Температура кипения воды в вакууме: график, формула и что это значит для вакуумной сушки

Вода кипит при 100 °C только при нормальном атмосферном давлении (101.325 кПа). Снизьте абсолютное давление — и температура кипения упадёт: около 81 °C при 50 кПа, 60 °C при 20 кПа, 46 °C при 10 кПа и 33 °C при 5 кПа. Это физическая причина, по которой вакуумные сушилки могут сушить термочувствительные продукты при низкой температуре. Единственная ловушка — единицы давления: вакуумметр показывает относительно атмосферы, а температура кипения зависит от абсолютного давления.

Краткий контекст: почему это важно инженерам

Жидкость кипит, когда давление её пара равно давлению над ней. Снизьте давление над водой — и температура кипения снижается вместе с ним. Вакуумная сушка использует это, чтобы испарять воду или растворитель из продукта при температуре, которую продукт выдерживает. Материал, который разрушился бы при 100 °C, можно сушить при 45–60 °C в умеренном вакууме, причём нагреваемая поверхность лишь немного горячее.

На этой странице приведены цифры, нужные для выбора уровня вакуума, и объяснён пересчёт между избыточным и абсолютным давлением, из-за которого возникает много ошибок в спецификациях. Если вы выбираете оборудование, следующий шаг — оборудование для вакуумной сушки: как выбрать по материалу, а об общих принципах читайте в руководстве по промышленным вакуумным сушилкам.

Температура кипения воды в зависимости от абсолютного давления

Значения ниже рассчитаны по уравнению Антуана для воды в диапазоне 1–100 °C. Для инженерных целей они точны до доли градуса.

Бросаются в глаза две вещи. Во-первых, кривая крутая при низком давлении: снижение с 20 до 10 кПа понижает температуру кипения примерно на 14 °C, тогда как со 100 до 90 кПа — всего на 3 °C. Во-вторых, чем глубже вакуум, тем больше должны быть вакуумный насос, конденсатор и паропровод, потому что водяной пар при низком давлении занимает огромный объём. При 5 кПа один килограмм водяного пара занимает около 28 кубометров; при 20 кПа — около 7.7 кубометра.

Избыточное давление и абсолютное давление

Большинство вакуумметров на сушилках показывают избыточное давление: разность между давлением в сосуде и окружающей атмосферой. Показание -0.095 МПа означает, что в сосуде на 0.095 МПа (95 кПа) ниже атмосферного давления. Температуру кипения определяет абсолютное давление:

Абсолютное давление = атмосферное давление + избыточное давление (при вакууме избыточное давление отрицательно)

На уровне моря атмосферное давление равно 101.3 кПа. В таблице пересчитаны типичные показания.

Вакуум «-0.09 МПа» звучит почти идеально, но всё равно оставляет 11 кПа абсолютного давления и температуру кипения 48 °C. Последние килопаскали значат очень много, поэтому качество вакуумного насоса определяет, насколько низко можно опустить температуру сушки.

Поправка на высоту. Если ваш завод расположен высоко над уровнем моря, атмосферное давление ниже, поэтому то же показание означает более глубокий абсолютный вакуум. На высоте 1,500 м атмосферное давление около 84 кПа, поэтому показание -0.08 МПа соответствует примерно 4 кПа абсолютного давления, а не 21 кПа, как на уровне моря. Всегда пересчитывайте по местному атмосферному давлению.

Формула, стоящая за графиком

Давление пара воды в диапазоне 1–100 °C описывается уравнением Антуана:

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

где P — в мм рт. ст., T — в °C, а для воды A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426. Преобразованная для температуры кипения при заданном давлении:

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

Чтобы воспользоваться ею, переведите абсолютное давление в мм рт. ст. (умножьте кПа на 7.50062) и вычислите. Например, при 20 кПа абсолютного давления: P = 150.0 мм рт. ст., log10(P) = 2.176, значит T = 1730.63 / (8.07131 - 2.176) - 233.426 = 60.1 °C. Результат совпадает с графиком.

Для других растворителей константы иные. Растворители с более низкой температурой кипения кипят при более низких температурах при том же вакууме, а смеси подчиняются другим правилам, поэтому всегда используйте данные вашего реального растворителя.

Что это значит для вакуумной сушки

Температура продукта — не температура источника тепла

Температура кипения показывает, при какой температуре жидкость испаряется на поверхности продукта. Она не задаёт температуру теплоносителя. В вакуумной контактной сушилке пар, горячая вода или термомасло нагревают рубашку или мешалку, а поверхность продукта остаётся близкой к температуре кипения, пока есть свободная влага. Разность температур между нагреваемой поверхностью и испаряющейся жидкостью определяет тепловой поток, поэтому более горячий источник сушит быстрее — в пределах того, что выдерживает продукт.

Вакуумные контактные сушилки SINOTHERMO работают при температуре источника тепла от 50 °C до 200 °C в зависимости от модели. вакуумная лопастная сушилка, вакуумная граблевая сушилка и вакуумная горизонтальная дисковая сушилка рассчитаны на 50–200 °C; статическая вакуумная шкафная сушилка — на источник тепла ниже 100 °C.

Выбор уровня вакуума

Практический подход — задавать уровень вакуума по максимальной температуре продукта:

1. 1.Найдите самую высокую температуру, которую влажный продукт безопасно выдерживает.
2. 2.Выберите абсолютное давление, при котором температура кипения на несколько градусов ниже этой температуры.
3. 3.Проверьте, что вакуумный насос и конденсатор способны достичь и удержать это давление при расчётной паровой нагрузке.

