Siedepunkt von Wasser unter Vakuum: Diagramm, Formel und was es für die Vakuumtrocknung bedeutet

Wasser siedet nur bei normalem Atmosphärendruck (101.325 kPa) bei 100 °C. Senkt man den Absolutdruck, fällt der Siedepunkt: etwa 81 °C bei 50 kPa, 60 °C bei 20 kPa, 46 °C bei 10 kPa und 33 °C bei 5 kPa. Das ist der physikalische Grund, warum Vakuumtrockner wärmeempfindliche Produkte bei niedriger Temperatur trocknen können. Die einzige Falle sind die Druckeinheiten: Ein Vakuummeter misst relativ zur Atmosphäre, während der Siedepunkt vom Absolutdruck abhängt.

Kurzer Kontext: warum Ingenieure sich dafür interessieren

Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck dem Druck über ihr entspricht. Senkt man den Druck über Wasser, sinkt der Siedepunkt mit. Die Vakuumtrocknung nutzt das, um Wasser oder Lösungsmittel bei einer Temperatur aus einem Produkt zu verdampfen, die das Produkt verträgt. Ein Material, das bei 100 °C zerfallen würde, lässt sich unter mäßigem Vakuum bei 45 bis 60 °C trocknen, mit einer beheizten Fläche, die nur wenig darüber liegt.

Diese Seite liefert die Zahlen, die Sie zur Wahl eines Vakuumniveaus brauchen, und erklärt die Umrechnung zwischen Relativ- und Absolutdruck, die viele Spezifikationsfehler verursacht. Wenn Sie Ausrüstung auswählen, ist der nächste Schritt Vakuumtrocknungsanlagen: Auswahl nach Material, und für die allgemeinen Grundlagen siehe den Leitfaden zu industriellen Vakuumtrocknern.

Siedepunkt von Wasser in Abhängigkeit vom Absolutdruck

Die folgenden Werte sind mit der Antoine-Gleichung für Wasser zwischen 1 und 100 °C berechnet. Für technische Zwecke sind sie auf Bruchteile eines Grades genau.

Zwei Dinge fallen auf. Erstens ist die Kurve bei niedrigem Druck steil: Von 20 kPa auf 10 kPa sinkt der Siedepunkt um etwa 14 °C, von 100 kPa auf 90 kPa dagegen nur um 3 °C. Zweitens müssen Vakuumpumpe, Kondensator und Dampfleitung umso größer sein, je tiefer man geht, weil Wasserdampf bei niedrigem Druck ein enormes Volumen einnimmt. Bei 5 kPa füllt ein Kilogramm Wasserdampf etwa 28 Kubikmeter, bei 20 kPa etwa 7.7 Kubikmeter.

Relativdruck und Absolutdruck

Die meisten Vakuummeter an Trocknern zeigen den Relativdruck (Manometerdruck) an: die Differenz zwischen dem Behälterdruck und der umgebenden Atmosphäre. Eine Anzeige von -0.095 MPa bedeutet, dass der Behälter 0.095 MPa (95 kPa) unter dem Atmosphärendruck liegt. Der Druck, der den Siedepunkt bestimmt, ist der Absolutdruck:

Absolutdruck = Atmosphärendruck + Relativdruck (wobei der Relativdruck bei Vakuum negativ ist)

Auf Meereshöhe beträgt der Atmosphärendruck 101.3 kPa. Die Tabelle rechnet gängige Anzeigewerte um.

Ein Vakuum von „-0.09 MPa“ klingt fast perfekt, lässt aber immer noch 11 kPa Absolutdruck und einen Siedepunkt von 48 °C übrig. Die letzten Kilopascal sind sehr wichtig, weshalb die Qualität der Vakuumpumpe entscheidet, wie niedrig die Trocknungstemperatur werden kann.

Höhenkorrektur. Liegt Ihre Anlage in größerer Höhe, ist der Atmosphärendruck niedriger, sodass dieselbe Anzeige ein tieferes Absolutvakuum bedeutet. Auf 1,500 m beträgt der Atmosphärendruck etwa 84 kPa, eine Anzeige von -0.08 MPa entspricht dort also etwa 4 kPa absolut, nicht den 21 kPa auf Meereshöhe. Rechnen Sie immer mit dem örtlichen Atmosphärendruck um.

Die Formel hinter dem Diagramm

Der Dampfdruck von Wasser zwischen 1 und 100 °C folgt der Antoine-Gleichung:

log10(P) = A - B / (C + T)

mit P in mmHg, T in °C und für Wasser A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426. Nach dem Siedepunkt bei gegebenem Druck aufgelöst:

T = B / (A - log10(P)) - C

Rechnen Sie dazu Ihren Absolutdruck in mmHg um (kPa mit 7.50062 multiplizieren) und berechnen Sie dann. Beispiel bei 20 kPa absolut: P = 150.0 mmHg, log10(P) = 2.176, also T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. Das Ergebnis stimmt mit dem Diagramm überein.

Für andere Lösungsmittel sind die Konstanten anders. Lösungsmittel mit niedrigerem Siedepunkt sieden unter demselben Vakuum bei niedrigeren Temperaturen, und Gemische folgen anderen Regeln, nutzen Sie also stets Daten für Ihr tatsächliches Lösungsmittel.

Was das für die Vakuumtrocknung bedeutet

Die Produkttemperatur ist nicht die Temperatur der Heizquelle

Der Siedepunkt gibt die Temperatur an, bei der Flüssigkeit an der Produktoberfläche verdampft. Er legt nicht die Temperatur des Heizmediums fest. In einem Vakuum-Kontakttrockner heizen Dampf, Heißwasser oder Thermoöl den Mantel oder das Rührwerk, und die Produktoberfläche liegt nahe am Siedepunkt, solange freie Feuchte vorhanden ist. Der Temperaturunterschied zwischen beheizter Fläche und verdampfender Flüssigkeit treibt den Wärmestrom an, sodass eine heißere Heizquelle schneller trocknet, innerhalb der Grenzen dessen, was das Produkt verträgt.

Die Vakuum-Kontakttrockner von SINOTHERMO arbeiten je nach Modell mit Heizquellentemperaturen von 50 °C bis 200 °C. Der Vakuum-Schaufeltrockner, der Vakuum-Rechentrockner und der Vakuum-Horizontal-Scheibentrockner nennen 50 bis 200 °C; der statische Vakuum-Schranktrockner nennt eine Heizquelle unter 100 °C.

Ein Vakuumniveau wählen

Ein praktischer Ansatz ist, das Vakuumniveau aus der maximalen Produkttemperatur abzuleiten:

1. 1.Ermitteln Sie die höchste Temperatur, die das Produkt im feuchten Zustand sicher erreichen darf.
2. 2.Wählen Sie einen Absolutdruck, dessen Siedepunkt einige Grad unter dieser Temperatur liegt.
3. 3.Prüfen Sie, dass Vakuumpumpe und Kondensator diesen Druck bei der anfallenden Dampfmenge erreichen und halten können.

Ein Produkt, das unter 60 °C bleiben muss, braucht zum Beispiel einen Absolutdruck unter etwa 20 kPa, was auf Meereshöhe einer Anzeige von etwa -0.08 MPa entspricht. Ein auf 45 °C begrenztes Produkt braucht etwa 10 kPa absolut, also etwa -0.09 MPa Relativdruck.

Trocknung in der Phase fallender Geschwindigkeit

Sobald die Oberflächenfeuchte weg ist, steigt die Produkttemperatur Richtung Heizquellentemperatur, und der Siedepunkt freien Wassers begrenzt sie nicht mehr. In der Schlussphase hilft das Vakuum, indem es den Partialdruck des verbleibenden Lösungsmittels senkt, sodass gebundene Feuchte bei niedrigerer Temperatur entweicht als bei Atmosphärendruck. Deshalb wird am Ende des Zyklus oft ein tieferes Vakuum gefahren, selbst wenn die frühe Trocknung bei mäßigem Vakuum möglich ist.

Lösungsmittel

Bei lösungsmittelfeuchten Produkten bestimmt der Siedepunkt unter Vakuum, ob sich das Lösungsmittel bei der verfügbaren Kühlmitteltemperatur kondensieren lässt. Ein Lösungsmittel, das beim gewählten Vakuum bei 40 °C siedet, braucht im Kondensator Kühlmittel kälter als 40 °C, meist deutlich kälter. Kann der Kondensator den Dampf nicht kondensieren, gelangt er zur Pumpe. Prüfen Sie die Dampfdruckkurve des Lösungsmittels, bevor Sie das Vakuumsystem spezifizieren. Einen detaillierten Blick auf die Pumpenseite finden Sie unter Auslegung von Vakuumpumpe und Kondensator für Vakuumtrockner.

Ein durchgerechnetes Beispiel

Die Zahlen sind illustrativ, keine Kundendaten.

Ein Hersteller trocknet eine wärmeempfindliche Extraktpaste, die oberhalb von 55 °C zu zerfallen beginnt. Der Vakuumtrockner steht auf Meereshöhe.

1. 1.Ein Siedepunkt von etwa 50 °C lässt einen sicheren Abstand. Laut Diagramm entsprechen 50 °C etwa 12 kPa absolut.
2. 2.Auf Meereshöhe sind 12 kPa absolut etwa -89 kPa Relativdruck, also -0.089 MPa.
3. 3.Die Pumpe muss dieses Niveau gegen den verdampfenden Dampf halten. Beträgt die Verdampfungslast 300 kg Wasser pro Charge in 5 Stunden (60 kg/h), liegt das Dampfvolumen bei 12 kPa bei etwa 60 x 12.5 = rund 750 m³/h, die das Vakuumsystem über den Kondensator bewältigen muss. Der Kondensator entfernt den größten Teil dieses Dampfes durch Kondensation, sodass die Pumpe hauptsächlich nicht kondensierbare Gase und den Restdampf fördert.

Das zeigt, warum eine Zieltemperatur des Produkts ein Vakuumniveau festlegt und das Vakuumniveau die Größe von Kondensator und Pumpe.

Häufige Fehler, die Sie vermeiden sollten

1. 1.Den Relativdruck wie einen Absolutdruck verwenden. Eine Anzeige von -0.09 MPa sind nicht 90 kPa absolut, sondern etwa 11 kPa absolut.
2. 2.Die Höhe ignorieren. Der Atmosphärendruck an Ihrem Standort ändert die Umrechnung.
3. 3.Annehmen, das Produkt befinde sich durchgehend am Siedepunkt. Ist die freie Feuchte weg, erwärmt sich das Produkt.
4. 4.Ein tiefes Vakuum ohne Kondensator spezifizieren. Das Dampfvolumen bei niedrigem Druck ist groß, der Kondensator leistet also den größten Teil der Arbeit.
5. 5.Wasserdaten für Lösungsmittel verwenden. Jedes Lösungsmittel hat seine eigene Dampfdruckkurve.
6. 6.Undichtigkeiten vergessen. Leckage begrenzt das erreichbare Vakuum und erhöht die Pumpenlast.

Vor dem Festlegen testen

Das richtige Vakuumniveau für ein reales Produkt hängt von dessen Empfindlichkeit, Struktur und Trocknungsverhalten ab. SINOTHERMO führt kostenpflichtige Pilotversuche durch, damit Sie Trocknungstemperatur, Vakuumniveau und Zykluszeit an Ihrem eigenen Material ermitteln können. Pilotversuch anfragen – die Ergebnisse gehören Ihnen und können bei jedem Lieferanten verwendet werden. Wir bauen und verkaufen Anlagen und bieten keine Lohntrocknung an.

Häufig gestellte Fragen

Bei welcher Temperatur siedet Wasser unter Vakuum?

Das hängt vom Absolutdruck ab. Bei 50 kPa siedet Wasser bei etwa 81 °C, bei 20 kPa bei etwa 60 °C, bei 10 kPa bei etwa 46 °C und bei 5 kPa bei etwa 33 °C.

Wie hoch ist der Siedepunkt von Wasser bei -0.09 MPa Relativdruck?

Auf Meereshöhe sind -0.09 MPa Relativdruck etwa 11 kPa absolut, wo Wasser bei rund 48 °C siedet.

Was ist der Unterschied zwischen Relativ- und Absolutvakuum?

Das Relativvakuum wird bezogen auf die umgebende Atmosphäre gemessen. Der Absolutdruck wird bezogen auf ein perfektes Vakuum gemessen. Absolut ist gleich Atmosphärendruck plus Relativdruck, wobei der Relativdruck bei Vakuum negativ ist.

Wie berechne ich den Siedepunkt von Wasser bei einem gegebenen Druck?

Verwenden Sie die Antoine-Gleichung, T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426, mit P in mmHg und T in °C, gültig zwischen 1 und 100 °C.

Findet die Vakuumtrocknung immer am Siedepunkt statt?

Nur solange freie Flüssigkeit an der Oberfläche vorhanden ist. Ist sie weg, erwärmt sich das Produkt Richtung Heizmediumtemperatur, daher muss die Temperaturgrenze des Produkts für die Schlussphase weiterhin geprüft werden.

Warum ist ein tieferes Vakuum schwerer zu erreichen?

Weil Wasserdampf bei niedrigem Druck ein sehr großes Volumen einnimmt, müssen Pumpe und Kondensator größer sein, und Undichtigkeiten wirken stärker.

Bietet SINOTHERMO Lohntrocknung an?

Nein. SINOTHERMO baut und verkauft Trocknungsanlagen und bietet kostenpflichtige Pilotversuche an.