El agua hierve a 100 °C solo a presión atmosférica normal (101.325 kPa). Reduzca la presión absoluta y el punto de ebullición baja: unos 81 °C a 50 kPa, 60 °C a 20 kPa, 46 °C a 10 kPa y 33 °C a 5 kPa. Esta es la razón física por la que los secadores al vacío pueden secar productos sensibles al calor a baja temperatura. La única trampa son las unidades de presión: un vacuómetro lee respecto a la atmósfera, mientras que el punto de ebullición depende de la presión absoluta.
Contexto rápido: por qué interesa a los ingenieros
Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la presión que hay sobre él. Si baja la presión sobre el agua, el punto de ebullición baja con ella. El secado al vacío aprovecha esto para evaporar agua o disolvente de un producto a una temperatura que el producto tolera. Un material que se degradaría a 100 °C puede secarse a 45–60 °C con vacío moderado, con una superficie calentada apenas por encima.
Esta página da los números que necesita para elegir un nivel de vacío, y explica la conversión entre presión manométrica y absoluta que causa muchos errores de especificación. Si está eligiendo equipos, el siguiente paso es equipos de secado al vacío: cómo elegir según el material, y para los principios generales consulte la guía del secador al vacío industrial.
Punto de ebullición del agua frente a la presión absoluta
Los valores siguientes se calculan con la ecuación de Antoine para el agua entre 1 y 100 °C. Son exactos con una fracción de grado para uso en ingeniería.
| Presión absoluta (kPa) | Presión absoluta (mbar) | Punto de ebullición del agua (°C) |
|---|---|---|
| 101.3 | 1013 | 100.0 |
| 90 | 900 | 96.7 |
| 80 | 800 | 93.5 |
| 70 | 700 | 90.0 |
| 60 | 600 | 86.0 |
| 50 | 500 | 81.4 |
| 40 | 400 | 75.9 |
| 30 | 300 | 69.2 |
| 20 | 200 | 60.1 |
| 15 | 150 | 54.0 |
| 10 | 100 | 45.9 |
| 7 | 70 | 39.1 |
| 5 | 50 | 32.9 |
| 3 | 30 | 24.1 |
| 2 | 20 | 17.6 |
Destacan dos cosas. Primero, la curva es empinada a baja presión: pasar de 20 kPa a 10 kPa baja el punto de ebullición unos 14 °C, mientras que pasar de 100 kPa a 90 kPa lo baja solo 3 °C. Segundo, cuanto más se baja, mayores deben ser la bomba de vacío, el condensador y la línea de vapor, porque el vapor de agua a baja presión ocupa un volumen enorme. A 5 kPa, un kilogramo de vapor de agua ocupa unos 28 metros cúbicos; a 20 kPa, unos 7.7 metros cúbicos.
Presión manométrica frente a presión absoluta
La mayoría de los vacuómetros de los secadores leen presión manométrica: la diferencia entre la presión del recipiente y la atmósfera circundante. Una lectura de -0.095 MPa significa que el recipiente está 0.095 MPa (95 kPa) por debajo de la presión atmosférica. La presión que determina el punto de ebullición es la presión absoluta:
Presión absoluta = presión atmosférica + presión manométrica (donde la presión manométrica es negativa para vacío)
A nivel del mar, la presión atmosférica es 101.3 kPa. La tabla convierte lecturas habituales.
| Lectura (kPa) | Lectura (MPa) | Presión absoluta (kPa) | Punto de ebullición del agua (°C) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 101.3 | 100.0 |
| -10 | -0.010 | 91.3 | 97.1 |
| -30 | -0.030 | 71.3 | 90.5 |
| -50 | -0.050 | 51.3 | 82.0 |
| -60 | -0.060 | 41.3 | 76.7 |
| -70 | -0.070 | 31.3 | 70.2 |
| -80 | -0.080 | 21.3 | 61.5 |
| -90 | -0.090 | 11.3 | 48.3 |
| -95 | -0.095 | 6.3 | 37.1 |
Un vacío de «-0.09 MPa» suena casi perfecto, pero aún deja 11 kPa de presión absoluta y un punto de ebullición de 48 °C. Los últimos kilopascales importan mucho, por eso la calidad de la bomba de vacío decide hasta qué punto puede bajar la temperatura de secado.
