Dimensionado de la bomba de vacío y el condensador para secadores al vacío: guía práctica de ingeniería

Dimensione el sistema de vacío de un secador al vacío a partir de tres números: la carga de vapor que debe evacuar (kg de agua o disolvente por hora), la presión absoluta que debe mantener y la tasa de fugas del recipiente. El condensador elimina la mayor parte del vapor condensándolo; la bomba evacúa el gas no condensable (fugas de aire) y el vapor que el condensador no captura. Elija el tipo de bomba según el disolvente y dimensione siempre el condensador para la presión de vapor del disolvente a la temperatura de refrigerante disponible.

Contexto rápido: el secador es tan bueno como su sistema de vacío

La superficie calefactora de un secador al vacío determina la rapidez con que el calor entra en el producto. El sistema de vacío determina si el vapor puede salir. Si el vapor no sale con suficiente rapidez, la presión sube en el recipiente, el punto de ebullición sube con ella y el secado se ralentiza. Muchos secadores de bajo rendimiento tienen una superficie calefactora correcta y un sistema de vacío demasiado pequeño, o un condensador cuyo refrigerante está demasiado caliente.

Esta guía explica cómo dimensionar el sistema. Continúa lo expuesto en punto de ebullición del agua al vacío, que da la relación entre presión y temperatura, y en equipos de secado al vacío: cómo elegir según el material, que trata la elección del secador.

Disposición del sistema de vacío

Un sistema estándar de secador al vacío sigue este orden:

1. 1.Recipiente del secador: donde tiene lugar la evaporación.
2. 2.Filtro de polvo o separador: protege la línea y la bomba del polvo arrastrado.
3. 3.Condensador: enfría el vapor para que condense en líquido.
4. 4.Depósito de condensado: recoge el agua o el disolvente para su descarga o recuperación.
5. 5.Bomba de vacío: evacúa el gas no condensable y el vapor residual.
6. 6.Rompedor de vacío e instrumentos: un manómetro o transmisor de presión, y una válvula para liberar el vacío con seguridad.

El condensador se sitúa a propósito entre el recipiente y la bomba. El vapor a baja presión ocupa un volumen enorme, y es mucho más barato condensarlo que bombearlo.

Paso 1: calcular la carga de vapor

La carga de vapor es la masa de líquido que debe salir del producto cada hora. En un secador discontinuo, es la evaporación por lote dividida por el tiempo de secado durante la fase de velocidad constante, que es cuando la carga alcanza su máximo.

Evaporación por lote = masa húmeda menos masa final, donde masa final = sólidos secos divididos por (1 menos la fracción de humedad objetivo).

Por ejemplo, 600 kg de pasta con 55 por ciento de humedad secada hasta 5 por ciento dejan 270 kg de sólidos secos, una masa final de unos 284 kg y 316 kg de agua por evaporar. Si la fase de velocidad constante dura 3 horas, la carga de vapor máxima es de unos 105 kg/h.

La carga máxima, no la media, determina el tamaño del condensador. La bomba se dimensiona con la carga de no condensables más el vapor residual.

Paso 2: decidir la presión de trabajo

Fije la presión absoluta a partir de la temperatura máxima del producto, usando la tabla de puntos de ebullición. Si el producto puede alcanzar 60 °C, una presión absoluta de unos 20 kPa es un objetivo razonable. Recuerde que la especificación es la presión absoluta; la lectura del manómetro depende de la presión atmosférica local.

Cuanto menor es la presión, mayor es el volumen de vapor y más exigentes se vuelven el condensador y la bomba. Elija el menor vacío que proteja el producto, no el vacío más profundo disponible.

Paso 3: dimensionar el condensador

Un condensador elimina calor. La potencia es la carga de vapor multiplicada por el calor latente de vaporización, que es de unos 2,350 kJ/kg para el agua a 60 °C (unos 0.65 kW por kg/h).

En el ejemplo anterior, 105 kg/h de vapor de agua requieren unos 105 x 2,350 / 3,600 = unos 69 kW de potencia de condensador.

Después compruebe tres cosas:

• Temperatura del refrigerante. El vapor condensa a su temperatura de saturación para la presión del recipiente. A 20 kPa, eso son unos 60 °C para el agua, por lo que agua de refrigeración a 25–30 °C da una diferencia de temperatura cómoda. A 5 kPa, el vapor de agua satura a unos 33 °C, así que agua de refrigeración a 30 °C apenas lo condensará y se necesita agua enfriada.
• Superficie de transferencia de calor. Superficie = potencia / (U x diferencia de temperatura media logarítmica). Los proveedores de condensadores usan sus propios valores de U, que dependen de la presencia de no condensables; pídales que dimensionen a partir de su potencia, presión y temperatura de refrigerante.
• Pérdida de carga. La línea del recipiente al condensador debe ser corta y de gran diámetro. A baja presión, pequeñas pérdidas de carga causan grandes pérdidas de nivel de vacío en el producto.

Para disolventes, use el calor latente y la curva de saturación del disolvente en lugar de los del agua. Los disolventes de menor punto de ebullición pueden requerir un condensador refrigerado, o una segunda trampa fría, para evitar que lleguen a la bomba.

Paso 4: dimensionar la bomba de vacío

La bomba tiene dos funciones:

1. 1.Evacuar el gas no condensable. Procede del aire que entra por fugas en el recipiente y del gas que libera el producto.
2. 2.Evacuar el vapor que el condensador no captura. Depende de lo frío que esté el condensador respecto a la temperatura de saturación del vapor.

Para dimensionar, el enfoque habitual es calcular la tasa de fugas y añadir un margen. La tasa de fugas depende del recipiente, de los cierres del eje y del número de bridas y válvulas. Una forma común de cuantificar las fugas es la prueba de ascenso de presión: aislar el recipiente a la presión de trabajo y medir la rapidez con que sube la presión. Un sistema bien construido y limpio tiene pocas fugas.

Pida al proveedor un límite de ascenso de presión acordado y compruébelo en la puesta en marcha. Si el ascenso medido es mucho mayor que el acordado, busque la fuga antes de culpar a la bomba.

La capacidad de la bomba se indica como caudal volumétrico a una presión de aspiración dada. Las bombas pierden capacidad a baja presión de aspiración, así que use la curva de capacidad a su presión de trabajo, no la cifra del catálogo.

Comparación de tipos de bomba

Elija la bomba primero según el disolvente, segundo según el nivel de vacío y tercero según el coste.

Un ejemplo resuelto

Las cifras son ilustrativas, no datos de clientes.

Una pasta de pigmento se seca en un secador al vacío de 1,200 L de volumen útil. Masa húmeda 600 kg con 55 por ciento de humedad, objetivo 5 por ciento, presión absoluta 15 kPa (el agua hierve a unos 54 °C), carga de vapor máxima 105 kg/h.

1. 1.Potencia del condensador: unos 69 kW. A 15 kPa, el vapor de agua condensa a unos 54 °C. Agua de refrigeración que entra a 30 °C y sale a unos 38 °C da una diferencia de temperatura media logarítmica cercana a 20 °C. Con un coeficiente global de transferencia de calor supuesto de 500 W/m²K para un condensador con algo de no condensables, superficie = 69,000 / (500 x 20) = unos 6.9 m². Un proveedor redondeará al alza y añadirá un margen.
2. 2.Volumen de vapor si todo fuera a la bomba: a 15 kPa, un kg de vapor de agua son unos 10 m³, así que 105 kg/h serían unos 1,050 m³/h. Es demasiado para una bomba, y por eso importa el condensador.
3. 3.Bomba: con un condensador bien dimensionado, la bomba trata las fugas y una pequeña fracción de vapor residual. Una bomba de unas pocas decenas de m³/h a 15 kPa de presión de aspiración es típica a esta escala, y el proveedor debe confirmarlo con su curva de capacidad. Para un servicio limpio sin disolventes, una bomba de anillo líquido es una opción común.

Las cifras son ilustrativas. La bomba y el condensador deben ser dimensionados por el proveedor a partir de la carga de vapor real, la presión, el refrigerante y el disolvente.

Errores comunes que conviene evitar

1. 1.Dimensionar la bomba para la carga de vapor. El condensador debe manejar el vapor. La bomba maneja el resto.
2. 2.Indicar la capacidad de la bomba a presión atmosférica. La capacidad cae a baja presión de aspiración.
3. 3.Ignorar la temperatura del refrigerante. Un refrigerante caliente puede dejar inútil un condensador en vacío profundo.
4. 4.Líneas de vapor largas y estrechas. La pérdida de carga en el recipiente es mayor de lo que muestra el manómetro en la bomba.
5. 5.Ignorar las fugas. Las fugas limitan el vacío alcanzable. Compruebe el ascenso de presión en la puesta en marcha.
6. 6.Usar la bomba equivocada para disolventes. Las bombas selladas con aceite pueden contaminarse, y los disolventes inflamables requieren equipo antiexplosión.

Qué enviar con una solicitud de presupuesto

• Producto, disolvente y cantidad a evaporar por lote o por hora
• Tasa de evaporación máxima, si se conoce
• Presión absoluta objetivo o temperatura máxima del producto
• Temperatura del agua de refrigeración o del agua enfriada disponible
• Si se necesita recuperación de disolvente
• Clasificación de zona peligrosa, si la hay

Suministrado como línea completa

SINOTHERMO puede suministrar el secador como línea completa: el propio secador más la bomba de vacío, el condensador, el depósito de condensado, el filtro de polvo, las unidades de calefacción o refrigeración, la tubería y los controles, adaptados a su carga de vapor y nivel de vacío. Dimensionar todo el sistema en conjunto evita el problema habitual de un buen secador con una bomba infradimensionada o un condensador demasiado caliente. Envíenos su producto y su aplicación y dimensionaremos la línea por usted.

Pruebe antes de especificar

Una prueba piloto mide las velocidades de evaporación, la formación de espuma y la carga de vapor reales con su producto, que son los datos de partida para dimensionar el sistema de vacío. Solicite una prueba piloto y los resultados son suyos y pueden usarse con cualquier proveedor. SINOTHERMO fabrica y vende equipos y no ofrece secado por encargo. Para el lado del secador, consulte la tecnología de secado por conducción y la página de la tecnología de secado al vacío.

Preguntas frecuentes

¿Cómo dimensiono una bomba de vacío para un secador al vacío?

Calcule la carga de no condensables a partir de las fugas del recipiente y la desgasificación del producto, añada el vapor residual no condensado y elija una bomba que entregue esa capacidad a su presión de aspiración de trabajo, con un margen.

¿Necesito un condensador en un secador al vacío?

En casi todos los casos, sí. Un condensador elimina la mayor parte del vapor como líquido, protege la bomba y permite recuperar el disolvente.

¿Qué bomba de vacío es mejor para un secador al vacío?

Depende del disolvente y del nivel de vacío. Las bombas de anillo líquido sirven para servicio húmedo con base acuosa. Las bombas de tornillo seco sirven para disolventes y servicio limpio. Las bombas de paletas selladas con aceite sirven para servicio seco y limpio detrás de un buen condensador.

¿Qué nivel de vacío necesito?

Use el menor vacío que mantenga el producto por debajo de su temperatura máxima. La tabla de puntos de ebullición da la presión para una temperatura objetivo.

¿Qué temperatura de refrigeración necesita el condensador?

Más fría que la temperatura de saturación del vapor a la presión del recipiente, con un margen. El vapor de agua a 5 kPa satura a unos 33 °C, así que el vacío profundo necesita agua enfriada.

¿Cómo compruebo las fugas?

Aísle el recipiente al vacío de trabajo y mida la rapidez con que sube la presión. Una tasa de ascenso alta indica una fuga.

¿Ofrece SINOTHERMO secado por encargo?

No. SINOTHERMO fabrica y vende equipos de secado y ofrece pruebas piloto de pago.