,001293 gr/cc, esto significa que hay 0,001293 gr de aire en 1 cc de volumen a temperatura ambiente. d=m/v donde d = densidad m = masa v = volumen Las pequeñas variaciones de la densidad del aire La humedad atmosférica: Por la evaporación de los depósitos de agua naturales y de las precipitaciones, el aire tiene cantidades variables de agua. Se llama humedad absoluta a la cantidad de vapor de agua que hay en una unidad de volumen de aire, en un tiempo y lugar determinados. Cuando la humedad absoluta llega a cierto valor, que depende de la temperatura, el vapor comienza a condensarse en pequeñas gotas, en este momento el aire ha alcanzado su punto de saturación. La cantidad de agua que soporta el aire hasta saturarse es directamente proporcional con la temperatura. A mayor temperatura, mayor humedad. Es de menor peso que el agua. Es de menor densidad que el agua. Tiene Volumen indefinido.
No existe en el vacío. Es incoloro, inodoro e insípido. Expansión: Aumento de volumen de una masa de aire al verse reducida la presión ejercida por una fuerza o debido a la incorporación de calor. Contracción: Reducción de volumen del aire al verse presionado por una fuerza, pero este llega a un límite y el aire tiende a expandirse después de ese límite. Fluidez: Es el flujo de aire de un lugar de mayor a menor concentración sin gasto de energía Presión atmosférica: Fuerza que ejerce el aire a todos los cuerpos. Volumen: Es el espacio que ocupa el aire. Viscosidad: Es de 0,018 cP (a 20 °C) Propiedades de la mezcla Psicrometría PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AIRE Reacciona con la temperatura condensándose en hielo a bajas temperaturas y produce corrientes de aire. Está compuesto por varios elementos entre ellos el oxigeno (O2) y el dióxido de carbono elementos básicos para la vida. El aire alimenta la combustión. Oxida la mayor parte de los metales. Las propiedades químicas del aire solo similares a las del oxigeno CONDENSACION DEL AIRE La condensación es el cambio de la física del estado de la materia de la fase gaseosa a la fase líquida, y es el inverso de la evaporación. Cuando ocurre la transición de la fase gaseosa a la fase sólida directamente, el cambio se llama deposición. Tras la ralentización de las moléculas del material, las fuerzas de atracción global entre estos prevalecerán y reagruparlos realizando en ellos a una distancia comparable a su tamaño. Dado que las moléculas de condensación sufren de grados de libertad y reducción de los rangos de movimiento, antes de su energía cinética debe ser transferido a una entidad que absorbe más frío, ya sea un centro de condensación en el volumen de gas (las moléculas más frías de las especies, los granos de polvo frío, etc ) o
alguna superficie de contacto. La condensación es iniciada por la formación de los / las agrupaciones atómicas moleculares de la especie dentro de su volumen como la lluvia caída, gaseoso o copo de nieve en la formación de nubes o en el contacto entre la fase gaseosa y como un disolvente) líquido o sólido superficie La licuefacción de gases incluye una serie de fases utilizada para convertir un gas en estado líquido. Los procesos se utilizan para fines científicos, industriales y comerciales. Muchos de los gases se pueden poner en estado líquido a presión atmosférica normal por simple refrigeración y otros como el dióxido de carbono, requieren presurización. La licuefacción de los gases es un proceso complicado que utiliza diferentes compresiones y expansiones para lograr altas presiones y temperaturas muy bajas, utilizando por ejemplo turbo expansores. Condensación del aire Purificación previa del aire.- Se debe mencionar que antes de que el aire entre en los aparatos de licuefacción estos deben ser sometidos a un secado cuidadoso, y eliminarse todo el que contenga; ambas operaciones son imprescindibles. Las mínimas cantidades de estas impurezas que quedan se congelan, en particular en los intercambiadores de calor de contracorriente, obturando poco a poco su ya estrecho sistema tubular. Existen diversos métodos para condensar el aire, de los cuales se mencionara algunos: Procedimiento Linde: El aire es aspirado por un compresor a una presión y a la temperatura , y condensado hasta la presión . Por una refrigeración intermedia con agua se ha separado en 3 el calor de compresión. Admitiendo la compresión isoterma, el aire vuelve a estar de nuevo a la temperatura , pero a la presión . Fluye después en el intercambiador de calor, en el cual es enfriado por el aire frio de escape. AL atravesar este aire la válvula estrangulada se enfría todavía más, bajando su temperatura por el efecto Joule-Thomson que allí se produce, y en parte se liquida. La parte que continúa en estado gaseoso atraviesa el intercambiador de calor, del que sale a la temperatura , es decir, un poco más frio que el aire aspirado. El aire liquido puede ser evacuado del depósito por la válvula. Este proceso experimentalmente no indica los valores obtenidos con lo calculado teóricamente. Con el fin de mejorar este factor de rendimiento, todavía favorable, Linde propuso dos métodos.
