Tecnologia del vuoto per l'industria chimica e farmaceutica

Maulburg, Germany La scelta della tecnologia del vuoto più adeguata per le applicazioni di processo in campo chimico e farmaceutico è spesso difficile. Da un lato, un sistema per vuoto deve fornire la capacità di aspirazione richiesta alla pressione di esercizio e garantire così il tempo di evacuazione necessario. Dall'altro, deve essere resistente ai gas di processo e soddisfare tutti i requisiti relativi ai sistemi di sanificazione in loco (CIP, clean in place) e recupero di gas. L'affidabilità e l'efficienza economica ricoprono inoltre un ruolo decisivo nel decidere quale tipo di tecnologia del vuoto usare. Di seguito, definiremo le tre tecnologie del vuoto più usate nei processi chimici e farmaceutici: Pompe per vuoto ad anello liquid, pompe per vuoto a vite a secco, pompe per vuoto rotative a palette lubrificate a olio.
Fig. 1: pompa per vuoto ad anello liquido Dolphin. Source: Busch Dienste GmbH
Fig. 1: pompa per vuoto ad anello liquido Dolphin. Source: Busch Dienste GmbH

Pompe per vuoto ad anello liquido

Le pompe per vuoto ad anello liquido (fig. 1) trovano impiego in numerose applicazioni. Si tratta di pompe volumetriche rotanti dotate di una girante installata eccentricamente in un alloggiamento cilindrico (fig. 2). Le pompe per vuoto ad anello liquido utilizzano di norma acqua come liquido di esercizio. Il movimento rotatorio della girante forma un anello liquido all'interno dell'alloggiamento, che sigilla gli spazi tra le singole pale. Il gas viene convogliato negli spazi tra la parte centrale, le singole pale e l'anello liquido. Grazie all'installazione eccentrica della girante, gli spazi aumentano di volume e il mezzo viene aspirato all'interno attraverso la fessura di aspirazione. Nel proseguire la sua rotazione, la girante riduce il volume degli spazi, quindi il mezzo viene compresso e nuovamente convogliato verso lo scarico. Le pompe per vuoto ad anello liquido possono utilizzare un semplice sistema a flusso continuo o un sistema di ricircolo parziale o totale. 

Queste pompe per vuoto da anni si dimostrano generatori di vuoto resistenti e di comprovata qualità per i processi chimici. Il fluido di esercizio nella camera di compressione dissipa in maniera continua il calore di compressione, in modo che la pompa per vuoto funzioni in maniera quasi complessivamente esotermica. Ciò significa che il gas di processo non sviluppa un livello significativo di calore e la pompa per vuoto funziona a temperature relativamente basse, riducendo notevolmente il rischio di reazioni o esplosioni indesiderate. Le basse temperature di esercizio favoriscono inoltre la condensazione di vapori e gas, aumentando di conseguenza la capacità di aspirazione nominale della pompa per vuoto.


Fig. 2: principio operativo di una pompa per vuoto ad anello liquido a due stadi. Source: Busch Dienste GmbH

Per la formazione dell'anello liquido viene solitamente utilizzata acqua. Nella pratica, sono, inoltre, utilizzati con notevole frequenza glicole etilenico, oli minerali o solventi organici. La pressione finale della pompa per vuoto dipende dalla tensione di vapore e dalla viscosità del liquido. La viscosità del fluido di esercizio a sua volta influisce sul consumo energetico della pompa.

Le pompe per vuoto ad anello liquido sono disponibili sul mercato con svariati design, materiali e tenute all'albero. 

Vantaggi delle pompe per vuoto ad anello liquido:

  • Completamente resistente all'ingresso di vapore e liquidi nel sistema
  • Si adattano al gas di processo grazie ai diversi materiali di realizzazione.


Svantaggi:

  • Possibile contaminazione del fluido di esercizio con la condensa dal gas di processo e conseguente necessità di post-trattamento del fluido di esercizio prima dello smaltimento
  • Elevato consumo energetico
  • La pressione finale dipende dalla tensione di vapore del fluido di esercizio


Pompe per vuoto a vite a secco

Le pompe per vuoto a vite a secco rappresentano un'altra tecnologia ampiamente utilizzata nell'industria chimica e farmaceutica, sebbene si tratti di una tecnica relativamente nuova se paragonata alla tecnologia ad anello liquido.
Negli anni '90, il Dr.-Ing. K. Busch GmbH lanciò sul mercato COBRA AC, la prima pompa per vuoto a secco. Come suggerisce il nome stesso, la differenza principale con la pompa per vuoto ad anello liquido descritta in precedenza è che le pompe per vuoto a vite (fig. 3) non richiedono alcun fluido di esercizio per comprimere il gas di processo.

Fig. 3: pompa per vuoto a vite COBRA NC. Source: Busch Dienste GmbH

Le pompe per vuoto a vite operano con due rotori a vite che ruotano in direzioni opposte (fig. 4). Il mezzo aspirato viene intrappolato tra il cilindro e le camere a vite, compresso e trasportato fino allo scarico dei gas. I due rotori a vite non entrano in contatto tra loro né con il cilindro durante il processo di compressione. La costruzione precisa e l'assenza di gioco tra le parti in movimento consentono di applicare questo principio di funzionamento e, inoltre, garantiscono una bassa pressione finale di <0,1 mbar.

Fig. 4: principio operativo di una pompa per vuoto a vite moderna. Source: Busch Dienste GmbH

Le pompe per vuoto a vite usano un metodo di raffreddamento ad acqua, che assicura temperature uniformi in tutto il corpo della pompa, garantendo stabilità termica durante tutto il processo.

Le moderne pompe per vuoto a vite presentano una vite a passo variabile che consente una compressione uniforme del gas su tutta la lunghezza della vite. Ciò ha il vantaggio di garantire la stessa temperatura in tutta la camera di compressione, consentendone quindi un facile monitoraggio e controllo. Nelle pompe per vuoto a vite di vecchia generazione, il passo delle viti non varia lungo l'intera lunghezza. Ciò significa che la compressione del gas di processo avviene nell'ultimo mezzo giro della vite, generando un carico termico eccessivo. Regolare la temperatura di esercizio ideale tramite il raffreddamento ad acqua diventa quindi più difficile. In linea di principio, le pompe per vuoto a secco funzionano a temperature più elevate rispetto alle pompe per vuoto ad anello liquido. Pertanto, la condensazione dei componenti del gas di processo è in gran parte esclusa. Di conseguenza, il gas di processo può essere aspirato dalla pompa per vuoto, senza causare contaminazione o reazione con un fluido di esercizio. Il materiale di serie utilizzato per tutte le parti a contatto con il mezzo aspirato è la ghisa, che viene trattata o meno con rivestimenti speciali per essere resistente alla quasi totalità degli agenti chimici. Al termine del processo, si raccomanda di flussare la pompa per vuoto con un liquido detergente adatto e di lavarla con azoto per prevenire la corrosione e i depositi durante i tempi di fermo. 

Le pompe per vuoto a vite Busch possono essere configurate per adattarsi a qualsiasi prodotto chimico con vari sistemi di compressione e svariati rivestimenti.

Vantaggi delle pompe per vuoto a vite a secco:

  • Compressione a secco, nessuna contaminazione o reazione tra gas di processo e fluido di esercizio
  • Alto livello di vuoto
  • Efficienza energetica
  • Possono essere progettate per quasi tutti i gas di processo attraverso la selezione del materiale e il controllo della temperatura


Svantaggi delle pompe per vuoto a vite a secco:

  • Sensibili all'ingresso di particelle nel sistema
  • Non adatte per gas di processo che tendono a reagire a temperature elevate  


Pompe per vuoto rotative a palette lubrificate con olio a perdere

Le pompe per vuoto rotative a palette lubrificate a olio sono utilizzate da decenni in svariati settori industriali. Oggi sono tra le pompe per vuoto meccaniche più ampiamente usate nel settore. Negli anni '60, Busch presentò Huckepack, una pompa per vuoto rotativa a palette a due stadi, lubrificata con olio a perdere appositamente progettata per l'ingegneria dei processi chimici e farmaceutici. Da allora Busch ha ulteriormente sviluppato questa pompa per vuoto, che grazie alla sua robustezza, continua a ricevere ampio consenso nelle attuali tecnologie di processo.

Fig. 5: pompa per vuoto rotativa a palette lubrificata con olio a perdere Huckepack. Source: Busch Dienste GmbH

Le pompe per vuoto rotative a palette Huckepack (fig. 5) presentano tre principali caratteristiche distintive rispetto alle altre pompe per vuoto rotative a palette:

  1. Due stadi di compressione disposti uno sopra l'altro e collegati tra loro. In questo modo, il gas di processo viene facilmente precompresso nel primo stadio e quindi ricompresso nel secondo stadio. Ciò consente inoltre di ottenere una pressione finale più bassa.
  2. Due stadi di compressione disposti uno sopra l'altro e collegati tra loro. In questo modo, il gas di processo viene facilmente precompresso nel primo stadio e quindi ricompresso nel secondo stadio. Al contrario, le altre pompe per vuoto rotative a palette utilizzano una lubrificazione a circolazione d'olio.
  3. Le pompe per vuoto rotative a palette Huckepack sono raffreddate ad acqua, consentendo così di regolare la temperatura di esercizio entro un certo intervallo.


Le pompe per vuoto rotative a palette Huckepack sono pompe volumetriche rotative, in cui le palette sono posizionate in fessure in un rotore che ruota in modo eccentrico in un alloggiamento cilindrico. A causa del movimento rotatorio del rotore, le palette escono dalle fessure come risultato della forza centrifuga e toccano la parete interna del cilindro. Questo crea cavità di diversi volumi, che a loro volta generano l'effetto di aspirazione e compressione. Per ridurre l'attrito e migliorare la tenuta, l'olio viene iniettato continuamente nella camera di compressione nel cilindro. Questo processo avviene in entrambe le fasi di compressione, prima che il gas di processo, insieme al fluido di esercizio, venga scaricato attraverso lo scarico e possa quindi essere successivamente rimosso. Entrambe le fasi sono raffreddate ad acqua. Sono disponibili versioni con raffreddamento ad acqua passante o a ricircolo. 

Fig. 6: principio operativo della pompa per vuoto rotativa a palette lubrificata con olio a perdere Huckepack. Source: Busch Dienste GmbH

Poiché il lubrificante scorre attraverso la pompa per vuoto solo una volta, è possibile utilizzare quasi tutti i liquidi con una viscosità compresa nell'intervallo di 150 centiStokes (cSt). Detti liquidi lubrificano in modo costante la pompa per vuoto durante il funzionamento, proteggendola dalla corrosione e dai depositi. Per resistere alla maggior parte dei solventi, Busch offre palette in tre diversi materiali. 

Vantaggi delle pompe per vuoto rotative a palette lubrificate con olio a perdere:

  • Alto livello di vuoto
  • Estremamente affidabili e robuste
  • Facile manutenzione
  • Particolarmente adatte per l'aspirazione di fumi acidi e monomeri o prodotti che causano polimerizzazione durante l'impiego di altre tecnologie del vuoto


Svantaggi: I fluidi di esercizio devono essere trattati e smaltiti correttamente

Riepilogo

Tutte le tecnologie di generazione del vuoto illustrate presentano vantaggi e svantaggi. Non esiste una soluzione ideale per tutte le applicazioni. Per questo è importante consultare un esperto del vuoto e considerare tutti i parametri coinvolti: a partire dalle condizioni di processo, i gas di processo e l'integrazione nel controllo del processo fino alla considerazione degli aspetti relativi all'efficienza economica, alla sicurezza e all'affidabilità della futura generazione del vuoto. Il risultato di queste considerazioni sarà nella maggior parte dei casi un sistema per vuoto individuale a misura dei requisiti. 


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