Quale pompa per vuoto può essere utilizzata durante il trattamento dei vapori?
Quando devono essere pompati vapori, ai fattori pressione e velocità di pompaggio di esercizio, si aggiunge un terzo fattore determinante, vale a dire la pressione parziale del vapore, che può variare considerevolmente nel corso di un processo. Questo fattore è decisivo per determinare il sistema di pompaggio da installare. A questo proposito, i i condensatori sono complementi molto importanti delle pompe volumetriche rotative. Queste hanno una velocità di pompaggio particolarmente elevata durante il pompaggio dei vapori. Questa pagina illustra il pompaggio del vapore acqueo (il caso più frequente). Le considerazioni sono simili per altri vapori non aggressivi.
Pompaggio di vapore acqueo
Il vapore acqueo viene spesso rimosso da pompe che funzionano con acqua o vapore come fluido operativo, ad esempio pompe ad anello d'acqua o pompe a eiettore di vapore. Ciò dipende in modo considerevole dalle circostanze, tuttavia, poiché il risparmio delle pompe a eiettore di vapore a basse pressioni è generalmente molto inferiore a quello delle pompe meccaniche. Per il pompaggio di una miscela di vapore e gas in cui la frazione di vapore è grande, ma quella di aria è piccola, il vapore può essere pompato da condensatori, dai gas permanenti e da pompe meccaniche relativamente piccole che funzionano con gas ballast.
In confronto, un set di pompaggio costituito da una pompa Roots, un condensatore e pompa primaria, che può movimentare 100 kg/h (220 libbre/h) di vapore e 18 kg/h (39 libbre/h) di aria a una pressione di ingresso di 50 mbar, ha un requisito di potenza di 4-10 kW (a seconda della quantità di aria interessata). Una pompa a eiettore di vapore con le stesse prestazioni richiede circa 60 kW senza modificare la quantità di aria interessata. Per il pompaggio di vapore acqueo, sono particolarmente adatte le pompe con gas ballast e le combinazioni di pompe con gas ballast, pompe Roots e condensatori.
Pompaggio di vapore acqueo con pompe con gas ballast
Il rapporto tra pressione parziale del vapore pv e pressione parziale dell'aria pp è decisivo nella valutazione della corretta configurazione delle pompe con gas ballast, come mostrato in precedenza dalle equazioni 2.2 e 2.3. Pertanto, se si conosce la tolleranza al vapore acqueo della pompa con gas ballast, è possibile ottenere dei grafici che indicano chiaramente l'uso corretto delle pompe con gas ballast per il pompaggio del vapore acqueo (vedere la Fig. 2.73). Le grandi pompe rotative a palette monostadio hanno, in generale, una temperatura di esercizio di circa (60-80 °C) e quindi una tolleranza al vapore acqueo di circa 40-60 mbar. Questo valore viene utilizzato per determinare le diverse regioni operative nella Fig. 2.73. Inoltre, si presume che la pressione alla luce di scarico della pompa con gas ballast possa aumentare fino a un massimo di 1.330 mbar fino all'apertura della valvola di scarico.
Fig. 2.73 Aree di applicazione per pompe con gas ballast e condensatori per il pompaggio di vapore acqueo (w/o GB = senza gas ballast)
Regione A: pompe rotative a palette monostadio senza ingresso di gas ballast
A una pressione del vapore di saturazione pS di 419 mbar a 77 °C (170 °F), in base all'equazione 2.2, si richiede che pv < 0,46 pp, dove
pv è la pressione parziale del vapore acqueo
pp è la pressione parziale dell'aria
pv + pp = ptot pressione totale
Questo requisito è valido nell'intera regione di lavoro della pompa rotativa a palette monostadio, quindi a pressioni totali comprese tra 10-1 e 1.013 mbar.
Regione B: pompe rotative a palette monostadio con gas ballast e condensatore di ingresso.
In questa regione la pressione del vapore acqueo supera la pressione parziale consentita all'ingresso. La pompa con gas ballast deve quindi avere un condensatore inserito all'ingresso, tarato in modo che la pressione parziale del vapore acqueo alla luce di ingresso della pompa rotativa a palette non superi il valore consentito. Le dimensioni corrette del condensatore vengono scelte in base alla quantità di vapore acqueo interessata. A una tolleranza del vapore acqueo di 60 mbar, il limite inferiore di questa regione è
pv > 60 + 0,46 pp mbar
Regione C: pompe rotative a palette monostadio con gas ballast.
Il limite inferiore della regione C è caratterizzato dal limite inferiore della regione operativa di questa pompa. Questo è quindi pari a circa ptot = 1 mbar. Se in questa regione si sviluppano grandi quantità di vapore, spesso è più economico inserire un condensatore: 20 kg (44 libbre) di vapore a 28 mbar producono un volume di circa 1.000 m3. Non è possibile pompare questo volume con una pompa primaria. Come regola generale:
se si ha la formazione di vapore acqueo saturo per un periodo di tempo prolungato, è necessario inserire sempre un condensatore all'ingresso della pompa.
