Point d'ébullition de l'eau sous vide : diagramme, formule et conséquences pour le séchage sous vide

L'eau ne bout à 100 °C qu'à la pression atmosphérique normale (101.325 kPa). Réduisez la pression absolue et le point d'ébullition baisse : environ 81 °C à 50 kPa, 60 °C à 20 kPa, 46 °C à 10 kPa et 33 °C à 5 kPa. C'est la raison physique pour laquelle les sécheurs sous vide peuvent sécher des produits sensibles à la chaleur à basse température. Le seul piège concerne les unités de pression : un vacuomètre lit par rapport à l'atmosphère, alors que le point d'ébullition dépend de la pression absolue.

Contexte rapide : pourquoi les ingénieurs s'y intéressent

Un liquide bout lorsque sa pression de vapeur égale la pression qui s'exerce au-dessus de lui. Abaissez la pression au-dessus de l'eau et le point d'ébullition baisse avec elle. Le séchage sous vide en profite pour évaporer l'eau ou le solvant d'un produit à une température que le produit supporte. Une matière qui se dégraderait à 100 °C peut être séchée à 45–60 °C sous vide modéré, avec une surface chauffée à peine plus chaude.

Cette page donne les chiffres nécessaires pour choisir un niveau de vide, et explique la conversion entre pression relative et pression absolue qui provoque de nombreuses erreurs de spécification. Si vous choisissez un équipement, l'étape suivante est séchage sous vide : comment choisir selon la matière, et pour les principes généraux, voir le guide du sécheur sous vide industriel.

Point d'ébullition de l'eau en fonction de la pression absolue

Les valeurs ci-dessous sont calculées à partir de l'équation d'Antoine pour l'eau entre 1 et 100 °C. Elles sont exactes à une fraction de degré près pour un usage d'ingénierie.

Deux choses ressortent. D'abord, la courbe est raide à basse pression : passer de 20 kPa à 10 kPa abaisse le point d'ébullition d'environ 14 °C, alors que passer de 100 kPa à 90 kPa ne l'abaisse que de 3 °C. Ensuite, plus on descend, plus la pompe à vide, le condenseur et la conduite de vapeur doivent être grands, car la vapeur d'eau à basse pression occupe un volume énorme. À 5 kPa, un kilogramme de vapeur d'eau occupe environ 28 mètres cubes ; à 20 kPa, environ 7.7 mètres cubes.

Pression relative et pression absolue

La plupart des vacuomètres des sécheurs lisent la pression relative : la différence entre la pression de la cuve et l'atmosphère ambiante. Une lecture de -0.095 MPa signifie que la cuve est 0.095 MPa (95 kPa) sous la pression atmosphérique. La pression qui détermine le point d'ébullition est la pression absolue :

Pression absolue = pression atmosphérique + pression relative (la pression relative étant négative pour un vide)

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique est de 101.3 kPa. Le tableau convertit les lectures courantes.

Un vide de « -0.09 MPa » paraît presque parfait, mais il laisse tout de même 11 kPa de pression absolue et un point d'ébullition de 48 °C. Les derniers kilopascals comptent beaucoup, c'est pourquoi la qualité de la pompe à vide décide jusqu'où la température de séchage peut descendre.

Correction d'altitude. Si votre usine est en altitude, la pression atmosphérique est plus basse, donc la même lecture signifie un vide absolu plus poussé. À 1,500 m, la pression atmosphérique est d'environ 84 kPa, donc une lecture de -0.08 MPa correspond à environ 4 kPa absolus, et non aux 21 kPa obtenus au niveau de la mer. Convertissez toujours avec la pression atmosphérique locale.

La formule derrière le diagramme

La pression de vapeur de l'eau entre 1 et 100 °C suit l'équation d'Antoine :

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

avec P en mmHg, T en °C, et pour l'eau A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426. Réarrangée pour le point d'ébullition à une pression donnée :

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

Pour l'utiliser, convertissez votre pression absolue en mmHg (multipliez les kPa par 7.50062), puis calculez. Par exemple, à 20 kPa absolus : P = 150.0 mmHg, log10(P) = 2.176, donc T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. Le résultat correspond au diagramme.

Pour d'autres solvants, les constantes sont différentes. Les solvants de point d'ébullition plus bas bouillent à des températures plus basses sous le même vide, et les mélanges obéissent à d'autres règles : utilisez donc toujours les données de votre solvant réel.

Ce que cela signifie pour le séchage sous vide

La température du produit n'est pas celle de la source de chaleur

Le point d'ébullition indique la température à laquelle le liquide s'évapore à la surface du produit. Il ne fixe pas la température du fluide caloporteur. Dans un sécheur à conduction sous vide, la vapeur, l'eau chaude ou l'huile thermique chauffe l'enveloppe ou l'agitateur, et la surface du produit reste proche du point d'ébullition tant qu'il reste de l'humidité libre. L'écart de température entre la surface chauffée et le liquide qui s'évapore entraîne le flux de chaleur, donc une source plus chaude sèche plus vite, dans les limites de ce que le produit tolère.

Les sécheurs à conduction sous vide de SINOTHERMO fonctionnent avec des températures de source de chaleur de 50 °C à 200 °C selon le modèle. Le sécheur à palettes sous vide, le sécheur à râteau sous vide et le sécheur à disques horizontaux sous vide indiquent 50 à 200 °C ; le sécheur statique à armoire sous vide indique une source de chaleur inférieure à 100 °C.

Choisir un niveau de vide

Une approche pratique consiste à fixer le niveau de vide à partir de la température maximale du produit :

1. 1.Trouvez la température la plus élevée que le produit peut atteindre sans risque à l'état humide.
2. 2.Choisissez une pression absolue dont le point d'ébullition est inférieur de quelques degrés à cette température.
3. 3.Vérifiez que la pompe à vide et le condenseur peuvent atteindre et tenir cette pression à la charge de vapeur prévue.

Par exemple, un produit qui doit rester sous 60 °C exige une pression absolue inférieure à environ 20 kPa, soit une lecture d'environ -0.08 MPa au niveau de la mer. Un produit limité à 45 °C exige environ 10 kPa absolus, soit environ -0.09 MPa relatifs.

Séchage en phase de vitesse décroissante

Une fois l'humidité de surface partie, la température du produit monte vers celle de la source de chaleur, et le point d'ébullition de l'eau libre ne la limite plus. Dans la phase finale, le vide aide en abaissant la pression partielle du solvant restant, de sorte que l'humidité liée part à plus basse température qu'à pression atmosphérique. C'est pourquoi on utilise souvent un vide plus poussé en fin de cycle, même si le début du séchage peut se faire sous vide modéré.

Solvants

Pour les produits mouillés de solvant, le point d'ébullition sous vide détermine si le solvant peut être condensé à la température de fluide de refroidissement disponible. Un solvant qui bout à 40 °C sous le vide choisi exige dans le condenseur un fluide plus froid que 40 °C, généralement bien plus froid. Si le condenseur ne peut pas condenser la vapeur, elle atteint la pompe. Vérifiez la courbe de pression de vapeur du solvant avant de spécifier le système de vide. Pour un examen détaillé du côté pompe, voir dimensionnement de la pompe à vide et du condenseur pour sécheurs sous vide.

Un exemple chiffré

Les chiffres sont illustratifs, pas des données client.

Un producteur sèche une pâte d'extrait sensible à la chaleur qui commence à se dégrader au-dessus de 55 °C. Le sécheur sous vide est au niveau de la mer.

1. 1.Un point d'ébullition d'environ 50 °C laisse une marge de sécurité. D'après le diagramme, 50 °C correspondent à environ 12 kPa absolus.
2. 2.Au niveau de la mer, 12 kPa absolus valent environ -89 kPa relatifs, soit -0.089 MPa.
3. 3.La pompe doit tenir ce niveau face à la vapeur qui s'évapore. Si la charge d'évaporation est de 300 kg d'eau par lot sur 5 heures (60 kg/h), le volume de vapeur à 12 kPa est d'environ 60 x 12.5 = environ 750 m³/h, que le système de vide doit traiter via le condenseur. Le condenseur élimine la majeure partie de cette vapeur en la condensant, de sorte que la pompe traite surtout les incondensables et la vapeur résiduelle.

Cela montre pourquoi une température cible du produit fixe un niveau de vide, et le niveau de vide fixe la taille du condenseur et de la pompe.

Erreurs courantes à éviter

1. 1.Utiliser la pression relative comme si elle était absolue. Une lecture de -0.09 MPa n'est pas 90 kPa absolus ; c'est environ 11 kPa absolus.
2. 2.Ignorer l'altitude. La pression atmosphérique de votre site modifie la conversion.
3. 3.Supposer que le produit est au point d'ébullition tout du long. Une fois l'humidité libre partie, le produit se réchauffe.
4. 4.Spécifier un vide poussé sans condenseur. Le volume de vapeur à basse pression est grand, donc le condenseur fait l'essentiel du travail.
5. 5.Utiliser les données de l'eau pour des solvants. Chaque solvant a sa propre courbe de pression de vapeur.
6. 6.Oublier les fuites d'air. Les fuites limitent le vide atteignable et augmentent la charge de la pompe.

Tester avant de fixer les spécifications

Le bon niveau de vide pour un produit réel dépend de sa sensibilité, de sa structure et de son comportement au séchage. SINOTHERMO réalise des essais pilotes payants pour que vous puissiez déterminer la température de séchage, le niveau de vide et la durée de cycle sur votre propre matière. Demandez un essai pilote. Les résultats vous appartiennent et peuvent être utilisés avec n'importe quel fournisseur. Nous fabriquons et vendons des équipements et ne proposons pas de séchage à façon.

Questions fréquentes

À quelle température l'eau bout-elle sous vide ?

Cela dépend de la pression absolue. À 50 kPa l'eau bout à environ 81 °C, à 20 kPa à environ 60 °C, à 10 kPa à environ 46 °C et à 5 kPa à environ 33 °C.

Quel est le point d'ébullition de l'eau à -0.09 MPa relatifs ?

Au niveau de la mer, -0.09 MPa relatifs valent environ 11 kPa absolus, où l'eau bout à environ 48 °C.

Quelle différence entre vide relatif et vide absolu ?

Le vide relatif se mesure par rapport à l'atmosphère ambiante. La pression absolue se mesure par rapport au vide parfait. Absolue égale atmosphérique plus relative, la pression relative étant négative pour un vide.

Comment calculer le point d'ébullition de l'eau à une pression donnée ?

Utilisez l'équation d'Antoine, T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426, avec P en mmHg et T en °C, valable entre 1 et 100 °C.

Le séchage sous vide se fait-il toujours au point d'ébullition ?

Seulement tant qu'il reste du liquide libre en surface. Une fois parti, le produit se réchauffe vers la température du fluide caloporteur, donc la limite de température du produit doit toujours être vérifiée pour la phase finale.

Pourquoi un vide plus poussé est-il plus difficile à atteindre ?

Parce que la vapeur d'eau à basse pression occupe un très grand volume, la pompe et le condenseur doivent être plus grands, et les fuites d'air pèsent davantage.

SINOTHERMO propose-t-elle du séchage à façon ?

Non. SINOTHERMO fabrique et vend des équipements de séchage et propose des essais pilotes payants.