BRPI0714376B1 - Dispositivo de injeção de fluido criogênico permitindo o tratamento de produtos a granel, sua utilização e processo de resfriamento utilizando o mesmo - Google Patents

Dispositivo de injeção de fluido criogênico permitindo o tratamento de produtos a granel, sua utilização e processo de resfriamento utilizando o mesmo Download PDF

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cryogenic fluid
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Pouchain Olivier
Fouche Jacques
Algoet Jo
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L'air Liquide, Sociéte Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Abstract

sistema de injeçao de fluido criogênico permitindo o tratamento de produtos a granel e processo de resfriamento utilizando o mesmo o dispositivo de injeção (3) de acordo com a invenção, destinado a ser fixado sobre a parede da parte inferior de um recipiente contendo um produto a resfriar a granel, compreende um corpo cilíndrico oco no qual é inserido uma válvula (17) pressionada por uma mola (19) , um canal transversal (18) sensivelmente paralelo a referida válvula destinado a ser alimentado em fluido criogênico sob pressão, uma extremidade do referido canal transversal sendo ligada ao sistema de alimentação em fluido criogênico e a extremidade oposta desembocando ao nível da sede (13) da válvula.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO DE INJEÇÃO DE FLUIDO CRIOGÊNICO PERMITINDO O TRATAMENTO DE PRODUTOS A GRANEL, SUA UTILIZAÇÃO E PROCESSO DE RESFRIAMENTO UTILIZANDO O MESMO (51) Int.CI.: C01B 32/55; B05B 1/32; A23L 3/375; F25D 3/12; B01F 15/06; B05B 1/30; B05B 15/65; F25D 3/10 (30) Prioridade Unionista: 10/07/2006 FR 0652885 (73) Titular(es): L'AIR LIQUIDE, SOCIÉTE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE (72) Inventor(es): HERVÉ FLAMANT; OLIVIER POUCHAIN; JACQUES FOUCHE; JO ALGOET
1/13
DISPOSITIVO DE INJEÇÃO DE FLUIDO CRIOGÊNICO PERMITINDO O TRATAMENTO DE PRODUTOS A GRANEL, SUA UTILIZAÇÃO E PROCESSO
DE RESFRIAMENTO UTILIZANDO O MESMO
A presente invenção é relativa a um dispositivo 5 destinado a injetar, em um recipiente, um fluido criogênico, sob uma pressão superior àquela que impera no recipiente.
É conhecido resfriar o conteúdo de um misturador ou uma masseira introduzindo o CO2 líquido ou o nitrogênio líquido (LN2) na base da cuba do misturador ou masseira. O CO2 líquido, introduzido sob pressão pelo intermédio de um bico de injeção, transforma-se, desde sua expansão, no bico, em sólido (neve carbônica), e em gás frio. O sólido mistura-se ao conteúdo do misturador e resfria-o, não obstante que o gás frio contribui igualmente ao resfriamento atravessando o conjunto da massa contida na cuba.
Um dispositivo conhecido para a aplicação desse processo comporta vários dispositivos de injeções, dispostos no fundo do cuba, e alimentados em CO2 líquido por um conjunto de canalizações, esse conjunto sendo fornecido de uma válvula de comando comum, única.
Durante um fechamento da válvula, o CO2 líquido que se encontra nas canalizações a jusante dessa válvula não pode ser evacuado muito rapidamente pelos dispositivos de injeção, e, quando a pressão cai abaixo de cerca de 518 kPa nas canalizações, transforma-se em neve carbônica nessas canalizações que são assim são obstruídas.
por
E, conseguinte, impossível retomar a injeção enquanto essa neve não desapareça transformando-se em gas por
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2/13 aquecimento .
Pode-se prever que os condutos que ligam a válvula aos
dispositivos de inj eção são flexíveis, o que permite uma
desmontagem, e por conseguinte, permite acelerar a
recolocação em trabalho do sistema. Essa desmontagem é, contudo uma operação relativamente longa e penosa.
Os mesmos inconvenientes subsistem se, ao invés de uma válvula comum a todos os dispositivos de injeção, fosse previsto várias válvulas independentes, ligadas cada uma à um dispositivo de injeção por um conduto flexível distinto: as obstruções se produzem então no conduto flexível.
Foi constatado que as obstruções se produzem quando a pressão do CO2 líquido torna-se inferior a 1400 kPa, o que acontece bastante frequentemente quando utiliza-se os recipientes de armazenamento ditos “super isolados”, que são, além disso, frequentemente preferidos no objetivo de limitar as perdas térmicas.
Um dispositivo destinado a injetar em um recipiente um fluido susceptível de se solidificar por expansão é conhecido do documento EP-A-376 823.
A Patente EP-744 578 descreve um dispositivo de injeção permitindo evitar os inconvenientes provocados pelos incidentes de obstrução nas condições normais de utilização. Esse dispositivo é tal que a ligação entre a válvula de parada e o bico de injeção é calculada para que uma obstrução eventualmente formada na referida ligação e no referido bico em sequência de um fechamento da válvula de injeção possa ser expulsa para o recipiente pelo fluido sob pressão durante a reabertura da válvula de injeção.
Assim o dispositivo não comporta meios para impedir a
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3/13 formação de obstrução, mas a expulsão dessa obstrução é possível a partir desde a retomada do trbalho, assim bem que é possível proceder uma nova injeção não importando o momento após o fim de um período anterior de injeção.
Contudo, se prova que este dispositivo pode ser obstruído pela entrada da matéria a resfriar no dispositivo de injeção, e desse fato a utilização desse dispositivo é limitada ao resfriamento de produto sólido.
Existe, por conseguinte uma real necessidade em um 10 dispositivo de injeção de fluido criogênico não apresentando os problemas encontrados com os dispositivos da técnica anterior e podendo permitir o resfriamento de qualquer tipo de produto independente do seu estado físico.
Assim a presente invenção coloca sobre um dispositivo 15 de injeção destinada a ser fixado sobre a parte inferior de um recipiente que contém um produto a resfriar a granel, o referido dispositivo de injeção compreendendo um corpo cilíndrico oco no qual é inserida uma válvula pressionada por uma mola, o referido dispositivo de injeção compreendendo um canal que atravessa sensivelmente paralelo à referida válvula destinado a ser alimentado em fluido criogênico sob pressão, uma extremidade do referido canal transversal sendo ligado ao sistema de alimentação em fluido criogênico e a extremidade oposta desembocando ao nível da sede da válvula.
A mola é calibrada de tal modo que a válvula não possa deslizar sem ser submetida à uma pressão do fluido criogênico pelo menos igual a uma pressão limite. Assim que a pressão de fluido criogênico for inferior a um limite determinado, a pressão necessária para fazer deslizar a
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4/13 válvula mais não será mais atingida e a sede de válvula se reposicionará de maneira impermeável contra a parede suporte.
Graças ao dispositivo conforme a invenção, é 5 impossível que matéria contida no recipiente possa se introduzir no dispositivo e criar as obturações que necessitam uma desmontagem e limpeza, e qualquer que seja o estado físico dessa matéria.
O dispositivo de acordo com a invenção, por 10 conseguinte é adaptado ao resfriamento de produto bem como sob forma líquida, pastosa, sólida ou granulada.
Por “produto pastoso”, entende-se todo produto cuja viscosidade é compreendida entre líquida e sólida.
O dispositivo poderá vantajosamente substituir os 15 dispositivos de resfriamento pela parte superior das cubas contendo os produtos líquidos ou pulverulentos para os quais os sistemas da técnica anterior de resfriamento pela parte inferior não eram adaptados.
O fluido criogênico utilizado é de nitrogênio líquido 20 ou CO2 líquido, especialmente quando o produto a resfriar é um produto alimentar. Contudo, o dispositivo de acordo com a invenção pode ser utilizado com qualquer tipo de fluido criogênico.
A escolha da mola e sua calibração são naturalmente em 25 função do fluido criogênico que é utilizado. Assim para o nitrogênio, ele deve poder ser calibrado tipicamente entre e 700 kPa e para o CO2 até 2500 kPa.
A fim de otimizar o funcionamento da válvula, o dispositivo pode comportar vários canais transversais cuja uma das extremidades desemboca ao nível da sede da válvula.
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Assim, de acordo com um modo de realização vantajoso, o dispositivo compreende n canais transversais, n sendo compreendido entre 1 e 20, um número par, seu número aumenta quando a pressão de utilização do fluido criogênico diminui, os referidos canais sendo dispostos simetricamente em relação ao eixo longitudinal da válvula. De acordo com um modo de realização particularmente vantajoso, dois canais são dispostos simetricamente em relação ao eixo longitudinal da válvula.
O dispositivo da invenção é submetido às diferenças de temperaturas muito importantes. De fato, a parede do recipiente sobre o qual é fixado o dispositivo está geralmente em temperatura ambiente, enquanto que a parte oposta do dispositivo que recebe a alimentação em fluido criogênico está em uma temperatura de -196°C. Os fenômenos de congelamento da superfície externa do recipiente são, por conseguinte inevitáveis. Pode então, haver colagem sobre a parede congelada do recipiente da matéria a resfriar. Os pontos de congelamento passam a ser pontos de fixação do produto contido no recipiente. Esses pontos se aumentam e terminam por obturar a válvula, que não permite
mais a injeção de fluido criogênico.
A fim de evitar esses fenômenos de congelamento, de
acordo com um modo de realização vantajoso, é previsto
25 dispor uma ponte térmica, isto é, inserir uma peça de
material isolando entre o elemento do dispositivo em ligação direta com a chegada de fluido criogênico e o elemento do dispositivo colocado diretamente sobre a parede da cuba, os elementos constitutivos sendo então dissociáveis.
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A ruptura da ponte térmica pode ser realizada em qualquer material isolante, especialmente em resina polimérica ou qualquer outra matéria plástica isolante.
De acordo com um modo de realização particular, o 5 dispositivo conforme a invenção compreende:
- um elemento inferior, que em posição de funcionamento é mais afastado da parede do recipiente e que é ligado ao sistema de alimentação em fluido criogênico,
- um elemento central cuja extremidade inferior está 10 em apoio sobre o elemento inferior,
- uma válvula colocada em deslizamento em um orifício transversal colocado axialmente no elemento central, a sede da válvula estando em apoio hermético contra a parte superior biselada do referido orifício transversal,
- uma ponte térmica cercando o elemento central e cuja extremidade inferior está em apoio sobre o elemento inferior,
- um elemento de parede cercando a ponte térmica cuja extremidade inferior está em apoio sobre o bordo inferior da ponte térmica e incluindo a extremidade superior é destinada a ser fixada sobre a parede do recipiente, o referido elemento inferior compreendendo:
- pelo menos um canal de alimentação cuja uma extremidade está em ligação com o sistema de alimentação e a outra extremidade está em ligação com uma extremidade de um canal transversal presente no elemento central, o referido canal transversal sendo sensivelmente paralelo ao eixo da válvula, sua outra extremidade desembocando ao nível da sede da válvula,
- uma fenda cega central destinada a receber a
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extremidade livre do eixo da válvu la cercada de mola de
calibração, o referido orifício transversal da parte central
apresentando na sua extremidade inferior um diâmetro
superior de tal modo que em posição de montagem, a mola de
calibração seja mantida contra a referida saliência no
orifício central de maior diâmetro e na fenda central do
elemento inferior.
De maneira vantajosa, os diferentes elementos constitutivos são realizados em aço, preferivelmente em aço inoxidável com a exceção da ponte térmica que é realizada em um material isolante.
De maneira vantajosa, os diferentes elementos constitutivos são mantidos juntos com a ajuda de uma conexão de desmontagem rápida ou do tipo aparafusada ou de baioneta ou análoga.
O dispositivo de acordo com a invenção deve poder ser desmontado em vista especialmente da calibração da mola que pressiona a válvula, ou de uma limpeza que é obrigatória no caso de produtos alimentares e que pode ser necessária por um funcionamento anormal ou ainda, por uma poluição acidental.
De acordo com um modo de realização vantajoso, o dispositivo é ligado com a alimentação em fluido criogênico pelo intermédio de um conduto flexível fluídico. Isso, a fim de permitir uma desmontagem rápida. De fato, o conduto flexível não tem que ser desmontado para a limpeza.
De acordo com um modo de realização preferido, a limpeza ainda é facilitada pela manutenção das diferentes peças constitutivas com a ajuda de um sistema de manutenção
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8/13 mecânica rápida (conexão rápida).
De acordo com um modo de realização preferido, o dispositivo da invenção sendo destinado a ser utilizado sob pressão, os meios são previstos para que só o pessoal autorizado possa desmontar o dispositivo. Para esse efeito, as partes constitutivas do dispositivo são fixadas entre elas com a ajuda de parafusos invioláveis e um cabo antichicote é fixado em uma parte sobre o tubo flexível, em outra na conexão rápida, sobre a parte baixa do dispositivo e sobre a parte elevada deste. A retirada do cabo anti chicote é possível somente utilizando uma chave específica cuja utilização é reservada às pessoas habilitadas.
O dispositivo de acordo com a invenção é fixado de maneira tangencial sobre a parede previamente perfurada do recipiente. No caso onde o recipiente é um misturador, é vantajoso dispor os dispositivos a cerca de 45° dos braços de mistura em um setor compreendido entre um ângulo de 0° (isto é, vertical) a 50° em relação a um ângulo de 90°
20 (isto é, horizontal aos braços de mistura) de modo que o
fluido criogênico seja injetado no meio da matéria a
resfriar.
Além disso, contrariamente aos dispositivos da técnica
anterior, uma parte do fluido criogênico já transformada em sólido antes de entrar em contato com a massa a resfriar.
De fato, o sólido criogênico forma-se logo que o fluido impacta na sede da válvula no espaço compreendido entre a sede e o apoio. Tendo em conta o fato que é o sólido criogênico que entra em contato com a matéria a resfriar o rendimento de resfriamento é, por conseguinte superior ao
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9/13 obtido com os dispositivos da técnica anterior.
O produto pode naturalmente estar em movimento no recipiente, o que favorece as trocas térmicas e por conseguinte, o resfriamento do conteúdo.
De acordo com um modo de realização vantajoso, o dispositivo conforme a invenção é fixado sobre a parte inferior da cuba de mistura.
A invenção vai agora ser exposta de maneira mais detalhada com a ajuda de um exemplo prático, ilustrado com desenhos, sobre os quais:
- a Figura 1 é uma vista em corte de uma instalação compreendendo um recipiente e dispositivos conforme a invenção,
- a Figura 2 é uma vista, em elevação, de um 15 dispositivo conforme a invenção,
- a Figura 3 é uma vista, em corte, de acordo com o plano III-III da figura 2, e
- a Figura 4 é uma vista, em corte, de acordo com o plano IV-IV da figura 2.
A figura 1 mostra a parte inferior de um recipiente 1 sobre a parede da qual são fixados, preferivelmente por soldagem, dois dispositivos 3 de injeção de fluido criogênico conforme a invenção. Os dispositivos 3 são ligados por um tubo flexível 4 e um tubo resistente ao calor 5 com uma válvula elétrica 6 que permite a abertura e o fechamento da alimentação em fluido criogênico.
A figura 2 mostra mais em detalhe um dispositivo 3 de injeção, compreendendo uma parte superior 7 cuja extremidade livre 8 é destinada a ser fixada sobre a parede externa de um recipiente, e uma parte baixa 9, as duas
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10/13 partes sendo ligadas por uma conexão rápida 10. A parte baixa 9 do referido dispositivo 3 é ligada a um tubo flexível 4. Um cabo antichicote 11 ligando o tubo flexível 4, à parte baixa 9 e à parte superior 7. Esse cabo é fixado com a ajuda de ganchos de segurança 12 de modo que só pessoas habilitadas possam desfazê-lo, por exemplo, em vista de uma desmontagem.
Ao interior do dispositivo 3 está alojada a válvula cuja única face superior 13 é visível.
Como isso é mais visível sobre as figuras 3 e 4, o dispositivo de injeção 3 compreende um corpo composto de duas partes tornadas unidas, a parte inferior 9 e a parte superior 7. A parte superior é ela própria constituída de 3 elementos, uma parede sensivelmente cilíndrica 14 externa de aço inoxidável cuja uma extremidade vem indiretamente em apoio sobre a parte inferior 9 e cuja outra extremidade é destinada a ser fixada sobre a parede do recipiente.
Ao interior dessa parede 14, é disposto uma peça de forma complementar, chamada ponte térmica, igualmente oca, isolante, ao interior da qual é um disposto terceiro elemento 16 em aço inoxidável atravessado no seu centro pela válvula 17 e por dois canais 18 transversais desembocando sobre a parte superior biselada da peça 16 destinada a receber a sede 13 da válvula 17.
A abertura transversal central da peça 16 compreende três zonas, uma zona central 19a de diâmetro sensivelmente igual ao da válvula de modo que a válvula possa ser colocada em deslizamento nessa zona e uma zona inferior 19b de diâmetro superior, de tal modo que possa receber em redor do eixo da válvula de mola 19 pressionando esta. Essa
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11/13 mola 19 sendo mantida pela saliência 20 formada entre as zonas 19a e 19b.
Na extremidade oposta superior, a zona 19c é de forma biselada, de diâmetro mais largo na sua extremidade livre, a forma do bisel sendo adaptada para receber de maneira impermeável a sede da válvula quando a válvula é pressionada para mola.
A parte inferior 9 é quanto a ela constituída de um só elemento de aço inoxidável, de forma geralmente cilíndrica.
Essa peça comporta uma fenda cega central 21 que quando o dispositivo é montado coincide com a abertura 19b da parte superior. Essa fenda é destinada a receber a extremidade da válvula mantida pela mola 19 e a porca de calibração 22 da mola.
Ela comporta igualmente de um lado ao outro da fenda cega dois canais verticais 23, 24 que em posição de montagem desembocam uma extremidade cada uma sobre um canal transversal 18 e a outra extremidade em um canal perpendicular 25 cuja uma das extremidades desemboca sobre o canal 23 e a outra é destinada a ser ligada ao sistema de alimentação em fluido criogênico pelo intermédio da conexão
26.
A parte inferior 9 é fixada à peça central 16 por parafusos 27 e 28.
O parafuso 28 é um parafuso antidesmontagem que permite o respeito das normas de segurança dos dispositivos sob pressão.
As partes 14 e 15 são tornadas unidas da parte 9 pela conexão 10 (representado sobre a figura 2).
A conexão 10 é uma conexão com desmontagem rápida.
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Poderia ser também do tipo aparafusada ou com baioneta ou análoga.
Em funcionamento, a válvula 6 está aberta, e o fluido criogênico é enviado pelos tubos 5 seguidamente o tubo flexível 4 no interior do dispositivo 3, através do canal 25 após cada um dos canais 18. O fluido sob pressão exerce então uma pressão sobre a sede da válvula, um espaço é então formado entre a parte 19c e a sede da válvula. O sólido criogênico começa a se formar neste espaço pelo choque entre o fluido e a sede da válvula, e é forçado ao interior do recipiente. Quando é necessário parar a alimentação em fluido criogênico, a válvula 6 é fechada.
Observará-se que as operações de desmontagemremontagem do conjunto de injeção 3 são muito fáceis. Ao desmontar a conexão 10, as diferentes peças constitutivas se desunem, o que permite inspecioná-las, e limpá-las.
A invenção coloca-se igualmente sobre a utilização de um dispositivo de injeção tal como descrito previamente para o resfriamento do produto a granel.
Coloca-se igualmente sobre um processo de resfriamento de material a granel contido em um recipiente, segundo o qual um fluido criogênico é injetado no meio do material a resfriar com a ajuda de pelo menos um dispositivo de injeção, preferivelmente m dispositivos de injeção repartidos simetricamente na parte baixa do recipiente, m sendo uma totalidade compreendida entre 2 e 20, preferivelmente um número par.
De maneira vantajosa, o recipiente é um misturador.
O processo é particularmente bem adaptado para resfriar qualquer tipo de material independentemente do seu
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13/13 estado físico, especialmente para produtos pastosos, sólidos ou pulverulentos.
líquidos,
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Claims (7)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Dispositivo de injeção (3) destinado a ser fixado sobre a parede (2) da parte inferior de um recipiente (1) contendo um produto a resfriar a granel caracterizado pelo
    5 fato de compreender um corpo cilíndrico oco no qual é inserido uma válvula (17) pressionada por uma mola (19), o referido dispositivo de injeção compreendendo um canal transversal (18) sensivelmente paralelo a referida válvula destinado a ser alimentado em fluido criogênico sob
    10 pressão, uma extremidade do referido canal transversal sendo ligada ao sistema de alimentação em fluido criogênico e a extremidade oposta desembocando ao nível da sede (13) da válvula, em que o dispositivo de injeção (3) compreende ainda
    15 um elemento inferior (9), que em posição de funcionamento é mais afastado da parede do recipiente e que é ligado ao sistema de alimentação em fluido criogênico, um elemento central (16) cuja extremidade inferior está em apoio sobre o elemento inferior,
    20 uma válvula (17) colocada em deslizamento em um orifício transversal colocado axialmente no elemento central, a sede (13) da válvula em apoio impermeável contra a parte superior biselada (19c) do referido orifício transversal,
    25 uma ponte térmica (15) cercando o elemento central e cuja extremidade inferior está em apoio sobre o elemento inferior, um elemento de parede (14) cuja extremidade inferior está em apoio sobre o bordo inferior da ponte térmica e
    30 cuja extremidade superior é destinada a ser fixada sobre a
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  2. 2/3 parede do recipiente, o referido elemento inferior compreendendo:
    - pelo menos um canal de alimentação (25) cuja uma extremidade está em ligação com o sistema de alimentação e
    5 a outra extremidade está em ligação com uma extremidade de um canal transversal (23) presente na peça central (16), o referido canal transversal sendo sensivelmente paralelo ao eixo da válvula, sua outra extremidade desembocando ao nível da sede da válvula,
    10 - uma fenda cega central (21) destinada a receber a extremidade livre do eixo da válvula cercada de uma mola de calibração (19), o referido orifício transversal do elemento central apresentando na sua extremidade inferior um diâmetro 15 superior de tal modo que em posição de montagem, a mola de calibração (19) seja mantida contra a referida saliência (20) .
    2. Dispositivo de injeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender n
    20 canais transversais (18), n sendo compreendido entre 2 e 5, os referidos canais dispostos simetricamente em relação ao eixo longitudinal da válvula (17).
  3. 3. Dispositivo de injeção, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que é
    25 ligado à alimentação em fluido criogênico pelo intermédio de um tubo flexível fluídico.
  4. 4. Utilização de um dispositivo de injeção conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 3 caracterizada pelo fato de ser para o resfriamento de
    30 produto a granel sob forma sólida, pastosa, líquida ou
    Petição 870170096786, de 11/12/2017, pág. 22/26
    3/3 pulverulenta .
  5. 5. Processo de resfriamento de material a granel contido em um recipiente caracterizado pelo fato de que um fluido criogênico é injetado no meio do material a resfriar
    5 com a ajuda de pelo menos um dispositivo de injeção conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 3, preferivelmente m dispositivos de injeção repartidos simetricamente na parte baixa do recipiente, m sendo um inteiro compreendido entre 2 e 20, preferivelmente um
    10 número par.
  6. 6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o recipiente pode ser uma cuba de misturador.
  7. 7. Processo, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, 15 caracterizado pelo fato de que o material a resfriar está sob a forma pulverulenta, líquida, pastosa ou sólida.
    Petição 870170096786, de 11/12/2017, pág. 23/26
    1/2
    F1G.1.
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