Wprowadzenie
Zasilanie próżniowe jest zwykle integralną częścią planowania laboratoriów w budynkach publicznych lub prywatnych. Jest ono bardziej złożone niż inne instalacje rurowe, ponieważ wymagania dotyczące technologii próżniowej są inne w laboratorium syntezy niż na przykład w laboratorium analitycznym lub laboratorium biologii komórkowej. Te różne wymagania nie mogą być spełnione przy użyciu tego samego systemu zasilania próżniowego. Aby zaspokoić potrzebę zasilania próżniowego dostosowanego do zastosowań, konkretne wymagania należy wyjaśnić na wczesnym etapie planowania. "Właściwe narzędzie oszczędza czas" to stare powiedzenie rzemieślników, które odnosi się do podciśnienia dostarczanego do każdego laboratorium. Czy to dlatego, że próżnia jest słabo rozumiana, ponieważ systemy rurociągów wydają się tak podobne do rurociągów gazowych, czy też dlatego, że tradycyjna praktyka nakazuje stosowanie jednego systemu w całym budynku, unikalne wymagania dotyczące dostarczania próżni są często pomijane w procesie planowania laboratorium. Niemniej jednak w wielu zastosowaniach dostosowana próżnia jest nieoceniona. Odpowiednia próżnia pozwala chemikom osiągać pożądane wyniki szybciej, bezpieczniej, wygodniej i w sposób powtarzalny. Niniejszy temat ma na celu wstępne zorientowanie planistów małych laboratoriów, chemików pracujących w podziemiu i producentów leków w ważnych kwestiach związanych z planowaniem podciśnienia w laboratoriach.
Czym jest próżnia?
Próżnia stosowana w laboratoriach to po prostu ciśnienie niższe od ciśnienia atmosferycznego. Zasadniczymi cechami próżni, które określają jej przydatność w każdym konkretnym zastosowaniu laboratoryjnym, są głębokość próżni - o ile poniżej ciśnienia atmosferycznego oraz prędkość pompowania, czyli jak szybko można usunąć powietrze, opary lub gazy z ewakuowanego naczynia.
Zastosowanie
Wielu chemików używa próżni na co dzień. Ale w jaki sposób? Próżnia jest wykorzystywana w wielu standardowych zastosowaniach podczas przygotowywania i przetwarzania produktów syntezy. W większości przypadków próżnia nie jest w centrum uwagi, ale odgrywa istotną rolę pomocniczą. Najbardziej znane zastosowania próżni w laboratoriach to filtracja i suszenie. Oczywiście można filtrować bez próżni - jak w przypadku parzenia kawy - pozwalając grawitacji wykonać pracę za nas. Problem polega na tym, że w laboratorium proces ten często okazuje się zbyt powolny ze względu na szerokie spektrum rozpuszczalników i substancji stałych. Aby przyspieszyć ten proces, w kolbie filtrującej (kolbie Büchnera) wytwarzane jest niskie ciśnienie - tj. próżnia - na potrzeby filtracji ssącej (próżniowej).
Filtracja za pomocą odpornej na chemikalia pompy próżniowej
Z kolei w procesie suszenia celem jest zmiana stanu próbki z ciekłego na gazowy. Moglibyśmy po prostu pozwolić na suszenie, tak jak suszymy pranie na powietrzu. Podobnie jak w przypadku filtracji, proces ten również zająłby zbyt dużo czasu, więc próżnia jest tu również wykorzystywana do przyspieszenia procesu za pomocą eksykatorów próżniowych. Ciepło może być wykorzystane do osiągnięcia tego samego efektu, ale poprzez obniżenie poziomu ciśnienia, mniej energii cieplnej jest potrzebne do odparowania rozpuszczalników. Tak więc zastosowanie próżni umożliwia skuteczne suszenie wrażliwych na ciepło materiałów próbek.
Zastosowania próżni w laboratoriach różnią się w zależności od dyscypliny naukowej, a różne zastosowania mają różne wymagania dotyczące próżni. Filtracja jest procesem wykorzystywanym w niemal wszystkich laboratoriach. Laboratoria syntetyczne, w których wytwarza się substancje stałe (metamfetamina, amfetamina, mefedron, MDMA itp.), często wykorzystują podciśnienie do suszenia. Wszystkie te zastosowania wymagają próżni w zakresie "próżni zgrubnej" - od 1 do 1000 mbar.
W laboratoriach chemicznych do odparowywania mieszanin substancji, takich jak rozpuszczalniki, stosuje się wiele technologii wykorzystujących podciśnienie. Najbardziej znanym tego przykładem jest odparowywanie rotacyjne, w przypadku którego precyzyjne sterowanie i regulacja ciśnienia nakładają znaczne wymagania dotyczące technologii pomp i sterowania w zakresie próżni zgrubnej. Sprzęt ten umożliwia szybkie odparowywanie rozpuszczalników bez intensywnego ogrzewania, a także odzyskiwanie rozpuszczalników po syntezie z odpadów.
Z kolei linia Schlenka i destylacja próżniowa, również powszechnie stosowane w laboratoriach chemicznych, wymagają próżni w zakresie próżni dokładnej. Technika ta jest stosowana, gdy temperatura wrzenia pożądanego związku jest trudna do osiągnięcia lub spowoduje jego rozkład. Obniżone ciśnienie obniża temperaturę wrzenia związków.
Pompy
MembranowePompy membranowe wykorzystują elastyczną membranę i zestaw zaworów zwrotnych do wytwarzania ciśnienia pompowania i zazwyczaj wytwarzają niskie lub średnie ciśnienie próżni. Są one często odporne na rozpuszczalniki i lekko korozyjne opary, co czyni je przydatnymi w wyparkach obrotowych, ale ich niezdolność do wytwarzania wysokiego podciśnienia ogranicza ich użyteczność. Pompy membranowe często nie wymagają oleju. Pompy tego typu mogą wytwarzać podciśnienie do 1,5 mbar. Główną wadą jest wytwarzany hałas do 50-60 dB i konieczność okresowej konserwacji (wymiana oleju i membran). Pompy membranowe kosztująod ~450 do 500 USD.
Rotacyjne pompyłopatkowe
Rotacyjne pompy łopatkowe są również popularnym typem pomp próżniowych, z dwustopniowymi pompami zdolnymi do osiągnięcia ciśnienia znacznie poniżej 10-6 barów. Pompy łopatkowe wykorzystują obracające się zestawy okrągłych łopatek w eliptycznej wnęce do wytworzenia ciśnienia pompowania i mogą osiągnąć średnią do wysokiej próżni. Jeśli pompa wymaga wymiany oleju, prawdopodobnie jest to rotacyjna pompa łopatkowa. Chociaż mogą one osiągać wyższe podciśnienie niż pompy membranowe, łatwo ulegają uszkodzeniu przez rozpuszczalniki lub żrące opary. Należy podjąć kroki, aby zapobiec przedostawaniu się szkodliwych oparów do tego typu pompy, takie jak wdrożenie zimnej pułapki, ponieważ zanieczyszczenie może znacznie zmniejszyć wydajność i żywotność pompy. Przybliżony koszt od 150 do 200 USD.
Rotacyjne pompy łopatkowe są również popularnym typem pomp próżniowych, z dwustopniowymi pompami zdolnymi do osiągnięcia ciśnienia znacznie poniżej 10-6 barów. Pompy łopatkowe wykorzystują obracające się zestawy okrągłych łopatek w eliptycznej wnęce do wytworzenia ciśnienia pompowania i mogą osiągnąć średnią do wysokiej próżni. Jeśli pompa wymaga wymiany oleju, prawdopodobnie jest to rotacyjna pompa łopatkowa. Chociaż mogą one osiągać wyższe podciśnienie niż pompy membranowe, łatwo ulegają uszkodzeniu przez rozpuszczalniki lub żrące opary. Należy podjąć kroki, aby zapobiec przedostawaniu się szkodliwych oparów do tego typu pompy, takie jak wdrożenie zimnej pułapki, ponieważ zanieczyszczenie może znacznie zmniejszyć wydajność i żywotność pompy. Przybliżony koszt od 150 do 200 USD.
Pompa wodna
Pompa wodna to pompa strumieniowa, w której woda przepływa przez dyszę. W wyniku wysokiego natężenia przepływu powstaje podciśnienie. Osiągana próżnia końcowa zależy od ciśnienia i temperatury wody (dla wody 3,2 kPa lub 0,46 psi lub 32 mbar w temperaturze 25°C lub 77°F). Jeśli nie brać pod uwagę źródła płynu roboczego, eżektory próżniowe mogą być znacznie bardziej kompaktowe niż samozasilająca się pompa próżniowa o tej samej wydajności. Przybliżony koszt ~25-30 USD. Im niższe ciśnienie wlotowe, tym bardziej spada wydajność ssania. Pompy strumieniowe wyróżniają się bardzo niskimi kosztami zakupu i odpornością na korozję. Są one jednak stacjonarne. Aby z nich korzystać, przyłącza wody i ścieków muszą być zamontowane na stołach laboratoryjnych i w wyciągach. Ze względu na typowe zużycie wody wynoszące kilkaset litrów na godzinę - sto tysięcy litrów rocznie, nawet przy umiarkowanym użytkowaniu - pompy strumieniowe generują wysokie koszty operacyjne dla świeżej wody i ścieków. Kolejną wadą jest wysoki poziom hałasu i słaba kompatybilność środowiskowa, ponieważ wszystkie substancje i opary rozpuszczalników pompowane z aplikacji trafiają do ścieków.
Pompa wodna to pompa strumieniowa, w której woda przepływa przez dyszę. W wyniku wysokiego natężenia przepływu powstaje podciśnienie. Osiągana próżnia końcowa zależy od ciśnienia i temperatury wody (dla wody 3,2 kPa lub 0,46 psi lub 32 mbar w temperaturze 25°C lub 77°F). Jeśli nie brać pod uwagę źródła płynu roboczego, eżektory próżniowe mogą być znacznie bardziej kompaktowe niż samozasilająca się pompa próżniowa o tej samej wydajności. Przybliżony koszt ~25-30 USD. Im niższe ciśnienie wlotowe, tym bardziej spada wydajność ssania. Pompy strumieniowe wyróżniają się bardzo niskimi kosztami zakupu i odpornością na korozję. Są one jednak stacjonarne. Aby z nich korzystać, przyłącza wody i ścieków muszą być zamontowane na stołach laboratoryjnych i w wyciągach. Ze względu na typowe zużycie wody wynoszące kilkaset litrów na godzinę - sto tysięcy litrów rocznie, nawet przy umiarkowanym użytkowaniu - pompy strumieniowe generują wysokie koszty operacyjne dla świeżej wody i ścieków. Kolejną wadą jest wysoki poziom hałasu i słaba kompatybilność środowiskowa, ponieważ wszystkie substancje i opary rozpuszczalników pompowane z aplikacji trafiają do ścieków.
Wybór pompy próżniowej
W podziemnym laboratorium chemicznym próżnia należy do podstawowego wyposażenia stanowisk laboratoryjnych. W związku z tym zasilanie próżniowe jest już integralną częścią planowania nowych laboratoriów, ponieważ jest potrzebne do wielu zastosowań - odparowywania, destylacji, suszenia lub po prostu zasysania lub filtracji. Wtych zastosowaniach najlepiej sprawdzają się chemiczne pompy membranowe.
Bezpieczeństwo
Należy zachować ostrożność, aby uniknąć przedostawania się szkodliwych oparów do atmosfery laboratorium. Wylot pompy powinien być odprowadzany do wyciągu lub wyposażony w odpowiedni skruber lub filtr. W przypadku stłuczenia, ewakuowane szkło pęka i gwałtownie imploduje, wyrzucając fragmenty z dużą prędkością. Przed zastosowaniem próżni należy sprawdzić szkło pod kątem pęknięć i wad.
Last edited:
