¿Como se fabrica nitrogeno liquido?

Cómo se fabrica el nitrógeno líquido: del aire a -196 °C

El nitrógeno líquido es, en esencia, nitrógeno molecular (N₂) en su estado gaseoso natural enfriado por debajo de su punto de ebullición atmosférico, que se encuentra a -195,8 °C (77,36 K). Dado que el nitrógeno representa aproximadamente el 78 % del aire atmosférico en volumen, la materia prima para su producción es el propio aire que respiramos. No se sintetiza ni reacciona químicamente: se separa físicamente del resto de los componentes gaseosos y se licúa mediante temperaturas extremadamente bajas. El proceso industrial más extendido es la destilación criogénica del aire, basada en el ciclo de Linde-Hamers, patentado a finales del siglo XIX y perfeccionado en el XX. En una planta típica, el aire se aspira mediante grandes compresores que lo elevan a presiones de entre 20 y 30 bar. A esta presión, los puntos de condensación de los gases componentes se separan lo suficiente para permitir una fraccionamiento eficiente. Antes de enfriar, el aire comprimido debe purificarse. Se pasa por lechos de alúmina activa o gel de sílice para eliminar la humedad (vapor de agua), y por lechos de óxido de cobre o carbón activado para retener el dióxido de carbono (CO₂) y los hidrocarburos. Si no se elimina el CO₂, este se solidificaría a las temperaturas criogénicas y obstruiría las tuberías y columnas de destilación, un problema conocido como bloqueo por hielo seco. Una vez purificado, el aire comprimido atraviesa un sistema de intercambiantes de calor a contracorriente. Aquí es donde se produce el enfriamiento progresivo: el aire frío que sale de la columna de destilación enfría el aire caliente entrante, y viceversa. Este mecanismo de regeneración energética reduce drásticamente el consumo eléctrico de la planta. El enfriamiento final hasta los -196 °C se logra mediante un turboexpansor (turbina de expansión), donde una parte del gas se expande adiabáticamente y pierde temperatura bruscamente. A continuación, el aire ya en estado parcialmente licuado entra en la columna criogénica de destilación, un recipiente cilíndrico vertical de gran altura (puede superar los 30 m en plantas industriales) lleno de rejillas o platos teóricos. Dentro de la columna, las diferencias de punto de ebullición permiten separar los gases: | Gas | % en volumen (aire) | Punto de ebullición (°C) | |---|---|---| | Nitrógeno (N₂) | 78,09 % | -195,8 | | Oxígeno (O₂) | 20,95 % | -183,0 | | Argón (Ar) | 0,93 % | -185,9 | | CO₂ (rastro) | ~0,04 % | -78,5 (sublimación) | El nitrógeno, al tener el punto de ebullición más bajo, se concentra en la parte superior de la columna y se retira como vapor o líquido a -196 °C. El oxígeno y el argón, más pesados criogénicamente, quedan en la parte inferior. Se suelen operar dos columnas en cascada (baja presión y alta presión) para maximizar la eficiencia. El licuador es el componente que convierte el nitrógeno gaseoso de la cabeza de columna en líquido. Un pequeño flujo de nitrógeno se expande a través de una válvula de Joule-Thomson o un turboexpansor, bajando su temperatura por debajo de -196 °C y condensándose. Este líquido se recoge en un mantillo (suministrado a la base de la columna) que, además, ayuda a la refrigeración interna del proceso. La producción puede ser en planta fija (bulk), donde el nitrógeno líquido se almacena en tanques criogénicos de gran capacidad (de cientos a miles de metros cúbicos) junto al propio consumidor industrial, o móvil, donde cisternas criogénicas aisladas por vacío multiesparcillo transportan el producto desde la planta a los clientes. En el transporte, las pérdidas por evaporación (vaporización) rondan el 0,3–1 % diario en condiciones normales de almacenaje. Existen también métodos alternativos para obtener nitrógeno gaseoso (adsorción por cambio de presión, PSA, o membranas poliméricas), pero estos no producen líquido directamente; solo si el gas se somete posteriormente a un licuador criogénico se obtendría nitrógeno líquido, y con menor eficiencia energética que la destilación a gran escala.