Вакуумные насосы химпроизводства: типы и области применения

Принципы классификации вакуумных насосов

Вакуумные насосы представляют собой специализированное оборудование, предназначенное для удаления газов и паров из замкнутых объёмов с целью создания и поддержания разрежённой среды. В химической промышленности данное оборудование применяется для проведения технологических процессов при давлениях ниже атмосферного, что позволяет изменять физико-химические свойства обрабатываемых веществ, снижать температуру кипения жидкостей и интенсифицировать массообменные процессы.

Согласно ГОСТ Р 52615-2006 вакуумный насос определяется как устройство, предназначенное для создания, повышения и поддержания вакуума. Классификация оборудования осуществляется по нескольким ключевым признакам: по диапазону рабочих давлений, по принципу действия и по конструктивному исполнению. По назначению насосы подразделяются на низковакуумные, средневакуумные, высоковакуумные и сверхвысоковакуумные.

По принципу действия вакуумные насосы разделяют на две основные группы: механические (газоперекачивающие) и физико-химические (поглощающие). Механические насосы осуществляют откачку за счёт периодического или непрерывного перемещения газа из откачиваемого объёма, тогда как физико-химические используют процессы сорбции, конденсации или ионизации молекул газа.

Типы вакуумных насосов для химических производств

Водокольцевые насосы

Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы (ВВН) относятся к насосам объёмного действия и работают на принципе создания центробежных сил в рабочей камере. При вращении рабочего колеса с лопатками рабочая жидкость (как правило, вода) под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам корпуса и образует жидкостное кольцо. Эксцентричное расположение ротора относительно корпуса обеспечивает периодическое изменение объёма рабочих ячеек между лопатками, что создаёт эффект всасывания и нагнетания газа.

Водокольцевые насосы характеризуются производительностью от 27 до 30000 м³/ч и способны создавать остаточное давление до 33 мбар при использовании воды комнатной температуры. Данный тип оборудования нашёл широкое применение в химической промышленности благодаря нескольким преимуществам: способности откачивать влажные и запылённые газы, устойчивости к кратковременным проскокам жидкости, возможности работы с агрессивными средами при использовании коррозионностойких материалов проточной части.

Особенностью конструкции является отсутствие трущихся элементов в проточной части, что обеспечивает высокую надёжность и минимальный износ. Изотермическое сжатие газа благодаря интенсивному теплообмену с рабочей жидкостью позволяет откачивать полимеризующиеся, быстроразлагающиеся и легковоспламеняющиеся газы. При использовании специально подобранных рабочих жидкостей (кислоты, щёлочи, органические растворители) насосы применяются для откачки химически агрессивных сред.

Пластинчато-роторные насосы

Пластинчато-роторные вакуумные насосы (ПРВН) представляют собой механические насосы объёмного действия с масляным уплотнением. Конструктивно они состоят из цилиндрического корпуса (статора) с эксцентрично расположенным ротором, в пазах которого размещены подвижные пластины. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности статора, образуя рабочие ячейки переменного объёма.

Одноступенчатые ПРВН обеспечивают предельное остаточное давление около 0,1 мбар, тогда как двухступенчатые модели позволяют достичь давления 10⁻³ мбар. Диапазон производительности составляет от 0,4 до 275 м³/ч. Вакуумное масло в данных насосах выполняет несколько функций: герметизация зазоров между пластинами и статором, смазка трущихся поверхностей, отвод тепла, образующегося при сжатии газа.

Для работы в химической промышленности выпускаются модели в химически стойком исполнении с применением специальных покрытий проточной части и использованием перфторполиэфирных масел (PFPE), устойчивых к воздействию галогенов и кислорода. Насосы данного типа применяются для вакуумной дистилляции, сушки, дегазации, в составе систем вакуумного напыления и в качестве форвакуумных насосов для высоковакуумного оборудования.

Мембранные насосы

Мембранные (диафрагменные) вакуумные насосы относятся к безмасляным насосам объёмного действия. Рабочим органом служит эластичная мембрана (диафрагма), совершающая возвратно-поступательные движения и периодически изменяющая объём рабочей камеры. Всасывание и нагнетание газа осуществляется через систему клапанов. Конструкция обеспечивает полную герметичность рабочей камеры и исключает контакт откачиваемой среды со смазочными материалами.

Производительность мембранных насосов варьируется от 0,5 до 16,8 м³/ч, а предельное остаточное давление для двух- и трёхступенчатых моделей достигает 0,5–10 мбар. Изготовление мембран и клапанов из химически стойких фторопластов (PTFE, FFPM) позволяет использовать насосы для откачки агрессивных паров и газов: кислот, щелочей, органических растворителей.

Основные области применения в химической промышленности включают вакуумную фильтрацию по ГОСТ 6370-2018, ротационное выпаривание, вакуумную сушку в эксикаторах и сушильных шкафах, дистилляцию под вакуумом, работу с вакуумными центрифугами. Компактность, низкий уровень шума, отсутствие необходимости в обслуживании рабочей жидкости делают мембранные насосы предпочтительным выбором для лабораторных и пилотных производств.

Винтовые насосы

Сухие винтовые вакуумные насосы представляют собой современное высокоэффективное оборудование для создания низкого и среднего вакуума. Принцип действия основан на взаимодействии двух винтовых роторов с переменным шагом резьбы, вращающихся в противоположных направлениях без взаимного контакта. Газ захватывается во входной части винтовой пары и транспортируется вдоль оси роторов с одновременным сжатием за счёт уменьшения шага резьбы.

Технические характеристики винтовых насосов включают производительность от 80 до 1260 м³/ч и предельное остаточное давление до 0,02 мбар. Отсутствие рабочей жидкости в проточной части (сухое сжатие) обеспечивает экологическую чистоту откачиваемого газа и исключает риск загрязнения продукта маслом. Все внутренние поверхности защищены специальными покрытиями (тефлон, никель), обеспечивающими химическую стойкость и коррозионную защиту.

Конструктивные особенности позволяют откачивать газы с высоким содержанием пыли, твёрдых частиц и капельной жидкости, а также конденсирующиеся пары. Области применения включают химическую и фармацевтическую промышленность, вакуумную сушку и дегазацию, производство полупроводников, металлургические процессы вакуумирования. Винтовые насосы эффективно работают как самостоятельные агрегаты и в качестве форвакуумных насосов для оборудования типа Рутс и турбомолекулярных насосов.

Двухроторные насосы (Рутс)

Двухроторные вакуумные насосы (насосы Рутса) относятся к механическим насосам объёмного действия без внутреннего сжатия. Рабочими органами служат два ротора с профилем в форме восьмёрки, вращающиеся синхронно в противоположных направлениях. При вращении роторы захватывают порции газа во впускной камере и переносят их к выпускному патрубку, при этом роторы не соприкасаются между собой и с корпусом благодаря точному профилированию и наличию синхронизирующих шестерён.

Насосы Рутса характеризуются высокой быстротой откачки (от 180 до нескольких тысяч м³/ч) при относительно небольшой мощности привода. Однако они не способны работать при атмосферном давлении и требуют применения форвакуумного насоса для поддержания давления на выходе. В комбинации с водокольцевыми, пластинчато-роторными или винтовыми насосами системы с Рутсами позволяют достичь остаточного давления до 10⁻³ мбар при сохранении высокой производительности.

В химической промышленности двухроторные насосы применяются для вакуумной дистилляции, в процессах сушки и выпаривания, при вакуумировании крупногабаритных реакторов. Существенным преимуществом является сухая откачка без использования масла в проточной части, что исключает загрязнение откачиваемой среды.

Диапазоны рабочих давлений и степени вакуума

Вакуумная техника оперирует широким диапазоном давлений, который условно разделяют на несколько областей. Низкий вакуум соответствует диапазону от атмосферного давления до 10⁻¹ мбар (или от 10⁵ до 10 Па). В этой области длина свободного пробега молекул газа значительно меньше характерного размера вакуумной камеры, и газ ведёт себя как сплошная среда. Низковакуумные процессы наиболее распространены в химическом производстве.

Средний вакуум охватывает диапазон от 10⁻¹ до 10⁻⁴ мбар. В данной области наблюдается переходный режим течения газа, когда длина свободного пробега молекул сопоставима с размерами откачиваемого объёма. Для достижения среднего вакуума, как правило, требуется применение двухступенчатых насосов или комбинации форвакуумного насоса с бустером (насосом Рутса).

Высокий вакуум (10⁻⁴ – 10⁻⁸ мбар) и сверхвысокий вакуум (менее 10⁻⁸ мбар) используются преимущественно в специализированных процессах: вакуумном напылении, производстве микроэлектроники, научных исследованиях. Для их создания применяются турбомолекулярные, диффузионные, криогенные и геттерные насосы, которые всегда работают в сочетании с форвакуумным оборудованием.

