Tecnologia de vácuo para processos químicos e farmacêuticos

Maulburg, Germany Selecionar a tecnologia de vácuo adequada para aplicações de processamento químico e farmacêutico é muitas vezes complicado. Em primeiro lugar, um sistema de vácuo tem de proporcionar a velocidade de aspiração necessária à pressão de funcionamento e, assim, garantir o tempo de inatividade necessário. Em segundo lugar, não pode ser sensível aos gases do processo e tem de cumprir todos os requisitos no que toca a limpeza CIP (limpeza de circuitos fechados) e a recuperação de gás. A fiabilidade e a eficiência económica também têm um papel significativo na hora de decidir qual a tecnologia de vácuo a utilizar. Aqui, vamos descrever as três tecnologias de vácuo utilizadas mais frequentemente em tecnologias de processamento químico e farmacêutico: Bombas de vácuo de anel líquido, bombas de vácuo de parafuso a seco, bombas de vácuo rotativas de palhetas lubrificadas com óleo.
Fig. 1: Bomba de vácuo de anel líquido Dolphin da Busch
Fig. 1: Bomba de vácuo de anel líquido Dolphin da Busch

Bombas de vácuo de anel líquido

As bombas de vácuo de anel líquido (fig. 1) são utilizadas em diversas aplicações. São bombas de deslocamento positivo rotativo com impulsor localizado excentricamente numa estrutura cilíndrica (fig. 2). O líquido operacional é geralmente água. A rotação do impulsor cria um anel líquido no interior da estrutura que veda os espaços entre as lâminas individuais. O gás é transportado nos espaços entre o centro, as lâminas individuais e o anel líquido. Graças à colocação excêntrica do impulsor, o volume destes espaços aumenta, aspirando o agente pelo bocal. À medida que o impulsor continua a rodar, o volume dos espaços é reduzido, o agente é comprimido e, em seguida, descarregado novamente através da descarga. A bomba de vácuo de anel líquido pode ser operada como sistema de caudal continuo simples ou como sistema com recirculação total ou parcial. 

Ao longo de vários anos, estas bombas de vácuo têm comprovado ser geradores de vácuo robustos e fiáveis em processos químicos. Os fluidos operacionais na câmara de compressão dissipam o calor de compressão continuamente, pelo que a bomba de vácuo funciona de forma praticamente isotérmica. Isto significa que o gás do processo não aquece a uma temperatura significativa e a bomba de vácuo funciona a temperaturas relativamente baixas. Isto reduz significativamente o risco de reações indesejadas ou de explosão. Temperaturas de funcionamento baixas também facilitam a condensação de vapores e gases, o que aumenta o caudal nominal da bomba da bomba de vácuo.


Fig. 2: Princípio de funcionamento da bomba de vácuo de anel líquido Dolphin de dupla etapa

Geralmente é utilizada água para criar o anel líquido. Também são frequentemente utilizados etilenoglicol, óleos minerais ou solventes orgânicos. A pressão final da bomba de vácuo depende da pressão de vapor e da viscosidade do líquido. A viscosidade do fluido operacional irá ter impacto no consumo energético da bomba de vácuo.

As bombas de vácuo de anel líquido estão disponíveis no mercado em diferentes versões, materiais e vedações do eixo. 

Vantagens das bombas de vácuo de anel líquido:

  • Não são de todo sensíveis a vapores ou líquidos que entrem no sistema
  • As diferentes versões de materiais permitem que seja personalizado de acordo com o gás do processo
     

Desvantagens:

  • Possível contaminação do fluido operacional com condensação do gás do processo, o que faz com que seja necessário tratar posteriormente o fluido operacional antes da sua eliminação
  • Consumo energético elevado
  • A pressão final depende da pressão de vapor do fluido operacional


Bombas de vácuo de parafuso a seco

A tecnologia de vácuo de parafuso a seco também é amplamente utilizada nas indústrias química e farmacêutica. No entanto, é relativamente nova em comparação com a tecnologia de anel líquido.
Nos anos 90, a Busch lançou no mercado a primeira bomba de vácuo de parafuso a seco, a COBRA AC. A principal diferença entre a bomba de vácuo de anel líquido descrita acima e a bomba de vácuo de parafuso a seco (fig. 3), é que esta última não requer fluidos operacionais para comprimir o gás do processo. É por isso que se chama bomba de vácuo de parafuso "a seco".

Fig. 3: Bomba de vácuo de parafuso COBRA NC

Numa bomba de vácuo de parafuso, dois rotores em forma de parafuso giram em direções opostas (fig. 4). O meio bombeado é retido entre o cilindro e as câmaras dos parafusos, comprimido e transportado para a saída de gases. Durante o processo de compressão, os rotores em formato de parafuso não entram em contacto um com o outro ou com o cilindro. O fabrico preciso e o espaço livre mínimo entre as peças móveis permite este princípio de funcionamento e, além disso, garante uma pressão final de <0,1 mbar.

Fig. 4: Princípio de funcionamento da bomba de vácuo de parafuso moderna

A bomba de vácuo de parafuso funciona utilizando a refrigeração por água, o que garante uma distribuição de temperatura uniforme ao longo de todo o corpo da bomba e garantindo assim a estabilidade térmica em todo o processo.

As bombas de vácuo de parafuso modernas têm um parafuso de passo variável, o que proporciona uma compressão uniforme do gás do processo ao longo de todo o comprimento do parafuso. Isto constitui uma vantagem na medida em que é garantida a mesma temperatura através de toda a câmara de compressão, o que pode assim ser facilmente monitorizado e controlado. Nas gerações mais antigas de bombas de vácuo de parafuso, o passo destes é o mesmo ao longo de todo o comprimento. Isto leva à compressão do gás do processo na última metade da rotação do parafuso, o que gera uma carga térmica excessiva naquela zona. Assim, ajustar à temperatura de funcionamento ideal com a refrigeração por água é mais difícil. Geralmente, as bombas de vácuo de parafuso a seco funcionam a temperaturas mais altas do que as bombas de vácuo de anel líquido. A condensação dos elementos do gás do processamento é assim amplamente eliminada. Isto permite que o gás do processo seja transportado através da bomba de vácuo sem contaminação nem causando uma reação com o fluido operacional. O ferro fundido é o material padrão utilizado para todas as peças de trabalho que entram em contacto com o meio bombeado. Tanto pode ser sem tratamento, como tratado com um revestimento especial para o tornar resistente a praticamente todos os químicos. Após terminar o processo, recomenda-se a lavagem da bomba de vácuo com um fluido de limpeza adequado e a sua purga com nitrogénio para evitar a corrosão e a formação de depósitos durante o tempo de inatividade. 

Com os diferentes sistemas de compressão e os vários revestimentos, as bombas de vácuo de parafuso da Busch podem ser configuradas para serem compatíveis com qualquer químico.

Vantagens das bombas de vácuo de parafuso a seco:

  • Compressão seca, sem contaminação nem reação possível entre o gás do processo e o fluido operacional
  • Nível de vácuo elevado
  • Eficiência energética
  • Pode ser concebida para praticamente todos os gases do processo graças à seleção de material e regulação de temperatura


Desvantagens das bombas de vácuo de parafuso a seco:

  • Sensíveis a partículas que entrem no sistema
  • Não pode ser utilizada com gases do processo que tenham tendência a ser reativos a altas temperaturas    


Bombas de vácuo rotativas de palhetas lubrificadas a óleo em circuito aberto

As bombas de vácuo rotativas de palhetas lubrificadas a óleo têm sido utilizadas com sucesso durante décadas em várias áreas. Hoje estão entre as bombas de vácuo mecânicas mais amplamente utilizadas na indústria. A Busch desenvolveu a Huckepack nos anos 60, uma bomba de vácuo rotativa de palhetas lubrificada a óleo em circuito aberto de dupla etapa, que foi especialmente concebida para a tecnologia de processamento das indústrias química e farmacêutica. A Busch tem desenvolvido constantemente esta bomba de vácuo que continua a ter uma boa aceitação na tecnologia de processamento atual graças à sua robustez.

Fig. 5: Bomba de vácuo rotativa de palhetas lubrificada a óleo em circuito aberto Huckepack

As bombas de vácuo rotativas de palhetas Huckepack (fig. 5) têm três funcionalidades significativas que as distinguem de outras bombas de vácuo que funcionam de acordo com o princípio de palhetas rotativas:

  1. Existem duas fases de compressão sobrepostas e ligadas entre si, o que facilita a compressão inicial do gás do processo na primeira fase e a compressão secundária posteriormente na segunda fase. Isto faz com que seja possível alcançar uma pressão final mais baixa.
  2. Estas bombas de vácuo são lubrificadas com óleo, o que significa que uma quantidade definida de fluido operacional, óleo ou outro fluido compatível com o meio é injetada na câmara de compressão. Em contraste, outras bombas de vácuo rotativas de palhetas utilizam lubrificação com recirculação de óleo.
  3. As bombas de vácuo rotativas de palhetas Huckepack têm refrigeração por água, permitindo assim regular a temperatura de funcionamento dentro de um determinado intervalo.


As bombas de vácuo rotativas de palhetas Huckepack são bombas de deslocamento positivo rotativo. As palhetas são colocadas em ranhuras num rotor, que gira excentricamente numa estrutura cilíndrica. Devido à força centrífuga criada pelo movimento de rotação do rotor, as palhetas deslizam para fora das ranhuras e entram em contacto com a parede do cilindro. Isto cria espaços com diferentes volumes, o que por sua vez gera um efeito de sucção e compressão. Para reduzir a fricção e melhorar a vedação, o óleo é continuamente injetado na câmara de compressão. Este processo tem lugar em ambas as fases de compressão antes do gás do processo ser descarregado em conjunto com o fluido operacional através da saída e pode ser removido posteriormente. Ambas as fases têm refrigeração por água. Estão disponíveis versões com refrigeração por água de circuito aberto e com circulação de água. 

Fig. 6: Princípio de funcionamento da bomba de vácuo rotativa de palhetas lubrificada a óleo em circuito aberto Huckepack

Uma vez que o lubrificante passa pela bomba de vácuo apenas uma vez, praticamente todos os líquidos com uma viscosidade na gama dos 150 centistokes (cSt) podem ser usados. Isto limpa constantemente a bomba de vácuo durante o seu funcionamento, protegendo-a assim de corrosão e depósitos. A Busch oferece palhetas feitas de diferentes materiais para garantir resistência à maior parte dos solventes. 

Vantagens das bombas de vácuo rotativas de palhetas lubrificadas a óleo em circuito aberto:

  • Nível elevado de vácuo
  • Extremamente robustas e fiáveis
  • Fácil manutenção
  • Perfeitamente adequadas para transportar vapores ácidos e monómeros ou produtos que possam levar à polimerização quando outras tecnologias de vácuo são utilizadas


Desvantagens: Os fluidos operacionais têm de ser tratados ou corretamente eliminados

Resumo

Todas as tecnologias de geração de vácuo aqui abordadas têm vantagens e desvantagens. Não existe uma solução única ideal para todas as aplicações. É por isso importante consultar um especialista em vácuo e ter em conta todos os parâmetros importantes no processo, a começar pelas condições do processo, os gases do processo e a integração no controlo do processo através da eficiência económica, segurança e fiabilidade da futura geração de vácuo. Na maior parte dos casos, a consideração destes fatores leva à personalização do sistema de vácuo que é diretamente adaptada aos requisitos. 


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