Punto di ebollizione dell'acqua sotto vuoto: grafico, formula e cosa significa per l'essiccazione sotto vuoto

L'acqua bolle a 100 °C solo alla normale pressione atmosferica (101.325 kPa). Riducendo la pressione assoluta, il punto di ebollizione scende: circa 81 °C a 50 kPa, 60 °C a 20 kPa, 46 °C a 10 kPa e 33 °C a 5 kPa. È la ragione fisica per cui gli essiccatori sotto vuoto riescono a essiccare prodotti sensibili al calore a bassa temperatura. L'unica trappola sono le unità di pressione: un vacuometro legge rispetto all'atmosfera, mentre il punto di ebollizione dipende dalla pressione assoluta.

Contesto rapido: perché interessa agli ingegneri

Un liquido bolle quando la sua tensione di vapore eguaglia la pressione che agisce su di esso. Abbassando la pressione sopra l'acqua, il punto di ebollizione scende con essa. L'essiccazione sotto vuoto sfrutta questo fatto per evaporare acqua o solvente da un prodotto a una temperatura che il prodotto sopporta. Un materiale che si degraderebbe a 100 °C può essere essiccato a 45–60 °C sotto vuoto moderato, con una superficie riscaldata solo leggermente più calda.

Questa pagina fornisce i numeri necessari per scegliere un livello di vuoto e spiega la conversione tra pressione relativa e assoluta, causa di molti errori di specifica. Se state scegliendo l'attrezzatura, il passo successivo è attrezzature per l'essiccazione sotto vuoto: come scegliere in base al materiale, mentre per i principi generali vedere la guida all'essiccatore sotto vuoto industriale.

Punto di ebollizione dell'acqua in funzione della pressione assoluta

I valori seguenti sono calcolati con l'equazione di Antoine per l'acqua tra 1 e 100 °C. Sono accurati entro una frazione di grado per l'uso ingegneristico.

Spiccano due cose. Primo, la curva è ripida a bassa pressione: passare da 20 kPa a 10 kPa abbassa il punto di ebollizione di circa 14 °C, mentre da 100 kPa a 90 kPa lo abbassa di soli 3 °C. Secondo, più si scende, più grandi devono essere la pompa per vuoto, il condensatore e la linea del vapore, perché il vapore acqueo a bassa pressione occupa un volume enorme. A 5 kPa un chilogrammo di vapore acqueo occupa circa 28 metri cubi; a 20 kPa, circa 7.7 metri cubi.

Pressione relativa e pressione assoluta

La maggior parte dei vacuometri sugli essiccatori legge la pressione relativa: la differenza tra la pressione del recipiente e l'atmosfera circostante. Una lettura di -0.095 MPa significa che il recipiente è 0.095 MPa (95 kPa) sotto la pressione atmosferica. La pressione che determina il punto di ebollizione è la pressione assoluta:

Pressione assoluta = pressione atmosferica + pressione relativa (la pressione relativa è negativa per il vuoto)

Al livello del mare la pressione atmosferica è 101.3 kPa. La tabella converte le letture più comuni.

Un vuoto di «-0.09 MPa» suona quasi perfetto, ma lascia comunque 11 kPa di pressione assoluta e un punto di ebollizione di 48 °C. Gli ultimi kilopascal contano molto, ed è per questo che la qualità della pompa per vuoto decide quanto si può abbassare la temperatura di essiccazione.

Correzione per l'altitudine. Se lo stabilimento è in quota, la pressione atmosferica è più bassa, quindi la stessa lettura indica un vuoto assoluto più spinto. A 1,500 m la pressione atmosferica è circa 84 kPa, quindi una lettura di -0.08 MPa corrisponde a circa 4 kPa assoluti, non ai 21 kPa del livello del mare. Convertire sempre con la pressione atmosferica locale.

La formula dietro il grafico

La tensione di vapore dell'acqua tra 1 e 100 °C segue l'equazione di Antoine:

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

con P in mmHg, T in °C e, per l'acqua, A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426. Riordinata per il punto di ebollizione a una data pressione:

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

Per usarla, convertire la pressione assoluta in mmHg (moltiplicare i kPa per 7.50062) e calcolare. Ad esempio a 20 kPa assoluti: P = 150.0 mmHg, log10(P) = 2.176, quindi T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. Il risultato coincide con il grafico.

Per altri solventi le costanti sono diverse. I solventi con punto di ebollizione più basso bollono a temperature inferiori sotto lo stesso vuoto, e le miscele seguono altre regole, quindi usare sempre i dati del solvente reale.

Cosa significa per l'essiccazione sotto vuoto

La temperatura del prodotto non è la temperatura della fonte di calore

Il punto di ebollizione indica a quale temperatura il liquido evapora sulla superficie del prodotto. Non fissa la temperatura del fluido riscaldante. In un essiccatore a conduzione sotto vuoto, vapore, acqua calda o olio diatermico riscaldano il mantello o l'agitatore, e la superficie del prodotto resta vicina al punto di ebollizione finché c'è umidità libera. La differenza di temperatura tra la superficie riscaldata e il liquido che evapora guida il flusso di calore, quindi una fonte più calda essicca più in fretta, entro i limiti che il prodotto tollera.

Gli essiccatori a conduzione sotto vuoto SINOTHERMO funzionano con temperature della fonte di calore da 50 °C a 200 °C a seconda del modello. L'essiccatore a pale sotto vuoto, l'essiccatore a rastrello sotto vuoto e l'essiccatore a dischi orizzontali sotto vuoto indicano da 50 a 200 °C; l'essiccatore statico ad armadio sotto vuoto indica una fonte di calore inferiore a 100 °C.

Scegliere un livello di vuoto

Un approccio pratico è fissare il livello di vuoto a partire dalla temperatura massima del prodotto:

1. 1.Individuare la temperatura più alta che il prodotto umido può raggiungere in sicurezza.
2. 2.Scegliere una pressione assoluta il cui punto di ebollizione sia di qualche grado inferiore a tale temperatura.
3. 3.Verificare che pompa per vuoto e condensatore possano raggiungere e mantenere quella pressione al carico di vapore.

Ad esempio, un prodotto che deve restare sotto i 60 °C richiede una pressione assoluta inferiore a circa 20 kPa, cioè una lettura di circa -0.08 MPa al livello del mare. Un prodotto limitato a 45 °C richiede circa 10 kPa assoluti, ovvero circa -0.09 MPa relativi.

Essiccazione nel periodo a velocità decrescente

Quando l'umidità superficiale è scomparsa, la temperatura del prodotto sale verso quella della fonte di calore e il punto di ebollizione dell'acqua libera non la limita più. Nella fase finale il vuoto aiuta abbassando la pressione parziale del solvente residuo, così l'umidità legata esce a una temperatura inferiore rispetto alla pressione atmosferica. Per questo a fine ciclo si usa spesso un vuoto più spinto, anche se l'essiccazione iniziale può avvenire sotto vuoto moderato.

Solventi

Per i prodotti bagnati di solvente, il punto di ebollizione sotto vuoto determina se il solvente può essere condensato alla temperatura del fluido di raffreddamento disponibile. Un solvente che bolle a 40 °C al vuoto scelto richiede nel condensatore un fluido più freddo di 40 °C, di solito molto più freddo. Se il condensatore non riesce a condensare il vapore, questo raggiunge la pompa. Controllare la curva della tensione di vapore del solvente prima di specificare il sistema del vuoto. Per un esame dettagliato del lato pompa, vedere dimensionamento di pompa per vuoto e condensatore per essiccatori sotto vuoto.

Un esempio svolto

Le cifre sono illustrative, non dati di clienti.

Un produttore essicca una pasta di estratto sensibile al calore che inizia a degradarsi oltre i 55 °C. L'essiccatore sotto vuoto si trova al livello del mare.

