Цеолитовые насосы

В цеолитовых насосах для адсорбции газов и па­ров используются вещества, называемые цеолитами.
Цеолиты — это природные минералы, главным образом гидрированные алюмосиликаты щелочных или щелочно-зе-мельных металлов, с трехмерной кристаллической решеткой, образованной тетраэдрами. В настоящее время налажено производство искусственных цеолитов.
Атомы кислорода соединяются с атомами алюминия и кремния определенным образом, следствием чего является особая структура цеолита, в которой имеются полости объемом менее кубического нанометра, соединенные кана­лами диаметром ~1 нм (рис. 3.43) и заполненные молекула­ми воды. После ее удаления получается пористое вещество с очень развитой внутренней поверхностью (доходящей до 1000 м2 на 1 г цеолита), способной сорбировать воду или газы.

Рис. 3.43. Структура цеолита типа NaAl

Синтетические цеолиты обычно обозначаются числом, определяющим максимальный диаметр молекул газа, кото­рые еще могут проникнуть через каналы, а также буквой А или X в зависимости от структуры цеолита. Адсорбирован­ные на внешней поверхности цеолита молекулы газов и па­ров могут мигрировать по внутренним поверхностям и про­никать через каналы в полости, где они оседают на стенках. Таким образом, цеолиты обладают большой сорбционной способностью, которая более или менее различается для раз­ных газов. Сорбционная способность цеолитов в отношении инертных газов, например гелия и неона, практически равна нулю, а для водорода очень мала.
В технике высокого вакуума цеолиты находят примене­ние главным образом:
а) как поглотители, используемые при температуре окру­жающей среды, которые помещают между источником распыленного масла, его паров или паров ртути и простран­ством высокого вакуума, например между диффузионным насосом и откачиваемым объемом или же между ртутным и ионизационным манометрами и т. д. (т. е. вместо отражате­лей с криогенной жидкостью);
б) в высоковакуумных насосах, где цеолит работает при пониженной температуре, например в жидком азоте, и обес­печивает чистый (т. е. свободный от паров органических ве­ществ) вакуум.
Цеолитовые вакуумные насосы относятся к адсорбцион­ным насосам. Их принцип действия основан на физической адсорбции газа кристаллическими пористыми алюмосили­катами, получившими название молекулярных сит или ис­кусственных цеолитов. Цеолит представляет собой неболь­шие пористые гранулы примерно одинакового размера. Диа­метр пор постоянен для цеолита определенного типа, но изменяется от типа к типу. Промышленностью выпускаются цеолиты типов 3А, 4А, 5А, 10Х и 13Х. Из них цеолит марки 5А обладает наибольшей сорбционной емкостью по отноше­нию к воздуху. Диаметр его пор равен 0,5 нм, а внутренняя поверхность примерно в 40 000 раз превышает внешнюю по­верхность гранулы.
На рис. 3.44 схематично изображена одна из наиболее распространенных конструкций цеолитового насоса.

Рис. 3.44. Цеолитовый вакуумный насос ЦВН-1-2:
1 — внешний цилиндр; 2 — внутрен­ний цилиндр; 3 — днище; 4, 5 — верхнее днище; 6, 8, 11 — патрубки; 7 — фла­нец; 9 — пробка; 10 — сосуд Дьюара

Насос представляет собой баллон, заполненный цео­литом и приспособленный для охлаждения жидким азотом. В баллон, образованный внешним металлическим цилинд­ром 7, внутренним цилиндром 2 и закрытый нижним кольце­вым днищем 3 и двумя верхними сферическими днищами 4 и 5, до верхнего края внутреннего цилиндра засыпан цеолит, обычно марки 5А. В насос ЦВН-1-2 помещается 1 кг цеоли­та. Патрубком 6 баллон соединяется с фланцем 7, которым насос присоединяется к вакуумной системе. С целью сни­жения теплопроводности нижняя часть патрубка на длине 30—40 мм утончается до 0,3—0,5 мм. В средней части пат­рубка располагается патрубок 8, закрываемый резиновой проб­кой 9. Баллон насоса помещается в сосуд Дьюара 10. При заполнении сосуда Дьюара жидким азотом и охлаждении цеолита он сорбирует газ, поступающий из откачиваемого сосуда. Благодаря патрубку 11 предотвращается образование газовой пробки во внутренней полости, что способствует эф­фективному охлаждению цеолита.
Цеолитовый насос комплектуется печью (на рисунке не показана), которая устанавливается на место сосуда Дьюара при регенерации цеолита в насосе. Печь представляет собой двухстенный стакан, между стенками которого расположен проволочный нагреватель. Насос присоединяется к вакуум­ной системе через вакуумный клапан.
Цикл работы цеолитового насоса следующий. При за­крытом клапане, соединяющем его с вакуумной системой, производят регенерацию, т. е. восстановление сорбционной активности, цеолита. Регенерация цеолита происходит при прогреве его при температуре 500 °С в течение 3 часов. После регенерации печь заменяется сосудом Дьюара и насос ох­лаждается до температуры минус 196 °С. После охлаждения цеолита насос способен производить откачку. При насыще­нии цеолита откачиваемым газом производят его повторнуюрегенерацию, для чего насос предварительно отделяется кла­паном от откачиваемого сосуда.
Цеолитовые вакуумные насосы серийного производства предназначены для предварительной откачки от атмосфер­ного давления систем с магниторазрядными или геттерно-ионными высоковакуумными насосами, а также для само­стоятельной низковакуумной откачки систем, в которых не допускается присутствие паров рабочей жидкости насосов.
Часто, как показано на рис. 3.45, откачиваемый сосуд снабжается двумя цеолитовыми насосами. Это обеспечивает непрерывность откачки: в то вре­мя как один из насосов откачи­вает объем, в другом производит­ся регенерация цеолита. Наличие трех клапанов позволяет произ­водить любое соединение цео-литовых насосов. Вакуумные клапаны 3 и 4 могут быть как прогреваемыми, так и непрогре-ваемыми, клапан 5 почти всегда прогреваемый. Как было сказа­но, обычно откачка сосуда ведет­ся одним насосом, в то время как во втором регенерируется цеолит. Откачка сосуда от атмосферного давления одновременно двумя насосами в общем не дает жела­емого эффекта, хотя процесс от­качки идет несколько быстрее и предельное остаточное давление несколько ниже (рис. 3.46). Расход азота в этом случае удваивается, поскольку работают два насоса. Для достижения существенного понижения оста­точного давления необходимо вести откачку сосуда последо­вательно двумя насосами (кривая 3 на рис. 3.46), причем до подключения второго насоса для откачки первый должен быть разобщен с откачиваемым сосудом.

Рис. 3.45. Схема вакуумной си­стемы с цеолитовыми насосами: 1,2 — цеолитовые насосы; 3, 4, 5 — клапаны; 6 — манометрический преобразователь

Рис. 3.46. Откачка сосуда цеолитовыми насосами: 1 — одним насосом; 2 — дву­мя насосами; 3 — до момен­та t{ одним насосом, затем вторым

Для характеристики цеолитовых насосов неприемлемо понятие быстроты действия. Они характеризуются сорбционной емкостью. Цеолитовому насосу, как и любому адсорб­ционному насосу, свойственно насыщение, т. е. возможность поглощения вполне определенного количества газа при за­данном давлении. Поэтому для дос­тижения заданной величины давления объем откачиваемого сосуда не может превышать вполне определенной вели­чины. Так, например, с помощью на­соса ЦВН-1-2 в сосуде объемом 100 л после откачки от атмосферного дав­ления создается остаточное давление не более 6,6 Па. В составе остаточно­го газа преобладают инертные газы и совершенно отсутствуют углеводо­роды. Время откачки при 30-минут­ном предварительном охлаждении насоса не превышает 1 часа.

Эксплуатация и обслуживание
Момент постановки насоса в вакуумную систему и мо­мент использования его для откачки сосуда может разделять значительный промежуток времени. Поэтому перед началом работы насоса полезно провести повторную трехчасовую ре­генерацию цеолита. Регенерация производится при закры­том клапане, соединяющем его с вакуумной системой при отсутствии пробки в патрубке 5 (см. рис. 3.44). Перед вы­ключением печи (или сразу после выключения) патрубок 8 плотно закрывают резиновой пробкой 9. Затем печь выклю­чают и удаляют.
После охлаждения насоса до температуры, близкой к ком­натной, под него подводят сосуд Дьюара так, чтобы баллон насоса полностью находился в сосуде Дьюара. В сосуд Дью­ара заливают жидкий азот. После прекращения бурного ки­пения азота, что свидетельствует о том, что баллон и цеолит в нем охладились до температуры, близкой к минус 196 °С (температура кипения жидкого азота), открывают вакуумный клапан 3 (или 4) и 5 (см. рис. 3.45), т. е. начинают откачку сосуда.
На первоначальное охлаждение насоса расходуется око­ло 6 л жидкого азота. В дальнейшем расход жидкого азота составляет 0,5—0,6 л/ч. Уровень жидкого азота надо поддер­живать на высоте верхнего края баллона, допуская пониже­ние его на 15—20 мм. Большое понижение уровня вызывает десорбцию газа из верхних слоев цеолита и повышение дав­ления. Повышение уровня приводит к увеличению расхода азота.
Цеолит марки 5 А дает возможность получать остаточное давление не хуже 0,9 Па (7 • 10-3 Тор) при поглощении 1 г цеолита 20 см3 влажного атмосферного воздуха комнатной тем­пературы и не хуже 13 Па (10-1 Тор) при поглощении 100 см3. Для достижения существенного понижения остаточного дав­ления необходимо вести откачку сосуда последовательно дву­мя насосами.
При повторной откачке сосуда от атмосферного давле­ния без регенерации цеолита установившееся остаточное дав­ление будет выше (примерно на порядок). Допустимое коли­чество регенераций достигает нескольких сотен.

Однако даже непродолжительный прогрев цеолита при температуре выше 550 °С приводит к его разрушению, в осо­бенности если цеолит предварительно адсорбировал большое количество влаги. При разрушении цеолита, о чем можно судить по снижению сорбционной емкости, его необходимо заменить.