Vakuumteknologi for kjemiske og farmasøytiske prosesser

Maulburg, Germany Å velge riktig vakuumteknologi for kjemiske og farmasøytiske prosesseringsapplikasjoner er ofte vanskelig. For det første må et vakuumsystem levere nødvendig pumpehastighet ved driftstrykk, og dermed sikre nødvendig nedpumpingstid. For det andre kan det ikke være følsomt overfor prosessgasser, og det må oppfylle alle krav når det gjelder CIP (clean-in-place) rengjøring og gassgjenvinning. Pålitelighet og økonomisk effektivitet spiller også en viktig rolle når man skal bestemme seg for hvilken vakuumteknologi som skal brukes. Vi vil her beskrive de tre vakuumteknologiene som brukes oftest i kjemiske og farmasøytiske prosesseringsteknologier: Væskering-vakuumpumper, Tørre skruevakuumpumper, Oljesmurte lamellvakuumpumper.
Fig. 1: Dolphin væskering-vakuumpumpe fra Busch (Source: Busch Dienste GmbH)
Fig. 1: Dolphin væskering-vakuumpumpe fra Busch (Source: Busch Dienste GmbH)

Væskering-vakuumpumper

Væskering-vakuumpumper (fig. 1) brukes i mange applikasjoner. Dette er roterende positive fortrengningspumper med en impeller som er eksentrisk plassert i et sylindrisk hus (fig. 2). Det er vanligvis vann som brukes som driftsvæske. Rotasjonen til impelleren danner en væske-ring på innsiden av huset som forsegler mellomrommene mellom de enkelte bladene. Gassen transporteres i mellomrommene mellom senteret, de enkelte bladene og væske-ringen. Takket være den eksentriske plasseringen av impelleren, øker volumet til disse mellomrommene, dermed suges mediet inn gjennom innløpet. Etter hvert som impelleren fortsetter å rotere, reduseres volumet på mellomrommene, mediet komprimeres og deretter sendes det ut gjennom utløpet. Væskering-vakuumpumpen kan kjøres som et enkelt kontinuerlig strømningssystem eller som et delvis eller totalt resirkuleringssystem. 

Disse vakuumpumpene har over mange år vist seg å være robuste og driftssikre vakuumgeneratorer i kjemiske prosesser. Driftsvæsken i kompresjonskammeret fjerner kompresjonsvarmen kontinuerlig slik at vakuumpumpen kjører nesten isotermt. Dette betyr at prosessgassen ikke varmes opp i særlig grad, og vakuumpumpen opererer ved relativt lave temperaturer. Dette reduserer faren for uønskede reaksjoner eller eksplosjon betydelig. Lave driftstemperaturer gjør det også lettere å kondensere damp og gass, noe som øker den nominelle pumpehastigheten til vakuumpumpen.


Fig. 2: Virkemåte for to-trinns væskering-vakuumpumpe (Source: Busch Dienste GmbH)

Vann brukes vanligvis til å danne den væske-ringen. Etylenglykol, mineraloljer eller organiske løsninger brukes også ofte. Sluttrykket til vakuumpumpen avhenger av damptrykket og væskens viskositet. Viskositeten til driftstrykket vil påvirke vakuumpumpens strømforbruk.

Væskering-vakuumpumper er tilgjengelige på markedet i forskjellige versjoner, materialer og akseltetninger. 

Fordeler med væskering-vakuumpumper:

  • De er ikke følsomme i det hele tatt overfor damp eller væsker som kommer inn i systemet
  • De ulike materialene gjør at de kan skreddersys til prosessgassene
     

Ulemper:

  • Mulig kontaminering av driftsvæsken med kondensat fra prosessgassen, noe som gjør det nødvendig å behandle driftsvæsken før den avhendes
  • Høyt energiforbruk
  • Sluttrykket avhenger av damptrykket og driftsvæsken


Tørre skruevakuumpumper

Tørr skruevakuumteknologi brukes også mye i kjemisk og farmasøytisk industri. Dette er imidlertid relativt nytt sammenlignet med væskering-teknologi.
I 1990-årene lanserte Busch den første tørre skruevakuumpumpen på markedet, COBRA AC. Den store forskjellen sammenlignet med væskering-vakuumpumpen som er beskrevet ovenfor, er at skruevakuumpumper (fig. 3) ikke krever driftsvæske for å komprimere prosessgassen. Dette er grunnen til at den kalles "tørr" skruevakuumpumpe.

Fig. 3: COBRA NC skruevakuumpumpe (Source: Busch Dienste GmbH)

I en skruevakuumpumpe roterer to skrueformede rotorer i motsatte retninger (fig. 4). Det pumpede mediet fanges mellom sylinderen og skruekamrene, komprimeres og fraktes til gassutløpet. Under kompresjonsprosessen kommer ikke skruerotorene i kontakt med hverandre eller sylinderen. Nøyaktig produksjon og minimal klaring mellom de bevegelige delene gjør dette driftsprinsippet mulig, og i tillegg sikrer det et lavt sluttrykk på <0,1 mbar.

Fig. 4: Virkemåte for moderne skruevakuumpumpe (Source: Busch Dienste GmbH)

Skruevakuumpumper bruker vannkjøling som sikrer jevn temperaturfordeling gjennom pumpehuset og garanterer dermed termisk stabilitet i hele prosessen.

Moderne skruevakuumpumper har en asymmetrisk skrueprofil som gir jevn kompresjon av prosessgassen over hele skruens lengde. Dette gir fordeler ved at samme temperatur sikres gjennom hele kompresjonskammeret, som dermed enkelt kan overvåkes og styres. I eldre skruevakuumpumper er stigningen på skruene den samme over lengden på rotorene. Dette fører til at prosessgassen komprimeres i den siste halve rotasjonen av skruen, noe som genererer overflødig termisk belastning der. Dermed er det vanskeligere å justere den ideelle driftstemperaturen med vannkjøling. Generelt opererer tørre skruevakuumpumper ved høyere temperatur enn væskering-vakuumpumper. Kondensering av prosessgasselementer elimineres dermed i stor grad. Dette gjør at prosessgassen kan fraktes gjennom vakuumpumpen uten kontaminering eller uten å forårsake en reaksjon med en driftsvæske. Støpejern er standardmateriale på alle pumpedelene som kommer i kontakt med det pumpede mediet. Det er enten ubehandlet eller behandlet med et spesialbelegg for å være motstandsdyktig overfor så godt som alle kjemikalier. Når prosessen er ferdig, anbefaler vi å skylle vakuumpumpen med et egnet rengjøringsmiddel og rense den med nitrogen for å unngå korrosjon og at det danner seg avleiringer under stans. 

Med ulike kompresjonssystemer og forskjellige belegg kan skruepumper fra Busch konfigureres til å være kompatible med et hvilken som helst kjemikalie.

Fordeler med tørre skruevakuumpumper:

  • Tørr kompresjon, ingen kontaminering eller reaksjon mellom prosessgass og driftsvæske er mulig.
  • Høyt vakuumnivå
  • Energieffektiv
  • Kan utformes for så godt som alle prosessgasser takket være materialvalg og temperaturregulering


Ulempene med tørre skruevakuumpumper:

  • Følsomme overfor partikler som kommer inn i systemet
  • Kan ikke brukes med prosessgasser som har en tendens til å reagere på høye temperaturer  


Gjennomstrømmende oljesmurte lamellvakuumpumper

Oljesmurte lamellvakuumpumper har med hell vært brukt på mange områder i flere tiår. I dag er de blant de mest brukte mekaniske vakuumpumpene i industrien. Busch utviklet Huckepack allerede i 1960-årene, en to-trinns gjennomløpende oljesmurt lamellvakuumpumpe som ble spesialkonstruert for kjemisk og farmasøytisk prosesseringsteknologi. Busch har hele tiden videreutviklet denne vakuumpumpen som fortsatt nyter stor respekt i prosesseringsteknologien i dag takket være at den er så robust.

Fig. 5: Huckepack gjennomstrømmende oljesmurt lamellvakuumpumpe (Source: Busch Dienste GmbH)

Huckepack lamellvakuumpumper (fig. 5) har tre viktige kjennetegn sammenlignet med andre vakuumpumper som brukes i henhold til lamellprinsippet:

  1. To kompresjonstrinn er stablet og forbundet med hverandre, noe som muliggjør innledende kompresjon av prosessgassen i første trinn og sekundær kompresjon i det påfølgende andre trinnet. Dette gjør det mulig å oppnå et lavere sluttrykk.
  2. Disse vakuumpumpene har oljesmøring, noe som betyr at en definert mengde driftsvæske, olje eller annen mediekompatibel væske tilføres i kompresjonskammeret. Dette til forskjell fra andre lamellvakuumpumper som bruker smøring med sirkulerende olje.
  3. Huckepack lamellvakuumpumper er vannkjølte, noe som gjør at driftstemperaturen kan reguleres innenfor et visst område.


Huckepack lamellvakuumpumper er roterende positive fortrengningspumper. Lamellene er satt inn i spor i en rotor som roterer eksentrisk i et sylindrisk hus. På grunn av sentrifugalkraften som er forårsaket av rotorens roterende bevegelser, glir løpehjulene ut av sporene og kommer i kontakt med sylinderveggen. Dette lager mellomrom med ulike volum, noe som igjen genererer innsugings- og kompresjonseffekten. For å redusere friksjon og forbedre tetningen blir det kontinuerlig tilført olje i kompresjonskammeret. Denne prosessen foregår i begge kompresjonstrinnene før prosessgassen sendes ut sammen med driftsvæsken via utløpet og dermed kan fjernes. Begge trinn er vannkjølte. Versjoner med gjennomløpende vannkjøling og vannsirkulasjon er tilgjengelige. 

Fig. 6: Virkemåte for Huckepack gjennomstrømmende oljesmurt lamellvakuumpumpe (Source: Busch Dienste GmbH)

Fordi væsken kun flyter gjennom vakuumpumpen en gang, kan du bruke nesten alle væsker med en viskositet rundt 150 centistokes (cSt). Disse skyller vakuumpumpen konstant under drift og beskytter den mot korrosjon og avleiringer. Busch tilbyr lameller laget av tre ulike materialer for å sikre motstandsdyktighet mot de fleste løsninger. 

Fordeler med gjennomløpende oljesmurte lamellvakuumpumper:

  • Høyt vakuumnivå
  • Ekstremt robuste og pålitelige
  • Enkelt vedlikehold
  • Passer perfekt for å transportere syredamp og monomerer, eller produkter som fører til polymerisasjon ved bruk av andre vakuumteknologier


Ulemper: Driftsvæsker må bli behandlet eller kassert på riktig måte

Konklusjon

Alle vakuumgenerasjonsteknologiene som er diskutert her, har fordeler og ulemper. Det finnes ingen enkelt perfekt løsning for alle bruksområder. Det er derfor viktige å oppsøke råd fra en vakuumekspert og ta hensyn til alle viktige parametere i prosessen, fra prosessforhold, prosessgasser og integrering i prosesstyring til økonomisk effektivitet, sikkerhet og pålitelighet for framtidige vakuumgenerasjoner. Å ta hensyn til alle disse faktorene fører i de fleste tilfeller til et spesialtilpasset vakuumsystem som er direkte tilrettelagt for kravene. 


Kategorier
Vil du vite mer?
Kontakt oss direkte i (Busch Norge):
+47 64 98 98 50 Kontakt oss