Principios y Aplicaciones del Efecto Joule-Thomson en la Licuefacción de Gases

Efecto Joule-Thomson: Fundamentos y Aplicaciones

El efecto Joule-Thomson es la variación de temperatura que experimenta un gas ante una expansión adiabática irreversible contra vacío, la cual, por tanto, es isoentálpica.

En este tipo de expansión, el gas no realiza trabajo, ya que se expande contra vacío. Por consiguiente, las leyes de los gases ideales predicen que en estos procesos no hay cambio de temperatura.

En la realidad, ante una expansión de este tipo, se produce un descenso o un incremento en la temperatura, dependiendo del gas. Este fenómeno se atribuye a la interacción entre las moléculas del gas, que se supone nula para un gas ideal, pero no es así en el caso de un gas real.

Así, si predomina la fuerza de atracción entre las moléculas, la expansión de Joule-Thomson conlleva un alejamiento entre ellas que debe ser superado a expensas de la energía cinética (térmica) de las moléculas que se alejan.

Si, por el contrario, predomina la repulsión, estas fuerzas actúan como un muelle comprimido que impulsa la separación entre moléculas, incrementando su energía cinética y, con ello, su temperatura.

Temperatura de Inversión

La temperatura de inversión es la temperatura por debajo de la cual hay que enfriar un gas para que, al expandirlo, se enfríe aún más.

Procesos de Licuefacción de Gases

Existen diversos procesos para la licuefacción de gases, cada uno con sus principios y características:

• El proceso Siemens está basado en una expansión isoentrópica (o idealmente isoentrópica) que se lleva a cabo en un expansor. El rendimiento de este proceso es elevado, pero tiene el inconveniente de que el expansor es una pieza móvil que opera a temperaturas muy bajas y genera problemas mecánicos.
• El proceso Linde utiliza el efecto Joule-Thomson para producir frío. Es un proceso con menor rendimiento, pero mecánicamente es mucho más robusto al no tener partes móviles.
• El proceso Claude también se basa en el efecto Joule-Thomson para producir descensos de temperatura y la licuefacción, aunque el esquema de compresiones/expansiones es diferente y difiere también en la recuperación del frío, que es vital en ambos procesos.

Comparación entre los Procesos Linde y Claude

En el proceso Linde, la diferencia fundamental con el proceso Claude se encuentra en la forma de realizar la rectificación.

La columna simple de rectificación tiene el problema de producir frío en el condensador (en la cabeza) para generar el indispensable reflujo de líquido que permite el enriquecimiento. Por lo tanto, una columna simple que destila aire puede concentrar el oxígeno líquido en la parte inferior, pero debe dejar escapar el nitrógeno (con un 8% de O₂, que es la composición de equilibrio) por la cabeza en forma gaseosa.

Una solución a esto, más o menos inmediata, es la introducción de una fase de recompresión adicional en la que se tomarían los gases de la cabeza (la fracción más ligera), se recomprimen, se pasan por el calderín para enfriarlos a la vez que se produce el vapor en la zona de agotamiento, y se expanden, dando lugar a una mezcla líquido-vapor que se vierte en la cabeza de la columna.

El proceso Claude es análogo en muchos aspectos al Linde. También tiene dos zonas de presión, pero se diferencia por el uso de un condensador parcial que enriquece la alimentación primaria en N₂, que se enfría en la columna de rectificación y se expande para crear la mezcla líquido-vapor que da lugar al reflujo.