Файл: Волчкевич, А. И. Высоковакуумные адсорбционные насосы.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2024
Просмотров: 86
Скачиваний: 0
А. И. ВОЛЧКЕВИЧ
ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ
АДСОРБЦИОННЫЕ
НАСОСЫ
Д К 621.521 |
' ^ Ц й Л И О Т Е К А , |
Волчкевич А. И. Высоковакуумные адсорбционные насо сы. М. «Машиностроение», 1973, 158 с.
В книге рассмотрены природа адсорбционного взаимодей ствия и основные уравнения изотерм адсорбции, приведены краткие характеристики адсорбентов, используемых в адсорб ционных насосах.
Обобщены уравнения кинетики наиболее характерных ад сорбционных процессов, протекающих в реальных условиях работы адсорбционных насосов. Приведен обзор методов экс периментального исследования равновесия и кинетики про цессов адсорбции газов.
Обобщены экспериментальные данные по изотермам ад сорбции газов на микропористых адсорбентах, позволяющие рассчитать предельное давление насоса. Подробно рассмотре ны общие закономерности изменения давления в адсорбци онном насосе при поступлении газа с постоянной скоростью, что позволяет выбрать наиболее эффективный адсорбент и рассчитать скоростную характеристику насоса в динамической вакуумной системе. Приведены наиболее рациональные конст рукции насосов, даны рекомендации по их эксплуатации.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся конструированием и эксплуатацией вакуумного оборудования.
Ил. 56, табл. 5, список лит. 79 назв.
Рецензент канд. техн. наук Г. Д. Глебов
В |
3 3 1 2 - 2 7 8 |
278—72 |
|
038(01)—73 |
|||
|
© Издательство «Машиностроение», 1973 г.
ВВЕДЕНИЕ
Непрерывное развитие производства электровакуум ных приборов, микроэлектроники, ядерной физики и мно гих других отраслей науки и техники требует постоянно го совершенствования и разработки новых методов достижения высокого и сверхвысокого вакуума. «Масля ные» насосы, еще недавно широко применяемые в тех нике получения среднего и высокого вакуума, уже не удовлетворяют современным техническим требованиям не столько по величине достигаемого предельного дав ления, сколько по чистоте и «безмасляности» вакуума. Это привело к необходимости разработки принципиаль но новых методов получения вакуума. Большая часть этих методов основана на использовании явления хемосорбцин газов на чистых поверхностях некоторых хими чески активных металлов (преимущественно титана), а также физической адсорбции или конденсации газов намикропористых адсорбентах или поверхностях, охлаж денных до низких температур. Адсорбционный метод по лучения вакуума известен еще с начала XX века, когда Дьюар с помощью древесного угля, охлажденного жид ким воздухом, получил высокий (по тем временам) ва куум. Тогда из-за невысокого уровня техники получения низких температур сорбционный метод не вышел из ста дии лабораторных экспериментов.
Современные требования к чистоте вакуума, дости жения техники низких температур и создание ряда высокоэффективных микропористых адсорбентов возро дили низкотемпературный метод получения высокого вакуума (конденсационные и адсорбционные насосы). В этом отношении большая заслуга принадлежит сотруд никам Харьковского физико-технического института низких температур Е. С. Боровику, Б. Г. Лазареву, М. Ф. Федоровой и др. За сравнительно небольшой срок (10—12 лет) низкотемпературный метод получения вы сокого вакуума получил большое развитие.
Кроме чрезвычайной автономности и неприхотливости в эксплуатации, важным преимуществом конденсацион-
3
ных и адсорбционных насосов является обеспечение на ибольшей чистоты вакуума, так как откачивающие эле менты насосов не являются источниками загрязнений и обеспечивают очень высокие скорости конденсации -заг рязняющих веществ: углеводородов, паров масла, воды, углекислоты и т- п. Основной недостаток конденсацион ных и адсорбционных насосов — трудность обеспечения большой скорости откачки и низкого предельного давле ния таких газов, как неон, гелий и, особенно, водород, который является основным компонентом смеси выделя ющихся газов.
Конденсационные (криогенные) насосы обеспечивают теоретически максимальную скорость откачки газов в области давлений, превышающих -упругость пара при рабочей температуре конденсатора. В области давлений, характерных для вакуумной техники, конденсационный насос, охлаждаемый жидким водородом, не откачивает гелий, водород и неон; при охлаждении жидким гелием не откачивается лишь один гелий.
