Tecnología de vacío para procesos químicos y farmacéuticos

Maulburg, Germany A menudo, seleccionar la tecnología de vacío más adecuada para aplicaciones de procesos químicos y farmacéuticos es una tarea difícil. En primer lugar, un sistema de vacío debe poder entregar la velocidad de bombeo requerida a una presión de funcionamiento y por lo tanto garantizar el tiempo de bombeo requerido. En segundo lugar, no puede ser sensible a los gases de proceso y debe cumplir todos los requisitos en términos de limpieza CIP (limpieza in situ) y de recuperación de gas. La confiabilidad y la rentabilidad también desempeñan un papel importante al elegir cuál tecnología de vacío utilizar. En este documento resaltamos las tres tecnologías de vacío más utilizadas en procesos químicos y farmacéuticos: Bombas de vacío de anillo líquido, Bombas de vacío de tornillo en seco, Bombas de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite.
Fig. 1: Bombas de vacío de anillo líquido Dolphin de Busch
Fig. 1: Bombas de vacío de anillo líquido Dolphin de Busch

Bombas de vacío de anillo líquido

Las bombas de vacío de anillo líquido (fig. 1) se utilizan en numerosas aplicaciones. Se trata de bombas rotativas de desplazamiento positivo con un impulsor colocado excéntricamente en una carcasa cilíndrica (fig. 2). Suele emplearse agua como líquido de operación. La rotación del impulsor crea un anillo líquido en el interior de la carcasa, que sella los espacios entre cada una de las paletas. El gas se propaga a los espacios creados entre el centro, las paletas y el anillo líquido. Gracias a la posición excéntrica del impulsor, el volumen de estos espacios aumenta, y se aspira la solución por el conducto de entrada. A medida que el impulsor continúa girando, el volumen de los espacios se reduce, con lo cual la solución se comprime y se descarga de nuevo por el conducto de descarga. La bomba de vacío de anillo líquido puede operar como un simple sistema de flujo continuo o como un sistema de recirculación total o parcial. 

A lo largo de muchos años, estas bombas han demostrado ser generadores de vacío robustos y confiables en procesos químicos. El líquido de operación en la cámara de compresión continuamente disipa el calor de compresión, de modo que la bomba funciona de forma casi isotérmica. Esto significa que el gas de proceso no se calienta demasiado y la bomba funciona a temperaturas relativamente bajas. Esto reduce considerablemente el riesgo de reacciones no deseadas o explosiones. Las bajas temperaturas de operación también facilitan la condensación de los vapores y los gases, lo cual aumenta la velocidad de bombeo nominal de la bomba de vacío.


Fig. 2: Principio de operación de la bomba de vacío de anillo líquido de dos etapas

Suele emplearse agua para crear el anillo líquido. A menudo también se utilizan en la práctica etilenglicol, aceites minerales o solventes orgánicos. La presión máxima de la bomba de vacío depende de la presión de vapor y de la viscosidad del líquido. La viscosidad del líquido de operación afectará al consumo energético de la bomba de vacío.

Las bombas de vacío de anillo líquido están disponibles en el mercado en diferentes versiones, con diferentes materiales y sellos de eje. 

Ventajas de las bombas de vacío de anillo líquido:

  • No son sensibles a todos los vapores o líquidos que entran al sistema
  • Sus distintas versiones de materiales les permiten adaptarse al gas de proceso


Desventajas:

  • Posible contaminación del líquido de operación con el condensado del gas de proceso, lo cual hace necesario tratar posteriormente el líquido de operación antes de eliminarlo
  • Elevado consumo energético
  • La presión máxima depende de la presión del vapor del líquido de operación


Bombas de vacío de tornillo en seco

La tecnología de vacío de tornillo en seco también se utiliza muy frecuentemente en los sectores químico y farmacéutico. Sin embargo, es una tecnología relativamente nueva respecto a la de anillo líquido.
En los años 90, Busch presentó la primera bomba de vacío de tornillo en seco del mercado, la COBRA AC. La principal diferencia con la bomba de vacío de anillo líquido descrita anteriormente, es el hecho de que las bombas de vacío de tornillo (fig. 3) no necesitan un líquido de operación para comprimir el gas del proceso. Por esta razón se llaman bombas de vacío de tornillo «en seco».

Fig. 3: Bomba de vacío de tornillo COBRA NC

En una bomba de vacío de tornillo, dos rotores en forma de tornillo giran en direcciones opuestas (fig. 4). La solución bombeada queda atrapada entre el cilindro y las cámaras de los tornillos; se comprime y se transporta hasta la salida de gases. Durante el proceso de compresión, los rotores no entran en contacto entre sí ni con el cilindro. La precisión en su fabricación y el espacio mínimo entre las piezas móviles, hacen posible este principio de operación; garantizando adicionalmente una baja presión máxima de <0,1 mbar.

Fig. 4: Principio de operación de la bomba de vacío de tornillo moderna

Las bombas de vacío de tornillo utilizan enfriamiento por agua, lo que asegura una distribución homogénea de la temperatura en todo el cuerpo de la bomba y, por lo tanto, una estabilidad térmica a lo largo de todo el proceso.

