Technologie vakuování v oblasti chemického a farmaceutického zpracování

Maulburg, Germany Výběr správné technologie vakuování v oblasti chemického a farmaceutického zpracování je často velmi obtížný. Vakuový systém musí ze všeho nejdříve při provozním tlaku dosáhnout požadované čerpací rychlosti, a tím tak zajistit potřebnou dobu odčerpávání. Tento systém také musí být navíc odolný vůči technologickým plynům a být v souladu s požadavky na metodu chemického čištění CIP (clean-in-place) týkající se sanace kapalin a plynů. Při výběru technologie vakuování také hraje významnou roli spolehlivost a ekonomická účinnost daného systému. Zde uvedeme tři technologie vakuování, které se v oblasti chemického a farmaceutického zpracování využívají nejčastěji: Kapalinokružné vývěvy, Suché šroubové vývěvy, Olejomazné rotační lamelové vývěvy.
Obr. č 1: Kapalinokružná vývěva Dolphin společnosti Busch
Obr. č 1: Kapalinokružná vývěva Dolphin společnosti Busch

Kapalinokružné vývěvy

Kapalinokružné vývěvy (obr. č. 1) se využívají mnoha způsoby. Kapalinokružné vývěvy jsou v podstatě objemová rotační čerpadla s mimostředně namontovaným oběžným kolem, které se nachází ve válcovém plášti. (obr. č. 2). Obvykle se jako provozní kapalina využívá voda. Otáčivý pohyb oběžného kola tvoří tzv. kapalinový prstenec uvnitř pláště, který utěsňuje prostor mezi jednotlivými lopatkami. Plyn je přenášen v místech mezi středem, jednotlivými lopatkami a kapalinovým prstencem. Mimostředná montáž oběžného kola způsobuje, že se tyto prostory zvětšují a dochází k odsávání média skrze vstup. Neustálé otáčení oběžného kola má za následek zmenšování jednotlivých míst a příslušné médium je stlačeno a poté znovu výfukem vypuštěno. Kapalinokružné vývěvy mohou být provozovány jako jednoduchý nepřetržitý průtokový systém nebo jako částečný či úplný recirkulační systém. 

Tyto vakuové pumpy již mnoho let prokazují, že jsou v oblasti chemického zpracování robustními a spolehlivými generátory vakua. Provozní kapalina v kompresní komoře rozptyluje kompresní teplo, takže vakuová vývěva funguje téměř izotermálně. To znamená, že se technologický plyn nezahřeje na vysokou teplotu a vakuová vývěva je v provozu při relativně nízkých teplotách. Tento fakt značně snižuje pravděpodobnost výskytu nežádoucích jevů nebo výbuchu. Nízké provozní teploty také ulehčují kondenzaci výparů a plynů, čímž se zvyšuje nominální čerpací rychlost vakuové vývěvy.


Obr. č 2: Princip fungování dvoustupňové kapalinokružné vývěvy (Source: Busch Dienste GmbH)

Kapalinový prstenec je zpravidla tvořen vodou. Často se ovšem k vytvoření prstence také využívají etylenglykol, minerální oleje nebo organická rozpouštědla. Koncový tlak vakuové vývěvy závisí na tlaku výparů a na viskozitě kapaliny. Viskozita provozní kapaliny ovlivňuje spotřebu elektrické energie vakuové vývěvy.

Kapalinokružné vývěvy jsou na trhu k dispozici v různých verzích a materiálech a také s různorodými typy hřídelových těsnění. 

Výhody kapalinokružných vývěv:

  • Nejsou vůbec ovlivňovány výpary ani kapalinami, které vstupují do systému
  • Různé materiálové provedení umožňuje tyto vývěvy zkonstruovat dle příslušného technologického plynu


Nevýhody:

  • Existuje možnost kontaminace provozní kapaliny kondenzátem z technologického plynu, a proto je nutné následně samotnou provozní kapalinu před její likvidací zpracovat
  • Vysoká spotřeba energie
  • Koncový tlak závisí na tlaku výparů provozní kapaliny


Suché šroubové vývěvy

Technologie vakuování využívající suché šroubové vývěvy se v oblasti chemického a farmaceutického průmyslu také hojně využívá. Ve srovnání s využíváním technologie kapalinokružných vývěv je používání technologie suchých šroubových vývěv v této oblasti relativní novinkou.
V 90. letech společnost Busch uvedla na trh první suchou šroubovou vývěvu. Byla jí COBRA AC. Rozdíl mezi těmito dvěma zmiňovanými technologiemi spočívá v tom, že suchá šroubová vývěva (obr. č. 3) nepotřebuje ke stlačení technologického plynu provozní kapalinu. Proto má tato technologie přízvisko „suchá".

Obr. č 3: Šroubová vývěva COBRA NC (Source: Busch Dienste GmbH)

Suchá šroubová vývěva disponuje dvěma rotory ve tvaru šroubu, které se otáčejí v opačném směru (obr. č 4). Čerpané médium je zachyceno mezi válcem a šroubovými komorami. Poté je toto médium stlačeno a přenášeno k výtlaku plynu. Během procesu stlačování nepřijdou šroubové rotory do vzájemného kontaktu a ani nedojde ke kontaktu mezi nimi a válcem. Precizní konstrukce a minimální vůle mezi pohyblivými částmi umožňují výše popsaný princip fungování a navíc je zajištěn nízký koncový tlak, který nepřesáhne úroveň 0,1 mbaru.

Obr. č. 4: Princip fungování moderní šroubové vývěvy (Source: Busch Dienste GmbH)

Suché šroubové vývěvy využívají vodní chlazení, které zajišťuje rovnoměrnou distribuci teploty v těle vývěvy, a tím i tepelnou stabilitu během celé doby provozu vývěvy.

Moderní suché šroubové vývěvy disponují proměnnou roztečí šroubu, která zaručuje jednotnou kompresi technologického plynu napříč celou délkou šroubu. Výhodou je zajištění stejné teploty v kompresní komoře, a proto lze teplotu lehce sledovat a regulovat. Suché šroubové vývěvy starší generace disponovaly roztečí šroubů, která byla stejná napříč celou délkou šroubu. Tento faktor vedl ke stlačení technologického plynu v polovině poslední otočky šroubu a k následnému vytvoření příliš velké tepelné zátěže. Proto je proces vygenerování správné úrovně provozní teploty za pomoci vodního chlazení obtížnější. Obecně lze konstatovat, že suché šroubové vývěvy potřebují k provozu vyšší teplotu než kapalinokružné vývěvy. Ke stlačení technologického plynu tak z velké části vůbec nedochází. Technologický plyn je tedy ve vývěvě přenášen, aniž by docházelo k jakékoliv kontaminaci nebo k vyvolání nežádoucích reakcí v provozní kapalině. Veškeré části vývěvy, které přijdou do styku s čerpaným médiem, jsou standardně vyrobeny z litiny. V některých případech jsou navíc tyto části potaženy speciálním nátěrem, který zajišťuje odolnost proti téměř všem chemikáliím. Na konci celého procesu doporučujeme vývěvu propláchnout vhodným čistícím prostředkem a poté navíc očistit dusíkem, abyste zabránili tvorbě koroze a usazování nečistot v době, kdy vývěva není v provozu. 

Různé stlačovací systémy a povrchové úpravy umožňují šroubovým vývěvám společnosti Busch naprogramování, díky kterému budou kompatibilní s jakoukoliv chemikálií.

Výhody suchých šroubových vývěv:

  • Proces suchého stlačování, žádná kontaminace ani nežádoucí reakce mezi technologickým plynem a provozní kapalinou
  • Vysoká hladina podtlaku
  • Energeticky účinná
  • Díky různorodému materiálovému provedení a regulaci provozní teploty mohou být tyto vývěvy kompatibilní téměř se všemi technologickými plyny


Nevýhody suchých šroubových vývěv:

  • Citlivé na částečky, které proudí do systému
  • Nemohou být použity v kombinaci s technologickými plyny, které by při vysoké teplotě vyvolaly nežádoucí reakci  


Jednoprůchodové olejomazné rotační lamelové vývěvy

Olejomazné rotační lamelové vývěvy se již dlouhou řadu let využívají v mnoha oblastech. V současné době patří mezi nejvíce používané mechanické vývěvy v chemickém a farmaceutickém průmyslu. V 60. letech společnost Busch vyvinula dvoustupňovou jednoprůchodovou olejomaznou rotační lamelovou vývěvu Huckepack speciálně zkonstruovanou pro oblast chemického a farmaceutického zpracování. Společnost Busch poté pokračovala v dalším zdokonalování této vývěvy a nyní, díky své robustnosti, je tento typ vývěvy široce využívaný v oblasti zpracovatelských technologií.

Obr. č 5: Jednoprůchodová olejomazná rotační lamelová vývěva Huckepack (Source: Busch Dienste GmbH)

Rotační lamelové vývěvy Huckepack (obr. č. 5) mají ve srovnání s ostatními typy vývěv, které fungují na principu rotační lamely, tři odlišné aspekty:

  1. Dvě stlačovací fáze jsou úzce propojeny, což umožňuje v první fázi stlačit technologický plyn a ve druhé fázi poté dochází k sekundárnímu stlačení. Takto lze dosáhnout nižšího koncového tlaku.
  2. Tyto vývěvy jsou olejomazné, tzn., že do kompresní komory je vstříknuto předem stanovené množství provozní kapaliny, např. oleje nebo jiné, s čerpaným médiem kompatibilní kapaliny. Ostatní typy rotačních lamelových vývěv fungují na principu cirkulačního olejového mazání.
  3. Rotační lamelové vývěvy Huckepack využívají vodní chlazení, a proto může být provozní teplota regulována v rámci určitého rozmezí.


Rotační lamelové vývěvy Huckepack jsou objemová rotační čerpadla. Lamely jsou umístěny ve štěrbinách rotoru, který se mimostředně otáčí ve válcovém plášti. Díky odstředivé síle, kterou vytváří otáčivý pohyb rotoru dochází k vysunutí lamel ze štěrbin. Tyto vysunuté lamely se dostávají do styku se stěnou válce. Dochází k vytvoření různě velkých míst a k následné generaci sání a efektu stlačení. Aby se neporušilo těsnění a aby se snížilo tření, dochází k nepřetržitému vstřikování oleje do kompresní komory. K tomuto procesu dochází v obou fázích stlačení ještě předtím, než je technologický plyn společně s provozní kapalinou vypuštěn skrze výstup a může být následně odstraněn. V obou fázích probíhá proces vodního chlazení. K dispozici jsou také verze s jednoprůchodovým vodním chlazením a s vodní cirkulací. 

Obr. č 6: Princip fungování jednoprůchodové olejomazné rotační lamelové vývěvy Huckepack (Source: Busch Dienste GmbH)

Mazivo proudí vývěvou pouze jednou, a proto mohou být použity téměř všechny kapaliny s viskozitou v rozmezí 150 cSt (centistrokes). Tyto kapaliny neustále během provozu oplachují vývěvu a zabraňují tvorbě koroze a usazování nečistot. Společnost Busch nabízí lamely ve třech různých materiálových provedeních, aby byla zajištěna odolnost proti většině rozpouštědel. 

Výhody jednoprůchodových olejomazných rotačních lamelových vývěv:

  • Vysoká hladina podtlaku
  • Extrémně robustní a spolehlivé
  • Snadná údržba
  • Dokonale se hodí k přenášení kyselinových výparů a monomerů nebo produktů, které při provozu jiných technologii vakuování způsobují polymerizaci


Nevýhody: Provozní kapaliny musí být zpracovány nebo řádně zlikvidovány.

Shrnutí

Každá z výše popsaných technologií generace vakua má své výhody i nevýhody. Pro různé způsoby využití neexistuje jedno správné řešení. Proto je velmi důležité poradit se s odborníkem v oblasti vakuových technologií a vzít v úvahu všechny proměnné, které se v celém procesu nacházejí, počínaje provozními podmínkami, technologickými plyny nebo integrací do systému řízení a konče ekonomickou účinností, bezpečností, spolehlivostí a budoucím zajištěním generace vakua. Zvážení těchto faktorů vede ve většině případů k vytvoření individualizovaného vakuového systému, který přesně splňuje požadavky daného zákazníka. 


Kategorie
Chcete vědět víc?
Obraťte se na nás (Busch Česká republika):
+420 530 504 410 Kontaktovat