UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO – FILIAL CHICLAYO

CURSO : MATERIALES DE INGENIERIA

PROFESOR :

TEMA : SISTEMAS CRIOGENICOS

AULA : 508

ALUMNA : TOLEDO GAMERO ADRIANA

PERAMAS REUPO MILENA

AREVALO ALBUJAR ALEXIS

MONSALVE MONTEZA KELLY

PIMENTEL – 23 DE OCTUBRE - 2012

INTRODUCCION:

Los procesos criogénicos se refieren a la producción y utilización de bajas

temperaturas y han tenido un incremento muy espectacular a partir de la

Segunda Guerra Mundial. En Estados Unidos es ahora un gran negocio cuyo

valor anual supera los 10 mil millones de dólares. Esta estimación se basa en una

definición generalmente aceptada de los procesos criogénicos que se refiere a la

poco usual e inesperada variación en propiedades que suceden a bajas

temperaturas y surgen como extrapolaciones de las correspondientes a

temperatura ambiente, pero no son confiables. Una definición más limitada

adscribe los procesos criogénicos a temperaturas por abajo de 125 K.

Los procesos criogénicos comprenden una tecnología muy variada de apoyo, un

medio para llegar a un fin y no un fin en sí mismo. Por ejemplo, tos gases corno

oxígeno y nitrógeno, obtenidos por la separación criogénica del aire, son gases

muy importantes en la industria. Aproximadamente el 50% del oxígeno

obtenido de esta manera se utiliza en la industria del acero, y el 20% en la

industria química de proceso. La producción de hidrógeno líquido ha

aumentado considerablemente, desde principios de la de cada de 1950, desde

cantidades a nivel de laboratorio hasta 2.1 kg/s, primero a causa del desarrollo

de armas nucleares y después gracias al programa espacial de Estados Unidos.

La era espacial ha-contribuido también al crecimiento de la producción de helio

líquido en un factor superior a 10, y se requieren grandes plantas para la

separación de helio del gas natural por medios criogénicos. Las demandas de

energía han acelerado asimismo la construcción de grandes plantas para

procesos a base de gas licuado natural (LNG) en todo el mundo y han sido el

origen de las industrias de LNG, cuyas importaciones se han incrementado

también.

El congelamiento, como medio de conservación de los alimentos, data de 1840.

En la actualidad, la industria alimenticia emplea grandes cantidades de

nitrógeno líquido para este propósito y como refrigerante en sistemas de

transporte de alimentos congelados. Los contenedores de nitrógeno líquido

tienen aplicaciones en el campo de la biología para conservar sangre, tejidos,

médula y semen animal durante largo tiempo. La cirugía criogénica ha llegado

a ser muy aceptable en la curación de enfermedades como la enfermedad de

Parkinson. Por último, se debe reconocer el papel que juegan los proceros

criogénicos en la industria de procesos químicos con la recuperación de valiosas

cargas de las corrientes del gas natural, el valor creciente del contenido de calor

del gas combustible, la recuperación de componentes útiles del aire, la

purificación de diversos procesos y corrientes de desecho, la producción de

etileno, etcétera.

PROPIEDADES DE MATERIALES DE INGENIERÍA A BAJAS

TEMPERATURAS

Para establecer las consideraciones de diseño adecuadas es necesario conocer

las propiedades y comportamiento de los materiales empleados en cualquier

sistema criogénico. En muchas ocasiones, la selección de materiales para la

construcción de equipo criogénico será dictada, además, de por las

propiedades mecánicas, por otras como la conductividad térmica (transferencia

de calor a lo largo de una estructura), la expasividad térmica (expansión y

contracción durante el ciclo entre las temperaturas ambiente y baja) y la

densidad (masa del sistema). Como las propiedades a baja temperatura llegan a

veces a ser diferentes de las correspondientes a temperaturas ambiente en un

grado significativo, no hay sustituto para los datos de prueba en una muestra

realmente representativa cuando se determina el límite de la eficacia de un

material o estructura criogénicos. Por ejemplo, algunos metales incluyen

elementos, compuestos ínter-metálicos y aleaciones presentan el fenómeno de

superconductividad a temperaturas muy bajas. Entre las propiedades que se

ven afectadas cuando el material se vuelve superconductivo se cuentan el calor

específico, la conductividad térmica, la resistencia eléctrica, la permeabilidad

magnética y el efecto termoeléctrico. Como resultado de lo expuesto antes,

debe considerarse con mucho cuidado el empleo de materiales

superconductivos en la construcción de equipos donde se requieran

temperaturas menores de 10 K.

Esfuerzo, ductibilidad y módulos elásticos

Respecto a las propiedades mecánicas, es más conveniente clasificar los

metales por su simetría reticular. Los metales y sus aleaciones cuya estructura

es del tipo cúbico centrado en las caras (fcc) son muy utilizados en la cons-

trucción de equipos criogénicos. Los metales como Al, Cu, Ni, sus aleaciones y

los aceros austeníticos del tipo 18-8 son del tipo fcc y no exhiben una transición

de impacto dúctil a frágil para bajas temperaturas. Por regla general, las

propiedades mecánicas de estos metales mejoran al disminuir la temperatura.

El esfuerzo elástico a 20 K es considerablemente mayor que a la temperatura

ambiente; el módulo de Young es 5 a 20% mayor que a bajas temperaturas, ya

que las propiedades de fatiga, con excepción del aluminio 2024-T4, también me-

joran a bajas temperaturas. Como el templado de estos metales y sus

aleaciones puede afectar tos esfuerzos último y elástico, debe tenerse mucho

cuidado en estas condiciones.

Los plásticos incrementan su esfuerzo al disminuir la temperatura; sin

embargo, este incremento en la resistencia se ve acompañado por un

decrecimiento muy rápido en la elongación cuando se somete a pruebas de

tensión, y también una disminución en la resistencia al impacto. El teflón y los

plásticos reforzados de vidrio mantienen buena resistencia al impacto cuando

disminuye la temperatura. Los plásticos reforzados de vidrio tienen también

altas relaciones de esfuerzo-

Todos los líquidos criogénicos, con excepción del hidrógeno y del helio, tienen

conductividades térmicas que aumentan al disminuir la temperatura. Para

estas dos excepciones, la conductividad térmica se reduce al disminuir la

temperatura. La teoría cinética de los gases predice de manera adecuada la

disminución en la conductividad térmica de todos los gases cuando disminuye

la temperatura.

Calor específico Esta propiedad física se puede predecir con mucha exactitud

mediante modelos matemáticos, obtenidos mediante las teorías de la mecánica

estadística y cuántica. Para los sólidos, el modelo de Deybe proporciona una

representación satisfactoria para el calor específico respecto a la temperatura.

Conductividad térmica Medíante la ley de Wicdemann-Franz es posible

obtener predicciones adecuadas de esta propiedad para metales puros. Esta

ley establece que la relación de la conductividad térmica respecto al producto

de la conductividad eléctrica y la temperatura absoluta es una constante. Debe

hacerse notar que el aluminio y el cobre de alta pureza exhiben picos de la

conductividad térmica entre 20 y 50 K, pero estos picos se suprimen con

mucha rapidez cuando el nivel de impurezas es creciente y se trabaja el metal

en frío.De hecho, las aleaciones de aluminio presentan un estado decreciente

de conductividad térmica al disminuir la temperatura. Este comportamiento

también se ha encontrado en otros metales, entre ellos Monel, Inconel y acero

inoxidable que, al presentar propiedades en este sentido, son muy útiles para

servicios criogénicos en que se requiere baja conductividad térmica en el

intervalo completo de temperaturas.

Todos los líquidos criogénicos, con excepción del hidrógeno y del helio, tienen

conductividades térmicas que aumentan al disminuir la temperatura. Para

estas dos excepciones, la conductividad térmica se reduce al disminuir la

temperatura. La teoría cinética de los gases predice de manera adecuada la

disminución en la conductividad térmica de todos los gases cuando disminuye

la temperatura.

Expansividad térmica El coeficiente de expansión térmica de un sólido se

puede estimar con ayuda de una ecuación termodinámica de estado

aproximada, que iguala-el coeficiente de expansión térmica B con la cantidad y

Cp/B, donde es la relación a dimensional del Grü-neiscn, C es el calor

específico del sólido, p es la densidad del material, y B es el módulo de masa.

Para metales del tipo fcc, el valor promedio de la constante de Grüncisen es

cercano a 2.3; sin embargo, existe la tendencia de que este valor se eleve al

aumentar el número atómico.

Resistividad eléctrica La resistividad eléctrica de la mayor parte de los

elementos metálicos puros a temperaturas ambiente y moderadamente bajas

es más o menos proporcional a la temperatura absoluta. Por otra parte, las

aleaciones tienen resistividades mucho mayores que las de los elementos que

las constituyen y los coeficientes de resistencia a la temperatura son muy

bajos. A consecuencia de esto, la resistividad eléctrica es muy independiente

de la temperatura y en algunas ocasiones puede llegar a ser de igual magnitud

que la correspondiente a la temperatura ambiente.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS CRIOGÉNICOS

Existen diversos tipos de información referentes a los datos de propiedades

termodinámicas para fluidos asociados con el procesamiento a bajas

temperaturas

Helio-4: El helio-4 líquido puede existir en dos diferentes fases: helio líquido

I, que es el helio normal; y fielio líquido II, que es un super-fluido, puesto que

en ciertas condiciones actúa como si no tuviera viscosidad. La transición de

fase entre las dos fases líquidas se conoce como línea lambda, y el lugar en

que esta línea interseca la curva de presión de vapor se denomina punto

lambda. En este fluido no se presenta el caso de la existencia de punto triple

como en otros fluidos. De hecho, es posible la existencia de helio sólido sólo

bajo una presión de 2.5 MPa o mayor.

Hidrógeno Una propiedad única de este elemento es que puede existir en dos

diferentes formas moleculares; es decir, ortohidrógeno y parahidrógeno. (Esto

se cumple también para el deuterio, un isótopo del hidrógeno cuya masa

atómica es 2.) La composición de equilibrio termodinámico de las variedades

orto y para es dependiente de la temperatura. La mezcla de equilibrio de 75%

de ortohidrógeno y 27% de parahidrógeno, a la temperatura ambiente, es la

que se conoce como hidrógeno normal.

Aire Como el aire es una mezcla de gases con predominio de oxígeno y

nitrógeno,además de otros considerados como impurezas, el desarrollo de

propiedades termodinámicas precisas ha carecido de interés. La única

correlación existente respecto a propiedades termodinámicas es la publicada

por Vasserman y sus colaboradores, que se basa en el principio de los estados

correspondientes a causa de la dispersión de los datos experimentales.

Oxígeno En contraste con otros fluidos criogénicos, el oxígeno líquido es

ligeramente magnético. También es químicamente reactivo, sobre todo con tos

hidrocarburos. El oxígeno presenta, a causa de las razones expuestas, un

problema de seguridad y requiere precauciones extra para su manejo.

Metano El rápido crecimiento de la industria del LNG ha provocado

muchísima actividad en la búsqueda de datos termodinámicos confiables para

el metano. En la literatura se ha informado sobre diversas correlaciones y

estudios acerca de este compuesto y entre las más útiles para el cálculo de

procesos se encuentran los informes de Goodwin (NBS Tech. Note 653,1974).

PRINCIPIOS DE REFRIGERACIÓN Y LICUEFACCIÓN

Un proceso para la creación de refrigeración a temperaturas criogénicas

incluye por lo general equipos a temperatura ambiente en los cuales el fluido

de proceso se comprime y el calor es rechazado hacia un enfriante. Durante el

proceso de compresión a temperatura ambiente disminuyen la entalpia y la

entropía del fluido de proceso. A la temperatura criogénica en la cual se

absorbe calor hay un aumento en estas propiedades. La disminución de

temperatura en el proceso de fluido se logra casi siempre mediante

intercambio de calor entre el fluido que se calienta y el que se enfría, seguida

de una expansión. Esta expansión puede tener lugar a través de un dispositivo

de estrangulamiento (expansión insentalpica), mediante la consiguiente

reducción de temperatura o mediante un dispositivo productor de trabajo

(expansión isentrópica), donde hay reducción de temperatura y entalpia.

En un proceso de refrigeración continua no se tiene acumulación de

refrigerante en ninguna parte del sistema. Esto contrasta con un sistema de

licuefacción de gas, en el que se acumula líquido que es retirado después. De

esta manera, el sistema de licuefacción experimenta un desequilibrio en el

flujo en los intercambiados de calor, mientras que el sistema de refrigeración

opera por lo general Con un flujo equilibrado en los intercambiadores de calor,

excepto cuando una parte del flujo se desvía hacia un expansor productor de

trabajo.

Criterio de rendimiento El rendimiento de un refrigerador real se mide

mediante el coeficiente de rendimiento (COP), que se define como la relación

del efecto de refrigeración con respecto al trabajo aplicado. Entonces:

COP= Q/W = Calor absorbido de una fuente de baja temperatura/Trabajo

neto suministrado

Otra forma de comparar el rendimiento de un refrigerador práctico es

mediante el empleo del valor de merilo (FOM), definido como

FOM = COP/COP¡

Donde COP es el coeficiente de rendimiento del refrigerador real y COP¡ es el

coeficiente de rendimiento del sistema refrigerador, termo-dinámicamente

ideal. Este valor de mérito para un sistema de licuefacción se reescribe por lo

general como

MÉTODOS DE REFRIGERACIÓN Y LICUEFACCIÓN

Sólo tres métodos de refrigeración y/o licuefacción han llegado a ser de uso

práctico: 1) vaporización de un líquido, 2) el efecto Joule-Thompson en un gas,

y 3) expansión de un gas en una máquina productora de trabajo. Por lo

general, la refrigeración comercial normal se lleva a cabo en un proceso de

compresión de vapor. Se pueden obtener temperaturas aproximadas de 200 K

en un proceso de compresión de vapor en cascada, en el que la refrigeración

se lleva a cabo por evaporación de líquido A una temperatura menor, casi

siempre se tienen expansiones isentalpicas e isentrópicas, ya sea de manera

sencilla o en combinación. Los refrigerantes que utilizan estos métodos

pueden absorber también, con pocas excepciones, calor por evaporación de lí-

quido.

Si la refrigeración debe efectuarse a una temperatura en la que no se cuenta

con líquido adecuado para absorber calor por evaporación entonces debe

producirse un gas frío para absorber el calor. Por lo general se obtiene

utilizando una máquina de expansión productora de trabajo.

Expansión Isentálpica: Un proceso termodinámico que utiliza expansión

isentálpica para lograr temperaturas criogénicas es conocido por lo común

como ciclo de Linde o J-T que se muestra esquemáticamente en la figura 1 2-

58, con su correspondiente diagrama temperatura -entropía.

El refrigerante gaseoso se comprime a la temperatura ambiente al tiempo

que rechiza literalmente calor de manera isotérmica hacia su fluido enfriante.

El refrigerante comprimido se enfría en un intercambiador de calor mediante

la corriente que retorna a la entra del compresor hasta que alcance la válvula

de estrangulamiento. En el refregamiento Joule-Thompson, una expansión

adicional reduce la temperatura, hasta que, en régimen permanente una parte

de la refrigerante pasa a fase liquida, a la temperatura ambiente. Respecto a

una refrigerador, la fracción no licuada y el vapor formado por la evaporación

del liquido desde el calor Q absorbido son calentados en el intercambiador de

calor cuando regresan al punto de admisión al compresor si se supone que no

hay calor y si los cambios de energías potencial y cinética son despreciables

en el fluido, el trabajo del refrigeración será equivalente a m (h1 – h2), donde

los subíndices se refieren a los puntos de la figura 12-58. De acuerdo con

esto, el coeficiente de rendimiento para el refrigerador simple ideal a Linde se

representa median la siguiente expresión.

COP=h1−h2

T 1 ( s1−s2 )−(h1−h2)

Cuando se trata de un sistema de licuefacción de Linde, la porción licuada se

retira de manera constante del depósito, y sólo se calienta la porción no

licuada del fluido en el intercambiador de calor a contracorriente, regresando

después al compresor. La fracción y que se licúa se obtiene por aplicación de

la primera ley al intercambiador de calor, la válvula J-T y el depósito del

líquido, obteniéndose lo siguiente:

y=(h1−h2) /(h1−hf )

donde hf es la entalpia específica del líquido que se extrae. Nótese que la

licuefacción máxima tiene lugar cuando h1 y h2 se refieren a la misma

temperatura. Si se desea tener la contabilidad de las fugas de calor, qL es

necesario modificar la relación, con lo que se obtiene:

y=(h1−h2−qL) /(h1−hf )

dando como resultado una disminución en la fracción licuada.

El refrigerante utilizado en este proceso tiene una temperatura critica por

debajo de la temperatura ambiente; en consecuencia, no es posible tener

licuefacción por compresión directa. Además, la temperatura de inversión del

refrigerador debe encontrarse por encima de la temperatura ambiente para

proporcionar enfriamiento al inicio del proceso. Si se va a utilizar el ciclo de

Linde simple para licuar neón, hidrógeno y helio, cuyas temperaturas de

inversión se encuentran por debajo de la temperatura ambiente, es necesario

tener un sistema de refrigeración auxiliar. El nitrógeno líquido es el

refrigerante óptimo para los sistemas de licuefacción de hidrogeno y neón,

mientras que el hidrógeno líquido es el refrigerante normal para sistemas de

licuefacción de helio.

Para reducir el trabajo de compresión en este ciclo, es posible emplear un

proceso de doble etapa o de presión dual, con los que se puede lograr una

reducción en la presión mediante dos etapas sucesivas de expansión

isentálpica. En virtud de que el trabajo de compresión es aproximadamente

proporcional al logaritmo de la relación de presiones y el enfriamiento Joule-

Thompson es proporcional, de modo genérico, a la diferencia de presiones, se

tiene una mayor reducción en el trabajo de compresión que en el rendimiento

de refrigeración. De lo anterior se deduce que el proceso de presión dual

produce una cantidad determinada de refrigeración con menor suministro de

energía que el proceso simple de Linde.

Expansión Isentrópica: Cuando se tiene una expansión productora de trabajo,

siempre se reduce la temperatura del fluido; de lo anterior se deduce que el

enfriamiento no depende de que haya

disminución de la temperatura de

inversión anterior a la expansión. Además,

la expansión productora de trabajo da

como resultado una cantidad mayor de

enfriamiento que una expansión

isentálpica en el mismo gradiente de

presiones. Esta situación se ilustra en

forma de diagrama en la figura 12-59,

donde TA –TB es el enfriamiento isentrópico y TA-Tc es el enfriamiento

isentálpica para una expansión adiabática entre los mismos límites de presión.

Cuando se tienen grandes sistemas que utilizan expansores, se conserva el

trabajo producido durante la expansión. En refrigeradores pequeños, la energía

obtenida de la expansión se gasta por lo general en un gas, una bomba

hidráulica u otro dispositivo adecuado. En la figura 12-60 se muestra un esquema

de un refrigerador simple que aplica este principio de expansión y también

aparece el correspondiente diagrama temperatura-entropía. El gas comprimido

en forma isotérmica a la temperatura ambiente se enfría en un intercambiador

de calor mediante un gas que se calienta en su trayectoria hacia la admisión del

compresor. Se tiene un enfriamiento adicional

durante la expansión en la máquina. Esta

expansión casi nunca llega a ser isentrópica en

forma práctica y se identifica mediante la

trayectoria 3-4 en el diagrama temperatura-

entropía. Este refrigerador específico produce un

gas frío que absorbe calor, de acuerdo con la trayectoria 4-5 y proporciona un

método de refrigeración que puede utilizarse para obtener temperaturas entre

los puntos de ebullición de las sustancias criogénicas de bajo punto de

ebullición.

Expansión isentrópica e isentálpica combinadas

No es raro combinar las expansiones isentrópicas

e isentálpica para permitir la formación de

líquido en el refrigerador. Esto se hace a

consecuencia de las dificultades técnicas

asociadas con la formación de líquido en el

expansor. El ciclo de Claude es un ejemplo de

combinación de estos métodos y aparece en la figura 12-61 con su

correspondiente diagrama temperatura-entropía.

Imagen

Ciclo refrigerante mixto: Con el advenimiento

de grandes plantas de licuefacción de gas

natural, se debe dedicar una atención especial a

los ciclos utilizados de manera primordial en la

producción de LNG, es decir, un ciclo

refrigerante mixto. Este ciclo se asemeja al principio del ciclo en cascada clásico

y se puede comprende mejor refiriéndose a aquel ciclo.

En la figura 12-62se muestra un diagrama simplificado de flujo para el proceso

en cascada clásico. Después de la purificación, la corriente de gas natural se

enfría por evaporación sucesiva del propano, etileno y metano. Cada uno de

estos gases se ha licuado en un ciclo convencional de refrigeración. Cada

refrigerante puede vaporizarse en dos o tres niveles de presión, con objeto de

mejorar la eficiencia de enfriamiento del gas natural, pero a costo del

incremento en la complejidad del proceso.

Las curvas de enfriamiento para la licuefacción por el proceso en cascada se

muestran en la figura 12-63. Es evidente que la eficiencia del ciclo en cascada

puede mejorarse de manera sustancial si se

incrementa el número de refrigerantes

utilizados. El trabajo real requerido para el

culo en cascada de nueve niveles

representado en esa figura es,

aproximadamente, el 80% del que se

requiere en el cicló de tres niveles para el

mismo esquema. Este aumento en la

eficiencia se logra al minimizar la diferencia de temperaturas a través de todos

y cada uno de los incrementos de la curva de enfriamiento.

El sistema en cascada se puede adaptar a cualquier curva de enfriamiento; por

ejemplo, la cantidad de refrigerante suministrado en los diferentes niveles de

temperatura se puede escoger de manera tal que la diferencia de temperaturas

en los evaporadores e intercambiadores se aproxime a un valor mínimo práctico

(pequeñas diferencias de temperaturas significan baja irreversibilidad y, por

consiguiente, bajo consumo de energía).

El ciclo refrigerante mixto es una variación del ciclo en cascada e incluye la

circulación de una corriente simple de

refrigerante multicomponente. La simplificación

de los servicios de compresión e intercambio de

calor en ciclos de este tipo puede ofrecer, en

condiciones específicas, un potencial para la reducción del gasto en capital

sobre la cantidad gastada en los ciclos de cascada convencionales.

En la figura 12-64 se pueden apreciar los

conceptos básicos para un ciclo de refrigeración

mixto. Algunas firmas de ingeniería son

propietarias de los derechos de ciertas

variaciones de este ciclo; sin embargo, los

procesos de refrigeración mixtos emplean una

mezcla refrigerante preparada con mucho

cuidado, que se condensa, vaporiza, separa y

expande de manera sucesiva. Entonces es posible establecer que estos procesos

requieren métodos de diseño más complejos y un conocimiento mas cabal de

las propiedades termodinámicas de las mezclas gaseosas que se requieren para

los ciclos de expansor o en cascada clásico. Esta situación se hace evidente, de

manera particular, cuando se desea que las curvas de enfriamiento sean

similares a la mostrada en la figura 12-65. Una inspección del ciclo de

refrigeración mixto pone también en evidencia que estos procesos pueden

manejar de manera rutinaria flujos en dos fases en los intercambiadores de

calor.

SEPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DE GASES

La energía gastada para la separación de mezclas gaseosas en forma reversible

es la energía requerida para comprimir cada componente a temperatura

constante, desde la presión parcial del gas en la mezcla hasta la presión final de

la misma mezcla. Este trabajo isotérmico reversible se representa mediante U

conocida relación dada a continuación:

Donde s1 y h1 se refieren a las condiciones de la separación y s2 y h2 se refieren

a las condiciones después de la separación.

- W1/m = T (S1 – S2) – (h1 – h2)

Si la mezcla es esencialmente binaria, es posible utilizar los métodos gráficos

de McCabe-Thielc y Ponchon-Savarit para obtener el número de etapas

requeridas para la separación. Sin embargo, debe hacerse notar que estos

métodos no son satisfactorios en la separación de aire cuando éste se trata como

una mezcla binaria de oxígeno y nitrógeno, si es que se desea obtener nitrógeno

con alta pureza (99% o más), ha separación de oxígeno del argón es mis difícil

que la del oxígeno del-nitrógeno y requeriría mayor cantidad de platos. De

hecho, si el argón no se extrae del aire, podría producirse oxígeno al 95%. Los

otros gases raros del aire (helio, neón, kriptón y xenón) se encuentran presentes

en cantidades muy bajas y tienen puntos de ebullición que les permiten

separarse del oxígeno y del nitrógeno, de manera que no introducen mayores

complicaciones.

Sistema de Linde de columna simple para la separación del aire De los

esquemas de operación disponibles para la separación de aire el más simple es

conocido como sistema de Linde de columna simple, introducido por vez

primera en t902. En este sistema, el aire puro comprimido pasa a través de un

intercambiador de calor para su preen fría miento (si se desea que el producto

sea oxígeno en fase gaseosa, se utiliza un intercambiador para aire de trf s

canales, para aire-nitrógeno de desecho y oxígeno en fase gaseosa; si se debe

recuperar oxígeno en fase líquida por el fondo de la columna, se debe emplear

un intercambiador de dos canales para aire y nitrógeno desperdiciado), después

se pasa a través de un serpentín en el calentador de la columna de rectificación,

donde tiene lugar un enfriamiento adicional (actuando al mismo tiempo que la

fuente de calor del calentador); después de estas etapas tiene lugar una

expansión, en esencia a presión atmosférica mediante una válvula J-T, y se llega

a formar básicamente líquido, que vuelve a entrar por la parte superior de la

columna. Después de esto tiene lugar una rectificación, con lo cual se obtiene

el producto gaseoso o liquido, según sea el caso. Si este producto es oxígeno

en fase gaseosa, el aire debe comprimirse y liberarse a presiones entre 3 y 6

MPa; si debe ser líquido, es necesario tener presiones de 2ÜMPa.

Nótese que este sistema es exactamente el mismo que el sistema de

licuefacción de Linde con la introducción de una columna de rectificación en

lugar del depósito de líquido. Sin embargo, cualquiera de los otros sistemas

de licúe facción podría ser utilizado para suministrar líquido a la columna.

Por desgracia, en un proceso de columna simple, aunque la pureza del

oxígeno sea alta, la corriente de nitrógeno es impura. La concentración de

vapor en equilibrio para una mezcla que tiene una composición inicial de 21%

de oxígeno y 79% de nitrógeno a 100 kPa de presión, es aproximadamente

del 6 al 7% de oxígeno. En otras palabras, la corriente de nitrógeno tendrá

una impureza de oxígeno de esa magnitud, con lo que no es útil para ninguna

aplicación de nitrógeno puro en fase gaseosa.

Sistema de Linde de columna dublé pura la separación de aire: El problema

de la impureza indicado en la succión anterior, fue resuelto con la

introducción de un sistema de Linde de doble columna. Las dos columnas de

rectificación se colocan una en la parle superior de la otra (de aquí el

nombre de "sistema de columna doble").

En este sistema, el aire líquido se introduce en un punto intermedio B a lo

largo de la columna inferior y un condensador-evaporador en la parte superior

de esa columna se establece como una columna de destilación con reflujo que

libere casi todo el oxígeno puro en£. Para que la columna libere de manera

simultánea el oxígeno puro, el oxígeno líquido rico (con aproximadamente el

45% de Oz) obtenido desde el fondo se introduce en un punto C intermedio

en la columna superior. El reflujo y la rectificación en la columna superior

producen oxígeno puro en el fondo y nitrógeno puro en la parte superior,

además de que la mayor parte de las impurezas se eliminan primero de la

columna. En la columna superior se produce nitrógeno más que suficiente

para las necesidades de reflujo. Como el condensador debe condensar vapor

de nitrógeno por evaporación de oxígeno líquido, es necesario operar la

columna inferior a gran presión, aproximadamente 500 kPa, mientras que la

columna superior es operada a una presión aproximada de 100 kPa. Para

poder lograr esto es necesario contar con válvulas de regulación que ayuden a

reducir la presión de los fluidos de la columna inferior cuando van a ser

admitidos en la columna superior.

En el circuito mostrado en la figura mencionada, el nitrógeno y el oxígeno

gaseosos se extraen a temperatura ambiente. El oxígeno líquido podría

extraerse en el punto A y el nitrógeno líquido en el punto E, pero en este caso

se requeriría mayor cantidad de refrigerante.

Aun las plantas de separación de aire a bajas temperaturas más modernas

tienen una eficiencia cuyo valor es sólo una fracción pequeña del mínimo

teórico, por ejemplo, del !5al 20%. Las principales fuentes de eficiencia son

tres: 1) la no idealidad de los procesos refrigerantes, 2) La imperfección de los

intercambiadores de calor, 3) Las pérdidas de refrigeración mediante las

fugas de calor.

Separación del helio del gas natural) En Estados Unidos se produce helio,

principalmente a partir del gas natural rico en helio. El contenido de helio en

el gas natural para plantas que operan de acuerdo con las disposiciones del

U.S. Burcau of Mines varía por lo general entre el 1 y 2%, mientras que el

contenido de nitrógeno del gas natural tiene una variación entre el 12 y el

80%. Los restantes componentes del gas natural son metano, etano e

hidrocarburos pesados.

En la figura 12-69 se muestra un sistema de la Bureau of Mines para la

separación de helio del gas natural. Como casi todos los constituyentes del

gas natural tienen puntos de ebullición muy diferentes del correspondiente

para el helio, no es necesario contar con una columna de destilación y la

separación puede lograrse sólo con condensadores-evaporadores. El gas

natural se comprime a 4.1 MPa y es tratado para eliminar de él bióxido de

carbono, sulfuro de hidrógeno (ácido sulfhídrico) y los vapores de agua que

entran al intercambiador del calor A, donde casi lodo es condensado por el

gas frío que sale. Después de esto, la presión se reduce a 1.7 MPa y el gas se

admite a un intercambiador de calor-separador B, donde sufre otro

enfriamiento adicional con vapor de nitrógeno. Casi se licua el 98% del gas en

el separador y la parte restante en la fase vapor consiste en

aproximadamente 60% de helio y 40% de nitrógeno con ligeras cantidades de

metano. El nitrógeno frío (vapor) que proviene del ciclo de refrigeración pasa

a la parte inferior a través de los tubos de enfriamiento del intercambiador B

y, además de su función como enfriante, colabora en la rectificación de la

fase gaseosa para incrementar su contenido de helio. Tanto el gas como el

líquido son separados en forma continua del separador. La fase gaseosa de

helio crudo se calienta a una temperatura cercana al ambiente en el

intercambiador de calor // y se envía hacia un almacenaje temporal mientras

es sometido al proceso de purificación. La fase líquida, que ha sido

degradada en su, contenido de helio, pasa al intercambiador de calor y sirve

como vehículo para enfriar y condensar el gas que llega al sistema. Para

finalizar, el gas procesado se recomprime y retorna a la línea de gas natural.

Este proceso mejora el valor del gas natural como combustible puesto que

los constituyentes no combustibles ya se eliminaron.

La purificación del helio crudo se lleva a cabo por compresión del gas a una

presión de 18.6 MPa y sometiéndolo a enfriamiento al pasar por el

intercambiador de calor//, posteriormente en el depósito de separación E,

que se encuentra inmerso en un baño de nitrógeno líquido. En el depósito de

separación casi se condensa todo el nitrógeno del helio crudo y se elimina

como líquido que contiene trazas de helio, que se elimina en su mayor parte y

se devuelve al proceso mediante la reducción de presión hasta un valor de

1.7 MPa y separando las fases líquida y gaseosa resultantes en el productor

de nitrógeno C. El helio obtenido en el separador £ tiene una pureza

aproximada de 98.5%. Todavía es posible una purificación adicional al pasar

el helio frío a través de purificadores de absorción de carbón vegetal para

eliminar el nitrógeno remanente.

Procesamiento del gas natural La necesidad de obtener mayores

recuperaciones de C2, C3 y C4 contenidos en el gas natural, ha dado como

resultado la expansión en la aplicación de procesamientos a baja temperatura

para estas corrientes. La mayor parte del proceso del gas natural a bajas

temperaturas, para la recuperación de hidrocarburos, se logra en la

actualidad utilizando el ciclo turbo expansor. La presión normal del gas de

alimentación es de 1 a 10 MPa. El primer paso es deshidratar para contar

sólo con puntos de rocío de 200 K y menores. Una vez que se ha logrado la

deshidratación, la alimentación se enfría junto con el gas residual. El líquido

producido en este punto se separa antes de entrar al expansor y enviarlo al

estabilizador de condensado. El gas obtenido del separador fluye hacia el

expansor. La corriente del expansor puede contener hasta 23% en peso de

líquido. Esta mezcla de dos fases se envía a la sección superior del

estabilizador, que separa las dos fases. El líquido se utiliza como reflujo en

esta unidad, mientras que e I gas frío intercambia calor con la alimentación

nueva y se recomprime en el compresor. Muchas variaciones de este ciclo

pueden ser posibles y han sido aplicadas en plantas reates.

Purificación La naturaleza y concentración de las impurezas depende del

tipo de proceso en que se encuentren para su separación. Como ejemplo,

considérese el caso de la producción de grandes cantidades de oxígeno,

donde diversas impurezas han de eliminarse para evitar la obstrucción de las

líneas de proceso frío o para evitar la formación de contaminantes peligrosos.

Las impurezas que se encuentran en el aire que pueden contribuir en gran

medida a la obstrucción de las líneas son el agua y el bióxido de carbono. Por

otra parte, el helio, el hidrógeno y el neón, se acumularán en el lado de

condensación del calentador de oxígeno y provocarán una reducción de la

velocidad de transferencia de calor, a menos que sean eliminados mediante

una purga intermitente. La formación de acetileno puede llegar a ser

peligrosa aunque su concentración en el aire no sea mayor de 0.04 ppm.

La purificación de refrigeración es un método relativamente simple utilizado

para la eliminación de agua, bióxido de carbono y otros contaminantes en la

corriente de proceso, mediante condensación o congelamiento (aunque es

posible utilizar regeneradores o intercambiadores de calor inversos para

lograr este propósito, ya que se necesita un flujo inverso en forma periódica,

para reevaporar y eliminar los depósitos sólidos). La eficacia de este método

depende de la presión de vapor de las impurezas en relación con la mayor

parte de los componentes que hay en la corriente de proceso a la

temperatura de refrigeración. De esta manera, sí se supone comportamiento

de gas ideal, el contenido máximo de impurezas en la corriente de gas,

después la refrigeración, debería ser inversamente proporcional a su presión

de vapor.

Sin embargo, debido a la desviación de la idealidad a presiones mayores, el

contenido máximo de impurezas será considerablemente más grande que el

predicho para la situación ideal. Por ejemplo, el contenido real de vapor de

agua en el aire será cuatro veces mayor que el supuesto para un

comportamiento de gas ideal a Id temperatura de 228 K y presión de 20 MPa.

Uno de los métodos más comunes para la eliminación de impurezas es la

purificación mediante un salido adsorbente. Entre los adsorbentes más

comunes se encuentran materiales como gel de sílice, carbono y zeolitas

sintéticas (mallas moleculares), que son muy utilizados a causa de sus grandes

áreas de adsorción. La mayor parte de los geles y carbonos tienen poros de

diversos tamaños cuyas variaciones son grandes, pero las zeolitas sintéticas se

fabrican con un control más estricto de apertura de poros dentro del intervalo

de 0.4 a 1.3 nm. Esto hace que sean más selectivas que los otros adsorbentes

citados, ya que permite la separación de gases según su tamaño molecular.

Entre la información necesaria para el diseño de absorvedores de baja

temperatura se incluye el equilibrio entre el sólido y el gas y la velocidad de

adsorción. Los datos de equilibrio para los sistemas más comunes suelen ser

proporcionados por los proveedores de cada material. Casi siempre es muy

rápida la velocidad de adsorción y ésta se lleva en forma total en una zona

relativamente estrecha del adsorbedor. Si la concentración del gas adsorbido es

considerablemente más grande que una

traza, entonces el calor de adsorción se

convierte en un factor importante para el

diseño. (El calor de adsorción es, por lo

general, del mismo orden o más grande

que el calor normal de cambio de fase.) En

esta situación, debería ser recomendable

diseñar la purificación en dos etapas, por

ejemplo, eliminar primero la parte más

significativa de la impureza, por

condensación o reacción: química, y com-

plementar la purificación con un sistema de adsorción de baja temperatura. En

la figura se muestra una combinación de estos esquemas de condensación y

adsorción.

SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO

Los recipientes de almacenamiento van desde los condensadores de bajo

rendimiento aislados con espuma rígida a algún aislamiento fibroso, donde el

líquido en el contenedor llega al punto de ebullición en pocas horas, hasta los

contenedores de alto rendimiento, que tienen aislamiento en capas múltiples

en los que solo se evapora menos del 0.1% del fluido contenido por día. En las

unidades más eficientes, los contenedores de almacenamiento consisten en un

recipiente interno que encierra el fluido criogénico que se almacena en otro

recipiente externos o chaqueta de vacio. En este último es necesario el vacío

para que el almacenamiento sea adecuado y sirve al mismo tiempo como una

barrera de vapor para la migración del agua y otros condensables en la

superficie fría del recipiente interno, que se puede lograr mejoras en el

aislamiento utilizando en estos contenedores, pero el frasco de Dewar de

pared doble con aislamiento a vacio aun es la idea básica para el diseño de

contenedores de fluidos criogénicos de alto rendimiento.

Las fugas de calor tienen lugar en estos sistemas de almacenamiento de dos

formas:

1.) Por radiación y conducción a través del aislamiento

2.) Por conducción a través de los soportes de la coraza interna, tuberías,

instrumentación y puertos o lugares de acceso

Las perdidas por conducción se reducen al introducir largas trayectorias de

fugas de calor, mediante la formación de secciones transversales para tener

bajos flujos de calor y utilizando materiales de baja conductividad térmica.

Las perdidas por radiación son el factor de fuga de calor mas importante de

corazas de radiación, como asilamiento en capa multiple, corazas para la

condensación de vapor frio y aislamientos en forma de polvo.

Se deben consideras diversos aspectos al diseñar el recipiente interno. Los

materiales de construcción deben ser compatibles con la sustancia criogénica

almacenada. Se aceptan recipientes de acero al níquel a 9% para fluidos

criogénicos de alto punto de ebullición (t<75 K) mientras que muchas

aleaciones de aluminio y aceros austeníticos son considerados

estructuralmente aceptables para cualquier temperatura criogénica, como el

aluminio posee alta conductividad térmica no es un material recomendado

para tuberías y soportes que deben cruzar el espacio de aislamiento. En

cambio a un materia de conductividad térmica mas baja introduce una especie

de junta de transición de naturaleza mecánica, es posible que se presenten

fugas en el espacio de vacio con la constante repetición de expansión del

aluminio pueden presentar problemas de soporte y perdida de enfriamiento.

Las consideraciones de economía y perdida de enfriamiento indican que la

coraza o cubierta debe ser lo mas delgada posible. A consecuencia de ello,

contenedor interno se diseña para soportar sola la presión interna y las fuerza

de flexión, mientras que los anillos endurecidos se utilizan para soportar el

peso del fluido. El espesor mínimo de la coraza para un recipiente cilíndrico

bajo presión, además del arreglo de este diseño, son determinados por la

sección VIII del ASME Bolier an Pressure Vessel Code.

Como la coraza externa del recipiente de almacenamiento esta sometida a la

presión atmosférica y bajo condiciones de evacuación y presión de 0.13 mPa

en el otro lado, se debe considerar tener un espesor que sea bastante amplio

para soportar colapsos y pandeos. En el Código ASME, citado líneas arriba, se

tiene en cuenta las fallas por inestabilidad elástica y se incluyen graficas para

el diseño de cilindros y esferas sujetas a presión externa. También se utilizan

anillos de soporte endurecidos, para soportar el peso del contenedor interno y

su contenido y sostener la coraza circular externa.

Casi siempre se construye la coraza externa en acero al carbono por razones

de tipo económico, a menos que se requiera aluminio para reducir el peso.

Debe proveerse el empleo de acero inoxidable en la coraza exterior de acero

de carbono para todas las acometidas de tubería con objeto de evitar el

contacto directo con estas penetraciones, cuando son frías.

Existen diversos métodos para soportar la coraza interna dentro de la externa

y para este propósito se seleccionan materiales que tienen una alta relación

entre el esfuerzo y la conductividad térmica. En el diseño de estos soportes se

debe posibilitar la facilidad de traslado de cargas que pueden ser distintas al

servicio. También es posibles posible utilizar soportes de comprensión como

cojinetes o pies de sostén, pero los mas comunes son los soportes de tensión,

que pueden tener forma de cables abrazaderas soldadas, barras roscadas o

una combinación de todo ello para prevenir las contracciones de la coraza

interna del contenedor en servicio.

La mayor parte de los contenedores para fluidos criogénicos se diseñan con

un volumen de merma de 10 %, con lo que permite una vaporización

razonable de los contendedores debido a la fuga de calor sin que se incurra en

un descenso rápido de la presión en el contendor. Esto permite el cierre de los

contenedores por periodos cortos para evitar pérdidas parciales de contenido

o para transportar fluidos criogénicos inflamables o peligrosos de manera

segura de un lugar a otro.

AISLAMIENTO.- como ya se ha indicado, la eficiencia de un sistema de

licuefacción o un refrigerador depende en gran medida de las fugas de calor

que tienen lugar en el sistema. Como la eliminación del calor llega a ser muy

costosa con la reducción de la temperatura, como se demostró en el ciclo de

Carnot, la mayor parte de los sistemas de criogénicos utilizan alguna forma de

aislamiento para minimizar este efecto.

El calor puede fluir a través del aislamiento a causa de la acción simultánea

de diversos sistemas, entre los que se encuentran:

1.) La conducción de sólidos

2.) Conducción de gases

3.) Radiación

Estos fenómenos se presentan de manera simultánea, como se acaba de

indicar interactúan además uno con otro, por lo que es practica común

emplear la propiedad de la conductividad térmica para caracterizar el

aislamiento. La conductividad térmica se mide experimentalmente durante la

transferencia de calor en estado estacionario y se evalúa a partir de la

ecuación básica de Fourier para una dimensión.

Los aislamientos criogénicos se dividen, de manera genérica, en cinco

categorías: alto vacio, capa múltiple, polvo espuma y aislamientos especiales,

que se analizan en la su secciones siguientes:

Aislamiento al vacío.- El transporte de valor a través de un espacio

evacuado (donde la presión es de 0.13 m Pa o un poco mayor) se

efectúa pro radiación y conducción a través del gas residual. La

transferencia de calor por radiaciones es el tipo predominante en esta

categoría y puede obtenerse un aproximado mediante la siguiente

ecuación:

Donde Qn/ A1 es la transferencia de calor por radicación /unidad de area, es

la contante de Stefan-Boltzmann, y e es la emisividad de las superficies .El

subíndice 2 se refiere a las superficie caliente, mientras que el subíndice 1

se refiere a la superficie. El termino que aparece entre corchetes es el lado

derecho de esta ecuación es conocido como factor de emisividad.

