Titik didih air dalam vakum: grafik, rumus, dan artinya bagi pengeringan vakum

Air hanya mendidih pada 100 °C pada tekanan atmosfer normal (101.325 kPa). Turunkan tekanan absolut dan titik didih ikut turun: sekitar 81 °C pada 50 kPa, 60 °C pada 20 kPa, 46 °C pada 10 kPa, dan 33 °C pada 5 kPa. Inilah alasan fisik mengapa pengering vakum dapat mengeringkan produk peka panas pada suhu rendah. Satu-satunya jebakan adalah satuan tekanan: vakumeter membaca relatif terhadap atmosfer, sedangkan titik didih bergantung pada tekanan absolut.

Konteks singkat: mengapa insinyur peduli

Cairan mendidih ketika tekanan uapnya sama dengan tekanan di atasnya. Turunkan tekanan di atas air dan titik didih turun bersamanya. Pengeringan vakum memanfaatkan ini untuk menguapkan air atau pelarut dari produk pada suhu yang dapat ditoleransi produk. Material yang akan rusak pada 100 °C dapat dikeringkan pada 45–60 °C di bawah vakum sedang, dengan permukaan pemanas yang hanya sedikit lebih panas.

Halaman ini memberi angka yang Anda perlukan untuk memilih tingkat vakum, dan menjelaskan konversi tekanan gauge ke absolut yang menjadi sumber banyak kesalahan spesifikasi. Jika Anda sedang memilih peralatan, langkah berikutnya adalah peralatan pengeringan vakum: cara memilih berdasarkan material, dan untuk prinsip umum lihat panduan pengering vakum industri.

Titik didih air terhadap tekanan absolut

Nilai di bawah dihitung dengan persamaan Antoine untuk air pada 1–100 °C. Nilai ini akurat hingga sebagian kecil derajat untuk keperluan rekayasa.

Dua hal menonjol. Pertama, kurva curam pada tekanan rendah: turun dari 20 kPa ke 10 kPa menurunkan titik didih sekitar 14 °C, sedangkan dari 100 kPa ke 90 kPa hanya 3 °C. Kedua, makin dalam vakum, makin besar pompa vakum, kondensor, dan saluran uap yang diperlukan, karena uap air pada tekanan rendah menempati volume sangat besar. Pada 5 kPa, satu kilogram uap air menempati sekitar 28 meter kubik; pada 20 kPa, sekitar 7.7 meter kubik.

Tekanan gauge dan tekanan absolut

Kebanyakan vakumeter pada pengering membaca tekanan gauge: selisih antara tekanan bejana dan atmosfer sekitar. Bacaan -0.095 MPa berarti bejana berada 0.095 MPa (95 kPa) di bawah tekanan atmosfer. Tekanan yang menentukan titik didih adalah tekanan absolut:

Tekanan absolut = tekanan atmosfer + tekanan gauge (tekanan gauge bernilai negatif untuk vakum)

Pada permukaan laut, tekanan atmosfer 101.3 kPa. Tabel mengonversi bacaan umum.

Vakum «-0.09 MPa» terdengar hampir sempurna, tetapi masih menyisakan 11 kPa tekanan absolut dan titik didih 48 °C. Kilopascal terakhir sangat berarti, itulah sebabnya kualitas pompa vakum menentukan seberapa rendah suhu pengeringan dapat turun.

Koreksi ketinggian. Jika pabrik Anda berada di dataran tinggi, tekanan atmosfer lebih rendah, sehingga bacaan yang sama berarti vakum absolut lebih dalam. Pada 1,500 m, tekanan atmosfer sekitar 84 kPa, sehingga bacaan -0.08 MPa setara sekitar 4 kPa absolut, bukan 21 kPa seperti di permukaan laut. Selalu konversi dengan tekanan atmosfer lokal.

