Druckbereiche

Die schonende thermische Trennung von Flüssigkeitsgemischen erhält die physikalische und chemische Integrität der Bestandteile. Sie basiert auf der Erniedrigung der Siedepunkte durch eine Reduktion des Drucks.

Zur Herstellung und Aufrechterhaltung von Vakuumbedingungen gibt es ein breites Spektrum verschiedener Vakuumpumptypen sowie ausgeklügelte Konfigurationen für Pumpstände. Im nebenstehenden Diagramm ist die gängige Unterteilung des Vakuums in verschiedene Druckbereiche dargestellt.

Wichtige Kenngrößen für die verschiedenen Druckbereiche sind die charakteristische Teilchendichte (blau) sowie die mittlere freie Weglänge (rot) der Teilchen. Mit Methoden der Statistischen Physik läßt sich zeigen, dass p ~ λ^-1~ ρ, wobei p, λ, und ρ den Druck, die mittlere freie Weglänge, sowie die Teilchendichte bezeichnen.

Typische Drücke für die Vakuumdestillation liegen im Bereich des Feinvakuums, d.h. zwischen 1 mbar und 10^-3 mbar. Die zugehörigen freien Weglängen liegen im Zentimeterbereich.

Es drängt sich die Vermutung auf, dass bei noch geringeren Drücken unterhalb des Feinvakuums die Bedingungen für die Vakuumdestillation noch günstiger sein könnten. Dies ist in der Tat eine sehr populäre Fehleinschätzung, die allerdings die Tatsache ignoriert, dass die thermische Trennung mit Hilfe der Vakuumdestillation notwendigerweise auch den Transport von Materie durch Strömung impliziert. Die typischen Teilchendichten unterhalb des Feinvakuums machen einen solchen Transport allerdings sehr ineffizient.

Ein anderes wichtiges Phänomen, das berücksichtigt werden muß, ist der Charakter der Stoffströme: Bei atmosphärischem Druck und im Grobvakuum herrscht eine viskose Strömung vor, bei der die Partikel fast ausschließlich untereinander kollidieren, während Kollisionen mit der Apparatur im Vergleich dazu eher selten stattfinden. Genau die umgekehrte Situation liegt dagegen im Hochvakuum und bei noch geringeren Drücken vor, wo die mittleren freien Weglängen deutlich größer sind als charakteristische Dimensionen der Apparatur. Dies ist der Bereich der sogenannten molekularen Strömung.

Im Bereich des Feinvakuums schliesslich sind die mittleren freien Weglängen vergleichbar mit den typischen Abmessungen der Apparatur. In diesem Zwischenbereich spricht man von sogenannter Knudsen-Strömung. Modellrechnungen und praktische Erfahrungen bestätigen, dass dieser Bereich für die Vakuumdestillation optimale Voraussetzungen bietet.

Pumpen, Pumpstände

Geeignete Vakuumpumpen für den Bereich des Feinvakuums sind Verdrängerpumpen und Strahlpumpen. Wichtige Leistungsparameter einer Pumpe sind:

Saugfähigkeit, Saugleistung
Eingangs- und Ausgangsdruck
Kompressionsverhältnis
Betriebsflüssigkeit
Arbeitstemperatur
(chemische) Beständigkeit
Wartbarkeit

Bei Anlagen der UIC finden sich bevorzugt folgende Pumptypen in unterschiedlichen Größen und Leistungskategorien:


Flüssigkeitsringpumpe	Drehschieberpumpe	Roots-Gebläse	Dampfstrahlpumpe	Öldiffusionspumpe
Verdrängerpumpen			Strahlpumpen

Die Auslegung eines effektiven Vakuumsystems erfordert eine sorgfältige und gründliche Analyse der Leistungsanforderungen einschliesslich der technischen und kommerziellen Rahmenbedingungen. Dies beinhaltet die Auswahl und die Kombination geeigneter Pumpentypen sowie auch die Verrohrung des Vakuumsystems. Die Bilder zeigen Beispiele einiger Pumpstände für unterschiedliche Druckbereiche.

Instrumentierung, Automatisierung

Neben der Temperatur und der Einförderrate ist der Druck eine der wichtigsten Steuergrößen für jede Vakuumdestillationsanlage. Geeignete Druckmeßgeräte sind deshalb unverzichtbar für die Betriebsüberwachung und Voraussetzung für eine Automatisierung der Anlage.

Anlagen der UIC werden üblicherweise mit Membranmanometern sowie mit Pirani-Manometern ausgestattet.

Lecksuche

Die Dichtigkeiteiner Anlage ist eines der wichtigsten Qualitätskriterien.

Leckraten für Labor- und Pilotanlagen der UIC liegen in der Regel unterhalb von 0,005 mbar·l·s^-1, während die größeren und komplexeren Anlagen für die industrielle Produktion Leckraten unterhalb von 0,05 mbar·l·s^-1 aufweisen.

Die Dichtigkeit einer Anlage läßt sich mit Hilfe der Druckanstiegsmethode feststellen. Zur Lokalisierung von Lecks wird ein Schnüffelfahren mit einem Helium-Massenspektrometer durchgeführt. Diese Tests bietet UIC auch als Dienstleistung an.