Cuando se tiene conducción gaseosa normal con conductividad térmica

constante, existe un gradiente lineal de temperatura en el espacio entre la

superficie caliente y fría , sin embargo, cuando la trayectoria libre media

de las moléculas del gas llega a ser grande en relación con la distancia

existente entre las dos superficies cuando se reduce la presión en un

espacio evacuado, se puede obtenerla conducción molecular libre, la

conducción de calor gaseosa bajo conducción moléculas libre para esferas

concéntricas, cilindros coaxiales y placas paralelas se representan

mediante la siguiente ecuación :

donde (alfa ) es el coeficiente total de adaptación , definido como

y Y es la relación de capacidades caloríficas, R es la constante molas del gas ,

M es el peso molecular del gas y T la temperatura del gas en el punto donde

se mide la presión p. los valores con subíndices A1 y A2. T1 y T2 alfa1 y alfa2 son

aéreas temperaturas y coeficientes de adaptación de las superficies frías y

calientes respectivamente. El coeficiente de adaptación depende de la

combinación de la superficie, del gas y de la temperatura de la superficie.

Como se tienen grandes variaciones en los coeficientes de adaptación, es

difícil estimar con exactitud la transferencia de calor conductivo a través del

gas residual en un sistema de vacio aislado. Por fortuna eso no es casi nunca

un problema grave ya que por regla general el objetivo es obtener un vacio de

calidad tal que la transferencia de calor en el gas residual no contribuye d

manera significativa a la transferencia total de calor.

A fin de que tenga lugar la conducción molecular libre, la trayectoria libre

media debe compararse con la distancia entre las dos superficies.

Para comprobar esta condición la trayectoria media se puede determinar de

acuerdo a la expresión siguiente:

donde u es la viscosidad del gas a temperatura t.

Por otra parte el transporte de calor por radiación se pude reducir de manera

eficaz con la inserción de corazas flotantes que tienen superficies de baja

emisividad en el espacio evacuado. Por ejemplo considérese el caso en que se

encuentra con n corazas ( n+2) superficies, emisividad de la superficies

internas y externas e0 y una emisividad de las corazas e1, el factor de

emisividad se reducirá a:

Una coraza de baja emisividad puede reducir la transferencia de calor hasta la

mitad del vapor que se tiene sin coraza; dos corazas reducirán este valor a la

cuarta parte, y así sucesivamente.

Aislamiento en capa múltiple.- el aislamiento en capa múltiple

consiste en capas alternadas de material con alta reflectividad, como

hojas de aluminio o Mylar aluminizado y materiales espaciadores o

aislantes de baja conductividad, como fibra de vidrio, vidrio tejido,

nylon, todos al alto vacío. Cuando se aplica de manera adecuada a la

densidad óptima, este aislamiento puede tener una conductividad

térmica aparente tan baja que sus valores se encuentran entre 10 y 15

uW/(m.K), cuando las temperaturas se encuentran en el intervalo de 20

a 300 K.

Es probable que la baja conductividad térmica de los aislamientos de

capa múltiple pueda atribuirse al hecho de que todos los modos de

transferencia de calor (conductivo, convectivo y radiactivo) se vean

reducidos a un mínimo. Como la transferencia de calor por radiación es

inversamente proporcional al número de corazas intermedias

reflejantes y directamente proporcional a la emisividad de las corazas,

esta radiación se minimiza utilizando muchas corazas o capas con

materiales de baja emisividad. La convección se elimina al disminuir la

presión hasta un valor en que la trayectoria libre media de las

moléculas del gas sea tan grande como el espaciamiento entre las capas

de aislamiento. La transferencia de calor a través del material

espaciador es directamente proporcional a la conductividad térmica del

material que se utilice e inversamente proporcional a la resistencia al

flujo de calor en los puntos de contacto entre los espaciadores y la

coraza, la baja conductividad, las dimensiones, la geometría y la

naturaleza discontinua de los materiales seleccionados para estos

espaciadores contribuye a reducir la conducción en sólidos hasta un

valor mínimo.

Cuando se trata de un aislamiento para un sistema con gran

evacuación (en el orden 0.13 mPa), la transferencia de calor se realiza

primordialmente por radiación y conducción en sólidos a través del

material espaciador. La conductividad térmica aparente del aislamiento

en estas condiciones puede determinarse mediante la siguiente

ecuación:

donde N/∆x es el número de capas (corazas reflejantes mas espaciadores) de

aislamiento por espesor unitario, hs es la conductancia del sólido del material

espaciador, es la constante de Stefan – Boltzmann, e es la emisividad eficaz de

la coraza reflejante, y T2 y T1 son las temperaturas de los lados caliente y frio

del aislamiento, respectivamente. Es evidente que la conductividad térmica

aparente puede reucirse al incrementar la densidad de la capa hasta cierto

valor. Mediante la ecuación no se hace evidente si una carga compresiva

afecta la conductividad térmica aparente y de esta manera el rendimiento del

aislamiento de capa múltiple. A pesar de esto, bajo una carga compresiva se

incrementa la conductancia del sólido en un valor mayor que N/∆x, lo que

causa un incremento total de kg. Las gráficas de la velocidad de transferencia

de calor (flujo de calor) contra la carga compresiva en una escala logarítmica

dan como resultado una línea recta cuya pendiente se encuentra entre 0.5 y

0.67.

Los valores de la conductividad térmica eficaz se obtienen casi siempre en

forma práctica por un factor de 2 mayor que los valores de conductividad

térmica unidimensional obtenidos en el laboratorio bajo técnicas

cuidadosamente controladas. Esta degradación del aislamiento térmico puede

ser causada por la presencia combinada de las orillas expuestas a límites

isotérmicos, aberturas, juntas o penetración del aislamiento requerido para

soportes estructurales, líneas de llenado y venteo y la alta conductividad

térmica lateral de estos sistemas de aislamiento.

Aislamiento con polvo.- Un método empleado para lograr algunos de

los beneficios de corazas flotantes múltiples sin incurrir en las dificul-

tades de las delicadas complicaciones estructurales se logra utilizando

aislamientos en forma de polvo. La falla que se tiene al emplear un

aislamiento con estas características es la reducción de la eficiencia

térmica total del sistema de aislamiento, respecto a la que se obtendría

con aislamiento en capa múltiple. En algunas aplicaciones en las que

esto no es un factorgrave.se han encontrado grandes posibilidades en el

almacenamiento de LNG.

Los sistemas de aislamiento con polvo consisten en un material

compuesto de partículas finamente divididas, como perlita, SiO2 ex-

pandido, silicato de calcio, tierra diatomácea, carbón negro, que se co-

loca como empaque entre las superficies que se van a aislar. Cuando la

presión del gas es del orden de 0.1 MPa (por lo general, con un inerte),

el polvo reduce la transferencia por convección y radiación y, cuando el

tamaño de partícula es suficientemente pequeño, también reduce la

trayectoria libre media de las moléculas del gas. Cuando el polvo se

evacúa a presiones entre 1.33 y 0.133 Pa, la conducción del gas llega a

ser muy pequeña y la transferencia de calor se efectúa de manera prin-

cipal por radiación y conducción del sólido. La variación en conducti-

vidad térmica media aparente de los diferentes polvos utilizados como

aislantes es una función de la presión intersticial del gas y se muestra

en la conocida familia de curvas con forma de "S".

