一種新型自動(dòng)深冷及活化分子篩的吸附泵設計
設計實(shí)現了一種新型自動(dòng)深冷及活化分子篩的吸附泵。進(jìn)行了吸附能力設計，采用基于PLC(可編程邏輯控制器)軟硬件為核心的電氣系統，方便地實(shí)現了對分子篩吸附泵的液氮自動(dòng)輸送以維持液氮量及分子篩活化的遠程控制,有利于操作者操作和安全保障。驗證實(shí)驗結果表明，該分子篩吸附泵能快速吸附泄漏到密封容器里的有害氣體，且吸附效果良好。
如何在低壓下最大限度實(shí)現分子篩冷凍到低溫的恒溫環(huán)境以提高其快速吸附能力和如何快速升溫活化分子篩使其循環(huán)利用是一直困擾分子篩吸附泵研制人員的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，目前大多實(shí)驗室用液氮冷卻液的添加主要靠手動(dòng)添加，操作不便且存在凍傷的安全風(fēng)險。另外，市面上很少有定型的分子篩吸附泵產(chǎn)品。因此，本文即為解決上述問(wèn)題，研制了一種具有自動(dòng)冷卻及活化功能的分子篩吸附泵，其對于提高某些有害氣體應急回收的工作效率具有實(shí)際的應用價(jià)值。
分子篩吸附原理
分子篩(人造沸石)屬于微孔型結構的堿金屬鋁硅酸鹽，其體內有許多空腔狀晶胞，其之間有窗口相通，氣體分子可以通過(guò)窗孔吸附于晶胞空腔的內表面。在液氮溫度下，其吸附能力很強，每千克分子篩能把50 L~100 L 的容器從大氣抽到1 Pa。同時(shí)，分子篩對氣體的吸附是物理吸附，過(guò)程是可逆的。低溫下被其吸附的氣體，當溫度回升時(shí)，將如數釋放出來(lái)。并且分子篩具有高的物理穩定性、化學(xué)惰性、導熱性[1]。所以，真空行業(yè)常采用分子篩作為吸附泵的吸附劑材料。
分子篩吸附泵總體設計
本自動(dòng)冷卻及活化分子篩吸附泵研制目的是：當少量實(shí)驗用高壓有害氣體(體積為7 mL,壓力為50 MPa)于主管路泄漏并充滿(mǎn)體積為200 L，壓力為50 Pa 的密封保護容器時(shí)，快速將該有害氣體吸附到泵體內，以便最大限度減少該有害氣體對現場(chǎng)實(shí)驗人員的人體危害。
分子篩吸附泵主要由分子篩吸附泵、液氮輸送系統、分子篩活化加熱系統和電氣控制系統等組成，如圖1 所示。其中分子篩吸附泵體置于敞口液氮容器中。
分子篩吸附泵總體構成
分子篩吸附泵結構設計
分子篩吸附泵結構一般要滿(mǎn)足如下幾個(gè)條件：
(1)使分子篩能得到充分冷卻。
(2)使被吸附氣體易于深入分子篩內部。
(3)節省液氮的消耗量。
(4)易于對分子篩加熱再生。
(5)必要時(shí)設置安全閥。
分子篩吸附泵一般分為內冷式和外冷式兩種。前者的液氮和電能的耗量較小、吸附速率較大、極限壓力低，但加工較復雜；后者結構簡(jiǎn)單，加工容易，但液氮和電能的耗量稍大、需外置配套液氮容器�？紤]到結構簡(jiǎn)易性和填放分子篩方便性，本分子篩吸附泵采用外冷式結構。分子篩吸附泵設計如圖2 所示，其主要由泵體外殼、分子篩、扇形傳熱翼片、氣體接觸通道、加熱棒內嵌盲孔、液氮內嵌通孔、真空閥門(mén)、敞口液氮容器和壓力表等組成。
由于分子篩導熱性較好，但為使分子篩能得到充分冷卻，泵的結構設計需要考慮熱傳導效率問(wèn)題，以便烘烤或冷卻時(shí)能迅速達到預定要求，這是分子篩吸附泵設計的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，需要最大限度擴大分子篩與傳熱導體熱交換接觸面積和外冷源或外熱源與泵體熱交換接觸面積；同時(shí)需盡量減小分子篩吸附泵體內的傳熱導體儲能能力。為此，該分子篩吸附泵外殼采用厚1mm的不銹鋼圓柱面，同時(shí)將導熱性能優(yōu)良的紫銅設計成整體結構的圓筒薄壁和八片360°扇形分布傳熱翼片異形體，并緊密嵌入泵體殼體的內圓柱面，盡最大限度加大填充于八個(gè)扇形所形成空間內的分子篩與異形體內熱交換接觸面積。在泵體上下封板上360°均勻分布液氮內嵌通孔，同時(shí)在其上封板上360°均勻設計有加熱棒內嵌盲孔，加大外冷源或外熱源與泵體熱交換接觸面積。上述結構可大大減少導體儲能能力，較快和較均勻地實(shí)現了分子篩和液氮或加熱棒的熱交換，可方便地實(shí)現分子篩的充分冷卻或加熱活化。
在泵體腔體中心內放置側壁開(kāi)微孔的氣體接觸通道管，有利于被吸附氣體深入分子篩內部，使其與分子篩充分接觸，加強了分子篩吸附泵的吸附能力。
采用自動(dòng)添加液氮系統減少液氮灌注時(shí)的液氮消耗，同時(shí)在敞口液氮容器加裝具有泄壓口的封蓋，極大地減少氣體被吸附時(shí)液氮的靜態(tài)揮發(fā)。同時(shí)設計了液氮回收系統，便于在吸附泵不工作時(shí)回收敞液氮容器中剩余的液氮。該分子篩吸附泵作為真空吸附泵使用，因吸附的氣體量小可不設置安全閥，以減少放氣和漏氣源。但在泵體上設計了泵體內壓力監測點(diǎn)，可在控制系統的監控下實(shí)時(shí)監測泵體內壓，當超限時(shí)電接觸壓力表可及時(shí)報警，并打開(kāi)真空閥門(mén)，將解析出的氣體吸入氣體回收系統。
以實(shí)際科研生產(chǎn)需求為前提，研制了一種自動(dòng)深冷及活化分子篩的吸附泵，采用以PLC 為核心的軟硬件平臺實(shí)現了對系統相關(guān)元器件的控制、數據采集及處理等過(guò)程。通過(guò)驗證實(shí)驗，該分子篩吸附泵的吸附能力滿(mǎn)足快速吸附某有害氣體的設計要求，能在電氣控制系統的監控下方便自動(dòng)地實(shí)現液氮輸送功能，減小液氮輸送過(guò)程中的消耗，同時(shí)能自動(dòng)啟動(dòng)或停止溫控系統，實(shí)現對分子篩的加熱活化升溫和保溫的功能，具有較好的安全防護性，已在實(shí)驗中得到成功應用。
參考文獻
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