罗茨-大气喷射器-液环真空机组在制药装备中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)周士海 作者:佶缔纳士机械有限公司

  在制药过程中常常用到真空蒸馏、真空结晶或真空干燥等工艺来处理药品物料。当药品物料较为黏稠(如膏状物料,或含液态物料量较少时),这些物料有共同特点,就是要除去药品物料中混有的液态物料,需要很低的压力,一般在几十百帕,十几百帕,甚至几百帕,才能将这些比较难蒸发的液态物料除去。

  液环泵是配套在真空干燥机上的常用真空获得设备,因其适宜处理大量蒸汽和含有粉尘的工况,可以根据抽除气体介质的不同而选择不同的工作液,应用范围广泛,产品适用性强。在不考虑气体返流和泄漏时,极限压力就是所用工作液温度下的饱和蒸汽压力,所以液环泵极限压力的高低主要取决于工作液的饱和蒸汽压力。这样,液环泵的优势受到了限制。

  罗茨-大气喷射器-液环真空机组,特别适用于抽除含有可凝性气体和带有一定腐蚀性气体的工艺过程中。而与一般的液环式真空泵相比,具有真空度高、在高真空度工况下抽速大及节能的特点。

1、罗茨-大气喷射器-液环真空机组的特点

  液环泵,对气体的压缩接近等温压缩,泵内没有相互摩擦的金属接触面,不易发生燃烧爆炸事故;泵腔内转动件与固定件之间由液体密封,无需润滑;适于抽含有蒸汽、水份或固体微粒的气体。但是液环泵的极限压力较高,当用15 ℃水做工作液时,极限压力可以到25 hPa左右,一般用在工作压力33 hPa 以上工况。当工作液温度上升,极限压力升高,在工作压力处理气体流量也会小于标准状况时的气体流量。

  大气喷射器,以常压下大气为动力气体,不消耗额外动力,没有任何运动部件,就可以获得一定真空。液环泵串联大气喷射器后,极限压力可以到达6.7 hPa,在15~40 hPa 区间的抽气量能达到液环泵名义抽气量的50%以上,这样大大拓展了液环泵的使用范围。罗茨泵,转子与泵腔、转子与转子之间具有一定间隙,互不接触,不需要润滑油润滑;在泵腔内对气体不产生压缩现象,对被抽气体中含有的灰尘和蒸汽不敏感。

  罗茨-液环真空机组,具有液环泵的大量优点,而且提高了液环泵的真空度,扩大了液环泵在低压力下的抽速,能够很好的处理含有大量蒸汽或粉尘的气体。但是单级罗茨—液环真空机组极限压力较高,一般在4~6.5 hPa,要求的真空系统的工作压力至少在15 hPa 以上,对于要求工作压力为在一千多帕或几百帕的真空系统,则要再要增加一级罗茨泵。而大气喷射器可以加到罗茨泵和液环泵中间,可以完全代替一级罗茨泵。罗茨- 大气喷射器—液环真空机组是在液环罗茨真空机组的液环泵和罗茨泵之间增加了大气喷射器,与罗茨泵数目相同的液环罗茨真空机组相比,极限压力较低,在较低压力下有较大抽速,大气喷射器不消耗功率和无运动部件,维护量很小。罗茨- 大气喷射器- 液环真空机组,极限压力可以到0.10~0.25 hPa,可以用于工作压力1 hPa 以上的工艺过程抽空。

2、罗茨- 大气喷射器- 液环真空机组抽气系统的组成

  罗茨-大气喷射器-液环真空机组抽气系统示意图,如1 图所示。图1 中接口说明,见表1。

真空机组抽气系统示意图

图1 真空机组抽气系统示意图

表1 接口说明表

接口说明表

  抽气过程,被抽工艺气体由N1.1 吸入,通过罗茨泵030,大气喷射器020 和液环泵010,汽液一起排至液环泵系统的汽液分离器080,气体由排气口N2.2 排出,工作液由分离器下部接管通过换热器130冷却后回到液环泵010 重复使用。

  要做不锈钢材料的,价格成本太高。所以国产罗茨泵的材料只能做到普通铸铁材质,而对于处理腐蚀性气体时,罗茨泵的过流表面镀一些防腐材料,国内常镀镍磷、铬或PTFE。在开始抽气阶段,浓度很高的气体也要通过罗茨泵被前级泵抽除,当气体腐蚀性较强时,镀层往往也难以保证万无一失。而实际罗茨泵正常工作范围是在真空度较高的工况,一般在几十hPa 以下,此时气体密度已经很稀薄,可以通过增加旁管路200,控制开始抽气阶段高浓度的腐蚀性气体不通过罗茨泵,达到罗茨泵的启动压力,腐蚀性气体比较稀薄后,再启动罗茨泵,气体通过罗茨泵,关闭旁通阀201。大气喷射器和液环泵要采用防腐蚀材料制造。增加旁通管路的抽气系组成示意图,如图2 所示。

增加旁通管路的真空机组抽气系统示意图

图2 增加旁通管路的真空机组抽气系统示意图

  为了减少人工手动操作的烦琐,可以将罗茨泵的旁通管路阀201 和罗茨泵入口阀401,出口阀301,做成自动阀门,由罗茨泵入口的压力开关控制。液环泵抽到罗茨泵的启动压力后,罗茨泵出口阀301 和入口阀401 打开,罗茨泵启动,旁通管路阀门201 关闭。这样省时省力,简单可靠。

3、运行过程

3.1、真空机组启动过程

  真空机组的启动过程如下:(1)通过法兰接口N3.3 工作液补充至分离器和液环真空泵内,直至达到液环泵能够启动的液位;(2)冷却水供至N5.0 接口;(3)打开系统入口阀门;(4)启动液环泵电机,被抽气体由系统入口法兰N1.1 吸入,通过罗茨泵和大气喷射器,被液环泵吸入和排出;(5)随着系统压力的降低,到达200 hPa 以下后,打开大气喷射器的引射气流管路100 上的阀门101,大气喷射器开始投入工作;(6)系统内压力继续降低,到达罗茨泵设定的启动压力,由电接点压力表PS104 启动罗茨泵;(7)统维持在较低的压力工作;(8)运行过程中,要经常检查系统内分离器的液位,罗茨真空泵前后压差止回阀163 用来防止液环真空泵突然停止时工作液体的返流。

  罗茨泵在较高压力时,容易过载,因此在任何情况下压力较高时,严禁开启运行罗茨真空泵(030),其设定开启压力为60 hPa,关闭压力40 hPa。

  分离器080 配带液位计,以指示分离器内液位。正常液位限定在液位计中间位置。当液位升高到液位计中心线以上25 mm 位置时,溢流阀要打开从排空口N4.1开始排液,液位下降到液位计中间位置时,溢流阀关闭;当液位下降到中心线下25 mm 位置时,补液阀要打开,从N3.3 接口开始补液,液位升高到液位计中间位置时,补液阀关闭。以此保证分离器内液位。

  工作液通过管线自分离器080 流入换热器130,冷却后通过管线返回真空泵,在此过程中,压缩产生的热以及随被抽气体带入的热被释放掉。

3.2、真空机组关闭过程

  真空机组的关闭过程:(1)关闭系统阀门;(2)从N7.1冲入氮气或惰性气体,3 min 左右;(3) 关闭罗茨泵电机,罗茨泵入口和出口阀门关闭,旁通阀门打开;(4)关闭液环泵电机;(5)停止N5.0 冷却水供水,关闭大气喷射器引射气流管线阀门101;(6)若较长时间不用,则要打开液环泵,换热器,分离器排空阀门,排空机组内的工作液。

4、注意问题

  (1)液环泵工作液温度不能过高:因罗茨泵正常运行有一定压差要求,如果大于罗茨泵的最大压差,罗茨泵容易过载,转子会由于温度过高而膨胀卡死,损坏罗茨泵及其电机。罗茨泵的最大允许压差一般是几十个百帕,小泵允许的压差大点,大泵允许的压差小点。

  对于罗茨泵的抽速、达到的极限压力与前级泵的性能有很大关系,对于同一罗茨泵而言,前级泵的抽速和极限压力不同时,其机组整体的性能曲线有着很大差异。当前级液环泵液温度变化或不以水为工作液时,液环泵在压力较低情况下的抽速变化很大。图3 所示为佶缔纳士机械有限公司的2BV6131 不锈钢泵在水温不同时抽除室温饱和气的抽气性能曲线。

 水温度不同时2BV6131 不锈钢泵抽气性能曲线

图3 水温度不同时2BV6131 不锈钢泵抽气性能曲线

  罗茨- 大气喷射器- 液环真空机组,液环泵的水温最好保证在25 ℃以下,因为超过25 ℃的水做工作液时,液环泵在100 hPa 以下时,抽除工艺气体的能力大大下降,极限压力也升高很多。

  (2)系统开机时,达到罗茨泵的启动压力后开启罗泵,停机时要先停止罗茨泵运行,因为罗茨泵不能工作在较高压力下,因此在任何较高压力时,都不得启动罗茨泵,更不能让罗茨泵单独运行(有溢流阀的罗茨泵除外)。因此,罗茨泵的启动通过入口的电接点压力表进行控制,在达到设定的启动压力后罗茨泵启动;在系统停机时,也要先停止罗茨泵的运行后,再进行其他操作,避免烧毁罗茨泵电机或转子卡死。

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