Dimensionnement de la pompe à vide et du condenseur pour sécheurs sous vide : guide d'ingénierie pratique

Dimensionnez le système de vide d'un sécheur sous vide à partir de trois chiffres : la charge de vapeur à évacuer (kg d'eau ou de solvant par heure), la pression absolue à maintenir et le taux de fuite de la cuve. Le condenseur élimine la majeure partie de la vapeur en la condensant ; la pompe évacue les gaz incondensables (fuites d'air) et la vapeur que le condenseur ne capte pas. Choisissez le type de pompe selon le solvant, et dimensionnez toujours le condenseur d'après la pression de vapeur du solvant à la température de fluide de refroidissement disponible.

Contexte rapide : le sécheur ne vaut que ce que vaut son système de vide

La surface chauffante d'un sécheur sous vide détermine la vitesse à laquelle la chaleur entre dans le produit. Le système de vide détermine si la vapeur peut s'échapper. Si elle ne s'échappe pas assez vite, la pression monte dans la cuve, le point d'ébullition monte avec elle et le séchage ralentit. Beaucoup de sécheurs peu performants ont une surface chauffante correcte, mais un système de vide trop petit ou un condenseur dont le fluide de refroidissement est trop chaud.

Ce guide explique comment dimensionner le système. Il fait suite à point d'ébullition de l'eau sous vide, qui donne la relation entre pression et température, et à séchage sous vide : comment choisir selon la matière, qui traite du choix du sécheur.

Schéma du système de vide

Un système de sécheur sous vide standard suit cet ordre :

1. 1.Cuve du sécheur : là où a lieu l'évaporation.
2. 2.Filtre à poussière ou séparateur : protège la conduite et la pompe de la poudre entraînée.
3. 3.Condenseur : refroidit la vapeur pour qu'elle se condense en liquide.
4. 4.Récepteur de condensats : recueille l'eau ou le solvant pour évacuation ou récupération.
5. 5.Pompe à vide : évacue les gaz incondensables et la vapeur résiduelle.
6. 6.Casse-vide et instruments : un manomètre ou transmetteur de pression, et une vanne pour relâcher le vide en sécurité.

Le condenseur est placé à dessein entre la cuve et la pompe. La vapeur à basse pression occupe un volume énorme, et il est bien moins coûteux de la condenser que de la pomper.

Étape 1 : déterminer la charge de vapeur

La charge de vapeur est la masse de liquide qui doit quitter le produit chaque heure. Pour un sécheur discontinu, c'est l'évaporation par lot divisée par le temps de séchage pendant la phase à vitesse constante, moment où la charge est maximale.

Évaporation par lot = masse humide moins masse finale, la masse finale étant les solides secs divisés par (1 moins la fraction d'humidité visée).

Par exemple, 600 kg de pâte à 55 pour cent d'humidité séchée à 5 pour cent donnent 270 kg de solides secs, une masse finale d'environ 284 kg et 316 kg d'eau à évaporer. Si la phase à vitesse constante dure 3 heures, la charge de vapeur de pointe est d'environ 105 kg/h.

La charge de pointe, et non la moyenne, détermine la taille du condenseur. La pompe est dimensionnée d'après la charge d'incondensables plus la vapeur résiduelle.

Étape 2 : choisir la pression de service

Fixez la pression absolue d'après la température maximale du produit, à l'aide du tableau des points d'ébullition. Si le produit peut atteindre 60 °C, une pression absolue d'environ 20 kPa est un objectif raisonnable. Rappelez-vous que la spécification est la pression absolue ; la lecture du manomètre dépend de la pression atmosphérique locale.

Plus la pression est basse, plus le volume de vapeur est grand et plus le condenseur et la pompe sont sollicités. Choisissez le vide minimal qui protège le produit, non le vide le plus poussé possible.

Étape 3 : dimensionner le condenseur

Un condenseur évacue de la chaleur. La puissance est la charge de vapeur multipliée par la chaleur latente de vaporisation, soit environ 2,350 kJ/kg pour l'eau à 60 °C (environ 0.65 kW par kg/h).

Dans l'exemple précédent, 105 kg/h de vapeur d'eau demandent environ 105 x 2,350 / 3,600 = environ 69 kW de puissance de condenseur.

