一种新型自动深冷及活化分子筛的吸附泵设计

　　设计实现了一种新型自动深冷及活化分子筛的吸附泵。进行了吸附能力设计，采用基于PLC(可编程逻辑控制器)软硬件为核心的电气系统，方便地实现了对分子筛吸附泵的液氮自动输送以维持液氮量及分子筛活化的远程控制,有利于操作者操作和安全保障。验证实验结果表明，该分子筛吸附泵能快速吸附泄漏到密封容器里的有害气体，且吸附效果良好。

　　如何在低压下最大限度实现分子筛冷冻到低温的恒温环境以提高其快速吸附能力和如何快速升温活化分子筛使其循环利用是一直困扰分子筛吸附泵研制人员的一个技术问题。同时，目前大多实验室用液氮冷却液的添加主要靠手动添加，操作不便且存在冻伤的安全风险。另外，市面上很少有定型的分子筛吸附泵产品。因此，本文即为解决上述问题，研制了一种具有自动冷却及活化功能的分子筛吸附泵，其对于提高某些有害气体应急回收的工作效率具有实际的应用价值。

分子筛吸附原理

　　分子筛(人造沸石)属于微孔型结构的碱金属铝硅酸盐，其体内有许多空腔状晶胞，其之间有窗口相通，气体分子可以通过窗孔吸附于晶胞空腔的内表面。在液氮温度下，其吸附能力很强，每千克分子筛能把50 L~100 L 的容器从大气抽到1 Pa。同时，分子筛对气体的吸附是物理吸附，过程是可逆的。低温下被其吸附的气体，当温度回升时，将如数释放出来。并且分子筛具有高的物理稳定性、化学惰性、导热性[1]。所以，真空行业常采用分子筛作为吸附泵的吸附剂材料。

分子筛吸附泵总体设计

　　本自动冷却及活化分子筛吸附泵研制目的是：当少量实验用高压有害气体(体积为7 mL,压力为50 MPa)于主管路泄漏并充满体积为200 L，压力为50 Pa 的密封保护容器时，快速将该有害气体吸附到泵体内，以便最大限度减少该有害气体对现场实验人员的人体危害。

　　分子筛吸附泵主要由分子筛吸附泵、液氮输送系统、分子筛活化加热系统和电气控制系统等组成，如图1 所示。其中分子筛吸附泵体置于敞口液氮容器中。

分子筛吸附泵总体构成

分子筛吸附泵结构设计

　　分子筛吸附泵结构一般要满足如下几个条件：

　　(1)使分子筛能得到充分冷却。

　　(2)使被吸附气体易于深入分子筛内部。

　　(3)节省液氮的消耗量。

　　(4)易于对分子筛加热再生。

　　(5)必要时设置安全阀。

　　分子筛吸附泵一般分为内冷式和外冷式两种。前者的液氮和电能的耗量较小、吸附速率较大、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稍大、需外置配套液氮容器。考虑到结构简易性和填放分子筛方便性，本分子筛吸附泵采用外冷式结构。分子筛吸附泵设计如图2 所示，其主要由泵体外壳、分子筛、扇形传热翼片、气体接触通道、加热棒内嵌盲孔、液氮内嵌通孔、真空阀门、敞口液氮容器和压力表等组成。

　　由于分子筛导热性较好，但为使分子筛能得到充分冷却，泵的结构设计需要考虑热传导效率问题，以便烘烤或冷却时能迅速达到预定要求，这是分子筛吸附泵设计的关键问题。为此，需要最大限度扩大分子筛与传热导体热交换接触面积和外冷源或外热源与泵体热交换接触面积；同时需尽量减小分子筛吸附泵体内的传热导体储能能力。为此，该分子筛吸附泵外壳采用厚1mm的不锈钢圆柱面，同时将导热性能优良的紫铜设计成整体结构的圆筒薄壁和八片360°扇形分布传热翼片异形体，并紧密嵌入泵体壳体的内圆柱面，尽最大限度加大填充于八个扇形所形成空间内的分子筛与异形体内热交换接触面积。在泵体上下封板上360°均匀分布液氮内嵌通孔，同时在其上封板上360°均匀设计有加热棒内嵌盲孔，加大外冷源或外热源与泵体热交换接触面积。上述结构可大大减少导体储能能力，较快和较均匀地实现了分子筛和液氮或加热棒的热交换，可方便地实现分子筛的充分冷却或加热活化。

　　在泵体腔体中心内放置侧壁开微孔的气体接触通道管，有利于被吸附气体深入分子筛内部，使其与分子筛充分接触，加强了分子筛吸附泵的吸附能力。

　　采用自动添加液氮系统减少液氮灌注时的液氮消耗，同时在敞口液氮容器加装具有泄压口的封盖，极大地减少气体被吸附时液氮的静态挥发。同时设计了液氮回收系统，便于在吸附泵不工作时回收敞液氮容器中剩余的液氮。该分子筛吸附泵作为真空吸附泵使用，因吸附的气体量小可不设置安全阀，以减少放气和漏气源。但在泵体上设计了泵体内压力监测点，可在控制系统的监控下实时监测泵体内压，当超限时电接触压力表可及时报警，并打开真空阀门，将解析出的气体吸入气体回收系统。

　　以实际科研生产需求为前提，研制了一种自动深冷及活化分子筛的吸附泵，采用以PLC 为核心的软硬件平台实现了对系统相关元器件的控制、数据采集及处理等过程。通过验证实验，该分子筛吸附泵的吸附能力满足快速吸附某有害气体的设计要求，能在电气控制系统的监控下方便自动地实现液氮输送功能，减小液氮输送过程中的消耗，同时能自动启动或停止温控系统，实现对分子筛的加热活化升温和保温的功能，具有较好的安全防护性，已在实验中得到成功应用。

参考文献
　　[1] 达道安, 等. 真空设计手册[M]. 北京：国防工业出版社，2004.
　　[2] 杨玉平,等.低温环境下变压吸附制氧设备的设计与运行[J]. 深冷技术, 2000,(2): 26- 29.
　　[3] 邓云伟,等.基于PLC 的塑料微球充氘氚远程监控系统设计与实现[J].计算机测量与控制,2011,(5)；1073.