Молекулярні сита - Page 3
Крім активованого вугілля або окису алюмінію, за останні роки широко поширився метод сорбційної відкачування за допомогою цеолітів, що мають виключно високу адсорбційну здатність. Цеоліти зустрічаються в природі і виходять штучним шляхом - це кристалічна речовина типу Na2Al2O3-SiO2-H2O. Природні цеоліти є алюмосилікати барію, натрію і кальцію.
Після прогрівання цеоліту кристалічна вода видаляється без зміни структури, завдяки чому багато разів збільшується пористість матеріалу. Цеоліти мають постійні та відтворювані сорбційні властивості. Кожен вид цеоліту має пори однакового діаметра, завдяки чому сорбція молекул має селективний характер; тому цеоліти отримали назву молекулярних сит. Розміри пір цеолітів 4-10 А (у активованого вугілля 50 А). Насос, що є судиною з цеолітом, охолоджується рідким азотом.
За допомогою цеолітів недостатньо добре відкачуються аргон та водень, а вода, наприклад, активно поглинається. Через активне поглинання вологи регенерація сорбенту повинна проводитися прогріванням до 350 ° С. При температурі вище 350 ° С може статися розкладання сорбенту. Такі насоси можуть проводити відкачування безпосередньо від атмосферного тиску, тому їх застосовують як насоси попереднього вакууму.
Наприклад, насос EGS 500(ГДР), що містить 500 г цеоліту марки 5А, здійснює відкачування об'єму 12,5 л від атмосферного тиску до тиску 1•1O-2 мм рт. ст. та об'єму 20 л до 2•1O-2 мм рт. ст. При відкачуванні великих обсягів застосовують паралельне чи послідовне з'єднання кількох насосів. Насос EGS 500 (рис. 354, а) виготовлений з корозійностійкої сталі та забезпечений нагрівачем для регенерації та судиною Дьюара для охолодження насоса.
Корпусомслужить тонкостінна хвиляста труба. Така труба покращує теплообмін, оскільки поверхня її збільшена майже вдвічі в порівнянні зі звичайною гладкою поверхнею. Насос нерозбірний, при виготовленні окремі вузли насоса зварюються серед захисного газу. Для відкачування повітря використовують сорбент 5А (НСП Фарбенфабрик Воль-фен). Для спеціальних випадків застосовують також речовини ЗА, 4А, 10Х, 13Х. Під час відкачування насос занурений у посудину Дьюара з рідким азотом. Нагрівач насоса показано на рис. 354, а (праворуч). Він виготовлений із листового заліза та має електричний нагрівач (спіраль).
Робота таких насосів разом із сорбційно-іонними дає можливість отримувати граничний тиск близько 10 -10 мм рт. ст. Їх можна також застосовувати як форвакуумні для масляних дифузійних насосів.
Подібні насоси фірми Едварде (Англія) EZ500 та EZ1500 містять відповідно 500 та 1500 г сорбенту; їх застосовують як попередні насоси в надвисоковакуумних установках.
Граничний тиск, який створюється цими насосами, 10_3мм рт. ст. Під час роботи вони також охолоджуються рідким азотом і утворюють тиск 10 -2 ммрт. ст. протягом кількох хвилин. Зазвичай встановлюють два або більше послідовно насосів. Насос фірми Едвард показаний на рис. 354, б. У високовакуумних установках, де неприпустиме попадання органічних речовин, вони працюють спільно з сорбційно-іонними насосами розпилювачами або з ртутними дифузійними насосами з пасткою. У табл. 69 наведено технічні характеристики сорбційних цеолітових насосів та агрегатів вітчизняного виробництва.
Вони призначені для відкачування вакуумних систем об'ємом 10-100 л від атмосферного тиску до 10-2 - 10 -4 мм рт. ст. і застосовуються для форвакуумного відкачування спільно зсорбційно-іонними, паромасляними та парортутними насосами. При температурі рідкого азоту активно поглинаються пари води, повітря, азот, кисень, окис та двоокис вуглецю, криптон, ксенон; значно гірше поглинаються гелій, неон та водень. Як сорбуючий матеріал застосований промисловий синтетичний цеоліт марки 5А (CaA). Для повної регенерації цього сорбенту необхідно періодично прогрівати при 550° С.
Мал. 355. Схема агрегату ЦВА-0,1-2:
1 - судина Дьюара; 2 - зразковий вакуумметр; 3 - сполучний трубопровід; 4 - вентиль Ду-20; 5 - водоструминний насос ЦВН-1-2; 6 - підтримуюча стійка; 7 - насос ЦВН-0.1-2; 8 - електронагрівач
В агрегатах ЦВА-0,1-2 і ЦВА-1-2 крім цеолітових насосів, що працюють поперемінно для забезпечення безперервності дії, застосований водоструминний насос для попереднього видалення обсягу основної кількості газу, що відкачується. Комбінація водоструминного та двох цеолітових насосів дозволяє відкачувати велику кількість газів та отримувати високий вакуум, вільний від вуглеводнів.
Основним конструкційним матеріалом насосів та арматури є корозійностійка сталь. Ущільнюваний профіль роз'ємних з'єднань
1 - сорбційний насос, що охолоджується; 2 - судина Дьюара; 3 - випарник титану в насосі; 4 - азотна пастка; 5 - паромасляний нагсос; б — екран насоса, що охолоджується, з алюмінієвими ущільнювачами.
Промисловістю випускаються цеолітові вакуумні насоси з ємністю капсул, що заповнюються цеолітом, 0,1 кг (ЦВН-0,1-2) та 1 кг (ЦВН-1-2). Агрегати на базі цих насосів: ЦВА-0,1-1 та ЦВА-1-1 без водоструминного насоса та ЦВА-0,1-2 та ЦВА-1-2 з додатковим водоструминним насосом. Насоси та агрегати комплектуються гранульованим цеолітом 5А в герметичній упаковці та алюмінієвими.ущільнювачами.
Насоси з пористими сорбентами при відповідному виборі поглинача можна використовувати для отримання високого вакууму, а не тільки для створення попереднього розрідження. У деяких конструкціях сорбційних насосів поглинаюча поверхня створюється напиленням хімічно активного металу, зазвичай титану, що утворює міцні з'єднання з більшою частиною газів, що зустрічаються у вакуумних системах. Інертні гази, що не взаємодіють з титаном, можуть відкачуватися невеликим допоміжним насосом.
Надвисококовакуумний титановий охолоджуваний агрегат вітчизняного виробництва АВТО-20М показаний на рис. 356 і 357. Він призначений для безмасляного відкачування вакуумних систем в установках напилення, для імітації умов космосу та інших надвисоковакуумних установок. Граничний тиск, створюваний агрегатом, близько 10-12 мм рт. ст. Характеристики агрегату наведено на рис. 358. Відкачування газу проводиться шаром титану, що напилюється на поверхню, що охолоджується. В агрегаті застосований електроннопроменевий випарник титану з мінімальним тепловим випромінюванням.
Агрегат виконаний з корозійностійкої сталі і знегаджується прогріванням при 400-450 ° С. До складу агрегату входять: надвисококовакуумний титановий насос, що охолоджується; паромасляний насос Н-5С-М; азотна пастка, суцільнометалевий вентиль 80ТР-У, блок електроживлення. Агрегат має пульт керування, оснащений комплектом запасних мідних ущільнювачів.
Фірма Едварде (Англія) випускає титанові сублімаційні насоси, які працюють спільно з дифузійними або сорбційно-іонними насосами розпилювальними в установках для отримання надвисокого вакууму. Газ відкачується завдяки сублімації титану з нитки розжарення та конденсації його на поверхні, що охолоджується водою або рідким азотом.Швидкість відкачування сухого азоту становить від 1,5 до 2,5 л/с на 1 см2 поверхні при охолодженні водою і приблизно в 2 рази більше при охолодженні рідким азотом. Водяна пара і гази, що конденсуються, видаляються таким насосом з великою швидкістю.