用於化工與製藥行業的真空技術

Maulburg, Germany 為化工與製藥行業應用選擇適合的真空技術往往並非易事。首先,真空系統必須在工作壓力下提供所需幫浦速度,確保所需抽真空時間。其次,它不能對工藝氣體敏感,在用於CIP(在位清洗)清洗和氣體回收時必須滿足所有要求。此外,在確定要使用哪種真空技術時,穩定性和經濟效率也起著重要作用。 在本文中,我們將講述化工與製藥加工技術中最常用的三種真空技術。 水封式真空幫浦, 乾式螺桿真空幫浦, 油潤滑迴轉葉片真空幫浦
圖1: Busch的Dolphin水封式真空幫浦

水封式真空幫浦

水封式真空幫浦(圖1)適用于多種應用。它們屬於旋轉正排量幫浦,葉輪偏心放置在圓柱形外殼中(圖2)。一般用水充當工作液。葉輪旋轉時,會在密封各葉片空間的外殼內形成液環。氣體在中心、各葉片和液體環間形成的空間中輸送。由於葉輪安裝於偏心位置,這部分空間的體積會增大,從而經進氣口吸入介質。當葉輪繼續旋轉時,空間體積減少,氣體介質被壓縮,然後通過排氣口被再次排出。水封式真空幫浦既可作為單一的連續流系統運行,也可作為部分或全循環系統運行。 

多年來,經實踐證明,這些真空幫浦在化學工藝中是堅固耐用、品質可靠的真空發生器。壓縮室內的工作液不斷耗散壓縮熱,因此真空幫浦的運行幾乎是等溫的。這意味著工藝氣體不會明顯升溫,真空幫浦在相對較低的溫度下運行。這將顯著降低不必要的反應或爆炸的風險。低工作溫度還有利於蒸汽和氣體的冷凝,提升真空幫浦的額定幫浦速度。


圖2: 雙級水封式真空幫浦工作原理

一般用水來作為液環。在實際應用中,還經常使用乙二醇、礦物油或有機溶劑。真空幫浦的極限壓力取決於蒸氣壓和液體粘度。工作液的粘度也會影響真空幫浦的功耗。

目前市場上有不同型號、材料和軸封的水封式真空幫浦。 

水封式真空幫浦的優點:

  • 對進入系統的蒸汽或液體不敏感
  • 不同的材料版本使之可以根據不同工藝進行量身定制


缺點:

  • 由於工藝氣體冷凝形成的工作液可能會造成污染,棄置之前須對工作液進行處理
  • 能耗高
  • 極限壓力取決於工作液的蒸氣壓力


乾式螺桿真空幫浦

乾式螺桿真空技術在化工和製藥行業的應用也非常廣泛。不過,與液環技術相比,此技術較為新穎。
上世紀90年代,Busch推出了首台幹式螺桿真空幫浦COBRA AC。與上述水封式真空幫浦相比,主要區別在於螺桿真空幫浦(圖3)無需工作液來壓縮工藝氣體。"乾式"螺桿真空幫浦的名字由此而來。

圖3: COBRA NC螺桿真空幫浦

在螺桿真空幫浦中,兩個爪形轉子沿著相反方向旋轉(圖4)。幫浦輸送的介質在幫浦缸體和螺杆腔室之間被截留,經壓縮後輸送至排氣口。在壓縮過程中,螺杆轉子不會相互接觸,也不與幫浦缸體接觸。此工作原理得益于精良的製造工藝和運轉部件之間的最小間隙,能夠確保最小極限壓力<0.1 mbar。

圖4: 現代螺桿真空幫浦的工作原理

螺桿真空幫浦採用水冷,確保整個幫浦體內溫度均勻,從而保證整個加工過程中的熱穩定性。

先進的螺桿真空幫浦配有一個可變間距螺杆,會使製程氣體沿整個螺杆長度被壓縮。其優勢是確保整個壓縮腔室內的溫度相同,從而輕鬆執行監測和控制。在舊版的螺桿真空幫浦中,整個螺杆長度內的螺杆間距均相同。這導致在螺杆的最後半圈旋轉中壓縮製程氣體,此時會產生過量熱載荷。因此,使用水冷卻調節至理想的工作溫度將更加困難。通常,幹式螺桿真空幫浦的工作溫度高於水封式真空幫浦。因此,基本消除了製程氣體的冷凝。這使製程氣體經過真空幫浦傳輸後不會造成污染或引起與工作液的反應。鑄鐵是適合與幫浦輸送介質接觸的所有零件的標準材料。它未經過處理或使用特殊塗層處理,幾乎可以耐受所有化學製品。在加工結束時,我們建議使用合適的清潔液沖洗真空幫浦,再用氮氣清洗,避免腐蝕及靜止時形成沉積。 

借助不同壓縮系統和各種塗層,Busch螺桿真空幫浦可配置用來與任何化學製品配套使用。

乾式螺桿真空幫浦的優點:

  • 乾式壓縮,無污染,製程氣體和工作液之間不會發生反應
  • 高真空度
  • 高效節能
  • 由於材料選擇和溫度調控,可設計用於幾乎所有製程氣體


乾式螺桿真空幫浦的缺點:

  • 對進入系統的顆粒敏感
  • 不能與高溫下易發生反應的製程氣體一起使用  


一次油潤滑迴轉葉片真空幫浦

油潤滑迴轉葉片真空幫浦已在很多領域成功運用多年。今天,它們是業內使用最廣泛的機械真空幫浦之一。上世紀60年代,Busch還開發出一次油潤滑雙級迴轉葉片真空幫浦——Huckepack,它專門為化工與製藥加工技術而設計。Busch持續研發此真空幫浦,憑藉其堅固耐用的出色性能,在加工技術領域廣受認可。

圖5: Huckepack一次油潤滑迴轉葉片真空幫浦

與其他基於旋片原理工作的真空幫浦相比,Huckepack迴轉葉片真空幫浦(圖5)有三大明顯優勢:

  1. 兩個壓縮階段堆疊在一起,相互連接,有助於在第一階段對製程氣體進行初步壓縮,再在隨後的第二階段進行二次壓縮, 從而可實現更低的極限壓力。
  2. 這些真空幫浦採用油潤滑,這意味著壓縮室內注入一定量的工作液、油或其他相容液體。相比之下,其他迴轉葉片真空幫浦則使用油迴圈潤滑。
  3. Huckepack迴轉葉片真空幫浦採用水冷,使之可以在特定範圍內調節工作溫度。


Huckepack迴轉葉片真空幫浦屬於旋轉正排量幫浦。葉片置於轉子槽中,轉子在圓柱形外殼中偏心旋轉。由於轉子的旋轉運動產生的離心力,葉片會滑出槽,與缸壁接觸。這會形成不同容量的空間,從而產生吸力和壓縮效果。為了減少摩擦、改善密封,油被不斷注入壓縮室內。此過程發生在兩個壓縮階段,在此之前,製程氣體與工作液一起通過出口排出,然後再移除。兩個階段均採用水冷。我們提供直流水冷和水迴圈兩種方式。 

圖6: Huckepack一次油潤滑迴轉葉片真空幫浦工作原理

由於潤滑油僅流經真空幫浦一次,幾乎可以使用粘度在150厘司(cSt)範圍內的所有液體。這些潤滑油在工作中不斷沖洗真空幫浦,使其免腐蝕和沉積。Busch提供使用三種不同材料製造的葉片,確保耐受多數溶劑。 

一次油潤滑迴轉葉片真空幫浦的優點:

  • 高真空度
  • 極其耐用、可靠
  • 便於維修及維護
  • 非常適合傳送酸性蒸汽,以及使用其他真空技術時可能導致聚合的單體或產品


缺點: 工作液必須妥善處理或處置

結語

本文討論的所有真空技術均各有利弊。沒有任何一個方案適合所有應用。因此,務必諮詢真空專家,考慮加工過程中的所有重要參數,包括加工條件、製程氣體、與程序控制相關的集成,以及未來真空產生的能源效率、安全性和穩定性。通常,只要將這些因素考慮進去,就能直接根據要求,量身定制出適合您實際需求的真空系統。 


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