Bevezetés
A vákuumellátás általában szerves részét képezi a köz- vagy magánépületekben található laboratóriumok tervezésének. Ez összetettebb, mint más csővezetékes közművek, mivel a vákuumtechnológiával szemben támasztott követelmények mások egy szintézislaboratóriumban, mint például egy analitikai vagy sejtbiológiai laboratóriumban. Ezeket az eltérő követelményeket nem lehet ugyanazzal a vákuumellátással kielégíteni. Az alkalmazásokhoz igazodó vákuumellátás igényének kielégítése érdekében a konkrét követelményeket már a tervezési fázisban tisztázni kell. "A megfelelő szerszám időt takarít meg" - ez a mesteremberek régi mondása, amely az egyes laboratóriumok vákuumellátására is érvényes. Akár azért, mert a vákuumot kevéssé ismerik, mert a csőrendszerek annyira hasonlónak tűnnek a vezetékes gázokhoz, akár azért, mert a hagyományos gyakorlat egyetlen, az egész épületre kiterjedő rendszert diktált, a vákuumellátás egyedi követelményeit gyakran figyelmen kívül hagyják a laboratóriumi tervezési folyamat során. Ennek ellenére számos alkalmazás esetében a személyre szabott vákuum felbecsülhetetlen értékű. A megfelelő vákuum lehetővé teszi a vegyészek számára, hogy a kívánt eredményeket gyorsabban, biztonságosabban, kényelmesebben és reprodukálhatóan is elérjék. Ez a téma a kis laboratóriumok tervezői, a földalatti vegyészek és a gyógyszergyártók számára kíván első eligazítást nyújtani a laboratóriumok vákuumellátásának tervezésénél figyelembe veendő fontos szempontokról.
Mi az a vákuum?
A laboratóriumban használt vákuum egyszerűen a légköri nyomás alatti nyomás. Avákuum alapvető tulajdonságai, amelyek meghatározzák annak hasznosságát bármely konkrét laboratóriumi alkalmazásban, a vákuum mélysége - mennyivel a légköri nyomás alatt - és a szivattyúzási sebesség, azaz milyen gyorsan lehet eltávolítani a levegőt, gőzöket vagy gázokat a kiürítendő edényből.
Alkalmazás
Sok vegyész használja nap mint nap a vákuumot. De hogyan használják? A vákuumot számos szabványos alkalmazásban használják a szintézis termékek előállítása és feldolgozása során. A legtöbb esetben a vákuum nem a középpontban van, hanem lényeges támogató szerepet játszik. A legismertebb laboratóriumi vákuumalkalmazások a szűrés és a szárítás. Természetesen szűrhet vákuum nélkül is - mint a kávéfőzés -, ha hagyja, hogy a gravitáció elvégezze a munkát Ön helyett. A probléma az, hogy a laboratóriumban a folyamat gyakran túl lassúnak bizonyul az oldószerek és szilárd anyagok széles spektruma miatt. A folyamat felgyorsítása érdekében egy szűrőlombikban (Büchner-lombik) alacsony nyomást - azaz vákuumot - hoznak létre a szívó (vákuum) szűréshez.
Szűrés egy vegyszerálló vákuumszivattyú segítségével.
A szárítási folyamat során viszont a cél a minta állapotának folyadékból gázneművé változtatása. Egyszerűen hagyhatjuk, hogy a szárítás megtörténjen, ahogyan a levegőn szárítjuk a szennyest. A szűréshez hasonlóan ez a folyamat is túl sok időt venne igénybe, ezért itt is vákuumot használunk, hogy a folyamatot felgyorsítsuk a Vákuum-exszikkátorok segítségével. Ugyanezt a hatást hővel is el lehetne érni, de a nyomásszint csökkentésével kevesebb hőenergia szükséges az oldószerek elpárologtatásához. Így a vákuum használata lehetővé teszi a hőérzékeny mintaanyagok hatékony szárítását.
A laboratóriumokban használt vákuumalkalmazások a tudományos tudományágtól függően változnak, és a különböző alkalmazásoknak eltérő vákuumkövetelményei vannak. A szűrés szinte minden laboratóriumban alkalmazott eljárás. A szintetikus laboratóriumok, amelyekben valamilyen szilárd anyagot állítanak elő (metamfetamin, amfetamin, mefedron, MDMA stb.), általában vákuumot használnak szárításra. Ezek az alkalmazások mind a "durva vákuum" tartományban - 1 és 1000 mbar között - igényelnek vákuumot.
A kémiai laboratóriumokban számos vákuummal hajtott technológiát használnak anyagok keverékeinek, például oldószereknek a párologtatásos elválasztására. Alegismertebb példa erre a rotációs elpárologtatás, amelynél a pontos vezérlés és nyomásszabályozás jelentős követelményeket támaszt a szivattyú- és vezérléstechnológiával szemben a durva vákuumtartományban. Ez a berendezés lehetővé teszi az oldószerek gyors elpárologtatását intenzív fűtés nélkül, továbbá a szintézis után a hulladékból visszanyerhetők az oldószerek.
Ezzel szemben a kémiai laboratóriumokban szintén elterjedt Schlenk-vonal és a vákuumdesztilláció a finomvákuum-tartományban lévő vákuumot igényel. Ezt a technikát akkor alkalmazzák, ha a kívánt vegyület forráspontját nehéz elérni, vagy a vegyület bomlásához vezet. Acsökkentett nyomás csökkenti a vegyületek forráspontját.
Szivattyúk
MembránA membránszivattyúk egy rugalmas membránt és egy sor visszacsapószelepet használnak a szivattyúnyomás előállításához, és jellemzően alacsony vagy közepes üresjáratot állítanak elő. Gyakran ellenállnak az oldószeres és enyhén maró gőzöknek, így hasznosak a rotációs elpárologtatókban, de a nagy vákuum előállítására való képtelenségük korlátozza a hasznosságukat. A membránszivattyúk gyakran nem igényelnek olajat. Az ilyen típusú szivattyúk 1,5 mbar vákuumot állíthatnak elő. Fő hátránya az 50-60 dB-es zaj és az időszakos karbantartás (olaj- és membráncsere) szükségessége. Amembránszivattyúk ára ~450-$500 között van.
Forgószárnyas szivattyúk
A forgószárnyas szivattyúk szintén a vákuumszivattyúk elterjedt típusa, a kétfokozatú szivattyúk jóval 10-6 bar alatti nyomást képesek elérni. A forgólapátos szivattyúk egy ellipszis alakú üregben forgó, kör alakú lapátkészleteket használnak a szivattyúnyomás létrehozásához, és közepes vagy nagy vákuumot érhetnek el. Ha az Ön szivattyúja olajcserét igényel, akkor valószínűleg forgólapátos szivattyúról van szó. Bár a membránszivattyúknál nagyobb vákuumot tudnak elérni, az oldószer vagy maró gőzök könnyen károsítják őket. Lépéseket kell tenni annak megakadályozására, hogy káros gőzök jussanak az ilyen típusú szivattyúkhoz, például hidegcsapda alkalmazásával, mivel a szennyeződés jelentősen csökkentheti a szivattyú hatékonyságát és élettartamát. Hozzávetőleges költség 150-200 USD.
A forgószárnyas szivattyúk szintén a vákuumszivattyúk elterjedt típusa, a kétfokozatú szivattyúk jóval 10-6 bar alatti nyomást képesek elérni. A forgólapátos szivattyúk egy ellipszis alakú üregben forgó, kör alakú lapátkészleteket használnak a szivattyúnyomás létrehozásához, és közepes vagy nagy vákuumot érhetnek el. Ha az Ön szivattyúja olajcserét igényel, akkor valószínűleg forgólapátos szivattyúról van szó. Bár a membránszivattyúknál nagyobb vákuumot tudnak elérni, az oldószer vagy maró gőzök könnyen károsítják őket. Lépéseket kell tenni annak megakadályozására, hogy káros gőzök jussanak az ilyen típusú szivattyúkhoz, például hidegcsapda alkalmazásával, mivel a szennyeződés jelentősen csökkentheti a szivattyú hatékonyságát és élettartamát. Hozzávetőleges költség 150-200 USD.