Vérifiez ensuite trois points :

• Température du fluide de refroidissement. La vapeur se condense à sa température de saturation pour la pression de la cuve. À 20 kPa, c'est environ 60 °C pour l'eau, donc une eau de refroidissement à 25–30 °C donne un écart de température confortable. À 5 kPa, la vapeur d'eau sature à environ 33 °C, donc une eau de refroidissement à 30 °C la condensera à peine et il faut de l'eau glacée.
• Surface d'échange. Surface = puissance / (U x écart de température logarithmique moyen). Les fournisseurs de condenseurs utilisent leurs propres valeurs de U, qui dépendent de la présence d'incondensables ; demandez-leur de dimensionner à partir de votre puissance, de votre pression et de la température du fluide de refroidissement.
• Perte de charge. La conduite entre la cuve et le condenseur doit être courte et de grand diamètre. À basse pression, de petites pertes de charge entraînent de grandes pertes de niveau de vide au niveau du produit.

Pour les solvants, utilisez la chaleur latente et la courbe de saturation du solvant à la place de celles de l'eau. Les solvants à bas point d'ébullition peuvent exiger un condenseur réfrigéré, ou un second piège froid, pour éviter qu'ils n'atteignent la pompe.

Étape 4 : dimensionner la pompe à vide

La pompe a deux missions :

1. 1.Évacuer les gaz incondensables. Ils proviennent de l'air qui fuit dans la cuve et des gaz dégagés par le produit.
2. 2.Évacuer la vapeur que le condenseur ne capte pas. Cela dépend du degré de froid du condenseur par rapport à la température de saturation de la vapeur.

Pour le dimensionnement, on calcule en général le taux de fuite et on ajoute une marge. Le taux de fuite dépend de la cuve, des étanchéités d'arbre et du nombre de brides et de vannes. Une façon courante de quantifier les fuites est l'essai de remontée de pression : isoler la cuve à la pression de service et mesurer la vitesse de remontée. Un système bien construit et propre fuit peu.

Demandez au fournisseur une limite de remontée de pression convenue et vérifiez-la à la mise en service. Si la remontée mesurée est bien supérieure à la valeur convenue, cherchez la fuite avant d'incriminer la pompe.

La capacité d'une pompe est donnée en débit volumique à une pression d'aspiration donnée. Les pompes perdent en capacité à basse pression d'aspiration ; utilisez donc la courbe de capacité à votre pression de service, pas la valeur affichée.

Comparaison des types de pompes

Choisissez la pompe d'abord selon le solvant, puis selon le niveau de vide, et enfin selon le coût.

Un exemple chiffré

Les chiffres sont illustratifs, pas des données client.

Une pâte de pigment est séchée dans un sécheur sous vide de 1,200 L de volume utile. Masse humide 600 kg à 55 pour cent d'humidité, objectif 5 pour cent, pression absolue 15 kPa (l'eau bout à environ 54 °C), charge de vapeur de pointe 105 kg/h.

1. 1.Puissance du condenseur : environ 69 kW. À 15 kPa, la vapeur d'eau se condense à environ 54 °C. Une eau de refroidissement entrant à 30 °C et sortant à environ 38 °C donne un écart de température logarithmique moyen d'environ 20 °C. Avec un coefficient global d'échange supposé de 500 W/m²K pour un condenseur traversé par des incondensables, surface = 69,000 / (500 x 20) = environ 6.9 m². Un fournisseur arrondira et ajoutera une marge.
2. 2.Volume de vapeur si tout allait à la pompe : à 15 kPa, un kg de vapeur d'eau fait environ 10 m³, donc 105 kg/h feraient environ 1,050 m³/h. C'est bien trop pour une pompe, et c'est pourquoi le condenseur compte.
3. 3.Pompe : avec un condenseur bien dimensionné, la pompe traite les fuites et une petite fraction de vapeur résiduelle. Une pompe de quelques dizaines de m³/h à 15 kPa d'aspiration est typique à cette échelle, et le fournisseur doit le confirmer avec sa courbe de capacité. Pour un service propre sans solvant, une pompe à anneau liquide est un choix courant.

