Въведение
Вакуумното захранване обикновено е неразделна част от планирането на лаборатории в обществени или частни сгради. То е по-сложно от другите тръбни комунални услуги, тъй като изискванията към вакуумната технология са различни в една лаборатория за синтез, отколкото например в аналитична лаборатория или лаборатория за клетъчна биология. Тези различни изисквания не могат да бъдат изпълнени с едно и също вакуумно захранване. За да се отговори на нуждата от вакуумно захранване, съобразено с приложенията, специфичните изисквания трябва да се изяснят още на етапа на планиране. "Правилният инструмент пести време" е стара занаятчийска поговорка, която се отнася и за вакуума, доставян във всяка лаборатория. Дали защото вакуумът не е добре разбран, защото тръбопроводните системи изглеждат толкова сходни с тръбопроводните газове, или защото традиционната практика диктува една-единствена система за цялата сграда, уникалните изисквания за доставка на вакуум често се пренебрегват в процеса на планиране на лабораторията. Независимо от това, за много приложения адаптираният вакуум е безценен. Подходящият вакуум позволява на химиците да постигнат желаните резултати по-бързо, по-безопасно, по-удобно и също така възпроизводимо. Настоящата тема има за цел да бъде първоначална ориентация за планиращите малки лаборатории, химиците от подземния сектор и производителите на лекарства към важните съображения при планирането на вакуумното захранване на лабораториите.
Какво представлява вакуумът?
Вакуумът, както се използва в лабораторията, е просто налягане под атмосферното налягане. Съществените качества на вакуума, които определят неговата полезност във всяко конкретно лабораторно приложение, са дълбочината на вакуума - колко под атмосферното налягане и скоростта на изпомпване, т.е. колко бързо може да се отстранят въздухът, парите или газовете от съда, който се евакуира.
Приложение
Много химици използват вакуума всеки ден. Но как го използват? Вакуумът се използва за много стандартни приложения при подготовката и обработката на продукти за синтез. В повечето случаи вакуумът не е в центъра на вниманието, а играе съществена спомагателна роля. Най-познатите приложения на лабораторния вакуум са филтрирането и сушенето. Разбира се, бихте могли да филтрирате и без вакуум - както при варенето на кафе - като оставите гравитацията да свърши работата вместо вас. Проблемът е, че в лабораторията този процес често се оказва твърде бавен поради широкия спектър от разтворители и твърди вещества. За да се ускори процесът, във филтърна колба (колба на Бюхнер) за смукателна (вакуумна) филтрация се създава ниско налягане - т.е. вакуум.
Филтриране с помощта на устойчива на химикали вакуумна помпа
При процеса на сушене, от друга страна, целта е да се промени състоянието на пробата от течно в газообразно. Можем просто да оставим сушенето да се случи, както сушим прането на въздух. Както и при филтрирането, този процес също би отнел твърде много време, затова и тук се използва вакуум, за да се ускори процесът с помощта на вакуумни изсушители. За постигане на същия ефект може да се използва топлина, но чрез намаляване на нивото на налягането е необходима по-малко топлинна енергия за изпаряване на разтворителите. Потози начин използването на вакуум прави възможно ефективното изсушаване на чувствителни към топлина материали за проби.
Вакуумните приложения, използвани в лабораториите, се различават в зависимост от научната дисциплина, а различните приложения имат различни изисквания за вакуум. Филтрирането е процес, който се използва в почти всички лаборатории. Синтетичните лаборатории, в които се произвеждат някакви твърди вещества (метамфетамин, амфетамин, мефедрон, MDMA и др.), обикновено използват вакуум за сушене. Всички тези приложения изискват вакуум в диапазона на "грубия вакуум" -между 1 и 1000 mbar.
В химическите лаборатории се използват многобройни технологии, задвижвани от вакуум, за изпарително разделяне на смеси от вещества, например разтворители. Най-известният пример за това е ротационното изпарение, за което прецизният контрол и регулиране на налягането налагат значителни изисквания по отношение на помпите и технологиите за управление в диапазона на грубия вакуум. Това оборудване позволява бързо изпаряване на разтворители без интензивно нагряване, също така можете да регенерирате разтворители след синтез от отпадъци.
За разлика от тях, линията Schlenk и вакуумната дестилация, също често срещани в химическите лаборатории, изискват вакуум в диапазона на финия вакуум. Тази техника се използва, когато температурата на кипене на желаното съединение е трудно постижима или ще доведе до разлагане на съединението. Намаленото налягане намалява температурата на кипене на съединенията.
Помпи
МембранниМембранните помпи използват гъвкава мембрана и набор от възвратни клапани за създаване на помпено налягане и обикновено произвеждат нисък до среден вакуум. Често те са устойчиви на разтворители и слабо корозивни пари, което ги прави полезни за ротационни изпарители, но невъзможността им да създават висок вакуум ограничава полезността им. Мембранните помпи често не се нуждаят от масло. Този тип помпи могат да произвеждат до 1,5 mbar вакуум. Основен недостатък е произвежданият шум до 50-60 dB и необходимостта от периодична поддръжка (подмяна на маслото и мембраните). Цената на мембранните помпи е от ~450 до 500 USD.
