Dimensionamento di pompa per vuoto e condensatore per essiccatori sotto vuoto: guida pratica di ingegneria

Dimensionate il sistema del vuoto di un essiccatore sotto vuoto a partire da tre numeri: il carico di vapore da rimuovere (kg di acqua o solvente all'ora), la pressione assoluta da mantenere e il tasso di perdita del recipiente. Il condensatore rimuove la maggior parte del vapore condensandolo; la pompa rimuove il gas incondensabile (infiltrazioni d'aria) e il vapore che il condensatore non cattura. Scegliete il tipo di pompa in base al solvente e dimensionate sempre il condensatore sulla tensione di vapore del solvente alla temperatura del fluido di raffreddamento disponibile.

Contesto rapido: l'essiccatore vale quanto il suo sistema del vuoto

La superficie riscaldante di un essiccatore sotto vuoto determina la velocità con cui il calore entra nel prodotto. Il sistema del vuoto determina se il vapore può uscire. Se il vapore non esce abbastanza in fretta, la pressione nel recipiente sale, il punto di ebollizione sale con essa e l'essiccazione rallenta. Molti essiccatori poco performanti hanno una superficie riscaldante adeguata e un sistema del vuoto troppo piccolo, oppure un condensatore con fluido di raffreddamento troppo caldo.

Questa guida spiega come dimensionare il sistema. Fa seguito a punto di ebollizione dell'acqua sotto vuoto, che fornisce la relazione tra pressione e temperatura, e a attrezzature per l'essiccazione sotto vuoto: come scegliere in base al materiale, che tratta la scelta dell'essiccatore.

Schema del sistema del vuoto

Un sistema standard per essiccatore sotto vuoto segue questo ordine:

1. 1.Recipiente dell'essiccatore: dove avviene l'evaporazione.
2. 2.Filtro antipolvere o separatore: protegge linea e pompa dalla polvere trascinata.
3. 3.Condensatore: raffredda il vapore in modo che condensi in liquido.
4. 4.Serbatoio del condensato: raccoglie acqua o solvente per lo scarico o il recupero.
5. 5.Pompa per vuoto: rimuove il gas incondensabile e il vapore residuo.
6. 6.Rompivuoto e strumenti: un manometro o trasmettitore di pressione e una valvola per rilasciare il vuoto in sicurezza.

Il condensatore è collocato di proposito tra il recipiente e la pompa. Il vapore a bassa pressione occupa un volume enorme ed è molto più economico condensarlo che pompare.

Passo 1: calcolare il carico di vapore

Il carico di vapore è la massa di liquido che deve lasciare il prodotto ogni ora. Per un essiccatore discontinuo, è l'evaporazione per lotto divisa per il tempo di essiccazione nella fase a velocità costante, quando il carico è massimo.

Evaporazione per lotto = massa umida meno massa finale, dove massa finale = solidi secchi divisi per (1 meno la frazione di umidità obiettivo).

Ad esempio, 600 kg di pasta al 55 per cento di umidità essiccata al 5 per cento lasciano 270 kg di solidi secchi, una massa finale di circa 284 kg e 316 kg di acqua da evaporare. Se la fase a velocità costante dura 3 ore, il carico di vapore di picco è di circa 105 kg/h.

Il carico di picco, non la media, determina la taglia del condensatore. La pompa è dimensionata sul carico di incondensabili più il vapore residuo.

Passo 2: decidere la pressione di esercizio

Fissate la pressione assoluta in base alla temperatura massima del prodotto, usando la tabella dei punti di ebollizione. Se il prodotto può raggiungere 60 °C, una pressione assoluta intorno a 20 kPa è un obiettivo ragionevole. Ricordate che la specifica è la pressione assoluta; la lettura del manometro dipende dalla pressione atmosferica locale.

Più bassa è la pressione, maggiore è il volume di vapore e più impegnativi diventano condensatore e pompa. Scegliete il vuoto minimo che protegge il prodotto, non il vuoto più spinto disponibile.

Passo 3: dimensionare il condensatore

Un condensatore sottrae calore. La potenza è il carico di vapore moltiplicato per il calore latente di vaporizzazione, che è circa 2,350 kJ/kg per l'acqua a 60 °C (circa 0.65 kW per kg/h).