Las bombas de vacío de tornillo modernas tienen un paso de rosca variable que permite una compresión homogénea del gas de proceso a lo largo de todo el tornillo. Esto ofrece la ventaja de que garantiza la misma temperatura en toda la cámara de compresión, de forma que puede controlarse y monitorearse fácilmente. En las bombas de vacío de tornillo de generaciones anteriores , el paso de rosca es el mismo en toda su longitud. Esto provoca la compresión del gas de proceso en la última media rotación del tornillo, generando una carga térmica excesiva en ese punto. De este modo, resulta más complicado ajustar la temperatura de funcionamiento ideal con enfriamiento por agua. Generalmente, las bombas de vacío de tornillo en seco funcionan a temperaturas más altas que las bombas de vacío de anillo líquido. De esta manera se elimina en gran medida la condensación de los elementos del gas de proceso. Esto permite transportar el gas de proceso a través de la bomba de vacío sin contaminar ni provocar una reacción con el líquido de operación. El hierro fundido es el material estándar utilizado en todas las piezas que entran en contacto con la solución bombeada. Es tratado o no con un recubrimiento especial, para que sea resistente a casi todos los productos químicos. Al finalizar el proceso, recomendamos lavar la bomba de vacío con un líquido de limpieza adecuado, y purgarla con nitrógeno para evitar la corrosión y la formación de sedimentos durante periodos de inactividad. 

Gracias a sus distintos sistemas de compresión y a sus diversos recubrimientos, las bombas de vacío de tornillo de Busch pueden configurarse para ser compatibles con cualquier producto químico.

Ventajas de las bombas de vacío de tornillo en seco:

  • Compresión en seco, sin posibilidad de contaminación o reacción entre el gas de proceso y el líquido de operación
  • Alto nivel de vacío
  • Eficiencia energética
  • Pueden diseñarse para casi todos los gases de proceso gracias a la selección de materiales y a la regulación de la temperatura


Desventajas de las bombas de vacío de tornillo en seco:

  • Son sensibles a las partículas que entran al sistema
  • No pueden utilizarse con gases de proceso con tendencia a ser reactivos a temperaturas elevadas  


Bombas de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite de un solo paso

Las bombas de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite llevan décadas utilizándose con éxito en muchos ámbitos. Actualmente son uno de los tipos de bomba de vacío mecánica más utilizados en el sector industrial. Busch desarrolló ya en los años 60 la bomba Huckepack, una bomba de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite de un solo paso y de dos etapas, diseñada especialmente para la tecnología de procesamiento químico y farmacéutico. Busch no ha dejado de desarrollar esta bomba de vacío, que sigue disfrutando de una gran aceptación en la tecnología de procesamiento gracias a su robustez.

Fig. 5: Bomba de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite de un solo paso Huckepack

Las bombas de vacío de paletas rotativas Huckepack (fig. 5) tienen tres características distintivas importantes en comparación con otras bombas de vacío que funcionan según el principio de las paletas rotativas:

  1. Las dos etapas de compresión están apiladas y conectadas entre ellas, lo cual facilita la compresión inicial del gas de proceso en la primera etapa y una compresión secundaria en la siguiente etapa. Esto permite conseguir una presión máxima más baja.
  2. Estas bombas de vacío se lubrican con aceite, lo cual significa que se inyecta una cantidad definida de líquido de operación, aceite u otro líquido compatible con la solución, en la cámara de compresión. Por su parte, otras bombas de vacío de paletas rotativas utilizan una lubricación por circulación de aceite.
  3. Las bombas de vacío de paletas rotativas Huckepack se enfrían por agua, permitiendo así que la temperatura de operación pueda regularse dentro de un rango determinado


Las bombas de vacío de paletas rotativas Huckepack son bombas rotativas de desplazamiento positivo. Las paletas están colocadas en ranuras en un rotor que gira excéntricamente en un gabinete cilíndrico. Debido a la fuerza centrífuga creada por el movimiento giratorio del rotor, las paletas se deslizan fuera de las ranuras y entran en contacto con la pared del cilindro. Esto crea espacios con distintos volúmenes, lo que a su vez, genera el efecto de succión y compresión. Para reducir la fricción y mejorar el sellado, se inyecta continuamente aceite en la cámara de compresión. Este proceso tiene lugar en ambas etapas de compresión, antes de descargar el gas de proceso junto con el líquido de operación por el desagüe, y pueda ser eliminado. Ambas etapas son enfriadas por agua. Hay versiones disponibles con circulación de agua y enfriamiento por agua de un solo paso. 

Fig. 6: Principio de operación de la bomba de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite de un solo paso Huckepack

Como el lubricante únicamente circula por la bomba de vacío una vez, pueden utilizarse casi todos los líquidos con una viscosidad en un rango de 150 centistokes (cSt). Estos líquidos limpian constantemente la bomba de vacío en funcionamiento, y la protegen contra la corrosión y los sedimentos. Busch ofrece paletas de tres materiales distintos, para garantizar la resistencia a la mayoría de solventes. 

Ventajas de las bombas de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite de un solo paso:

  • Alto nivel de vacío
  • Son extremadamente robustas y confiables
  • Facilidad de mantenimiento
  • Son adecuadas para transportar vapores ácidos y monómeros o productos que provoquen polimerización, cuando se utilizan otras tecnologías de vacío


Desventajas: Los líquidos de operación deben ser correctamente tratados o eliminados

Resumen

Todas las tecnologías de generación de vacío tratadas en este documento tienen ventajas y desventajas. No existe una solución ideal única para todas las aplicaciones. Por esta razón, es importante asesorarse con un experto en vacío y tener en cuenta todos los parámetros importantes del proceso: desde las condiciones de operación, los gases del proceso y la integración con el control de proceso, hasta la rentabilidad, la seguridad y la confiabilidad de la futura generación de vacío. En la mayoría de los casos, tener en cuenta estos factores permite obtener un sistema de vacío personalizado y adaptado directamente a sus necesidades. 


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