Например, продукту, который должен оставаться ниже 60 °C, нужно абсолютное давление ниже примерно 20 кПа, то есть показание около -0.08 МПа на уровне моря. Продукту с пределом 45 °C нужно около 10 кПа абсолютного давления, или около -0.09 МПа избыточного.

Сушка в периоде падающей скорости

Когда поверхностная влага ушла, температура продукта поднимается к температуре источника тепла, и температура кипения свободной воды её уже не ограничивает. На заключительном этапе вакуум помогает, снижая парциальное давление оставшегося растворителя, так что связанная влага уходит при более низкой температуре, чем при атмосферном давлении. Поэтому в конце цикла часто применяют более глубокий вакуум, хотя начальную сушку можно вести в умеренном вакууме.

Растворители

Для продуктов, влажных от растворителя, температура кипения в вакууме определяет, можно ли сконденсировать растворитель при доступной температуре хладагента. Растворителю, кипящему при 40 °C при выбранном вакууме, нужен в конденсаторе хладагент холоднее 40 °C, обычно намного холоднее. Если конденсатор не справляется с паром, он попадает в насос. Проверьте кривую давления пара растворителя до выбора вакуумной системы. Подробнее о стороне насоса — в статье подбор вакуумного насоса и конденсатора для вакуумных сушилок.

Расчётный пример

Цифры иллюстративны, это не данные заказчиков.

Производитель сушит термочувствительную экстрактную пасту, которая начинает разрушаться выше 55 °C. Вакуумная сушилка стоит на уровне моря.

1. 1.Температура кипения около 50 °C оставляет безопасный запас. По графику 50 °C соответствуют примерно 12 кПа абсолютного давления.
2. 2.На уровне моря 12 кПа абсолютного давления — это около -89 кПа избыточного, то есть -0.089 МПа.
3. 3.Насос должен удерживать этот уровень при испарении пара. Если нагрузка по испарению составляет 300 кг воды на партию за 5 часов (60 кг/ч), объём пара при 12 кПа — примерно 60 x 12.5 = около 750 м³/ч, который вакуумная система должна пропустить через конденсатор. Конденсатор убирает большую часть этого пара, конденсируя его, поэтому насос в основном обрабатывает неконденсируемые газы и остаточный пар.

Это показывает, почему целевая температура продукта задаёт уровень вакуума, а уровень вакуума задаёт размеры конденсатора и насоса.

Типичные ошибки, которых стоит избегать

1. 1.Принимать избыточное давление за абсолютное. Показание -0.09 МПа — это не 90 кПа абсолютного давления; это около 11 кПа абсолютного.
2. 2.Игнорировать высоту над уровнем моря. Атмосферное давление в месте установки меняет пересчёт.
3. 3.Считать, что продукт всё время находится при температуре кипения. Когда свободная влага уходит, продукт нагревается.
4. 4.Задавать глубокий вакуум без конденсатора. Объём пара при низком давлении велик, поэтому основную работу делает конденсатор.
5. 5.Применять данные воды к растворителям. У каждого растворителя своя кривая давления пара.
6. 6.Забывать о подсосах воздуха. Подсосы ограничивают достижимый вакуум и увеличивают нагрузку на насос.

Испытайте до выбора спецификации

Правильный уровень вакуума для реального продукта зависит от его чувствительности, структуры и поведения при сушке. SINOTHERMO проводит платные пилотные испытания, чтобы вы могли определить температуру сушки, уровень вакуума и время цикла на своём материале. Запросите пилотное испытание. Результаты принадлежат вам, и их можно использовать с любым поставщиком. Мы производим и продаём оборудование и не оказываем услуг сушки на давальческих условиях.

Часто задаваемые вопросы

При какой температуре вода кипит в вакууме?

Это зависит от абсолютного давления. При 50 кПа вода кипит примерно при 81 °C, при 20 кПа — при 60 °C, при 10 кПа — при 46 °C и при 5 кПа — при 33 °C.

Какова температура кипения воды при -0.09 МПа избыточного давления?

На уровне моря -0.09 МПа избыточного давления — это около 11 кПа абсолютного, при котором вода кипит примерно при 48 °C.

В чём разница между избыточным и абсолютным вакуумом?

Избыточное давление измеряют относительно окружающей атмосферы. Абсолютное — относительно идеального вакуума. Абсолютное равно атмосферному плюс избыточное, причём избыточное при вакууме отрицательно.

Как рассчитать температуру кипения воды при заданном давлении?

Используйте уравнение Антуана, T = 1730.63 / (8.07131 - log10(P)) - 233.426, где P — в мм рт. ст., T — в °C, оно действует в диапазоне 1–100 °C.

Всегда ли вакуумная сушка идёт при температуре кипения?

Только пока на поверхности есть свободная жидкость. Когда она уходит, продукт нагревается к температуре теплоносителя, поэтому предельную температуру продукта всё равно нужно проверять для заключительного этапа.

Почему более глубокий вакуум труднее получить?

Потому что водяной пар при низком давлении занимает очень большой объём, насос и конденсатор должны быть крупнее, а подсосы воздуха влияют сильнее.

Предлагает ли SINOTHERMO сушку на давальческих условиях?

Нет. SINOTHERMO производит и продаёт сушильное оборудование и проводит платные пилотные испытания.