Введение
Вакуумное снабжение обычно является неотъемлемой частью планирования лабораторий в общественных или частных зданиях. Она сложнее, чем другие трубопроводные коммуникации, поскольку требования к вакуумной технологии в лаборатории синтеза отличаются от требований, предъявляемых, например, в аналитической лаборатории или лаборатории клеточной биологии. Эти разные требования не могут быть удовлетворены с помощью одного и того же источника вакуума. Чтобы удовлетворить потребность в вакуумном снабжении, соответствующем конкретным условиям применения, необходимо выяснить конкретные требования на ранней стадии планирования. "Правильный инструмент экономит время" - старая поговорка ремесленников, которая применима и к вакууму, поставляемому в каждую лабораторию. То ли потому, что вакуум плохо изучен, поскольку системы трубопроводов кажутся похожими на газовые, то ли потому, что традиционная практика диктует единую систему для всего здания, но уникальные требования к вакуумному снабжению часто упускаются из виду в процессе планирования лаборатории. Тем не менее, для многих применений специализированный вакуум имеет неоценимое значение. Соответствующий вакуум позволяет химикам достигать желаемых результатов быстрее, безопаснее, удобнее и воспроизводимее. Данная тема предназначена для ознакомления специалистов по планированию небольших лабораторий, подпольных химиков и производителей лекарств с важными аспектами планирования вакуумного обеспечения лабораторий.
Что такое вакуум?
Вакуум в лабораторных условиях - это просто давление ниже атмосферного. Существенными качествами вакуума, определяющими его полезность в конкретном лабораторном применении, являются глубина вакуума - насколько ниже атмосферного давления, и скорость откачки, то есть насколько быстро воздух, пары или газы могут быть удалены из откачиваемого сосуда.
Применение
Многие химики используют вакуум каждый день. Но как они его используют? Вакуум используется для многих стандартных задач при подготовке и обработке продуктов синтеза. В большинстве случаев вакуум не является основным элементом, а играет важную вспомогательную роль. Наиболее известные области применения лабораторного вакуума - фильтрация и сушка. Конечно, вы можете фильтровать без вакуума - как при варке кофе, - позволяя силе тяжести делать работу за вас. Проблема в том, что в лабораторных условиях этот процесс часто оказывается слишком медленным из-за широкого спектра растворителей и твердых веществ. Чтобы ускорить процесс, в колбе с фильтром (колбе Бюхнера) для всасывающей (вакуумной) фильтрации создается низкое давление, то есть вакуум.
Фильтрация с помощью химически стойкого вакуумного насоса
В процессе сушки, напротив, цель состоит в том, чтобы изменить состояние образца с жидкого на газообразное. Мы могли бы просто разрешить сушке происходить, как мы сушим белье на воздухе. Как и в случае с фильтрацией, этот процесс также займет слишком много времени, поэтому здесь также используется вакуум, чтобы ускорить процесс с помощью вакуумных осушителей. Для достижения того же эффекта можно использовать тепло, но при снижении уровня давления для испарения растворителей требуется меньше тепловой энергии. Таким образом, использование вакуума позволяет эффективно высушивать термочувствительные образцы.
Вакуумные системы, используемые в лабораториях, зависят от научной дисциплины, и для разных областей применения существуют свои требования к вакууму. Фильтрация - процесс, используемый практически во всех лабораториях. Синтетические лаборатории, в которых производятся твердые вещества (мет, амф, мефедрон, МДМА и т.д.), обычно используют вакуум для сушки. Все эти приложения требуют вакуума в диапазоне "грубого вакуума" - от 1 до 1000 мбар.
В химических лабораториях для испарительного разделения смесей веществ, например растворителей, используются многочисленные вакуумные технологии. Наиболее известным примером является ротационное выпаривание, для которого точный контроль и регулирование давления предъявляют значительные требования к насосам и технике управления в диапазоне грубого вакуума. Это оборудование позволяет быстро испарять растворители без интенсивного нагрева, а также рекуперировать растворители после синтеза из отходов.
Напротив, линия Шленка и вакуумная дистилляция, также распространенные в химических лабораториях, требуют вакуума в диапазоне тонкого вакуума. Этот метод используется, когда температура кипения нужного соединения труднодостижима или приводит к его разложению. Пониженное давление снижает температуру кипения соединений.
Насосы
МембранныеМембранные насосы используют гибкую мембрану и набор обратных клапанов для создания давления перекачки и обычно создают низкий или средний вакуум. Они часто устойчивы к растворителям и слабоагрессивным парам, что делает их полезными для роторных испарителей, но их неспособность создавать высокий вакуум ограничивает их применение. Мембранные насосы часто не требуют масла. Этот тип насосов может создавать вакуум до 1,5 мбар. Основным недостатком является производимый шум до 50-60 дБ и необходимость периодического обслуживания (замена масла и мембран). Мембранные насосы стоят от ~450-$500.
