Nitrógeno líquido

El nitrógeno líquido - LN 2 - es nitrógeno en estado líquido a baja temperatura (-195,79  ° C (77  K ; -320  ° F ) punto de ebullición al nivel del mar). El nitrógeno líquido tiene un punto de ebullición de aproximadamente -195,8 ° C. Se produce industrialmente mediante destilación fraccionada de aire líquido . Es un líquido incoloro de baja viscosidad que se usa ampliamente como refrigerante.

Nitrógeno líquido
Una demostración de nitrógeno líquido en el espacio de fabricación de Freeside en Atlanta, Georgia durante la conferencia de la Asociación de Noticias en Línea en 2013
Estudiantes preparando helados caseros con nitrógeno líquido.

Propiedades físicas

El carácter diatómico de la molécula de N 2 se conserva después de la licuefacción . La débil interacción de van der Waals entre las moléculas de N 2 da como resultado una pequeña interacción interatómica, que se manifiesta en su muy bajo punto de ebullición . [1]

La temperatura del nitrógeno líquido se puede reducir fácilmente a su punto de congelación 63 K (-210 ° C; -346 ° F) colocándolo en una cámara de vacío bombeada por una bomba de vacío . [2] La eficacia del nitrógeno líquido como refrigerante está limitada por el hecho de que hierve inmediatamente al entrar en contacto con un objeto más caliente, envolviendo el objeto en una capa aislante de burbujas de gas nitrógeno. Este efecto, conocido como efecto Leidenfrost , ocurre cuando cualquier líquido entra en contacto con una superficie que está significativamente más caliente que su punto de ebullición. Se puede obtener un enfriamiento más rápido sumergiendo un objeto en una mezcla de nitrógeno líquido y sólido en lugar de nitrógeno líquido solo.

Manejo

Como fluido criogénico que congela rápidamente los tejidos vivos, su manipulación y almacenamiento requieren aislamiento térmico . Puede almacenarse y transportarse en matraces de vacío , manteniéndose constante la temperatura a 77 K mediante la ebullición lenta del líquido. Dependiendo del tamaño y el diseño, el tiempo de conservación de los frascos de vacío varía desde unas pocas horas hasta unas pocas semanas. El desarrollo de recipientes de vacío super-aislados presurizados ha permitido almacenar y transportar nitrógeno líquido durante períodos de tiempo más largos con pérdidas reducidas al 2% por día o menos. [3]

Usos

El nitrógeno líquido es una fuente compacta y de fácil transporte de nitrógeno gaseoso seco, ya que no requiere presurización. Además, su capacidad para mantener temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua lo hace extremadamente útil en una amplia gama de aplicaciones, principalmente como refrigerante de ciclo abierto , que incluye:

  • en crioterapia para eliminar lesiones cutáneas desagradables o potencialmente malignas como verrugas y queratosis actínica
  • para almacenar células a baja temperatura para trabajos de laboratorio
  • en criogenia
  • en un crióforo para demostrar una congelación rápida por evaporación
  • como fuente de nitrógeno de respaldo en sistemas de prevención de incendios por aire hipóxico
  • como fuente de nitrógeno gaseoso muy seco
  • para la inmersión, congelación y transporte de productos alimenticios
  • para la criopreservación de sangre , células reproductoras ( esperma y óvulo ) y otras muestras y materiales biológicos
  • para congelar tuberías de agua y aceite para trabajar en ellas en situaciones en las que no se dispone de una válvula para bloquear el flujo de fluido al área de trabajo; este método se conoce como aislamiento criogénico
  • para la preservación criónica con la esperanza de una futura reanimación
  • para soldar por contracción piezas de maquinaria juntas
  • como refrigerante
    • para cámaras CCD en astronomía
    • para un superconductor de alta temperatura a una temperatura suficiente para lograr la superconductividad
    • para mantener una temperatura baja alrededor del sistema de enfriamiento de helio líquido primario de los imanes superconductores de alto campo utilizados en, por ejemplo, espectrómetros de resonancia magnética nuclear y sistemas de imágenes por resonancia magnética
    • para trampas de bomba de vacío y en procesos de evaporación controlada en química
    • como componente de baños de enfriamiento utilizados para reacciones de muy baja temperatura en química
    • para aumentar la sensibilidad de las cabezas de búsqueda de infrarrojos de misiles como el Strela 3
    • para encoger temporalmente los componentes mecánicos durante el montaje de la máquina y permitir ajustes de interferencia mejorados
    • para computadoras y overclocking extremo [4]
    • para la simulación del fondo espacial en la cámara de vacío durante las pruebas térmicas de la nave espacial [5]
  • en la preparación de alimentos, como para hacer helados ultra suaves . [6] Véase también gastronomía molecular .
  • en la inertización y presurización de contenedores inyectando una cantidad controlada de nitrógeno líquido justo antes de sellar o tapar [7] [8]
  • como novedad cosmética que confiere un "efecto caldero" ahumado y burbujeante a las bebidas. Ver cóctel de nitrógeno líquido .
  • como medio de almacenamiento de energía [9] [10]
  • en ganado de marcado congelado [11]

Uso culinario

El uso culinario del nitrógeno líquido se menciona en un libro de recetas de 1890 titulado Fancy Ices escrito por la Sra. Agnes Marshall , [12] pero ha sido empleado en tiempos más recientes por los restaurantes en la preparación de postres congelados, como helados, que pueden ser creado en unos momentos en la mesa debido a la velocidad a la que enfría los alimentos. [12] La rapidez del enfriamiento también conduce a la formación de cristales de hielo más pequeños, lo que proporciona al postre una textura más suave. [12] La técnica es empleada por el chef Heston Blumenthal, quien la ha utilizado en su restaurante, The Fat Duck , para crear platos congelados como helado de huevo y tocino. [12] [13] El nitrógeno líquido también se ha vuelto popular en la preparación de cócteles porque se puede usar para enfriar vasos o congelar ingredientes rápidamente. [14] También se agrega a las bebidas para crear un efecto ahumado, que ocurre cuando pequeñas gotas de nitrógeno líquido entran en contacto con el aire circundante, condensando el vapor que está naturalmente presente. [14]

Historia

El nitrógeno fue licuado por primera vez en la Universidad Jagellónica el 15 de abril de 1883 por los físicos polacos Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski . [15]

Seguridad

Llenado de un Dewar de nitrógeno líquido desde un tanque de almacenamiento

Debido a que la relación de expansión de líquido a gas del nitrógeno es 1: 694 a 20 ° C (68 ° F), se puede generar una enorme cantidad de fuerza si el nitrógeno líquido se vaporiza en un espacio cerrado. En un incidente ocurrido el 12 de enero de 2006 en la Universidad de Texas A&M , los dispositivos de alivio de presión de un tanque de nitrógeno líquido no funcionaban bien y luego estaban sellados. Como resultado de la posterior acumulación de presión, el tanque falló catastróficamente. La fuerza de la explosión fue suficiente para impulsar el tanque a través del techo inmediatamente por encima de él, hacer añicos una viga de hormigón armado inmediatamente debajo de él y volar las paredes del laboratorio entre 0,1 y 0,2 m de sus cimientos. [dieciséis]

Debido a su temperatura extremadamente baja, el manejo descuidado del nitrógeno líquido y cualquier objeto que se enfríe puede provocar quemaduras por frío . En ese caso, se deben utilizar guantes especiales durante la manipulación. Sin embargo, una pequeña salpicadura o incluso derramar la piel no se quemará inmediatamente debido al efecto Leidenfrost , el gas que se evapora aísla térmicamente hasta cierto punto, como tocar un elemento caliente muy brevemente con un dedo mojado. Si el nitrógeno líquido logra acumularse en cualquier lugar, arderá gravemente.

A medida que el nitrógeno líquido se evapora, reduce la concentración de oxígeno en el aire y puede actuar como asfixiante , especialmente en espacios reducidos . El nitrógeno es inodoro, incoloro e insípido y puede producir asfixia sin ninguna sensación o advertencia previa. [17] [18] [19]

Los sensores de oxígeno a veces se usan como precaución de seguridad cuando se trabaja con nitrógeno líquido para alertar a los trabajadores de derrames de gas en un espacio confinado. [20]

Los recipientes que contienen nitrógeno líquido pueden condensar el oxígeno del aire. El líquido en tal recipiente se enriquece cada vez más en oxígeno (punto de ebullición 90 K; -183 ° C; -298 ° F) a medida que el nitrógeno se evapora y puede causar una oxidación violenta de material orgánico. [21]

La ingestión de nitrógeno líquido puede causar graves daños internos, debido a la congelación de los tejidos que entran en contacto con él y al volumen de nitrógeno gaseoso desprendido a medida que el líquido se calienta con el calor corporal. En 1997, un estudiante de física que demostró el efecto Leidenfrost al mantener nitrógeno líquido en la boca ingirió accidentalmente la sustancia, lo que provocó lesiones casi fatales. Este fue aparentemente el primer caso en la literatura médica de ingestión de nitrógeno líquido. [22] En 2012, a una mujer joven de Inglaterra le extirparon el estómago después de ingerir un cóctel elaborado con nitrógeno líquido. [23] En enero de 2021, una línea que transportaba nitrógeno líquido se rompió en una planta de procesamiento de aves de corral en el estado estadounidense de Georgia, matando a seis personas e hiriendo a otras 11. [24]

Producción

El nitrógeno líquido se produce comercialmente a partir de la destilación criogénica de aire licuado o de la licuación de nitrógeno puro derivado del aire mediante adsorción por cambio de presión . Un compresor de aire se utiliza para comprimir aire filtrado a alta presión; el gas a alta presión se enfría de nuevo a temperatura ambiente y se deja expandir a baja presión. El aire en expansión se enfría mucho ( efecto Joule-Thomson ) y el oxígeno, el nitrógeno y el argón se separan mediante etapas posteriores de expansión y destilación. La producción a pequeña escala de nitrógeno líquido se logra fácilmente usando este principio. [ cita requerida ] El nitrógeno líquido se puede producir para la venta directa o como subproducto de la fabricación de oxígeno líquido utilizado para procesos industriales como la fabricación de acero . Las plantas de aire líquido que producían del orden de toneladas por día de producto comenzaron a construirse en la década de 1930, pero se volvieron muy comunes después de la Segunda Guerra Mundial; una gran planta moderna puede producir 3000 toneladas / día de productos aéreos líquidos. [25]

Ver también

  • Licuefacción de gases
  • Gas industrial
  • Refrigeración por computadora
  • Planta de nitrógeno criogénico
  • Motor de nitrógeno líquido

Referencias

  1. ^ Henshaw, DG; Hurst, DG; Papa, NK (1953). "Estructura de nitrógeno líquido, oxígeno y argón por difracción de neutrones". Revisión física . 92 (5): 1229–1234. Código bibliográfico : 1953PhRv ... 92.1229H . doi : 10.1103 / PhysRev.92.1229 .
  2. ^ Umrath, W. (1974). "Baño de enfriamiento para congelación rápida en microscopía electrónica". Revista de microscopía . 101 : 103-105. doi : 10.1111 / j.1365-2818.1974.tb03871.x .
  3. ^ LIBRO DE DATOS para equipos y gases criogénicos Archivado el 17 de mayo de 2014 en la Wayback Machine . aspenycap.org
  4. ^ Wainner, Scott; Richmond, Robert (2003). El libro del overclocking: ajusta tu PC para liberar su poder . Sin prensa de almidón. pp.  44 . ISBN 1-886411-76-X.
  5. ^ Karam, Robert D. (1998). Control térmico satelital para ingenieros de sistemas . AIAA. pag. 89. ISBN 1-56347-276-7.
  6. ^ Receta de helado de nitrógeno líquido , 7 de marzo de 2006
  7. ^ Nitrógeno líquido: cómo dosificar eficazmente Archivado el 16 dejunio de2013 en la Wayback Machine , 19 de junio de 2012
  8. ^ Chart Dosers Dosing Products , 19 de junio de 2012
  9. ^ Harrabin, Roger (2 de octubre de 2012). "El aire líquido 'ofrece esperanza de almacenamiento de energía ' " . BBC.
  10. ^ Markham, Derek (3 de octubre de 2012). "Las baterías de aire congelado podrían almacenar energía eólica para la demanda máxima" . Treehugger . Comunicaciones de descubrimiento.
  11. ^ Dyer, Ted G. (febrero de 2010). "Ganado de marca congelada" (PDF) .[ enlace muerto ]
  12. ^ a b c d "Quién Qué Por qué: ¿Qué tan peligroso es el nitrógeno líquido?" . BBC News . BBC. 9 de octubre de 2012 . Consultado el 9 de octubre de 2012 .
  13. ^ Wallop, Harry (9 de octubre de 2012). "El lado oscuro de los cócteles de nitrógeno líquido" . El Daily Telegraph . Telegraph Media Group . Consultado el 12 de octubre de 2012 .
  14. ^ a b Gladwell, Amy (9 de octubre de 2012). "El estómago del adolescente extraído después de beber un cóctel" . Newsbeat . BBC . Consultado el 9 de octubre de 2012 .
  15. ^ Tilden, William Augustus (2009). Una breve historia del progreso de la química científica en nuestros propios tiempos . BiblioBazaar, LLC. pag. 249. ISBN 978-1-103-35842-7.
  16. ^ Mattox, Brent S. "Informe de investigación sobre la explosión de un cilindro químico 301A" (PDF) . Universidad Texas A & M. Archivado desde el original (reimpresión) el 31 de octubre de 2008.
  17. ^ Código de práctica CP30 de BCGA de la Asociación británica de gases comprimidos (2000). El uso seguro de nitrógeno líquido Dewars hasta 50 litros. Archivado el18 de julio de 2007en la Wayback Machine ISSN 0260-4809.
  18. ^ Entrada a espacio confinado: trabajador y aspirante a rescatador asfixiado. Archivado el 29 de agosto de 2017 en la Wayback Machine , estudio de caso del incidente de asfixia en la refinería de Valero.
  19. ^ Investigación después de que el hombre muere en una fuga química , BBC News, 25 de octubre de 1999 .
  20. ^ Nitrógeno líquido - Código de prácticas de manipulación . Reino Unido: Birkbeck, Universidad de Londres. 2007 . Consultado el 8 de febrero de 2012 .
  21. ^ Levey, Christopher G. "Seguridad del nitrógeno líquido" . Escuela de Ingeniería Thayer en Dartmouth.
  22. ^ "Estudiante engulle literatura médica" . Instituto Politécnico de Worcester . 20 de enero de 1999. Archivado desde el original el 22 de febrero de 2014 . Consultado el 11 de octubre de 2014 .
  23. ^ Cóctel de nitrógeno líquido deja adolescente en el hospital , BBC News, 8 de octubre de 2012 .
  24. ^ Fausset, William; Levenson, Michael (28 de enero de 2021). "6 mueren después de una fuga de nitrógeno líquido en la planta avícola de Georgia" . The New York Times . Archivado desde el original el 29 de enero de 2021.
  25. ^ Almqvist, Ebbe (2003) Historia de gases industriales , Springer, ISBN  0306472775 p. 163
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