在抽氣系統上設置吸附阱來防止機械泵返油

2009-02-07 張以忱東北大學

用機械泵抽氣系統獲得較清潔真空,防止機械泵返油的方法有許多種,如在真空系統的前級管路上裝設各種類型的擋油阱(吸附阱、液氮冷阱、離子阱及半導體制冷的冷阱等),或利用氣體粘滯性流動時的阻擋作用減少機械泵油蒸氣進入高真空側等,都可以降低機械泵的返油率。

設置吸附阱

在真空系統的前級管路上設置吸附阱,用吸附劑捕獲機械泵的返流油蒸氣,是防止機械泵油污染真空系統的簡便方法。吸附劑靠物理吸附或化學吸附捕獲油蒸汽分子。常用的吸附劑有:五氧化二磷、分子篩、活性氧化鋁、活性碳等,各種吸附劑的擋油效果見表2。

表2 機械泵無油抽氣系統用吸附阱

由表2可見,活性氧化鋁擋油效果最好。即使在部分吸附劑吸水飽和情況下,也能使雙級機械泵的返油率降低99%;活性炭雖然可以使返油率減少99%,但由于粒度小,使阱的流導變小,引起機械抽速損失達95%以上。除此以外,活性炭強度低,易破碎,易掉粉,分子篩在干燥情況下,可以使返油率降低99.8%,但吸水以后效果較差。分子篩易破碎、易掉粉,進入到機械泵中會影響泵的抽氣性能。

從表中看到3A分子篩有65%的擋油效率,說明在機械泵返流的油蒸氣中,分子量低、直徑小的油蒸氣分子相當多。13X分子篩的擋油效果相當好(再生后其擋油率可達99.8%),但是一旦它的表面吸附水汽后,擋油效果就會顯著下降,由于水汽的置換作用,會從已吸收的沾污物中釋放出質量數為85和86的成份。活性氧化鋁的擋油效果更佳,它在吸附水汽后仍有較好的擋油效果(擋油率99.7%),但由于水汽慢慢的放出,會延緩真空度的提高;它在前級管道使用有比較好的效果,分子量大于80的有機分子幾乎全部被吸收掉。活性碳阱的擋油效果也很好,只是它的顆粒太小,會過多地降低流導,同時,它的粉末更容易流動到真空系統的內部各處。

真空工程上,使用氧化鋁阱較為普遍,將它與機械真空泵聯合使用,可以用于無油真空系統的預抽系統上。目前,用國產的Al2O3做吸附劑,可使機械泵的返油率降低99.7%。每克Al2O3吸收0.11克水后，擋油效果仍保持82%,經過再生后,擋油效率可達99.2%。氧化鋁使用前,先在大氣下加熱兩小時進行活化處理,然后再裝入阱中使用。

圖18所示的吸附阱:在一根圓柱管(Φ50×125mm)的兩端加固定網,管中放置吸附劑。圖19是一個實用活性氧化鋁阱,阱內放置Φ3～Φ10mm 的球狀吸附劑,擋油率可達99%,主要應用在抽氣系統的前級管道上。阱吸收水汽后,可在真空中加熱300℃后保持1～2h進行再生;為避免水汽凝結在管道壁上,管道應加溫至150℃或從上游充入少量氣體。最好是在真空系統外的大氣下加熱至300℃烘烤1～2h,然后趁熱(高于100℃)把氧化鋁倒入阱內,隨即與大氣隔離封閉。將活性金屬吸附劑(例如鎳)化學沉積在氧化鋁上,可以得到幾百m2/g的活性表面;當用作前級吸附阱時,提高吸附劑的溫度可以增加油蒸氣的化學吸附量而同時減少水汽的物理吸附量。試驗表明,其性能優于類似的活性氧化鋁阱。

為了縮短排氣時間,可在吸附阱旁并聯一根旁通管道,如圖20所示,在101325～10Pa的壓力范圍內,打開真空閥3通過旁通管道抽氣;當壓力降到10Pa左右時,真空閥3關閉,改由吸附阱通道抽氣。圖20中的真空閥2的作用如下:當機械泵停止抽氣不工作時,將吸附阱與真空泵隔開,以免吸附阱大量吸收油蒸氣;其次,當真空系統從大氣下啟動并通過旁通管道抽氣時,它與閥1一起不讓大量的潮濕空氣通過吸附阱,同時避免氣流沖擊吸附劑引起吸附劑粉末飛揚。閥2可采用自動壓差旁通閥門。利用壓縮彈簧在大氣壓力下使閥門處于旁通狀態,機械泵直接接通真空系統。當入口壓力降低時,閥片兩面壓差驅使閥板逐步下壓,真空系統逐漸接通吸附阱,當到達5Pa時,便完全接通吸附阱并關閉旁通管道閥。