Криоадсорбционная откачка

By Compressor Equipment On Ноя 8, 2020

Криоадсорбционная откачка

Криоадсорбционная откачка осуществляется адсорбцией газов на охлаждаемых адсорбентах. Равновесное давление откачиваемых газов определяется изотермами адсорбции см. (2.17)… (2.19), устанавливающими связь между количеством поглощенного газа и давлением при постоянной температуре. Количество адсорбированного газа должно составлять значительную часть газа в объеме вакуумной системы, что обычно наблюдается при температурах адсорбирующих поверхностей ниже температуры кипения газа при атмосферном давлении.

Уравнение материального баланса криоадсорбционной откачки неподвижным адсорбентом можно записать в виде равенства количества газа в адсорбционной и газовой фазах до и после процесса откачки:

где ро и pi — начальное и конечное давления; v= V_K/V_a — объемная нагрузка насоса; У_к — объем откачиваемой камеры; V_a — объем адсорбента в насосе; (fa — суммарная производительность газовыде-ления и натекания на единицу объема адсорбента, Т и Т₂— начальная и конечная температура адсорбента в насосе, Т₂<Л; Кт и и Кт2 — коэффициенты адсорбируемости газа при температурах Л и Т₂.

Если <71 = const, тогда

Если

тогда

Для обычных вакуумных систем (У_к = 50л; У_л^в1л) v «50. При откачке азота от атмосферного давления активным углем СКТ-2 при 7’1 = 293 К, Kz93⁼ Ю² и при Т₂*=П К, К=10⁸ (табл. 5.1) получим, согласно (5.15), pi = l,5-10^-1 Па. Таким образом, давление снижается почти в 10⁶ раз.

Характеристики адсорбентов при поглощении азота

Адсорбент	К_т		Н. м’/с		а, м²/с		Примечание
Адсорбент	77 К	298 К	77 К	298 К	298 К	77 К	Примечание
Активный уголь СКТ-2	10⁸	10²	ю-¹¹	10-®	10“⁸	10~⁸	р=10-‘… … 10~⁵ Па
Цеолит СаА-4В	10»	10³	Ю-1°	10-8	10~⁸	ю-⁸
Силикагель, КСМ-6	10⁷	10²	ю-¹¹	10-⁹	10~⁷	ю-⁷
Алюмосиликатный катализатор АС	ю⁷	10²	ю-¹¹	10-⁹	ю-⁷	10-⁷

Если к откачиваемому объекту параллельно подключено п адсорбционных насосов, для каждого из которых и для всех вместе выполняются условия, указанные для уравнения (5.16), то многоступенчатая (п — число ступеней) откачка, при которой последовательно запускается и после достижения предельного давления перекрывается клапаном каждый из насосов, обеспечить конечное давление р_п = Ро(у1Кт2)^п.

Для п = 2, и = 50 и ро=1О⁵ Па при откачке азота К₇7=10⁸ получим для р_п значение 2,5-10~⁸ Па.

При температуре жидкого азота значительно худшие результаты можно получить при откачке гелия, неона и водорода. Коэффициенты адсорбируемости этих газов при температуре жидкого азота (77 К), представленные в табл. 5.2, значительно меньше, чем для азота. При одноступенчатой откачке не удается достичь заметного снижения давления. При откачке атмосферного воздуха, парциальное давление гелия, неона и водорода в котором происходит обогащение остаточных газов плохо адсорбируемыми компонентами, которые ограничивают возможность сижения предельного давления насоса. Для эффективной адсорбционной откачки всех газов, входящих в состав атмосферного воздуха, требуются температуры ~30…20 К.

Быстрота адсорбционной откачки определяется процессом нестационарной диффузии газа в пористой структуре адсорбента. Диффузия идет как в газовой фазе, так и по поверхности пор. При

Подбирая температуру десорбции, можно обеспечить, чтобы Кп<С»<Кт2, тогда

Коэффициенты адсорбируемости различных газов на активном угле при температуре жидкого азота

Коэффициент	Не	Ne	Н₂	n₂	Примечание
К??, (м³-Па)/м³-Па	2	20	1600	10⁸	Р=1О-¹… ю-^{4 5 * *} Па

низких температурах в микропорах определяющей становится поверхностная диффузия. Уравнение этого процесса можно записать в следующем виде:

При граничных условиях а(х, О)=а_о-, а(х, оо)=а_х

где а — количество адсорбированного газа в единице объема адсорбента; х — текущая координата по сечению адсорбционного слоя; R— характерный размер адсорбента; Н — коэффициент диффузии; К — коэффициент формы адсорбента, для неограниченной пластины Ki = 0, для неограниченного цилиндра /<1 = 1, для шара /(i = 2; /<₂= V/(FR) — коэффициент формы (F и V — поверхность и объем адсорбента); для неограниченной пластины /<₂=1, для неограниченного цилиндра /<2=0,64, для шара /<2=0,64.

Решение уравнения (5.17) при граничных условиях (5.18) можно представить в виде

Для неограниченной пластины при т^0,42, неограниченного цилиндра при т^0,27 и шара при т>0,19

Рассчитанные по уравнениям (5.20) зависимости безразмерной удельной быстроты действия криоадсорбционного насоса от безразмерного времени для адсорбента в форме шара приведены на рис. 5.9.

Для насоса с 1 л насыпного объема адсорбента, выполненного в форме пластины толщиной 2/? = 3 мм, при коэффициенте нестационарной диффузии 1,4- 10~^п м³/с и коэффициенте адсорбируемости 5,3 • 10⁶ при начальном равновесном давлении 10~⁴ Па удельная быстрота откачки при <?i = 4,23-10^-6 м³-Па/(с-м³) составит 0,01 л/(с-см²) и будет сохранять свое значение 10⁴ с. Быстрота откачки зависит от величины потока газа. При -увеличении потока на два порядка во столько же раз увеличится быстрота откачки и достигнет в данном примере 1 л/(с-см²). Однако она не будет постоянной и практически сразу начнется ее уменьшение.

Удельная быстрота адсорбционной откачки в 5… 10 раз меньше, чем конденсационной, и имеет более сильную зависимость от количества поглощенного газа.

Непрерывная регенерация части адсорбента во время работы насоса реализуется в адсорбционных насосах непрерывного действия, обеспечивающих постоянную быстроту действия независимо от продолжительности работы насоса.

Количество поглощаемого и десорбированного газов в неравновесном состоянии определяется решением нестационарного уравнения диффузии (5.17) при начальных и граничных условиях: а(0, л’)=а₀; а(^, R)=a_R; da(t, 0)/дх—0. При адсорбции а_я=а_т, при десорбции a_R=a₀

Для неограниченной пластины при т<0,42, неограниченного цилиндра при т<0,27 и шара при т<0,19

что для угля СКТ-2Б при Кт— Ю², Кт2=Ю⁷ дает величину рпр = 10-⁵ р₂.

Характерная зависимость S_H=f(vn) для насосов непрерывного действия представлена на рис. 5.10.

В первом режиме при малых скоростях транспортирования v=l до тех пор, пока т_а^0,4, что соответствует

где /_а — длина камеры адсорбции; R&— радиус частицы адсорбента. Быстрота откачки S_H=S_max в этом режиме пропорциональна о_л.

Во втором режиме при средних скоростях транспортирования адсорбент не успевает насыщаться откачиваемым газом, v<l и быстрота действия насоса пропорциональна

Третий режим работы насоса при больших скоростях транспортирования начинается со скорости, определяемой коэффициентом температуропроводности адсорбента а и безразмерным временем охлаждения F_o=O,8:

Решение уравнения (5.17) при указанных граничных условиях можно представить в следующем виде:

При малых x=DtR²<.2’ 10~² степень заполнения адсорбента

Быстрота непрерывной адсорбционной откачки

где 5_тах = 1’л^’Кт2—максимальная быстрота откачки; о_л— скорость транспортирования адсорбента; F—площадь поперечного сечения адсорбционного слоя. Для ц_л=0,1 см/с, F=1 см², Кт_г= Ю⁷ получим 5тах⁼⁼ Ю² л/с.

Так как предельное давление р_Пр = Р1 при S_H=0, из уравнения (5.21) запишем

где /ох — длина камеры охлаждения; Ren — характерный размер слоя. При скоростях транспортирования, больших ц_л2, адсорбент не успевает охлаждаться и быстрота откачки насоса резко падает. Таким образом, ц_Л2 является оптимальной скоростью транспортирования адсорбента в насосе, обеспечивающей получение максимальной быстроты откачки насоса.

вакуум откачка