Применение в технологических процессах

Вакуумная дистилляция

Вакуумная дистилляция (перегонка под разрежением) является одним из основных методов разделения жидких смесей в химической и фармацевтической промышленности. Снижение давления в системе приводит к понижению температуры кипения компонентов смеси, что позволяет проводить разделение при более мягких температурных условиях. Это особенно важно для термолабильных веществ, склонных к разложению, полимеризации или крекингу при высоких температурах.

Типовая система вакуумной дистилляции включает перегонный куб (реактор) с нагревательной рубашкой, разделительную колонну, конденсатор, приёмные ёмкости и вакуумную систему. Для создания необходимого разрежения применяются различные типы насосов в зависимости от требуемой глубины вакуума и характера откачиваемых паров. Винтовые сухие насосы обеспечивают чистый вакуум без риска загрязнения продукта маслом. Жидкостно-кольцевые насосы эффективны при откачке конденсирующихся паров благодаря активному теплообмену с рабочей жидкостью.

Пластинчато-роторные насосы с масляным уплотнением применяются для достижения более глубокого вакуума, при этом между насосом и колонной устанавливается конденсатор для защиты масла от загрязнения парами перегоняемых веществ. Рабочее давление при вакуумной дистилляции обычно составляет от 5 до 100 мбар в зависимости от свойств разделяемых компонентов.

Вакуумная фильтрация и сушка

Вакуумная фильтрация представляет собой процесс разделения суспензий путём пропускания жидкой фазы через пористую перегородку (фильтр) под действием перепада давлений. Создание разрежения на одной стороне фильтра интенсифицирует процесс по сравнению с фильтрацией под атмосферным давлением и позволяет получить более сухой осадок. В химической промышленности используются барабанные, дисковые, ленточные и нутч-фильтры, работающие под вакуумом.

Для вакуумной фильтрации преимущественно применяются водокольцевые насосы благодаря их нечувствительности к проскокам жидкости и попаданию твёрдых частиц. Мембранные химически стойкие насосы используются в лабораторной практике и на пилотных установках для фильтрации по ГОСТ 6370-2018 при определении механических примесей в нефтепродуктах. Рабочее давление при вакуумной фильтрации обычно составляет 70–200 мбар.

Вакуумная сушка основана на снижении температуры испарения влаги при пониженном давлении. Это позволяет проводить высушивание термочувствительных материалов при температурах существенно ниже 100°C, предотвращая их деструкцию и сохраняя полезные свойства. Вакуумные сушилки различных конструкций (полочные, барабанные, вакуум-сушильные шкафы) оснащаются водокольцевыми, винтовыми или мембранными насосами в зависимости от производительности и требуемой глубины вакуума (7–50 мбар).

Дегазация и смешение

Вакуумная дегазация применяется для удаления растворённых газов и воздушных включений из жидких материалов: полимерных смол, клеевых композиций, лакокрасочных материалов, герметиков. Присутствие воздушных пузырьков ухудшает физико-механические свойства отверждённых материалов, приводит к образованию пористости и дефектов поверхности. Процесс дегазации проводится при давлениях от 0,1 до 50 мбар в зависимости от вязкости материала.

Для дегазации вязких материалов применяются винтовые сухие насосы и пластинчато-роторные насосы с системой газового балласта. Высокая вязкость откачиваемой среды не создаёт проблем для данного типа оборудования, однако требует установки сепараторов и ловушек для защиты насоса от попадания частиц материала.

Вакуумное смешение компонентов позволяет получать однородные смеси без захвата воздуха. Данная технология широко используется при производстве ЛКМ, клеёв, герметиков, косметических и фармацевтических препаратов. Вакуумные смесители (диссольверы, планетарные миксеры) оснащаются водокольцевыми или пластинчато-роторными насосами с производительностью, обеспечивающей поддержание требуемого давления (50–200 мбар) при непрерывном газовыделении из перемешиваемой массы.

Выбор рабочих жидкостей

Характеристики вакуумного насоса во многом определяются свойствами применяемой рабочей жидкости. Для пластинчато-роторных и диффузионных насосов это вакуумные масла, для водокольцевых — вода или другие жидкости. Основные требования к рабочим жидкостям включают низкое давление насыщенного пара, химическую и термическую стабильность, совместимость с материалами конструкции и откачиваемыми средами, малую способность к растворению откачиваемых газов.

Минеральные вакуумные масла (серии ВМ) представляют собой продукты глубокой очистки и дистилляции нефтяных фракций. Масло ВМ-1 характеризуется пониженной вязкостью и применяется в насосах с небольшими зазорами. Масло ВМ-5 обладает особо низким давлением насыщенных паров (2×10⁻⁷ Па) и используется в форвакуумных насосах высоковакуумных систем. Срок службы минеральных масел составляет 500–1500 часов работы в зависимости от условий эксплуатации.

Синтетические масла на основе полиолефинов превосходят минеральные по термоокислительной стабильности, не образуют смолистых отложений и имеют срок службы до 8000 часов. Перфторполиэфирные жидкости (PFPE) отличаются исключительной химической стойкостью к галогенам, кислороду, агрессивным газам и применяются при откачке сред, разрушающих обычные масла. Силиконовые масла (полидиметилсилоксаны) используются в диффузионных насосах благодаря высокой термостойкости и низкому давлению пара.

В водокольцевых насосах рабочей жидкостью служит деминерализованная вода с минимальным газосодержанием. При температуре воды 15–20°C достигается остаточное давление 33–50 мбар. Для работы при низких температурах окружающей среды используются растворы этиленгликоля. При откачке агрессивных газов рабочая жидкость подбирается таким образом, чтобы обеспечить химическую совместимость (например, разбавленные кислоты или щёлочи).

Техническое обслуживание

Регулярное техническое обслуживание вакуумных насосов является обязательным условием поддержания их работоспособности и достижения заявленных характеристик. Периодичность и объём работ определяются типом насоса, условиями эксплуатации и характером откачиваемых сред. Для насосов с масляным уплотнением критическим параметром является состояние рабочего масла.

Контроль уровня и состояния масла в пластинчато-роторных насосах проводится ежесменно через смотровое окно. Потемнение масла, появление эмульсии или посторонних включений указывает на необходимость замены. Регулярность замены масла составляет от 500 до 3000 часов в зависимости от содержания влаги и загрязняющих веществ в откачиваемой среде. При работе с агрессивными газами интервал замены существенно сокращается.

Фильтры масляного тумана (выхлопные фильтры) в пластинчато-роторных насосах подлежат замене каждые 6–12 месяцев или при увеличении противодавления на выхлопе. Газобалластные фильтры очищаются с той же периодичностью. Уплотнения вала проверяются ежемесячно на отсутствие утечек масла. Капитальный ремонт с заменой лопаток, подшипников и уплотнений выполняется каждые 8000–20000 часов наработки.

Водокольцевые насосы требуют контроля температуры и качества рабочей воды. Перегрев воды выше 35–40°C приводит к ухудшению вакуумных характеристик. В проточных системах вода заменяется непрерывно, в замкнутых контурах с охлаждением — еженедельно. Периодическая очистка проточной части от накипи и отложений выполняется в соответствии с регламентом производителя.

Мембранные насосы характеризуются минимальными требованиями к обслуживанию. Основной расходной деталью является мембрана, срок службы которой составляет около 10000 часов. Клапаны заменяются одновременно с мембраной или при снижении производительности. Винтовые сухие насосы требуют замены масла в редукторе синхронизирующих шестерён каждые 3000–5000 часов и периодической проверки зазоров между роторами.

Критерии выбора насоса для конкретного процесса

Выбор типа вакуумного насоса для конкретного технологического процесса определяется комплексом взаимосвязанных факторов. Первым критерием является требуемое рабочее давление и его диапазон. Для низковакуумных процессов (до 1 мбар) достаточно одноступенчатых насосов: водокольцевых, пластинчато-роторных или мембранных. Средний вакуум (до 10⁻³ мбар) достигается применением двухступенчатых насосов или комбинированных вакуумных систем.

Вторым важнейшим критерием является требуемая быстрота откачки (производительность), которая должна превышать суммарный поток газа от всех источников: технологического газовыделения, натекания через уплотнения, десорбции со стенок оборудования. Насос с недостаточной производительностью не сможет достичь требуемого давления или время откачки будет неприемлемо велико.

Химический состав и свойства откачиваемой среды определяют требования к химической стойкости материалов проточной части и совместимости с рабочими жидкостями. Агрессивные газы (галогены, кислоты, аммиак) требуют применения насосов в коррозионностойком исполнении с использованием специальных масел или сухих (безмасляных) конструкций. Конденсирующиеся пары эффективно откачиваются жидкостно-кольцевыми насосами. Загрязнённые пылью и твёрдыми частицами газы предъявляют требования к нечувствительности насоса к механическим включениям.

Дополнительные критерии включают требования к чистоте вакуума (безмасляная откачка для исключения загрязнения продукта углеводородами), взрывозащищённое исполнение для работы с горючими и взрывоопасными газами согласно требованиям ГОСТ 31610.0-2019, уровень шума и вибрации, энергопотребление, габариты и массу оборудования, стоимость приобретения и эксплуатации, доступность сервисного обслуживания и запасных частей.