Es bien sabido que el CO₂ es el agente espumante más difícil de manejar en la extrusión de espuma por expansión física. Hay motivos para ello: su punto crítico, la delicada formación de hielo seco y la notable variación de su densidad cuando cambia la temperatura ambiente, entre otros. Para el cliente final, conocer estos datos no basta: necesita un diseño fiable que garantice la productividad de su línea. No voy a exponer muchas teorías ni tecnicismos; solo quiero compartir nuestra experiencia práctica en el manejo del CO₂ en la producción de XPS.
Diagrama de flujo del sistema de manejo de CO₂
Para entender mejor los detalles de cada unidad del sistema, empecemos por explicar nuestro diagrama de flujo. El siguiente esquema no es el diagrama P&ID real, sino un croquis que le ayudará a entender cómo controlamos el CO₂. El P&ID real es mucho más complejo e incluye decenas de válvulas y otros accesorios.
| Etapa | Temperatura | Presión | Estado del CO₂ |
|---|---|---|---|
| Tanque de CO₂ | aprox. −20 °C | 1.6–2.0 MPa | Líquido |
| Tanque intermedio | aprox. 25 °C | 6.5-7 MPa | Líquido |
| Recipiente de enfriamiento | 10 °C | 6.5 MPa | Líquido puro, listo para dosificar |
| Cilindro de la extrusora | aprox. 200 °C | — | Supercrítico |
Tanque de CO₂: almacenamiento en estado líquido
Normalmente, el CO₂ de uso industrial se entrega en camiones cisterna que transportan decenas de toneladas de CO₂ líquido. El CO₂ se almacena en un gran tanque con aislamiento al vacío, por lo general de unas 25 toneladas. La temperatura del CO₂ dentro del tanque es de unos −20 °C y la presión, de 1.6–2.0 MPa. Cuando un cambio de la temperatura ambiente hace subir la presión, el tanque libera CO₂ para enfriarse.
Como sabe, un líquido es mucho más fácil de manejar que un gas. Por eso procuramos mantener el CO₂ en estado líquido durante todo el proceso. Como el CO₂ se vaporiza con mucha facilidad por su alta presión de vapor, hay que encontrar el equilibrio entre presión y temperatura.
Esta es la base del funcionamiento de nuestro sistema.
Bomba de refuerzo: del tanque de CO₂ al tanque intermedio
Utilizamos una bomba de refuerzo que transporta el CO₂ líquido desde el tanque de CO₂ hasta el tanque intermedio. Este tiene una pared con camisa, de modo que su temperatura puede regularse con un termorregulador de agua.
Mantenga la distancia corta
Un consejo que debo mencionar aquí: la distancia entre el tanque de CO₂ y el tanque intermedio debe ser lo más corta posible. Como el CO₂ tiende a vaporizarse, cuanto mayor es la distancia, mayor es el riesgo de vaporización.
Para ello, se recomienda instalar la bomba de refuerzo debajo del tanque de CO₂. Aun así, ocasionalmente se produce vaporización.
Cuando la bomba de refuerzo no logra bombear
Si la bomba de refuerzo no consigue bombear el CO₂ correctamente, lo más probable es que se haya producido vaporización. La válvula de purga está prevista para esta situación: ábrala y deje salir el CO₂ vaporizado para enfriar el cabezal de la bomba de refuerzo.
Esta operación debe hacerse con mucho cuidado, porque si la válvula de purga se abre demasiado, el CO₂ tiende a convertirse en hielo seco, que obstruye la tubería y tarda mucho en desaparecer.
Capacidad de la bomba y tuberías
Para evitar esta situación, la capacidad de la bomba de refuerzo debe ser diez veces mayor que la de la bomba dosificadora, de modo que no tenga que funcionar continuamente, sino solo de forma intermitente.
Además, se aconseja una tubería de descarga más larga, que evita que la tubería de entrada de la bomba de refuerzo se congele por la formación de hielo seco. Por otra parte, el aislamiento térmico de todas las tuberías del sistema contribuye a un transporte constante del CO₂ y permite ahorrar energía.
Tanque intermedio: temperatura y presión constantes
La función del tanque intermedio es mantener el CO₂ a una temperatura determinada (unos 25 °C) para que la presión de todo el sistema se mantenga estable y suficientemente alta (6.5–7 MPa). Estas dos condiciones aseguran que las propiedades físicas del CO₂ sean constantes y lo dejan listo para una dosificación precisa en la extrusora de doble husillo. Como ya mencioné, la densidad del CO₂ varía con la temperatura.
