La liquefazione dei gas è un processo analogo al passaggio di stato da gas a liquido ma vanno usati particolari procedimenti e impianti come la macchina di Linde che prende il nome dall’ingegnere tedesco Carl Paul Gottfried von Linde.
Ciò implica certe particolarità nei procedimenti e negli impianti utilizzati. Assume importanza il valore della temperatura critica del gas in questione. Se la temperatura critica è superiore a quella ambiente, il gas può essere portato alla condensazione per semplice compressione, o per compressione accompagnata da un modesto raffreddamento. Se invece questa è inferiore alla temperatura ambiente il gas non può essere liquefatto per compressione: la liquefazione anche in questo caso è possibile, ma richiede una procedura complessa che implica un raffreddamento al di sotto della temperatura critica.
Per i gas liquefacibili per compressione e che allo stato liquido si trovano nelle bombole in cui vengono conservati e trasportati, ve ne sono alcuni di grande importanza come anidride carbonica, cloro, ammoniaca, anidride solforosa, oltre che i gas liquefatti del petrolio costituiti da idrocarburi a basso peso molecolare, come propano, butano e simili largamente impiegati come combustibili per uso domestico.
Per i gas che possiedono una temperatura critica molto bassa, come azoto, ossigeno, idrogeno, ed elio, occorre operare un intenso raffreddamento che non può essere raggiunto con nessuna sorgente di freddo esistente in natura. Occorre quindi che il raffreddamento consegua a una variazione di stato termodinamico che si verifichi nello stesso gas. Tale è un’espansione con produzione di lavoro esterno. Questo è un processo molto efficiente, utilizzato in molti tipi di macchine frigorifere, ma che presenta limitazioni.
Processo Hampson-Linde e liquefazione dei gas
Il processo per la liquefazione dei gas mediante effetto Joule-Thomson fu ideato da Carl von Linde alla fine del XIX secolo per la liquefazione dell’aria in cui l’aria viene liberata dall’anidride carbonica e dall’acqua e compressa a 150 atmosfere.
Per ottenere la liquefazione dei gas il gas compresso viene fatto passare attraverso una bobina di rame verso un ugello di espansione all’interno di un pallone Dewar. L’aria emergente viene raffreddata dall’effetto Joule-Thomson mentre si espande e poi ritorna all’interno di una seconda bobina di rame che circonda la prima bobina. Pertanto il gas espanso raffredda il gas in entrata in un processo detto rigenerativo .
Alla fine l’aria viene ridotta alla sua temperatura critica e, alla pressione di 150 atmosfere (ben al di sopra della sua pressione critica), si liquefa. Il processo viene utilizzato anche per altri gas, in particolare idrogeno ed elio. L’idrogeno deve prima essere raffreddato al di sotto della sua temperatura di inversione utilizzando aria liquida; l’elio deve prima essere raffreddato al di sotto della sua temperatura di inversione utilizzando idrogeno liquido.
Si può ricorrere ad una espansione di tipo Joule-Thomson in cui la temperatura di un gas diminuisce in seguito ad un’espansione adiabatica condotta ad entalpia costante, ovvero una trasformazione adiabatica dalla quale non si ottiene alcun lavoro.
L’effetto di raffreddamento, a parità di limiti di pressione, è molto più modesto che nel caso precedente. Si può renderlo cumulativo, così da poter raggiungere il bassissimo livello di temperatura desiderato. Ciò può essere effettuato tramite la macchina di Linde per la liquefazione dell’aria.
Funzionamento
Un compressore comprime l’aria ad una pressione P1 ad esempio 200 atm e quest’ultima fluisce attraverso un refrigerante ad acqua. Da esso è riportata a temperatura ambiente eliminando il calore sviluppato nella compressione.
L’aria compressa entra in uno scambiatore di calore che si trova inizialmente a temperatura ambiente.
Attraverso una valvola di espansione il gas si espande ad una pressione inferiore a P1 ad esempio 1 atm.
Poiché l’aria a 200 atm e a temperatura ambiente ha coefficiente di Joule- Thomson positivo, ne risulterà un raffreddamento.
L’aria espansa e raffreddata entra in un serbatoio. Da questo, mediante un tubo, ritorna nello scambiatore e lo percorre controcorrente rispetto alla nuova aria entrante. La nuova aria compressa entrata nello scambiatore ne esce a temperatura inferiore grazie allo scambio termico realizzato con l’aria uscente. Il processo continua con un progressivo abbassarsi del livello di temperatura finché essa diviene sufficientemente bassa perché il gas si condensi.
Questo processo non può essere applicato direttamente se anche la temperatura di inversione e la temperatura critica sono inferiori alla temperatura ambiente. Ciò si verifica, ad esempio nel caso dell’idrogeno e dell’elio. In questi casi bisogna che il gas compresso, sia preraffreddato con mezzi esterni: nel caso specifico dell’idrogeno ciò si effettua facendo fluire il gas in serpentine immerse in azoto liquido. Successivamente è inviato alla colonna liquefattrice dove si realizza un processo sostanzialmente analogo a quello descritto.