극저온 냉각
극저온 냉각은 주로 액체 질소(-196°C)를 사용하여 극히 낮은 온도를 이용합니다. 기계 공학에서는 금속 공작물을 분리 가능한 압착 결합 상태로 만들 때 이 기술을 적용합니다. 이를 통해 샤프트-허브 연결부나 정밀 플러그 연결부를 공차 없이 결합하거나 분리할 수 있습니다. 공작 기계 부품 조립 시에도 이 기술이 사용됩니다.
공정 기술에서도 극저온 냉각은 중요한 역할을 합니다.
- 분말 혼합물의 입자가 액체 지방으로 코팅된 경우에 사용됩니다. 다음 단계에서 분말은 혼합기에서 극저온으로 냉각되어 다시 유동성을 회복합니다.
- 극저온 냉각은 분말, 현탁액 또는 페이스트를 극저온 상태에서 처리해야 할 때도 사용됩니다. 의약품 원료, 생물공학적 발효 제품 또는 식품 원료는 구조와 활성을 유지하기 위해 때때로 급속 냉동됩니다. 이렇게 생성된 극저온 “분말/과립”은 이후 혼합, 압축 또는 동결 건조될 수 있습니다.
두 경우 모두 amixon® 혼합 기술을 활용하는 것이 유리합니다. 부드러운 혼합 방식 덕분에 최소한의 에너지만 투입됩니다.
이러한 혼합 공정이 극저온 상태에서 재현 가능하게 진행되려면, 혼합기의 제품 접촉 부분도 적절히 사전 냉각되어야 합니다. 냉각은 일반적으로 혼합실에 액체 질소를 분사하여 이루어집니다. 이때 질소는 순간적으로 기화되어 장비에서 대량의 열을 흡수합니다. 이렇게 하면 짧은 시간 내에 원하는 공정 온도에 도달할 수 있습니다.
에너지 효율과 비용 절감을 위해 믹서/반응기의 고품질 단열은 매우 중요합니다. amixon® 공정 장비는 극저온 처리 공정을 안정적이고 부드럽게, 경제적으로 수행할 수 있도록 설계되었습니다. 이 장비들은 긴 수명을 자랑합니다. 일반적인 배치 크기는 제품 및 산업에 따라 200~3000리터 사이입니다.
1kg의 스테인리스강(1.4404)을 +20°C에서 -60°C로 냉각시키기 위해 필요한 액체 질소의 양을 대략적으로 계산해 보겠습니다:
스테인리스강 1.4404의 비열용량은 약 0.5 kJ/kg·K입니다. 플레이트를 냉각하는 데 필요한 에너지 Q를 계산할 수 있습니다:
Q = m × c × ΔT
여기서:
- Q는 필요한 에너지,
- m은 판의 질량(1kg),
- c는 비열용량(0.5 kJ/kg·K),
- ΔT는 온도 차이(+20°C에서 -60°C, 즉 80 K)입니다.
Q = 1 kg × 0.5 kJ/kg·K × 80 K = 40 kJ
이제 이 에너지를 흡수하는 데 필요한 액체 질소의 양을 계산해야 합니다. 액체 질소의 잠열은 약 199 kJ/kg입니다.
필요한 액체 질소의 질량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
m = Q / L
여기서:
- m은 액체 질소의 질량,
- Q는 필요한 에너지(40 kJ),
- L은 액체 질소의 잠열(199 kJ/kg)입니다.
이상적인 조건에서 필요한 액체 질소의 양은 다음과 같습니다:
m = 40 kJ / 199 kJ/kg ≈ 0.201 kg
이 값은 손실 및 공정에 영향을 미칠 수 있는 기타 요인을 고려하지 않았기 때문에 근사치에 불과합니다. 또한 이 계산은 질소가 완전히 기화되어 기체 상태의 질소가 더 이상 가열되지 않은 상태에서 전체 잠열을 흡수한다고 가정합니다.