sponsoriséSystèmes de vide pour laboratoires Conception et optimisation pour un fonctionnement efficace

Dans les laboratoires, les systèmes de vide fonctionnent souvent en arrière-plan. Mais que se passe-t-il lorsque les pompes primaires sont mal dimensionnées ? Un exemple concret montre pourquoi l'architecture du système d'alimentation en vide est déterminante en termes de coûts, de stabilité et de conditions de travail.

Le héros méconnu du laboratoire

Si vous vous rendez dans un laboratoire d'analyse, vous découvrirez la technologie du vide. Dans les spectromètres de masse, par exemple, le vide empêche la diffusion des ions et garantit la mesure du rapport masse/charge. De nombreux autres procédés de laboratoire ne pourraient pas fonctionner sans la technologie du vide.

La technologie du vide est utilisée dans de nombreuses applications de laboratoire, comme le montre la figure 1 :

On peut citer, à titre d'exemple, les instruments d'analyse, les applications de synthèse préparative et les sciences des surfaces.

Configurations de vide inefficaces

Les systèmes de vide utilisés en laboratoire doivent créer les conditions de fonctionnement requises. Des configurations de vide non optimisées peuvent nuire à la réalisation de cet objectif.

Une alimentation en vide insuffisante peut avoir les conséquences suivantes :

• panne d'équipement
• Entretien accru
• Augmentation de la consommation d'énergie
• Augmentation des émissions sonores
• Niveau de vibrations accru

• Risque accru de contamination
• Conditions de vide moins stables
• Variations dans les résultats analytiques ou expérimentaux

Les coûts directs sont liés aux temps d'arrêt, à la réduction des intervalles de maintenance et à une consommation d'énergie inutile ; les coûts indirects sont notamment dus à l'augmentation des frais de personnel. L'augmentation des niveaux de bruit et de vibrations nuit à la qualité de l'environnement de travail.

Un système d'alimentation en vide optimisé réduit les coûts d'exploitation, améliore la stabilité des processus et peut améliorer les conditions de travail grâce à une réduction des émissions sonores.

Autres aspects d'un système d'alimentation en vide optimisé :

• Interaction entre plusieurs pompes et pression de pré-vide requise : de nombreuses applications de laboratoire nécessitent un vide poussé, généralement obtenu par plusieurs étages de pompage. La pression de pré-vide est un paramètre de conception important. Une pompe de pré-vide trop petite peut nuire aux performances de vide de l'ensemble du système. Un surdimensionnement entraîne une augmentation de la consommation d'énergie.
• Pompes intelligentes : les pompes à vide à vitesse variable adaptent leur point de fonctionnement au processus, ce qui réduit la consommation d'énergie électrique et les contraintes mécaniques subies par les composants mobiles. De plus, cela permet de réduire le niveau sonore et les vibrations.
• Remplacement de plusieurs petites pompes à vide par une pompe plus grande : dans de nombreux laboratoires, plusieurs instruments fonctionnent en parallèle et utilisent chacun des pompes de pré-vide externes. Une pompe de pré-vide plus grande et correctement dimensionnée peut améliorer l'efficacité et réduire l'encombrement.
• Alimentation centralisée en vide plutôt qu'alimentation décentralisée individuelle : un système centralisé fournit un niveau de vide défini et alimente plusieurs postes de travail ou instruments. Par rapport aux solutions individuelles, il permet d'améliorer l'efficacité, la planification de la maintenance ainsi que les émissions thermiques et sonores.
• Redondance : en cas de défaillance du système de génération de vide, cela entraîne un arrêt, des mesures erronées ou des perturbations du processus. La redondance réduit le risque lié à un point de défaillance unique.

Alimentation centralisée en pré-vide chez Eurofins Umwelt West GmbH

La société Eurofins Umwelt West GmbH, située à Wesseling, analyse les polluants environnementaux présents dans des échantillons d'eau, d'air et de sol. De nombreux systèmes GC/MS sont utilisés dans ses laboratoires, et chaque système dispose de son propre système d'alimentation en pré-vide.

Le grand nombre de pompes primaires lubrifiées à l'huile a posé les défis suivants :

• Elles ont augmenté le niveau sonore dans le laboratoire.
• La chaleur résiduelle produite par les pompes devait être évacuée par le système de climatisation, ce qui entraînait des coûts supplémentaires.
• Chaque pompe nécessitait un entretien régulier.
• La consommation énergétique des pompes représentait un montant considérable
• Il y avait un risque de reflux de vapeurs d'huile (hydrocarbures).

La configuration initiale présentait un potentiel d'optimisation. C'est pourquoi dix pompes à palettes lubrifiées à l'huile ont été remplacées par deux pompes à vide à spirale. Les calculs du débit de gaz prévu ont confirmé qu'une HiScroll 18 pouvait alimenter les dix spectromètres de masse. La deuxième pompe assure la redondance en cas de panne ou de maintenance. La figure 2 présente sous une forme simplifiée le schéma de vide optimisé du laboratoire.

Chaque HiScroll (1) alimente cinq systèmes GC/MS (5) en pré-vide. Les deux conduites de pré-vide sont reliées par un robinet d'angle commandable (3). Le contrôleur (OmniControl, 2) ouvre la vanne en cas de panne de pompe. Cette configuration garantit que les dix systèmes GC/MS continuent de recevoir le pré-vide en cas de maintenance ou de panne. Des vannes manuelles (4) ont été installées pour la maintenance des instruments.

La consommation électrique liée aux pompes a diminué de 60 à 70 %. De plus, les besoins en climatisation ont diminué, car le dégagement de chaleur a baissé grâce à une utilisation moins intensive des pompes. L'élimination de l'huile n'était plus nécessaire et l'environnement de travail s'est amélioré grâce à la réduction du niveau sonore.

Résumé

Les systèmes de vide constituent une infrastructure essentielle en laboratoire. Ils ont une incidence sur la stabilité analytique, la disponibilité des équipements, la consommation d'énergie, le risque de contamination et les conditions de travail. Souvent, les systèmes de pré-vide sont conçus pour chaque instrument individuellement plutôt que pour l'ensemble de l'installation. Cela peut nuire à l'efficacité et à la stabilité de fonctionnement. Parmi les mesures d’optimisation importantes, on peut citer la coordination des étages de pompage, la définition d’une pression de pré-vide, l’alimentation centrale en vide et la redondance. Le cas d’Eurofins Umwelt West GmbH illustre bien cela : dix pompes à palettes installées sur des systèmes GC/MS ont été remplacées par deux pompes à spirale en configuration redondante. Cela a permis de réduire de 60 à 70 % la consommation électrique liée aux pompes, ainsi que les besoins en climatisation et les coûts de maintenance. De plus, l’élimination de l’huile n’est plus nécessaire et les conditions de travail se sont améliorées. Les solutions centralisées ne sont pas toujours indispensables, mais peuvent offrir des avantages lorsque plusieurs instruments sont utilisés. L’architecture du vide doit donc être considérée comme un paramètre de conception stratégique dans le fonctionnement d’un laboratoire.