Dimensionamento da bomba de vácuo e do condensador para secadores a vácuo: guia prático de engenharia

Dimensione o sistema de vácuo de um secador a vácuo a partir de três números: a carga de vapor que tem de remover (kg de água ou solvente por hora), a pressão absoluta que tem de manter e a taxa de fugas do recipiente. O condensador remove a maior parte do vapor condensando-o; a bomba remove o gás não condensável (fugas de ar) e o vapor que o condensador não capta. Escolha o tipo de bomba conforme o solvente e dimensione sempre o condensador para a pressão de vapor do solvente à temperatura de fluido de arrefecimento disponível.

Contexto rápido: o secador vale o que vale o seu sistema de vácuo

A superfície de aquecimento de um secador a vácuo determina a rapidez com que o calor entra no produto. O sistema de vácuo determina se o vapor consegue sair. Se o vapor não sair com rapidez suficiente, a pressão sobe no recipiente, o ponto de ebulição sobe com ela e a secagem abranda. Muitos secadores com fraco desempenho têm uma superfície de aquecimento adequada e um sistema de vácuo demasiado pequeno, ou um condensador cujo fluido de arrefecimento está demasiado quente.

Este guia explica como dimensionar o sistema. Dá seguimento a ponto de ebulição da água sob vácuo, que apresenta a relação entre pressão e temperatura, e a equipamentos de secagem a vácuo: como escolher conforme o material, que trata da escolha do secador.

Disposição do sistema de vácuo

Um sistema padrão de secador a vácuo segue esta ordem:

1. 1.Recipiente do secador: onde ocorre a evaporação.
2. 2.Filtro de pó ou separador: protege a linha e a bomba do pó arrastado.
3. 3.Condensador: arrefece o vapor para que condense em líquido.
4. 4.Depósito de condensado: recolhe a água ou o solvente para descarga ou recuperação.
5. 5.Bomba de vácuo: remove o gás não condensável e o vapor residual.
6. 6.Quebra-vácuo e instrumentos: um manómetro ou transmissor de pressão e uma válvula para libertar o vácuo em segurança.

O condensador fica de propósito entre o recipiente e a bomba. O vapor a baixa pressão ocupa um volume enorme, e é muito mais barato condensá-lo do que bombeá-lo.

Passo 1: calcular a carga de vapor

A carga de vapor é a massa de líquido que tem de sair do produto em cada hora. Num secador descontínuo, é a evaporação por lote dividida pelo tempo de secagem durante a fase de velocidade constante, que é quando a carga atinge o máximo.

Evaporação por lote = massa húmida menos massa final, em que massa final = sólidos secos divididos por (1 menos a fração de humidade alvo).

Por exemplo, 600 kg de pasta com 55 por cento de humidade seca até 5 por cento deixa 270 kg de sólidos secos, uma massa final de cerca de 284 kg e 316 kg de água a evaporar. Se a fase de velocidade constante durar 3 horas, a carga de vapor máxima é de cerca de 105 kg/h.

A carga máxima, e não a média, determina o tamanho do condensador. A bomba é dimensionada pela carga de não condensáveis mais o vapor residual.

Passo 2: decidir a pressão de funcionamento

Defina a pressão absoluta a partir da temperatura máxima do produto, usando a tabela de pontos de ebulição. Se o produto puder atingir 60 °C, uma pressão absoluta de cerca de 20 kPa é um alvo razoável. Lembre-se de que a especificação é a pressão absoluta; a leitura do manómetro depende da pressão atmosférica local.

Quanto menor a pressão, maior o volume de vapor e mais exigentes ficam o condensador e a bomba. Escolha o menor vácuo que proteja o produto, não o vácuo mais profundo disponível.

Passo 3: dimensionar o condensador

Um condensador remove calor. A potência é a carga de vapor multiplicada pelo calor latente de vaporização, que é de cerca de 2,350 kJ/kg para a água a 60 °C (cerca de 0.65 kW por kg/h).

No exemplo anterior, 105 kg/h de vapor de água precisam de cerca de 105 x 2,350 / 3,600 = cerca de 69 kW de potência de condensador.