Rumus di balik grafik

Tekanan uap air antara 1 dan 100 °C mengikuti persamaan Antoine:

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

dengan P dalam mmHg, T dalam °C, dan untuk air A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426. Disusun ulang untuk titik didih pada tekanan tertentu:

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

Untuk memakainya, ubah tekanan absolut Anda ke mmHg (kalikan kPa dengan 7.50062), lalu hitung. Misalnya pada 20 kPa absolut: P = 150.0 mmHg, log10(P) = 2.176, sehingga T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. Hasilnya cocok dengan grafik.

Untuk pelarut lain, konstantanya berbeda. Pelarut dengan titik didih lebih rendah mendidih pada suhu lebih rendah di bawah vakum yang sama, dan campuran mengikuti aturan lain, jadi selalu gunakan data pelarut sebenarnya.

Artinya bagi pengeringan vakum

Suhu produk bukan suhu sumber panas

Titik didih memberi tahu pada suhu berapa cairan menguap di permukaan produk. Ini tidak menetapkan suhu media pemanas. Pada pengering konduksi vakum, uap, air panas, atau minyak termal memanaskan jaket atau pengaduk, dan permukaan produk tetap dekat titik didih selama masih ada kelembapan bebas. Selisih suhu antara permukaan yang dipanaskan dan cairan yang menguap menggerakkan aliran panas, sehingga sumber yang lebih panas mengeringkan lebih cepat, dalam batas yang dapat ditoleransi produk.

Pengering konduksi vakum SINOTHERMO beroperasi dengan suhu sumber panas 50 °C hingga 200 °C tergantung model. pengering dayung vakum, pengering garu vakum dan pengering cakram horizontal vakum mencantumkan 50 hingga 200 °C; pengering kabinet vakum statis mencantumkan sumber panas di bawah 100 °C.

Memilih tingkat vakum

Pendekatan praktis adalah menetapkan tingkat vakum dari suhu maksimum produk:

1. 1.Cari suhu tertinggi yang dapat dicapai produk dengan aman saat basah.
2. 2.Pilih tekanan absolut yang titik didihnya beberapa derajat di bawah suhu itu.
3. 3.Pastikan pompa vakum dan kondensor dapat mencapai dan mempertahankan tekanan itu pada beban uap.

Misalnya, produk yang harus tetap di bawah 60 °C memerlukan tekanan absolut di bawah sekitar 20 kPa, yaitu bacaan sekitar -0.08 MPa di permukaan laut. Produk yang dibatasi 45 °C memerlukan sekitar 10 kPa absolut, atau sekitar -0.09 MPa gauge.

Pengeringan pada periode laju menurun

Setelah kelembapan permukaan hilang, suhu produk naik menuju suhu sumber panas, dan titik didih air bebas tidak lagi membatasinya. Pada tahap akhir, vakum membantu dengan menurunkan tekanan parsial pelarut yang tersisa, sehingga kelembapan terikat keluar pada suhu lebih rendah daripada pada tekanan atmosfer. Karena itu vakum yang lebih dalam sering dipakai di akhir siklus, meskipun pengeringan awal dapat dilakukan pada vakum sedang.

Pelarut

Untuk produk basah pelarut, titik didih dalam vakum menentukan apakah pelarut dapat dikondensasi pada suhu fluida pendingin yang tersedia. Pelarut yang mendidih pada 40 °C di bawah vakum terpilih memerlukan fluida di kondensor yang lebih dingin dari 40 °C, biasanya jauh lebih dingin. Jika kondensor tidak dapat mengondensasi uap, uap akan sampai ke pompa. Periksa kurva tekanan uap pelarut sebelum menetapkan sistem vakum. Untuk pembahasan rinci sisi pompa, lihat penentuan ukuran pompa vakum dan kondensor untuk pengering vakum.

Contoh perhitungan

Angka bersifat ilustratif, bukan data pelanggan.

Seorang produsen mengeringkan pasta ekstrak peka panas yang mulai rusak di atas 55 °C. Pengering vakum berada di permukaan laut.

1. 1.Titik didih sekitar 50 °C memberi margin aman. Dari grafik, 50 °C setara sekitar 12 kPa absolut.
2. 2.Di permukaan laut, 12 kPa absolut kira-kira -89 kPa gauge, atau -0.089 MPa.
3. 3.Pompa harus mempertahankan tingkat ini terhadap uap yang menguap. Jika beban penguapan 300 kg air per batch selama 5 jam (60 kg/jam), volume uap pada 12 kPa sekitar 60 x 12.5 = sekitar 750 m³/jam, yang harus ditangani sistem vakum melalui kondensor. Kondensor menghilangkan sebagian besar uap itu dengan mengondensasikannya, sehingga pompa terutama menangani gas tak terkondensasi dan uap sisa.

Ini menunjukkan mengapa suhu produk target menetapkan tingkat vakum, dan tingkat vakum menetapkan ukuran kondensor dan pompa.

Kesalahan umum yang perlu dihindari

1. 1.Memakai tekanan gauge seolah-olah absolut. Bacaan -0.09 MPa bukan 90 kPa absolut; melainkan sekitar 11 kPa absolut.
2. 2.Mengabaikan ketinggian. Tekanan atmosfer lokasi Anda mengubah konversi.
3. 3.Mengira produk selalu berada pada titik didih. Setelah kelembapan bebas hilang, produk memanas.
4. 4.Menetapkan vakum dalam tanpa kondensor. Volume uap pada tekanan rendah besar, jadi kondensor melakukan sebagian besar pekerjaan.
5. 5.Memakai data air untuk pelarut. Setiap pelarut punya kurva tekanan uapnya sendiri.
6. 6.Melupakan kebocoran udara. Kebocoran membatasi vakum yang dapat dicapai dan menambah beban pompa.

Uji sebelum menetapkan spesifikasi

Tingkat vakum yang tepat untuk produk nyata bergantung pada kepekaan, struktur, dan perilaku pengeringannya. SINOTHERMO menjalankan uji coba pilot berbayar agar Anda dapat menemukan suhu pengeringan, tingkat vakum, dan waktu siklus pada material Anda sendiri. Minta uji coba pilot. Hasilnya milik Anda dan dapat dipakai dengan pemasok mana pun. Kami membuat dan menjual peralatan dan tidak menawarkan jasa pengeringan kontrak.

Pertanyaan yang sering diajukan

Pada suhu berapa air mendidih dalam vakum?

Tergantung tekanan absolut. Pada 50 kPa air mendidih sekitar 81 °C, pada 20 kPa sekitar 60 °C, pada 10 kPa sekitar 46 °C, dan pada 5 kPa sekitar 33 °C.

Berapa titik didih air pada -0.09 MPa gauge?

Di permukaan laut, -0.09 MPa gauge sekitar 11 kPa absolut, di mana air mendidih sekitar 48 °C.

Apa beda vakum gauge dan absolut?

Vakum gauge diukur relatif terhadap atmosfer sekitar. Tekanan absolut diukur relatif terhadap vakum sempurna. Absolut sama dengan atmosfer ditambah gauge, dengan gauge negatif untuk vakum.

Bagaimana menghitung titik didih air pada tekanan tertentu?

Gunakan persamaan Antoine, T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426, dengan P dalam mmHg dan T dalam °C, berlaku antara 1 dan 100 °C.

Apakah pengeringan vakum selalu terjadi pada titik didih?

Hanya selama masih ada cairan bebas di permukaan. Setelah hilang, produk memanas menuju suhu media pemanas, sehingga batas suhu produk tetap harus diperiksa untuk tahap akhir.

Mengapa vakum yang lebih dalam lebih sulit dicapai?

Karena uap air pada tekanan rendah menempati volume sangat besar, pompa dan kondensor harus lebih besar, dan kebocoran udara berpengaruh lebih besar.

Apakah SINOTHERMO menawarkan jasa pengeringan kontrak?

Tidak. SINOTHERMO membuat dan menjual peralatan pengeringan serta menawarkan uji coba pilot berbayar.