Зависимость кинетики адсорбции Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 533.583

Зависимость кинетики адсорбции

А. Б. КОН ЮШКОВА. П.Н. ЗОБКОВ. В.И. ИВАНОВ.

АЛ. ШРАМОВА

СПб ГУ Ни ПТ

A linear dependence of nitrogen cryoadsorption pump out speed from the sorbent NaX temperature has been experimentally established. In the temperature range 78 -11 OK the temperature coefficient of the pump out speed is 0,031.

При испытании ряда газодинамических систем, таких, как ракетные двигатели или химические лазеры, необходимо в течение нескольких секунд откачивать значительные количества газов и поддерживать в камерах натекания вакуум порядка 10°...10' Па.

Из всех средств откачки в данном режиме наиболее приемлемыми по массогабаритным и энергетическим показателям являются криогенные адсорбционные насосы [3].

Создание эффективных криоадсорбционных вакуумных насосов для указанных целей требует четкого представления об изменении температурного поля в слое сорбента в процессе откачки и о соответствующем изменении скорости откачки отдельных элементарных слоев сорбента в зависимости от их текущей температуры.

Основная причина разогрева адсорбента — выделяющаяся теплота сорбции, которая пропорциональна локальной скорости откачки, определяемой локальной темперагурой адсорбента. Таким образом, в процессе откачки в слое адсорбента возникает и непрерывно растет градиент температуры. Вследствие низкой теплопроводности слоя адсорбента температура наиболее удаленных от криопанели слоев может превышать температуру криопанели на несколько десятков градусов.

С одной стороны, повышение температуры сорбента ведет к ускорению проникновения молекул в его поры, так как коэффициент диффузии D растет [2]:

D = D0 e\p(—E/RT).

С другой стороны, с повышением температуры возрастает интенсивность обратного процесса — десорбции ранее поглощенных молекул и, как следствие, снижается удерживающая способность

сорбента, т. е. его удельная емкость. Это видно как из уравнения Генри а = Вр ехр(Д/7), так и из уравнения Дубинина - Радушкевича [1) а = (to/v) ехр {-В (7Vp2) |Ig (р/рУ\), вкоторыхтемпературасорбента 7'являетсяаргументом.

Цель данной работы состояла в том, чтобы экспериментально определить температурную зависимость скорости откачки. Это позволит после разбивки слоя адсорбента на несколько элементарных слоев рассчитать численным методом скорость откачки каждого /-го слоя S, которая является функцией температуры Т. /-го слоя. Далее определяется теплота сорбции q., выделяющаяся в каждом / -м слое за малый, но конечный промежуток времени и после этого находятся новые значения температур в каждом i-м слое. Затем определяются новые значения S., q. и т. д.

В качестве адсорбента был использован цеолит NaX в количестве 0,352 кг, разметенный на плоской криопанели слоем в 16 мм. Криопанель можно было гермостатировать при любой температуре в диапазоне 78... 120 К путем изменения расхода криоагента через нее. Криопанель с адсорбентом размещалась в камере объемом 0,025 м3. Стенки камеры имели температуру = 80 К. Откачиваемый газ (азот) подавали в камеру, предва-

Скорость откачки при различных температурах адсорбента

рительно охладив до ~ 85 К. Перед измерением скорости откачки при той или иной температуре адсорбента его регенерировали. Регенерация заключалась в нагреве криопанели и камеры до 470 К и выдержке под вакуумом (10 1 Па) в течение 3 ч.

Результаты исследования приведены на рисунке, из которого следует, что стабилизация скорости откачки наступала в течение первых 10 с после начала подачи откачиваемого газа в камеру и не менялась последующие 50 с. В течение указанного времени выделяющаяся теплота сорбции вызывала повышение температуры адсорбента не более чем на I К. Таким образом, можно считать, что температура адсорбента в продолжение первых 60 с откачки оставалась практически неизменной. Во всех опытах степень насыщения адсорбента газом не превышала 0,2.

Анализ полученных данных позволил определить зависимость скорости откачки от температуры адсорбента. В интервале температур 78... 110 К она оказалась линейной и может быть выражена уравнением

s = sn\\-B(T- г0)],

где 50 — исходная скорость откачки при температуре адсорбента Т0 = 78 К;

5 — текущая скорость откачки при температуре адсорбента Г;

В — температурный коэффициент скорости откачки.

В указанном выше интервале температур коэффициент В для цеолита NaX оказался равным 0,031. Следует отметить, что выбранный для исследования интервал температур перекрывает реальное изменение температуры адсорбента в эксплуатируемых криоад-сорбционных вакуумных насосах, охлаждаемых жидким азотом.

Список литературы

1. Вакуумная техника: Справ./ Под ред. Е.С. Фролова, В.Е.

Минайчева. — М.: Машиностроение, 1992.

2. Тимофеев Д. П. Кинетика адсорбции. — М.: Изд. АН СССР,

1963.

3. Moor B.C. Cryopump for large pulses of hydrogen. 12-th space

simulation conference, 1982.