Вакуумные насосы для работы с химически агрессивными газами и парогазовыми смесями

В технологиях создания вакуума, откачки и перемещения газовых сред довольно часто сталкиваются с проблемой присутствия химически агрессивных веществ, которые могут разъедать и деформировать рабочие узлы и детали насосов, окислять смазку и разрушать уплотнения. Такие явления отрицательно влияют на рабочие характеристики насосов и снижают надёжность их работы. В таких случаях необходимо применять специальные исполнения вакуумных насосов, т.н. их химически стойкие (CR – chemical resistant) версии. При этом надо отметить, что классические, уплотняемые маслом конструкции вакуумных насосов, менее пригодны для модификаций в сторону повышения химостойкости. Поэтому для достижения уровня вакуума менее 20 мбар абс. выбор довольно дорог и ограничен. Многие версии стандартных насосов можно использовать для откачки агрессивных потоков, применяя специальные схемы их запуска в работу и остановки. Можно также применять метод наддува инертного газа в зоны, где детали и узлы могут быть выведены из строя химической коррозией.

Для откачки химически агрессивных потоков можно применить такие классические и современные конструкции вакуумных насосов, детали которых, как правило, изготовлены из стойких к коррозии материалов (нерж. стали, керамика, фтор-полимеры, фторопласты-тефлоны и различные покрытия):

Особенности применения каждой из вышеперечисленных групп вакуумных насосов и схемы осушки таковы:

А. ВОДОКОЛЬЦЕВЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

Это классические агрегаты, давно и успешно применяющиеся для откачки агрессивных, взрывоопасных и механически загрязненных газов и смесей. Водокольцевые вакуумные насосы очень просты в конструкции и надёжны в работе. Единственный узел, который подвержен износу и выходу из строя – это механическое уплотнение вала (еще его называют торцевым уплотнением). Поэтому химически стойкий водокольцевой (жидкостно-кольцевой) вакуумный насос – это агрегат, выполненный из нержавеющей стали (корпус, рабочий импеллер и торцевые крышки) с усиленным механическим уплотнением, изготовленным из керамики, нерж. стали и фторопласта.

Преимущество здесь – довольно широкий диапазон производительности: от 20 до 30.000 куб.м/ч. Недостаток – как и водопотребление, это ограничение по уровню вакуума, не лучше 40 мбар абс. (-0,96 атм.), а также относительно высокое энергопотребление, свойственное всем жидкостно-кольцевым агрегатам.

Как пример, можно рассмотреть гамму насосов-моноблоков из нержавеющей стали серии Dolphin от компании BUSCH (Германия).

Вакуумный насос Dolphin Модель насоса cерии Dolphin Краткие технические данные:
Скорость откачки, м³/ч Предельный вакуум, мбар абс. Мощность электропривода, кВт Вес, кг
LC 0030A XX 30 33 0,75 20
LC 0060A XX 55 33 1,5 27
LC 0080A XX 75 33 2,2 56
LC 0110A XX 106 33 3 63
LC 0150A XX 145 33 4 71
LC 0220A XX 220 33 5,5 115
LC 0280A XX 280 33 7,5 215
LC 0400A XX 380 33 11 230

Б. МЕМБРАННЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

Это современные мембранные машины, ресурс безотказной работы которых увеличился за последние двадцать лет с 2 до 12 тыс. часов работы, благодаря новым материалам, армированным и структурированным по нагрузке полимерным диафрагмам, созданным инженерами компании KNF. При изготовлении мембранных насосов могут использоваться как алюминиевые и титановые сплавы, так и нерж. стали, фторопласты, фтор-полимеры и керамика.

KNF также изготавливает полностью тефлоновые насосы, которые весьма востребованы на мировом рынке вакуумной техники и не имеют равных по степени химической стойкости в классе агрегатов малой производительности.

Преимущество здесь – высокий ресурс и надёжность в сочетании с низким шумом в работе и отсутствием загрязнений и износа деталей непосредственно в сухой рабочей камере мембранных насосов, а также возможность вести откачку потоков с весьма высокой концентрацией агрессивных компонентов. Недостаток – ограничение по производительности откачки, не более 15 куб.м/ч, а также относительно невысокий создаваемый вакуум, порядка 2 мбар абс. (- 0,998 атм.).

