Адсорбционные насосы

Адсорбционные насосы работают согласно принципу физической адсорбции газов на
поверхности молекулярного сита или других адсорбентов (активированного Al2O3). В качестве адсорбента часто используется цеолит 13Х. Этот щелочной алюмосиликат обладает для массы материала очень большой площадью поверхности, 1000 м2/г твердого вещества. Рассмотрим его способность поглощать газы.

Диаметр пор цеолита 13Х примерно 13А что соизмеримо с размером молекул пара воды, масла и больших молекул газа (примерно 10А). Считается что диаметр молекулы составляет примерно половину этого значения, 5.10-8 см, на поверхности 1 м2 адсорбируется монослой из 5.1018 молекул. Для молекул азота массой М=28 это соответствует примерно 2.10-4 г или 0,20 мбар.л

Поэтому поверхность площадью 1000 м2 может адсорбировать мономолекулярный слой, в котором будет более 133 мбар.л газа. Водород и легкие инертные газы (неон, гелий) имеют маленький диаметр молекул для цеолита 13Х с диаметром пор 13А. Поэтому эти газы очень плохо адсорбируются.

Адсорбция газов на поверхности зависит не только от температуры, но и от давления над адсорбирующей поверхностью. Зависимость от давления представлена на рис. 2.60 для некоторых газов с помощью изотерм адсорбции. На практике адсорбционные насосы подсоединяются к откачиваемой камере через клапан. Корпус насоса погружается в жидкий азот, что делает эффект поглощения технически полезным. Из-за различных адсорбционных свойств предельное давление и быстрота действия такого насоса различны для разных газов: наилучшие значения получаются для азота, углекислого газа, паров воды и масла.

Легкие благородные газы почти не откачиваются, т.к размер их молекул мал для пор цеолита. Т.к. эффект поглощения понижается в связи с увеличением покрытия поверхности цеолита, быстрота действия насоса падает с увеличением числа адсорбированных частиц. Таким образом, быстрота действия адсорбционного насоса зависит от количества уже адсорбированного газа и не постоянна во времени.

Предельное давление адсорбционного насоса определяется газами, которые преобладают в камере в начале откачки и плохо или совсем не адсорбируются (неон, гелий) на поверхности цеолита. В атмосферном воздухе эти газы присутствуют в очень небольшом количестве, поэтому можно получить давление < 10-2 мбар.

Если с помощью адсорбционного насоса нужно получить давление ниже 10-3 мбар, то неон и гелий не должны присутствовать в смеси газов.

После откачки насос необходимо прогреть только при комнатной температуре, чтобы адсорбированные газы вышли, и адсорбент регенерировался. Если воздух (сырой газ) содержал много паров воды, рекомендуется прогреть насос в течении нескольких часов при 200°С и выше, чтобы высушить его.

Для откачки больших объемов используют несколько адсорбционных насосов, установленных параллельно или последовательно. Сначала давление понижается от атмосферного до нескольких мбар с помощью первой ступени, чтобы удалить большинство молекул гелия и неона. После насыщения насоса этой ступени, клапаны этого насоса закрываются, а клапан насоса с чистым адсорбентом открываются, чтобы насос мог откачивать камеру до следующего уровня низкого давления. Эти действия можно выполнять до тех пор, пока предельное давление не будет улучшено следующим чистым насосом.