Vacuümtechnologie voor chemische en farmaceutische processen

Maulburg, Germany Het is vaak moeilijk om de juiste vacuümtechnologie voor chemische en farmaceutische verwerkingstoepassingen te selecteren. Allereerst moet een vacuümsysteem de vereiste pompsnelheid leveren bij bedrijfsdruk en daarmee de vereiste evacuatietijd. Daarnaast mag het systeem niet gevoelig zijn voor procesgassen en moet het voldoen aan alle vereisten op het gebied van CIP (clean-in-place)-reiniging en gasterugwinning. Betrouwbaarheid en economische efficiëntie spelen ook een belangrijke rol bij het selecteren van de juiste vacuümtechnologie.
Afb. 1: Dolphin vloeistofringvacuümpomp van Busch
Afb. 1: Dolphin vloeistofringvacuümpomp van Busch

Vloeistofringvacuümpompen

Vloeistofringvacuümpompen (afb. 1) worden gebruikt voor vele toepassingen. Deze draaiende pompen zorgen voor een doorstroomtransport met een rotor dat excentrisch in een cilindrische behuizing (afb. 2) is geplaatst. Als bedrijfsvloeistof wordt meestal water gebruikt. De draaiing van de rotor creëert een vloeistofring aan de binnenzijde van de behuizing die de ruimten tussen de individuele rotorbladen sluit. Het gepompte medium wordt getransporteerd naar de ruimten tussen het midden, de rotorbladen en de vloeistofring. Dankzij de excentrische gemonteerde rotor neemt het volume van deze ruimten toe, waardoor het medium wordt aangezogen door de inlaat. Terwijl de rotor doordraait, wordt het volume van de ruimten verkleind en wordt het medium gecomprimeerd en opnieuw afgevoerd door de afvoer. De vloeistofringvacuümpomp kan als eenvoudig doorstroomsysteem worden gebruikt of als gedeeltelijk of volledig recirculatiesysteem. 

Deze vacuümpompen hebben zich door de jaren heen bewezen als robuuste en betrouwbare vacuümgeneratoren in chemische processen. De bedrijfsvloeistof in de compressiekamer zorgt ervoor dat de compressiewarmte continu wordt afgevoerd. De vacuümpomp werkt dus bijna isothermisch. Dit betekent dat het procesgas amper wordt opgewarmd en dat de vacuümpomp op relatief lage temperaturen werkt. Het risico op ongewilde reacties of een explosie neemt daardoor aanzienlijk af. Lage bedrijfstemperaturen zorgen ook voor de condensatie van dampen en gassen, wat zorgt voor een hogere nominale pompsnelheid van de vacuümpomp.


Afb. 2: Werkingsprincipe van een tweetraps vloeistofringvacuümpomp

Normaal wordt water gebruikt om de vloeistofring te vormen, maar ook ethyleenglycol, minerale oliën of organische oplosmiddelen worden in de praktijk vaak gebruikt. De einddruk van de vacuümpomp hangt af van de dampdruk en viscositeit van de vloeistof. De viscositeit van de bedrijfsvloeistof is van invloed op het stroomverbruik van de vacuümpomp.

Vloeistofringvacuümpompen zijn verkrijgbaar in verschillende varianten, materialen en asafdichtingen. 

Voordelen van vloeistofringvacuümpompen:

  • Ongevoelig voor dampen of vloeistoffen die het systeem binnendringen
  • Verschillende varianten met verschillende materialen zorgen ervoor dat ze aangepast kunnen worden voor het verwerken van gassen


Nadelen:

  • Mogelijke verontreiniging van de bedrijfsvloeistof met condensaat van het procesgas. De bedrijfsvloeistof moet daarom eerst behandeld worden voordat het kan worden afgevoerd
  • Hoog energieverbruik
  • De einddruk hangt af van de dampdruk van de bedrijfsvloeistof


Droge schroefvacuümpompen

De droge schroefvacuümtechnologie wordt ook vaak toegepast in de chemische en farmaceutische industrie. Vergeleken met de vloeistofringtechnologie is het echter relatief nieuw.
In de jaren 90 heeft Busch de eerst droge schroefvacuümpomp op de markt gebracht, de COBRA AC. Het grootste verschil met een vloeistofringvacuümpomp zoals hierboven beschreven is dat schroefvacuümpompen (afb. 3) geen bedrijfsvloeistof nodig hebben om het gas te comprimeren. Daarom heet het ook een "droge" schroefvacuümpomp.

Afb. 3: COBRA NC schroefvacuümpomp

In een schroefvacuümpomp draaien twee schroefvormige rotoren in tegengestelde richting (afb. 4). Het gepompte medium wordt opgesloten tussen de cilinder- en schroefkamers, gecomprimeerd en getransporteerd naar de gasuitlaat. Tijdens het compressieproces komen de schroefrotoren niet met elkaar of met de cilinder in contact. De precieze productie en minimale afstand tussen de bewegende onderdelen zorgen ervoor dat dit werkingsprincipe mogelijk is. Daarnaast garandeert het een lage einddruk van < 0,1 mbar.

Afb. 4: Werkingsprincipe van een moderne schroefvacuümpomp

Schroefvacuümpompen werken met waterkoeling, wat ervoor zorgt dat de temperatuur gelijkmatig wordt verdeeld over de gehele pomp en dat er dus thermische stabiliteit heerst tijdens het gehele proces.

Moderne schroefvacuümpompen hebben een variabele spoed voor een evenmatige compressie van het procesgas over de gehele lengte van de schroef. Dit heeft als voordeel dat dezelfde temperatuur in de gehele compressiekamer wordt bereikt, die eenvoudig kan worden bewaakt en geregeld. In oudere schroefvacuümpompen is de spoed over de gehele lengte hetzelfde, waardoor het procesgas in de laatste halve draai van de schroef gecomprimeerd wordt. Op deze manier wordt daar een te hoge thermische belasting voorkomen. Het bereiken van de ideale bedrijfstemperatuur met waterkoeling wordt zo moeilijker gemaakt. Over het algemeen werken droge schroefvacuümpompen met hogere temperaturen dan vloeistofringvacuümpompen. De condensatie van elementen van procesgassen wordt dus grotendeels voorkomen. Dit zorgt ervoor dat het procesgas door de vacuümpomp kan worden getransporteerd zonder verontreinigingen achter te laten of te reageren met de bedrijfsvloeistof. Gietijzer is het standaard materiaal dat wordt gebruikt voor alle onderdelen die in contact komen met het gepompte medium. Het is onbehandeld of behandeld met een speciale coating om het bestendig te maken tegen bijna alle chemicaliën. Na het einde van het proces raden wij aan om de vacuümpomp door te spoelen met een geschikte reinigingsvloeistof en het te zuiveren met stikstof om corrosie en neerslagvorming tijdens stilstand te voorkomen. 

Schroefvacuümpompen van Busch kunnen met verschillende compressiesystemen en coatings worden uitgerust zodat ze bestand zijn tegen alle chemicaliën.

Voordelen van droge schroefvacuümpompen:

  • Droge compressie, geen verontreiniging of reactie mogelijk tussen procesgas en bedrijfsvloeistof
  • Hoog vacuümniveau
  • Energie-efficiënt
  • Kan worden ontworpen voor bijna alle procesgassen dankzij de gebruikte materialen en temperatuurregeling


Nadelen van droge schroefvacuümpompen:

  • Gevoelig voor deeltjes die het systeem binnendringen
  • Kan niet worden gebruikt met procesgassen die reactief zijn op hoge temperaturen


Oliegesmeerde draaischuifvacuümpompen met doorloopsmering

Oliegesmeerde draaischuifvacuümpompen met doorloopsmering worden al decennialang met succes ingezet. Vandaag de dag zijn ze een van de meest gebruikte mechanische vacuümpompen in de industrie. Busch heeft de Huckepack, een tweetraps oliegesmeerde draaischuifvacuümpomp met doorloopsmering, al in de jaren 60 ontwikkeld. Deze werd destijds speciaal ontworpen voor de chemische en farmaceutische verwerkingstechnologieën. Busch heeft deze vacuümpomp continu doorontwikkeld en deze pomp wordt dankzij zijn robuustheid nog steeds veel gebruikt in de verwerkingstechnologie.

Afb. 5: Huckepack oliegesmeerde draaischuifvacuümpomp met doorloopsmering

De Huckepack draaischuifvacuümpompen (afb. 5) hebben drie significante voordelen in vergelijking met andere vacuümpompen die werken volgens het draaischuifprincipe:

  1. Doordat twee compressiestappen met elkaar verbonden worden, wordt het procesgas in de eerste stap voor de eerste keer gecomprimeerd, de secundaire compressie vindt in de daarop volgende tweede stap plaats. Op deze manier kan een een lagere einddruk bereikt worden.
  2. Deze vacuümpompen beschikken over oliesmering, wat betekent dat een bepaalde hoeveelheid bedrijfsvloeistof, olie of andere vloeistof die compatibel is met het medium, in de compressiekamer wordt geïnjecteerd. Andere draaischuifvacuümpompen gebruiken daarentegen een oliecirculatiesmering.
  3. Huckepack draaischuifvacuümpompen zijn watergekoeld, waardoor de bedrijfstemperatuur tot op zekere hoogte kan worden gereguleerd.


Huckepack draaischuifvacuümpompen zijn draaiende pompen die een positieve verplaatsing teweegbrengen. De schuiven zijn in sleuven van een rotor geplaatst, die excentrisch draaien in de cilindrische behuizing. Door de centrifugale kracht die wordt gecreëerd door de draaibeweging van de rotor, worden de schuiven uit de sleuven geschoven en komen ze in contact met de cilinderwand. Dit creëert ruimten met verschillende volumes, die op hun beurt zorgen voor een zuigend en comprimerend effect. Om wrijving te verminderen en de afdichting te verbeteren, wordt er continu olie in de compressiekamer geïnjecteerd. Dit proces is actief tijdens beide compressiestappen, voordat het procesgas samen met de bedrijfsvloeistof wordt afgevoerd via de uitlaat en vervolgens kan worden verwijderd. Beide stappen zijn watergekoeld. Er zijn versies met doorlopende waterkoeling en watercirculatie verkrijgbaar. 

Afb. 6: Werkingsprincipe van de Huckepack oliegesmeerde draaischuifvacuümpomp met doorloopsmering

Omdat het smeermiddel slechts één keer door de vacuümpomp loopt, kunnen alle vloeistoffen met een viscositeit van ongeveer 150 centistokes (cSt) worden gebruikt. Deze spoelen de vacuümpomp continu tijdens bedrijf, waardoor deze wordt beschermd tegen corrosie en neerslag. Busch biedt schuiven in drie verschillende materialen om bestendigheid tegen de meeste oplosmiddelen te garanderen. 

Voordelen van oliegesmeerde draaischuifvacuümpompen met doorloopsmering:

  • Hoog vacuümniveau
  • Extreem robuust en betrouwbaar
  • Onderhoudsvriendelijk
  • Optimaal voor het transporteren van zure dampen en monomeren of producten die leiden tot polymerisatie als andere vacuümtechnologieën worden gebruikt


Nadelen: Bedrijfsvloeistoffen moeten worden behandeld of op de juiste manier worden afgevoerd


Samenvatting

Alle vacuümgeneratietechnologieën die hier zijn genoemd hebben hun voor- en nadelen. Er is niet één enkele oplossing voor alle toepassingen. Daarom is het belangrijk om advies in te winnen van een expert op het gebied van vacuüm. Ook moet er rekening worden gehouden met alle belangrijke procesparameters, beginnend bij de procesvoorwaarden, procesgassen en integratie in procescontrole tot aan economische efficiëntie, veiligheid en betrouwbaarheid van de toekomstige vacuümgeneratie. Als met al deze factoren rekening wordt gehouden, ontstaat er een op maat gemaakt vacuümsysteem dat is aangepast aan alle vereisten. 


Categorieën
Wilt u meer weten?
We geven u graag meer informatie. Contact Busch Nederland:
+31 (0)348 46 23 00 Neem contact met ons op