La pressione relativa e la pressione assoluta utilizzano punti di riferimento dello zero diversi. La pressione relativa viene misurata rispetto all’atmosfera locale, mentre la pressione assoluta viene misurata rispetto al vuoto perfetto. Sono correlate dalla relazione (P_{\text{assoluta}} = P_{\text{relativa}} + P_{\text{atmosferica}}), e la distinzione è fondamentale perché il comportamento del vuoto, i calcoli termodinamici, la riproducibilità e i limiti operativi di sicurezza dipendono dalla pressione assoluta.
La pressione relativa è comoda per il funzionamento delle apparecchiature, ma la pressione assoluta è necessaria per la maggior parte delle analisi termodinamiche. Negli esperimenti su impianti pilota, confondere le due grandezze può produrre punti di ebollizione, previsioni dell’equilibrio vapore–liquido, calcoli basati sulle leggi dei gas e condizioni di vuoto errati.
I due riferimenti della pressione
Cosa significa pressione relativa
La pressione relativa misura la pressione rispetto alla pressione atmosferica circostante:
[ P_{\text{relativa}} = P_{\text{assoluta}} - P_{\text{atmosferica}} ]
Una lettura relativa pari a zero non significa che nel recipiente non vi sia pressione. Significa che la pressione all’interno del recipiente è approssimativamente uguale alla pressione atmosferica locale.
Per questo motivo, i comuni manometri a tubo Bourdon installati su recipienti pressurizzati generalmente indicano 0 psig quando il recipiente è aperto all’atmosfera o si trova in equilibrio con essa.
Cosa significa pressione assoluta
La pressione assoluta misura la pressione a partire dal vuoto perfetto, dove la pressione è definita pari a zero:
[ P_{\text{assoluta}} = P_{\text{relativa}} + P_{\text{atmosferica}} ]
La pressione assoluta è il riferimento utilizzato in relazioni come la legge dei gas ideali e le correlazioni della tensione di vapore, perché queste relazioni richiedono la pressione molecolare totale nel sistema.
Un esempio semplice
Si supponga che la pressione atmosferica locale sia (101.3\ \text{kPa}).
- Una lettura di (0\ \text{kPa relativi}) corrisponde a (101.3\ \text{kPa assoluti}).
- Una lettura di (200\ \text{kPa relativi}) corrisponde a (301.3\ \text{kPa assoluti}).
- Una lettura di (-80\ \text{kPa relativi}) corrisponde a (21.3\ \text{kPa assoluti}).
Una pressione relativa negativa indica un vuoto rispetto all’atmosfera. Non indica una pressione assoluta negativa.
Perché la differenza è importante nelle operazioni unitarie
Distillazione ed evaporazione sotto vuoto
I punti di ebollizione dipendono fortemente dalla pressione assoluta. La riduzione della pressione assoluta abbassa la temperatura alla quale un liquido raggiunge la propria tensione di vapore ed entra in ebollizione.
Una lettura del vuoto espressa solo come pressione relativa può essere fuorviante se la pressione atmosferica locale cambia. La stessa lettura relativa può corrispondere a una pressione assoluta diversa a un’altitudine differente o in condizioni meteorologiche diverse.
Ad esempio, un sistema sotto vuoto funzionante a un valore relativo nominale potrebbe non operare nella stessa condizione termodinamica in due giorni diversi. La registrazione della pressione assoluta rende riproducibile la condizione sperimentale.
Assorbimento dei gas e sistemi gas–liquido
I calcoli dell’assorbimento dei gas dipendono dalle pressioni parziali dei gas, che si basano sulla pressione assoluta. L’uso diretto della pressione relativa può distorcere i calcoli della forza motrice e produrre interpretazioni errate delle prestazioni di trasferimento di massa.
Ciò è particolarmente importante quando si confrontano prove pilota eseguite a pressioni totali diverse o quando si stima il comportamento all’equilibrio a partire dai dati operativi misurati.
