20594

Скорость сорбции

Лекция

Физика

Если то скорость сорбции можно найти из исходного уравнения: Первое слагаемое в левой части уравнения представляет собой скорость конденсации газа на поверхности покрытой мономолекулярным слоем. В металлах зависимость растворимости от давления и температуры имеет вид: где n – число атомов в молекуле газа энергия активации при растворении газа; постоянный коэффициент. Растворимость газа в металлах пропорциональна диссоциированию газа. Для двухатомных молекул это равносильно пропорциональности корню квадратному из давления газа над...

Русский

2013-07-31

304 KB

3 чел.

84

Скорость сорбции

Дифференциальные уравнения сорбции на гладкой поверхности запишем, следуя допущениям, изложенным в разделе хемосорбции и воспользовавшись уравнением:

С учетом того, что , это уравнение можно преобразовать к виду:

,

здесь

;

Решая это уравнение при начальных условиях, получим:

(*)

Перепишем его в виде:

,

где .

При  для равновесной степени покрытия .

Если принять за равновесное состояние , то время достижения сорбционного равновесия при начальном условии :

,

При адсорбции азота на графике для Р=1,3310???,Т=293К, , получим , т.е. практически мгновенно. Скорость адсорбции q найдем, дифференцируя по времени (*):

(**)

если , то будет наблюдаться адсорбция,

для - десорбция.

Максимальная скорость сорбции соответствует .

.

Вводя в предпоследнее уравнение (**) обозначения, принятые для В и А, получим:

Это уравнение справедливо для сорбции газов или паров при , т.е. в условиях малых степеней покрытия.

Если , то скорость сорбции можно найти из исходного уравнения:

Первое слагаемое в левой части уравнения представляет собой скорость конденсации газа на поверхности, покрытой мономолекулярным слоем. Второе слагаемое- скорость испарения с поверхности, покрытой ???. Время конденсации  определяется теплотой конденсации.

Время, в течение которого скорость десорбции снижается при     до заданного значения, можно получить из (**).

,

где - заданное значение минимального газовыделения.

Последнее уравнение можно преобразовать к  виду:

,

удобному для обработки экспериментальных данных.

Растворимость газов в твердых телах

Концентрация газов, растворенных в твердом теле, зависит от его температуры, давления и типа кристаллической решетки.

В металлах зависимость растворимости от давления и температуры имеет вид:

,

где  n – число атомов в молекуле газа,

- энергия активации при растворении газа; - постоянный коэффициент. Знак + в этой формуле характерен для газов, образующих с данным металлом химические соединения, а знак – для газов, образующих истинные растворы. 

Растворимость газов образующих истинные растворы, с ростом температуры растет (H2 в Fe;  Cu; Ni), а содержащих химические соединения – уменьшается (H2 в Ti).  Растворимость   на рис. – отношение числа атомов  H2 к числу атомов металла:

Зависимость растворимости газов в металлах от давления представляет функцию со степенью . Это связано с тем, что газы растворяются в металлах в атомарном состоянии и перед растворением происходит диссоциация молекул на атомы. Пример:

для кислорода ,  и по закону действующих масс, константа равновесия  , где , давление атомарного и молекулярного кислорода.

Очевидно, что .

Растворимость газа в металлах пропорциональна диссоциированию газа.  Для двухатомных молекул это равносильно пропорциональности корню квадратному из давления газа над поверхностью.

В неметаллах, ( атомы которых связаны ионной или ковалентной связью) растворение газов происходит в молекулярном состоянии. Образуются истинные растворы, а зависимость растворимости газов от температуры и давления:

Диффузия газов в твердых телах

Адсорбционный процесс растворения газов в твердых телах осуществляется за счет диффузии молекул газа в кристаллическую решетку и по границам зерен. Диффузионный поток пропорционален градиенту концентрации. Так как для стационарного газового потока через стенку толщиной 2h градиент концентрации:

, то

,

где - число молекул, проходящих в единицу времени площади поперечного сечения по оси Х; - коэффициент диффузии;  и  концентрация газа на границе стенок . Коэффициент  зависит от температуры:

, где

- энергия активации при диффузии, n – число атомов в молекуле газа для металлов, для неметаллов n=1;

- коэффициент не зависящий от температуры.


