Cómo elegir la mejor bomba de vacío para procesos químicos y farmacéuticos

Jun 17, 2023

Muchos factores ayudan a determinar el mejor tipo para su aplicación

Por Henry H. Hesser

En el pasado reciente, un ingeniero de procesos tenía pocas cosas que considerar al elegir una fuente de vacío para un proceso que requería una presión inferior a la atmosférica. El costo, la confiabilidad, el nivel de vacío y la experiencia en procesos similares eran todo lo que importaba. Estas consideraciones no han desaparecido, pero como todo en la vida, han surgido muchas más complicaciones. Una lista de preocupaciones hoy podría incluir:

El ingeniero que selecciona una fuente de vacío para satisfacer estas necesidades tiene una gran variedad de equipos para elegir:

Hay muchos otros tipos de bombas de vacío disponibles, pero los tipos restantes (bombas de difusión, bombas criogénicas, bombas turbomoleculares, bombas de iones, etc.) generalmente no se consideran prácticos o económicos para usos de vacío aproximados, como los que se encuentran en industrias químicas. y aplicaciones farmacéuticas. Estas bombas se aplican normalmente en industrias de alto vacío como la fabricación de semiconductores.

Henry H. Hesser era un especialista técnico del personal de Busch, Inc. cuando este artículo se publicó por primera vez en Pumps & Systems en agosto de 1993. Hesser obtuvo una licenciatura en ingeniería química de la Universidad de Texas y una maestría de la Universidad de Delaware. En ese momento, tenía 20 años de experiencia en estimación de costos, análisis financiero, cumplimiento de estándares gubernamentales y grandes proyectos de ingeniería para las industrias química y farmacéutica.

A menudo es difícil seleccionar la tecnología de vacío adecuada para aplicaciones de procesamiento químico y farmacéutico. En primer lugar, un sistema de vacío debe proporcionar la velocidad de bombeo necesaria a la presión de funcionamiento y garantizar el tiempo de inactividad de la bomba necesario. En segundo lugar, no puede ser sensible a los gases de proceso y debe cumplir con todos los requisitos cuando se trata de limpieza CIP (limpieza en el lugar) y recuperación de gases. La fiabilidad y la eficiencia económica también juegan un papel importante a la hora de decidir qué tecnología de vacío utilizar.

La tecnología de vacío de tornillo seco se usa ampliamente en las industrias química y farmacéutica. La primera bomba de vacío de tornillo seco para uso en los mercados químico y farmacéutico se lanzó en la década de 1990. Estas bombas tienen la ventaja de que no requieren fluido de operación para comprimir el gas de proceso. En una bomba de vacío de tornillo, dos rotores en forma de tornillo giran en direcciones opuestas. El medio bombeado queda atrapado entre las cámaras del cilindro y el tornillo, se comprime y se transporta a la salida de gas.

Durante el proceso de compresión, los rotores de tornillo no hacen contacto entre sí ni con el cilindro. La fabricación precisa y el espacio libre mínimo entre las piezas móviles permiten este principio de funcionamiento y, además, garantizan una presión final baja de menos de 0,1 Torr.

Las bombas de vacío de tornillo modernas tienen un tornillo de paso variable, lo que da como resultado una compresión uniforme del gas de proceso en toda la longitud del tornillo.

Esto tiene la ventaja de garantizar la misma temperatura en toda la cámara de compresión, que puede monitorearse y controlarse fácilmente. Las bombas de vacío de tornillo utilizan una camisa de enfriamiento, lo que garantiza una distribución uniforme de la temperatura y una mayor eficiencia térmica y estabilidad en todo el cuerpo de la bomba.

Generalmente, las bombas de vacío de tornillo seco funcionan a temperaturas suficientes para evitar la condensación del gas de proceso. Esto permite que el gas de proceso evite la contaminación o la reacción con un fluido operativo, así como también previene la corrosión debido a que los líquidos de proceso atacan los materiales de la bomba.

El hierro dúctil es el material estándar que se utiliza para procesar piezas húmedas que entran en contacto con el medio bombeado. El metal tiene un revestimiento especial para que sea resistente a casi todos los productos químicos.

En la mayoría de las aplicaciones, se recomienda calentar la bomba antes de la operación del proceso y purgar la bomba con gas inerte no condensable (generalmente nitrógeno) para eliminar el vapor del proceso antes del apagado. En algunas aplicaciones, también se recomienda enjuagar la bomba de vacío con un líquido de limpieza adecuado para eliminar el material de proceso que se encuentra en la bomba antes de apagarla para evitar que se formen depósitos a medida que la bomba se enfría.

La capacidad de lavado es otra característica de la bomba de tornillo seco que surge porque la bomba no utiliza un fluido operativo. Con diferentes sistemas de compresión y varios revestimientos, las bombas de vacío de tornillo se pueden configurar para que sean compatibles con cualquier producto químico.

Ventajas

Desventajas

Las bombas de vacío de anillo líquido son bombas rotatorias de desplazamiento positivo con un impulsor colocado excéntricamente en una carcasa cilíndrica. Un sellador líquido fluye a través de la bomba de vacío y la rotación del impulsor crea un anillo líquido en el interior de la carcasa que sella los espacios entre las paletas individuales del impulsor. El gas se transporta en los espacios entre el eje, los álabes individuales y el anillo líquido. Debido a la ubicación excéntrica del impulsor, el volumen de estos espacios inicialmente aumenta, atrayendo vapor a través de la entrada. A medida que el impulsor continúa girando, el volumen de estos espacios se reduce, el vapor se comprime y luego se descarga a través del puerto de escape. La bomba de vacío de anillo líquido puede funcionar como un sistema simple de flujo continuo de sellador o como un sistema de recirculación parcial o total del sellador.

Estas bombas han demostrado ser robustas y fiables en procesos químicos. El fluido operativo en la cámara de compresión disipa continuamente el calor de compresión, por lo que la bomba de vacío funciona casi isotérmicamente. Esto significa que el gas de proceso no se calienta demasiado y la bomba de vacío funciona a temperaturas relativamente bajas, lo que reduce significativamente el riesgo de reacciones no deseadas.

Las bajas temperaturas de funcionamiento también facilitan la condensación de vapor, lo que aumenta la velocidad de bombeo nominal de la bomba de vacío pero agrega líquido de proceso al fluido del sello. Este fluido de proceso condensado puede afectar la capacidad de vacío y/o la capacidad de la bomba, además de generar un sellador que debe tratarse antes de su eliminación.

Generalmente se usa agua para crear el anillo líquido. En la práctica, también se utilizan a menudo etilenglicol, aceites minerales o disolventes orgánicos. La presión máxima de la bomba de vacío depende de la presión de vapor del líquido de sellado, y la densidad y la viscosidad del sellador afectarán el consumo de energía de la bomba de vacío. Las bombas de vacío de anillo líquido están disponibles en diferentes configuraciones y arreglos de sello del eje, y en muchos materiales de construcción, desde simples hasta exóticos.

Ventajas

Desventajas

Estas se encuentran entre las bombas de vacío mecánicas utilizadas en la industria química y farmacéutica. En la década de 1960 se desarrolló una bomba de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite de paso único de dos etapas y se diseñó para el procesamiento químico y farmacéutico. Las bombas de vacío de paletas rotativas tienen tres características distintivas en comparación con otras bombas de vacío que funcionan con el principio de paletas rotativas:

Dos etapas de compresión están apiladas y conectadas entre sí, lo que facilita la compresión inicial del gas de proceso en la primera etapa y la compresión secundaria en la etapa posterior, logrando una presión final más baja.

Una cantidad definida de fluido operativo, aceite u otro fluido compatible con los medios se inyecta en la cámara de compresión. Otras bombas de este tipo utilizan lubricación por circulación de aceite.

Estas bombas están refrigeradas por agua, lo que permite regular la temperatura de funcionamiento dentro de un cierto rango.

Estas bombas de vacío de paletas rotativas son bombas rotativas de desplazamiento positivo. Las paletas se colocan en ranuras en un rotor, que gira excéntricamente en una carcasa cilíndrica. La rotación crea una fuerza centrífuga que hace que las paletas se deslicen hacia la pared del cilindro, creando espacios con diferentes volúmenes y generando el efecto de succión y compresión.

Como se indicó, se inyecta continuamente una pequeña cantidad de lubricante en la cámara de bombeo y en las ranuras de las paletas para lubricar las paletas y mejorar el sello. Los álabes no hacen contacto directo con la pared del cilindro ni con la ranura del álabe, sino que se deslizan sobre una película de lubricante que el lubricante inyectado regenera continuamente. Este proceso tiene lugar en ambas etapas de compresión antes de que el gas de proceso se descargue con el fluido de operación por la salida donde se recoge el lubricante en el silenciador para su drenaje. El lubricante inyectado enjuaga continuamente la bomba de vacío durante el funcionamiento, protegiéndola de la corrosión y los depósitos.

Ambas etapas utilizan una camisa de agua para el enfriamiento. Hay disponibles versiones con refrigeración por agua de un solo paso y circulación de agua. La camisa de enfriamiento controla la temperatura de operación de la bomba necesaria para la aplicación específica. La versión de agua de un solo paso controla la temperatura controlando el flujo de agua con una válvula de temperatura controlada. La versión de recirculación de refrigerante utiliza un termostato para controlar la temperatura de la bomba.

Ventajas

Desventajas

Es importante consultar con un experto en vacío y considerar las condiciones del proceso, los gases del proceso y la integración en el control del proceso, así como la eficiencia económica, la seguridad y la confiabilidad. A menudo, estos factores conducen a un sistema de vacío personalizado que se adapta a los requisitos.

Uli Merkle cuenta con más de 30 años de experiencia en el sector de la tecnología de vacío industrial. Es jefe de servicios de marketing en Busch Dienste GmbH en Alemania, parte del grupo internacional de bombas y sistemas de vacío Busch. Ha publicado numerosas publicaciones sobre aplicaciones industriales relacionadas con la tecnología de vacío. Se le puede contactar en [email protected].