sponsorowaneLaboratoryjne systemy próżniowe Projektowanie i optymalizacja pod kątem wydajnej eksploatacji

Systemy próżniowe w laboratorium często działają w tle. Co jednak się dzieje, gdy pompy wstępne są nieefektywnie zaprojektowane? Przykład z praktyki pokazuje, dlaczego architektura systemu próżniowego ma decydujący wpływ na koszty, stabilność i warunki pracy.

Ukryty bohater pracy w laboratorium

Odwiedzając laboratorium analityczne, można spotkać się z technologią próżniową. Próżnia zapobiega na przykład rozpraszaniu jonów w spektrometrach masowych i zapewnia pomiary stosunku masy do ładunku. Wiele innych procesów laboratoryjnych nie mogłoby funkcjonować bez technologii próżniowej.

Technika próżniowa znajduje zastosowanie w wielu zastosowaniach laboratoryjnych, jak pokazuje rysunek 1:

Przykładami są przyrządy analityczne, zastosowania w syntezie preparatywnej oraz nauki o powierzchniach.

Niewydajne konfiguracje próżniowe

Systemy próżniowe w laboratorium muszą zapewniać wymagane warunki pracy. Nieoptymalne konfiguracje próżniowe mogą utrudniać osiągnięcie tego celu.

Niewystarczające zasilanie próżniowe może powodować następujące skutki:

• Awaria urządzenia
• Zwiększone nakłady na konserwację
• Zwiększone zużycie energii
• Zwiększony poziom hałasu
• Podwyższony poziom drgań

• Zwiększone ryzyko zanieczyszczenia
• Mniej stabilne warunki próżniowe
• Wahania wyników analitycznych lub eksperymentalnych

Koszty bezpośrednie wynikają z przestojów, skróconych okresów między przeglądami oraz niepotrzebnego zużycia energii, natomiast koszty pośrednie wynikają między innymi ze zwiększonych kosztów osobowych. Podwyższony poziom hałasu i drgań obniża jakość warunków pracy.

Zoptymalizowane zasilanie próżniowe obniża koszty eksploatacji, zwiększa stabilność procesu i może poprawić warunki pracy dzięki zmniejszeniu emisji hałasu.

Inne aspekty zoptymalizowanego zasilania próżniowego:

• Wzajemne oddziaływanie kilku pomp i wymagane ciśnienie wstępnej próżni: Wiele zastosowań laboratoryjnych wymaga wysokiej próżni, którą zazwyczaj uzyskuje się poprzez kilka stopni pompowania. Ciśnienie wstępnej próżni jest ważnym parametrem projektowym. Zbyt mała pompa wstępna może pogorszyć wydajność próżniową całego systemu. Z kolei zbyt duże wymiarowanie prowadzi do zwiększonego zapotrzebowania na energię.
• Inteligentne pompy: pompy próżniowe z regulacją prędkości obrotowej dostosowują swój punkt pracy do procesu, co zmniejsza zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz obciążenie mechaniczne ruchomych elementów. Ponadto zmniejsza się poziom hałasu i drgań.
• Zastąpienie kilku małych pomp próżniowych jedną większą: W wielu laboratoriach równolegle pracuje kilka przyrządów, z których każdy wykorzystuje zewnętrzne pompy wstępne. Jedna większa, odpowiednio dobrana pompa wstępna może zwiększyć wydajność i zmniejszyć zapotrzebowanie na miejsce.
• Centralne zasilanie próżniowe zamiast zdecentralizowanego zasilania indywidualnego: system centralny zapewnia określony poziom próżni i zasila wiele stanowisk pracy lub instrumentów. W porównaniu z rozwiązaniami indywidualnymi może poprawić wydajność, ułatwić planowanie konserwacji oraz zmniejszyć emisję ciepła i hałasu.
• Redundancja: Awaria układu wytwarzania próżni powoduje przestój, nieprawidłowe pomiary lub zakłócenia w procesie. Redundancja zmniejsza ryzyko związane z pojedynczym punktem awarii.

