在低溫下靠分子篩的物理吸附作用實現(xiàn)抽氣的真空泵。分子篩吸附泵結(jié)構(gòu)簡單﹑無油污染﹑無振動噪聲﹐是獲得無油真空常用的真空泵﹐常用作無油真空機組的前級泵或超高真空機組的維持泵。
一切固體物質(zhì)表面的原子或分子與固體內(nèi)部的原子或分子所處的狀態(tài)是不同的。固體內(nèi)部原子或分子所受的吸引力對稱地和均勻地分布在原子或分子周圍﹐即處于力場飽和的平衡狀態(tài)﹐而表面的原子或分子所受的力則是不對稱的﹐也就是說固體表面有過剩的表面自由能﹐即表面有吸附力場存在﹐這就是固體表面對氣體或液體具有吸附作用的原因。一切固體物質(zhì)的表面都有吸附作用。但實際上只有多微孔的物質(zhì)或磨得很細的物質(zhì)因表面積很大﹐才有明顯的吸附作用。分子篩就是這種物質(zhì)。分子篩(人造沸石)為多微孔型結(jié)構(gòu)的堿金屬鋁硅酸鹽﹐體內(nèi)有許多空腔狀晶胞﹐其間有微孔相通。在液氮溫度下﹐氣體或液體分子通過微孔吸附于晶胞空腔的內(nèi)表面上。分子篩有很大的比表面積(見表 分子篩特性表 )﹐所以能吸附大量的氣體和液體。分子篩除有吸附作用外﹐還有篩分﹑離子交換和催化等作用。分子篩對氣體是物理吸附﹐其過程是可逆的。在低溫下吸附的氣體﹐在溫度回升時則逐漸解吸。分子篩在常溫時暴露于空氣中能吸附大量水蒸汽﹐每克5A分子篩能吸附水蒸汽0.1～0.2克﹐相當1.3×104～2.7×104帕每升氣體量。分子篩吸附大量水蒸汽后吸氣能力便大大降低。分子篩和水分子的親和力特別強﹐只有經(jīng)過適當烘烤﹐吸附的水蒸汽才能全部解吸。因此﹐分子篩吸附泵在暴露于大氣或使用一個時期后都要進行烘烤。通常﹐這種處理是把分子篩放在封閉的容器內(nèi)經(jīng)300～350℃溫度烘烤除氣1～2小時。但加熱溫度一般不宜超過600℃﹐否則會使分子篩損壞。 分子篩形狀分球形﹑條形﹑柱形﹑片狀﹑顆粒狀和粉狀﹐在液氮溫度下﹐5A能吸附氮﹑氧﹑氬﹑二氧化碳和水蒸汽﹔13X除吸附5A所吸附的氣體外還能吸附CnHn化合物。
分子篩吸附氣體有很強的選擇性。它只能吸附分子直徑小于微孔直徑的氣體和液體�？諝夥肿拥闹睆綖�2～4埃(1埃=1×10-10米)﹐油分子的直徑為7～8埃﹐可分別用 5A和13X型分子篩吸附。分子篩對不同氣體的吸附強弱也不同﹐對氮﹑氧和氬吸附能力很強。這3種氣體占空氣體積的99.9％﹐分壓之和為 105帕。但分子篩對氖﹑氦和氫等氣體吸附能力卻極弱。
溫度對分子篩吸附能力的影響非常大﹐在液氮溫度(-196℃)下﹐每克5A分子篩能把50～100厘米3容器從大氣壓抽到1帕﹔而在常溫下每克5A分子篩對最易吸附的氮的吸附量僅為10.9立方厘米。因此﹐烘烤除氣和低溫冷卻是保證分子篩吸附泵抽氣性能的必要條件。 結(jié)構(gòu) 分子篩吸附泵分為內(nèi)冷式(圖1 內(nèi)冷式分子篩吸附泵 )和外冷式(圖2 外冷式分子篩吸附泵 )兩種。前者的液氮和電能的耗量小﹑抽氣速率大﹑極限壓力低﹐但加工較復雜﹔后者結(jié)構(gòu)簡單﹐加工容易﹐但液氮和電能的耗量大﹑要有特制的液氮筒。分子篩吸附泵如作為前級泵使用還要設(shè)置安全塞﹐否則溫度回升時吸附的氣體解吸有發(fā)生爆炸的危險。如作為超高真空維持泵使用﹐因吸附的氣體量小可不設(shè)置安全塞﹐以減少放氣和漏氣源。分子篩導熱性很差﹐泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮熱傳導問題﹐以便烘烤或冷卻時能迅速達到預定要求。
決定分子篩吸附泵抽氣能力的重要因素之一是分子篩裝量﹐常根據(jù)分子篩的負載曲線來決定。圖3 5A分子篩對氮﹑氖和氦的負載率－平衡壓力曲線 為液氮溫度下5A分子篩對氮﹑氖和氦3種氣體的負載率-平衡壓力曲線。當被抽容積分子篩裝量之比即負載率(升/克)大于0.1時﹐平衡壓力急劇上升﹔當負載率小于0.05時﹐平衡壓力則降低不大﹐而分子篩的裝量卻增加很多。因此﹐取負載率0.05～0.1來確定分子篩裝量﹐可以兼顧泵的性能和經(jīng)濟效果。
操作方法 分子篩吸附泵從大氣壓力開始抽氣﹐其極限壓力主要由大氣中的氖﹑氦分壓決定。用兩臺分子篩吸附泵抽氣時有兩種不同的操作方法。
首先只給第一臺泵加液氮冷卻抽氣﹐把真空系統(tǒng)(不包括第二臺泵)抽到極限壓力 (約1帕)時關(guān)閉。此時真空系統(tǒng)的壓力處于平衡態(tài)﹐被抽氣體為分子流態(tài)(分子密度小)﹐隨同氣體流到泵內(nèi)的氖﹑氦就又返回到系統(tǒng)中﹐致使系統(tǒng)中的氖﹑氦分壓幾乎未變。再給第二臺泵加液氮冷卻 |
