VZTAH VAKUOVÉ TECHNIKY K CHEMICKÉ ZÁTĚŽI A ŽIVOTNÍMU PROSTŘEDÍ

Rozhraní vakuum/chemie

Čerpání plynů a par, jakož i generace vakua v chemickém prostředí představuje svébytný problém čerpací a vakuové techniky1. Dílem proto, že je nutno věnovat mimořádnou pozornost rozhraní chemická látka/použitý materiál, dílem proto, že tenze či parciální tlak řady chemických látek jsou vysoké a jejich schopnost rozpouštět se v kapalinách tzv. náplňových čerpadel či napadat materiály použité ke konstrukci vývěv a zařízení je vysoká. Nezanedbatelnými faktory v této oblasti mohou být kromě kondenzovatelnosti2 a korozívní vlastnosti chemických látek i jejich toxicita či vlastnosti zatěžující životní prostředí, dále i častý požadavek nulové či minimální kontaminace vlastního prostředí chemického procesu. Po ošetření kontaminace vakua i životního prostředí se problém "chemicky" stratifikuje na dvě oblasti, oblast čerpání agresivních látek a čerpání látek snadno kondenzovatelných. Vzhledem ke zvolenému tématu je řešený problém omezen na malé až střední vakuum, neboť při velmi nízkých tlacích je starost o korozivitu či chemickou agresivnost prostředí anebo kondenzovatelnost čerpaných medií často zanedbatelná a vzhledem k nízkým parciálním tlakům a koncentracím bezpředmětná. Také ošetření čistoty vakua i praktické množství exhalátů představují naprosto jiný problém.

Design praktického vakuového zařízení musí maximalizovat poměr účinnost/náklady, prodloužit očekávanou dobu použití (statisticky např. před prvou závadou či údržbou), umožnit snadný servis bez ohrožení servisních techniků chemickými vlivy a maximálně snížit zatížení životního prostředí chemickými vlivy.

Chemická zátěž vs. úroveň vakua

Generaci vakua pro běžné použití v rámci tlaků mezi cca 10 a 0,1 kPa se věnuje málo pozornosti, protože je "relativně vyřešena". Minulé století a řada let následujících nás v této oblasti vybavilo technikou, která je, pravda, funkční, ale která období své konstrukce ztěžka zapře. Vodní vývěvy jako nejrozšířenější zástupce čerpadel této oblasti prodělaly dramatický vývoj v době, kdy se šetřilo vodou a skutečně se dnes vyskytují opravdu kvalitní typy s optimalizovanou účinností v poměru protékající voda vs. limitní vakuum, ať již jde o vývěvy skleněné3 nebo plastikové. Druhé z nich pro použitý materiál (v případě polystyrenu) komerčně selhaly, neboť v prostředí obsahujícím organická rozpouštědla bobtnaly. V provedení z bakelitu, tvrdého PVC a podobných materiálů byla chemická rezistence většinou vyhovující a v této podobě přetrvávají vyjímečně i dodnes. Elektricky ovládané solenoidní ventily dokáží dokonce zastavit průchod vody v době, kdy pracovník vývěvu nepoužívá, a to pouze na základě logického hodnocení úrovně vakua v systému. Vodní vývěvy nejsou použitelné tam, kde je tlak vody menší než 2 atm. či kde kolísá (vývěva se zahlcuje), kde je použitá voda nekvalitní (zasolená či obsahující mechanické nečistoty) a kde je vyžadováno vakuum lepší než 2 kPa a sací rychlost vyšší než 20 l/min. Pumpy byly proto dokonce v některých zařízeních vybaveny uzavřenými okruhy čerpané vody (s elektrickými čerpadly a chladícími zařízeními), které odstranily závislost na tlaku a teplotě vodovodní vody4,5. Příkladem může být Rotostat fy Huber či Lipno z VŠCHT Praha.

Jak u vodních vývěv použitých na rozhraní vodovod-odpad, tak u vodookružných systémů nebývá zabráněno tomu, aby značná část (i více než 50%) par těkavých látek byla strhávána do vody, ať již v roztoku či v heterogenní fázi6. Odcházejí pak s odpadními vodami, nebo je přímo dýcháme v provozech, kde jsou tato zařízení instalována. Ve světle snah o kvalitu životního prostředí i bezpečnost práce se jeví vodní a příbuzné vývěvy jako vymírající druh. Nicméně i zde existuje možnost pomoci, jako jsou různá pojistná a kondenzační zařízení. U vodních vývěv je pak často na závadu přílišná koncentrace vodních par v zařízení a v případě kolísajícího tlaku i možnost zpětného nasátí odpadní vody do evakuované aparatury. I tyto nedostatky řešila zmíněná pojistná zařízení, která se zařazují mezi aparaturu a vývěvu tak, aby zachytila zbytky rozpouštědla, vlhkosti nebo rozkladné těkavé produkty. Absorpční věže jsou plněny granulovaným aktivním uhlím, molekulovými síty, pecičkovým hydroxidem sodným, případně kombinovaně, aby byly odstraněny jak organické látky, tak stopy vlhkosti. Nevýhodou těchto věží s jakoukoli náplní je snížení průchodnosti a tím snížení dynamického vakua v aparatuře i, konec konců, sací rychlosti.

Vymrazovače jsou jednoduchá zařízení, u kterých odpadá při správné péči nevýhoda snížení průchodnosti a tím i vakua, pokud se nenaplní zamrzlým kondenzátem. Kapsa je ponořena do termosky s vhodnou chladicí náplní jako např. směsí suchého ledu a ethanolu, příp. acetonu (-78 oC), která však nezachycuje dokonale vodní páry. Protože je voda běžně přítomna, vřazuje se za vymrazovák směrem k vývěvě pojistka s oxidem fosforečným. Účinnější náplní vymrazovače je např. kapalný vzduch o teplotě -185 oC, kdy kondenzují vodní páry a oxid uhličitý, nikoli však uhlovodíky.

Membránová čerpadla

Jednou z dalších nevýhod vodních vývěv je velká spotřeba vody, jejž cena dosahuje v zemích EU úrovně 1 ECU/m3. Tuto ekonomickou nevýhodu odstraňuje použití membránových pump na elektrický pohon, které na trh s úspěchem uvedla řada firem, některé z nich i v tzv.: "chemicky odolném" provedení. V prostředí EC se taková vývěva zaplatí za 1 rok z úspor na množství pitné a odpadové vody. V našich podmínkách, pokud vezmeme v úvahu i ušetřená rozpouštědla, je ekonomická investice umořena během ca. tří let. Popsané vývěvy představují zástupce velice moderního trendu tzv. beznáplňových či "suchých" vývěv1,7,8. Membránová čerpadla nabízí celá řada výrobních firem či "značek" (Lavat, Labio, Vacuubrand, KNF-Neuberger, Büchi, Leybold, Edwards, Pfeifer aj.). Abychom použili praktický příklad, tak fa Vacuubrand nabízí sérii běžných (tj. v provedení pro nechemické aplikace) i chemických vývěv, kterou otevírají jednohlavá jednostupňová membránová čerpadla, přes dvou-, tří- a čtyřstupňové osmihlavé membránové vývěvy, které jsou naprosto odolné působení chemických agens, ať již korozívních nebo kondenzovatelných takže se staly zejména v Evropě jedním z nejpopulárnějších zástupců této kategorie. U "chemických" čerpadel části přicházející do styku s plyny a parami jsou vyrobeny pouze z vysoce odolných materiálů jako čistý a plněný PTFE (teflon), ETFE (Tefzel), Kalrez, nerezová ocel vrstvená ECTFE (Halar) a pod. Tato čerpadla konstrukčně i prakticky umožňují i připojení kondenzačních chladičů za výpust vývěvy a tím možnost téměř 100% recyklování (nebo alespoň zachycování) stržených par destilujících látek. Vyrábějí se v různých velikostech a výkonu, dosahují vyššího vakua (max. 0.2 kPa) a čerpací rychlostí (až 16 m3/h) než vodní vývěvy.