La instalación de un circuito de alta presión. El enfriamiento previo por maquinas frigoríficas auxiliares.
Instalación de un circuito de alta presión.- El aire fresco entra y es comprimido por el compresor intermedio hasta una presión moderada, por ejemplo 20 atm. Se junta con el aire de retorno del licuefactor a presión media en el intercambiador de calor, y la mezcla es comprimida en el compresor de alta presión, por ejemplo, a 200 atm. Este aire de alta presión pasa por el aparato de contracorriente y es expansionado en la válvula a presión media (20 atm). Se liquida así una porción del aire que es recogido en el depósito. El aire líquido del depósito se expansiona en su totalidad mediante una válvula y puede ser retirado del depósito a traces de una válvula de espiga, mientras que la parte del aire que se ha vaporizado. Cede su frio al intercambiador de calor y escapa al exterior o retorna a la parte de aspiración del compresor. La porción de aire que se ha liquidado debe ser compensada mediante aspiración de aire fresco por el compresor. El balance de energía para este procedimiento es más favorable que en el método Linde simple, porque para la compresión desde 50 a 200 atm el consumo de energía necesario es esencialmente más pequeña que para comprimir desde 1 a 50 atm, y la expansión de 200 a 50 atm produce una cantidad de frio mucho más considerable que la expansión de 50 atm a 1 atm. En números redondos, el consumo de energía es del 52% comparado con el circuito simple. Enfriamiento previo.- El rendimiento del licuefactor puede ir aumentando mediante maquinas frigoríficas accesorias (amoniaco) que permitan aprovechar el aumento que experimenta el efecto Joule-Thomson a medida que baja la temperatura. Mediante una compresión hacia abajo, hacia una zona en la cual las líneas de entalpia constante son más abruptas, y en consecuencia el aumento de entalpia por unidad de frio es menor. Como el aumento de entropía es una medida de ineficacia termodinámica, lo que hace el enfriamiento previo es perfeccionar el grado de eficacia del circuito, con lo que aumenta simultáneamente la porción de aire liquidado. A esto hay que añadir que lo que en un principio pareció una complicación, es decir el empleo de maquina frigoríficas auxiliares, se vio después que influyen muy favorablemente por cuanto a , sólo se necesitan, para cada 1000calorias, de 1,00 a 1,25 HPh. Si, por ejemplo, se enfría previamente el aire a , el consumo efectivo de energía por 1 Kg de aire líquido baja, en el caso de la expansión simple, desde 200 atm a 1 atm, a 1,378 HPh, y en el caso del circuito de alta presión entre 200 atm y 50 atm, incluso desciende a 0,905 HPh, es decir, en este caso es 3.6 veces el teórico. Este número se ve aumentado prácticamente por perdidas inevitables, porque en el aparato no existe una compensación exacta de temperatura entre el aire que entra y el que sale ; porque hay pérdida de irradiación (1-3 Kcal por Kg de aire circulante) y por vaporización del aire liquido al sacarlo del aparato (2-5% de la cantidad total) Procedimiento Claude: G. Claude, pensando que la fuerte disminución de temperatura producida por la expansión del aire con producción de trabajo externo era al mismo tiempo aprovechable para el consumo de trabajo de su procedimiento de producción de aire líquido,
