Technologie de vide pour les processus chimiques et pharmaceutiques

Maulburg, Germany Choisir la bonne technologie de vide pour les processus chimiques et pharmaceutiques s'avère souvent délicat. Tout d'abord, le système de vide doit fournir la vitesse de pompage requise à la pression de service et garantir ainsi le temps d'évacuation nécessaire. Ensuite, il ne doit pas être sensible aux gaz du procédé et doit répondre à toutes les exigences en termes de NEP (nettoyage en place), de nettoyage et de récupération de gaz. La fiabilité et la rentabilité économique jouent, elles aussi, un rôle important au moment du choix de la technologie de vide à utiliser. Nous présenterons, ici, les trois technologies de vide les plus souvent utilisées pour les processus chimiques et pharmaceutiques: Pompes à vide à anneau liquid, pompes à vide sèches à vis, pompes à vide à palettes lubrifiées.
Fig. 1: Pompe à vide à anneau liquide Dolphin de Busch
Fig. 1: Pompe à vide à anneau liquide Dolphin de Busch

Pompes à vide à anneau liquide

Les pompes à vide à anneau liquide (Fig. 1) sont utilisées dans de nombreuses applications. Ce sont des pompes rotatives, à déplacement positif, avec une roue à aubes excentrée placée dans un corps cylindrique (Fig. 2). Le fluide de fonctionnement utilisé est généralement de l'eau. La rotation de la roue à aubes crée un anneau liquide à l'intérieur du corps de la pompe qui rend étanche les espaces entre chaque pale. Le gaz pompé est alors transporté dans les espaces situés entre le centre, les pales et l'anneau liquide. Grâce au positionnement excentré de la roue à aubes, le volume de ces espaces augmente, aspirant ainsi le mélange par l'arrivée d'air. Au fur et à mesure que la roue à aubes continue de tourner, le volume de ces espaces se réduit, le mélange est comprimé puis expulsé à nouveau par la décharge d'air. La pompe à vide à anneau liquide peut fonctionner en système par eau perdue, ou en recirculation partielle ou totale. 

Depuis de nombreuses années, ces pompes à vide se sont avérées être des générateurs de vide robustes et fiables dans les procédés chimiques. Le fluide de fonctionnement dans la chambre de compression permet une dissipation continue de la chaleur liée à la compression de telle sorte que la pompe à vide fonctionne de manière pratiquement isotherme. En d'autres termes, le gaz du procédé ne s'échauffe pas de manière notable et la pompe à vide fonctionne à des températures relativement basses. Cela réduit considérablement le risque de réactions indésirables ou d'explosion. Les basses températures de fonctionnement facilitent également la condensation des vapeurs et des gaz, ce qui permet d'augmenter la vitesse de pompage nominale.


Fig. 2: Principe de fonctionnement d'une pompe à vide à anneau liquide bi-étagées

L'eau est généralement utilisée pour créer l'anneau liquide. De l'éthylène glycol, des huiles minérales ou des solvants organiques sont également souvent utilisés. La pression finale de la pompe à vide dépend de la pression de la vapeur et de la viscosité du liquide. La viscosité du fluide de fonctionnement a un impact sur la consommation électrique de la pompe à vide.

Les pompes à vide à anneau liquide sont proposées sur le marché avec différents modules, matériaux et joints d'étanchéité d'arbre. 

Avantages des pompes à vide à anneau liquide:

  • Insensibles aux vapeurs et liquides entrant dans le système
  • Les différents matériaux disponibles, leur permet une parfaite adéquation aux gaz du procédé


Inconvénients:

  • Contamination possible du fluide de fonctionnement par le condensat du gaz du procédé, ce qui nécessite le traitement ultérieur de ce fluide avant son évacuation
  • Consommation d'énergie importante
  • La pression finale dépend de la pression de la vapeur du fluide de fonctionnement


Pompes à vide sèches à vis

La technologie des pompes à vide sèches à vis est elle aussi très largement utilisée dans les industries chimiques et pharmaceutiques. Toutefois, elle est relativement récente comparée à la technologie à anneau liquide.
Dans les années 1990, Busch a lancé sur le marché la première pompe à vide sèche à vis, la COBRA AC. La principale différence par rapport à la pompe à vide à anneau liquide décrite plus haut est que la pompe à vide sèche à vis (Fig. 3) ne nécessite pas de fluide de fonctionnement pour comprimer le gaz du procédé. C'est pourquoi elle porte le nom de pompe à vide « sèche » à vis.

Fig. 3: Pompe à vide sèche à vis COBRA NC

Dans une pompe à vide sèche à vis, deux rotors en forme de vis tournent en sens opposé (Fig. 4). Le mélange pompé est aspiré entre le cylindre et les vis, compressé et transporté jusqu'à l'échappement. de gaz. Pendant le processus de compression, les rotors à vis n'entrent pas en contact l'un avec l'autre ni avec le cylindre. Ce principe de fonctionnement est possible grâce à une fabrication précise et à un jeu minimum entre les pièces mobiles, ce qui garantit un vide limite bas <0,1 mbar.

Fig. 4: Principe de fonctionnement d'une pompe à vide sèche à vis moderne

Les pompes à vide sèches à vis fonctionnent avec une refroidissement par eau, ce qui permet une répartition uniforme de la température dans l'ensemble du corps de pompe et donc une stabilité thermique de l'ensemble du processus.

Les pompes à vide sèches à vis modernes sont dotées d'une vis à pas variable qui permet une compression uniforme du gaz du procédé sur toute la longueur de la vis. Ceci a pour avantage de garantir une température homogène dans l'ensemble de la chambre de compression, laquelle peut alors être facilement surveillée et contrôlée. Dans les anciennes générations de pompes à vide sèches à vis, le pas des vis est le même sur toute la longueur. De ce fait, la compression du gaz de procédé s'effectue dans la dernière demi-rotation de la vis, ce qui génère une charge thermique excessive. L'obtention d'une température de fonctionnement idéale avec un refroidissement par eau s'avère plus compliqué. En général, les pompes à vide sèches à vis fonctionnent à des températures plus élevées que les pompes à vide à anneau liquide. La condensation des éléments du gaz de procédé est ainsi largement enrayée. Ceci permet au gaz du procédé d'être acheminé à travers la pompe à vide sans contamination ou réaction avec le fluide de fonctionnement. La fonte est le matériaux standard utilisé pour les pièces usinées entrant en contact avec le mélange pompé. Elle peut être non traitée ou traitée avec un revêtement spécial qui la rend résistante à pratiquement tous les produits chimiques. Une fois le procédé terminé, nous recommandons de rincer la pompe à vide avec un produit de nettoyage approprié et de la vidanger avec de l'azote afin d'éviter la formation de corrosion et de dépôt pendant l'arrêt. 

Avec différents systèmes de compression et revêtements, les pompes à vide sèches à vis de Busch peuvent être configurées pour être compatibles avec n'importe quel produit chimique.


Avantages des pompes à vide sèches à vis:

  • Compression sèche, aucune contamination ou réaction possible entre le gaz du procédé et le fluide de fonctionnement
  • Niveau de vide élevé
  • Écoénergétiques
  • Peuvent être conçues pour presque tous les gaz de procédé en raison du choix de matériau et de la régulation de la température


Inconvénients des pompes à vide sèches à vis:

  • Sensibles aux particules entrant dans le système
  • Ne peuvent pas être utilisées avec des gaz de procédé qui tendent à réagir à des températures élevées 


Pompes à vide à palettes lubrifiées par huile perdue

Les pompes à vide à palettes lubrifiées à l'huile sont utilisées avec succès depuis des décennies dans bien des domaines. Aujourd'hui, elles sont parmi les pompes à vide mécaniques les plus largement utilisées dans l'industrie. Dans les années 1960, Busch avait déjà développé le modèle Huckepack, une pompe à vide bi-étagée à palettes lubrifiées par renouvellement d'huile, qui avait été spécialement conçue pour les techniques de traitement chimique et pharmaceutique. Busch n'a cessé de développer cette pompe à vide, qui, grâce à sa robustesse, bénéficie aujourd'hui encore, d'une très bonne notoriété dans les techniques de transformation et de traitement.

Fig. 5: Pompe à vide à palettes lubrifiées par renouvellement d'huile Huckepack

Les pompes à vide à palettes lubrifiées Huckepack (Fig. 5) présentent trois caractéristiques distinctives importantes par rapport aux autres pompes à vide qui fonctionnent selon le principe des palettes lubrifiées:

  1. Deux étages de compression sont superposés et raccordés l'un à l'autre, ce qui simplifie la compression initiale du gaz du procédé dans le premier étage, et la compression secondaire dans le second étage. Cela permet d'atteindre un vide limite plus bas.
  2. Ces pompes à vide se caractérisent par une lubrification à l'huile, ce qui signifie qu'une quantité définie de fluide de fonctionnement, huile ou autre liquide compatible avec le mélange, est injectée dans la chambre de compression. En revanche, d'autres pompes à vide à palettes lubrifiées utilisent la lubrification par recirculation d'huile.
  3. Les pompes à vide à palettes lubrifiées par huile perdue Huckepack sont refroidies par eau, ce qui permet de réguler la température de fonctionnement dans une plage déterminée.


Les pompes à vide à palettes lubrifiées par huile perdue Huckepack sont des pompes rotatives à déplacement positif. Les palettes sont placées dans des fentes à l'intérieur d'un rotor qui tourne de manière excentrique dans un corps cylindrique. En raison de la force centrifuge créée par le mouvement de rotation du rotor, les palettes sortent des fentes et viennent en contact avec la paroi du cylindre. Cela crée des espaces avec des volumes différents, ce qui génère alors l'effet d'aspiration et de compression. Afin de réduire le frottement et améliorer l'étanchéité, l'huile est constamment injectée dans la chambre de compression. Ce procédé se produit dans les deux étages de compression avant que le gaz du procédé ne soit déchargé avec le fluide de fonctionnement via l'échappement et puisse être éliminé ultérieurement. Les deux étages sont refroidis par eau. Des versions avec refroidissement par eau perdue et par recirculation sont disponibles. 

Fig. 6: Principe de fonctionnement de la pompe à vide à palettes lubrifiées par renouvellement d'huile Huckepack

Du fait que le lubrifiant ne circule qu'une seule fois à travers la pompe à vide, il est possible d'utiliser presque tous les fluides ayant une viscosité de 150 centistokes (cSt). Celui-ci rince en permanence la pompe à vide pendant son fonctionnement, la protégeant de la corrosion et des dépôts. Busch propose des palettes conçues à partir de trois différents matériaux pour garantir une résistance à la plupart des solvants. 

Avantages des pompes à vide à palettes lubrifiées par renouvellement d'huile:

  • Niveau de vide élevé
  • Extrêmement robustes et fiables
  • Facile d'entretien
  • Parfaitement adaptées à l'acheminement de vapeurs acides, de monomères ou de produits qui entraînent une polymérisation en cas d'utilisation d'autres technologies de vide


Inconvénients: Les fluides de fonctionnement doivent être traités ou correctement éliminés

En résumé

Toutes les technologies de génération de vide abordées présentent des avantages et des inconvénients. Il n'existe pas de solution unique valable pour toutes les applications. Il est donc important de demander conseil à un expert en technologie de vide et de prendre en compte l'ensemble des paramètres importants dans le processus. En commençant par les conditions et les gaz du procédé, l'intégration du contrôle, jusqu'à la rentabilité, la sécurité et la fiabilité de la future génération de vide. Dans la plupart des cas, la prise en compte de ces facteurs conduit à un système de vide sur mesure, directement adapté aux éxigences. 


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