Relaciones de Conversión de Líquido a Gas Criogénico: Volumen, Densidad y Dimensionado
Relaciones de conversión de líquido a gas para nitrógeno, oxígeno, argón y LNG, con la aritmética para dimensionar el almacenamiento según su demanda de gas.
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La relación de conversión de líquido a gas es el volumen de gas producido por un volumen de líquido. En condiciones estándar, el nitrógeno líquido se expande aproximadamente 1 a 696, el oxígeno 1 a 861, el argón 1 a 847 y el LNG 1 a 600, cifras clave para almacenamiento, vaporizador y seguridad.
La aritmética detrás de estas cifras es sencilla, y todo comprador de equipo criogénico a granel debería poder hacerla. Una vez que conoce su demanda de gas en metros cúbicos por hora, la relación de expansión la convierte directamente en litros de líquido por hora, y de ahí en una capacidad de tanque realista y una frecuencia de reparto.
¿Qué es una relación de conversión de líquido a gas criogénico?
Una relación de conversión de líquido a gas criogénico, también llamada relación de expansión, es el volumen de gas que produce un volumen de líquido cuando ese líquido se calienta hasta una temperatura y presión de referencia. Se escribe como 1 a un número, donde el número es el volumen de gas.
La relación se utiliza en tres lugares prácticos.
- Dimensionar la capacidad de almacenamiento según la demanda de gas de la planta y el intervalo de reparto preferido
- Dimensionar vaporizadores y equipos de regasificación, que deben entregar un caudal de gas mientras consumen un caudal de líquido
- Evaluar la seguridad en espacios cerrados, donde un pequeño derrame de líquido produce un gran volumen de gas
¿Cuáles son las relaciones de expansión del nitrógeno, el oxígeno, el argón y el LNG?
Estas son las relaciones de expansión estándar utilizadas en toda la industria de gases industriales y del LNG, todas expresadas en condiciones estándar.
Al vaporizarse, el nitrógeno líquido ocupa aproximadamente 696 veces su volumen líquido en condiciones estándar. Un volumen de nitrógeno líquido produce aproximadamente 696 volúmenes de nitrógeno gaseoso.
Al vaporizarse, el oxígeno líquido ocupa aproximadamente 861 veces su volumen líquido en condiciones estándar. Un volumen de oxígeno líquido produce aproximadamente 861 volúmenes de oxígeno gaseoso.
Al vaporizarse, el argón líquido ocupa aproximadamente 847 veces su volumen líquido en condiciones estándar. Un volumen de argón líquido produce aproximadamente 847 volúmenes de argón gaseoso.
Al vaporizarse, el LNG ocupa aproximadamente 600 veces su volumen líquido en condiciones estándar. Un volumen de LNG produce aproximadamente 600 volúmenes de gas natural.
Resumido en una lista de referencia rápida.
- Nitrógeno líquido (LIN): aproximadamente 1 a 696
- Oxígeno líquido (LOX): aproximadamente 1 a 861
- Argón líquido (LAR): aproximadamente 1 a 847
- LNG: aproximadamente 1 a 600
La palabra aproximadamente importa. Son las cifras de trabajo aceptadas para estimaciones de ingeniería y para la evaluación de seguridad. No son valores de liquidación contractual, y el apartado sobre condiciones de referencia más abajo explica por qué.
¿Cómo se convierten litros de líquido en metros cúbicos de gas?
El cálculo es una simple multiplicación, y lo único que suele confundir es el cambio de unidad de litros a metros cúbicos.
La regla que hay que recordar es que 1.000 litros equivalen a 1 metro cúbico. Así, un litro de nitrógeno líquido produce aproximadamente 696 litros de gas, es decir, 0,696 metros cúbicos. Un metro cúbico de nitrógeno líquido produce aproximadamente 696 metros cúbicos de gas.
