Εισαγωγή
Η παροχή κενού αποτελεί συνήθως αναπόσπαστο μέρος του σχεδιασμού των εργαστηρίων σε δημόσια ή ιδιωτικά κτίρια. Είναι πιο σύνθετη από άλλες παροχές με σωληνώσεις, επειδή οι απαιτήσεις για την τεχνολογία κενού είναι διαφορετικές σε ένα εργαστήριο σύνθεσης από ό,τι, για παράδειγμα, σε ένα εργαστήριο αναλυτικής ή κυτταρικής βιολογίας. Αυτές οι διαφορετικές απαιτήσεις δεν μπορούν να ικανοποιηθούν με την ίδια παροχή κενού. Για να αντιμετωπιστεί η ανάγκη για παροχή κενού προσαρμοσμένη στις εφαρμογές, οι συγκεκριμένες απαιτήσεις θα πρέπει να αποσαφηνιστούν νωρίς στη φάση του σχεδιασμού. "Το σωστό εργαλείο εξοικονομεί χρόνο" είναι ένα παλιό ρητό των τεχνιτών που ισχύει και για το κενό που παρέχεται σε κάθε εργαστήριο. Είτε επειδή το κενό είναι ελάχιστα κατανοητό, επειδή τα συστήματα σωληνώσεων φαίνονται τόσο παρόμοια με τα αέρια που διοχετεύονται με σωλήνες, είτε επειδή η παραδοσιακή πρακτική υπαγόρευε ένα ενιαίο σύστημα σε όλο το κτίριο, οι μοναδικές απαιτήσεις της παροχής κενού συχνά παραβλέπονται κατά τη διαδικασία σχεδιασμού εργαστηρίων. Παρόλα αυτά, για πολλές εφαρμογές, το προσαρμοσμένο κενό είναι ανεκτίμητο. Το κατάλληλο κενό επιτρέπει στους χημικούς να επιτύχουν τα επιθυμητά αποτελέσματα ταχύτερα, ασφαλέστερα, πιο βολικά και επίσης αναπαραγώγιμα. Αυτό το θέμα προορίζεται να αποτελέσει έναν αρχικό προσανατολισμό για τους σχεδιαστές μικρών εργαστηρίων, τους υπόγειους χημικούς και τους παρασκευαστές φαρμάκων στη σημαντική εξέταση κατά το σχεδιασμό της παροχής κενού για εργαστήρια.
Τι είναι το κενό;
Το κενό, όπως χρησιμοποιείται στο εργαστήριο, είναι απλώς πίεση κάτω από την ατμοσφαιρική πίεση. Οι βασικές ιδιότητες του κενού που καθορίζουν τη χρησιμότητά του σε κάθε συγκεκριμένη εργαστηριακή εφαρμογή είναι το βάθος του κενού - πόσο κάτω από την ατμοσφαιρική πίεση και η ταχύτητα άντλησης, δηλαδή πόσο γρήγορα μπορούν να απομακρυνθούν ο αέρας, οι ατμοί ή τα αέρια από το δοχείο που εκκενώνεται.
Εφαρμογή
Πολλοί χημικοί χρησιμοποιούν το κενό καθημερινά. Πώς το χρησιμοποιούν όμως; Το κενό χρησιμοποιείται για πολλές τυπικές εφαρμογές στην προετοιμασία και την επεξεργασία προϊόντων σύνθεσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το κενό δεν είναι το επίκεντρο, αλλά παίζει ουσιαστικό υποστηρικτικό ρόλο. Οι πιο γνωστές εργαστηριακές εφαρμογές κενού είναι η διήθηση και η ξήρανση. Φυσικά, θα μπορούσατε να διηθήσετε χωρίς κενό -όπως όταν ετοιμάζετε καφέ- αφήνοντας τη βαρύτητα να κάνει τη δουλειά για εσάς. Το πρόβλημα είναι ότι, στο εργαστήριο, η διαδικασία αποδεικνύεται συχνά πολύ αργή λόγω του ευρέος φάσματος διαλυτών και στερεών ουσιών. Για να επιταχυνθεί η διαδικασία, δημιουργείται χαμηλή πίεση - δηλαδή κενό - σε μια φιάλη φίλτρου (φιάλη Büchner) για διήθηση με αναρρόφηση (κενό).
Διήθηση με τη βοήθεια αντλίας κενού ανθεκτικής στα χημικά
Σε μια διαδικασία ξήρανσης, από την άλλη πλευρά, ο στόχος είναι να αλλάξει η κατάσταση ενός δείγματος από υγρή σε αέρια. Θα μπορούσαμε απλώς να αφήσουμε να συμβεί η ξήρανση, όπως ακριβώς στεγνώνουμε τα ρούχα στον αέρα. Όπως και με τη διήθηση, αυτή η διαδικασία θα έπαιρνε επίσης πολύ χρόνο, γι' αυτό και εδώ χρησιμοποιείται κενό για την επιτάχυνση της διαδικασίας με τη βοήθεια των αποξηραντών κενού. Η θερμότητα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα, αλλά μειώνοντας το επίπεδο πίεσης, απαιτείται λιγότερη θερμική ενέργεια για την εξάτμιση των διαλυτών. Έτσι, η χρήση κενού καθιστά δυνατή την αποτελεσματική ξήρανση των ευαίσθητων στη θερμότητα υλικών δειγμάτων.
Οι εφαρμογές κενού που χρησιμοποιούνται στα εργαστήρια ποικίλλουν ανάλογα με τον επιστημονικό κλάδο και οι διάφορες εφαρμογές έχουν ξεχωριστές απαιτήσεις κενού. Η διήθηση είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται σχεδόν σε όλα τα εργαστήρια. Τα συνθετικά εργαστήρια στα οποία παράγεται κάποιο στερεό υλικό (μεθαμφεταμίνη, αμφίεση, μεφεδρόνη, MDMA κ.λπ.) χρησιμοποιούν συνήθως κενό για ξήρανση. Όλες αυτές οι εφαρμογές απαιτούν κενό στην περιοχή του "ακατέργαστου κενού" - μεταξύ 1 και 1000 mbar.
Στα εργαστήρια χημείας χρησιμοποιούνται πολυάριθμες τεχνολογίες που λειτουργούν υπό κενό για τον διαχωρισμό με εξάτμιση μειγμάτων ουσιών, όπως οι διαλύτες. Τοπιο γνωστό παράδειγμα είναι η περιστροφική εξάτμιση, για την οποία ο ακριβής έλεγχος και η ρύθμιση της πίεσης επιβάλλουν σημαντικές απαιτήσεις όσον αφορά την τεχνολογία αντλιών και ελέγχου στην περιοχή του ακατέργαστου κενού. Αυτός ο εξοπλισμός επιτρέπει την εξάτμιση διαλυτών γρήγορα χωρίς εντατική θέρμανση, επίσης μπορείτε να ανακτήσετε διαλύτες μετά τη σύνθεση από απόβλητα.
Αντίθετα, η γραμμή Schlenk και η απόσταξη υπό κενό, που είναι επίσης συνηθισμένες στα εργαστήρια χημείας, απαιτούν κενό στην περιοχή λεπτού κενού. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται όταν το σημείο βρασμού της επιθυμητής ένωσης είναι δύσκολο να επιτευχθεί ή θα προκαλέσει αποσύνθεση της ένωσης. Οιμειωμένες πιέσεις μειώνουν το σημείο βρασμού των ενώσεων.
Αντλίες
ΔιάφραγμαΟι αντλίες διαφράγματος χρησιμοποιούν ένα εύκαμπτο διάφραγμα και ένα σύνολο βαλβίδων ελέγχου για την παραγωγή πίεσης άντλησης και συνήθως παράγουν χαμηλό έως μεσαίο κενό. Είναι συχνά ανθεκτικές σε διαλύτες και ελαφρώς διαβρωτικούς ατμούς, γεγονός που τις καθιστά χρήσιμες για περιστροφικούς εξατμιστές, αλλά η αδυναμία τους να παράγουν υψηλό κενό περιορίζει τη χρησιμότητά τους. Οι αντλίες διαφράγματος συχνά δεν απαιτούν λάδι. Αυτός ο τύπος αντλίας μπορεί να παράγει κενό έως 1,5 mbar. Κύριο μειονέκτημα είναι ο παραγόμενος θόρυβος στα 50-60 dB και η ανάγκη περιοδικής συντήρησης (αντικατάσταση λαδιού και μεμβρανών). Οιαντλίες διαφράγματος έχουν κόστος από ~450-$500.
Περιστροφικός πτερυγισμός
Οι αντλίες περιστροφικού πτερυγίου είναι επίσης ένας κοινός τύπος αντλίας κενού, με αντλίες δύο σταδίων που μπορούν να επιτύχουν πιέσεις πολύ κάτω από 10-6 bar. Οι αντλίες περιστροφικών πτερυγίων χρησιμοποιούν περιστρεφόμενα σύνολα κυκλικών πτερυγίων σε μια ελλειπτική κοιλότητα για τη δημιουργία πίεσης άντλησης και μπορούν να επιτύχουν μεσαίο έως υψηλό κενό. Εάν η αντλία σας απαιτεί αλλαγές λαδιού, είναι πιθανότατα μια αντλία περιστροφικών πτερυγίων. Αν και μπορούν να επιτύχουν υψηλότερο κενό από τις αντλίες διαφράγματος, καταστρέφονται εύκολα από διαλύτες ή διαβρωτικούς ατμούς. Πρέπει να λαμβάνονται μέτρα για να αποτραπεί η πρόσβαση επιβλαβών ατμών σε αυτόν τον τύπο αντλίας, όπως η εφαρμογή μιας παγίδας ψύξης, καθώς η μόλυνση μπορεί να μειώσει σημαντικά την απόδοση και τη διάρκεια ζωής μιας αντλίας. Κατά προσέγγιση κόστος από 150 έως 200 δολάρια.
Οι αντλίες περιστροφικού πτερυγίου είναι επίσης ένας κοινός τύπος αντλίας κενού, με αντλίες δύο σταδίων που μπορούν να επιτύχουν πιέσεις πολύ κάτω από 10-6 bar. Οι αντλίες περιστροφικών πτερυγίων χρησιμοποιούν περιστρεφόμενα σύνολα κυκλικών πτερυγίων σε μια ελλειπτική κοιλότητα για τη δημιουργία πίεσης άντλησης και μπορούν να επιτύχουν μεσαίο έως υψηλό κενό. Εάν η αντλία σας απαιτεί αλλαγές λαδιού, είναι πιθανότατα μια αντλία περιστροφικών πτερυγίων. Αν και μπορούν να επιτύχουν υψηλότερο κενό από τις αντλίες διαφράγματος, καταστρέφονται εύκολα από διαλύτες ή διαβρωτικούς ατμούς. Πρέπει να λαμβάνονται μέτρα για να αποτραπεί η πρόσβαση επιβλαβών ατμών σε αυτόν τον τύπο αντλίας, όπως η εφαρμογή μιας παγίδας ψύξης, καθώς η μόλυνση μπορεί να μειώσει σημαντικά την απόδοση και τη διάρκεια ζωής μιας αντλίας. Κατά προσέγγιση κόστος από 150 έως 200 δολάρια.
Αντλία εκτόξευσης νερού
Η αντλία εκτόξευσης νερού είναι μια αντλία εκτόξευσης προωθητικού μέσου στην οποία το νερό ρέει μέσω ενός ακροφυσίου. Ως αποτέλεσμα του υψηλού ρυθμού ροής αναπτύσσεται κενό. Το τελικό κενό που επιτυγχάνεται εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία του νερού (για το νερό, 3,2 kPa ή 0,46 psi ή 32 mbar στους 25 °C ή 77 °F). Εάν δεν ληφθεί υπόψη η πηγή του εργαζόμενου υγρού, οι εκτοξευτήρες κενού μπορεί να είναι σημαντικά πιο συμπαγείς από μια αυτοτροφοδοτούμενη αντλία κενού της ίδιας ισχύος. Κατά προσέγγιση κόστος ~25-$30. Όσο χαμηλότερη είναι η πίεση εισαγωγής, τόσο περισσότερο μειώνεται η ικανότητα αναρρόφησης. Οι αντλίες εκτόξευσης νερού διακρίνονται για το πολύ χαμηλό κόστος απόκτησης και την αντοχή τους στη διάβρωση. Ωστόσο, είναι σταθερές. Για τη χρήση τους, οι συνδέσεις νερού και λυμάτων πρέπει να τοποθετούνται σε εργαστηριακά τραπέζια και σε απορροφητήρες. Λόγω της τυπικής κατανάλωσης νερού που ανέρχεται σε αρκετές εκατοντάδες λίτρα ανά ώρα - εκατό χιλιάδες λίτρα ανά έτος, ακόμη και με μέτρια χρήση - οι αντλίες υδροβολής δημιουργούν υψηλό κόστος λειτουργίας για το γλυκό νερό και τα λύματα. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι το υψηλό επίπεδο θορύβου και η κακή περιβαλλοντική συμβατότητα, καθώς όλες οι ουσίες και οι ατμοί διαλυτών που αντλούνται από τις εφαρμογές καταλήγουν στα λύματα.