Corrección por altitud. Si su planta está a gran altitud, la presión atmosférica es menor, así que la misma lectura significa un vacío absoluto más profundo. A 1,500 m, la presión atmosférica es de unos 84 kPa, así que una lectura de -0.08 MPa corresponde a unos 4 kPa absolutos, no a los 21 kPa que se obtendrían a nivel del mar. Convierta siempre con la presión atmosférica local.
La fórmula detrás del gráfico
La presión de vapor del agua entre 1 y 100 °C sigue la ecuación de Antoine:
log10(P) = A - B / (C + T)
con P en mmHg, T en °C, y para el agua A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426. Despejada para el punto de ebullición a una presión dada:
T = B / (A - log10(P)) - C
Para usarla, convierta su presión absoluta a mmHg (multiplique los kPa por 7.50062) y calcule. Por ejemplo, a 20 kPa absolutos: P = 150.0 mmHg, log10(P) = 2.176, así que T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. El resultado coincide con el gráfico.
Para otros disolventes las constantes son distintas. Los disolventes de menor punto de ebullición hierven a temperaturas más bajas con el mismo vacío, y las mezclas siguen otras reglas, así que use siempre datos de su disolvente real.
Qué significa esto para el secado al vacío
La temperatura del producto no es la temperatura de la fuente de calor
El punto de ebullición indica la temperatura a la que el líquido se evapora en la superficie del producto. No fija la temperatura del medio calefactor. En un secador de conducción al vacío, vapor, agua caliente o aceite térmico calientan la camisa o el agitador, y la superficie del producto se mantiene cerca del punto de ebullición mientras quede humedad libre. La diferencia de temperatura entre la superficie calentada y el líquido que se evapora impulsa el flujo de calor, así que una fuente más caliente seca más rápido, dentro de los límites que tolera el producto.
Los secadores de conducción al vacío de SINOTHERMO operan con temperaturas de fuente de calor de 50 °C a 200 °C, según el modelo. El secador de paletas al vacío, el secador de rastrillo al vacío y el secador de discos horizontales al vacío indican de 50 a 200 °C; el secador de armario al vacío estático indica una fuente de calor inferior a 100 °C.
Elegir un nivel de vacío
Un enfoque práctico es fijar el nivel de vacío a partir de la temperatura máxima del producto:
- 1.Encuentre la temperatura más alta que el producto puede alcanzar con seguridad estando húmedo.
- 2.Elija una presión absoluta cuyo punto de ebullición esté unos grados por debajo de esa temperatura.
- 3.Compruebe que la bomba de vacío y el condensador pueden alcanzar y mantener esa presión con la carga de vapor.
Por ejemplo, un producto que debe mantenerse por debajo de 60 °C necesita una presión absoluta inferior a unos 20 kPa, lo que es una lectura de unos -0.08 MPa a nivel del mar. Un producto limitado a 45 °C necesita unos 10 kPa absolutos, o unos -0.09 MPa manométricos.
Secado en fase de velocidad decreciente
Cuando desaparece la humedad superficial, la temperatura del producto sube hacia la de la fuente de calor, y el punto de ebullición del agua libre ya no la limita. En la fase final, el vacío ayuda al reducir la presión parcial del disolvente restante, de modo que la humedad ligada sale a menor temperatura que a presión atmosférica. Por eso suele usarse un vacío más profundo al final del ciclo, aunque el secado inicial pueda hacerse con vacío moderado.
Disolventes
En productos húmedos de disolvente, el punto de ebullición al vacío determina si el disolvente puede condensarse a la temperatura del refrigerante disponible. Un disolvente que hierve a 40 °C con el vacío elegido necesita en el condensador un refrigerante más frío que 40 °C, normalmente mucho más frío. Si el condensador no puede condensar el vapor, este llega a la bomba. Compruebe la curva de presión de vapor del disolvente antes de especificar el sistema de vacío. Para una mirada detallada al lado de la bomba, consulte dimensionamiento de bomba de vacío y condensador para secadores al vacío.
Un ejemplo resuelto
Las cifras son ilustrativas, no datos de clientes.
Un productor seca una pasta de extracto sensible al calor que empieza a degradarse por encima de 55 °C. El secador al vacío está a nivel del mar.
- 1.Un punto de ebullición de unos 50 °C deja un margen seguro. Según el gráfico, 50 °C corresponden a unos 12 kPa absolutos.
- 2.A nivel del mar, 12 kPa absolutos son unos -89 kPa manométricos, o -0.089 MPa.
- 3.La bomba debe mantener este nivel frente al vapor que se evapora. Si la carga de evaporación es de 300 kg de agua por lote en 5 horas (60 kg/h), el volumen de vapor a 12 kPa es de unos 60 x 12.5 = unos 750 m³/h, que el sistema de vacío debe manejar a través del condensador. El condensador elimina la mayor parte de ese vapor condensándolo, por lo que la bomba maneja sobre todo incondensables y el vapor residual.
Esto muestra por qué una temperatura objetivo del producto fija un nivel de vacío, y el nivel de vacío fija el tamaño del condensador y de la bomba.
Errores comunes que conviene evitar
- 1.Usar la presión manométrica como si fuera absoluta. Una lectura de -0.09 MPa no son 90 kPa absolutos; son unos 11 kPa absolutos.
- 2.Ignorar la altitud. La presión atmosférica de su sitio cambia la conversión.
- 3.Suponer que el producto está en el punto de ebullición todo el tiempo. Cuando desaparece la humedad libre, el producto se calienta.
- 4.Especificar un vacío profundo sin condensador. El volumen de vapor a baja presión es grande, así que el condensador hace la mayor parte del trabajo.
- 5.Usar datos del agua para disolventes. Cada disolvente tiene su propia curva de presión de vapor.
- 6.Olvidar las fugas de aire. Las fugas limitan el vacío alcanzable y aumentan la carga de la bomba.
Pruebe antes de especificar
El nivel de vacío adecuado para un producto real depende de su sensibilidad, su estructura y su comportamiento de secado. SINOTHERMO realiza pruebas piloto de pago para que pueda hallar la temperatura de secado, el nivel de vacío y el tiempo de ciclo con su propio material. Solicite una prueba piloto. Los resultados son suyos y pueden usarse con cualquier proveedor. Fabricamos y vendemos equipos y no ofrecemos secado por encargo.
Preguntas frecuentes
¿A qué temperatura hierve el agua al vacío?
Depende de la presión absoluta. A 50 kPa el agua hierve a unos 81 °C, a 20 kPa a unos 60 °C, a 10 kPa a unos 46 °C y a 5 kPa a unos 33 °C.
¿Cuál es el punto de ebullición del agua a -0.09 MPa manométricos?
A nivel del mar, -0.09 MPa manométricos son unos 11 kPa absolutos, donde el agua hierve a unos 48 °C.
¿Cuál es la diferencia entre vacío manométrico y absoluto?
El vacío manométrico se mide respecto a la atmósfera circundante. La presión absoluta se mide respecto a un vacío perfecto. Absoluta es igual a atmosférica más manométrica, con la manométrica negativa para vacío.
¿Cómo calculo el punto de ebullición del agua a una presión dada?
Use la ecuación de Antoine, T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426, con P en mmHg y T en °C, válida entre 1 y 100 °C.
¿El secado al vacío ocurre siempre en el punto de ebullición?
Solo mientras quede líquido libre en la superficie. Cuando desaparece, el producto se calienta hacia la temperatura del medio calefactor, así que el límite de temperatura del producto debe comprobarse igualmente para la fase final.
¿Por qué es más difícil conseguir un vacío más profundo?
Porque el vapor de agua a baja presión ocupa un volumen muy grande, la bomba y el condensador deben ser mayores, y las fugas de aire tienen más efecto.
¿Ofrece SINOTHERMO secado por encargo?
No. SINOTHERMO fabrica y vende equipos de secado y ofrece pruebas piloto de pago.
Mark Gu
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