Ejemplos resueltos
- Un tanque de nitrógeno líquido de 20.000 litros, completamente lleno, contiene 20.000 multiplicado por 696, igual a 13.920.000 litros de gas, es decir, 13.920 metros cúbicos de nitrógeno gaseoso
- Un tanque de oxígeno líquido de 20.000 litros contiene 20.000 multiplicado por 861, igual a 17.220.000 litros, es decir, 17.220 metros cúbicos de oxígeno gaseoso
- Un recipiente de argón líquido de 1.000 litros contiene 1.000 multiplicado por 847, igual a 847.000 litros, es decir, 847 metros cúbicos de argón gaseoso
- Un tanque de LNG de 20 metros cúbicos contiene 20 multiplicado por 600, igual a 12.000 metros cúbicos de gas natural
¿Cómo se calcula al revés, desde la demanda de gas hasta el consumo de líquido?
Esta es la dirección que más importa a un comprador, porque las plantas miden la demanda en unidades de gas y los proveedores venden líquido. Divida la demanda de gas entre la relación de expansión para obtener el volumen de líquido requerido.
Ejemplo con nitrógeno
Supongamos que una planta consume 300 metros cúbicos por hora de nitrógeno gaseoso.
- Líquido requerido por hora: 300 dividido entre 696 es igual a 0,431 metros cúbicos, es decir, 431 litros por hora
- En 24 horas de operación continua: 431 multiplicado por 24 es igual a 10.344 litros al día, aproximadamente 10,3 metros cúbicos de nitrógeno líquido al día
- En un intervalo de reparto de 7 días: 10.344 multiplicado por 7 es igual a 72.408 litros de líquido utilizable
Ejemplo con oxígeno
Una planta que consume 500 metros cúbicos por hora de oxígeno gaseoso necesita 500 dividido entre 861, es igual a 0,581 metros cúbicos por hora, es decir, 581 litros de oxígeno líquido por hora, o unos 13.940 litros al día en operación continua.
¿Cómo determina la relación de conversión de líquido a gas el tamaño del tanque de almacenamiento?
Una vez que conoce el consumo diario de líquido, el dimensionado del tanque es una cuestión de cuánto tiempo desea funcionar entre repartos y de cuánto del tanque es realmente utilizable.
Siguiendo el ejemplo del nitrógeno, con 10.344 litros al día y un intervalo de reparto de 7 días, el sitio necesita 72.408 litros de líquido utilizable entre repartos. El volumen utilizable no es lo mismo que la capacidad geométrica. Si su práctica operativa es pedir un reabastecimiento cuando el tanque llega al 20 por ciento y llenar hasta el 90 por ciento, entonces solo alrededor del 70 por ciento de la capacidad geométrica es utilizable, por lo que el tanque requerido es aproximadamente 72.408 dividido entre 0,70, es decir, unos 103.000 litros.
A continuación se aplican varias correcciones a esa primera cifra.
- Boil off: los tanques criogénicos estacionarios modernos pierden aproximadamente entre el 0,2 y el 0,6 por ciento del contenido al día, según el tamaño y el aislamiento, por lo que los sitios con consumo continuo bajo deben tenerlo en cuenta
- Demanda punta: un tanque dimensionado según el consumo medio puede no cubrir un periodo corto de caudal alto, lo cual es tanto una cuestión de vaporizador y control de presión como de capacidad
- Crecimiento futuro: un tanque dimensionado con precisión para la demanda actual se convierte en la limitación del siguiente aumento de producción
Para un consumo bajo o moderado, esta aritmética suele apuntar a un recipiente MicroBulk en lugar de un tanque a granel completo. Para un consumo alto o creciente, apunta a un recipiente a granel mayor o a un par colectorizado.
¿Por qué importa la relación de expansión para la seguridad en espacios cerrados?
La misma aritmética que hace económico el almacenamiento criogénico hace peligrosos los derrames criogénicos en interiores. Un pequeño volumen de líquido derramado se convierte en un gran volumen de gas, y el nitrógeno y el argón son incoloros e inodoros, por lo que no hay ninguna advertencia.
