Ponto de ebulição da água sob vácuo: gráfico, fórmula e o que significa para a secagem a vácuo

A água só ferve a 100 °C à pressão atmosférica normal (101.325 kPa). Reduza a pressão absoluta e o ponto de ebulição desce: cerca de 81 °C a 50 kPa, 60 °C a 20 kPa, 46 °C a 10 kPa e 33 °C a 5 kPa. Esta é a razão física pela qual os secadores a vácuo conseguem secar produtos sensíveis ao calor a baixa temperatura. A única armadilha são as unidades de pressão: um vacuómetro lê em relação à atmosfera, enquanto o ponto de ebulição depende da pressão absoluta.

Contexto rápido: por que os engenheiros se interessam

Um líquido ferve quando a sua pressão de vapor iguala a pressão sobre ele. Baixe a pressão sobre a água e o ponto de ebulição desce com ela. A secagem a vácuo aproveita isto para evaporar água ou solvente de um produto a uma temperatura que o produto tolera. Um material que se degradaria a 100 °C pode ser seco a 45–60 °C sob vácuo moderado, com uma superfície aquecida apenas ligeiramente acima.

Esta página dá os números de que precisa para escolher um nível de vácuo, e explica a conversão entre pressão manométrica e absoluta que causa muitos erros de especificação. Se está a escolher equipamento, o passo seguinte é equipamentos de secagem a vácuo: como escolher conforme o material, e para os princípios gerais veja o guia do secador a vácuo industrial.

Ponto de ebulição da água em função da pressão absoluta

Os valores abaixo são calculados com a equação de Antoine para a água entre 1 e 100 °C. São exatos a uma fração de grau para uso em engenharia.

Duas coisas sobressaem. Primeiro, a curva é íngreme a baixa pressão: passar de 20 kPa para 10 kPa baixa o ponto de ebulição cerca de 14 °C, enquanto passar de 100 kPa para 90 kPa o baixa apenas 3 °C. Segundo, quanto mais se desce, maiores têm de ser a bomba de vácuo, o condensador e a linha de vapor, porque o vapor de água a baixa pressão ocupa um volume enorme. A 5 kPa, um quilograma de vapor de água ocupa cerca de 28 metros cúbicos; a 20 kPa, cerca de 7.7 metros cúbicos.

Pressão manométrica e pressão absoluta

A maioria dos vacuómetros dos secadores lê pressão manométrica: a diferença entre a pressão do recipiente e a atmosfera envolvente. Uma leitura de -0.095 MPa significa que o recipiente está 0.095 MPa (95 kPa) abaixo da pressão atmosférica. A pressão que determina o ponto de ebulição é a pressão absoluta:

Pressão absoluta = pressão atmosférica + pressão manométrica (sendo a pressão manométrica negativa para vácuo)

Ao nível do mar, a pressão atmosférica é 101.3 kPa. A tabela converte leituras comuns.

Um vácuo de «-0.09 MPa» soa quase perfeito, mas ainda deixa 11 kPa de pressão absoluta e um ponto de ebulição de 48 °C. Os últimos quilopascais importam muito, por isso a qualidade da bomba de vácuo decide até onde a temperatura de secagem pode descer.

Correção de altitude. Se a sua fábrica estiver em altitude, a pressão atmosférica é menor, pelo que a mesma leitura significa um vácuo absoluto mais profundo. A 1,500 m, a pressão atmosférica é cerca de 84 kPa, pelo que uma leitura de -0.08 MPa corresponde a cerca de 4 kPa absolutos, e não aos 21 kPa que teria ao nível do mar. Converta sempre com a pressão atmosférica local.

A fórmula por trás do gráfico

A pressão de vapor da água entre 1 e 100 °C segue a equação de Antoine:

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

com P em mmHg, T em °C, e para a água A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426. Reorganizada para o ponto de ebulição a uma dada pressão:

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

Para a usar, converta a sua pressão absoluta para mmHg (multiplique os kPa por 7.50062) e calcule. Por exemplo, a 20 kPa absolutos: P = 150.0 mmHg, log10(P) = 2.176, logo T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. O resultado coincide com o gráfico.

Para outros solventes, as constantes são diferentes. Solventes de ponto de ebulição mais baixo fervem a temperaturas mais baixas com o mesmo vácuo, e as misturas seguem outras regras, por isso use sempre dados do seu solvente real.

O que isto significa para a secagem a vácuo

A temperatura do produto não é a temperatura da fonte de calor

O ponto de ebulição indica a temperatura a que o líquido se evapora à superfície do produto. Não fixa a temperatura do meio de aquecimento. Num secador de condução a vácuo, vapor, água quente ou óleo térmico aquece a camisa ou o agitador, e a superfície do produto fica perto do ponto de ebulição enquanto houver humidade livre. A diferença de temperatura entre a superfície aquecida e o líquido que se evapora impulsiona o fluxo de calor, pelo que uma fonte mais quente seca mais depressa, dentro dos limites do que o produto tolera.

Os secadores de condução a vácuo da SINOTHERMO funcionam com temperaturas de fonte de calor de 50 °C a 200 °C, conforme o modelo. O secador de pás a vácuo, o secador de rastelo a vácuo e o secador de discos horizontais a vácuo indicam 50 a 200 °C; o secador de armário a vácuo estático indica uma fonte de calor abaixo de 100 °C.

Escolher um nível de vácuo

Uma abordagem prática é definir o nível de vácuo a partir da temperatura máxima do produto:

1. 1.Encontre a temperatura mais alta que o produto pode atingir em segurança estando húmido.
2. 2.Escolha uma pressão absoluta cujo ponto de ebulição fique alguns graus abaixo dessa temperatura.
3. 3.Verifique que a bomba de vácuo e o condensador conseguem atingir e manter essa pressão à carga de vapor.

Por exemplo, um produto que tem de ficar abaixo de 60 °C precisa de uma pressão absoluta abaixo de cerca de 20 kPa, o que é uma leitura de cerca de -0.08 MPa ao nível do mar. Um produto limitado a 45 °C precisa de cerca de 10 kPa absolutos, ou cerca de -0.09 MPa manométricos.

Secagem em fase de velocidade decrescente

Quando a humidade superficial desaparece, a temperatura do produto sobe em direção à da fonte de calor, e o ponto de ebulição da água livre já não a limita. Na fase final, o vácuo ajuda ao baixar a pressão parcial do solvente restante, de modo que a humidade ligada sai a temperatura mais baixa do que à pressão atmosférica. É por isso que se usa muitas vezes um vácuo mais profundo no fim do ciclo, mesmo que a secagem inicial possa ser feita com vácuo moderado.

Solventes

Em produtos húmidos de solvente, o ponto de ebulição sob vácuo determina se o solvente pode ser condensado à temperatura do fluido de arrefecimento disponível. Um solvente que ferve a 40 °C sob o vácuo escolhido precisa no condensador de fluido mais frio do que 40 °C, normalmente bem mais frio. Se o condensador não conseguir condensar o vapor, este chega à bomba. Verifique a curva de pressão de vapor do solvente antes de especificar o sistema de vácuo. Para um olhar detalhado ao lado da bomba, veja dimensionamento de bomba de vácuo e condensador para secadores a vácuo.

Um exemplo resolvido

Os números são ilustrativos, não dados de clientes.

Um produtor seca uma pasta de extrato sensível ao calor que começa a degradar-se acima de 55 °C. O secador a vácuo está ao nível do mar.

1. 1.Um ponto de ebulição de cerca de 50 °C deixa uma margem segura. Pelo gráfico, 50 °C correspondem a cerca de 12 kPa absolutos.
2. 2.Ao nível do mar, 12 kPa absolutos são cerca de -89 kPa manométricos, ou -0.089 MPa.
3. 3.A bomba tem de manter este nível contra o vapor que se evapora. Se a carga de evaporação for de 300 kg de água por lote em 5 horas (60 kg/h), o volume de vapor a 12 kPa é de cerca de 60 x 12.5 = cerca de 750 m³/h, que o sistema de vácuo tem de tratar através do condensador. O condensador remove a maior parte desse vapor condensando-o, pelo que a bomba trata sobretudo incondensáveis e o vapor residual.

Isto mostra porque uma temperatura-alvo do produto define um nível de vácuo, e o nível de vácuo define o tamanho do condensador e da bomba.

Erros comuns a evitar

1. 1.Usar a pressão manométrica como se fosse absoluta. Uma leitura de -0.09 MPa não são 90 kPa absolutos; são cerca de 11 kPa absolutos.
2. 2.Ignorar a altitude. A pressão atmosférica no seu local altera a conversão.
3. 3.Assumir que o produto está no ponto de ebulição o tempo todo. Quando a humidade livre desaparece, o produto aquece.
4. 4.Especificar um vácuo profundo sem condensador. O volume de vapor a baixa pressão é grande, pelo que o condensador faz a maior parte do trabalho.
5. 5.Usar dados da água para solventes. Cada solvente tem a sua própria curva de pressão de vapor.
6. 6.Esquecer as fugas de ar. As fugas limitam o vácuo atingível e aumentam a carga da bomba.

Ensaie antes de especificar

O nível de vácuo certo para um produto real depende da sua sensibilidade, estrutura e comportamento de secagem. A SINOTHERMO realiza ensaios-piloto pagos para que possa encontrar a temperatura de secagem, o nível de vácuo e o tempo de ciclo com o seu próprio material. Peça um ensaio-piloto. Os resultados são seus e podem ser usados com qualquer fornecedor. Fabricamos e vendemos equipamentos e não oferecemos secagem por encomenda.

Perguntas frequentes

A que temperatura ferve a água sob vácuo?

Depende da pressão absoluta. A 50 kPa a água ferve a cerca de 81 °C, a 20 kPa a cerca de 60 °C, a 10 kPa a cerca de 46 °C e a 5 kPa a cerca de 33 °C.

Qual é o ponto de ebulição da água a -0.09 MPa manométricos?

Ao nível do mar, -0.09 MPa manométricos são cerca de 11 kPa absolutos, onde a água ferve a cerca de 48 °C.

Qual é a diferença entre vácuo manométrico e absoluto?

O vácuo manométrico mede-se em relação à atmosfera envolvente. A pressão absoluta mede-se em relação ao vácuo perfeito. Absoluta é igual a atmosférica mais manométrica, sendo a manométrica negativa para vácuo.

Como calculo o ponto de ebulição da água a uma dada pressão?

Use a equação de Antoine, T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426, com P em mmHg e T em °C, válida entre 1 e 100 °C.

A secagem a vácuo ocorre sempre no ponto de ebulição?

Só enquanto houver líquido livre à superfície. Quando desaparece, o produto aquece em direção à temperatura do meio de aquecimento, pelo que o limite de temperatura do produto continua a ter de ser verificado para a fase final.

Por que é mais difícil conseguir um vácuo mais profundo?

Porque o vapor de água a baixa pressão ocupa um volume muito grande, a bomba e o condensador têm de ser maiores, e as fugas de ar têm mais efeito.

A SINOTHERMO oferece secagem por encomenda?

Não. A SINOTHERMO fabrica e vende equipamentos de secagem e oferece ensaios-piloto pagos.