Technologia próżniowa do procesów chemicznych i farmaceutycznych

Maulburg, Germany Wybór właściwej technologii próżniowej do procesów przetwórstwa chemicznego i farmaceutycznego jest często trudnym zadaniem. Po pierwsze, instalacja próżniowa musi zapewniać wymagany wydatek pod ciśnieniem roboczym i tym samym osiągać wymagany czas odsysania. Po drugie, instalacja nie może reagować z gazami używanymi w procesach i musi spełniać wszystkie wymagania procesów mycia CIP (clean in place) i odzyskiwania gazu. Podczas wyboru technologii istotną rolę odgrywa też niezawodność i efektywność kosztów. Przedstawimy tutaj trzy technologie próżniowe, które są najczęściej używane w procesach przetwórstwa chemicznego i w branży farmaceutycznej: Pompy próżniowe z pierścieniem cieczowym, Suche śrubowe pompy próżniowe, Łopatkowe pompy próżniowe smarowane olejem.
Ilustracja 1: Produkt Dolphin firmy Busch – pompa próżniowa z pierścieniem wodnym (Source: Busch Dienste GmbH)
Ilustracja 1: Produkt Dolphin firmy Busch – pompa próżniowa z pierścieniem wodnym (Source: Busch Dienste GmbH)

Pompy próżniowe z pierścieniem cieczowym

Pompy próżniowe z pierścieniem cieczowym (ilustracja 1) mają wiele zastosowań. To pompy wyporowe o obrotowym ruchu organu roboczego z wirnikiem zamontowanym mimośrodowo w cylindrycznej obudowie (ilustracja 2). Najczęściej używaną cieczą roboczą jest woda. Obrót wirnika sprawia, że wewnątrz obudowy powstaje pierścień cieczowy, który uszczelnia przestrzenie między łopatkami. Gaz jest przenoszony w przestrzeniach między środkiem, poszczególnymi łopatkami i pierścieniem cieczowym. Mimośrodowe umieszczenie wirnika oznacza, że objętość tych przestrzeni wzrasta, przez co pompowany gaz jest wsysany przez wlot. Dalszy obrót wirnika sprawia, że objętość przestrzeni zmniejsza się, następuje sprężanie gazu i jego odprowadzenie przez wylot. Pompy próżniowe z pierścieniem cieczowym mogą być używane jako jeden system ciągłego przepływu albo jako częściowy lub też pełny system recyrkulacji. 

Te pompy próżniowe już od wielu lat sprawdzają się jako niezawodne i wytrzymałe generatory próżni w procesach chemicznych. Ciecz robocza w komorze sprężania cały czas odbiera ciepło wydzielane w procesie sprężania, więc pompa próżniowa pracuje w warunkach zbliżonych do przemiany izotermicznej. To oznacza, że gaz używany w procesie nie nagrzewa się znacząco, a pompa próżniowa pracuje we względnie niskiej temperaturze, co znacząco obniża ryzyko wystąpienia niechcianych reakcji lub eksplozji. Niska temperatura robocza sprzyja także kondensacji par i gazów, co zwiększa nominalną prędkość pompowania pompy próżniowej.


Ilustracja 2: Zasada działania dwustopniowej pompy próżniowej z pierścieniem wodnym (Source: Busch Dienste GmbH)

Do wytworzenia pierścienia cieczowego najczęściej stosuje się wodę. W praktyce jednak często wykorzystuje się także glikol etylenowy, oleje mineralne czy rozpuszczalniki organiczne. Ciśnienie końcowe zależy od prężności par i lepkości cieczy. Lepkość cieczy roboczej wpływa także na pobór mocy przez pompę.

Pompy próżniowe z pierścieniem cieczowym dostępne na rynku różnią się wersjami, materiałami i uszczelnieniami wału. 

