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Jun 21, 2023

So wählen Sie die beste Vakuumpumpe für chemische und pharmazeutische Prozesse aus

Viele Faktoren helfen dabei, den besten Typ für Ihre Anwendung zu bestimmen. Von Henry H. Hesser In der jüngeren Vergangenheit musste ein Verfahrenstechniker bei der Auswahl einer Vakuumquelle für einen Prozess nur wenige Dinge berücksichtigen

Viele Faktoren helfen dabei, den besten Typ für Ihre Anwendung zu bestimmen

Von Henry H. Hesser

In der jüngeren Vergangenheit musste ein Verfahrenstechniker bei der Auswahl einer Vakuumquelle für einen Prozess, der weniger als Atmosphärendruck erforderte, nur wenige Dinge berücksichtigen. Kosten, Zuverlässigkeit, Vakuumniveau und Erfahrung mit ähnlichen Prozessen waren alles, was zählte. Diese Überlegungen sind nicht verschwunden, aber wie alles andere im Leben sind noch viele weitere Komplikationen aufgetreten. Eine Liste der heutigen Bedenken könnte Folgendes umfassen:

Der Ingenieur, der eine Vakuumquelle zur Erfüllung dieser Anforderungen auswählt, kann aus einer großen Auswahl an Geräten wählen:

Viele andere Arten von Vakuumpumpen sind erhältlich, aber die übrigen Typen (Diffusionspumpen, Kryopumpen, Turbomolekularpumpen, Ionenpumpen usw.) gelten im Allgemeinen nicht als praktisch oder wirtschaftlich für raue Vakuumanwendungen, wie sie in der Chemie vorkommen und pharmazeutische Anwendungen. Diese Pumpen werden normalerweise in Hochvakuumindustrien wie der Halbleiterfertigung eingesetzt.

Henry H. Hesser war technischer Mitarbeiter bei Busch, Inc., als dieser Artikel im August 1993 erstmals in Pumps & Systems veröffentlicht wurde. Hesser erwarb einen Bachelor of Science in Chemieingenieurwesen an der University of Texas und einen Master-Abschluss an der University of Texas Delaware. Zu dieser Zeit verfügte er über 20 Jahre Erfahrung in den Bereichen Kostenschätzung, Finanzanalyse, staatliche Compliance-Standards und große technische Projekte für die chemische und pharmazeutische Industrie.

Die Auswahl der richtigen Vakuumtechnologie für chemische und pharmazeutische Verarbeitungsanwendungen ist oft schwierig. Erstens muss ein Vakuumsystem das erforderliche Saugvermögen bei Betriebsdruck liefern und die erforderliche Pumpenstillstandszeit gewährleisten. Zweitens darf es nicht empfindlich gegenüber Prozessgasen sein und muss alle Anforderungen an die CIP-Reinigung (Clean-in-Place) und Gasrückgewinnung erfüllen. Auch Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit spielen bei der Entscheidung für die Vakuumtechnik eine wesentliche Rolle.

Die Trockenschneckenvakuumtechnologie wird häufig in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt. In den 1990er Jahren kam die erste trockene Schraubenvakuumpumpe für den Einsatz in der Chemie- und Pharmabranche auf den Markt. Der Vorteil dieser Pumpen besteht darin, dass sie keine Betriebsflüssigkeit zur Verdichtung des Prozessgases benötigen. Bei einer Schraubenvakuumpumpe drehen sich zwei schraubenförmige Rotoren gegenläufig. Das Fördermedium wird zwischen Zylinder und Schneckenkammer eingeschlossen, komprimiert und zum Gasauslass transportiert.

Während des Kompressionsvorgangs berühren sich die Schraubenrotoren weder untereinander noch mit dem Zylinder. Präzise Fertigung und minimales Spiel zwischen den beweglichen Teilen ermöglichen dieses Funktionsprinzip und garantieren darüber hinaus einen niedrigen Enddruck von weniger als 0,1 Torr.

Moderne Schraubenvakuumpumpen verfügen über eine Schnecke mit variabler Steigung, was zu einer gleichmäßigen Verdichtung des Prozessgases über die gesamte Länge der Schnecke führt.

