3. Кинетика адсорбции

Высоковакумный адсорбционный насос, как и любое другое средство откачки, работает в динамической вакуумной системе, характеризующейся некоторой величиной технологического потока Q(t). Весь поступающий газ поглощается адсорбентом, при этом давления в рецепиенте изменяется по некоторому закону Р(t). Необходимо исследовать зависимость Р(t) от Q(t).

Для решения этой задачи используется изотерма адсорбции: a = f(P), где а – количество газа, поглощенного единицей массы адсорбента. Эта зависимость, как правило, является нелинейной.

Для характеристики изменения давления газа над адсорбентом на любом участке изотермы адсорбции введем величину

, (2)

называемую адсорбируемостью газа. Адсорбируемость – это изотермическая удельная относительная газоемкость адсорбента.

Весь газ, поступающий с некоторой скоростью в систему, адсорбируется прежде всего на наружной поверхности зерна адсорбента. Этот процесс способствует увеличению концентрации газа на поверхности зерна и вызывает появление градиента концентрации адсорбента , который является движущей силой процесса диффузии газа внутрь зерна, т.е. вызывает движение газа по продольной координате поры. Тогда

, (3)

где q – удельный поток газа через единицу поверхности в направлении Х, De – эффективный коэффициент диффузии. Умножая и деля правую часть на , представим (3) с учетом (2) в следующем виде:

(4)

Массоперенос газа в адсорбенте можно представить дифференциальным уравнением:

(5)

или

.

Умножая и деля левую часть на , получим

(6)

Предполагая, что Г = const и De = const и не зависят от Q и Р, получим

(7)

Видим, что это аналог линейной задачи о нестационарной теплопроводности без внутренних источников тепла.

4. Характеристики адсорбционного насоса

На рис. 30.1 представлена кинетическая кривая адсорбционного насоса. Здесь Р – давление, измеряемое у входного патрубка адсорбционного насоса. Р_о – давление, соответствующее теоретической скорости откачки в начальный момент работы насоса. Опыт показывает, что сразу после создания постоянного натекания давление у входного патрубка адсорбционного насоса скачкообразно возрастает на величину , где U_вх – входная пропускная способность (проводимость) насоса, определяется входным патрубком, жалюзийной ловушкой, конструктивном (сеткой) патрона для адсорбента и другими элементами.

После установления квазистационарного режима адсорбции при постоянном натекании изменение давления в насосе описывается уравнением:

, (8)

где Q – поток газа, подаваемый в насос, Г – адсорбируемость газа, М – масса адсорбента, t – время работы адсорбционного насоса.

После прекращения натекания давление уменьшается скачком на величину Р_вх, после чего продолжает снижаться с уменьшающейся скоростью, т.к. выравнивается концентрация газа по сечению зерна адсорбента.

Выражение (8) по экспериментальной кривой Р = Р(t) (по рис. 30.1) позволяет определить основные характеристики кинетики адсорбции газов микропористыми адсорбентами в высоком вакууме.

На линейном участке кинетической кривой и по соответствующей изотерме определяют динамическую адсорбируемость газа в режиме непрерывной адсорбции:

, где а – увеличение адсорбции за время t натекания газа, Р – соответствующее увеличение давления.

Скачкообразное изменение давления (величина Р_вх) позволяет определить входную проводимость насоса. Точка пересечения линейной части кинетической кривой с осью давлений позволяет экспериментально определить Р_д в условиях непрерывной адсорбции. По Р_д и удельному натеканию газа определяется начальная теоретическая скорость откачки, обеспечиваемая 1 г адсорбента:

(9)

Предельное давление. После прекращения натекания газа давление постепенно уменьшается вследствие диффузионного выравнивания концентрации адсорбента по сечению зерна. При полном выравнивании концентрации над адсорбентом устанавливается минимальное давление, зависимость которого от количества откачанного газа описывается равновесной изотермой адсорбции.

Для каждого вида адсорбентов эти зависимости разные. На рис.30.2, 30.3 и 30.4 представлены изотермы адсорбции для активных углей, цеолитов и силикагелей. В качестве основного газа для сравнения адсорбционной способности различных адсорбентов выбран азот. Изотермы адсорбции других газов можно рассчитать по изотерме адсорбции азота, используя математический аппарат теории объемного заполнения микропор.

Скорость откачки – важнейшая характеристика любого вакуумного насоса, определяющая давление в динамической вакуумной системе. По мере увеличения количества откачанного газа предельное давление адсорбционного насоса повышается. Если в вакуумной системе имеется натекание, то давление над адсорбентом значительно превышает равновесное при одинаковой величине адсорбции.

Зависимость основных динамических характеристик адсорбционного насоса представлена на рис. 30.5. Давление Р_д практически линейно возрастает с увеличением натекания, динамическая адсорбционность газов монотонно уменьшается с увеличением потока газа, величина S_т монотонно и слабо уменьшается с увеличением натекания и количества адсорбированного газа.

На рис. 30.6 представлена для разных адсорбентов зависимость максимальной скорости откачки от входного давления. Видно, что эта зависимость по характеру аналогична соответствующей характеристики механических насосов.

На процесс адсорбции заметное влияние оказывают условия охлаждения адсорбента. Обычно в качестве хладоагента используется жидкий азот – наиболее дешевый и доступный криопродукт. В этом случае достаточно эффективно откачиваются все газы, температура кипения которых близка или выше температуры кипения азота (N₂ , CO, Ar, CH₄ ,O₂ и др.).

Повышение предельного давления и уменьшение скорости откачки насоса с увеличением количества откачанного газа можно свести к минимуму, если значительно снизить температуру адсорбента. На рис. 30.7 и 30.8 представлено влияние на динамические характеристики процесса адсорбции температуры адсорбента. Снижение температуры адсорбента примерно на 14 ^оК приводит к резкому уменьшению предельного давления, которое определяется изотермой адсорбции (кривые 2 на рис. 30.7). Небольшое различие давлений динамических изотерм адсорбции (кривые 1 на рис. 30.7) объясняется слабой зависимостью Р_д и S_т от температуры адсорбента. При переохлаждении адсорбента динамическая адсорбируемость азота Г_д в 3...4 раза повышается. Эффективный коэффициент диффузии азота (рис.30.8) заметно возрастает с увеличением удельного натекания.

Стабильность скоростной характеристики насоса. Скорость откачки адсорбционного насоса не является постоянной и уменьшается по мере увеличения количества откачанного газа, причем это явление усугубляется с возрастанием удельного натекания особенно при использовании малоэффективных адсорбентов. На рис. 30.9 показана зависимость начальной скорости откачки от давления при использовании различных адсорбентов.