Calcoli con i gas ideali
La legge dei gas ideali viene comunemente scritta come:
[ PV = nRT ]
La pressione (P) in questa equazione deve essere la pressione assoluta. Sostituire la pressione relativa può sottostimare significativamente la pressione effettiva del gas, soprattutto in prossimità delle condizioni atmosferiche.
Gli errori risultanti possono influenzare le stime della densità del gas, del volume molare, della ritenzione di gas, del comportamento del flusso e dei bilanci di materia.
Misure idrostatiche e di pressione differenziale
La pressione del liquido varia con l’elevazione secondo:
[ P = P_0 + \rho g h ]
Qui, (P_0) è la pressione nella parte superiore della colonna di liquido. Nei serbatoi, assorbitori, colonne di distillazione e pozzetti su scala pilota, gli strumenti di pressione differenziale possono dedurre il livello del liquido a partire dal battente idrostatico.
Il riferimento della pressione rimane importante: la pressione superiore può essere atmosferica, pressurizzata o sotto vuoto. Un’interpretazione corretta del livello richiede quindi di conoscere il riferimento e la calibrazione dello strumento.
Come leggere correttamente la strumentazione di pressione
Identificare le unità di pressione
L’unità spesso rivela il riferimento:
- psig: libbre per pollice quadrato relative
- psia: libbre per pollice quadrato assolute
- kPa(g): kilopascal relativi
- kPa(a): kilopascal assoluti
Tuttavia, non si deve presumere che le sole unità definiscano il riferimento in ogni sistema di dati. Verificare le specifiche dello strumento, il registro di calibrazione e la configurazione del sistema di controllo.
Verificare il riferimento del sensore
Un trasduttore di pressione può essere progettato come:
- Con riferimento relativo, con la pressione atmosferica che agisce sul lato di riferimento
- Con riferimento assoluto, con un riferimento di vuoto sigillato
- Differenziale, per misurare la differenza tra due punti di pressione collegati
Questi strumenti possono produrre letture diverse nella stessa condizione di processo. Il sistema di acquisizione dati deve conservare tale riferimento, anziché trattare ogni segnale di pressione come intercambiabile.
Registrare la pressione atmosferica quando necessario
Per le misure relative che devono essere convertite in pressione assoluta, utilizzare, quando possibile, la pressione atmosferica locale effettiva:
[ P_{\text{assoluta}} = P_{\text{relativa}} + P_{\text{atm, locale}} ]
La pressione atmosferica standard al livello del mare è approssimativamente pari a (101.3\ \text{kPa}), (1.013\ \text{bar}) o (14.7\ \text{psi}). La pressione atmosferica effettiva varia con l’altitudine e le condizioni meteorologiche, quindi l’uso del valore standard è un’approssimazione.
Mantenere coerenti le unità
La conversione della pressione deve utilizzare unità coerenti. Ad esempio, non sommare una pressione relativa in psi alla pressione atmosferica in kPa senza prima convertire una delle due.
Una scheda dati dovrebbe identificare chiaramente sia il valore numerico sia il relativo riferimento, ad esempio 85 kPa(a) invece di semplicemente 85 kPa.
Comprendere i compromessi
Perché la pressione relativa rimane utile
La pressione relativa è spesso la visualizzazione più pratica per gli operatori. Un recipiente alla pressione atmosferica indica zero, mentre le letture positive indicano direttamente la pressione al di sopra dell’ambiente circostante.
Ciò rende gli strumenti per la pressione relativa utili per il monitoraggio ordinario di reattori pressurizzati, pompe, tubazioni e altre apparecchiature in cui il limite operativo è definito rispetto alle condizioni ambientali.
Perché la pressione relativa può essere inadeguata
La pressione relativa ha un riferimento variabile, poiché la pressione atmosferica cambia con l’altitudine e le condizioni meteorologiche. Pertanto, non costituisce una descrizione completa dello stato del processo per gli esperimenti che richiedono un confronto termodinamico preciso.