Tome un derrame de 10 litros de nitrógeno líquido. A razón de 1 a 696, eso produce 6.960 litros de nitrógeno gaseoso, aproximadamente 7 metros cúbicos. En una sala sellada de 5 metros por 4 metros por 2,5 metros, el volumen de la sala es de 50 metros cúbicos. Suponiendo que el gas liberado se mezcla y desplaza un volumen igual de aire, la fracción de aire restante es (50 menos 7) dividido entre 50, aproximadamente 0,86. El aire normal contiene aproximadamente un 20,9 por ciento de oxígeno, por lo que la concentración de oxígeno cae a aproximadamente un 18 por ciento.
Muchos regímenes nacionales consideran deficiente en oxígeno una concentración inferior a aproximadamente el 19,5 por ciento. En este ejemplo, un derrame de 10 litros en una sala pequeña basta para cruzar ese límite, y un derrame mayor o un espacio menor lo cruza mucho más rápido.
Las conclusiones prácticas se derivan directamente de la relación.
- Instale los recipientes a granel al aire libre, o en espacios con ventilación diseñada para el volumen de fuga previsible
- Instale monitores de oxígeno donde se manipulen líquidos criogénicos inertes en zonas cerradas o parcialmente cerradas
- Trate fosas, zanjas, sótanos y cajas de escalera como puntos de acumulación, ya que el gas frío es inicialmente denso
- Aplique la misma aritmética a la inversa para el oxígeno líquido, donde un derrame enriquece la atmósfera y hace que los materiales circundantes sean mucho más fácilmente inflamables
- Utilice la relación de expansión al redactar la evaluación de riesgos, de modo que el volumen de fuga evaluado se calcule y no se suponga
¿Por qué difieren ligeramente las relaciones de conversión de líquido a gas publicadas?
Encontrará cifras ligeramente distintas en diferentes referencias, y la diferencia se debe casi siempre a la condición de referencia y no a un error.
- Temperatura de referencia: el volumen de gas depende de la temperatura, y distintas normas utilizan 0, 15 o 20 grados Celsius como referencia. Una temperatura de referencia más alta da un volumen de gas mayor y, por tanto, una relación mayor
- Presión de referencia: normalmente una atmósfera, pero no siempre se indica explícitamente
- Condición del líquido: la densidad del líquido utilizada puede corresponder al punto de ebullición normal o a una presión de almacenamiento típica, que no son idénticas
- Composición: el LNG es una mezcla, principalmente metano pero con cantidades variables de etano, propano y nitrógeno según el origen. Su relación de expansión varía por tanto según la composición de la carga, razón por la cual la cifra se da como aproximadamente 1 a 600 y no como un valor exacto
Para el dimensionado de ingeniería y la evaluación de seguridad, las relaciones anteriores son las cifras de trabajo correctas. Para la transferencia de custodia y la facturación, utilice los valores y condiciones de referencia establecidos en su contrato de suministro, ya que son las cifras que liquidan la cuenta.
¿Qué ocurre con la conversión a masa?
Muchos contratos de suministro se redactan en kilogramos o toneladas en lugar de litros. Convertir entre masa, volumen de líquido y volumen de gas requiere la densidad del líquido concreto en su condición de almacenamiento real, y para el LNG requiere también la composición de la carga. Tome esas cifras de densidad de la hoja de datos de su proveedor de gas para el producto tal como se entrega.
¿Cómo se aplica la relación al dimensionado de vaporizadores y equipos de regasificación?
Un vaporizador se clasifica por caudal de gas, normalmente en metros cúbicos normales por hora, pero consume líquido. La relación de expansión es lo que conecta la demanda de gas de la planta con el caudal de líquido a través del vaporizador, y es el primer paso en todo cálculo de dimensionado.
- Parta de la demanda punta de gas, no de la demanda media, ya que un vaporizador dimensionado según medias se quedará corto en los picos y entregará gas frío aguas abajo
- Convierta la demanda punta de gas en caudal de líquido usando la relación de expansión del producto
- Aplique las condiciones ambientales del sitio de instalación, ya que la capacidad de un vaporizador atmosférico disminuye con temperaturas de aire más bajas y humedad más alta
- Planifique unidades de servicio y reserva con alternancia para que cada una pueda descongelarse, y dimensione el par para el caso de servicio en lugar de suponer que ambas funcionan de forma continua
- Para la regasificación de LNG, confirme la temperatura y presión de entrega requeridas aguas abajo, ya que estas determinan la carga térmica tanto como el caudal
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la relación de expansión de líquido a gas del nitrógeno líquido?
Al vaporizarse, el nitrógeno líquido ocupa aproximadamente 696 veces su volumen líquido en condiciones estándar, es decir, un volumen de líquido produce aproximadamente 696 volúmenes de gas. Un litro de nitrógeno líquido da por tanto unos 696 litros, o 0,696 metros cúbicos, de nitrógeno gaseoso. Un tanque de 20.000 litros completamente lleno contiene aproximadamente 13.920 metros cúbicos de gas equivalente.
¿Cuál es la relación de expansión de líquido a gas del oxígeno líquido?
Al vaporizarse, el oxígeno líquido ocupa aproximadamente 861 veces su volumen líquido en condiciones estándar. Un litro de oxígeno líquido produce aproximadamente 861 litros de oxígeno gaseoso, por lo que un recipiente de 20.000 litros completamente lleno contiene aproximadamente 17.220 metros cúbicos de gas equivalente. La misma relación se utiliza al evaluar el riesgo de enriquecimiento por un derrame de oxígeno.
¿Cuál es la relación de expansión del argón líquido?
Al vaporizarse, el argón líquido ocupa aproximadamente 847 veces su volumen líquido en condiciones estándar, por lo que un litro de argón líquido produce aproximadamente 847 litros de argón gaseoso. El argón es inerte, incoloro e inodoro, por lo que la misma cifra de expansión se utiliza para evaluar el riesgo de desplazamiento de oxígeno en espacios cerrados.
¿Cuántos metros cúbicos de gas natural produce un metro cúbico de LNG?
Al vaporizarse, el LNG ocupa aproximadamente 600 veces su volumen líquido en condiciones estándar, por lo que un metro cúbico de LNG produce aproximadamente 600 metros cúbicos de gas natural. La cifra se da como aproximada porque el LNG es una mezcla cuya composición varía según el origen, lo que desplaza ligeramente la relación exacta de una carga a otra.
¿Cómo convierto mi demanda de gas en consumo de líquido por día?
Divida la demanda horaria de gas entre la relación de expansión para obtener el volumen horario de líquido, y multiplique después por las horas de operación. Por ejemplo, 300 metros cúbicos por hora de nitrógeno gaseoso dividido entre 696 da 0,431 metros cúbicos por hora de líquido, es decir, 431 litros por hora, o 10.344 litros en 24 horas de operación continua.
¿Por qué distintas fuentes dan relaciones de expansión ligeramente diferentes?
La razón principal es la temperatura y presión de referencia utilizadas para el volumen de gas, que pueden ser 0, 15 o 20 grados Celsius según la norma aplicada. La condición de densidad del líquido también importa, y para el LNG la composición varía según el origen. Utilice estas cifras para el trabajo de ingeniería y seguridad, y utilice los valores del contrato para la facturación.
¿Cuánto gas produce un derrame de nitrógeno líquido en una sala?
Multiplique el volumen de líquido derramado por 696. Diez litros de nitrógeno líquido producen aproximadamente 6.960 litros, cerca de 7 metros cúbicos de gas. En una sala sellada de 50 metros cúbicos con mezcla, eso reduce el oxígeno de aproximadamente el 20,9 por ciento a aproximadamente el 18 por ciento, por debajo del nivel comúnmente considerado deficiente en oxígeno.
¿La relación de expansión tiene en cuenta las pérdidas por boil off?
No. La relación de expansión solo describe cuánto gas produce un volumen de líquido dado. El boil off es una pérdida aparte, típicamente entre el 0,2 y el 0,6 por ciento del contenido al día para los tanques criogénicos estacionarios modernos según el tamaño y el aislamiento, y debe sumarse aparte al planificar el consumo y los intervalos de reparto.
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