introdujo, con éxito técnico, la máquina de expansión que llamo . El motor de expansión con este fin ya había sido propuesto en 1857 por Ch. W: Siemens, y treinta años después lo describió Solvay. Sin embrago, para usarlo se tropezaba con grandes dificultades técnicas, de las cuales la más importante consistía en que todos los lubricantes se congelaban a la temperatura de licuefacción del aire. Claude descubrió en el Éter de petróleo, un lubricante que no solo permanecía líquido, sino que adquiría la viscosidad de un buen aceite de engrase. Descubrió, además, que el aire, tan pronto llegaba por enfriamiento a su temperatura de licuefacción formaba una película en sus puntos de contacto con partes de la máquina, y que este film cumplía la misión de lubricar dichas partes. Pero las pérdidas de frio por irradiación en la superficie de la máquina de expansión eran muy considerables, y por otra parte la presencia de grandes cantidades de líquido en el cilindro de expansión puede provocar golpes de líquido, peligrosos para la máquina. En vista de estos inconvenientes, Claude ideo un rodeo para solventarlos. No utilizo el rio recuperable producido en el détendeur por la expansión para liuquidar directamente el aire, sino que la traspaso a otra cantidad de aire comprimido, a la que liquidaba en otros aparatos que llamo . Ahora bien, como la transmisión de frio es siempre incompleta, resulta que, aun en los casos más favorables la cantidad de frio utilizable para la liquidación final del aire apenas es más grande que la aprovechada en una estrangulación. El aire atmosférico es aspirado por compresores escalonados, provistos de refrigeración intermedia; el aire comprimido así a 60 atm, por ejemplo, después de enfriarse en el intercambiador de calor de contracorriente es dividido en dos partes. El 70% del aire es dirigido para atravesar el motor de expansión, donde se distiende a la presión atmosférica produciendo trabajo que puede ser aprovechado para mover el dinamo, o también como energía supletoria de los motores que accionan los compresores. El 30% del aire fluye directamente hacia el licuefactor. En este aparato el aire es liquidado bajo su presión primitiva por el aire frio que procede de la máquina de expansión, y atravesando el intercambiador de contracorriente, donde cede su frio, es expansionado al salir por la válvula y liquidándose para ser recogido en estado líquido en un recipiente, de donde puede ser evacuado por la válvula que el deposito lleva en su fondo. Los gases de escape del depósito, formados en parte del aire líquido que se ha evaporizado, suben por el intercambiador de calor, y después de mezclarse con aire frio procedente de la máquina de expansión, atraviesan los dos intercambiadores de calor. Finalmente, abandonan el aparato y a una temperatura algo inferior a la que tenían al ser aspirados. La temperatura de entrada del aire en la máquina de expansión sube con rapidez al aumentar la presión, mientras que en los casos favorables la fracción correspondiente recuperada disminuye. Esto refuta la suposición de que gracias al gran rendimiento de enfriamiento que se conseguía con la transformación en trabajo externo, el consumo de trabajo para enfriar se vería disminuido, idea que fue la que guio a Claude en el desarrollo de su procedimiento de liquidación del aire. Las causas son las siguientes:
La producción efectiva de frio en el motor de expansión es menor que la teórica, porque se producen notables e inevitables perdidas de frio;
La transmisión indirecta de frio sólo es factible con un rendimiento malo.