Vízsugárszivattyú
A vízsugárszivattyú egy hajtóanyagsugárszivattyú, amelyben a víz egy fúvókán keresztül áramlik. A nagy áramlási sebesség következtében vákuum alakul ki. Az elérendő végső vákuum a víznyomástól és a hőmérséklettől függ (víz esetében 3,2 kPa vagy 0,46 psi vagy 32 mbar 25 °C vagy 77 °F hőmérsékleten). Ha nem vesszük figyelembe a munkafolyadék forrását, akkor a vákuummeghajtók lényegesen kompaktabbak lehetnek, mint egy azonos teljesítményű önjáró vákuumszivattyú. Hozzávetőleges költség ~25-30 $. Minél alacsonyabb a szívónyomás, annál jobban csökken a szívóteljesítmény. A vízsugárszivattyúkat nagyon alacsony bekerülési költségük és korrózióállóságuk különbözteti meg. Ezek azonban helyhez kötöttek. Használatukhoz víz- és szennyvízcsatlakozásokat kell felszerelni laboratóriumi asztalokra és elszívókba. Az óránkénti több száz literes tipikus vízfogyasztás miatt - ami mérsékelt használat mellett is évi százezer liter - a vízsugárszivattyúk magas üzemeltetési költségeket generálnak a friss víz és a szennyvíz tekintetében. További hátrány a magas zajszint és a rossz környezeti kompatibilitás, mivel az alkalmazásokból kiszivattyúzott összes anyag és oldószergőz a szennyvízbe kerül.
A vízsugárszivattyú egy hajtóanyagsugárszivattyú, amelyben a víz egy fúvókán keresztül áramlik. A nagy áramlási sebesség következtében vákuum alakul ki. Az elérendő végső vákuum a víznyomástól és a hőmérséklettől függ (víz esetében 3,2 kPa vagy 0,46 psi vagy 32 mbar 25 °C vagy 77 °F hőmérsékleten). Ha nem vesszük figyelembe a munkafolyadék forrását, akkor a vákuummeghajtók lényegesen kompaktabbak lehetnek, mint egy azonos teljesítményű önjáró vákuumszivattyú. Hozzávetőleges költség ~25-30 $. Minél alacsonyabb a szívónyomás, annál jobban csökken a szívóteljesítmény. A vízsugárszivattyúkat nagyon alacsony bekerülési költségük és korrózióállóságuk különbözteti meg. Ezek azonban helyhez kötöttek. Használatukhoz víz- és szennyvízcsatlakozásokat kell felszerelni laboratóriumi asztalokra és elszívókba. Az óránkénti több száz literes tipikus vízfogyasztás miatt - ami mérsékelt használat mellett is évi százezer liter - a vízsugárszivattyúk magas üzemeltetési költségeket generálnak a friss víz és a szennyvíz tekintetében. További hátrány a magas zajszint és a rossz környezeti kompatibilitás, mivel az alkalmazásokból kiszivattyúzott összes anyag és oldószergőz a szennyvízbe kerül.
Vákuumszivattyú kiválasztása
A földalatti kémiai laboratóriumban a vákuum a laboratóriumi munkaállomások alapfelszerelései közé tartozik. Következésképpen a vákuumellátás már az új laboratóriumok tervezésének szerves részét képezi, mivel számos alkalmazáshoz szükséges - legyen szó elpárologtatásról, desztillációról, szárításról vagy egyszerűen csak szívásról vagy szűrésről. Ezeket a durva vákuumos alkalmazásokat a legjobban a kémiai membránszivattyúk szolgálják ki.
Biztonság
Ügyelni kell arra, hogy a laboratóriumi légkörbe ne kerüljenek káros gőzök. A szivattyú kipufogógázát vagy egy füstelvezetőbe kell elvezetni, vagy megfelelő mosóval vagy szűrővel kell ellátni. Töréskor a kiürített üvegedények összetörnek és hevesen implodálnak, nagy sebességgel repítve a szilánkokat. Avákuum alkalmazása előtt ellenőrizze az üvegeszközöket repedések és hibák szempontjából.
Last edited:
