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Por lo general, un criógeno se puede clasificar en función de algunas características.
Estado de la Materia:
Los criógenos se pueden dividir en forma gaseosa y líquida. Los gases criogénicos normalmente se almacenan en cilindros o tanques de alta presión. Los líquidos criogénicos suelen almacenarse en recipientes de baja presión y se utilizan comúnmente en refrigeración, congelación y otras aplicaciones.
Criógenos de Ocurrencia Natural:
Nitrógeno: Como el elemento más abundante en la atmósfera de la Tierra, el nitrógeno requiere varios métodos de separación y compresión para licuarlo. Se utiliza ampliamente para la criopreservación, la criocirugía y la congelación criogénica.
Helio: El helio es el segundo gas más abundante en el universo. Se obtiene mediante la extracción de gas natural. El helio se utiliza principalmente en la investigación científica, la exploración espacial y el enfriamiento de imanes superconductores.
Criógenos Sintéticos:
Oxígeno: El oxígeno representa aproximadamente el 21% de la composición atmosférica. El oxígeno se utiliza comúnmente en procesos industriales como la fabricación de acero, la fabricación de productos químicos y el tratamiento de agua.
Hidrógeno: El hidrógeno es la sustancia química más abundante en el universo. Se utiliza en pilas de combustible, como materia prima química industrial y en la producción de propelentes criogénicos para lanzamientos de cohetes.
Rango de temperatura
El nitrógeno líquido (LN2) tiene un punto de ebullición de -195.8°C (77.4 K), y su temperatura es de alrededor de 196°C (77 K). El helio líquido posee un punto de ebullición aún más bajo de -268.9°C (4.2 K).
Propiedades
Las propiedades físicas de un criógeno, como la densidad, la conductividad térmica y la viscosidad, son cruciales para su comportamiento cuando está frío y para su interacción con otros materiales.
Por ejemplo, el nitrógeno líquido tiene una densidad de 0.808 g/cm³ a su punto de ebullición, lo que lo hace más ligero que el agua. Una de las propiedades físicas críticas de los criógenos es la conductividad térmica. Los criógenos como el nitrógeno líquido pueden absorber calor del aire ambiente para crear un vacío térmico que evita que la temperatura escape del gas.
Tanques de almacenamiento
El tanque de almacenamiento de un criógeno está diseñado para almacenar la sustancia manteniendo una temperatura muy baja.
Recipientes de transferencia
Los recipientes de transferencia son contenedores portátiles para transportar fluidos criogénicos. Están fabricados con aleaciones de alta resistencia con baja conductividad térmica para minimizar la transferencia de calor entre el ambiente y el recipiente.
Inspección regular
Implementar una inspección programada para controlar las condiciones visuales y funcionales.
Detección de fugas
Utilizar sensores de criógeno apropiados y el olfato para detectar cualquier posible fuga y tomar medidas inmediatas para eliminar la fuente del olor y garantizar la seguridad.
Protección de equipos
Proporcionar los dispositivos de seguridad necesarios, como válvulas de alivio de presión y alarmas de seguridad, para hacer frente rápidamente a situaciones inesperadas.
Preservación de la hemólisis
Al mantener criógenos como el helio líquido que se sumergen fácilmente en ambientes como el agua, se deben realizar esfuerzos para protegerlos de la exposición imprevista a la precipitación y la humedad, previniendo así la ocurrencia de posibles accidentes.
Prevención de riesgos
Peligros físicos, como quemaduras por bajas temperaturas, peligros de alta presión, etc. El personal debe estar capacitado para protegerse.
Los criógenos se utilizan en una variedad de industrias y aplicaciones que van desde el procesamiento de alimentos hasta la exploración espacial.
Procesamiento de alimentos y logística de la cadena de frío
Los criógenos se utilizan principalmente en la industria alimentaria de dos maneras. Una es mantener bajas temperaturas en la logística de la cadena de frío para conservar los productos alimenticios. La otra es permitir la congelación instantánea de productos alimenticios de manera que se conserve el sabor, la nutrición y la textura.
Campo médico y atención médica
En el campo médico, el nitrógeno líquido es invaluable cuando se trata de preservar muestras biológicas como tejido humano, sangre y células madre. Además de esto, los criógenos también permiten la criocirugía. Esta técnica consiste en aplicar frío extremo para destruir células dañinas o crecimientos anormales.
Procesamiento y fabricación de materiales
En la industria manufacturera, los criógenos como el nitrógeno líquido, el dióxido de carbono y el helio se utilizan para el tratamiento criogénico. Este proceso consiste en someter los materiales a temperaturas extremadamente bajas para mejorar su durabilidad y resistencia.
Investigación científica y laboratorios
En los laboratorios, los criógenos se utilizan ampliamente como agentes refrigerantes en una plétora de experimentos científicos de alta precisión y técnicas analíticas, como la cromatografía y la espectroscopia. No es raro, por ejemplo, que el nitrógeno líquido se utilice para mantener las temperaturas ultra bajas necesarias para que la superconductividad se manifieste en ciertos materiales. El helio, específicamente su isótopo He-3, es esencial en la construcción y operación de refrigeradores y enfriadores criogénicos que se utilizan para mitigar y disipar el calor en dispositivos superconductores y microscopios electrónicos ambientales ultrarrápidos.
Aeroespacial y exploración espacial
Cuando se trata de la industria aeroespacial y la exploración espacial, la criogenia juega un papel clave. Todo esto gracias a su capacidad para almacenar y transportar gases criogénicos como oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. Estos gases se utilizan comúnmente como propelentes y oxidantes en motores de cohetes. Los tanques criogénicos pueden mantener la temperatura del oxígeno líquido a alrededor de -183°C y el hidrógeno líquido a alrededor de -253°C.
Fabricación de semiconductores
Los criógenos se utilizan durante el proceso de fabricación de semiconductores. Se requieren temperaturas extremas para lograr los altos niveles de pureza y el rendimiento óptimo necesarios para que los materiales se puedan utilizar.
Separación de aire y producción de gas
Las unidades de separación de aire son las responsables de separar los distintos componentes del aire, a saber, oxígeno, nitrógeno y argón, entre otros. Todo esto es posible gracias a la aplicación de temperaturas extremadamente bajas, lo que hace que el aire se licué. Una vez que esto sucede, los diferentes componentes del aire se separan según sus puntos de ebullición específicos. La tecnología criogénica se utiliza ampliamente en la producción de gases industriales empleados en la soldadura, la atención médica, la fabricación y otros innumerables sectores.
Al elegir un criógeno, los compradores deben considerar una serie de factores que afectan el rendimiento y la aplicación.
Temperatura más baja:
La capacidad de un criógeno para alcanzar bajas temperaturas es fundamental en ciertas industrias como la ciencia y la atención médica. Por ejemplo, el helio líquido, que tiene un punto de ebullición de 4.22 K, es un criógeno ideal para aplicaciones que requieren temperaturas extremadamente bajas, como el enfriamiento criogénico y la superconductividad.
Capacidad de enfriamiento:
La capacidad de enfriamiento del criógeno es importante para determinar si puede satisfacer las necesidades de enfriamiento específicas. El nitrógeno líquido tiene una buena capacidad de enfriamiento, lo que lo hace adecuado para aplicaciones como la congelación rápida y el enfriamiento criogénico.
Estabilidad y confiabilidad:
La estabilidad y la confiabilidad son cuestiones clave en las aplicaciones industriales. El nitrógeno líquido es estable a presión atmosférica y no es propenso a fugas ni evaporación, lo que lo hace adecuado para el uso a largo plazo en procesos industriales.
Costo:
El costo de los criógenos es un factor importante a considerar al tomar decisiones económicas para una aplicación específica. El nitrógeno líquido es relativamente económico y fácil de obtener, lo que lo convierte en una primera opción para muchas aplicaciones.
Seguridad ambiental:
Debido a las consideraciones de seguridad ambiental, muchos lugares ahora restringen el uso de ciertos criógenos. Por ejemplo, el hexafluoruro de azufre (SF6) es conocido por sus excelentes propiedades aislantes y su baja conductividad térmica, lo que lo hace ampliamente utilizado en la industria eléctrica como gas aislante para equipos de alta tensión. Sin embargo, el SF6 es un gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global significativamente mayor que el dióxido de carbono. Esto plantea serias preocupaciones ambientales, y muchos expertos de la industria insisten en limitar el uso del SF6 para reducir su impacto ambiental. Mientras tanto, se están explorando y adoptando alternativas al SF6, como la tecnología de aislamiento al vacío o la tecnología de aislamiento al aire, para mitigar la huella ecológica de las industrias que dependen del SF6.
Interacción con los materiales:
En ciertas aplicaciones, los criógenos deben ser compatibles con materiales específicos. Por ejemplo, en la fabricación de semiconductores, los criógenos no deben contener impurezas que puedan contaminar el producto.
P1: ¿Cuáles son las diferencias críticas entre la criogenia y la criónica?
A1: El estudio de cómo producir y utilizar fenómenos de bajas temperaturas se conoce como criogenia. Por otro lado, la criónica es la idea especulativa de preservar cuerpos y cerebros humanos enfriándolos a bajas temperaturas después de la muerte legal con la expectativa de revivirlos en el futuro.
P2: ¿Hay algún riesgo asociado con el tratamiento criogénico?
A2: Es crucial recordar que hay riesgos asociados con la preservación de cosas en nitrógeno líquido, ya que está muy frío. Los materiales pueden agrietarse, romperse o sufrir algún otro tipo de daño. Además, aunque el nitrógeno líquido es seguro y ampliamente utilizado, no hay pruebas reales de que la terapia criogénica ayude a las personas a vivir vidas más saludables.
P3: ¿Cuánto puede costar un criógeno?
A3: Es difícil determinar el costo preciso de un criógeno sin especificaciones particulares. Los rangos para los criógenos típicos incluyen: nitrógeno líquido, aproximadamente de $0.5 a $0.6 por galón; helio líquido, aproximadamente $39.00 por litro; hidrógeno líquido, alrededor de $10.00 por kilogramo; oxígeno líquido, aproximadamente $0.15 por metro cúbico, etc. Sin embargo, esta información puede volverse rápidamente obsoleta ya que el mercado fluctúa con mucha facilidad.
P4: ¿Qué tan rápido está creciendo el mercado de la criogenia?
A4: El tamaño del mercado global de criógenos se valoró en USD 12.38 mil millones en 2022 y se espera que se expanda a una CAGR del 3.91% durante el período de pronóstico, alcanzando USD 16.17 mil millones para 2030.
