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应用于化工与制药工艺的真空技术

选择合适的真空技术

为化工与制药工艺应用选择合适的真空技术往往并非易事。首先,真空系统必须在工作压力下提供所需抽速,并确保所需抽真空时间。其次,它不能对工艺气体敏感,在用于 CIP 清洗(原位清洗)和气体回收时,必须满足相关要求。此外,在确定要使用哪种真空技术时,稳定性和经济效率也起着重要作用。
在本文中,我们将讲述化工与制药加工技术中常用的三种真空技术。

  • 液环真空泵
  • 干式螺杆真空泵
  • 油润滑旋片真空泵

液环真空泵

液环真空泵(图 1)适用于多种应用, 它们属于旋转正排量泵,叶轮偏心放置在圆柱形外壳中(图 2), 一般用水充当工作液。叶轮旋转时,会在密封各叶片空间的外壳内形成液环。气体在中心、各叶片和液体环间形成的空间中输送。由于叶轮安装于偏心位置,这部分空间的体积会增大,从而经进气口吸入介质。当叶轮继续旋转时,空间体积减少,气体介质被压缩,然后通过排气口被再次排出。液环真空泵既可作为单一的连续流系统运行,也可作为部分或全循环系统运行。
多年来,经实践证明,这些真空泵在化学工艺中是坚固耐用、质量可靠的真空发生器。压缩室内的工作液不断耗散压缩热,因此真空泵的运行几乎是等温的。这意味着工艺气体不会明显升温,真空泵在相对较低的温度下运行, 这将显著降低不必要的反应或爆炸的风险。低工作温度还有利于蒸汽和气体的冷凝,提升真空泵的额定抽速。
一般用水来作为液环, 在实际应用中,还经常使用乙二醇、矿物油或有机溶剂。真空泵的极限压力取决于蒸气压和液体粘度, 工作液的粘度也会影响真空泵的功耗。
目前市场上有不同型号、材料和轴封的液环真空泵。
液环真空泵的优点:

  • 对进入系统的蒸汽或液体不敏感
  • 不同的材料版本使之可以根据不同工艺进行量身定制
缺点:

  • 由于工艺气体冷凝形成的工作液可能会造成污染,弃置之前须对工作液进行处理
  • 能耗高
  • 极限压力取决于工作液的蒸气压力

干式螺杆真空泵

干式螺杆真空技术在化工和制药行业的应用也非常广泛。不过,与液环技术相比,此技术较为新颖。上世纪 90 年代,Busch 普旭推出了首台干式螺杆真空泵 COBRA AC。与上述液环真空泵相比,主要区别在于螺杆真空泵(图 3)无需工作液来压缩工艺气体, “干式”螺杆真空泵的名字就是由此而来。
在螺杆真空泵中,两个爪形转子沿着相反方向旋转(图 4)。泵送的介质被螺杆捕获,经压缩后输送至排气口。在压缩过程中,螺杆转子不会相互接触,也不与泵缸接触。此工作原理得益于精良的制造工艺和运转部件之间的超小间隙,能够确保最小极限压力 <0.1 mbar。
螺杆真空泵采用水冷,确保整个泵体内温度均匀,从而保证整个加工过程中的热稳定性。
现代的螺杆真空泵配备一个可变间距螺杆,会将工艺气体预压缩。这样带来的好处是,气体温度和真空泵的功耗都会显著降低。在旧版的螺杆真空泵中,整个螺杆长度内的螺杆间距均相同。这导致在螺杆的最后半圈旋转中压缩工艺气体,此时会产生过量热载荷。因此,使用水冷却调节至理想的工作温度将更加困难。通常,干式螺杆真空泵的工作温度高于液环真空泵的工作温度。因此,基本消除了工艺气体的冷凝, 这使工艺气体经过真空泵传输后不会造成污染或引起与工作液的反应。铸铁是适合与泵送介质接触的所有零件的标准材料, 它未经过处理或使用特殊涂层处理,几乎可以耐受所有化学制品。在加工结束时,我们建议使用合适的清洁液冲洗真空泵,再用氮气清洗,避免腐蚀及静止时形成沉积。
借助不同的密封系统和各种涂层,Busch 普旭螺杆真空泵可配置用来与任何化学制品配套使用。
干式螺杆真空泵的优点:

  • 干式压缩,无污染,工艺气体和工作液之间不会发生反应
  • 高真空度
  • 高能效
  • 由于材料选择和温度调控,可设计用于几乎所有工艺气体
干式螺杆真空泵的缺点:

  • 对进入系统的颗粒敏感
  • 不能与高温下易发生反应的工艺气体一起使用

一次油润滑旋片真空泵

油润滑旋片真空泵已在很多领域成功运用多年, 它们也是业内使用非常广泛的机械真空泵之一。上世纪 60 年代,Busch 普旭还开发出一次油润滑双级旋片真空泵——HUCKEPACK,它专门为化工与制药加工技术而设计。Busch 普旭持续研发此真空泵,凭借其坚固耐用的出色性能,在加工技术领域广受认可。与其他基于旋片原理工作的真空泵相比,HUCKEPACK 旋片真空泵(图 5)有三大明显优势:1.      两个压缩阶段堆叠在一起,相互连接,有助于在第一阶段对工艺气体进行初步压缩,再在随后的第二阶段进行二次压缩, 从而可实现更低的极限压力。2.     这些真空泵采用油润滑,这意味着压缩室内注入一定量的工作液、油或其他相容液体。相比之下,其他旋片真空泵则使用油循环润滑。3.          HUCKEPACK 旋片真空泵采用水冷,使之可以在特定范围内调节工作温度。
一次油润滑旋片真空泵的优点:

  • 高真空度
  • 非常耐用、可靠
  • 便于保养
  • 非常适合传送酸蒸汽,以及使用其他真空技术时可能导致聚合的单体或产品
HUCKEPACK 旋片真空泵属于旋转正排量泵, 叶片置于转子槽中,转子在圆柱形外壳中偏心旋转。由于转子的旋转运动产生的离心力,叶片会滑出槽,与缸壁接触。这会形成不同容量的空间,从而产生吸力和压缩效果。为了减少摩擦、改善密封,油被不断注入压缩室内。此过程发生在两个压缩阶段,在此之前,工艺气体与工作液一起通过出口排出,然后再移除。两个阶段均采用水冷, 我们提供直流水冷和水循环两种方式。由于润滑油仅流经真空泵一次,几乎可以使用粘度在 150 厘司 (cSt) 范围内的所有液体。这些润滑油在工作中不断冲洗真空泵,使其免腐蚀和沉积。Busch 普旭提供使用三种不同材料制造的叶片,确保耐受多数溶剂。
缺点:

  • 工作液必须妥善处理或处置
结语

本文讨论的所有真空技术均各有利弊, 没有任何一个方案适合所有应用。因此,务必咨询真空专家,考虑加工过程中的所有重要参数,包括:加工条件、工艺气体、与过程控制相关的集成,以及未来真空产生的能源效率、安全性和稳定性。通常,只要考虑这些因素,就能直接根据要求,量身定制出适合的真空系统。