Licuefacción de Gases

Un gas puede ser licuado bajando la temperatura e incrementando la presión. A bajas temperaturas, las moléculas del gas pierden energía cinética. El lento movimiento de las moléculas las aglomera por las fuerzas de atracción entre ellas y pasa a ser un líquido. Lo mismo sucede si se incrementa la presión. Las moléculas de gas se juntan por compresión y fusionan en forma de líquido.

Andrews (1869) estudio las condiciones P-T de la licuefacción de varios gases. Estableció que por cada gas existe una temperatura por debajo la cual el gas puede ser licuado pero por encima resiste la licuefacción. Esta temperatura es llamada temperatura crítica de un gas.

La temperatura crítica, T c, de un gas puede ser definido como la temperatura a la cual ya no se puede licuar sin importar que tan fuerte sea la presión aplicada.

La presión crítica, Pc, es la mínima presión requerida para licuar un gas a su temperatura crítica.

El volumen crítico, V c , es el volumen ocupado por un mol de gas a su temperatura crítica y volumen crítico.

T c, Pc y V c , son llamados colectivamente constantes críticas de un gas. Todos los gases reales tienen constantes críticas particulares.

A temperatura crítica y presión crítica, el gas se hace idéntico a su líquido y se dice que se encuentra en estado crítico. A la lenta fusión del gas en su correspondiente líquido se le llama fenómeno crítico. Andrew demostró el fenómeno crítico en gases tomando muestras de dióxido de carbono.

Isotermas de Andrew sobre el Dióxido de Carbono

Las curvas P-V de un gas a temperatura constante son llamadas isotermas. Para un gas ideal PV=nRT y el producto PV es constante si T es fijo (Figura 3.7). Por tanto, las isotermas serán parábolas rectangulares.

Para un gas ideal PV=nRT y el producto PV es contante si π es fijo. Por tanto. Las isotermas serán parábolas rectangulares.

Andrew trazó las isotermas del dióxido de carbono para una serie de temperaturas. De la Figura 3.8 puede ser visto que hay tres tipos de isotermas: aquellas arriba de los 31ºC, aquellos debajo de los 31ºC y el que está a los 31ºC.

a) Isotermas arriba de 31º C: el isoterma a 25ºC es una hipérbola rectangular y es muy aproximado al isoterma de un gas ideal. Así lo son todos los demás isotermas arriba de los 31ºC. Por lo tanto, en la región arriba de la isoterma a 31ºC, el dióxido de carbono siempre existe en estado gaseoso.

b) Isoterma por debajo de los 31ºC: los isotermas debajo de 31ºC son discontinuo. Por ejemplo, el isoterma de 21ºC consiste en tres partes:

i) La Curva AB: Es una curva PV para dióxido de carbono gaseoso. A lo largo de AB, el volumen decrece gradualmente con el incremento de presión. En B el volumen decrece súbitamente debido a la formación de dióxido de carbono líquido, que tiene mayor densidad.

ii) La Porción Horizontal BC: a lo largo de la porción horizontal BC de la isoterma, la licuefacción continua mientras la presión permanece constante. En C todo el gas se ha convertido en líquido.

iii)La Curva Vertical CD: Esta parte de la isoterma es, de hecho, la curva P-V del dióxido de carbono líquido. Es casi vertical debido a que el líquido no es compresible.

La presencia de fuerzas intermoleculares entre las moléculas de los gases sugiere que todos los gases pueden ser licuados si son sujetos a altas presiones y bajas temperaturas. El descubrimiento del fenómeno crítico por Thomas Andrews en 1861 demostró que los gases no pueden ser licuados por la simple aplicación de presión; primero deben ser enfriados por debajo de su temperatura crítica y luego expuesto a la presión adecuada para la licuefacción.

Los principios implicados en la licuefacción son:

I. Un gas debe estar debajo de su temperatura crítica. Más debajo la temperatura se encuentre del valor crítico, será más fácil la licuefacción y menor será la presión requerida para la licuefacción; y

II. El gas es enfriado ya sea mediante trabajo externo o por expandir en contra de las fuerzas internas de atracción molecular.

Las bajas temperaturas para la licuefacción de gases se pueden alcanzar por las siguientes técnicas:

a) Uso de mesclas refrigerantes.

b) Enfriamiento por la rápida evaporación de un líquido volátil

c) Enfriamiento por el efecto Joules-Thomson

d) Enfriamiento por expansión adiabática involucrando trabajo mecánico

e) Enfriamiento por desmagnetización adiabática.