Alarma de nivel al 70 % del volumen
La alarma de nivel máximo de CO₂ en el tanque intermedio no debe superar el 70 % del volumen total del tanque, por si ocurre algún incidente, como un corte de energía en verano en una región calurosa. En ese caso, la temperatura ambiente alrededor del tanque intermedio puede subir y el CO₂ puede pasar al estado supercrítico, cuyo comportamiento es más difícil de controlar y predecir. Como resultado, el volumen del CO₂ aumenta considerablemente. Si no queda suficiente espacio libre, el tanque intermedio puede correr peligro.
Por qué 25 grados Celsius
Antes de entrar en el tanque intermedio, el CO₂ se calienta para que su temperatura en el tanque alcance el valor previsto, normalmente 25 °C. A esta temperatura, la presión del tanque intermedio es de unos 6.5 MPa.
¿Por qué se fija esta temperatura? En China, 10 MPa es el límite entre los recipientes de presión media y los de alta presión. Un recipiente de alta presión exige certificaciones más complejas y es más caro. Por eso, una presión de diseño de 7 MPa mantiene el tanque intermedio en la categoría de presión media.
Recipiente de enfriamiento y dosificación
Tras pasar por el tanque intermedio, el CO₂ entra en otro recipiente de enfriamiento que reduce su temperatura a 10 °C. En estas condiciones de 6.5 MPa y 10 °C, el CO₂ está en estado líquido puro, y cuanto más líquido, más fácil de dosificar. En este estado, el CO₂ puede dosificarse sin dificultad en la extrusora primaria (extrusora de doble husillo).
Hay que destacar que el cabezal de la bomba debe enfriarse con un chiller. Cuando los cabezales de la bomba están en funcionamiento generan calor, lo que puede vaporizar el CO₂ líquido y perturbar el proceso.
Purga del vapor de CO₂ atrapado
Aunque se hayan atendido todos los puntos anteriores, eso no garantiza que el CO₂ se maneje correctamente. Si algún tramo de la tubería atrapa CO₂ vaporizado, el sistema no funcionará bien.
Lo que debe hacer es abrir la válvula de purga con mucha atención para evitar que se forme hielo seco en exceso. Se recomienda encarecidamente instalar la válvula de purga antes de la válvula de inyección. Cuando vea salir humo blanco (pequeñas partículas de hielo seco), ya está: cierre la válvula. El CO₂ vuelve a funcionar correctamente.
Bombas y otros sistemas de CO₂
Esta es nuestra manera de controlar el sistema de CO₂, una combinación que tiene en cuenta la fabricación en China, la economía, la fiabilidad y el sentido práctico. Hay otras formas que también controlan muy bien el CO₂; por ejemplo, LINDE PRESUS y el paquete DSD también manejan el CO₂ con precisión. Simplemente, nuestro sistema está pensado para equipos fabricados en China.
Bomba de pistón o bomba de membrana
Según nuestra larga experiencia, las bombas de pistón fabricadas en China manejan el CO₂ sin ningún problema. Su desventaja es que, con el tiempo, el riesgo de fugas de las bombas de pistón fabricadas en China es mayor que el de las bombas de membrana. Pero el CO₂ no es tóxico ni inflamable, así que no tiene sentido preocuparse por este riesgo. Además, los elementos de sellado son muy baratos y fáciles de conseguir, y su cambio puede incluirse como tarea rutinaria del mantenimiento.
En cambio, los agentes espumantes inflamables, como el HFC-152a, el etanol, el DME o el isobutano, se manejan mejor con bombas de membrana.
Sistema de CO₂ de nuestro laboratorio de extrusión de espuma
Nuestro laboratorio de extrusión de espuma utiliza otro sistema que maneja muy bien pequeñas cantidades de CO₂, aunque por ahora solo se usa en el laboratorio. Este sistema enfría el CO₂ hasta −20 °C para mantenerlo en estado líquido puro a una presión moderada. Normalmente funciona con una botella de CO₂ que contiene solo decenas de kilos. Es relativamente económico y fácil de operar.
Mantener el CO₂ líquido durante todo el proceso
En resumen, lo mejor es mantener el CO₂ en estado líquido puro durante todo el proceso de manejo.
En cuanto a las llamadas líneas de producción de XPS espumado con CO₂ supercrítico, el nombre se debe a que el CO₂ pasa al estado supercrítico al inyectarse en el cilindro, donde la temperatura ronda los 200 °C. No tiene nada que ver con el proceso de manejo.