En lo que se refiere al rendimiento de la máquina de expansión, hay que decir que hoy es bastante mejor que antes. Mientras que con las antiguas máquinas de pistón solo podía contarse con un factor de producción de 55-65%, con las modernas turbinas de expansión se obtiene de 70% y 80%. Esto explica que M. Ruhemann considere que el consumo de energía en el procedimiento Claude sea solo 35% del necesario para el circuito simple de Linde, esto es, 1 de HPh por cada kilogramo de aire líquido. Sin embargo, esto es un valor que se halla muy poco por debajo del que se obtiene por el método Linde de circuito de alta presión y enfriamiento precio, de modo que con razón se habla de la equivalencia en este sentido de ambos procedimientos. Hace ya bastantes años que con el procedimiento Linde se ha conseguido reducir el gaste de fuerza para 1 Kg de aire a 0,884 HPh. La utilización se la máquina de expansión ha sido desarrollada sobre todo por la firma Adolf Messer GmbH, en particular para la obtención de oxigeno gaseoso. Las instalaciones que contribuyen trabajan a presiones de 16 a 20 atm. Procedimiento Heylandt-Messer El procedimiento de Heylandt-Messer es semejante al de Claude. Se diferencia en que el aire fresco es comprimido a 150-270 atm, mientras que en el método Claude apenas se ha pasado de las 60 atm. Además, el 60-85% del aire comprimido es conducido a la máquina de expansión, ya a la temperatura ambiente, ya eventualmente empleado a . En algunos casos se trabaja a por separación de la humedad del aire como hielo. Sin embargo, en la práctica se ha suprimido el aparato de contracorriente, o se emplea sólo para disminuir la temperatura desde a a . En consecuencia, el licuefactor se ve bastante cargado que en el método Claude. Gracias a esta disposición se ha conseguido hacer bajar el consumo de fuerza a 1,13 HPh para 1 Kg de aire líquido. Este procedimiento se ha acreditado en las fábricas que obtienen oxigeno liquido como producto final. Procedimiento de Tripler y Mix El aire comprimido en tres grados de 4 a 25 a 150 atm, una vez eliminado el calor de compresión por enfriamiento con agua, penetra en dos aparatos de licuefacción, que contienen una larga hélice de tubo de cobre, con válvula de expansión en la parte inferior, y están protegidos con fieltro contra el calor externo. El aire se distiende de 150 atm a 1 atm. El aire distendido frio se reparte alrededor de las hélices y determina el enfriamiento previo del aire comprimido, de suerte que también aquí se realiza la acc ión acumulativa. A los 20 minutos comienza la licuación del aire. El aparato trabajando como hoy cede por hora 3-4 galones de aire líquido, o sea 13-18 litros. Varias veces se ha enviado aire liquido en frascos de 10 galones = 45 litros a distancias de 100 millas. 312---
PROPIEDADES DEL AIRE LÍQUIDO La composición del aire líquido, casi en todos los métodos de obtención, resulta distinta de la del aire atmosférico. Señalémosle, ante todo, un resumen del análisis del aire atmosférico. Como ya lo expusimos anteriormente. El aire liquido sólo tiene las misma composición del aire atmosférico si se ha obtenido enfriando completamente un volumen determinado de aire por debajo de la temperatura de ebullición del aire liquido a 760milimetros de presión, o sea a menos de 191 grados. Entonces los dos principales componentes del aire, oxigeno y nitrógeno, se condenan simultáneamente y en proporción invariable. Pero en cambio, si del aire comprimido en un aparato refrigernate, se condensan por expansión solo una porción se liquida mas oxigeno que nitrógeno, por ser el punto de ebullición del oxigeno mas elevado que el del nitrogeno. En las instalaciones industriales de liquidación del aire, que se aplican a la preparación de gas oxigeno puro o de aire liquido rico en oxigeno, se hace condensar solo una parte del aire atmosférico aspirado por el compresor. El resto gaseoso consiste principalmente en nitrógeno impuro y se deja en libertad, o se sigue elaborando en otro u otros aparatos de liquidación y de separación para la obtención de nitrogeno puro o de argón, o a veces de otros gases nobles. Temperatura de