1. 1.Un punto di ebollizione di circa 50 °C lascia un margine di sicurezza. Dal grafico, 50 °C corrispondono a circa 12 kPa assoluti.
2. 2.Al livello del mare, 12 kPa assoluti sono circa -89 kPa relativi, ovvero -0.089 MPa.
3. 3.La pompa deve mantenere questo livello a fronte del vapore che evapora. Se il carico di evaporazione è di 300 kg d'acqua per lotto in 5 ore (60 kg/h), il volume di vapore a 12 kPa è circa 60 x 12.5 = circa 750 m³/h, che il sistema del vuoto deve gestire attraverso il condensatore. Il condensatore rimuove la maggior parte di questo vapore condensandolo, quindi la pompa tratta soprattutto incondensabili e vapore residuo.

Questo mostra perché una temperatura obiettivo del prodotto fissa un livello di vuoto, e il livello di vuoto fissa le dimensioni di condensatore e pompa.

Errori comuni da evitare

1. 1.Usare la pressione relativa come se fosse assoluta. Una lettura di -0.09 MPa non è 90 kPa assoluti; sono circa 11 kPa assoluti.
2. 2.Ignorare l'altitudine. La pressione atmosferica del sito cambia la conversione.
3. 3.Supporre che il prodotto sia sempre al punto di ebollizione. Quando l'umidità libera scompare, il prodotto si scalda.
4. 4.Specificare un vuoto spinto senza condensatore. Il volume di vapore a bassa pressione è grande, quindi il condensatore fa la maggior parte del lavoro.
5. 5.Usare i dati dell'acqua per i solventi. Ogni solvente ha la propria curva di tensione di vapore.
6. 6.Dimenticare le perdite d'aria. Le perdite limitano il vuoto raggiungibile e aumentano il carico della pompa.

Provare prima di specificare

Il livello di vuoto giusto per un prodotto reale dipende dalla sua sensibilità, dalla struttura e dal comportamento in essiccazione. SINOTHERMO esegue prove pilota a pagamento, così potete trovare temperatura di essiccazione, livello di vuoto e tempo di ciclo sul vostro materiale. Richiedete una prova pilota. I risultati sono vostri e utilizzabili con qualsiasi fornitore. Produciamo e vendiamo attrezzature e non offriamo essiccazione conto terzi.

Domande frequenti

A che temperatura bolle l'acqua sotto vuoto?

Dipende dalla pressione assoluta. A 50 kPa l'acqua bolle a circa 81 °C, a 20 kPa a circa 60 °C, a 10 kPa a circa 46 °C e a 5 kPa a circa 33 °C.

Qual è il punto di ebollizione dell'acqua a -0.09 MPa relativi?

Al livello del mare, -0.09 MPa relativi sono circa 11 kPa assoluti, dove l'acqua bolle a circa 48 °C.

Che differenza c'è tra vuoto relativo e assoluto?

Il vuoto relativo si misura rispetto all'atmosfera circostante. La pressione assoluta si misura rispetto al vuoto perfetto. L'assoluta è uguale all'atmosferica più la relativa, con la relativa negativa per il vuoto.

Come calcolo il punto di ebollizione dell'acqua a una data pressione?

Usate l'equazione di Antoine, T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426, con P in mmHg e T in °C, valida tra 1 e 100 °C.

L'essiccazione sotto vuoto avviene sempre al punto di ebollizione?

Solo finché c'è liquido libero in superficie. Quando scompare, il prodotto si scalda verso la temperatura del fluido riscaldante, quindi il limite di temperatura del prodotto va comunque verificato per la fase finale.

Perché un vuoto più spinto è più difficile da ottenere?

Perché il vapore acqueo a bassa pressione occupa un volume molto grande, pompa e condensatore devono essere più grandi e le perdite d'aria pesano di più.

SINOTHERMO offre essiccazione conto terzi?

No. SINOTHERMO produce e vende attrezzature per l'essiccazione e offre prove pilota a pagamento.