Dies hat den Vorteil, dass in der gesamten Kompressionskammer die gleiche Temperatur gewährleistet ist, die leicht überwacht und gesteuert werden kann. Schraubenvakuumpumpen verwenden einen Kühlmantel, der eine gleichmäßige Temperaturverteilung sowie eine höhere thermische Effizienz und Stabilität im gesamten Pumpenkörper gewährleistet.

Im Allgemeinen arbeiten trockene Schraubenvakuumpumpen bei ausreichenden Temperaturen, um eine Kondensation des Prozessgases zu verhindern. Dadurch wird verhindert, dass das Prozessgas durch eine Betriebsflüssigkeit verunreinigt wird oder mit dieser reagiert. Außerdem wird Korrosion durch Prozessflüssigkeiten verhindert, die die Pumpenmaterialien angreifen.

Sphäroguss ist der Standardwerkstoff für prozessberührte Teile, die mit dem Fördermedium in Kontakt kommen. Das Metall ist mit einer speziellen Beschichtung versehen, die es gegen nahezu alle Chemikalien beständig macht.

In den meisten Anwendungen wird empfohlen, die Pumpe vor dem Prozessbetrieb aufzuwärmen und die Pumpe vor dem Abschalten mit inertem, nicht kondensierbarem Gas (im Allgemeinen Stickstoff) zu spülen, um den Prozessdampf zu entfernen. Bei einigen Anwendungen empfiehlt es sich außerdem, die Vakuumpumpe vor dem Abschalten mit einer geeigneten Reinigungsflüssigkeit zu spülen, um in der Pumpe befindliches Prozessmaterial zu entfernen und so die Bildung von Ablagerungen beim Abkühlen der Pumpe zu vermeiden.

Eine weitere Eigenschaft der Trockenschneckenpumpe ist die Spülfähigkeit, die dadurch entsteht, dass die Pumpe keine Betriebsflüssigkeit benötigt. Mit unterschiedlichen Kompressionssystemen und verschiedenen Beschichtungen können Schraubenvakuumpumpen so konfiguriert werden, dass sie mit jeder Chemikalie kompatibel sind.

Vorteile

Nachteile

Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen sind rotierende Verdrängerpumpen mit einem Laufrad, das exzentrisch in einem zylindrischen Gehäuse platziert ist. Durch die Vakuumpumpe fließt ein flüssiges Dichtmittel, und durch die Drehung des Laufrads entsteht an der Innenseite des Gehäuses ein Flüssigkeitsring, der die Räume zwischen den einzelnen Laufradschaufeln abdichtet. Die Gasförderung erfolgt in den Räumen zwischen der Welle, den einzelnen Schaufeln und dem Flüssigkeitsring. Aufgrund der exzentrischen Platzierung des Laufrads vergrößert sich zunächst das Volumen dieser Räume und saugt Dampf durch den Einlass an. Während sich das Laufrad weiter dreht, verringert sich das Volumen dieser Räume, der Dampf wird komprimiert und dann durch die Auslassöffnung ausgestoßen. Die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe kann als einfaches kontinuierliches Dichtmittelflusssystem oder als Dichtmittelsystem mit teilweiser oder vollständiger Rezirkulation betrieben werden.

Diese Pumpen haben sich in chemischen Prozessen als robust und zuverlässig erwiesen. Die Betriebsflüssigkeit in der Kompressionskammer führt die Kompressionswärme kontinuierlich ab, sodass die Vakuumpumpe nahezu isotherm arbeitet. Dadurch erwärmt sich das Prozessgas nicht nennenswert und die Vakuumpumpe arbeitet bei relativ niedrigen Temperaturen, wodurch das Risiko unerwünschter Reaktionen deutlich reduziert wird.

Niedrige Betriebstemperaturen begünstigen auch die Kondensation von Dampf, was die nominale Sauggeschwindigkeit der Vakuumpumpe erhöht, aber der Dichtungsflüssigkeit Prozessflüssigkeit hinzufügt. Diese kondensierte Prozessflüssigkeit kann die Vakuumfähigkeit und/oder -kapazität der Pumpe beeinträchtigen und ein Dichtmittel erzeugen, das vor der Entsorgung behandelt werden muss.

Zur Bildung des Flüssigkeitsrings wird üblicherweise Wasser verwendet. Auch Ethylenglykol, Mineralöle oder organische Lösungsmittel werden in der Praxis häufig eingesetzt. Der Enddruck der Vakuumpumpe hängt vom Dampfdruck der Dichtungsflüssigkeit ab und die Dichte und Viskosität des Dichtungsmittels wirken sich auf den Stromverbrauch der Vakuumpumpe aus. Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen sind in verschiedenen Konfigurationen und Wellendichtungsanordnungen sowie in vielen Baumaterialien erhältlich, von einfach bis exotisch.

Vorteile

Nachteile

Sie zählen zu den mechanischen Vakuumpumpen, die in der chemischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt werden. Eine zweistufige, ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpe mit Durchlaufdurchgang wurde in den 1960er Jahren entwickelt und war für die chemische und pharmazeutische Verarbeitung konzipiert. Die Drehschieber-Vakuumpumpen zeichnen sich im Vergleich zu anderen Vakuumpumpen, die nach dem Drehschieberprinzip arbeiten, durch drei Besonderheiten aus:

Zwei Kompressionsstufen sind gestapelt und miteinander verbunden, was die anfängliche Kompression des Prozessgases in der ersten Stufe und die sekundäre Kompression in der nachfolgenden Stufe ermöglicht, wodurch ein niedrigerer Enddruck erreicht wird.

In den Kompressionsraum wird eine definierte Menge Betriebsflüssigkeit, Öl oder eine andere medienverträgliche Flüssigkeit eingespritzt. Andere Pumpen dieser Art nutzen eine Ölumlaufschmierung.

Diese Pumpen sind wassergekühlt, wodurch die Betriebstemperatur in einem bestimmten Bereich reguliert werden kann.

Bei diesen Drehschieber-Vakuumpumpen handelt es sich um rotierende Verdrängerpumpen. Die Flügel sitzen in Schlitzen eines Rotors, der sich exzentrisch in einem zylindrischen Gehäuse dreht. Durch die Rotation entsteht eine Zentrifugalkraft, die dazu führt, dass die Flügel zur Zylinderwand hin gleiten, wodurch Räume mit unterschiedlichen Volumina entstehen und der Saug- und Kompressionseffekt entsteht.

Wie bereits erwähnt, wird kontinuierlich eine kleine Menge Schmiermittel in die Pumpenkammer und die Flügelschlitze eingespritzt, um die Flügel zu schmieren und die Dichtung zu verbessern. Die Flügel berühren nicht direkt die Zylinderwand oder den Flügelschlitz, sondern gleiten auf einem Schmierfilm, der durch das eingespritzte Schmiermittel kontinuierlich regeneriert wird. Dieser Vorgang findet in beiden Verdichtungsstufen statt, bevor das Prozessgas mit der Betriebsflüssigkeit über den Auslass austritt, wo der Schmierstoff im Schalldämpfer zum Ablassen gesammelt wird. Der eingespritzte Schmierstoff spült die Vakuumpumpe während des Betriebs kontinuierlich und schützt sie so vor Korrosion und Ablagerungen.

Beide Stufen nutzen einen Wassermantel zur Kühlung. Es stehen Ausführungen mit Durchlaufwasserkühlung und Wasserzirkulation zur Verfügung. Der Kühlmantel regelt die Betriebstemperatur der Pumpe, die für die jeweilige Anwendung erforderlich ist. Die Durchlaufwasserversion regelt die Temperatur, indem sie den Wasserfluss mit einem temperaturgesteuerten Ventil steuert. Die Version mit Umlaufkühlmittel verwendet einen Thermostat zur Steuerung der Pumpentemperatur.

Vorteile

Nachteile

Es ist wichtig, einen Vakuumexperten zu konsultieren und Prozessbedingungen, Prozessgase und Integration in die Prozesssteuerung sowie Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit zu berücksichtigen. Oftmals führen diese Faktoren zu einem maßgeschneiderten Vakuumsystem, das auf die Anforderungen zugeschnitten ist.

Uli Merkle verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung im Bereich der industriellen Vakuumtechnik. Er ist Leiter Marketing Services bei der Busch Dienste GmbH in Deutschland, Teil der internationalen Gruppe von Busch Vacuum Pumps and Systems. Er hat zahlreiche Veröffentlichungen zu industriellen Anwendungen der Vakuumtechnik veröffentlicht. Er ist unter [email protected] erreichbar.