6.2.4. Вакуум-насосы

Ряд процессов химической технологии осуществляется под вакуумом (например, сублимационная сушка, молекулярная дистилляция и др.). По величине остаточного давления различают низкий, средний и высокий вакуум.

При низком вакууме преобладают столкновения молекул газа между собой. Длина свободного пробега молекул газа  значительно меньше линейного размера сосуда, в котором заключен газ, d ( << d). При среднем вакууме число соударений молекул газа между собой и число столкновений молекул со стенкой сосуда примерно равны (  d). При высоком вакууме преобладают столкновения молекул газа со стенками сосуда ( >> d). При понижении давления длина свободного пробега молекул увеличивается в значительной степени. Так, при давлении 0,1 Па,   10 см, а при давлении 10^-9 Па,   10 км.

На практике при низком вакууме часто применяется единица измерения «процент вакуума», причем

% вакуума = ,

где – остаточное давление в сосуде, из которого откачивается газ, Па.

Вакуум-насосы и их характеристики. Вакуум-насосами (вакуумными компрессорами) называются устройства, которые откачивают газ из производственной емкости с давлением ниже атмосферного и, сжимая его, выталкивают в атмосферу. В данном разделе мы будем рассматривать только вакуум-насосы двух типов, применяемых в промышленности: объемные и динамические.

Объемные вакуум-насосы. К этому типу вакуум-насосов в первую очередь относятся поршневые вакуум-насосы. Поршневые вакуум-насосы применяются в химической промышленности в тех процессах, где требуется давление 0,6 – 13 кПа и для откачки больших объемов воздуха (до 1 м³/с). По своему устройству поршневые вакуум-насосы мало отличаются от устройства рассмотренных ранее поршневых насосов и компрессоров. Они имеют специальное газораспределительное устройство, связывающее цилиндр, откачиваемый объект и атмосферу. Поршневые вакуум – насосы бывают «сухие» и «мокрые». Первые откачивают из аппарата только газ, а вторые могут откачивать смесь газа с жидкостью. В конструктивном отношении «сухие» и «мокрые» вакуум - насосы совершенно одинаковы, за исключением распределительного устройства.

Вращательные вакуум-насосы со скользящими пластинами. По конструкции аналогичны роторным пластинчатым компрессорам (рис. 6.31). Они применяются для удаления основной массы воздуха или другого газа из производственных емкостей больших размеров, а также для создания централизованных систем предварительного разрежения. Предельное давление перед насосом не может быть меньше 1,3–3,3 кПа.

Вращательные вакуум-насосы с жидкостным поршнем аналогичны по конструкции водокольцевым компрессорам (рис. 6.32). Они применяются в тех случаях, где требуется давление 3,3 – 80 кПа, а также тогда, когда не допускается соприкосновение газа со смазкой и возможно воспламенение газа при низкой температуре. Они относятся к «мокрым» вакуум - насосам и могут откачивать газ в смеси с жидкостью, их производительность составляет до 0,13 м³/с.

Двухроторные бессмазочные вакуум-насосы аналогичны по конструкции компрессору с двумя вращающимися поршнями (рис. 6.33). Эти вакуум – насосы требуют предварительного разрежения в аппарате перед их включением в работу. Предельное давление, обеспечиваемое насосом, равно 1 Па.

Динамические вакуум-насосы. К этому типу относится эжекторный вакуум-насос. По своей конструкции аналогичен струйному насосу (рис. 6.12), рабочей средой является водяной пар. В химической промышленности наибольшее распространение получили пяти- и четырехступенчатые пароэжекторные вакуум - насосы. Между собой ступени насоса соединяются последовательно (выход одного насоса соединяется со входом следующего и т.д.), причем из последней ступени отсасываемый газ выбрасывается в атмосферу. В зависимости от марки вакуум-насоса остаточное давление может быть от 0,4 до 23,4 кПа и производительность (по сухому воздуху) от 2,810^-3 до 0,17 кг/с.

Диффузионный вакуум-насос относится к эжекторному виду струйных насосов. Рабочей средой являются пары ртути. Такие вакуум-насосы применяются в основном в лабораторной практике для получения давления порядка 410^-5 – 210^-4 Па (высокого вакуума). Эти насосы могут работать при давлении предварительного вакуума порядка 100 Па. Предварительный вакуум создается другим насосом, называемым форвакуумным насосом.

На рис. 6.39 схематически изображен ртутный диффузионный вакуум-насос, работа которого происходит следующим образом. Струя пара ртути, образовавшегося в подогревательном резервуаре с ртутью, проходит через трубку d (паропровод) в сопло D, из которого затем проходит в направлении сосуда B, сообщающегося с форвакуумом. Эта струя пара образует в сужении С своего рода перегородку между пространством высокого вакуума, которое соединяется с откачиваемым сосудом, и пространством предварительного вакуума В, которое соединено с форвакуумным насосом. Рис. 6.39. Диффузионный вакуум-насос

Молекулы газа диффундируют через сужение из пространства А в пространство В, так как внутренняя часть паровой струи, состоящая из вновь образовавшегося в нагревателе пара, свободна от газа. В пространстве В (конденсатора) на охлаждаемых водой стенках происходит конденсация ртутного пара, а отделенные от пара молекулы откачиваемого газа отводятся в форвакуум, сконденсировавшаяся ртуть стекает по стенкам в пространство А, откуда по трубочке перетекает в нагреваемый резервуар.

Диффузионные насосы являются одними из лучших для создания высокого вакуума.