Para calcular la transferencia de calor de aislamientos de polvo porosos, la

relación que se da a continuación puede ser empleado para esferas

concéntricas:

donde ka es la conductividad térmica aparente del aislamiento de polvo y / es

el espesor de ese aislamiento. La conductividad térmica aparente del

aislamiento en polvo a temperaturas criogénicas se obtiene por lo general de

acuerdo con la relación siguiente:

donde kg es la conductividad térmica del gas con el aislamiento, ks es la

conductividad térmica del polvo y v es la relación del volumen sólido con el

volumen total. El valor de ka para la mayor parte de los aislamientos más

adecuados será de 2.5 x 103 uW/ (m.K) o menor, cuando se tiene suficiente

vacío.

La cantidad de transporte de calor debida a la radiación a través del polvo

puede reducirse gracias a la adición de polvo metálico y el vapor óptimo se

puede obtener con una mezcla que contenga del 40 al 50% de polvo metálico.

Desde el punto de vista de la seguridad, el cobre metálico es un amortiguante

que se prefiere al aluminio, ya que este último tiene un calor de combustión

muy grande cuando reacciona con oxígeno. También es prudente seleccionar

un polvo no combustible para temperaturas por debajo de la temperatura de

condensación del

Oxigeno.

Aislamiento con espuma.- Como las espumas no son materiales ho-

mogéneos, su conductividad térmica aparente depende de la densidad

del material, el gas utilizado, la formación de la espuma y la tempera-

tura media del aislamiento. La conducción de calor a través de este

aislante se determina por la convección y radiación en las celdas (po-

ros) y en la estructura sólida. La evacuación de una espuma eficaz para

la reducción de la conductividad térmica, indicando que se tiene una

estructura celular parcialmente abierta, pero los valores obtenidos

serán considerablemente mayores que en los aislamientos con capa

múltiple o polvo. El efecto opuesto, la difusión de gases atmosféricos en

las ceIdas, puede ocasionar un incremento en la conductividad térmica

aparente. Esto se hace más significativo para la difusión de hidrógeno y

helio en las celdas.

La mayor desventaja de las espumas no es que por su conductividad

térmica sea relativamente alta cuando se compara con otros aislantes,

sino su comportamiento térmico muy bajo. Cuando se aplica a sistemas

térmicos, tiende a agrietarse cuando es sometida a ciclos térmicos

constantes y pierde su valor de aislamiento.

SEGURIDAD EN LOS SISTEMAS CRIOGÉNICOS

La experiencia ha demostrado que es posible utilizar los fluidos criogénicos en

la industria y en los laboratorios más complejos que cuentan con todas las

instalaciones diseñadas me manera adecuada con el personal bien entrenado y

supervisado. Existe gran cantidad de riesgos asociados con el empleo de

fluidos criogénicos y sus vapores, y los asociados con las reacciones entre los

fluidos y sus alrededores.

Riesgos fisiológicos El cuerpo humano puede sufrir quemaduras graves

cuando entra en contacto con fluidos criogénicos o con superficies enfriadas

por fluidos criogénicos. El daño que sufre la piel o los tejidos es similar al que

produce una quemadura ordinaria. Como la composición principal del cuerpo

es agua, una temperatura muy baja congela de manera eficaz los tejidos,

dañándolos o destruyéndolos. La gravedad de las quemaduras depende del

área de contacto y la duración del mismo; un contacto prolongado da como

resultado y quemadura más profunda la quemadura por contacto con

superficies frías es acompañada por sensaciones de picadura y molestias

similares a las de las quemaduras comunes. La reacción usual es retirar la

parte del cuerpo que entra en contacto con la superficie fría. si lo anterior es

posible, casi nunca se sufren quemaduras severas. Los gases fríos pueden no

ser dañinos cuando la turbulencia en el gas es baja, sobre todo cuando el

cuerpo pueda tener una pérdida de calor de 95J/(m2 .s)para una área limitada

de exposición. Si las pérdidas de calor llegan a ser mayores a este valor, la

temperatura de la piel puede disminuir y puede suceder un congelamiento del

área afectada. El congelamiento de los tejidos faciales puede tener lugar en

un tiempo aproximado de 100s si la perdida de calor de 2300J/(m2.s).

Riesgos de materiales y construcción Los materiales utilizados para

servicios no criogénicos pueden escogerse sobre la base del esfuerzo de

tensión, fatiga, peso, costo, facilidad de fabricación, resistencia a la corrosión,

etc. cuando el equipo se destina al trabajo de bajas temperaturas, el diseñador

debe considerar la ductilidad del material ya que, como se hizo notar antes,

tienen el efecto de hacer que los materiales se vuelvan frágiles o menos

dúctiles. Algunos materiales se vuelven frágiles bajas temperaturas, pero

todavía pueden soportar grandes impactos, mientras que otros se vuelven

frágiles y además pierden su resistencia al impacto

Riesgos de inflamabilidad y explosión para que tenga lugar la combustión

es necesario que se combinen tres factores: un oxidante, un combustible y

fuente de ignición. El oxidante es casi siempre oxigeno, el cual puede

disponerse mediante diversas fuentes entre las que se incluyen fugas o

derrames, condensación del aire en superficies enfriadas de manera

criogénica a temperaturas inferiores a 90 K y la formación de una impureza

solida en el hidrogeno liquido. El combustible puede ser casi cualquier

material no compatible o gas inflamable; los materiales compatibles pueden

ser comportarse también como materiales inflamables cuando existe un calor

externo (fuente de ignición intensa). La fuente de ignición puede tenerse

mediante una chispa mecánica o electrostática, una llama, un impacto, calor

producido por efectos cinéticos, fricción, reacción química, etc. Ciertas

combinaciones de oxigeno, combustible, y fuentes de ignición dan casi

siempre como resultado la creación de fuego o explosión. E la tabla 12-18 se

muestra el orden de magnitud de los límites de inflamabilidad y detonación

para las mezclas gaseosas de combustible-oxidante de los dos fluidos

Riesgos de gas a alta presión cuando se comprimen gases a alta presión

pueden existir también peligros potenciales a causas de la energía

almacenada. En los sistemas criogénicos se tienen altas presiones debido a la

compresión del gas durante la licuefacción o refrigeración, mediante el

bombeo de líquidos a alta presión seguida de evaporación y cuando se

confinan los fluidos criogénicos con una subsecuente a consecuencia de

alguna ruptura o rompimiento en la línea, puede presentarse una explosión.

Como ejemplo de lo anterior, considérese que la fuerza generada en un

cilindro con gas a 13.9 MPa causada por rompimiento de una válvula cuyo

diámetro nominal es de 1 in, podría tener un valor superior a 6672N.

Resumen es evidente que un buen diseño de las instalaciones que operan con

fluidos criogénicos no pueden excluir las consideraciones de seguridad. No se

debe considerar la seguridad una sola vez y olvidarse después de ella; más

bien debe considerarse como un factor que siempre debe tenerse en mente. a

causa de esta importancia, sobre todo cuando las temperaturas son muy bajas,

este enfoque ha recibido gran importancia en la literatura a través del propio

manual de seguridad (british cryogenics council, criogenics safety manual,

intitution of chemical engineers ,London, 1970)