在抽气系统上设置吸附阱来防止机械泵返油

2009-02-07 张以忱东北大学

用机械泵抽气系统获得较清洁真空,防止机械泵返油的方法有许多种,如在真空系统的前级管路上装设各种类型的挡油阱(吸附阱、液氮冷阱、离子阱及半导体制冷的冷阱等),或利用气体粘滞性流动时的阻挡作用减少机械泵油蒸气进入高真空侧等,都可以降低机械泵的返油率。

设置吸附阱

在真空系统的前级管路上设置吸附阱,用吸附剂捕获机械泵的返流油蒸气,是防止机械泵油污染真空系统的简便方法。吸附剂靠物理吸附或化学吸附捕获油蒸汽分子。常用的吸附剂有:五氧化二磷、分子筛、活性氧化铝、活性碳等,各种吸附剂的挡油效果见表2。

表2 机械泵无油抽气系统用吸附阱

由表2可见,活性氧化铝挡油效果最好。即使在部分吸附剂吸水饱和情况下,也能使双级机械泵的返油率降低99%;活性炭虽然可以使返油率减少99%,但由于粒度小,使阱的流导变小,引起机械抽速损失达95%以上。除此以外,活性炭强度低,易破碎,易掉粉,分子筛在干燥情况下,可以使返油率降低99.8%,但吸水以后效果较差。分子筛易破碎、易掉粉,进入到机械泵中会影响泵的抽气性能。

从表中看到3A分子筛有65%的挡油效率,说明在机械泵返流的油蒸气中,分子量低、直径小的油蒸气分子相当多。13X分子筛的挡油效果相当好(再生后其挡油率可达99.8%),但是一旦它的表面吸附水汽后,挡油效果就会显著下降,由于水汽的置换作用,会从已吸收的沾污物中释放出质量数为85和86的成份。活性氧化铝的挡油效果更佳,它在吸附水汽后仍有较好的挡油效果(挡油率99.7%),但由于水汽慢慢的放出,会延缓真空度的提高;它在前级管道使用有比较好的效果,分子量大于80的有机分子几乎全部被吸收掉。活性碳阱的挡油效果也很好,只是它的颗粒太小,会过多地降低流导,同时,它的粉末更容易流动到真空系统的内部各处。

真空工程上,使用氧化铝阱较为普遍,将它与机械真空泵联合使用,可以用于无油真空系统的预抽系统上。目前,用国产的Al2O3做吸附剂,可使机械泵的返油率降低99.7%。每克Al2O3吸收0.11克水后，挡油效果仍保持82%,经过再生后,挡油效率可达99.2%。氧化铝使用前,先在大气下加热两小时进行活化处理,然后再装入阱中使用。

图18所示的吸附阱:在一根圆柱管(Φ50×125mm)的两端加固定网,管中放置吸附剂。图19是一个实用活性氧化铝阱,阱内放置Φ3～Φ10mm 的球状吸附剂,挡油率可达99%,主要应用在抽气系统的前级管道上。阱吸收水汽后,可在真空中加热300℃后保持1～2h进行再生;为避免水汽凝结在管道壁上,管道应加温至150℃或从上游充入少量气体。最好是在真空系统外的大气下加热至300℃烘烤1～2h,然后趁热(高于100℃)把氧化铝倒入阱内,随即与大气隔离封闭。将活性金属吸附剂(例如镍)化学沉积在氧化铝上,可以得到几百m2/g的活性表面;当用作前级吸附阱时,提高吸附剂的温度可以增加油蒸气的化学吸附量而同时减少水汽的物理吸附量。试验表明,其性能优于类似的活性氧化铝阱。

为了缩短排气时间,可在吸附阱旁并联一根旁通管道,如图20所示,在101325～10Pa的压力范围内,打开真空阀3通过旁通管道抽气;当压力降到10Pa左右时,真空阀3关闭,改由吸附阱通道抽气。图20中的真空阀2的作用如下:当机械泵停止抽气不工作时,将吸附阱与真空泵隔开,以免吸附阱大量吸收油蒸气;其次,当真空系统从大气下启动并通过旁通管道抽气时,它与阀1一起不让大量的潮湿空气通过吸附阱,同时避免气流冲击吸附剂引起吸附剂粉末飞扬。阀2可采用自动压差旁通阀门。利用压缩弹簧在大气压力下使阀门处于旁通状态,机械泵直接接通真空系统。当入口压力降低时,阀片两面压差驱使阀板逐步下压,真空系统逐渐接通吸附阱,当到达5Pa时,便完全接通吸附阱并关闭旁通管道阀。