Помпи сротационни лопатки
Помпите с ротационни лопатки също са често срещан тип вакуумна помпа, като двустепенните помпи могат да достигнат налягане доста под 10-6 бара. Ротационните лопаткови помпи използват въртящи се комплекти от кръгли лопатки в елипсовидна кухина за създаване на помпено налягане и могат да постигнат среден до висок вакуум. Ако помпата ви изисква смяна на маслото, тя вероятно е ротационна пластинчата помпа. Въпреки че могат да постигнат по-висок вакуум от мембранните помпи, те лесно се повреждат от разтворители или корозивни пари. Трябва да се вземат мерки за предотвратяване на достъпа на вредни изпарения до този тип помпи, като например поставяне на студен капан, тъй като замърсяването може значително да намали ефективността и живота на помпата. Приблизителна цена от 150 до 200 USD.
Помпите с ротационни лопатки също са често срещан тип вакуумна помпа, като двустепенните помпи могат да достигнат налягане доста под 10-6 бара. Ротационните лопаткови помпи използват въртящи се комплекти от кръгли лопатки в елипсовидна кухина за създаване на помпено налягане и могат да постигнат среден до висок вакуум. Ако помпата ви изисква смяна на маслото, тя вероятно е ротационна пластинчата помпа. Въпреки че могат да постигнат по-висок вакуум от мембранните помпи, те лесно се повреждат от разтворители или корозивни пари. Трябва да се вземат мерки за предотвратяване на достъпа на вредни изпарения до този тип помпи, като например поставяне на студен капан, тъй като замърсяването може значително да намали ефективността и живота на помпата. Приблизителна цена от 150 до 200 USD.
Водоструйна помпа
Водоструйната помпа е помпа за задвижване, при която водата преминава през дюза. В резултат на високата скорост на потока се развива вакуум. Крайният вакуум, който трябва да се постигне, зависи от налягането и температурата на водата (за вода - 3,2 kPa или 0,46 psi или 32 mbar при 25 °C или 77 °F). Ако не се взема предвид източникът на работния флуид, вакуумните ежектори могат да бъдат значително по-компактни от вакуумна помпа със собствено захранване със същия капацитет. Приблизителна цена ~25-30 USD. Колкото по-ниско е налягането на входа, толкова повече намалява капацитетът на засмукване. Водоструйните помпи се отличават с много ниски разходи за придобиване и устойчивост на корозия. Те обаче са стационарни. За да се използват, водните и канализационните връзки трябва да се монтират на лабораторни маси и в аспиратори. Поради типичната консумация на вода от няколкостотин литра на час - стотици хиляди литра годишно, дори при умерена употреба - водоструйните помпи генерират високи експлоатационни разходи за прясна вода и отпадъчни води. Друг недостатък е високото ниво на шум и лошата екологична съвместимост, тъй като всички вещества и пари на разтворителите, изпомпвани от приложенията, отиват в отпадъчните води.
Водоструйната помпа е помпа за задвижване, при която водата преминава през дюза. В резултат на високата скорост на потока се развива вакуум. Крайният вакуум, който трябва да се постигне, зависи от налягането и температурата на водата (за вода - 3,2 kPa или 0,46 psi или 32 mbar при 25 °C или 77 °F). Ако не се взема предвид източникът на работния флуид, вакуумните ежектори могат да бъдат значително по-компактни от вакуумна помпа със собствено захранване със същия капацитет. Приблизителна цена ~25-30 USD. Колкото по-ниско е налягането на входа, толкова повече намалява капацитетът на засмукване. Водоструйните помпи се отличават с много ниски разходи за придобиване и устойчивост на корозия. Те обаче са стационарни. За да се използват, водните и канализационните връзки трябва да се монтират на лабораторни маси и в аспиратори. Поради типичната консумация на вода от няколкостотин литра на час - стотици хиляди литра годишно, дори при умерена употреба - водоструйните помпи генерират високи експлоатационни разходи за прясна вода и отпадъчни води. Друг недостатък е високото ниво на шум и лошата екологична съвместимост, тъй като всички вещества и пари на разтворителите, изпомпвани от приложенията, отиват в отпадъчните води.
Избор на вакуумна помпа
В подземната химическа лаборатория вакуумът е сред основното оборудване за лабораторните работни места. Следователно вакуумното захранване вече е неразделна част от планирането на нови лаборатории, тъй като е необходимо за много приложения - независимо дали става дума за изпаряване, дестилация, сушене или просто аспирация или филтрация. Тези груби вакуумни приложения се обслужват най-добре от химически мембранни помпи.
Безопасност
Трябва да се внимава да не се изпускат вредни изпарения в атмосферата на лабораторията. Изпускателната система на помпата трябва да се отвежда в аспиратор или да се оборудва с подходящ скрубер или филтър. Когато се счупи, евакуираната стъклена посуда се разбива и силно имплодира, изпращайки фрагменти с висока скорост. Преди да приложите вакуума, проверете стъклените изделия за пукнатини и дефекти.
Last edited:
