化学および製薬プロセスに最適な真空ポンプを選択する方法

Jun 17, 2023

アプリケーションに最適なタイプを決定するには、多くの要素が役立ちます

ヘンリー・H・ヘッサー著

最近まで、プロセス エンジニアは、大気圧未満の圧力を必要とするプロセスの真空源を選択する際に考慮すべき点がほとんどありませんでした。 重要なのは、コスト、信頼性、真空レベル、同様のプロセスでの経験のすべてでした。 これらの考慮事項はなくなったわけではありませんが、人生の他のすべてのことと同様に、さらに多くの複雑な問題が発生しています。 今日の懸念事項のリストには次のものが含まれる可能性があります。

これらのニーズを満たす真空源を選択するエンジニアは、さまざまな機器の中から選択できます。

他にも多くのタイプの真空ポンプが利用可能ですが、残りのタイプ (拡散ポンプ、極低温ポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプなど) は一般に、化学分野で見られるような低真空用途には実用的または経済的とは考えられていません。および医薬品への応用。 これらのポンプは通常、半導体製造などの高真空産業に適用されます。

ヘンリー H. ヘッサーは、この記事が 1993 年 8 月に初めて『ポンプ & システム』誌に掲載されたとき、ブッシュ社のスタッフ技術スペシャリストでした。ヘッサーはテキサス大学で化学工学の理学士号を取得し、テキサス大学で修士号を取得しました。デラウェア州。 当時、彼はコスト見積り、財務分析、政府コンプライアンス基準、化学および製薬業界の主要なエンジニアリング プロジェクトにおいて 20 年の経験がありました。

化学および医薬品処理用途に適切な真空技術を選択することは、多くの場合困難です。 まず、真空システムは動作圧力で必要な排気速度を実現し、必要なポンプのダウンタイムを確保する必要があります。 第 2 に、プロセスガスの影響を受けにくいため、CIP (定置洗浄) 洗浄とガス回収に関するすべての要件を満たさなければなりません。 どの真空技術を使用するかを決定する際には、信頼性と経済効率も重要な役割を果たします。

ドライスクリュー真空技術は、化学および製薬業界で広く使用されています。 化学および医薬品市場で使用される最初のドライスクリュー真空ポンプは 1990 年代に発売されました。 これらのポンプには、プロセスガスを圧縮するために作動流体を必要としないという利点があります。 スクリュー真空ポンプでは、2 つのスクリュー型ローターが逆方向に回転します。 ポンプで汲み上げられた媒体はシリンダーとスクリューチャンバーの間に捕捉され、圧縮されてガス出口に輸送されます。

圧縮プロセス中、スクリューローターは互いに接触したり、シリンダーに接触したりしません。 精密な製造と可動部品間の最小限のクリアランスにより、この動作原理が可能になり、さらに 0.1 Torr 未満の低い到達圧力が保証されます。

最新のスクリュー真空ポンプは可変ピッチのスクリューを備えており、その結果、スクリューの全長にわたってプロセスガスが均一に圧縮されます。

これには、圧縮チャンバー全体で同じ温度が確保され、簡単に監視および制御できるという利点があります。 スクリュー真空ポンプは冷却ジャケットを使用しており、ポンプ本体全体の温度分布が均一になり、熱効率と安定性が向上します。

一般に、ドライスクリュー真空ポンプは、プロセスガスの凝縮を防ぐのに十分な温度で動作します。 これにより、プロセスガスは作動流体による汚染や作動流体との反応を回避できるだけでなく、ポンプ材料を攻撃するプロセス液体による腐食も防ぐことができます。

ダクタイル鋳鉄は、圧送媒体と接触するプロセス接液部に使用される標準材料です。 金属には特殊なコーティングが施されており、ほぼすべての化学薬品に対して耐性があります。

ほとんどのアプリケーションでは、プロセス動作前にポンプを暖め、シャットダウン前に不活性非凝縮性ガス (通常は窒素) でポンプをパージしてプロセス蒸気を除去することをお勧めします。 用途によっては、ポンプが冷えるにつれて堆積物が形成されるのを避けるために、シャットダウンする前に真空ポンプを適切な洗浄液でフラッシュしてポンプ内のプロセス材料を除去することも推奨されます。

ドライスクリューポンプは作動油を使用しないため、フラッシング能力も特長です。 スクリュー真空ポンプは、さまざまな圧縮システムとさまざまなコーティングを使用して、あらゆる化学薬品に適合するように構成できます。

利点

短所

液封真空ポンプは、円筒形のハウジング内に偏心して配置されたインペラを備えた回転容積式ポンプです。 液体シーラントが真空ポンプを通って流れ、インペラの回転によりハウジングの内側に液体リングが形成され、個々のインペラブレード間の空間がシールされます。 ガスはシャフト、個々のブレード、液体リングの間の空間を搬送されます。 インペラが偏心して配置されているため、これらの空間の容積は最初に増加し、入口から蒸気が引き込まれます。 インペラが回転し続けると、これらの空間の体積が減少し、蒸気が圧縮されて排気ポートから排出されます。 液封真空ポンプは、単純な連続シーラント流システムとして、または部分的または全体的なシーラント再循環システムとして動作できます。

これらのポンプは化学プロセスにおいて堅牢で信頼性が高いことが証明されています。 圧縮室内の作動流体は圧縮熱を継続的に放散するため、真空ポンプはほぼ​​等温で動作します。 これは、プロセスガスが顕著な温度まで加熱せず、真空ポンプが比較的低温で動作することにより、望ましくない反応のリスクが大幅に低減されることを意味します。

動作温度が低いと蒸気の凝縮も促進され、真空ポンプの公称排気速度は増加しますが、シール流体にプロセス液体が追加されます。 この凝縮したプロセス流体は、ポンプの真空能力や能力に影響を与えるだけでなく、廃棄前に処理する必要があるシーラントを生成する可能性があります。

通常、水は液封を作成するために使用されます。 実際にはエチレングリコール、鉱物油、有機溶剤もよく使用されます。 真空ポンプの到達圧力はシール液の蒸気圧に依存し、シール剤の密度や粘度は真空ポンプの消費電力に影響します。 液封真空ポンプは、さまざまな構成とシャフト シールの配置、およびシンプルなものから珍しいものまで、さまざまな構造材料で利用できます。

利点

短所

これらは、化学および製薬業界で使用される機械式真空ポンプの 1 つです。 2 段貫流オイル潤滑回転ベーン真空ポンプは 1960 年代に開発され、化学および医薬品の処理用に設計されました。 ロータリーベーン真空ポンプは、ロータリーベーン原理で動作する他の真空ポンプと比較して、次の 3 つの際立った特徴を備えています。

2つの圧縮段を積み重ねて接続することで、初段でのプロセスガスの初圧縮と次段での二次圧縮を促進し、より低い到達圧力を実現します。

規定量の作動流体、オイル、またはその他の媒体適合性流体が圧縮チャンバーに注入されます。 他のこのようなポンプでは、オイル循環潤滑が使用されます。

これらのポンプは水冷式であり、動作温度を一定の範囲内に制御できます。

これらのロータリーベーン真空ポンプは、回転容積式ポンプです。 ベーンはローターのスロットに配置され、ローターは円筒形のハウジング内で偏心して回転します。 回転により遠心力が発生し、ベーンがシリンダー壁に滑り出し、異なる体積の空間が形成され、吸引と圧縮の効果が発生します。

前述したように、ベーンに潤滑を提供し、シールを向上させるために、少量の潤滑剤がポンピング チャンバーとベーン スロットに連続的に注入されます。 ベーンはシリンダー壁やベーンスロットに直接接触せず、注入された潤滑剤によって継続的に再生される潤滑膜上を滑ります。 このプロセスは両方の圧縮段階で行われ、その後、プロセスガスが作動流体とともに出口から排出され、潤滑剤は排出のためにサイレンサーに集められます。 注入された潤滑剤は動作中に真空ポンプを継続的に洗い流し、真空ポンプを腐食や堆積物から保護します。

どちらのステージでも冷却用にウォータージャケットを使用します。 貫流水冷および水循環を備えたバージョンも利用できます。 冷却ジャケットは、特定の用途に必要なポンプの動作温度を制御します。 貫流水バージョンは、温度制御バルブで水の流れを制御することで温度を制御します。 冷却液を再循環するバージョンでは、サーモスタットを使用してポンプの温度を制御します。

利点

短所

真空の専門家に相談し、プロセス条件、プロセスガス、プロセス制御への統合、さらには経済効率、安全性、信頼性を考慮することが重要です。 多くの場合、これらの要因により、要件に合わせてカスタマイズされた真空システムが作成されます。

Uli Merkle は、産業用真空技術の分野で 30 年以上の経験があります。 彼は、ブッシュ真空ポンプおよびシステムの国際グループの一部であるドイツのブッシュ ディエンステ GmbH でマーケティング サービスの責任者を務めています。 彼は、真空技術に関連する産業応用に関する多数の出版物を出版しています。 彼への連絡先は、[email protected] です。