Vakuumteknik för kemiska och läkemedelstekniska processer

Vätskeringsvakuumpumpar

Vätskeringsvakuumpumpar (fig. 1) används i flera tillämpningar. De är roterande förträngningspumpar med en impeller som är placerad excentriskt i ett cylinderhus (fig. 2). Som drivvätska används ofta vatten. När impellern roterar uppstår en vätskering på insidan av huset som tätar av mellanrummen mellan de enskilda bladen. Gasen transporteras till utrymmena mellan mittpunkt, enskilda blad och vätskering. Impellerns excentriska placering gör att volymen i dessa mellanrum ökar så att mediet sugs in genom inloppet. När impellern fortsätter att rotera minskar volymen i utrymmena, mediet komprimeras och töms ut igen genom utloppet. Vätskeringsvakuumpumpen kan användas som enkelt system med kontinuerligt flöde eller som system med delvis eller fullständig återcirkulering. 

Dessa vakuumpumpar har visat sig vara robusta och pålitliga vakuumgeneratorer i kemiska processer. Drivvätskan i kompressionskammaren avleder kontinuerligt komressionsvärme så att vakuumpumpen arbetar så gott som isotermt. Detta innebär att processgasen inte värms upp i någon högre grad och att vakuumpumpen arbetar i relativt låga temperaturer. Detta minskar risken för oönskade reaktioner eller explosion avsevärt. Låga drifttemperaturer underlättar även kondenseringen av ångor och gaser, vilket ökar vakuumpumpens nominella pumpkapacitet.

Bild 2: Funktionssätt för tvåstegs vätskeringsvakuumpump. Source: Busch Dienste GmbH

Vätskeringen skapas i regel med hjälp av vatten. Etylenglykol, mineraloljor eller organiska lösningsmedel kan också användas. Vakuumpumpens sluttryck beror på vätskans ångtryck och viskositet. Drivvätskans viskositet påverkar även vakuumpumpens strömförbrukning.

Vätskeringsvakuumpumpar finns i olika utföranden, i olika material och med olika axeltätningar. 

Fördelarna med vätskeringvakuumpumpar:

• Ingen känslighet mot ångor eller vätskor som tränger in i systemet.
• Pumparna kan fås i olika utföranden för att kunna skräddarsys till respektive processgas

Nackdelar:

• Risk för att drivvätskan kontamineras med kondensat från processgasen, vilket gör att drivvätskan måste behandlas i efterhand innan den kan bortskaffas
• Hög energiförbrukning
• Vakuumpumpens sluttryck beror på vätskans ångtryck

Torrgående skruvvakuumpumpar

Torrgående skruvvakuumpumpar är ytterligare ett vanligt alternativ inom den kemiska och läkemedelstekniska industrin. Denna teknik är dock relativ ny jämfört med vätskeringstekniken.
På 1990-talet släppte Busch marknadens första torrgående skruvvakuumpump under namnet COBRA AC. Den största skillnaden jämfört med de vätskeringsvakuumpumpar som beskrivs ovan är att skruvvakuumpumpar (fig. 3) inte behöver någon drivvätska för att komprimera processgasen. Det är därför dessa vakuumpumpar betecknas som "torrgående".

Bild 3: COBRA NC skruvvakuumpump. Source: Busch Dienste GmbH

I en skruvvakuumpump roterar två skruvformade rotorer i varandras motsatta riktning (fig. 4). Det pumpade mediet fångas in mellan cylinder och skruvkammare, komprimeras och transporteras till gasutloppet. Under komprimeringen kommer skruvrotorerna inte i kontakt med varandra eller cylindern. Denna funktionsprincip möjliggörs av precis tillverkning och minimalt spel mellan de rörliga delarna. Dessutom säkerställs ett lågt sluttryck på <0,1 mbar.

Bild 4: Funktionsprincip för en modern skruvvakuumpump. Source: Busch Dienste GmbH

Skruvvakuumpumpar arbetar med vattenkylning, vilket säkerställer jämn temperaturfördelning i pumpkroppen och därmed termisk stabilitet för hela processen.

Moderna skruvvakuumpumpar har en variabel gängstigning som ger jämn kompression av processgasen längs skruvens hela längd. Fördelen med detta är att samma temperatur upprätthålls i hela kompressionskammaren och temperaturen kan enkelt styras och övervakas. Äldre versioner av skruvvakuumpumpar har konstant gängstigning över hela längden. Detta leder till att processgasen komprimeras i den sista hälften av skruvens rotation så att detta ställe utsätts för hög värmebelastning. Det blir därmed svårare att åstadkomma optimal drifttemperatur med vattenkylning. Torrgående skruvvakuumpumpar arbetar i regel vid högre temperaturer än vätskeringsvakuumpumpar. Det innebär att kondensering av processgaselement till stor del elimineras, så att processgasen kan transporteras genom vakuumpumpen utan att det uppstår kontaminering eller reaktion med drivvätskan. Arbetsstycken för alla delar som kommer i kontakt med pumpmediet tillverkas i regel av gjutjärn. Det är antingen obehandlat eller behandlas med en speciell beläggning som gör det beständigt mot så gott som alla kemikalier. När proceduren är avslutad rekommenderar vi att man spolar vakuumpumpen med lämplig rengöringsvätska och sedan med kväve för att förebygga korrosion och bildande av avlagringar. 