Zalety pomp próżniowych z pierścieniem cieczowym:

  • Całkowity brak wrażliwości na opary i ciecze wchodzące do systemu,
  • Wersje z różnych materiałów pozwalają na idealne dopasowanie do gazu używanego w procesie


Wady:

  • Możliwość zanieczyszczenia cieczy roboczej kondensatem z gazu używanego w procesie, co sprawia, że ciecz roboczą należy przetworzyć przed jej utylizacją
  • Wysokie zużycie energii
  • Zależność ciśnienia końcowego od prężności par cieczy roboczej


Suche śrubowe pompy próżniowe

Technologia suchych pomp śrubowych także znalazła szerokie zastosowanie w branży chemicznej i farmaceutycznej. W porównaniu do technologii z pierścieniem cieczowym jest to jednak stosunkowo nowe rozwiązanie.
Firma Busch wprowadziła na rynek pierwszą suchą pompę śrubową – COBRA AC w latach 90-tych XX w. Podstawową różnicą w stosunku do opisanych powyżej pomp próżniowych z pierścieniem cieczowym jest fakt, że śrubowe pompy próżniowe (ilustracja 3) nie wymagają cieczy roboczej do sprężania gazu używanego w procesie. Właśnie dlatego są nazywane „suchymi" śrubowymi pompami próżniowymi.

Ilustracja 3: Śrubowa pompa próżniowa COBRA NC (Source: Busch Dienste GmbH)

W śrubowej pompie próżniowej dwa wirniki w kształcie śruby obracają się w przeciwnych kierunkach (ilustracja 4). Pompowany gaz zostaje uwięziony między wirnikami a korpusem pompy. Następnie następuje jego sprężanie i transport do wylotu gazu. Podczas procesu sprężania wirniki śrubowe nie stykają się ze sobą ani z korpusem pompy. Zasada działania opiera się na precyzyjnej produkcji i minimalnym luzie między ruchomymi elementami. Pozwala to na osiągnięcie końcowego ciśnienia wynoszącego poniżej 0,1 milibara.

Ilustracja 4: Zasada działania nowoczesnej śrubowej pompy próżniowej (Source: Busch Dienste GmbH)

Śrubowe pompy próżniowe są chłodzone wodą, co pozwala na równomierny rozkład temperatury w maszynie i stabilność termiczną całego procesu.

Nowoczesne śrubowe pompy próżniowe wyposażone są w śruby o zmiennym skoku, dzięki czemu możliwe jest równomierne sprężanie gazu na całej długości śruby. Zaletą tego jest zapewnianie tej samej temperatury w całej komorze sprężania. Ułatwia to monitoring i sterowanie tego parametru. Starsza generacja śrubowych pomp próżniowych wyposażona jest w śruby o tym samym skoku na całej długości. Wiąże się to ze sprężaniem gazu używanego w procesie w trakcie ostatniej połowy obrotu śruby i tym samym generuje w tym miejscu wysokie naprężenia termiczne. To z kolei powoduje trudności związane z dopasowaniem idealnej temperatury pracy za pomocą chłodzenia wodą. Śrubowe pompy próżniowe zwykle pracują w wyższych temperaturach niż pompy z pierścieniem cieczowym. Wiąże się to ze znacznym zmniejszeniem kondensacji cząsteczek gazu procesowego. Pozwala to na przenoszenie gazu przez pompę bez zanieczyszczenia go lub wchodzenia w reakcję z cieczą eksploatacyjną. Standardowym materiałem używanym do produkcji wszystkich części, które mają styczność z pompowanym medium jest żeliwo. Jest ono pokryte lub nie specjalną powłoką, dzięki czemu jest odporne na prawie wszystkie chemikalia. Po zakończeniu procesu polecamy spłukanie pompy próżniowej odpowiednim płynem czyszczącym i oczyszczenie azotem w celu uniknięcia korozji i powstawania osadów podczas przestoju urządzenia. 

Dzięki różnym systemom sprężania i powłokom śrubowe pompy próżniowe firmy Busch można konfigurować do stosowania z dowolnymi chemikaliami.


Zalety suchych śrubowych pomp próżniowych:

  • Suche sprężanie, brak możliwości zanieczyszczenia oraz reakcji między gazem używanym w procesie i cieczą roboczą
  • Wysoki poziom próżni
  • Oszczędność energii
  • Możliwość używania z praktycznie wszystkimi gazami procesowymi dzięki doborowi materiału i regulacji temperatury


Wady suchych śrubowych pomp próżniowych:

  • Wrażliwość na cząsteczki wchodzące do instalacji
  • Brak możliwości używania w przypadku gazów procesowych, które są reaktywne w wysokich temperaturach 


Łopatkowe pompy próżniowe przepływowo smarowane olejem

Rotacyjne pompy próżniowe smarowane olejem są już od dziesięcioleci używane w wielu obszarach. Dziś należą do najchętniej stosowanych przez przemysł mechanicznych pomp próżniowych. Firma Busch w latach 60-tych XX wieku skonstruowała produkt Huckepack – dwustopniową łopatkową pompę próżniową smarowaną olejem. Ten produkt został zaprojektowany specjalnie z myślą o przemyśle chemicznym i farmaceutycznym. Firma Busch ciągle rozwija tę pompę próżniową, która ze względu na swoją wytrzymałość wciąż cieszy się wielkim uznaniem w technologii przetwarzania.