Depois verifique três coisas:

• Temperatura do fluido de arrefecimento. O vapor condensa à sua temperatura de saturação para a pressão do recipiente. A 20 kPa, são cerca de 60 °C para a água, pelo que água de arrefecimento a 25–30 °C dá uma diferença de temperatura confortável. A 5 kPa, o vapor de água satura a cerca de 33 °C, pelo que água de arrefecimento a 30 °C mal o condensa e é preciso água refrigerada.
• Área de transferência de calor. Área = potência / (U x diferença de temperatura média logarítmica). Os fornecedores de condensadores usam os seus próprios valores de U, que dependem da presença de não condensáveis; peça-lhes que dimensionem a partir da sua potência, pressão e temperatura do fluido de arrefecimento.
• Perda de carga. A linha do recipiente ao condensador deve ser curta e de grande diâmetro. A baixa pressão, pequenas perdas de carga causam grandes perdas de nível de vácuo no produto.

Para solventes, use o calor latente e a curva de saturação do solvente em vez dos da água. Solventes de ponto de ebulição mais baixo podem exigir um condensador refrigerado, ou uma segunda armadilha fria, para evitar que cheguem à bomba.

Passo 4: dimensionar a bomba de vácuo

A bomba tem duas funções:

1. 1.Remover o gás não condensável. Vem do ar que entra por fugas no recipiente e do gás libertado pelo produto.
2. 2.Remover o vapor que o condensador não capta. Depende de quão frio está o condensador em relação à temperatura de saturação do vapor.

Para o dimensionamento, a abordagem habitual é calcular a taxa de fugas e acrescentar uma margem. A taxa de fugas depende do recipiente, das vedações do veio e do número de flanges e válvulas. Uma forma comum de quantificar as fugas é o ensaio de subida de pressão: isolar o recipiente à pressão de trabalho e medir a rapidez com que a pressão sobe. Um sistema bem construído e limpo tem poucas fugas.

Peça ao fornecedor um limite de subida de pressão acordado e verifique-o no arranque. Se a subida medida for muito superior à acordada, procure a fuga antes de culpar a bomba.

A capacidade da bomba é indicada como caudal volumétrico a uma dada pressão de aspiração. As bombas perdem capacidade a baixa pressão de aspiração, por isso use a curva de capacidade à sua pressão de trabalho, não o valor de catálogo.

Comparação de tipos de bomba

Escolha a bomba primeiro pelo solvente, depois pelo nível de vácuo e por fim pelo custo.

Um exemplo resolvido

Os números são ilustrativos, não dados de clientes.

Uma pasta de pigmento é seca num secador a vácuo de 1,200 L de volume útil. Massa húmida 600 kg com 55 por cento de humidade, alvo 5 por cento, pressão absoluta 15 kPa (a água ferve a cerca de 54 °C), carga de vapor máxima 105 kg/h.

1. 1.Potência do condensador: cerca de 69 kW. A 15 kPa, o vapor de água condensa a cerca de 54 °C. Água de arrefecimento a entrar a 30 °C e a sair a cerca de 38 °C dá uma diferença de temperatura média logarítmica próxima de 20 °C. Com um coeficiente global de transferência de calor assumido de 500 W/m²K para um condensador com alguns não condensáveis, área = 69,000 / (500 x 20) = cerca de 6.9 m². Um fornecedor arredondará por excesso e acrescentará uma margem.
2. 2.Volume de vapor se tudo fosse para a bomba: a 15 kPa, um kg de vapor de água são cerca de 10 m³, pelo que 105 kg/h seriam cerca de 1,050 m³/h. É demasiado para uma bomba, e é por isso que o condensador importa.
3. 3.Bomba: com um condensador bem dimensionado, a bomba trata as fugas e uma pequena fração de vapor residual. Uma bomba de algumas dezenas de m³/h a 15 kPa de pressão de aspiração é típica a esta escala, e o fornecedor deve confirmá-lo com a sua curva de capacidade. Para um serviço limpo sem solventes, uma bomba de anel líquido é uma escolha comum.

