книги из ГПНТБ / Волчкевич, А. И. Высоковакуумные адсорбционные насосы

изображена на рис. 6. Для наглядности при построе­ нии кинетических кривых на оси ординат откладывали отношение давления к натеканию (р0 — это начальное давление в установке перед созданием постоянного на­ тека ния).

£~Р£Юз1Сек/л

Рис. 19. Кинетические кривые адсорбции азота актив­ ным углем СКТ у входного патрубка насоса (а) и за адсорбционным патроном (б) {Q — в л-мм рт. ст./с; р — в мм рт. ст.]:

Сразу после создания постоянного натекания давле­

бента и,др.). Скорость увеличения давления достигает максимального значения сразу после создания натека­ ния, затем постепенно уменьшается и через 1,0—1,5 ч становится постоянной. С этого времени устанавливает­ ся квазистационарный режим непрерывной адсорбции, характеризующийся параболическим распределением давления по толщине зерна сорбента с линейным воз-

92

О 1 2 3 * 5 t,4

на цеолитом NaX (Q — в л-мм рт. ст./с, р — на­ чальное давление в мм рт. ст.):

растанием давления во времени, т. е. увеличением ко­ личества откачанного газа. Продлив линейный участок кинетической кривой до пересечения с осью ординат (штриховая линия на рис. 19—21), можно определить величину рл. Кинетические кривые, записанные по по­ казаниям манометра, который расположен за адсорб­ ционным патроном (см. рис. 6, позиция 13), не имеют начального скачка давления (см. рис. 19,6). Таким образом, сразу после создания натекания достигается чрезвычайно высокая начальная скорость откачки, ли-

94

Котированная объемной скоростью подйода газа к адсорбенту. По мере увеличения количества откачан­ ного газа концентрация (и соответствующее ей давле­ ние) газа на поверхности зерен адсорбента возрастает, так как лимитирующей стадией процесса адсорбции яв­ ляется диффузия газа внутрь зерна.

После установления квазистационарного режима вследствие избытка адсорбированного газа на поверх­ ности адсорбента давление газа над адсорбентом пре­ вышает интегрально усредненное (по сечению зерна)

се определения кинетических характеристик, были при­

ем натекания. Динамическая адсорбируемость газов Г д

радоксально на первый взгляд, наблюдается в области

риментов данной серии, проведенных при одинаковых условиях, относительная адсорбируемость газов Г д при непрерывной адсорбции значительно выше для угля СКТ, чем для цеолита NaX.

Удельная теоретическая скорость откачки s T = - ^ - ,

Рд

обеспечиваемая 1 г адсорбента, в предположении, что квазистационарный режим устанавливается сразу после создания натекания, является удельной диффузионной проводимостью единицы массы адсорбента. Величина sT монотонно и слабо уменьшается с увеличением натека­ ния и количества адсорбированного газа, поэтому ад-

95

сорбент можно характеризовать практически постоян­ ным диффузионным сопротивлением при изменении натекания (давления) в широкой области. Величина sT для угля СКТ заметно выше, чем для NaX.

Коэффициент диффузии исследованных газов в угле

поненты воздуха, аргон. Аналогичный порядок харак­

мические характеристики адсорбции азота (в одинако­

исследованном диапазоне давлений. Для аргона значе­

ственно к изменению угла наклона кинетической кривой [см. формулу (37)].

Динамическая изотерма адсорбции (см. рис. 8) по­ строена по значениям давления над адсорбентом в ква­ зистационарном режиме адсорбции и количества га­ за, поглощенного при непрерывной адсорбции и отне­ сенного, к единице массы адсорбента. Динамическая изотерма, характеризующая изменение давления при непрерывной адсорбции с увеличением количества от­ качанного газа, ограничивает область максимальных давлений над адсорбентом. Статическая равновесная изотерма определяет минимальное (предельное) давле-

•96

мне при отсутствии натекания. При одинаковой адсорб­ ции разность давлений между динамической и статиче­ ской изотермами определяет запас предельного давле­ ния адсорбционного насоса. Этот запас (см. рис. 8) максимальный в области низких давлений (2—3 по­ рядка) и уменьшается с увеличением давления до 0,5—• 1 порядка при давлении Ю - 4 — Ю - 5 мм рт. ст. С умень­ шением динамической адсорбируемое™ Г д запас пре­ дельного давления насоса снижается.