ebullición del aire liquido. Como el aire es esenialmenteuna mezcla de oxigeno y nitrógeno se entiende por licuefacion del aire la simultanea liquidación de ambos componentes y, por lo tanto , debe considerarse como una mezcla binaria . mientras que un gas puro a presión constante se liquida a una temperatura fija, la licuefacción de una mezcla binaria tiene lugar entre una zona de temperaturas coprendida entre las temperaturs de liquidación o ebullición de los dos componenetes. Asi, cuando se enfria mucho el aire, se separa, comenzando a 81,2 grados kelvin, primeramente el oxigeno de una manera preponderante , y a medida que la temperatura va bajando mas se separa cada vez mayor catidad de nitrógeno. El punto de ebullcion de liquido separado baja a su vez a 78,8 grados kelvin. En este intervalo se separan tamien argón, kripton y xenón, q se disulen en el aire liquido mientras el helio, neon y hidrogeno quedan qudan como gase incondensables gracias a su bajísima temperatura de ebullición Los puntos de ebullcion del aire liquido aumenta a medida que lo hace su contenido en oxigeno desde 78,8 grados kelvin que corresponde a un aire liquido con 20,9% de oxígeno, hasta 90,16 grados kelvin que es el punto de ebullición del oxígeno puro
La presión de vapor del aire liquido aumenta conforme va creciendo la temperatura, y para una temperatura determinada es menor al comenzar la condensación que hacia el
final, porque hacia el final el nitrógeno toma cada vez mayor parte en la licuefacción . por la misma causa, si la presión se mantiene constante, baja la temperatura del condensado durante la licuefacción. Ya hemos dicho al empezar el estudio del aire líquido que el calor de vaporización de los gases disminuye al aumentar la temperatura, hasta que llega a ser cero en la temperatura critica. En la licuefacción del aire, como se ha dicho antes, se separa en primer lugar el oxigeno, debido a su elevado punto de ebullición y a su pequeña volatilidad, y lo hace en una proporción mayor que la del nitrógeno, difícilmente condensable. Por esta causa, en los comienzos de la licuefacción se halla en el liquido un 48% de oxigeno. A medida que progresa el proceso de la licuefacción va disminuyendo mas y mas la cantidad de oxigeno presente en el condensado. Cuando se ha condensado un 20% del aire primitivo el aire liquido contiene todavía 40,5% de oxigeno. Esto explica el por que en los aparatos de licuefacción, en los cuales la licuefacción del aire es siempre solo parcial, el liquido contiene siempre una porción de oxigeno superior a la correspondiente en el aire primitivo. Al evaporarse este líquido, por ejemplo mientras se almacena, el nitrógeno se evapora con preferencia debido a su mayor volatilidad, y el residuo se enriquece paulatinamente en oxigeno hasta que las ultimas gotas son de oxígeno puro. Las propiedades físicas del aire líquido cambian según sea su composición: Su color, que debido a su contenido en oxigeno es de un azul claro, se vuelve más intenso a medida que aumenta la cantidad de oxigeno presente. La ligera opalescencia que pueden observarse se debe a la presencia de pequeñísimas cantidades de hielo y de cristales de hidrocarburos. Se les puede separar con facilidad por filtración a través de un pape de filtro poroso. La dependencia de la presión de vapor del aire liquido de la temperatura se los encontraran en tablas que contiene los valores hallados por B.F.Dodge y A.K.Dunbar para un líquido que contenía 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno Peso específico 237 Bibliografía: Tratado elemental de Química por Antonio Torres. Santiago de Chile 1869. Tecnología Química Tomo I Química industrial Inorgánica. Editorial Gustavo Gilis S.A. Enciclopedia de Química Industrial Dr. Fritz Ullman. Segunda edición Barcelona 1950. Química elemental moderna, Celsi Santiago A. Iacobucci, Alberto D. Buenos Aires 1955. Enciclopedia de Química Industrial H. Blucher Editorial Tecnos S.A. Madrid 1958.
Tratado de física completo y elemental por Antonio Libes. Barcelona 1821. Química general moderna, Joseph A. Babor, Jose Ibarz Aznarez, Editorial Emperadores S.A. México DF.
