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Products > Technische Grundlagen zur Trocknung
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TU
PU
TG
PG |
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Kapillarwirkung
Diffusion
Verdunsten, Verdampfen
Wärmezufuhr
Umgebungstemperatur
Umgebungsdruck
Gut-Temperatur
Druck im Gut
PU < PG |
Praktisch betrachtet: In einem offenen Topf siedet erhitztes Wasser dann, wenn sein Dampfdruck den Luftdruck der Umgebung übersteigt.
Mit steigender Temperatur erhöht sich der Dampfdruck, da mehr Flüssigkeitsmoleküle zum Sieden gebracht werden und somit mehr Dampf erzeugt wird.
Zum Trocknen einer Substanz muss die Flüssigkeit also in die Dampfphase überführt werden und da beim Verdampfen der Flüssigkeit permanent Wärmeenergie verbraucht wird, muss diese Energie auch ständig nachgeführt werden.
Flüssige Reinstoffe besitzen konstante, jedoch druckabhängige, Siedepunkte:
Bei konstantem Umgebungsdruck 1013 mbar siedet z.B. Diethylether bei 34,6 °C, Ethanol bei 78,4 °C und Wasser bei 100 °C
Fortgesetztes Verdampfen (Sieden) ist jedoch nur bei Abtransport des Dampfes möglich, d.h. die Atmosphäre im Trockenschrank muss permanent ausgetauscht werden.
Denn, entspricht der Gehalt der Flüssigkeit in der Atmosphäre dem Dampfdruck (oder wird der sogar überschritten), dann ist keine Trocknung (Verdunstung und Verdampfung) möglich.
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relativ trockene (ungesättigte) Luft
relativ feuchte (gesättigte) Luft
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Die Trocknung verläuft umso schneller, je höher die Temperatur ist und je größer die Druckunterschiede zwischen Umgebung (Atmosphäre) und dem Dampfdruck einer zu verdampfenden Substanz sind.
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Die Trocknung lässt sich starten oder beschleunigen durch:
- Temperatur erhöhen
- Druckdifferenz vergrößern (Vakuumkammer)
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Technische Grundlagen zur Vakuumtrocknung
Vakuumtechnische Begriffe:
Druckeinheit:
In der Vakuumtechnik gebräuchliche Druckeinheit ist das Millibar (mbar)
Umrechnung von Druckeinheiten:
1 Pa = 1 N/m²
1 bar = 100.000 Pa = 105 Pa
1 mbar = 100 Pa = 10² Pa 1 h Pa
1 Torr = 133,32 Pa
1 mmHG = 1 Torr = 133,32 Pa
1 mm WS = 9,80665 Pa
Totaldruck:
Unter dem Totaldruck in einem Behälter versteht man die Summe aller Partialdrücke der sich darin befindlichen Gase und Dämpfe. Luft z.B. setzt sich aus verschiedenen Gasen, wie Stickstoff, Sauerstoff, Spurengase und Wasserdampf zusammen, siehe unten.
Zusammensetzung der atmosphärischen Luft:
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Gasart |
Gewicht-% |
Volumen-% |
Partialdruck, mbar |
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Stickstoff, N2 |
75,51 |
78,1 |
792 |
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Sauerstoff, O2 |
23,01 |
20,93 |
212 |
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Argon, Ar |
1,29 |
0,93 |
9,47 |
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Kohlendioxid, CO2 |
0,04 |
0,03 |
0,31 |
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Neon, Ne |
1,2 x 10-3 |
1,8 x 10-3 |
1,9 x 10-2 |
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Helium, He |
7 x 10-5 |
7 x 10-5 |
5,3 x 10-3 |
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Methan, CH4 |
2 x 10-4 |
2 x 10-4 |
2 x 10-3 |
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Krypton, Kr |
3 x 10-4 |
1,1 x 10-4 |
1,1 x 10-3 |
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Lachgas (Stickoxid), N2O |
6 x 10-5 |
5 x 10-5 |
5 x 10-4 |
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Wasserstoff, H2 |
5 x 10-6 |
5 x 10-5 |
5 x 10-4 |
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Xenon, Xe |
4 x 10-5 |
8,7 x 10-6 |
9 x 10-5 |
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Ozon, O3 |
9 x 10-6 |
7 x 10-6 |
7 x 10-5 |
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Summe |
100 % |
100 % |
1013 mbar |
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Wasserdampf (50 % RH bei 20 °C) |
1,6 % |
1,15 % |
11,7 mbar |
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Luftdruck bei 50 % RH / 20 °C |
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1024 mbar |
Partialdruck:
Unter dem Partialdruck eines bestimmten Gases oder Dampfes versteht man denjenigen Druck, den dieses Gas bzw. Dampf haben würde, wenn es alleine in einem Behälter sein würde.