Les chiffres sont donnés à titre d'illustration. Pompe et condenseur doivent être dimensionnés par le fournisseur d'après la charge de vapeur réelle, la pression, le fluide de refroidissement et le solvant.

Erreurs courantes à éviter

1. 1.Dimensionner la pompe pour la charge de vapeur. Le condenseur doit traiter la vapeur. La pompe traite le reste.
2. 2.Indiquer la capacité de la pompe à pression atmosphérique. La capacité chute à basse pression d'aspiration.
3. 3.Ignorer la température du fluide de refroidissement. Un fluide chaud peut rendre un condenseur inutile en vide poussé.
4. 4.Conduites de vapeur longues et étroites. La perte de charge à la cuve est supérieure à ce qu'indique le manomètre à la pompe.
5. 5.Ignorer les fuites. Les fuites limitent le vide atteignable. Vérifiez la remontée de pression à la mise en service.
6. 6.Utiliser la mauvaise pompe pour les solvants. Les pompes à huile peuvent être contaminées, et les solvants inflammables exigent un équipement antidéflagrant.

À joindre à une demande de devis

• Produit, solvant et quantité à évaporer par lot ou par heure
• Taux d'évaporation de pointe, s'il est connu
• Pression absolue visée ou température maximale du produit
• Température de l'eau de refroidissement ou de l'eau glacée disponible
• Récupération de solvant nécessaire ou non
• Classement en zone dangereuse, le cas échéant

Fourni en ligne complète

SINOTHERMO peut fournir le sécheur en ligne complète : le sécheur lui-même plus la pompe à vide, le condenseur, le récepteur de condensats, le filtre à poussière, les unités de chauffage ou de refroidissement, la tuyauterie et les commandes, adaptés à votre charge de vapeur et à votre niveau de vide. Dimensionner l'ensemble du système d'un seul tenant évite le problème fréquent d'un bon sécheur associé à une pompe sous-dimensionnée ou à un condenseur trop chaud. Envoyez-nous votre produit et votre application et nous dimensionnerons la ligne pour vous.

Testez avant de spécifier

Un essai pilote mesure les vitesses d'évaporation, le moussage et la charge de vapeur réels sur votre produit, qui sont les données d'entrée pour dimensionner le système de vide. Demandez un essai pilote et les résultats vous appartiennent et peuvent être utilisés avec n'importe quel fournisseur. SINOTHERMO fabrique et vend des équipements et ne propose pas de séchage à façon. Pour le côté sécheur, voir la technologie de séchage par conduction et la page de la technologie de séchage sous vide.

Questions fréquentes

Comment dimensionner une pompe à vide pour un sécheur sous vide ?

Calculez la charge d'incondensables à partir des fuites de la cuve et du dégazage du produit, ajoutez la vapeur résiduelle non condensée, puis choisissez une pompe qui délivre cette capacité à votre pression d'aspiration de service, avec une marge.

Faut-il un condenseur sur un sécheur sous vide ?

Dans presque tous les cas, oui. Un condenseur élimine la majeure partie de la vapeur sous forme liquide, protège la pompe et permet la récupération du solvant.

Quelle pompe à vide est la meilleure pour un sécheur sous vide ?

Cela dépend du solvant et du niveau de vide. Les pompes à anneau liquide conviennent au service humide en phase aqueuse. Les pompes à vis sèche conviennent aux solvants et au service propre. Les pompes à palettes à huile conviennent au service sec et propre derrière un bon condenseur.

Quel niveau de vide me faut-il ?

Utilisez le vide le plus faible qui maintient le produit sous sa température maximale. Le tableau des points d'ébullition donne la pression pour une température visée.

Quelle température de refroidissement faut-il au condenseur ?

Plus froide que la température de saturation de la vapeur à la pression de la cuve, avec une marge. La vapeur d'eau à 5 kPa sature à environ 33 °C, donc un vide poussé exige de l'eau glacée.

Comment vérifier les fuites ?

Isolez la cuve sous vide de service et mesurez la vitesse de remontée de pression. Une remontée rapide indique une fuite.

SINOTHERMO propose-t-elle du séchage à façon ?

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