Nell'esempio precedente, 105 kg/h di vapore acqueo richiedono circa 105 x 2,350 / 3,600 = circa 69 kW di potenza del condensatore.

Poi verificate tre cose:

• Temperatura del fluido di raffreddamento. Il vapore condensa alla sua temperatura di saturazione per la pressione del recipiente. A 20 kPa, per l'acqua sono circa 60 °C, quindi acqua di raffreddamento a 25–30 °C dà una differenza di temperatura confortevole. A 5 kPa il vapore acqueo satura a circa 33 °C, quindi acqua di raffreddamento a 30 °C lo condensa a malapena e serve acqua refrigerata.
• Superficie di scambio termico. Superficie = potenza / (U x differenza di temperatura media logaritmica). I fornitori di condensatori usano propri valori di U, che dipendono dalla presenza di incondensabili; chiedete loro di dimensionare a partire dalla vostra potenza, pressione e temperatura del fluido di raffreddamento.
• Perdita di carico. La linea dal recipiente al condensatore deve essere corta e di grande diametro. A bassa pressione, piccole perdite di carico causano grandi perdite di livello di vuoto sul prodotto.

Per i solventi, usate il calore latente e la curva di saturazione del solvente al posto di quelli dell'acqua. I solventi a punto di ebollizione più basso possono richiedere un condensatore refrigerato, o una seconda trappola fredda, per evitare che raggiungano la pompa.

Passo 4: dimensionare la pompa per vuoto

La pompa ha due compiti:

1. 1.Rimuovere il gas incondensabile. Proviene dall'aria che entra nel recipiente per perdite e dal gas rilasciato dal prodotto.
2. 2.Rimuovere il vapore che il condensatore non cattura. Dipende da quanto è freddo il condensatore rispetto alla temperatura di saturazione del vapore.

Per il dimensionamento, l'approccio abituale è calcolare il tasso di perdita e aggiungere un margine. Il tasso di perdita dipende dal recipiente, dalle tenute dell'albero e dal numero di flange e valvole. Un modo comune per quantificare le perdite è la prova di risalita della pressione: isolare il recipiente alla pressione di lavoro e misurare la velocità con cui la pressione sale. Un sistema ben costruito e pulito ha poche perdite.

Chiedete al fornitore un limite di risalita della pressione concordato e verificatelo alla messa in servizio. Se la risalita misurata è molto superiore a quella concordata, cercate la perdita prima di dare la colpa alla pompa.

La capacità della pompa è indicata come portata volumetrica a una data pressione di aspirazione. Le pompe perdono capacità a bassa pressione di aspirazione, quindi usate la curva di capacità alla vostra pressione di esercizio, non il valore di catalogo.

Confronto tra i tipi di pompa

Scegliete la pompa prima in base al solvente, poi al livello di vuoto e infine al costo.

Un esempio svolto

Le cifre sono illustrative, non dati di clienti.

Una pasta di pigmento viene essiccata in un essiccatore sotto vuoto con 1,200 L di volume utile. Massa umida 600 kg al 55 per cento di umidità, obiettivo 5 per cento, pressione assoluta 15 kPa (l'acqua bolle a circa 54 °C), carico di vapore di picco 105 kg/h.

1. 1.Potenza del condensatore: circa 69 kW. A 15 kPa il vapore acqueo condensa a circa 54 °C. Acqua di raffreddamento in ingresso a 30 °C e in uscita a circa 38 °C dà una differenza di temperatura media logaritmica vicina a 20 °C. Con un coefficiente globale di scambio termico ipotizzato di 500 W/m²K per un condensatore con alcuni incondensabili, superficie = 69,000 / (500 x 20) = circa 6.9 m². Un fornitore arrotonderà per eccesso e aggiungerà un margine.
2. 2.Volume di vapore se tutto andasse alla pompa: a 15 kPa, un kg di vapore acqueo è circa 10 m³, quindi 105 kg/h sarebbero circa 1,050 m³/h. È decisamente troppo per una pompa, ed è per questo che il condensatore conta.
3. 3.Pompa: con un condensatore ben dimensionato, la pompa tratta le perdite e una piccola frazione di vapore residuo. Una pompa di qualche decina di m³/h a 15 kPa di pressione di aspirazione è tipica a questa scala, e il fornitore deve confermarlo con la sua curva di capacità. Per un servizio pulito senza solventi, una pompa ad anello liquido è una scelta comune.

Le cifre sono a scopo illustrativo. Pompa e condensatore devono essere dimensionati dal fornitore in base al carico di vapore reale, alla pressione, al fluido di raffreddamento e al solvente.

Errori comuni da evitare

1. 1.Dimensionare la pompa sul carico di vapore. Il condensatore deve gestire il vapore. La pompa gestisce il resto.
2. 2.Indicare la capacità della pompa a pressione atmosferica. La capacità cala a bassa pressione di aspirazione.
3. 3.Ignorare la temperatura del fluido di raffreddamento. Un fluido caldo può rendere inutile un condensatore in vuoto spinto.
4. 4.Linee del vapore lunghe e strette. La perdita di carico al recipiente è maggiore di quanto mostri il manometro alla pompa.
5. 5.Ignorare le perdite. Le perdite limitano il vuoto raggiungibile. Verificate la risalita della pressione alla messa in servizio.
6. 6.Usare la pompa sbagliata per i solventi. Le pompe lubrificate a olio possono contaminarsi e i solventi infiammabili richiedono apparecchiature antideflagranti.

Cosa inviare con una richiesta di preventivo

• Prodotto, solvente e quantità da evaporare per lotto o all'ora
• Velocità di evaporazione di picco, se nota
• Pressione assoluta obiettivo o temperatura massima del prodotto
• Temperatura dell'acqua di raffreddamento o dell'acqua refrigerata disponibile
• Se è necessario il recupero del solvente
• Classificazione dell'area pericolosa, se presente

Fornito come linea completa

SINOTHERMO può fornire l'essiccatore come linea completa: l'essiccatore stesso più pompa per vuoto, condensatore, serbatoio del condensato, filtro antipolvere, unità di riscaldamento o raffreddamento, tubazioni e comandi, adattati al vostro carico di vapore e livello di vuoto. Dimensionare l'intero sistema insieme evita il problema comune di un buon essiccatore abbinato a una pompa sottodimensionata o a un condensatore troppo caldo. Inviateci il vostro prodotto e la vostra applicazione e dimensioneremo la linea per voi.

Provare prima di specificare

Una prova pilota misura velocità di evaporazione, formazione di schiuma e carico di vapore reali sul vostro prodotto, che sono i dati di ingresso per dimensionare il sistema del vuoto. Richiedete una prova pilota e i risultati sono vostri e utilizzabili con qualsiasi fornitore. SINOTHERMO produce e vende attrezzature e non offre essiccazione conto terzi. Per il lato essiccatore, vedere la tecnologia di essiccazione per conduzione e la pagina della tecnologia di essiccazione sotto vuoto.

Domande frequenti

Come dimensiono una pompa per vuoto per un essiccatore sotto vuoto?

Calcolate il carico di incondensabili da perdite del recipiente e degassamento del prodotto, aggiungete il vapore residuo non condensato e scegliete una pompa che fornisca quella capacità alla vostra pressione di aspirazione di esercizio, con un margine.

Serve un condensatore su un essiccatore sotto vuoto?

Quasi sempre sì. Un condensatore rimuove la maggior parte del vapore come liquido, protegge la pompa e consente il recupero del solvente.

Qual è la migliore pompa per vuoto per un essiccatore sotto vuoto?

Dipende dal solvente e dal livello di vuoto. Le pompe ad anello liquido sono adatte al servizio umido a base acquosa. Le pompe a vite a secco sono adatte a solventi e servizio pulito. Le pompe a palette lubrificate a olio sono adatte al servizio secco e pulito dietro un buon condensatore.

Che livello di vuoto mi serve?

Usate il vuoto minimo che mantiene il prodotto sotto la sua temperatura massima. La tabella dei punti di ebollizione dà la pressione per una temperatura obiettivo.

Che temperatura di raffreddamento serve al condensatore?

Più fredda della temperatura di saturazione del vapore alla pressione del recipiente, con un margine. Il vapore acqueo a 5 kPa satura a circa 33 °C, quindi il vuoto spinto richiede acqua refrigerata.

Come verifico le perdite?

Isolate il recipiente al vuoto di lavoro e misurate la velocità con cui sale la pressione. Una velocità di risalita elevata indica una perdita.

SINOTHERMO offre essiccazione conto terzi?

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