L’uso diretto della pressione relativa nei calcoli delle leggi dei gas, dell’equilibrio vapore–liquido o della tensione di vapore è un errore comune e rilevante.
Perché la pressione assoluta è essenziale per il lavoro sotto vuoto
La pressione assoluta fornisce un riferimento stabile, indipendente dalle condizioni atmosferiche locali. È la base corretta per specificare la pressione della distillazione sotto vuoto, valutare le condizioni di ebollizione e confrontare le prove sperimentali.
Un manometro convenzionale può mostrare un valore negativo, mentre un controllore del vuoto può visualizzare l’entità del vuoto o la pressione assoluta. Queste convenzioni devono essere distinte prima di interpretare gli andamenti o impostare gli allarmi.
Conseguenze sulla sicurezza derivanti dal riferimento errato
I recipienti in pressione e le apparecchiature sotto vuoto presentano rischi meccanici diversi. Un recipiente che appare vicino a una pressione relativa pari a zero può contenere comunque circa un’atmosfera di pressione assoluta, mentre un recipiente sotto vuoto può essere soggetto a un notevole carico atmosferico esterno.
Convenzioni di riferimento errate possono portare a limiti di allarme inadeguati, ipotesi operative non sicure o alla mancata individuazione dell’effettiva differenza di pressione agente sull’apparecchiatura.
Scegliere correttamente in base al proprio obiettivo
Utilizzare il riferimento di pressione corrispondente allo scopo della misura e documentare la conversione ogni volta che i dati verranno utilizzati oltre le normali attività operative.
- Se l’obiettivo principale è il funzionamento ordinario delle apparecchiature: utilizzare una pressione relativa chiaramente etichettata per un comodo monitoraggio della pressione rispetto all’atmosfera locale.
- Se l’obiettivo principale è la distillazione o l’evaporazione sotto vuoto: monitorare e registrare la pressione assoluta, perché il comportamento di ebollizione dipende dalla pressione totale sopra il liquido.
- Se l’obiettivo principale riguarda i calcoli basati sulle leggi dei gas o sul trasferimento di massa: convertire tutti i valori di pressione in unità assolute prima di calcolare le proprietà dei gas o le forze motrici.
- Se l’obiettivo principale è confrontare gli esperimenti: registrare la pressione assoluta, la temperatura e il riferimento del sensore, in modo che le prove rimangano confrontabili al variare delle condizioni meteorologiche, dell’altitudine e della sede del laboratorio.
- Se l’obiettivo principale è la sicurezza e il controllo: verificare se i limiti di allarme sono configurati come pressione relativa, assoluta, vuoto o differenziale prima di utilizzare l’impianto pilota.
Considerare il riferimento della pressione come parte della misura, e non semplicemente come un’unità, garantisce che i dati dell’impianto pilota siano fisicamente significativi, riproducibili e sicuri da utilizzare.
Tabella riepilogativa:
| Applicazione | Riferimento corretto della pressione | Perché è importante |
|---|---|---|
| Monitoraggio ordinario delle apparecchiature | Pressione relativa | Mostra la pressione rispetto all’atmosfera locale |
| Distillazione ed evaporazione sotto vuoto | Pressione assoluta | Determina le condizioni di ebollizione e la riproducibilità |
| Calcoli basati sulle leggi dei gas | Pressione assoluta | Necessaria per proprietà accurate dei gas e bilanci di materia |
| Assorbimento dei gas e trasferimento di massa | Pressione assoluta o parziale | Definisce i calcoli dell’equilibrio e della forza motrice |
| Misurazione idrostatica del livello | Pressione differenziale | Converte il battente del liquido in una lettura accurata del livello |
| Limiti di sicurezza e di allarme | Confermare il riferimento relativo, assoluto o differenziale | Previene ipotesi operative non sicure |
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