Konstrukčně jsou v "chemických variantách" odolné vůči korodujícím látkám (kyseliny, zásady), vodě, nízkovroucím látkám (ether, dichoromethan aj.), ale i roztokům, které mohou být v aerosolu strženy do čerpadla a uvnitř odpařeny. Vyrábějí se i v nevýbušném provedení. Odpaření roztoku uvnitř čerpadla může dočasně snížit jeho kvalitu, leč závada je odstranitelná během několika minut očištěním ventilů a membrány. Určité omezení vzhledem k použitým fluorovaným plastům je u čerpání par obsahujících volné či vázané halogeny, které mohou povrchy z fluorovaných materiálů napadat. Omezení je i v tom, že by neměly být čerpány plyny, které mohou tvořit explozívní směsi, a to ani čerpadly určenými do "výbušného" prostředí.

Fyzikální omezení tzv. limitního vakua je dáno tlakem ve výfukové komoře čerpadla, který ještě otevře ventil ve své horní úvrati. Limitní pracovní vakuum vývěvy je tedy u běžných membránových vývěv kolem 100 Pa. Pokud by toto vakuum nestačilo, lze použít čerpadla kombinovaná. Některé vývěvy používají trik, kdy je ventil otevírán ne tlakem stlačeného plynu, ale mechanicky v horní úvrati ojnice. Jinou zvláštností jsou membránové vývěvy Barodyn mt fy Danielson. Tato osmihlavá vývěva může dosáhnout až 1.3 x 10-1 kPa. O jejich materiálové a chemické stabilitě nejsou k dispozici dostatečné údaje.

Podívejme se blíže na nejtypičtějšího zástupce suchých vývěv - membránové čerpadlo Vacuubrand - a popišme si jeho funkci. Jako klíčové konstrukční součásti pro kvalitní a dlouhodobou funkci čerpadla jmenujme membránu a chlopňové ventily. Membrána je z řady důvodů vyrobena ze sendvičové, teflonem kryté pryže a svojí konstrukcí skýtá dostatečnou mechanickou i chemickou stabilitu. Membrána není na ojnici ani lepena, ani vulkanizována, což může být zdrojem obtíží, ale je upevněna ECTFE potaženou ocelovou hlavou s velkou plochou na šroubu připomínající hříbek na spravování ponožek. Tato konstrukce má celou řadu výhod. Jednak je zmenšena plocha citlivé membrány, která je ve styku s čerpanými plyny a parami, jednak je maximálně usnadněna její výměna. Co se zdá být nejdůležitějším, konstrukcí hlavy a tvaru celého kompresního prostoru je minimalizován objem plynu, který zbývá v pracovním prostoru čerpací hlavy v horní úvrati pohybu membrány, čímž se zde maximalizuje jeho tlak potřebný k otevření ventilu. Plyn je nasáván vstupním otvorem do čerpadla a jeho tok je regulován dvěma kalrezovými ventily, které jsou uloženy mezi dvě části hlavy čerpadla z plněného teflonu v pouzdru z lité hliníkové slitiny. Kalrez jako moderní kompozitní fluorovaný kopolymer splňuje nejnáročnější požadavky odolnosti mechanické a chemické i požadavek přilnutí na dosedací plochu ventilového lože. Vidíme tedy, že páry a plyny čerpané vývěvou přicházejí pouze do styku s ušlechtilými materiály, jako je teflon, kalrez a pod. Plněný teflon je pak dostatečně mechanicky tuhý a odstraňuje nevýhodu určité plastičnosti teflonu čistého. Od takto konstruované vývěvy můžeme očekávat ca. 5-10 000 pracovních hodin bez jakékoliv údržby, pokud zaručíme prostinký požadavek, že vývěva nesmí čerpat kontinuální kapalinu. Kapalina je méně stlačitelná než plyn a může mechanicky poškodit (kalrezový) ventil nebo membránu. Vniknutí tekutiny do čerpadla zabrání jednoduchá pojistná nádoba Woulfova typu. Kondenzace kapek (např. vody nebo rozpouštědel) uvnitř vývěvy během práce není na závadu. Takovýto kondenzát je stržen plynou fází ihned ven. Toto strhávání je možno zrychlit v případě potřeby otevřením připouštěcího ventilu (tzv. "gas ballast"), který je umístěn mezi hlavami několikastupňové vývěvy. Druhý požadavek dlouhé funkce vývěvy je okamžité odstavení, vyčištění a oprava při poruše membrány, neboť sám elektromotor není možno dokonale chránit proti pronikání a působení korozívních látek, je-li membrána poškozena. Popsaný typ čerpadla lze bez úprav použít k čerpání korozívních plynů do tlaku cca 1 atm, eventuelně po úpravě lze určité druhy plynů a par čerpat membránovým čerpadlem až do tlaku 7 atm.

Kombinované a hybridní vývěvy, návrat pístových čerpadel

Již jsme hovořili o spojování membránových čerpadel nebo jejich stupňů paralelně a seriově. Lze však připojit i další vývěvu na stranu výfuku a zvýšit tak dosažitelný tlak sestavy snížením odporu k otevření výstupního ventilu. Membránové vývěvy (jako např. Vacuubrand) lze spojovat téměř bez omezení "z obou stran", musíme mít však na paměti jejich průtokové parametry. Nelze předpokládat, že pumpa určená na čerpací rychlost 2m3/h pomůže čerpadlu s nominální rychlostí 20m3/h, pokud nepůjde o záměrné speciální použití. Kvalitní spojení "kombinovaných" či "hybridních" systémů je vidět i v OEM kombinacích, kdy membránové vývěvy Vacuubrand používají OEM hybridy Leybold a Hewlett-Packard.

Kvalitně poslouží kombinace "suché" Rootsovy pumpy, které mohou být i v "chemickém provedení", dosahují limitního vakua řádu jednotek Pa a u kterých je předvakuum tvořeno membránovým čerpadlem, jež může být též v chemickém provedení. Pro danou aplikaci je nutno uvážlivě vyhodnotit vlastnosti čerpadla, které je buď konstrukčně a materiálově uzpůsobeno k odolnosti proti chemickým vlivům anebo pouze kvalitně mnohonásobně proplachováno. Pokud by ani tento limitní tlak nepostačoval, pak je možno použít pumpy hybridní (jak je výrobcem označována kombinace olejové šoupátkové rotační a membránové vývěvy na ose jednoho elektromotoru), která pomocí membránové vývěvy vytváří vakuum nad hladinou oleje a nedovolí korozívním či těkavým látkám znehodnotit olej či poškodit čerpadlo. Také tato hybridní pumpa je řazena mezi chemicky odolné vývěvy. Její limitní vakuum je pak řádu 10-2 Pa. Další výrobcem označovaná jako hybridní vývěva může být např. kombinace membránové a turbomolekulární vývěvy. Důležité je, že membránová vývěva vytvoří dostatečné předvakuum pro nastartování turbomolekulární pumpy. Příkladem může být PT200Dry fy Leybold s čerpací rychlostí 200 l/s a limitním vakuem 10-6 Pa. Tato kombinace ovšem stěží snese chemickou zátěž např. při destilaci agresivní tekutiny i citované čerpadlo PT200Dry používá OEM vývěvu MZ2, která není stavěna pro chemickou zátěž.

Uveďme i to, že se v chemických aplikacích uplatní též vývěvy pístové. Reciproká pístová vývěva VRC je použitelná na sušení, odpařování a podobně s rychlostí do 56 m3/h. Pro zajímavost je nutno uvést i pístová čerpadla např. japonské fy Nitto Kohili Group, Medo Industries s přímým pohonem pístu lineárním motorem. Čerpadlo nepoužívá žádné převody, takže je mechanicky velmi odolné a málo hlučné. Je použitelné pro čerpání do tlaku i jako vývěva. Jako vývěva dosahuje dvouhlavé provedení (Linear VP0660x2 Twin) maximálního vakua cca 20 kPa a čerpací rychlosti 50 l/min. Jeho předností je naprostá čistota. Chemická odolnost není veliká. Za zmínku stojí i kompresní čerpadlo např. UniDry 050 fy Pfeiffer, představující suchou třístupňovou bezventilovou vývěvu, která pracuje do 60 m3/h s limitním tlakem pod 30 kPa. Kvalitní chemická stabilita umožňuje chemické použití. Podobně suchá kompresní vývěva série DRYVAC fy Leybold, používající principu hook-and-claw (hák a klepeto), nalezne rozsáhlé použití v chemickém i polovodičovém průmyslu, neb je konstruována pro agresivní prostředí. Původní konstrukce tohoto typu s "prstem" je stará skoro 50 let a pochází z dílen anglické fy Northley. Zajímavá suchá vývěva navržená pro nitridování je Cobra fy Busch/Process Vacuum Services pracující do 80 m3/h a 9ö 10-1kPa která pracuje jako bezventilová pumpa šroubové konstrukce s řízenou vnitřní teplotou. Principem této pumpy jsou dva rotory připomínající "šneky" s "+" a "-" helicitou z mlýnku na maso točící se proti sobě v těsném doteku dosedacích ploch. Je velmi odolná proti chemickým i mechanickým nečistotám a v kombinaci s Rootsovou pumpou dosáhne až 1 000 m3/h. Podobně tandem UniDry - Rootsovo čerpadlo může pracovat do analogických rychlostí. Posledním z uváděných suchých vývěv je čerpadlo, jehož základem jsou dvě do sebe zapadající desky, na nichž je spirálové vybrání. Jedna deska je upevněna a druhá se otáčí tak, že jedna spirála se pohybuje v druhé. Tato scroll vývěva (např. DS fy Varian či Spiradyn fy Danielson Assoc.) unáší plyny rychleji, než to dovedou pumpy membránové, rychlostí až 30 m3/h a dosahují max. tlaku kolem 1 kPa. Chemická odolnost pump je omezená. Určitým problémem je odvod tepla.

Měření vakua pod chemickou zátěží

Je samozřejmé, že v laboratoři i provozu namnoze přichází nutnost měřit vakuum (podtlak), a to i v prostředí vysoce chemicky zatíženém. Řešením se zdá být piezoelektrický měřič vakua, jehož měřící plocha je dostatečně odolná k chemickému agens v prostředí. Nejnižší tlaky měřitelné tímto zařízením se pohybují kolem 1 kPa až 100 Pa. Směrem k nižším tlakům lze téměř bez obav použít Piraniho sondu a dále obvyklá měřicí zařízení, neboť jejich chemická zátěž ve vakuu pod 100 Pa a při náležité péči bude jistě minimální. Zahřívané vlákno Piraniho sondy je však maximálně citlivé na některé chemikálie jako halogeny, které s ním reagují, a labilní organické látky, které se na něm rozkládají. Protože oba procesy ovlivňují charakteristiky přenosu tepla z vlákna do prostředí, ovlivňují negativně přesnost měření vakua. Pouze vyšší cena kapacitní měrky (Balzers) může být odrazujícím faktorem pro její použití, neboť i u ní můžeme očekávat významnou chemickou odolnost. Rtuťové manometry patří do místních technických muzeí již proto, že rtuť z rozbitého přístroje již nikdo nesesbírá a pracovníci laboratoře ji pak léta inhalují.

Spojovací prvky a jejich chemická odolnost

Podobně jako výše uvedené komponenty vakuových sestav musí i rychlospoje, o-kroužky a všechen další materiál vyhovovat po stránce chemické stability. Materiál musí být pravidelně čištěn a vyměňován, neboť možnost kondenzace čerpaných par je v mechanicky komplikovaném prostředí vakuových spojů zvýšená, zejména při častém kolísání vakua či otevírání aparatury. Všem komponentám pouze prospěje občasný chod naprázdno do dosažení běžné úrovně vakua a poté navíc ca 30 min. Korozívní zátěž vyžaduje kovové komponenty z nejkvalitnější nerez oceli, případně s další povrchovou ochranou. Těsnící kroužky z Vitonu jsou běžné a splňují dostatečně požadavek chemické odolnosti. V současné době se stávají stále populárnější rozvody vakua9 s rozvodnými ventily opatřenými chlopní (non-return valve), která nedovolí zavzdušnění rozvodu. Vakuové rozvody (networks) jsou často optimálním a ekonomickým řešením pro laboratoře a provozy, kdy jedno čerpadlo může obsloužit při práci několik samostatných pracovníků. Takový rozvod pod názvem Modular Vacuum Systém MVS nabízí pro střední vakuum fa Vacuubrand včetně elektrického ovládání ventilů. Ta nabízí i Vacuum Management Systém, který k rozvodům připojuje i náležitou modulární měřicí a regulační techniku, propojitelnou i s rozhraním RS-232 a umožňující jak ovládání čerpací rychlosti pumpy, tak i její vypnutí do stavu "stand by" po vyhodnocení stavu vakua v aparatuře v závislosti na zadaných časových parametrech. Komplikovanější Modular Vacuum Manifold fy Vaccon obsahuje segmentované vakuové přípojky, propojení, senzory a ventily pro zákaznické konstruování různých úrovní vakua a čerpacích rychlostí. Manifold je vysoce odolný proti mechanickým nečistotám, méně proti chemii. Leybold Integrated Monitoring Systém LIMS dokonce ve spojení s počítačem dokáže i akusticky informovat o stavu vakua a čerpacích zařízení.

Závěr

Závěrem mi dovolte konstatovat, že výše popsaný trend beznáplňových čerpadel je typickým představitelem moderní laboratorní i poloprovozní instrumentace používající principu tzv. "suchého vakua", který odstraňuje nevýhody likvidace kontaminovaného oleje a podobných tekutin i jejich výměn, ale i doposaváde běžné extrémní zatížení odpadních vod a pracovního prostředí strženými plyny a parami (resp. jejich roztoky a kondenzáty). Recyklace těkavých rozpouštědel10 při jejich současných stoupajících cenách přispívá i k ekonomické výhodnosti masového nasazení těchto čerpadel tak, jak to je prováděno v kulturním světě, ale i řadou českých podniků a institucí. Je to i moderní trend, který umožňuje práci s čistým vakuem, nezbytným jak v chemii, tak i v dalších aplikacích, jako například v biochemii, polovodičovém průmyslu i jinde.

Poznámka

V práci jsou použity některé chráněné názvy bez náležité citace majitelů ochranných známek. Vzhledem k tomu, že jsou použity nikoli ve smyslu obchodním, ale označovacím jako generická jména, autor předpokládá, že tímto zjednodušením přispěl ke čtivosti textu, který by jinak byl nucen zatížit celou řadou odkazů.

LITERATURA

  1. Comello V.: Dry Mechanical Vacuum Pumps for almost any Application, R&D Magazine, February, 55 (1997).
  2. Eckle F. J., Lachenman R., Rüster G.: Pumping of condensable vapours and exhaust vapour condensation, Vacuum, 41, 2012 (1990).
  3. Vývojové dílny ÚOCHB AV ČR, nepublikovaná studie o konstrukci vodních vývěv.
  4. Keil B.: v knize Laboratorní technika organické chemie (Keil B., ed.) NČSAV, Praha 1963, s. 149.
  5. Opletal L., Drašar P.: Fytochemické metody (laboratorní technika), Universita Karlova Praha 1994.
  6. Nosko S.: Okonomische Aspekte beim Recycling von Lösungsmitteln, LaborPraxis, Vol. 15, 723 (1990).
  7. Eckle F. J., Bickert P., Lachenmann R.: Rotační olejové a Rootsovy vývěvy předčerpávané membránovými vývěvami - nové možnosti při čerpání korozivních látek a dosahování čistého vakua, Pragovac Praha 24. 11. 1994, Bulletin ČVS, Vol. 3, (1)6, 1995.
  8. Lachenmann R.: Vakuumerzeugung im chemischen Labor, LABO, 1989.
  9. Eckle F. J.: Local Vacuum Networks, Zpravodaj ČVS, 97/1, 4 (1997).
  10. Nosko S., Burger D.: Procedures for the Recovery of Solvents through Distillation, International Labmate XX, 46 (1995).

Pavel Drašar