Skruvvakuumpumpar från Busch kan konfigureras med hjälp av olika kompressionssystem och ytbehandlingar så att de är beständiga mot alla kemikalier.

Fördelar med torrgående skruvvakuumpumpar:

• Torr kompression, ingen kontaminering eller reaktion mellan processgas och drivvätska
• Hög vakuumnivå
• Energieffektivitet
• Kan anpassas till nästan alla processgaser med hjälp av olika material och temperaturreglering.
   

Nackdelar med torrgående skruvvakuumpumpar:

• Känsliga mot partiklar som tränger in i systemet
• Kan inte användas med processgaser som tenderar att reagera vid höga temperaturer. 

Oljesmorda lamellvakuumpumpar med enkel genomströmning

Oljesmorda lamellvakuumpumpar har i flera årtionden använts med framgång inom olika områden. Idag hör de till de vanligaste mekaniska vakuumpumparna i industrin. Busch utvecklade Huckepack redan på 1960-talet. Det är en tvåstegs oljesmord lamellvakuumpump med enkel genomströmning som togs fram speciellt för kemisk och farmaceutisk processteknik. Busch har kontinuerligt vidareutvecklat denna vakuumpump, som tack vare sitt robusta utförande fortfarande är ett populärt alternativ inom processtekniken.

Bild 5: Huckepack oljesmord lamellvakuumpump med enkel genomströmning. Source: Busch Dienste GmbH

Huckepack lamellvakuumpumpar (fig. 5) har tre särskiljande egenskaper jämfört med andra vakuumpumpar som arbetar enligt lamellprincipen:

1. Två kompressionssteg staplas på och ansluts med varandra, vilket underlättar den inledande komprimeringen av processgasen i det första steget och den sekundära komprimeringen i efterföljande steg. På så sätt kan lägre sluttryck uppnås.
2. Dessa vakuumpumpar är utrustade med ett oljesmörjsystem som sprutar in en specifik mängd drivvätska, olja eller annan mediekompatibel vätska i kompressionskammaren. Andra lamellvakuumpumpar använder däremot cirkulerande oljesmörjning.
3. Huckepack lamellvakuumpumpar är vattenkylda så att drifttemperaturen kan regleras inom ett visst område.

Huckepack lamellvakuumpumpar är roterande förträngningspumpar. Lamellerna är placerade i spår i en rotor som roterar excentriskt i ett cylindriskt hus. Den centrifugalkraft som genereras av rotorns roterande rörelse gör att lamellerna glider ut ur spåren och kommer i kontakt med cylinderväggen. Detta ger upphov till utrymmen med olika volymer, vilka i sin tur genererar den sugande och komprimerande effekten. I syfte att minska friktionen och förbättra förseglingen sprutas olja kontinuerligt in i kompressionskammaren. Detta kan ske i båda kompressionsstegen innan processgasen töms ut genom utloppet tillsammans med drivvätska så att den sedan kan bortskaffas. Båda stegen är vattenkylda. Det finns versioner där vattenkylning sker med enkel genomströmning och genom cirkulation. 

Bild 6: Funktionsprincip för Huckepack oljesmord lamellvakuumpump med enkel genomströmning. Source: Busch Dienste GmbH

Eftersom smörjmedlet strömmar igenom vakuumpumpen en enda gång kan nästan alla vätskor med en viskositet på omkring 150 centistoke (cSt) användas. Vakuumpumpen spolas konstant av dessa under drift och skyddas därmed mot korrosion och avlagringar. Busch erbjuder lameller tillverkade av tre olika material så att de är beständiga mot de flesta lösningsmedel. 

Fördelar med oljesmorda lamellvakuumpumpar med enkel genomströmning:

• Hög vakuumnivå
• Extremt robusta och tillförlitliga
• Lätta att underhålla
• Lämpar sig utmärkt för transport av syrahaltiga ångor och monomerer eller produkter som leder till polymerisering när andra vakuumtekniker används

Nackdelar: Drivvätskor måste behandlas eller bortskaffas korrekt

Sammanfattning

Alla vakuumgenerationstekniker som beskrivits här har både för- och nackdelar. Det finns inte en optimal lösning som lämpar sig för alla användningsområden. Det är därför viktigt att rådfråga en specialist på vakuumteknik och att ta hänsyn till alla viktiga faktorer i processen, från processvillkor, processgaser och integration i processtyrningen, till kostnadseffektivitet, säkerhet och tillförlitlighet hos framtida vakuumgenerationer. I de flesta fall leder detta till att man hittar ett vakuumsystem som är skräddarsytt till respektive behov.