真空技术里程碑

作者:Sabine Mühlenkamp 文章来源:PROCESS《流程工业》 发布时间:2019-11-13
“真空”不仅仅是“实现真空状态”的字面意义,还能够显示出极强的工艺力量。没有真空技术,人们司空见惯的诸如眼镜、智能手机、长保质期药物或食品等都无法成为现实。125年以来,普发真空一直是真空技术的领军企业,不仅其拥有的技术让它在行业内占据卓越地位,公司倾尽所能地解决各行业客户问题的专业精神更令人钦佩。

仅将普发公司表述为真空技术领域领先的公司之一远不足以描述其重要性。在更深入了解之后,你会发现普发公司是众多领域的创新巨匠,尤为突出的是其满足客户要求,并为客户开发订制方案的能力。在过去的100多年间,常驻于德国黑森州Asslar的真空技术专家坚持不懈地开发着各种新技术,以产出满足符合真空度要求的真空测量、泄漏检测和分析系统。

公司由Arthur Pfeiffer创建于1890年,20世纪20年代末,这家公司已经确立了自己在真空技术领域的领先地位,特别表现在其石油泵/空气泵产品上。1929年,公司就已经在一次展会上推出了50多种面向制药业和化工业的不同类型的真空泵产品。

1958年,Willi Becker发明了涡轮分子泵,为真空技术世界带来了一场革命。人们确信,只要归入“涡轮泵”这一大类名称之下,就可以认为是这一研究领域最重大的发明之一。1966年,普发自主设计和开发的氦泄漏检测器ASM4获得了专利,这款产品的面世也成为了一座技术发展的里程碑。直至今日,普发真空仍是泄漏检测技术的领先供应商之一。

普发真空

要求严苛的过程行业

普发真空在许多要求差异性颇大的行业中都能应付自如。过程行业及其相关工程设计领域是它快速成长的市场,约占了集团营业收入的20%,价值近1.3亿欧元。普发真空工业真空产品集团负责人Wolfgang Bremer解释道:“我们现在的目标是巩固自己在这一行业中的地位。”不同于作为其重要目标市场的半导体行业,过程行业绝大多数经营者都是中小规模公司,所以他们要求差异极为悬殊。从技术角度来看,想要满足这个行业的要求十分困难。“有非常多的问题都需要逐一给出具体的用户解决方案。”Bremer如此解释。

差异巨大的各大领域

毫无疑问,所有行业针对真空技术都有不同的需求。半导体行业要求尽最大可能探索技术上可行的一切领域,而冶金行业则需要经反复试验和测试后证明现成产品的可靠性。例如,在运用钢真空脱气技术生产高品质合金钢时,要能从钢中抽走氢气和氮气,并要求工艺在此过程中精确调整钢中的碳含量。Bremer解释道:“冶金行业的作业环境灰尘多,想要实现这一点非常难。”除此之外,高达100 t的生产批次是这个行业常见的数量级。

而制药业又与冶金行业形成了鲜明对比。当涉及到疫苗、抗生素和其他药物的冷冻干燥时,生产批次规模不仅在产品大小上天差地别,而且也绝对不允许脏乱差的情况存在,保持无菌生产一直是制药企业的重中之重。因此,制药业经常采用Heptadry系列的无油干式螺杆真空泵,并搭配着Oktaline系列的罗茨真空泵。此外,在涉及制药业应用时,真空技术专家不仅重视真空泵机,还要着眼于监测整个生产过程,其中包括监测压力和气体成分,检查和管理潜在副产品等。Bremer强调说,普发真空为此提供了例如用于原位、在线清洗等在内的专用配件。

即使在同一种应用场景之间也存在重大差异。以冷冻干燥为例,Bremer表示:“在冷冻干燥领域,我们需要针对每一种产品采用不同技术,需要根据产品是咖啡、水果或药品而定。”举例来说,由于投资成本低,水果干燥最主要采用旋叶真空泵,这种真空泵可以成功运行几十年。而咖啡冷冻干燥则需要干式螺杆真空泵,这里旋叶真空泵不再合适,因为从咖啡释放出的鞣酸会导致润滑油变质。在这2种生产过程当中,生产线还需额外使用Oktaline系列的罗茨真空泵,以达到所需的真空度。普发真空的优势之一就是其针对具体产品精细订制过程和技术的能力。

尽管有如此之多的差异,但各种应用都有一些共同点。普发真空工业市场管理部的Daniel Kuchenbecker评论道:“过程行业几乎没有任何用户真心想使用真空技术。”因为真空总是会增加一项成本,“所以,高效且高成本效益的解决方案对于用户来说非常重要。”

理解应用,优化流程

Bremer明确指出公司并不存在现成的解决方案:“每一种应用都要求具有针对性的技术诀窍和经验。”归功于公司悠久的历史,普发真空正好在这方面拥有大把技术好牌。特别是在流程工业领域,经常需要根据客户的具体应用采用相应技术,例如运用不同的密封概念方案或配套更高效电机以及提升IP防护等级等。

Kuchenbecker总结道:“对于每次咨询,我们都会时刻放眼于客户的整个流程。我们的目标一直且必须以优化整个流程为着眼点。”普发真空十分信任自己“泵送、测量和量化”的工作方式,这点也反映在其产品阵营当中。Kuchenbecker表示:“只有将所有这些因素都纳入考量,才有可能解决客户所提出的关键问题,判断是否真的能够满足客户的需求。”

 

丰富多样的产品系列是普发真空公司手中的王牌。目前,除旋片泵、隔膜泵、螺杆泵、罗茨泵和涡轮泵之外,公司产品阵营还包括分析系统(质谱仪、光学发射光谱法)和泄漏检测器、阀门和流程腔体等。

近年来,流程监测正变得越来越重要,原因在于流程监测能够实现早期流程干预和流程精调,例如调节压力、温度和气体成分等。Bremer解释说:“就质量保证而言,预先测定出流程气体成分有着重要的意义,这样我们才可能做出纠正性干预或给出相应警告。”

下文我们将详细介绍普发真空发展历史中各具特色的里程碑产品。

普发真空
Arthur Pfeiffer在德国黑森州地区创办普发真空

普发真空
Willi Becker发明了涡轮分子泵,它演变成为了涡轮泵

普发真空
Duo M系列旋片泵谱写了电磁联轴节进入真空技术领域的成功故事

普发真空
一个TMU涡轮泵正搭载于在国际空间站上

普发真空
气体分析质谱仪Omnistar和Thermostar是创新的完整气体分析解决方案,适用于化学流程气体分析

普发真空
ASM 340型泄漏检测器让泄漏检测更容易实现

普发真空
在欧盟Atex防爆指令的要求下,世界上第一台磁耦合活塞泵推向市场

普发真空
新Hilobe系列罗茨泵适用于低真空和精细真空应用,并在2019年的汉诺威工业博览会上作为全新产品亮相

初创产品:旋片泵

接下来我们先来回顾各种真空泵产品的历史。油封式旋叶泵的初创可以追溯到120多年前,Kuchenbecker解释说:“这项技术其实并没有发展至极限,现在我们仍在努力创新。我们努力的方向不仅在于对底层技术做出改进,而且还关注更多现代化问题,我们目前正在致力于解决能效和运行监测方面的问题。”1973年,普发真空在阿赫玛展上展出了一款气冷式正排量凸轮泵WGK 250系列产品,从此拓展了这类泵的应用范围;1996年,公司推出了Duo M系列旋片泵,这款产品谱写了电磁联轴节进入真空技术领域的成功故事,取代了易于磨损的密封件;2003年,电磁联轴节的成功在罗茨泵上得到了续写;2016年,公司开发的Duo 11 Atex旋片泵适用于潜在的爆炸环境,或可以泵送爆炸性气体,并符合欧盟Atex防爆指令的要求,这款产品满足了各种防爆领域最为严苛的要求,绝对是普发真空的独特卖点。

普发真空

智能驱动概念

智能驱动概念促成了普发真空2019年的成功。新Hilobe系列罗茨泵适用于低真空和精细真空应用,并在2019年的汉诺威工业博览会上作为全新产品亮相。通过其独特的转速控制能力,这一系列的真空泵提供了520~2 100 m3/h的标称抽气能力,并能通过调速完美地匹配客户的具体要求。这一创新驱动概念使得其抽气时间可比传统罗茨泵缩短约20%,由此降低了成本,大大提升了生产厂的效率。此外,产品设计师们还找到了其它可以大幅降低运行成本并同时提升产品可用性的方法。例如,新系列产品只配套采用当今先进的电机,这样做不仅提供了远高于当前的能效等级,还不必使用动密封。这样可以显著降低维护要求,并减少密封用气需求量,从而降低运行成本。由于采用了设计精良的气冷概念,泵机不再使用成本高昂的水冷方式,同时,灵活的安装位置也减少了安装成本。特别值得一提的是,Hilobe系列的智能接口技术可用于优化流程配套和监测。Kuchenbecker说:“我们不满足于真空泵的能源需求,因为诸如所采用的冷却类型、维护间隔周期或控制器等参数也需要纳入考虑,我们在新一代的Hilobe系列产品中考虑到了这些因素。与传统罗茨泵相比,我们成功地将维护和耗能成本减少了50%以上。”

普发真空
“面对过程行业的公司,有非常多的问题都需要逐一给出具体的用户解决方案。”——Wolfgang Bremer,普发真空工业真空产品集团负责人

攻克泄漏检测的难关

泄漏是真空流程中最大的敌人。特别是在冷冻干燥流程中,泄漏将导致严重的经济效益损失,并危及整个流程。因此,工作人员需要尽快锁定泄漏位置并予以修复。氦气检测器在这个领域是当仁不让的首选,因其具有高检测灵敏度、短测试用时以及操作的简便等的优点。

Combiline泵台适用于范围大的罗茨泵站,并可集成各种真空泵和配件,配合应用的需要
Combiline泵台适用于范围大的罗茨泵站,并可集成各种真空泵和配件,配合应用的需要

ASM 340型泄漏检测器基本上是ASM泄漏检测器大家族中最通用的型号,而其“小兄弟”ASM 310则用于便携式应用。根据所测试系统的布局和配备,采用不同的测量方法可以实现高效泄漏检测。例如一台泄漏检测器连接至冷冻干燥系统,系统接受外部测试气体氦气的喷射,这样就可以同时检测出泄漏点的位置及其大小,并防止其对流程造成负面影响。

“我们密切关注客户的整个流程,目的是更好地满足用户需求。” ——Daniel Kuchenbecker,普发真空工业市场管理部
“我们密切关注客户的整个流程,目的是更好地满足用户需求。”——Daniel Kuchenbecker,普发真空工业市场管理部

高效气体分析解决方案

公司创新实力的优秀范例还体现在最新一代气体分析质谱仪Omnistar和Thermostar上。这些分析系统具备智能软化特色,体积小巧、易于运行。完整解决方案特别适用于化学流程气体分析,包括冶金流程、发酵过程、催化流程当中实施分析、用于冷冻干燥和环境分析,并适用于其它许多与质量控制相关的应用。新系统体积明显缩小,配备了一套气体入口系统、Prismapro质谱仪、干压缩MVP隔膜真空泵和Hipace涡轮泵。气体入口配备了一条毛细管,这条毛细管可以加热到350 ℃。在Omnistar当中,这条毛细管采用不锈钢制造,而在Thermostar中则采用石英玻璃,这样就能防止流程气体在分析期间发生蒸气冷凝。由于采用了两级式入口系统,气体供入可以真正做到不发生解混。此外,PV Massspec软件也十分值得关注,这个软件可以复制整个测量流程,它在流程监测领域有着里程碑的意义。

气密包装的密封性

水分、氧气或微生物物质的渗入可能会在产品贮存期限内严重损害药物质量。为了防范对易受潮药物的稳定性造成影响,并避免生物物质侵入注射用药的风险,高灵敏度完整性试验十分重要。这项试验通常需要花费大量时间,并在灵敏度和测量范围方面具有高度复杂性和存在诸多限制。但在制药业和食品工业,特别是容器密封完整性测试(CCIT)在AMI 1000产品帮助下得到了巨大提升。专利光学发射光谱法(OES)不要求采用特殊测试气体,这种方法利用了存在于一次包装空腔内的气体混合物。多气体传感器能够检测到各种不同气体,诸如氩气、氮气和水分等。这些检测设备不具备破坏性,不依赖操作者并且非常容易操作。正因如此,这些检测器经常用作中间过程控制器,伴随整个生产过程,用于吸塑包装或塑料瓶包装的泄漏测试。其优点在于能够实现测试循环的自动化,在以上基础上,还有可能生成趋势分析,从而可以在非常早期的阶段检测到生产中的问题。

无论针对单个部件还是复杂系统,普发都会开发出具体对应的真空解决方案
无论针对单个部件还是复杂系统,普发都会开发出具体对应的真空解决方案

专注于能效和数字化

以上仅是少数几例普发真空公司正在开展的工作内容。“我们正在研究让流程变得更好的新方法,”Bremer解释说能效和数字化只不过是其中的两例而已。“伴随着变频控制泵机的使用,工艺流程的优点也被开发和放大。”

数字化的重要性正越来越被大众重视。Bremer解释说:“我们把焦点放在客户的应用方面,因为客户才是我们工作的中心。我们总是需要越来越多的数据,以便能够更好地理解客户的流程。无论是在集成硬件还是集成软件方面,我们都必须考虑数字化,这也是我们正在自我审视的部分。”在这个过程中,只有了解数据可以带来哪些新发现,这样用户才能更快地对故障做出反应,并能优化自己的流程。很多工业过程都离不了真空技术,普发真空也已经做好了迎接工业4.0挑战的准备,他们的未来一片光明。

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