Как пример, можно рассмотреть мембранные химически стойкие вакуумные насосы компании KNF (Германия).

Вакуумный насос KNF Модель насоса KNF Краткие технические данные:
Скорость откачки, м³/ч Предельный вакуум, мбар абс. Мощность электропривода, кВт Вес, кг
NMP 830 KTDC 0,16 350 0,01 0,2
N 87 TTE 0,45 140 0,06 3,1
N 726 FTE 0,96 53 0,13 5,5
N 834.3 FTE 2 10 0,22 11
N 940.5 FTE 2,9 2 0,25 18,6
N 860 FTE 3,6 80 0,2 12,5
N 860.3 FTE 3,6 2 0,22 14,3
N 0150.3 STE 7,2 25 0,95 32
N 0150.1.2. STE 13,2 115 0,95 32

В. ПЛАСТИНЧАТО-РОТОРНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ в комбинации с МЕМБРАННЫМИ

Эту группу насосов можно отнести к комбинированным вакуумным агрегатам, в которых основную роль в откачке играет классический маслонаполненный двухступенчатый пластинчато-роторный насос, обеспечивающий уровень вакуума порядка 0,001 мбар абс. Мембранный химически стойкий вакуумный насос малой производительности установлен дополнительно для откачки масляной ванны пластинчато-роторного насоса. Мембранный насос интенсивно удаляет все вредные пары и газы, которые попадают смазку и могут в ней накапливаться во время процессов откачки. Т.о. он очищает масло и одновременно выводит агрессивные компоненты из рабочих зон пластинчато-роторного насоса. Пластинчато-роторный насос в данном случае заправляют синтетическим вакуумным маслом, которое более стойко к парам воды и агрессивным компонентам.

Преимущество этой группы – высокий уровень создаваемого вакуума – порядка 0,001 мбар абс. и возможность вести откачку потоков с весьма высокой концентрацией агрессивных компонентов. Недостаток – ограничение по производительности откачки, не более 30 куб.м/ч.

Как пример, можно рассмотреть комбинированные химически стойкие вакуумные насосы серии Chemvac компании WELCH-ILMVAC (Германия).

Вакуумный насос Chemvac Модель насоса cерии Chemvac Краткие технические данные:
Скорость откачки, м³/ч Предельный вакуум, мбар абс. Мощность электропривода, кВт Вес, кг
Chemvac P 6 Z - 101 5,8 0,002 0,37 25,5
Chemvac P 12 Z - 101 11 0,002 0,55 42,5
Chemvac P 23 Z - 101 21 0,002 0,75 46

Г. ПЛАСТИНЧАТО-РОТОРНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ с дозированной смазкой

Пластинчато-роторные вакуумные насосы могут эффективно применяться для откачки химически агрессивных потоков и получения вакуума порядка 0,5 мбар абс. (-0,9995 атм.). Для этого используют последовательно две ступени откачки с увеличенными зазорами и делают смазку дозированной и проточной. Т.о. проточная смазка вымывает все агрессивные компоненты из 1-й и 2-й ступени откачки и вытесняет их из насоса, осаждаясь в отдельной сборной ёмкости. Эти агрегаты, как правило, охлаждаются проточной или циркулирующей водой, но обладают повышенной металлоёмкостью и весом.

Преимущество здесь – довольно широкий диапазон производительностей: от 150 до 700 куб.м/ч. Недостаток – сложность конструкции, водопотребление, повышенные металлоёмкость и вес.

Как пример, можно рассмотреть гамму вакуумных насосов серии Huckepack от компании BUSCH (Германия).

Вакуумный насос Huckepack Модель насоса cерии Huckepack Краткие технические данные:
Скорость откачки, м³/ч Предельный вакуум, мбар абс. Мощность электро-привода, кВт Вес, кг
Huckepack HO 0429 F 160 0,5 5,5 380
Huckepack HO 0433 F 250 0,5 1,5 400
Huckepack HO 0437 F 400 0,5 11 920
Huckepack HO 0441 F 630 0,5 15 950

Д. ПОРШНЕВЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ с дозированной смазкой

До 70-х годов 20-го века классические поршневые насосы вместе с жидкостно-кольцевыми были основными и широко применяемыми средствами создания вакуума в промышленности. Затем их начали интенсивно вытеснять менее энерго- и металлоёмкие пластинчато-роторные (70-е и 80-е годы) и двухроторные вакуумные насосы (конец 80-х и 90-е). На современном рынке вакуумного оборудования за поршневыми вакуумными насосами уверенно закрепилась именно ниша химически стойких и взрывозащищенных агрегатов. Причина «живучести» поршневых насосов в этой сфере объясняется тем, что только поршневой принцип объёмной откачки может обеспечить довольно высокие производительности и хороший уровень создаваемого вакуума при низких скоростях скольжения поршня. Эта группа поршневых машин называется тихоходными поршневыми агрегатами. Более того, невысокие скорости движения поршня обеспечивают низкую температуру всего насоса, малую шумность, слабый износ и очень низкие расходы смазок. В данном случае, надёжность в работе и способность работать с агрессивными и взрывоопасными средами делают приемлемыми повышенную металлоёмкость и общий вес поршневых конструкций.

Преимущества здесь – самая высокая надёжность в работе в сравнении с химически стойкими насосами-аналогами, достигаемая за счет низких скоростей скольжения поршня и соответственно пониженными температурами и износом в зонах трения. Принцип тихоходности этой группы поршневых насосов дает возможность применять широкую гамму химически стойких материалов, которые подвержены усиленному износу при более высоких скоростях скольжения, а также обеспечивает низкий уровень шума в работе. Недостаток поршневых насосов – высокая металлоёмкость и, соответственно, немалый вес.

Как пример, можно рассмотреть группу вакуумных насосов серии Saurus 939 от компании Italvacuum (Италия).

Вакуумный насос Saurus939 Модель насоса cерии Saurus939 Краткие технические данные:
Скорость откачки, м³/ч Предельный вакуум, мбар абс. Мощность электропривода, кВт Вес, кг
S 939 VB 100 5,3 3 550
S 939 VC 240 6,6 5,5 680
S 939 VD 450 7 11 1210
S 939 VVD 81 0,66 3 610
S 939 VD 200 0,66 5,5 740
S 939 VVD 380 0,66 11 1340

Е. ВИНТОВЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

Это современные компактные двухроторные вакуумные машины, позволяющие достигать предельных значений форвакуума, а именно низких давлений менее 0,05 мбар абс. (- 0,99995 атм.) вплоть до 0,01 мбар абс. (- 0,99999 атм.). Использование новейших материалов и покрытий, стойких к коррозии, а также создание газовых защитных барьеров путем подачи инертных газов в области рабочих зон сжатия откачиваемых потоков, позволяют предложить промышленным заказчикам эффективные химически стойкие версии винтовых вакуумных насосов.

Преимущества винтовых насосов – довольно широкий диапазон производительностей: от 100 до 3000 куб.м/ч и хороший уровень создаваемого вакуума. Недостаток – относительная сложность конструкции с необходимостью синхронизации вращения 2-х валов, а также перегрев выхлопного потока из-за его объёмного сжатия на выходе без применения смазок.

Как пример, можно рассмотреть ряд сухих винтовых вакуумных насосов серии Cobra от компании BUSCH (Германия).

Вакуумный насос Cobra Модель насоса cерии Cobra Краткие технические данные:
Скорость откачки, м³/ч Предельный вакуум, мбар абс. Мощность электропривода, кВт Вес, кг
Cobra NC 0100 B 110 < 0,05 3 235
Cobra NC 0200 B 220 < 0,05 5,5 290
Cobra NC 0300 B 320 < 0,05 7,5 315
Cobra NC 0400 B 350 < 0,05 7,5 460
Cobra NC 0630 B 525 < 0,05 11 660
Cobra NC 0900 B 720 < 0,05 15 1200

Ж. Комбинации ФОРВАКУУМНЫХ НАСОСОВ и НАСОСОВ РУТСА

Для случаев, когда надо достичь вакуума лучше, чем 0,1 мбар абс. (- 0,999 атм.) или существенно повысить производительность на хорошем вакууме, можно прибегнуть к классической схеме «форвакуумный насос + насос Рутса (Roots pump)».

Для этого в качестве второй (высоковакуумной) ступени можно использовать двухроторные (бустерные) вакуумные насосы Рутса (один или два), а в качестве первой (форвакуумной) – любой из вышеперечисленных групп насосов. Форвакуумный насос соединяют последовательно с насосом (насосами) Рутса. При этом входной фланец насоса Рутса соединяют с откачиваемым объектом. Примеры комбинация форвакуумных и насосов Рутса:

При таких схемах откачки следует позаботиться о защите насосов Рутса от воздействия агрессивных компонентов, если таковые в высокой концентрации присутствуют в потоках откачки. Защиту можно выполнить путём наддува инертных газов в специальные зоны насосов Рутса, или с помощью применения специальных режимов запуска их в работу и остановки (см. раздел З ниже). В таких ситуациях всегда будет не лишним получить консультацию специалистов у компании-изготовителя или у поставщика вакуумного оборудования.

З. Режимы включения-выключения вакуумных насосов для продления их ресурса работы в условиях откачки паров воды и агрессивных газов

Для всех случаев работы вакуумных насосов, когда в откачиваемых потоках присутствуют пары влаги (воды) и легко конденсируемых веществ (растворители, кислоты, лёгкие углеводороды и др.), является очень правильным применять специальные методы запуска в работу и остановки агрегатов. «Правильные» режимы запуска и остановки снижают до минимума присутствие и осаждение жидкой фазы потоков внутри самих насосов и тем самым значительно продлевают их пробег до технического обслуживания и общий ресурс безотказной работы.

Суть таких режимов заключается в дополнительных холостых пробегах (работа насоса на себя) и пропускании через насос чистого сухого воздуха или сухого инертного газа.

Как пример, можно рассмотреть цикл работы винтового вакуумного насоса Cobra NC 0400 B в одну смену для откачки смеси воздуха с парами воды и растворителя. Такой цикл включает три этапа с такими действиями:

I-й этап – прогрев (подготовка насоса к работе):
прежде чем начать откачку объекта, винтовой насос включают работать сам на себя, т.е. при закрытом входном затворе; после включения и выхода на максимальны вакуум порядка 0,1 мбар, открывают натекатель и впускают сухой чистый воздух или инертный газ, т.о. ухудшая вакуум до (10 … 25) мбар абс; операцию закрывать и приоткрывать натекатель можно повторить несколько раз, при этом сам насос прогревается, а остатки паров и капельной жидкости могут уйти на выхлоп вместе с напускаемым воздухом; в таком режиме насос может работать от 15 до 40 минут; главное на этом этапе прогрев насоса, чтобы при дальнейшей работе входной поток также прогревался на входе в насос, и тем самым максимально снижалась возможность конденсации внутри него откачиваемых конденсируемых паров.

II – этап – откачка (собственно работа):
когда насос прогрет и просушен, можно открывать входной затвор, закрыть натекатель и вести откачку технологических объёмов и систем до нужного уровня давления.

III – этап – просушка (остановка насоса):
после выполнения технологических задач по созданию и поддержке вакуума или же после завершения рабочей смены, перед тем как насос будет остановлен на длительное время (более 4 часов), необходимо его просушить и прочистить перед выключением; для этого при работающем насосе закрывается входной затвор, и приоткрывается натекатель так, чтобы давление было выше, чем был рабочий вакуум в технологическом процессе, ориентировочно это вакуум в диапазоне (от 10 до 100) мбар абс.; в таком режиме насос должен проработать от 15 до 40 мин. Натекатель можно периодически прикрывать и снова приоткрывать; за это время сухой воздух или инертный газ как бы проветривают насос, в нем не должны оставаться агрессивные газы и конденсируемые пары, которые потом, при остывании могут сконденсироваться и вызвать коррозию; главное на этом этапе – просушивание и проветривание тёплого насоса; затем насос можно выключать.