A titolo precauzionale, pertanto, a basse pressioni di ingresso, davanti al condensatore deve essere sempre inserita una pompa Roots, in modo da migliorare sostanzialmente la capacità di condensazione. La capacità di condensazione non dipende solo dalla pressione del vapore, ma anche dalla temperatura del refrigerante. A basse pressioni di vapore, pertanto, è possibile ottenere una condensazione efficace solo se la temperatura del refrigerante è di conseguenza bassa. A pressioni di vapore inferiori a 6,5 mbar, ad esempio, l'inserimento di un condensatore è sensibile solo se la temperatura del refrigerante è inferiore a 0 °C (32 °F). Spesso, a basse pressioni, viene pompata una miscela di gas-vapore con vapore acqueo non saturo (per ulteriori dettagli, vedere la pagina sui condensatori. In generale, è possibile erogare con il condensatore.
Regione D: pompe rotative a palette a due stadi, pompe Roots e pompe a eiettore di vapore, sempre in base alla pressione totale relativa al processo.
Va notato nuovamente che la tolleranza al vapore acqueo delle pompe con gas ballast a due stadi è spesso inferiore a quella delle pompe monostadio corrispondenti.
Pompaggio di vapore acqueo con pompe Roots
Normalmente, le pompe Roots non sono economiche quanto le pompe con gas ballast per il funzionamento continuo a pressioni superiori a 40 mbar. Il funzionamento della pompa Roots con un convertitore di frequenza, limita quindi la velocità della pompa a una pressione più elevata, ma il consumo di energia specifico è effettivamente più favorevole. Se le pompe Roots sono installate per pompare vapori, come nel caso delle pompe con gas ballast, è possibile ottenere un grafico che includa tutti i casi possibili (vedere la Fig. 2.74).
Fig 2.74 Aree di applicazione di pompe Roots e condensatori per il pompaggio di vapore acqueo (w/o GB = senza gas ballast)
Regione A: una pompa Roots con una pompa rotativa a palette monostadio senza gas ballast.
Poiché è presente solo una compressione tra la pompa Roots e la pompa rotativa a palette, vale anche quanto segue:
pv < 0,46 pp
Il requisito è valido per l'intera regione di lavoro della combinazione di pompe e, pertanto, per pressioni totali comprese tra 10-2 e 40 mbar (o 1.013 mbar per le pompe Roots con linea di bypass o azionamento a convertitore di frequenza).
Regione B: un condensatore principale, una pompa Roots con linea di bypass o un convertitore di frequenza, un condensatore intermedio e una pompa con gas ballast.
Questa combinazione è economica solo se grandi quantità di vapore acqueo devono essere pompate continuamente a pressioni di ingresso superiori a circa 40 mbar. Le dimensioni del condensatore principale dipendono dalla quantità di vapore coinvolto. Il condensatore intermedio deve ridurre la pressione parziale del vapore al di sotto di 60 mbar. Pertanto, la pompa con gas ballast deve essere sufficientemente grande solo per evitare che la pressione parziale dell'aria dietro il condensatore intermedio superi un determinato valore; ad esempio, se la pressione totale dietro la pompa Roots (che è sempre uguale alla pressione totale dietro il condensatore intermedio) è di 133 mbar, la pompa con gas ballast deve pompare almeno a una pressione parziale dell'aria di 73 mbar, la quantità di aria movimentata dalla pompa Roots. In caso contrario, dovrebbe trattare una quantità di vapore acqueo maggiore di quella tollerabile. Si tratta di un requisito di base: l'uso di pompe con gas ballast sensato solo se anche l'aria viene pompata
Con un serbatoio idealmente privo di perdite, la pompa con gas ballast deve essere isolata una volta raggiunta la pressione di esercizio richiesta e il pompaggio prosegue con il solo condensatore. La pagina sui condensatori illustra la migliore combinazione possibile di pompe e condensatori.
Regione C: una pompa Roots, un condensatore intermedio e una pompa con gas ballast.
Il limite inferiore della pressione parziale del vapore acqueo viene determinato attraverso il rapporto di compressione della pompa Roots alla contropressione, determinata dalla pressione del vapore di saturazione dell'acqua condensata. Inoltre, in questa regione, il condensatore intermedio deve essere in grado di ridurre la pressione parziale del vapore ad almeno 60 mbar. La configurazione indicata è adatta, quando si raffredda il condensatore con acqua a 15 °C (59 °F), per pressioni del vapore acqueo comprese tra 4 e 40 mbar circa.
Regione D: una pompa Roots e una pompa con gas ballast.
In questa regione D, i limiti dipendono essenzialmente dalle fasi e dai rapporti delle dimensioni delle pompe. In generale, tuttavia, questa combinazione può essere sempre utilizzata tra i limiti descritti in precedenza, quindi tra 10-2 e 4 mbar.
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Tabella XII Dati importanti (valori caratteristici) per solventi comuni.
Fig. 9.19 Diagramma di fase dell'acqua
Fondamenti della tecnologia del vuoto
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Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
Simboli del vuoto
Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio
Glossario delle unità
Panoramica delle unità di misura utilizzate nella tecnologia del vuoto e dell'importanza dei simboli, nonché degli equivalenti moderni delle unità storiche
Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
