通用机械：分子筛吸附泵

分子筛吸附泵是分子筛吸附泵在低温下靠分子筛的物理吸附作用实现抽气的真空泵。分子筛吸附泵结构简单﹑无油污染﹑无振动噪声﹐是获得无油真空常用的真空泵﹐常用作无油真空机组的前级泵或超高真空机组的维持泵。

一切固体物质表面的原子或分子与固体内部的原子或分子所处的状态是不同的。固体内部原子或分子所受的吸引力对称地和均匀地分布在原子或分子周围﹐即处于力场饱和的平衡状态﹐而表面的原子或分子所受的力则是不对称的﹐也就是说固体表面有过剩的表面自由能﹐即表面有吸附力场存在﹐这就是固体表面对气体或液体具有吸附作用的原因。一切固体物质的表面都有吸附作用。但实际上只有多微孔的物质或磨得很细的物质因表面积很大﹐才有明显的吸附作用。分子筛就是这种物质。分子筛(人造沸石)为多微孔型结构的碱金属铝硅酸盐﹐体内有许多空腔状晶胞﹐其间有微孔相通。在液氮温度下﹐气体或液体分子通过微孔吸附于晶胞空腔的内表面上。分子筛有很大的比表面积(见表分子筛特性表)﹐所以能吸附大量的气体和液体。分子筛除有吸附作用外﹐还有筛分﹑离子交换和催化等作用。分子筛对气体是物理吸附﹐其过程是可逆的。在低温下吸附的气体﹐在温度回升时则逐渐解吸。分子筛在常温时暴露于空气中能吸附大量水蒸汽﹐每克5A分子筛能吸附水蒸汽0.1～0.2克﹐相当1.3×104～2.7×104帕每升气体量。分子筛吸附大量水蒸汽后吸气能力便大大降低。分子筛和水分子的亲和力特别强﹐只有经过适当烘烤﹐吸附的水蒸汽才能全部解吸。因此﹐分子筛吸附泵在暴露于大气或使用一个时期后都要进行烘烤。通常﹐这种处理是把分子筛放在封闭的容器内经300～350℃温度烘烤除气1～2小时。但加热温度一般不宜超过600℃﹐否则会使分子筛损坏。分子筛形状分球形﹑条形﹑柱形﹑片状﹑颗粒状和粉状﹐在液氮温度下﹐5A能吸附氮﹑氧﹑氩﹑二氧化碳和水蒸汽﹔13X除吸附5A所吸附的气体外还能吸附CnHn化合物。

分子筛吸附气体有很强的选择性。它只能吸附分子直径小于微孔直径的气体和液体。空气分子的直径为2～4埃(1埃=1×10-10米)﹐油分子的直径为7～8埃﹐可分别用5A和13X型分子筛吸附。分子筛对不同气体的吸附强弱也不同﹐对氮﹑氧和氩吸附能力很强。这3种气体占空气体积的99.9％﹐分压之和为105帕。但分子筛对氖﹑氦和氢等气体吸附能力却极弱。

温度对分子筛吸附能力的影响非常大﹐在液氮温度(-196℃)下﹐每克5A分子筛能把50～100厘米3容器从大气压抽到1帕﹔而在常温下每克5A分子筛对最易吸附的氮的吸附量仅为10.9立方厘米。因此﹐烘烤除气和低温冷却是保证分子筛吸附泵抽气性能的必要条件。结构分子筛吸附泵分为内冷式(图1内冷式分子筛吸附泵)和外冷式(图2外冷式分子筛吸附泵)两种。前者的液氮和电能的耗量小﹑抽气速率大﹑极限压力低﹐但加工较复杂﹔后者结构简单﹐加工容易﹐但液氮和电能的耗量大﹑要有特制的液氮筒。分子筛吸附泵如作为前级泵使用还要设置安全塞﹐否则温度回升时吸附的气体解吸有发生爆炸的危险。如作为超高真空维持泵使用﹐因吸附的气体量小可不设置安全塞﹐以减少放气和漏气源。分子筛导热性很差﹐泵的结构设计需要考虑热传导问题﹐以便烘烤或冷却时能迅速达到预定要求。

决定分子筛吸附泵抽气能力的重要因素之一是分子筛装量﹐常根据分子筛的负载曲线来决定。图35A分子筛对氮﹑氖和氦的负载率－平衡压力曲线为液氮温度下5A分子筛对氮﹑氖和氦3种气体的负载率-平衡压力曲线。当被抽容积分子筛装量之比即负载率(升/克)大于0.1时﹐平衡压力急剧上升﹔当负载率小于0.05时﹐平衡压力则降低不大﹐而分子筛的装量却增加很多。因此﹐取负载率0.05～0.1来确定分子筛装量﹐可以兼顾泵的性能和经济效果。

操作方法分子筛吸附泵从大气压力开始抽气﹐其极限压力主要由大气中的氖﹑氦分压决定。用两台分子筛吸附泵抽气时有两种不同的操作方法。

首先只给第一台泵加液氮冷却抽气﹐把真空系统(不包括第二台泵)抽到极限压力(约1帕)时关闭。此时真空系统的压力处于平衡态﹐被抽气体为分子流态(分子密度小)﹐随同气体流到泵内的氖﹑氦就又返回到系统中﹐致使系统中的氖﹑氦分压几乎未变。再给第二台泵加液氮冷却抽气﹐真空系统的极限压力只能达到10-1帕。

加液氮冷却抽气的第一台泵将系统(包括第二台泵)抽到67～670帕时关闭。从开始抽气到关泵的过程中﹐分子筛不断吸附被抽气体中的氮﹑氧和氩而不吸附氖和氦﹐泵内氖﹑氦分压不断上升。又因真空系统的压力始终处于不平衡状态(泵内压力低于容器和管道的压力)﹐被抽气体不断向泵内流动﹐同时气体是粘滞流态(分子密度大)﹐尽管泵内氖﹑氦分压高﹐它们也难向系统返回而被关闭在泵内﹐从而降低了系统中氖﹑氦分压。再给第二台泵加液氮冷却抽气﹐真空系统就可达到更低的压力(约10-2帕)。用不同的操作法所达到的极限压力可相差一个数量级。此外﹐也可用干燥纯氮反复“冲洗”真空系统﹐将氖﹑氦“带走”﹐降低系统中的氖﹑氦分压﹐使系统的极限压力达到10-3帕。但这种方法较麻烦而且消耗氮气。也可用无油机械泵或带吸附阱的机械泵抽预真空﹐这样分子筛吸附泵达到的极限压力就更低﹐但须注意泵油的污染问题。