Centralny system zasilania próżnią wstępną w firmie Eurofins Umwelt West GmbH

Firma Eurofins Umwelt West GmbH z siedzibą w Wesseling zajmuje się analizą zanieczyszczeń środowiskowych w próbkach wody, powietrza i gleby. W laboratoriach wykorzystywanych jest wiele systemów GC/MS, a każdy z nich posiada własny układ podciśnieniowy.

Duża liczba pomp wstępnych smarowanych olejem spowodowała następujące wyzwania:

• Podniosły poziom hałasu w laboratorium.
• Ciepło odpadowe wytwarzane przez pompy musiało być odprowadzane przez system klimatyzacji, co powodowało dodatkowe koszty.
• Każda pompa wymagała regularnej konserwacji.
• Zużycie energii przez pompy było znaczne
• Istniało ryzyko cofnięcia się oparów oleju (węglowodorów).

Pierwotna konfiguracja wykazywała potencjał optymalizacji. W związku z tym dziesięć smarowanych olejem pomp rotacyjnych zastąpiono dwiema pompami próżniowymi typu scroll. Obliczenia przewidywanego przepływu gazu potwierdziły, że jedna pompa HiScroll 18 może zasilać wszystkie dziesięć spektrometrów masowych. Druga pompa zapewnia rezerwę na wypadek awarii lub konserwacji. Rysunek 2 przedstawia w uproszczonej formie zoptymalizowany schemat próżniowy w laboratorium.

Każdy moduł HiScroll (1) zasila pięć systemów GC/MS (5) próżnią wstępną. Oba przewody próżni wstępnej są połączone za pomocą sterowanego zaworu kątowego (3). Sterownik (OmniControl, 2) otwiera zawór w przypadku awarii pompy. Taki układ gwarantuje, że podczas konserwacji lub awarii wszystkie dziesięć systemów GC/MS nadal otrzymuje próżnię wstępną. W celu ułatwienia konserwacji przyrządów zainstalowano zawory ręczne (4).

Zużycie energii związane z pracą pomp spadło o 60–70 %. Ponadto zmniejszyło się zapotrzebowanie na klimatyzację, ponieważ dzięki mniejszej aktywności pomp zmniejszyło się wydzielanie ciepła. Wyeliminowano konieczność utylizacji oleju, a warunki pracy uległy poprawie dzięki niższym poziomom hałasu.

Podsumowanie

Systemy próżniowe stanowią niezbędną infrastrukturę laboratoryjną. Mają one wpływ na stabilność analityczną, dostępność urządzeń, zużycie energii, ryzyko zanieczyszczenia oraz warunki pracy. Często systemy próżni wstępnej są projektowane osobno dla każdego urządzenia, a nie dla całej instalacji. Może to obniżyć wydajność i stabilność pracy. Ważnymi środkami optymalizacyjnymi są odpowiednio dobrane stopnie pompowania, określone ciśnienie wstępnej próżni, centralne zasilanie próżniowe oraz redundancja. Przykładem tego jest przypadek firmy Eurofins Umwelt West GmbH: dziesięć pomp rotacyjnych w systemach GC/MS zostało zastąpionych dwiema pompami spiralnymi w konfiguracji redundantnej. Dzięki temu zużycie energii związane z pracą pomp spadło o 60–70%, zmniejszyło się zapotrzebowanie na klimatyzację oraz nakłady na konserwację. Ponadto wyeliminowano konieczność utylizacji oleju, a warunki pracy uległy poprawie. Rozwiązania scentralizowane nie zawsze są konieczne, ale mogą przynosić korzyści w przypadku większej liczby przyrządów. Architektura próżniowa powinna zatem być traktowana w działalności laboratoryjnej jako strategiczny parametr projektowy.