Os valores são ilustrativos. A bomba e o condensador têm de ser dimensionados pelo fornecedor a partir da carga de vapor real, da pressão, do fluido de arrefecimento e do solvente.

Erros comuns a evitar

1. 1.Dimensionar a bomba para a carga de vapor. O condensador deve tratar o vapor. A bomba trata o resto.
2. 2.Indicar a capacidade da bomba à pressão atmosférica. A capacidade cai a baixa pressão de aspiração.
3. 3.Ignorar a temperatura do fluido de arrefecimento. Um fluido quente pode tornar um condensador inútil em vácuo profundo.
4. 4.Linhas de vapor longas e estreitas. A perda de carga no recipiente é maior do que o manómetro na bomba mostra.
5. 5.Ignorar fugas. As fugas limitam o vácuo atingível. Verifique a subida de pressão no arranque.
6. 6.Usar a bomba errada para solventes. As bombas vedadas a óleo podem ser contaminadas, e solventes inflamáveis exigem equipamento à prova de explosão.

O que enviar com um pedido de orçamento

• Produto, solvente e a quantidade a evaporar por lote ou por hora
• Taxa de evaporação máxima, se conhecida
• Pressão absoluta alvo ou temperatura máxima do produto
• Temperatura da água de arrefecimento ou da água refrigerada disponível
• Se é necessária recuperação de solvente
• Classificação de zona perigosa, se existir

Fornecido como linha completa

A SINOTHERMO pode fornecer o secador como linha completa: o próprio secador mais a bomba de vácuo, o condensador, o depósito de condensado, o filtro de pó, as unidades de aquecimento ou arrefecimento, a tubagem e os controlos, adaptados à sua carga de vapor e nível de vácuo. Dimensionar todo o sistema em conjunto evita o problema comum de um bom secador com uma bomba subdimensionada ou um condensador demasiado quente. Envie-nos o seu produto e a sua aplicação e dimensionaremos a linha por si.

Ensaie antes de especificar

Um ensaio-piloto mede as taxas de evaporação, a formação de espuma e a carga de vapor reais no seu produto, que são os dados de entrada para dimensionar o sistema de vácuo. Peça um ensaio-piloto e os resultados são seus e podem ser usados com qualquer fornecedor. A SINOTHERMO fabrica e vende equipamentos e não oferece secagem por encomenda. Para o lado do secador, veja a tecnologia de secagem por condução e a página da tecnologia de secagem a vácuo.

Perguntas frequentes

Como dimensiono uma bomba de vácuo para um secador a vácuo?

Calcule a carga de não condensáveis a partir das fugas do recipiente e da libertação de gases do produto, some o vapor residual não condensado e escolha uma bomba que forneça essa capacidade à sua pressão de aspiração de trabalho, com uma margem.

Preciso de um condensador num secador a vácuo?

Em quase todos os casos, sim. Um condensador remove a maior parte do vapor como líquido, protege a bomba e permite a recuperação do solvente.

Qual a melhor bomba de vácuo para um secador a vácuo?

Depende do solvente e do nível de vácuo. As bombas de anel líquido servem para serviço húmido de base aquosa. As bombas de parafuso seco servem para solventes e serviço limpo. As bombas de palhetas vedadas a óleo servem para serviço seco e limpo atrás de um bom condensador.

Que nível de vácuo preciso?

Use o menor vácuo que mantenha o produto abaixo da sua temperatura máxima. A tabela de pontos de ebulição dá a pressão para uma temperatura alvo.

Que temperatura de arrefecimento precisa o condensador?

Mais fria do que a temperatura de saturação do vapor à pressão do recipiente, com uma margem. O vapor de água a 5 kPa satura a cerca de 33 °C, pelo que o vácuo profundo precisa de água refrigerada.

Como verifico se há fugas?

Isole o recipiente ao vácuo de trabalho e meça a rapidez com que a pressão sobe. Uma taxa de subida elevada indica uma fuga.

A SINOTHERMO oferece secagem por encomenda?

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