Dampf:
Unter Dampf versteht man ein Gas, das bei einer bestimmten Temperatur noch nebeneinander in der flüssigen und gasförmigen Phase vorkommt.
Gas:
Unter fest und flüssig ist gasförmig einer der drei Aggregatzustände. Gas entsteht aus dem Verdampfen oder Sublimieren, d.h. liegt die Temperatur so hoch bzw. der Druck so niedrig, dass alle Flüssigkeit verdampft, dann spricht man von Gas.
Sättigungsdampfdruck:
Unter dem Sättigungsdampfdruck versteht man den Druck der dampfförmigen Phase eines Stoffes, d.h. wenn sich die flüssig- und dampfförmigen Phasen im Gleichgewicht befinden.
Der Sättigungsdampfdruck ist bei einem gegebenen Reinstoff eine Funktion der Temperatur des Dampfes.
Erreicht der Partialdruck den Sättigungsdampfdruck, dann ist keine weitere Verdunstung mehr möglich.
Siedepunkt:
Unter dem Siedepunkt versteht man den Punkt bei der eine Flüssigkeit von der flüssigen in die gasförmige Phase wechselt, man spricht dann auch von Verdampfen bzw. Sieden. Hingegen spricht man von Verdunsten, wenn ein Phasenübergang von der flüssigen in die gasförmige Phase unterhalb des Siedepunktes vorliegt. Die Verdunstung erfolgt an der Oberfläche der Flüssigkeit.
Der Siedepunkt einer Flüssigkeit ist temperatur- und druckabhängig. Der Siedpunkt ist ein Wertepaar im Phasendiagramm, bestehend aus Sättigungstemperatur (Siedetemperatur) und dem Sättigungsdampfdruck (Siededruck).
Wasser siedet z.B. bei einem Totaldruck von 1000 mbar und einer Temperatur von 100 °C. Bei einem Totaldruck von 100 mbar siedet Wasser bereits bei ca. 46 °C und bei 10 mbar schon bei 7 °C.
Siede- und Schmelzpunkte (Gefrierpunkte) einiger Lösungsmittel bei 1000 mbar:
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Lösungsmittel |
Schmelzpunkt, °C |
Siedepunkt, °C |
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Äthylalkohol Benzol Chloroform Diethylether Isopropanol Methanol Nitromethan Wasser |
-114,5 5,49 -63,5 -116,4 -89,5 -97,9 -29,2 0,0 |
78 >100 61 34,6 82,4 64,7 101,8 100 |
Für reine Elemente ist der Schmelzpunkt identisch mit dem Gefrierpunkt. Die Schmelztemperatur ist im Gegensatz zur Siedetemperatur nur sehr wenig vom Druck abhängig
Vakuum:
Als Vakuum wird der Zustand definiert, der durch Verdünnung von Gasen und Dämpfen auf Drücke zwischen Atmosphärendruck (1013 mbar) und 0 mbar beim Abpumpen eines Behälters entsteht, d.h. Druck oder die Dichte ist kleiner als die umgebende Atmosphäre.
Klassifizierung von Vakuum:
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Druckbereich |
Druck in mbar |
Teilchenzahldichte pro cm³ |
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Grobvakuum |
103 bis 100 |
2,65 x 1019 bis 2,65 x 1016 |
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Feinvakuum |
100 bis 10-3 |
2,65 x 1016 bis 2,65 x 1013 |
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Hochvakuum |
10-3 bis 10-7 |
2,65 x 1013 bis 2,65 x 109 |
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Ultrahochvakuum |
10-7 bis 10-12 (∞) |
2,65 x 109 bis 2,65 x 104 |
Wie funktioniert Trocknung im Vakuumtrockenschrank
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Der Trocknungsvorgang soll am Beispiel Wasser und bei einer Temperatur von 20 °C erläutert werden:
Wie bereits erwähnt und aus dem Sättigungsdampfdruckdiagramm zu entnehmen, beträgt bei 20 °C der Sättigungsdampfdruck von Wasser 23,37 mbar. Oder mit anderen Worten: Wasser siedet bei einem Totaldruck von kleiner 23,37 mbar schon bei 20 °C.
Liegt der Partialdruck des Wassers unter diesem Wert, so wird solange Flüssigkeit verdunsten, bis der Sättigungsdampfdruck erreicht ist. Es findet keine weitere Trocknung mehr statt.
Soll in einem konventionellen Trockenofen (also ohne Vakuum) weiter getrocknet werden, so muss entweder die Temperatur erhöht werden >womit sich auch der Wert des Sättigungsdampfdruckes erhöht< oder es muss die Luft, bei welcher der Partialdruck des Dampfes bereits die Höhe des Sättigungsdruckes erreicht hat, durch ungesättigte Luft ersetzt werden.
Im Vakuumtrockenschrank wird jedoch über die Vakuumpumpe der Totaldruck, der beim konventionellen Trockenschrank ca. 1000 mbar (1 bar) beträgt, unter den Wert des Sättigungsdampfdruckes (23,37 mbar bei 20 °C) gesenkt. |
Durch ständiges Abpumpen des entstehenden Wasserdampfes (H2O-Gases) wird erreicht, dass der Totaldruck und damit auch der Partialdruck des Wasserdampfes immer unterhalb des Sättigungsdampfdruckes bleibt.
Dieser Vorgang kann solange aufrechterhalten werden, bis sämtliche Flüssigkeit verdampft ist.
Werden unter Vakuum andere Stoffe getrocknet, so ändern sich nur die Werte für den Sättigungsdampfdruck bei bestimmten Temperaturen. Das Prinzip des Trocknungsvorganges ist das gleiche.
Da für den Phasenübergang von flüssigen auf gasförmig Energie nötig ist (bei 1 Liter Wasser mit 20 °C werden 2,454 x 106 J/kg = 0,68 kWh/kg = 860 kcal/kg benötigt) muss über die Heizung Wärmeenergie zugeführt werden, um eine bestimmte Temperatur im zu trocknenden Gut konstant halten zu können.
Grundlage der Trocknung ist der Dampfdruck der Flüssigkeit.
Bei der im Trockenschrank, mittels Konvektion, durchgeführte Trocknung wird die Feuchte in Dampf umgewandelt, daher kommt es im Wesentlichen auf den Dampfdruck der zu verdampfenden Flüssigkeit an.
Erhöht man die Temperatur so weit, dass der Dampfdruck den Atmosphärendruck erreicht, so beginnt die Flüssigkeit zu sieden. Im Inneren der Flüssigkeit bilden sich dann gegen den Außendruck Dampfblasen, die die Flüssigkeit verlassen. Fortgesetztes Sieden ist nur bei Abtransport des Dampfes über den Abluftstutzen möglich.
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PU
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PG |
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Kapillarwirkung
Diffusion
Verdunsten, Verdampfen
Wärmezufuhr
Umgebungstemperatur
Umgebungsdruck
Gut-Temperatur
Druck im Gut
PU < PG |
Mit steigender Temperatur erhöht sich der Dampfdruck, da mehr Flüssigkeitsmoleküle zum Sieden gebracht werden und somit mehr Dampf erzeugt wird.
Praktisch betrachtet: In einem offenen Topf siedet erhitztes Wasser dann, wenn sein Dampfdruck den Luftdruck der Umgebung übersteigt.
Zum Trocknen einer Substanz muss die Flüssigkeit also in die Dampfphase überführt werden und da beim Verdampfen der Flüssigkeit permanent Wärmeenergie verbraucht wird, muss diese Energie auch ständig nachgeführt werden.
Flüssige Reinstoffe besitzen konstante, jedoch druckabhängige, Siedepunkte:
Bei konstantem Umgebungsdruck 1013 mbar siedet z.B. Diethylether bei 34,6 °C, Ethanol bei 78,4 °C und Wasser bei 100 °C. Mit fallendem Druck reduziert sich auch die Siedetemperatur (Dampfdruck) des Stoffes.
Fortgesetztes Verdampfen (Sieden) ist jedoch nur bei Abtransport des Dampfes >mittels Vakuumpumpe< möglich, d.h. die Atmosphäre im Trockenschrank muss permanent ausgetauscht werden.
Denn, entspricht der Gehalt der Flüssigkeit in der Atmosphäre dem Dampfdruck (oder wird der sogar überschritten), dann ist keine Trocknung (Verdunstung und Verdampfung) möglich.
Die Trocknung verläuft umso schneller, je höher die Temperatur ist und je größer die Druckunterschiede zwischen Umgebung (Atmosphäre) und dem Dampfdruck einer zu verdampfenden Substanz sind.
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Die Trocknung lässt sich starten oder beschleunigen durch:
- Temperatur erhöhen - Druckdifferenz vergrößern (Vakuumkammer)
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Trocknung kann nur durch die Druckdifferenz, zwischen dem Umgebungsdruck (Atmosphäre) und dem Dampfdruck der zu verdampfenden Flüssigkeit erfolgen.
Beim Trocknen ist der Umgebungsdruck immer kleiner als der Dampfdruck, PU < PG.
Wasser in flüssigem Zustand geht sofort in gasförmigen Zustand über. Es beginnt zu sieden. Dadurch erhöht sich der Totaldruck im Vakuum-Trockenschrank wieder bis maximal zum Sättigungsdampfdruck. Wird dieser Druck erreicht, so findet kein weiteres Verdampfen oder Verdunsten mehr statt