Η αντλία εκτόξευσης νερού είναι μια αντλία εκτόξευσης προωθητικού μέσου στην οποία το νερό ρέει μέσω ενός ακροφυσίου. Ως αποτέλεσμα του υψηλού ρυθμού ροής αναπτύσσεται κενό. Το τελικό κενό που επιτυγχάνεται εξαρτάται από την πίεση και τη θερμοκρασία του νερού (για το νερό, 3,2 kPa ή 0,46 psi ή 32 mbar στους 25 °C ή 77 °F). Εάν δεν ληφθεί υπόψη η πηγή του εργαζόμενου υγρού, οι εκτοξευτήρες κενού μπορεί να είναι σημαντικά πιο συμπαγείς από μια αυτοτροφοδοτούμενη αντλία κενού της ίδιας ισχύος. Κατά προσέγγιση κόστος ~25-$30. Όσο χαμηλότερη είναι η πίεση εισαγωγής, τόσο περισσότερο μειώνεται η ικανότητα αναρρόφησης. Οι αντλίες εκτόξευσης νερού διακρίνονται για το πολύ χαμηλό κόστος απόκτησης και την αντοχή τους στη διάβρωση. Ωστόσο, είναι σταθερές. Για τη χρήση τους, οι συνδέσεις νερού και λυμάτων πρέπει να τοποθετούνται σε εργαστηριακά τραπέζια και σε απορροφητήρες. Λόγω της τυπικής κατανάλωσης νερού που ανέρχεται σε αρκετές εκατοντάδες λίτρα ανά ώρα - εκατό χιλιάδες λίτρα ανά έτος, ακόμη και με μέτρια χρήση - οι αντλίες υδροβολής δημιουργούν υψηλό κόστος λειτουργίας για το γλυκό νερό και τα λύματα. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι το υψηλό επίπεδο θορύβου και η κακή περιβαλλοντική συμβατότητα, καθώς όλες οι ουσίες και οι ατμοί διαλυτών που αντλούνται από τις εφαρμογές καταλήγουν στα λύματα.
Επιλογή αντλίας κενού
Στο υπόγειο εργαστήριο χημείας, το κενό συγκαταλέγεται στον βασικό εξοπλισμό των εργαστηριακών θέσεων εργασίας. Κατά συνέπεια, η παροχή κενού αποτελεί ήδη αναπόσπαστο μέρος του σχεδιασμού νέων εργαστηρίων, καθώς είναι απαραίτητη για πολλές εφαρμογές - είτε πρόκειται για εξάτμιση, απόσταξη, ξήρανση ή απλά αναρρόφηση ή διήθηση. Αυτές οι εφαρμογές ακατέργαστου κενού εξυπηρετούνται καλύτερα από χημικές αντλίες διαφράγματος.
Ασφάλεια
Θα πρέπει να δίνεται προσοχή στην αποφυγή εκτόνωσης επιβλαβών ατμών στην ατμόσφαιρα του εργαστηρίου. Τα καυσαέρια της αντλίας θα πρέπει να διοχετεύονται σε απορροφητήρα ή να είναι εφοδιασμένα με κατάλληλο καθαριστή ή φίλτρο. Όταν σπάσουν, τα εκκενωμένα γυάλινα σκεύη θρυμματίζονται και εκρήγνυνται βίαια, στέλνοντας θραύσματα να πετάξουν με μεγάλη ταχύτητα. Ελέγξτε τα γυάλινα σκεύη σας για ρωγμές και ελαττώματα πριν εφαρμόσετε κενό αέρος.
Last edited:
