30 Novembre 2018  |  Fluidique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 09/2018

Les pompes à vide pour l’industrie chimique et pharmaceutique

Choisir la bonne pompe à vide pour les procédés chimiques et pharmaceutiques s’avère souvent délicat. Le système de vide doit fournir la vitesse de pompage requise à la pression de service et garantir ainsi le temps d’évacuation nécessaire. Il doit être insensible aux gaz et répondre aux exigences en termes de nettoyage et de récupération de gaz. La fiabilité et la rentabilité jouent également un rôle important lors du choix de la technique de vide.

Trois techniques de vide sont le plus souvent utilisées dans les procédés chimiques et pharmaceutiques: les pompes à anneau liquide, les pompes sèches à vis et les pompes à palettes lubrifiées.
 
Fig. 1: La pompe à vide à anneau liquide Dolphin de Busch. Fig. 2: Le principe de fonctionnement d’une pompe à vide à anneau liquide bi-étagées.
 
 
Les pompes à vide à anneau liquide
Les pompes à vide à anneau liquide (fig. 1) sont utilisées dans de nombreuses applications. Ce sont des pompes rotatives, à déplacement positif, comportant une roue à aubes excentrée placée dans un corps cylindrique (fig. 2). Le fluide de fonctionnement est généralement l’eau. La rotation de la roue à aubes crée un anneau liquide à l’intérieur du corps de la pompe, qui étanche les espaces situés entre chaque pale. Le gaz pompé est alors transporté dans les espaces entre le centre, les pales et l’anneau liquide. Grâce au positionnement excentré de la roue à aubes, le volume de ces espaces augmente, aspirant ainsi le mélange par l’arrivée d’air. Au fur et à mesure que la roue à aubes continue de tourner, le volume de ces espaces se réduit, le mélange est comprimé, puis expulsé à nouveau par la décharge d’air. La pompe à vide à anneau liquide peut fonctionner en système par eau perdue ou en recirculation partielle ou totale.
 
Fig. 2: Le principe de fonctionnement d’une pompe à vide à anneau liquide bi-étagées.
 
 
Depuis de nombreuses années, ces pompes à vide se sont avéré être des générateurs de vide robustes et fiables dans les procédés chimiques. Le fluide de fonctionnement dans la chambre de compression permet une dissipation continue de la chaleur liée à la compression, de telle sorte que la pompe à vide fonctionne de manière pratiquement isotherme. En d’autres termes, le gaz du procédé ne s’échauffe pas de manière notable et la pompe à vide fonctionne à des températures relativement basses. Cela réduit considérablement le risque de réactions indésirables ou d’explosion. Les basses températures de fonctionnement facilitent également la condensation des vapeurs et des gaz, ce qui permet d’augmenter la vitesse de pompage nominale.
C’est en général l’eau qui sert à créer l’anneau liquide. L’éthylène glycol, des huiles minérales ou des solvants organiques sont également utilisés. La pression finale de la pompe à vide dépend de la tension de vapeur et de la viscosité du liquide. La viscosité du fluide de fonctionnement a un impact sur la consommation d’électricité de la pompe.
Les pompes à vide à anneau liquide sont proposées sur le marché avec différents modules, matériaux et joints d’étanchéité d’arbre. Leurs avantages sont les suivants:
  • Insensibilité aux vapeurs et liquides entrant dans le système.
  • Les différents matériaux disponibles permet une parfaite adéquation aux gaz du procédé.
 
Elles ont en revanche certains inconvénients:
  • Contamination possible du fluide de fonctionnement par le condensat du gaz du procédé, ce qui nécessite le traitement ultérieur de ce fluide avant son évacuation.
  • Consommation d’énergie importante.
  • La pression finale dépend de la tension de vapeur du fluide de fonctionnement
 
Fig. 3: La pompe à vide sèche à vis COBRA NC.
 
 
Les pompes à vide sèches à vis
La technique des pompes à vide sèches à vis est elle aussi largement utilisée dans l’industrie chimique et pharmaceutique. Toutefois, elle est relativement récente comparée à la technique à anneau liquide.
Dans les années 1990, Busch a lancé sur le marché la première pompe à vide sèche à vis, la COBRA AC. La principale différence par rapport à la pompe à vide à anneau liquide est que la pompe à vide sèche à vis (fig. 3) ne nécessite pas de fluide de fonctionnement pour comprimer le gaz du procédé. C’est pourquoi elle porte le nom de pompe à vide «sèche» à vis.
Dans une telle pompe, deux rotors en forme de vis tournent en sens opposé (fig. 4). Le mélange pompé est aspiré entre le cylindre et les vis, compressé et transporté jusqu’à l’échappement de gaz. Pendant le processus de compression, les rotors à vis n’entrent pas en contact l’un avec l’autre, ni avec le cylindre. Ce principe de fonctionnement est possible grâce à une fabrication précise et à un jeu minimum entre les pièces mobiles, ce qui garantit un vide limite bas , inférieur à 0,1 mbar.
 
Fig. 4: Le principe de fonctionnement d’une pompe à vide sèche à vis moderne.
 
 
Les pompes à vide sèches à vis fonctionnent avec un refroidissement à l’eau, ce qui permet une répartition uniforme de la température dans l’ensemble du corps de pompe et donc une stabilité thermique de l’ensemble du processus.
Les pompes à vide sèches à vis modernes sont dotées d’une vis à pas variable, qui permet une compression uniforme du gaz sur toute la longueur de la vis. Ceci a pour avantage de garantir une température homogène dans l’ensemble de la chambre de compression, que l’on peut alors facilement surveiller et contrôler.
Dans les anciennes générations de pompes à vide sèches à vis, le pas des vis est le même sur toute la longueur. De ce fait, la compression du gaz s’effectue dans la dernière demi-rotation de la vis, ce qui génère une charge thermique excessive. L’obtention d’une température de fonctionnement idéale avec un refroidissement à l’eau s’avère plus compliqué. En général, les pompes à vide sèches à vis fonctionnent à des températures plus élevées que les pompes à vide à anneau liquide. La condensation des éléments du gaz de procédé est ainsi largement enrayée. Ceci permet au gaz d’être acheminé à travers la pompe à vide sans contamination ni réaction avec le fluide de fonctionnement.
La fonte est le matériau standard utilisé pour les pièces usinées entrant en contact avec le produit pompé. Elle peut être non traitée ou traitée avec un revêtement spécial, qui la rend résistante à pratiquement tous les produits chimiques. Une fois le procédé terminé, il est conseillé de rincer la pompe à vide avec un produit de nettoyage approprié et de la vidanger avec de l’azote afin d’éviter la formation de corrosion et de dépôt pendant l’arrêt.
Avec différents systèmes de compression et revêtements, les pompes à vide sèches à vis de Busch peuvent être configurées pour être compatibles avec n’importe quel produit chimique.
Avantages des pompes à vide sèches à vis:
  • Compression sèche, aucune contamination ni réaction possible entre le gaz du procédé et le fluide de fonctionnement.
  • Niveau de vide élevé.
  • Écoénergétiques.
  • Peuvent être conçues pour presque tous les gaz de procédé, en adaptant le choix de matériau et la régulation de la température.
  • Inconvénients des pompes à vide sèches à vis:
  • Sensibles aux particules entrant dans le système.
  • Ne peuvent pas être utilisées avec des gaz de procédé qui tendent à réagir à des températures élevées.
 
Fig. 5: La pompe à vide à palettes lubrifiées par renouvellement d’huile Huckepack.
 
 
Les pompes à vide à palettes lubrifiées par huile perdue
Les pompes à vide à palettes lubrifiées à l’huile sont utilisées avec succès depuis des décennies dans bien des domaines. Aujourd’hui, elles sont parmi les pompes à vide mécaniques les plus largement présentes dans l’industrie.
Dans les années 1960, Busch avait déjà développé le modèle Huckepack, une pompe à vide bi-étagée à palettes lubrifiées par renouvellement d’huile, qui avait été spécialement conçue pour les techniques de traitement chimique et pharmaceutique. Busch n’a cessé de développer cette pompe à vide qui, grâce à sa robustesse, bénéficie aujourd’hui encore, d’une grande notoriété dans les techniques de transformation et de traitement.
Les pompes à vide à palettes lubrifiées Huckepack (fig. 5) présentent trois caractéristiques distinctives importantes par rapport aux autres pompes à vide fonctionnant selon le principe des palettes lubrifiées:
  • Deux étages de compression sont superposés et raccordés l’un à l’autre, ce qui simplifie la compression initiale du gaz du procédé dans le premier étage, et la compression secondaire dans le second étage. Cela permet d’atteindre un vide plus important.
  • Ces pompes à vide se caractérisent par une lubrification à l’huile, ce qui signifie qu’une quantité définie de fluide de fonctionnement – de l’huile ou un autre liquide compatible avec le mélange – est injectée dans la chambre de compression. En revanche, d’autres pompes à vide à palettes lubrifiées utilisent la lubrification par recirculation d’huile.
  • Les pompes à vide à palettes lubrifiées par huile perdue Huckepack sont refroidies à l’eau, ce qui permet de réguler la température de fonctionnement dans une plage déterminée.
 
Les pompes à vide à palettes lubrifiées par huile perdue Huckepack sont des pompes rotatives à déplacement positif. Les palettes sont placées dans des fentes à l’intérieur d’un rotor qui tourne de manière excentrique dans un corps cylindrique. En raison de la force centrifuge créée par le mouvement de rotation du rotor, les palettes sortent des fentes et entrent en contact avec la paroi du cylindre. Cela crée des espaces de volumes différents, ce qui génère l’effet d’aspiration et de compression. Afin de réduire le frottement et améliorer l’étanchéité, de l’huile est constamment injectée dans la chambre de compression. Ce procédé se produit dans les deux étages de compression avant que le gaz ne soit déchargé avec le fluide de fonctionnement via l’échappement et puisse être éliminé. Les deux étages sont refroidis à l’eau. Des versions avec refroidissement par eau perdue et par recirculation sont disponibles.
Du fait que le lubrifiant ne circule qu’une seule fois à travers la pompe, il est possible d’utiliser presque tous les fluides ayant une viscosité de 150 cSt. Ce fluide rince en permanence la pompe pendant son fonctionnement, la protégeant de la corrosion et des dépôts. Busch propose des palettes conçues à partir de trois différents matériaux, permettant de garantir une résistance à la plupart des solvants.
Avantages des pompes à vide à palettes lubrifiées par renouvellement d’huile:
  • Niveau de vide élevé.
  • Extrêmement robustes et fiables.
  • Facilité d’entretien.
  • Parfaitement adaptées à l’acheminement de vapeurs acides, de monomères ou de produits entraînant une polymérisation lors de l’utilisation d’autres technologies de vide.
 
Inconvénients:
  • Les fluides de fonctionnement doivent être traités ou correctement éliminés.
Fig. 6: Le principe de fonctionnement de la pompe à vide à palettes lubrifiées par renouvellement d’huile Huckepack.
 
 
Conclusion
Toutes les technologies de génération de vide abordées présentent des avantages et des inconvénients. Il n’existe pas de solution unique valable pour toutes les applications. Il est donc important de demander conseil à un expert en technologie de vide et de prendre en compte l’ensemble des paramètres importants dans le processus, en commençant par les conditions et les gaz du procédé, l’intégration du contrôle, jusqu’à la rentabilité, la sécurité et la fiabilité de la génération de vide. Dans la plupart des cas, la prise en compte de ces facteurs conduit à un système de vide sur mesure, directement adapté aux exigences.
 
Busch AG
4312 Magden
Tél. 061 845 90 95
www.busch.ch


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