Ilustracja 5: Huckepack – łopatkowa pompa próżniowa przepływowo smarowana olejem (Source: Busch Dienste GmbH)

Łopatkowe pompy próżniowe Huckepack (ilustracja 5) mają trzy cechy, które odróżniają je od innych pomp, które wykorzystują zasadę działania pompy łopatkowej

  1. Dwa zblokowane, połączone ze sobą stopnie sprężania, co pozwala na ułatwienie wstępnego sprężania gazu używanego w procesie w pierwszym stopniu, a następnie dalsze sprężanie w drugim stopniu. Pozwala to na osiągnięcie niższego ciśnienia końcowego.
  2. Korzystają one także też ze smarowania olejowego w taki sposób, że do komory sprężania dostaje się określona ilość cieczy roboczej, oleju lub innej cieczy kompatybilnej z procesem. Inne łopatkowe pompy próżniowe wykorzystują obiegowe smarowanie olejem.
  3. Łopatkowe pompy próżniowe Huckepack są chłodzone wodą, co umożliwia regulację temperatury roboczej w określonym zakresie.


Pompy łopatkowe Huckepack to pompy wyporowe o obrotowym ruchu organu roboczego. Łopatki umieszczone są w szczelinach w wirniku, który obraca się mimośrodowo w cylindrycznej obudowie. Siła odśrodkowa powodowana przez ruch obrotowy wirnika powoduje, że łopatki wyślizgują się ze szczelin i wchodzą w kontakt z korpusem. Tworzy to przestrzenie o różnej objętości, co z kolei powoduje efekt ssania i sprężania. W celu redukcji tarcia i poprawy uszczelnienia do komory sprężania cały czas podawany jest olej. Ten proces ma miejsce w obu stopniach sprężania przed odprowadzeniem przez wylot gazu używanego w procesie razem z cieczą roboczą. Można też go usunąć. Oba stopnie są chłodzone wodą. Dostępne są też wersje z przepływowym chłodzeniem wodą i obiegiem wody. 

Ilustracja 6: Zasada działania łopatkowej pompy próżniowej Huckepack przepływowo smarowanej olejem (Source: Busch Dienste GmbH)

Ze względu na to, że środek smarujący przepływa przez pompę tylko raz, możliwe jest wykorzystanie prawie wszystkich cieczy w zakresie 150 cSt. Przepływają one ciągle przez pracującą pompę, chroniąc ją przed korozją i osadami. W celu zapewnienia odporności na większość rozpuszczalników firma Busch oferuje łopatki wykonane z trzech różnych materiałów. 

Zalety łopatkowych pomp próżniowych przepływowo smarowanych olejem:

  • Wysoki poziom próżni
  • Niezwykle wysoka wytrzymałość i niezawodność
  • Łatwość obsługi
  • Doskonałe do przenoszenia kwaśnych oparów oraz monomerów lub produktów, które mają tendencję do polimeryzacji w przypadku korzystania z innych technologii próżniowych


Wady: Konieczne jest przetwarzanie lub prawidłowa utylizacja cieczy roboczych.
 

Podsumowanie
Wszystkie omawiane technologie wytwarzania próżni mają zalety i wady. Idealne rozwiązanie pasujące do wszystkich zastosowań nie istnieje. Bardzo ważne jest więc konsultowanie się z ekspertami w dziedzinie próżni i wzięcie pod uwagę wszystkich istotnych parametrów procesu od warunków, gazów używanych w procesie, przez integrację ze sterowaniem procesem, do efektywności ekonomicznej, bezpieczeństwa i niezawodności przyszłych generatorów próżni. W większości przypadków rozważenie tych czynników prowadzi do zindywidualizowanej instalacji próżniowej, dobranej tak, by bezpośrednio dostosować ją do wymagań. 


Kategorie
Chcesz uzyskać więcej informacji?
Skontaktuj się z nami bezpośrednio (Busch Polska):
+48 (0)54 231 54 00 Skontaktuj się z nami