Vakuumteknologi til kemiske og farmaceutiske processer

Maulburg, Germany Det er ofte svært at vælge den rigtige vakuumteknologi til kemiske og farmaceutiske processer. For det første skal et vakuumsystem levere den nødvendige pumpehastighed, ved driftstryk, og dermed sikre den nødvendige pumpetid. For det andet må systemet ikke være følsomt overfor procesgasser og skal opfylde alle krav til CIP (Clean in place) rengøring og gasgenvinding. Foruden dette, betyder pålidelighed og økonomisk effektivitet spiller også en vigtig rolle, når man skal vælge hvilken vakuumteknologi der skal bruges. Her vil vi gennemgå de tre vakuumteknologier, der oftest anvendes i kemiske og farmaceutiske behandlingsteknologier: Væskeringsvakuumpumper, Tørtløbende skruevakuumpumper, Oliesmurte lamelvakuumpumper
Fig. 1: Dolphin Væskeringsvakuumpumper fra Busch
Fig. 1: Dolphin Væskeringsvakuumpumper fra Busch

Væskeringsvakuumpumper

Væskeringsvakuumpumper (fig. 1) anvendes i mange applikationer.
De er roterende forskydningspumper med et løbehjul, der er excentrisk anbragt i et cylindrisk hus (fig. 2). Vand anvendes normalt som driftsvæske. Pumpehjulet rotation skaber en væske ring på indersiden af huset, der forsegler mellemrummet mellem de enkelte lameller. Gassen transporteres i mellemrummet mellem midten, de enkelte lameller og væsken. Takket være den excentrisk placering af løbehjulet øges volumenet af disse rum og suger således mediet ind gennem indløbet. Da pumpehjulet fortsætter med at rotere, reduceres rummets volumen, hvorved mediet komprimeres og udledes igen gennem udledningen. Væskeringsvakuumpumper kan betjenes som et simpelt kontinuerligt flowsystem, eller som et delvis eller totalt recirkulationssystem. 

I løbet af mange år har disse vakuumpumper vist sig at være robuste og pålidelige vakuumgeneratorer i kemiske processer. Driftsvæsken i kompressionskammeret afleder kontinuerligt kompressionsvarmen, så vakuumpumpen virker næsten isotermisk. Dette betyder, at procesgasen ikke opvarmes i en bemærkelsesværdig grad, og vakuumpumpen virker ved relativt lave temperaturer. Dette reducerer risikoen for uønskede reaktioner eller en eksplosion, betydeligt. En lav driftstemperatur gør det også lettere at kondensere dampe og gasser, hvilket øger vakuumpumpens nominelle pumpehastighed.


Fig. 2: Driftsprincippet for en to-trins væskeringsvakuumpumper 

Vand bruges normalt for at lave væske ringen inde i pumpen. Ethylenglycol, mineralolier eller organiske opløsningsmidler anvendes også ofte i praksis. Det ultimative tryk i vakuumpumpen afhænger af væskens damptryk og viskositet. Viskositeten af driftsvæsken vil påvirke vakuumpumpens strømforbrug.

Væskeringsvakuumpumper findes på markedet i forskellige versioner, materialer og akseltætninger.

Fordele ved væskeringsvakuumpumper:

  • Ikke følsom overfor dampe eller væsker, der kommer ind i systemet
  • De forskellige materialeversioner gør det muligt at tilpasse dem til procesgasen


Ulemper:

  • Eventuel forurening af driftsvæsken med kondensat fra procesgasen, hvilket gør det nødvendigt at behandle driftsvæsken efterfølgende, inden den bortskaffes
  • Højt energiforbrug
  • Det ultimative tryk afhænger af driftsvæskens damptryk


Tørtløbende skruevakuumpumper

Tørtløbende skruevakuumteknologi anvendes også meget i kemiske og farmaceutiske industrier. Dette er imidlertid relativt nyt sammenlignet med væskeringsteknologi.
I 1990'erne lancerede Busch den første tørtløbende skruevakuumpumpe på markedet, COBRA AC. Den væsentligste forskel i forhold til den ovenfor beskrevne væskeringsvakuumpumper er, at skruevakuumpumper (fig. 3) ikke kræver driftsvæsker for at komprimere procesgasen. Derfor kaldes det en "tør" skrue vakuumpumpe.

Fig. 3: COBRA NC skruevakuumpumpe

I en skruevakuumpumpe roterer to skrueformede rotorer i modsatte retninger (figur 4). Det pumpede medium er fanget mellem cylinderen og skruekamrene, det komprimeres og transporteres til gasudløbet. Under kompressionsprocessen kommer skruerotoren ikke i kontakt med hinanden eller cylinderen. Gennem en præcis fremstilling og minimal afstand mellem de bevægelige dele muliggør dette driftsprincip og garanterer desuden et lavt ultimativt tryk på <0,1 mbar.

Fig. 4: Driftsprincippet for en moderne skruevakuumpumpe

Skruevakuumpumper arbejder ved hjælp af vandkøling, som sikrer jævn temperaturfordeling i hele pumpehuset og dermed termisk stabilitet i hele processen.

Moderne skruevakuumpumper har varierende størrelse skruer, hvilket resulterer i prækompression af procesgasserne. Fordelen er, at både gastemperaturen og strømforbruget i vakuumpumpen kan reduceres betydeligt. I ældre generationer af skruevakuumpumper er skruernes størrelse den samme over hele længden. Dette medfører kompression af procesgasen i skruernes sidste halvdrejning, hvilket genererer for stor termisk belastning der. Derfor er det vanskeligere at justere til den ideelle driftstemperatur med vandkøling. Generelt arbejder tørtløbende skruevakuumpumper ved højere temperaturer end væskeringsvakuumpumper. Kondensation af procesgas elementer elimineres således i vid udstrækning. Dette gør det muligt for procesgassen at blive transporteret gennem vakuumpumpen uden forurening eller forårsage en reaktion med en driftsvæske. Støbejern er det standardmateriale, der anvendes til alle de dele, der kommer i kontakt med det pumpede medium. Det er enten ubehandlet eller behandlet med en speciel belægning, der gør den resistent over for næsten alle kemikalier. Efter processen anbefaler vi at skylle vakuumpumpen med en egnet rengøringsvæske og rense det med nitrogen for at undgå korrosion og deponering under stilstand.

Med forskellige kompressionssystemer og forskellige belægninger kan skruevakuumpumper fra Busch konfigureres til at være kompatible med ethvert kemikalie.

Fordele ved tørtløbende skruevakuumpumper:

  • Tør kompression, ingen kontaminering eller reaktion mulig mellem procesgas og driftsvæske
  • Højt vakuum niveau
  • Energi effektiv
  • Kan konstrueres til næsten alle procesgasser takket være materialevalg og temperaturregulering


Ulemper ved tørtløbende skruevakuumpumper:

  • Følsom over for partikler, der kommer ind i systemet
  • Kan ikke anvendes med procesgasser, der har tendens til at være reaktive ved høje temperaturer
     

Oliesmurt lamelvakuumpumpe, med enkelt oliegennemløb 

Oliesmurt lamelvakuumpumper er med succes anvendt i mange felter i årtier. I dag er de blandt de mest anvendte mekaniske vakuumpumper i branchen. Busch udviklede allerede Huckepack, en to-trins oliesmurt lamelvakuumpumper, med enkelt oliegennemløb i 1960'erne, der var specielt designet til kemisk og farmaceutisk proces teknologi. Busch har konstant videreudviklet denne vakuumpumpe, som fortsat nyder stor accept i proces teknologi i dag takket være dens robusthed.

Fig. 5: Huckepack oliesmurt lamelvakuumpumpe, med enkelt oliegennemløb

Huckepack lamelvakuumpumper (fig. 5) har tre væsentlige kendetegn ved sammenligning med andre vakuumpumper, der fungerer i henhold til lamelprincippet: 

  1. To kompressionstrin stables og forbindes til hinanden, som letter start kompression af procesgassen, i det første trin og den sekundære kompression i det efterfølgende andet trin. Dette gør det muligt at opnå et lavere ultimativt tryk.
  2. Disse vakuumpumper har en enkelt oliesmøring, hvilket betyder, at en defineret mængde driftsvæske, olie eller anden mediekompatibel væske injiceres i kompressionskammeret. I modsætning hertil anvender andre lamelvakuumpumper oliecirkulerende smøring.
  3. Huckepack lamelvakuumpumper er vandkølede, hvilket gør det muligt at regulere driftstemperaturen inden for et bestemt område.


Huckepack lamelvakuumpumper er roterende forskydningspumper. Lamellerne er anbragt i sprækkerne i rotoren, som roterer excentrisk i et cylindrisk hus. På grund af den centrifugalkraft, der opstår ved rotorens roterende bevægelse, glider lamellerne ud af sprækkerne, og de kommer i kontakt med cylindervæggen. Dette skaber mellemrum med forskellige volumener, som igen skaber sugnings- og komprimeringseffekten. For at reducere friktionen og forbedre tætningen sendes olie kontinuerligt ind i kompressionskammeret. Denne proces finder sted i begge kompressionstrin, før procesgasen udledes sammen med driftsvæsken via udløbet og kan efterfølgende fjernes. Begge faser er vandkølede. Versioner med enkelt vandgennemløb og vandcirkulation er tilgængelige.

Fig. 6: Driftsprincippet for Huckepack oliesmurt lamelvakuumpumpe, med enkelt oliegennemløb 

Da smøremidlet kun strømmer gennem vakuumpumpen én gang, kan næsten alle væsker med en viskositet i intervallet 150 centistokes (cSt) anvendes. Disse skylder hele tiden vakuumpumpen under drift, hvilket beskytter mod korrosion og aflejringer. Busch tilbyder lameller af tre forskellige materialer for at sikre resistens over for de fleste opløsningsmidler.

Fordelene ved oliesmurt lamelvakuumpumpe, med enkelt oliegennemløb:

  • Højt vakuumniveau
  • Ekstremt robust og pålidelig
  • Nem service
  • Perfekt egnet til transport af syredampe og monomerer eller produkter, der fører til polymerisering, når andre vakuumteknologier anvendes


Ulemper: Driftsvæsker skal behandles eller bortskaffes korrekt

Resumé

Alle de vakuumteknologier, der diskuteres her, har fordele og ulemper. Der er ingen enkelt ideel løsning til alle applikationer. Det er derfor vigtigt at søge konsultation fra en vakuumekspert og tage højde for alle vigtige parametre i processen. Det begynder med procesbetingelser, procesgasser og integration i processtyring, gennem økonomisk effektivitet, sikkerhed og pålidelighed af fremtidig vakuumgenerering. I de fleste tilfælde fører overvejelsen af disse faktorer til et tilpasset vakuumsystem, som er direkte skræddersyet til kravene.


Kategorier
Vil du vide mere?
Kontakt os direkte i (Busch Danmark)
+45 (0)87 88 07 77 Kontakt os