Адсорбционные насосы с охлажденными микропорис тыми адсорбентами способны, в отличие от конденса ционных насосов, поглощать очень большие количества газа при температуре его кипения с сохранением весь ма низкого предельного давления. Адсорбционный насос, охлаждаемый жидким водородом или гелием, может эффективно работать длительное время при откачке не только конденсирующихся, но и низкокипящих газов. Современные микропористые адсорбенты обеспечивают эффективную работу насоса при охлаждении его жидким азотом. В этом случае приходится принимать специаль ные меры для эффективного удаления низкокипящих га зов, так как гелий и неон практически не адсорбируются, а относительно слабая адсорбция водорода не может обеспечить необходимую скорость откачки насоса.
Применение специальных адсорбентов для водорода или использование вспомогательного высоковакуумного насоса делает откачную систему с адсорбционным насо сом весьма эффективной.
Г л а в а I. АДСОРБЦИЯ ГАЗОВ
ПРИРОДА АДСОРБЦИОННЫХ СИЛ
Адсорбция, т. е. повышенное концентрирование газа на поверхности твердого тела, происходит под действием неуравновешенных сил (адсорбционных потенциалов) атомов, образующих поверхность тела. В отличие от уравновешенных сил атомов, расположенных внутри тела, поверхностные атомы имеют ненасыщенные связи, направленные внутрь твердого тела перпендикулярно к его поверхности. Эти неуравновешенные силы и обус лавливают возникновение, по аналогии с жидкостями, «поверхностного натяжения». Атомы или молекулы газа после соударения с поверхностью некоторое время оста ются на ней, что приводит к насыщению неуравнове шенных сил поверхностных атомов и снижению поверх ностного натяжения. ' Процесс адсорбции протекает самопроизвольно, так как сопровождается уменьшением свободной энергии AG системы газ — адсорбент:
AG = АЯ — TAS,
где АЯ и AS — изменение соответственно энтальпии и энтропии;
Т — температура в °К- Переход молекулы газа в адсорбированное состоя
ние сопровождается уменьшением числа степеней свобо ды, что приводит к уменьшению энтропии AS. Так как и AG и AS отрицательны, то изменение энтальпии газа при адсорбции
АЯ = AG + TAS
также будет отрицательным. Изменение энтальпии, ха рактеризующее (с обратным знаком) тепловой эффект адсорбции газа, обычно называют теплотой адсорбции.
Абсолютная величина теплоты адсорбции характери зует прочность связи адсорбированной молекулы с поверхностью и зависит от природы и характера сил межмолекулярного взаимодействия. Д л я физической (ван-дер-ваальсовой) адсорбции значение АЯ немного превышает .теплоту конденсации газа. При хемосорбции
5
величина АН близка к тепловому эффекту химических реакций. Вследствие столь сильной связи адсорбирован ной молекулы с поверхностью мономолекулярный слой образуется при очень малых значениях относительного давления p/ps. При физической адсорбции поверхность покрывается одним или несколькими слоями адсорбиро ванных молекул лишь при давлениях, близких к давле нию насыщенного пара ps.
Теплота адсорбции молекул в первом слог всегда больше теплоты конденсации, так как для системы газ— адсорбент изменение энтальпии определяется изменени ем не только энергии межмолекулярного взаимодействия между молекулами адсорбируемого газа,- но • и энергии ненасыщенных связей атомов поверхности. Для микро пористых адсорбентов, размер пор которых соизмерим с диаметром адсорбируемых молекул, характерно нало жение адсорбционных потенциал-ов (неуравновешенных сил) противоположных стенок ультрапор, что приводит к заметному увеличению теплоты адсорбции.
В отличие от уравнения состояния идеального газа
RT
р= , уравнение Ван-дер-Ваальса учитывает силы взаимодействия между молекулами реального газа
где R — универсальная газовая постоянная; v — удель ный объем; а и Ь — константы.
Константа Ь характеризует величину сил отталкива ния между молекулами и представляет собой меру объема, занимаемого самими молекулами. Измеряемое
внешнее давление меньше динамического |
па 'величину |
a/v2 из за наличия силы притяжения между |
молекулами. |
Величина а характеризует интенсивность сил взаимодей ствия между молекулами, которые обуславливают про цессы конденсации и физической адсорбции веществ. Хо тя молекулы являются электрически незаряженными частицами, природа ван-дер-ваальсовых сил притяжения между молекулами является электростатической, так как гравитационное и магнитное взаимодействие очень ма ло. Известны три электростатических эффекта, объясня ющие ван-дер-ваальсово притяжение: ориентационныц эффект Кизома, индукционный эффект Дебая и диспер сионный эффект Лондона-
6
Ориентационный эффект возникает при взаимодейст вии молекул, обладающих постоянным дипольным моментом. В зависимости от взаимного расположения диполей между ними могут возникать силы как притя жения, так и отталкивания. Каждая молекула-диполь совершает вращательное движение и взаимодействует с другими диполями, стремясь ориентировать их парал лельно один другому и сблизить концы противополож ных знаков. Преобладание такой ориентации приводит к появлению результирующих сил притяжения. Потен циальная энергия ориентационного эффекта двух дипо лей
„ _ |
2 |
№ 1 |
С 0 |
3 |
г« кТ |
|
где \i\ и (i2 — дипольные моменты; г — расстояние меж ду центрами двух диполей; k — постоянная Больцмана.
Индукционный эффект представляет собой энергию взаимодействия заряженного конца диполя с индуциро ванным диполем, наведенным в симметричной молекуле. Энергия взаимодействия индуцирующего диполя с инду цированным диполем молекулы, имеющей поляризуе мость ач\
Квадруполь состоит из двух или более симметричных пар диполей сложенных концами разноименных знаков таким образом, что получающаяся система не обладает дипольным моментом. Квадрупольный момент, определя емый зарядом е и расстоянием х между положитель ными и отрицательными зарядами, х=2ех2 представляет собой электрический момент инерции молекулы. Энер гия взаимодействия двух индуцированных диполей, на веденных соседними квадрупольными молекулами:'
_ |
3 |
a t 2 |
|
2 |
г8 |
Энергия UK достигает относительно большого значе ния при очень малых расстояниях между молекулами и быстро убывает с увеличением г.
Ориентационный и индукционный эффекты составля ют небольшую часть межмолекулярных сил притяжения для молекул, обладающих постоянными диполями ( Н 2 0 ,
7
N H 3 ) . Для |
молекул, обладающих' квадруполями |
(N2 , Н2 |
и др.) или |
.имеющих симметричное строение |
(атомы |
благородных газов), ни один из рассмотренных эффек тов не определяет значение действительных сил притя жения между молекулами. Это явление объяснено Лон
доном |
с помощью |
дисперсионного |
эффекта. |
Он пока |
зал, |
что любой |
симметричный |
атом |
обладает |
мгновенным дипольным моментом из-за мгновенной несимметричности его электронов в пространстве. В этом отношении наиболее характерен атом водорода, который в любой момент времени обладает флюктуирующим ди польным моментом с непрерывно меняющимся в прост ранстве направлением. Средний диполь такой молекулы, равен нулю, что подтверждено экспериментальноОс циллирующий диполь любого атома создает переменное электрическое поле, которое вызывает смещение зарядов соседних атомов. Индуцированный диполь имеет ту же фазу, что и задающий осциллирующий диполь, поэтому возникают результирующие силы притяжения. Энергия дисперсионного взаимодействия
U тг — |
|
Я> |
'—. |
Л |
2 г» |
4 |
г° |
где /; — постоянная Планка; |
vq —-основная частота ос |
||
циллятора. |
|
|
|
Среднеквадратичный дипольный момент м-2 всегда по ложительная величина, даже когда средний дипольный момент осциллирующего диполя равен нулю. Характе ристический терм энергии kv0, который можно вычислить на основании экспериментальных данных по дисперсии света, приближенно равен ионизационному потенциалу. Осциллирующий дипольный момент определяет вероят ность оптических переходов в атомах при изучении света. Вследствие единства физической природы ван-дер-вааль- сова' притяжения и явления дисперсии света рассмотрен ный вид межмолекулярного взаимодействия называют дисперсионным.
Ван-дер-ваальсовы силы, вызывающие конденсацию и адсорбцию газов, определяются в основном дисперсион ным эффектом. Только для некоторых молекул (напри мер, Н 2 0 , N H 3 ) , обладающих очень большим дипольным моментом,' энергия ориентационного и индукционного эффекта соизмерима с энергией дисперсионного эф фекта.
8