Refroidissement cryogénique
Le refroidissement cryogénique utilise des températures extrêmement basses, généralement grâce à l'utilisation d'azote liquide (−196 °C). En génie mécanique, il est utilisé lorsque des pièces métalliques doivent être assemblées dans un composite pressé amovible. Cela permet d'assembler ou de désassembler sans tolérance des raccords arbre-moyeu ou des raccords enfichables de précision. Cette technique est également utilisée pour l'assemblage de composants de machines-outils.
Le refroidissement cryogénique joue également un rôle important dans l'ingénierie des procédés.
- Il est utilisé lorsque les particules d'un mélange de poudre ont été enrobées de graisse liquide. Dans l'étape suivante, la poudre est refroidie cryogéniquement dans le mélangeur, ce qui lui redonne sa fluidité.
- Le refroidissement cryogénique est également utilisé lorsque des poudres, des suspensions ou des pâtes doivent être traitées à très basse température. Les principes actifs pharmaceutiques, les produits de fermentation biotechnologique ou les matières premières alimentaires sont parfois congelés rapidement afin de préserver leur structure et leur activité. La « poudre/granulés » cryogénique ainsi obtenue peut ensuite être mélangée, pressée ou soumise à une lyophilisation.
Dans les deux cas, il est avantageux d'utiliser la technologie de mélange amixon®. Grâce au mélange en douceur, l'apport d'énergie est minime.
Pour qu'un tel processus de mélange à très basse température soit reproductible, les parties du mélangeur en contact avec le produit doivent également être prérefroidies de manière appropriée. Le refroidissement s'effectue généralement par pulvérisation d'azote liquide dans la chambre de mélange. L'azote s'évapore alors brusquement et extrait de grandes quantités de chaleur de l'appareil. La température de processus souhaitée est ainsi atteinte en peu de temps.
Pour des raisons d'efficacité énergétique et d'économie, une isolation de haute qualité du mélangeur/réacteur est décisive. Les appareils de processus amixon® sont conçus pour exécuter des processus de traitement à très basse température de manière fiable, douce et économique. Ils ont une longue durée de vie. La taille typique des lots est comprise entre 200 et 3000 litres, selon le produit et le secteur d'activité.
Calcul approximatif de la quantité d'azote liquide nécessaire pour refroidir 1 kg d'acier inoxydable (1.4404) de +20 à -60 °C :
La capacité thermique spécifique de l'acier inoxydable 1.4404 est d'environ 0,5 kJ/kg·K. Nous pouvons calculer l'énergie Q nécessaire pour refroidir la plaque :
Q = m × c × ΔT
où :
- Q est l'énergie nécessaire,
- m est la masse de la plaque (1 kg),
- c est la capacité thermique spécifique (0,5 kJ/kg·K),
- ΔT est la différence de température (+20 °C à -60 °C, soit 80 K).
Q = 1 kg × 0,5 kJ/kg·K × 80 K = 40 kJ
Nous devons maintenant calculer la quantité d'azote liquide nécessaire pour absorber cette énergie. La chaleur latente de l'azote liquide est d'environ 199 kJ/kg.
La masse d'azote liquide nécessaire peut être calculée comme suit :
m = Q / L
où
- m est la masse d'azote liquide,
- Q est l'énergie nécessaire (40 kJ),
- L est la chaleur latente de l'azote liquide (199 kJ/kg).
Dans des conditions idéales, la quantité d'azote liquide nécessaire est la suivante :
m = 40 kJ / 199 kJ/kg ≈ 0,201 kg
Cette valeur n'est qu'une approximation, car elle ne tient pas compte des pertes et d'autres facteurs susceptibles d'influencer le processus. De plus, ce calcul part du principe que l'azote s'évapore complètement et absorbe toute la chaleur latente sans que l'azote gazeux ne continue à se réchauffer.