ДЛИНА АДСОРБЦИОННОГО ПАТРОНА

Для рационального конструирования адсорбционно­ го насоса важно установить оптимальные значения от­ носительной длины L/D полости, по поверхности кото­ рой располагается слой адсорбента.

зволяют экспериментально получить зависимость от времени разности давлений азота на концах адсорбци­

-2

t,4

6)

Рис. 23. График изменения во времени давления азота над углем СКТ (а) и разности давлений на концах адсорбционного патрона (б) при относительной глуби­ не полости L/D=3 при постоянном натекании газа:

йдсорбции по аргону, окиси угЛероДа й адсорбирую­ щих компонентов воздуха. Разность давлений на концах адсорбционного патрона после установления квазиста­

адсорбентом во всем исследованном диапазоне давле­ ний (Ю- 9 —10~4 мм рт. ст.). Это свидетельствует о фактически равноценном участии в процессе адсорбции всего адсорбента, расположенного вдоль относительно

у входа в адсорбционный патрон будет заметно превос­ ходить давление у конца адсорбционного патрона. Это явление должно более четко проявляться при исполь­

в насосе достаточно, чтобы начальная скорость откачки была ограничена входной проводимостью насоса. Заме­

оптимальным только с точки зрения рациональной кон­ струкции насоса.

98

ной полости, а эффективностью и количеством приме­

тироваться входной проводимостью насоса.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ АДСОРБЕНТА

В низкотемпературных устройствах довольно сложно достичь полного охлаждения объектов, когда теплооб­ мен происходит в основном только за счет излучения. В высоковакуумном адсорбционном "насосе адсорбент обычно расположен слоем в 5—10 зерен на цилиндри­ ческой поверхности адсорбционного патрона и поддер­ живается сеткой. Входное отверстие адсорбционного патрона оставляют открытым или закрывают жалюзной ловушкой, предназначенной для конденсации паров и отражения лучистого потока тепла, когда температура адсорбента значительно ниже температуры остальной аппаратуры.

Эффективность охлаждения адсорбента при 78° К изучена [12] на высоковакуумном адсорбционном насо­ се с использованием полированной и черненой ловушек

лярной теплопроводностью газа можно пренебречь. Изза низкой теплопроводности адсорбент (активный уголь СКТ, толщина слоя 10 мм) заметно нагревался излу­ чением, проникающим через полированную ловушку. Это было обнаружено при доохлаждеиии адсорбента за счет молекулярной теплопроводности гелия, который вво­ дили на 40—50 мин (рис. 25, отрезок аб на оси t) в объем установки. После удаления гелия диффузионным насосом равновесное давление адсорбированного азота оказалось примерно в 30 раз меньше, но затем в тече­ ние 5—6 ч возросло до первоначального уровня (штри-

р,ммрт.ст.

Рис. 25. График изменения во времени равновесного давления азота над углем СКТ в насосе с полированными ловушками после увеличения давления гелия до Ы О - 2 мм рт. ст.

л-млфт.сг.

г

3

г

/у

10'ю Ю'9 10~а 10~7 Ю'6 Ю'5 р , MMpi.cz

Рис. 26. Изотермы адсорбции азота активным углем СКТ при 78°К (светлые кружки — полированная ло­ вушка, темные — черненая ловушка):

/ — динамическая; 2 — практическая; 3 — истинная

ммрт.ст.

д

ховая линия). Аналогичную качественную картину наблюдали как в статических условиях, так и при не­ прерывной адсорбции при постоянном натекании газа. После чернения входной ловушки доохлаждение адсор­ бента гелием не приводило к изменению равновесного давления азота. Черненая ловушка полностью погло­ щает лучистое тепло, и температура адсорбента дости­ гает температуры адсорбционного патрона, причем для ускорения этого процесса можно применить доохлажде­ ние гелием.

На рис. 26 и 27 приведены статические и динамиче­ ские характеристики адсорбции азота, определенные в

101