Uso de soluciones refrigerantes

Las soluciones refrigerantes tales como el hielo con varias sales y el dióxido de carbono sólido con éter, alcohol o acetona fueron los más temprano usados en la licuefacción de gases. La

adición de sal al hielo resulta en el derretimiento parcial del hielo y un descenso de la temperatura. La sal añadida disuelve el agua formando una solución. Ambos proceso, videre licet1, el derretimiento del hielo y la disolución de la sal, son procesos endotérmicos; la temperatura de la mescla progresivamente desciende y hasta que la solución se encuentra saturada tanto de hielo como de sal. Esta es la temperatura más que se puede lograr con cualquier solución refrigerante.

Con el uso de soluciones refrigerantes, Faraday licuó una gran cantidad de gases, los cuales fueron llamados gases temporales. Por otra parte, los gases teniendo temperaturas críticas bajas no pueden ser licuados. Estos fueron denominados como gases permanentes.

Enfriamiento por la Acelerada Evaporación de un Líquido Volátil

Este método fue empleado por primera vez por Pictet y Cailletet. Un líquido de fácil volatilidad es rápidamente evaporado para enfriar y licuar un líquido menos volátil. Este es el principio debajo del Proceso de Cascada (Figura 2.20) para la licuación de O2.

Enfriamiento por el Efecto Joules-Thomson

Linde usó el efecto Joules Thomson como base para la licuefacción de gases. Cuando a un gas comprimido se le permite expandirse en el vacío o en una región de baja presión, este produce enfriamiento intenso. En un gas comprimido, las moléculas están muy cerca y la atracción entre ellas es apreciable. A medida que el gas se expande, las moléculas se apartan. Al hacer esto, la atracción intermolecular debe es superada. La energía para eso es tomada del propio gas, el cual es enfriado de ese modo.

1 “Viz.”, “vicelicet”, “a saber”, “como sigue”, “llamado”, “con permiso para ver/contemplar”; muy usado, en especial en el inglés escrito, para dar más detalles o ser más específico acerca de algo que acaba de escribir.

Linde usó un sistema que trabajó con el antedicho principio para la licuefacción de gases (ver figura 3.9). El aire puro y seco es comprimido a 200 atmosferas. Este atraviesa una tubería refrescada por un líquido refrigerante como el amoniaco. Aquí, el calor de compresión es eliminado. El aire comprimido es luego pasado por una tubería con una salida a chorro más baja. La libre expansión del aire en el caño resulta en un caída considerable de temperatura. El aire frío, el cual se encuentra a cerca de una atmosfera de presión, pasa a una cámara de expansión. En subsecuentes enfriamientos el aire que ingresa por la tubería espiral y regresa al compresor. Al repetir el proceso de compresión y expansión, la temperatura desciende lo suficiente para obtener aire licuado. EL aire licuado se recolecta al fondo de la cámara de expansión.

Enfriamiento por Desmagnetización Adiabática

Giauque and Debye independientemente sugirieron una nueva técnica para la producción de bajas temperaturas mediante el uso de desmagnetización adiabática de sales paramagnéticas, como el floruro de cerio, sulfato de gadolineo y otras sales de tierras raras.

En esta técnica, la sal paramagnética primero es enfriada con helio líquido en presencia de un campo electromagnético fuerte. El helio líquido es luego bombeado afuera dejando a la sal magnetizada y enfriada, termalmente aislada del ambiente. El campo electromagnético luego se apaga, la sal entonces experimenta un proceso adiabático reversible en el cual los espin atómicos se desordenan, id est, la entropía de la sal incrementa. La energía de esta transformación debe venir de la estructura cristalina y, por tanto, la temperatura debe caer.

Una temperatura de 0.001 K se obtuvo por Lerden y colaboradores. LA desmagnetización de espin nucleares puede ser usada para obtener temperaturas cerca de 2×10−5K.

El Método de Claude

El método de Claude para la licuefacción de gases es más eficiente que el de Linde. En este método también el enfriamiento es producido por la libre expansión de un gas comprimido.

El gas está hecho para hacer trabajo mecánico impulsando un motor. La energía para ello viene del propio gas que enfría. Así, en el método de Claude, el gas en enfriado no solo por vencer las fuerzas intermoleculares, sino también por la ejecución de trabajo. Esta es la razón por la que el enfriamiento producido es más grande que en el método de Linde.

Claude usó el equipo mostrado en la Figura 3.10 para la licuefacción de aire. Aire puro seco es comprimido a cerca de 200 atmosferas. Este es dirigido a través de un conducto enfriado por líquido refrigerante para retirar cualquier calor producido durante la compresión. La tubería llevando el aire comprimido luego entra en la cámara de expansión. El conducto se bifurca y una parte del aire pasa a través del tubo lateral dentro del cilindro de un motor. Aquí se expande y empuja el pistón. Así el aire ejerce trabajo mecánico por medio del cual se enfría. El aire luego entra en la cámara de expansión y enfría el aire comprimido a través de la tubería espiral. El aire experimenta enfriamientos adicionales por expansión en el caño y se licua. El gas escapando de licuefacción regresa al compresor y el proceso completo es repetido una y otra vez.