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        3. 用于化工與制藥工藝的真空技術

          Maulburg, Germany 為化工與制藥工藝應用選擇合適的真空技術往往并非易事。首先,真空系統必須在工作壓力下提供所需泵速,確保所需抽真空時間。其次,它不能對工藝氣體敏感,在用于 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,我們將講述化工與制藥加工技術中最常用的三種真空技術。 液環真空泵, 干式螺桿真空泵, 油潤滑旋片真空泵
          圖1: Busch的 Dolphin 液環真空泵
          圖1: Busch的 Dolphin 液環真空泵

          液環真空泵

          液環真空泵(圖 1)適用于多種應用。它們屬于旋轉正排量泵,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。由于葉輪安裝于偏心位置,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,然后通過排氣口被再次排出。液環真空泵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,這些真空泵在化學工藝中是堅固耐用、質量可靠的真空發生器。壓縮室內的工作液不斷耗散壓縮熱,因此真空泵的運行幾乎是等溫的。這意味著工藝氣體不會明顯升溫,真空泵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。低工作溫度還有利于蒸汽和氣體的冷凝,提升真空泵的額定泵速。


          圖2: 雙級液環真空泵工作原理

          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。真空泵的極限壓力取決于蒸氣壓和液體粘度。工作液的粘度也會影響真空泵的功耗。

          目前市場上有不同型號、材料和軸封的液環真空泵。 

          液環真空泵的優點:

          • 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:

          • 由于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
          • 極限壓力取決于工作液的蒸氣壓力


          干式螺桿真空泵

          干式螺桿真空技術在化工和制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,普旭(Busch)推出了首臺干式螺桿真空泵 COBRA AC。與上述液環真空泵相比,主要區別在于螺桿真空泵(圖 3)無需工作液來壓縮工藝氣體。"干式"螺桿真空泵的名字由此而來。

          圖3: COBRA NC 螺桿真空泵

          在螺桿真空泵中,兩個爪形轉子沿著相反方向旋轉(圖 4)。泵送的介質在泵缸和螺桿腔室之間被截留,經壓縮后輸送至排氣口。在壓縮過程中,螺桿轉子不會相互接觸,也不與泵缸接觸。此工作原理得益于精良的制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: 現代螺桿真空泵的工作原理 

          螺桿真空泵采用水冷,確保整個泵體內溫度均勻,從而保證整個加工過程中的熱穩定性。

          先進的螺桿真空泵配有一個可變間距螺桿,會使工藝氣體沿整個螺桿長度被壓縮。其優勢是確保整個壓縮腔室內的溫度相同,從而輕松執行監測和控制。在舊版的螺桿真空泵中,整個螺桿長度內的螺桿間距均相同。這導致在螺桿的最后半圈旋轉中壓縮工藝氣體,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,干式螺桿真空泵的工作溫度高于液環真空泵。因此,基本消除了工藝氣體的冷凝。這使工藝氣體經過真空泵傳輸后不會造成污染或引起與工作液的反應。鑄鐵是適合與泵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涂層處理,幾乎可以耐受所有化學制品。在加工結束時,我們建議使用合適的清潔液沖洗真空泵,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涂層,普旭(Busch)螺桿真空泵可配置用來與任何化學制品配套使用。

          干式螺桿真空泵的優點:

          • 干式壓縮,無污染,工藝氣體和工作液之間不會發生反應
          • 高真空度
          • 高效節能
          • 由于材料選擇和溫度調控,可設計用于幾乎所有工藝氣體


          干式螺桿真空泵的缺點:

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


          一次油潤滑旋片真空泵

          油潤滑旋片真空泵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泵之一。上世紀 60 年代,普旭(Busch)還開發出一次油潤滑雙級旋片真空泵——Huckepack,它專門為化工與制藥加工技術而設計。普旭(Busch)持續研發此真空泵,憑借其堅固耐用的出色性能,在加工技術領域廣受認可。

          圖5: Huckepack 一次油潤滑旋片真空泵

          與其他基于旋片原理工作的真空泵相比,Huckepack 旋片真空泵(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,有助于在第一階段對工藝氣體進行初步壓縮,再在隨后的第二階段進行二次壓縮, 從而可實現更低的極限壓力。
          2. 這些真空泵采用油潤滑,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,其他旋片真空泵則使用油循環潤滑。
          3. Huckepack 旋片真空泵采用水冷,使之可以在特定范圍內調節工作溫度。


          Huckepack 旋片真空泵屬于旋轉正排量泵。葉片置于轉子槽中,轉子在圓柱形外殼中偏心旋轉。由于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,工藝氣體與工作液一起通過出口排出,然后再移除。兩個階段均采用水冷。我們提供直流水冷和水循環兩種方式。 

          圖6: Huckepack 一次油潤滑旋片真空泵工作原理

          由于潤滑油僅流經真空泵一次,幾乎可以使用粘度在 150 厘司 (cSt) 范圍內的所有液體。這些潤滑油在工作中不斷沖洗真空泵,使其免腐蝕和沉積。普旭(Busch)提供使用三種不同材料制造的葉片,確保耐受多數溶劑

          一次油潤滑旋片真空泵的優點:

          • 高真空度
          • 極其耐用、可靠
          • 便于保養
          • 非常適合傳送酸蒸汽,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,務必咨詢真空專家,考慮加工過程中的所有重要參數,包括加工條件、工藝氣體、與過程控制相關的集成,以及未來真空產生的能源效率、安全性和穩定性。通常,只要考慮這些因素,就能直接根據要求,量身定制出適合的真空系統。 


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