Пластинчато-роторные
Пластинчато-роторные насосы также являются распространенным типом вакуумных насосов, причем двухступенчатые насосы могут достигать давления значительно ниже 10-6 бар. Пластинчато-роторные насосы используют вращающиеся наборы круглых лопастей в эллиптической полости для создания давления откачки и могут достигать среднего и высокого вакуума. Если ваш насос требует замены масла, скорее всего, это пластинчато-роторный насос. Хотя они могут достигать более высокого вакуума, чем мембранные насосы, они легко повреждаются растворителями или коррозийными парами. Необходимо принять меры для предотвращения попадания вредных паров в насос такого типа, например, установить холодную ловушку, поскольку загрязнение может значительно снизить эффективность и срок службы насоса. Ориентировочная стоимость от 150 до 200 долларов.
Пластинчато-роторные насосы также являются распространенным типом вакуумных насосов, причем двухступенчатые насосы могут достигать давления значительно ниже 10-6 бар. Пластинчато-роторные насосы используют вращающиеся наборы круглых лопастей в эллиптической полости для создания давления откачки и могут достигать среднего и высокого вакуума. Если ваш насос требует замены масла, скорее всего, это пластинчато-роторный насос. Хотя они могут достигать более высокого вакуума, чем мембранные насосы, они легко повреждаются растворителями или коррозийными парами. Необходимо принять меры для предотвращения попадания вредных паров в насос такого типа, например, установить холодную ловушку, поскольку загрязнение может значительно снизить эффективность и срок службы насоса. Ориентировочная стоимость от 150 до 200 долларов.
Водоструйный насос
Водоструйный насос - это движущий струйный насос, в котором вода проходит через сопло. В результате высокой скорости потока создается вакуум. Конечный вакуум, который должен быть достигнут, зависит от давления и температуры воды (для воды - 3,2 кПа, или 0,46 фунтов на квадратный дюйм, или 32 мбар при 25 °C или 77 °F). Если не принимать во внимание источник рабочей жидкости, вакуумные эжекторы могут быть значительно компактнее, чем автономный вакуумный насос той же мощности. Приблизительная стоимость ~25-30 долларов. Чем ниже давление на входе, тем больше падает мощность всасывания. Водоструйные насосы отличаются очень низкой стоимостью приобретения и устойчивостью к коррозии. Однако они являются стационарными. Для их использования необходимо устанавливать на лабораторных столах и в вытяжных шкафах патрубки для подачи воды и сточных вод. Из-за типичного потребления воды в несколько сотен литров в час - сто тысяч литров в год даже при умеренном использовании - водоструйные насосы создают высокие эксплуатационные расходы на пресную воду и сточные воды. Еще одним недостатком является высокий уровень шума и плохая экологичность, поскольку все вещества и пары растворителей, перекачиваемые из установок, попадают в сточные воды.
Водоструйный насос - это движущий струйный насос, в котором вода проходит через сопло. В результате высокой скорости потока создается вакуум. Конечный вакуум, который должен быть достигнут, зависит от давления и температуры воды (для воды - 3,2 кПа, или 0,46 фунтов на квадратный дюйм, или 32 мбар при 25 °C или 77 °F). Если не принимать во внимание источник рабочей жидкости, вакуумные эжекторы могут быть значительно компактнее, чем автономный вакуумный насос той же мощности. Приблизительная стоимость ~25-30 долларов. Чем ниже давление на входе, тем больше падает мощность всасывания. Водоструйные насосы отличаются очень низкой стоимостью приобретения и устойчивостью к коррозии. Однако они являются стационарными. Для их использования необходимо устанавливать на лабораторных столах и в вытяжных шкафах патрубки для подачи воды и сточных вод. Из-за типичного потребления воды в несколько сотен литров в час - сто тысяч литров в год даже при умеренном использовании - водоструйные насосы создают высокие эксплуатационные расходы на пресную воду и сточные воды. Еще одним недостатком является высокий уровень шума и плохая экологичность, поскольку все вещества и пары растворителей, перекачиваемые из установок, попадают в сточные воды.
Выбор вакуумного насоса
В подземной химической лаборатории вакуум входит в число основного оборудования для лабораторных рабочих мест. Следовательно, подача вакуума уже является неотъемлемой частью планирования новых лабораторий, поскольку он необходим для многих применений - будь то испарение, дистилляция, сушка или просто аспирация или фильтрация. Для решения этих задач с грубым вакуумом лучше всего подходят химические мембранные насосы.
Безопасность
Необходимо следить за тем, чтобы избежать выброса вредных паров в атмосферу лаборатории. Выхлоп насоса должен отводиться в вытяжной шкаф или оснащаться соответствующим скруббером или фильтром. При разбивании откачиваемая стеклянная посуда разбивается вдребезги и разлетается с большой скоростью, выбрасывая осколки. Перед применением вакуума проверьте стеклянную посуду на наличие трещин и дефектов.
Last edited:
