Refrigeración criogénica
La refrigeración criogénica utiliza temperaturas extremadamente bajas, normalmente mediante el uso de nitrógeno líquido (-196 °C). En ingeniería mecánica, se utiliza cuando hay que unir a presión piezas metálicas. De este modo, se pueden unir o soltar sin tolerancias uniones eje-cubo o uniones enchufables de precisión. Esta tecnología también se utiliza en el montaje de componentes de máquinas herramienta.
La refrigeración criogénica también desempeña un papel importante en la ingeniería de procesos.
- Se utiliza cuando las partículas de una mezcla de polvo se han recubierto con grasa líquida. En el siguiente paso, el polvo se enfría criogénicamente en la mezcladora, con lo que vuelve a fluir libremente.
- El enfriamiento criogénico también se utiliza cuando hay que procesar polvos, suspensiones o pastas en estado criogénico. En ocasiones, los principios activos farmacéuticos, los productos de fermentación biotecnológica o las materias primas alimentarias se congelan rápidamente para preservar su estructura y actividad. A continuación, el «polvo/granulado» criogénico resultante puede mezclarse, prensarse o someterse a liofilización.
En ambos casos, resulta ventajoso utilizar la tecnología de mezclado amixon®. El suave proceso de mezclado minimiza el consumo de energía.
Para que un proceso de mezclado de este tipo funcione de forma reproducible en estado criogénico, las partes de la mezcladora que entran en contacto con el producto también deben preenfriarse convenientemente. El enfriamiento se consigue normalmente pulverizando nitrógeno líquido en la cámara de mezcla. El nitrógeno se vaporiza bruscamente y elimina grandes cantidades de calor del equipo. De este modo, la temperatura de proceso deseada se alcanza en poco tiempo.
Por razones de eficiencia energética y ahorro de costes, el aislamiento de alta calidad del mezclador/reactor es crucial. Los equipos de proceso amixon® están diseñados para llevar a cabo procesos de tratamiento criogénico de forma fiable, cuidadosa y económica. Tienen una larga vida útil. Los tamaños típicos de los lotes oscilan entre 200 y 3000 litros, dependiendo del producto y de la industria.
Cálculo aproximado de la cantidad de nitrógeno líquido necesaria para enfriar 1 kg de acero inoxidable (1.4404) de +20 a -60°C:
La capacidad calorífica específica del acero inoxidable 1.4404 es de aproximadamente 0,5 kJ/kg-K. Podemos calcular la energía Q necesaria para enfriar la placa:
Q = m × c × ΔT
donde:
- Q es la energía necesaria,
- m es la masa de la placa (1 kg),
- c es la capacidad calorífica específica (0,5 kJ/kg-K),
- ΔT es la diferencia de temperatura (de +20°C a -60°C, es decir, 80 K).
Q = 1 kg × 0,5 kJ/kg-K × 80 K = 40 kJ
Ahora tenemos que calcular la cantidad de nitrógeno líquido necesaria para absorber esta energía. El calor latente del nitrógeno líquido es de unos 199 kJ/kg.
La masa necesaria de nitrógeno líquido se puede calcular de la siguiente manera:
m = Q / L
donde:
- m es la masa del nitrógeno líquido,
- Q es la energía necesaria (40 kJ),
- L es el calor latente del nitrógeno líquido (199 kJ/kg).
En condiciones ideales, la cantidad de nitrógeno líquido necesaria es
m = 40 kJ / 199 kJ/kg ≈ 0,201 kg
Este valor es sólo una aproximación, ya que no se tienen en cuenta las pérdidas y otros factores que podrían influir en el proceso. Además, este cálculo supone que el nitrógeno se vaporiza completamente y absorbe todo el calor latente sin que el nitrógeno gaseoso se siga calentando.