H2

O2

N2

CO

C

Fe

X18H9T

Ni

Cu

Mo

Fe

Ni

Fe

Fe

Ni

Ni

1,15

1,1

2,04

11

0,73

3,9

10-5

1,9

10-2

110

130

5,4

120

14,7

49,4

72,9

153

154

83,8

679

28,5

163

197

272

Подставляя в выражение для  значение  и , получим

, где

- константа.


Если градиент концентрации изменяется во времени, то в единице объема твердого тела происходит изменение концентрации вещества, описываемое уравнением нестационарной диффузии:

Процесс нестационарной диффузии газа, сопровождается поглощением или выделением газа с поверхности деталей, расположенных внутри камеры.

Ограничим наше рассмотрение случаем, когда массообмен происходит лишь в поверхностном слое  толщина которого значительно меньше общей толщины детали. При этом деталь можно рассматривать, как полубесконечное тело . Длина детали должна быть существенно больше ее толщины, что позволяет считать задачу одномерной.

Предположим, что начальная концентрация газа в детали постоянна и равна . Давление газа над поверхностью детали также будем считать постоянным, а равновесную концентрацию газа в детали, соответствующую этому давлению, обозначим через . Независимость и от времени соответствует граничным условиям первого рода.

На практике такая задача встречается, когда обезгаживание детали происходит при постоянных температуре и давлении, а коэффициент диффузии достаточно мал. , где h - половина толщины детали, а tmax максимальная длительность процесса обработки.

Начальные и граничные условия для последнего уравнения:

Решение этого уравнения при указанных граничных условиях можно представить в виде функции безразмерного времени:

, где

- функция ошибок Гаусса.

Результаты расчетов по этой формуле, для различных отношений  при поглощении газа, когда >, приведены на рис.     , а при выделении газа, когда <.

Так как удельный газовый поток через единицу поверхности, обращенную в вакуум

,

это удельное количество газа, участвующее в массообмене

.

При этом средняя концентрация газа в теле

,

а степень массообмена, т.е. отношение количества газа, участвующего в массообмене, к полному количеству газа, находящемуся в твердом теле до начала массообмена:

Степень массообмена определяет абсолютную степень обезгаженности или газонасыщенности тела и может являться расчетным критерием для выбора типового технологического процесса обработки деталей в вакууме.

Критерием для выбора времени, необходимого для осуществления технологического процесса связанного с выделением или поглощением газа, может служить эффективность массообмена

которая представляет собой отклонение достигнутой степени массообмена к вероятно возможной при данных условиях.

На рис.    показаны графики зависимости удельно безразмерного потока (1) и эффективности массообмена (2) от безразмерного времени . ???????? может при. При этом тело может считаться еще бесконечным в направлении «х». В том случае , когда , необходимо учитывать форму деталей из которых выделяется или поглощается газ.

Получение вакуума

Вакуумные насосы подразделяются по степени вакуума на:

  •  низковакуумные      760Торр – 10-2Торр;
  •   высоковакуумные      10-2Торр - 10-10Торр

и по принципу ????:

  •  механические;
  •  сорбционные;
  •  ионные.

Среди механических насосов можно выделить объемные насосы и молекулярные, основанные на передаче количества движения молекулам газа от движущихся поверхностей.

Насосы объемного типа осуществляют откачку за счет периодического изменения объема рабочей камеры:

  •  поршневые;
  •  жидкостно- кольцевые;
  •  ротационные.

Среди молекулярных насосов различают:

  •  водоструйные;
  •  эжекторные;
  •  диффузионные;
  •  молекулярные.

Сорбционные явления широко используются для откачки газов. Различают на основе физической адсорбции:

  •  адсорбционные:
  •  конденсационные.

На основе хемосорбции работают испарительные насосы.

Направление движения предварительно заряженных частиц под действием электрического поля лежит в основе ионных насосов, а использование ионной откачки совместно с адсорбционной лежит в основе ионно-адсорбционных насосов.

Основными параметрами любого вакуумного насоса являются:

  1.  быстрота действия  (S);
  2.  предельное давление (Pпр);
  3.  наименьшее рабочее давление  (Pм);
  4.  наибольшее рабочее давление  (Pб);
  5.  наибольшее давление запуска (Pз);
  6.  наибольшее выпускное давление (Pв);

Рассмотрим схему простейшей вакуумной системы, состоящую из откачиваемого объема 1, монометров 2,3, насоса 4 и трубопровода 5.

Течение газа из откачиваемого объема в насос происходит за счет разности давлений (Р21), причем Р1> Р2.

Быстроту откачки насоса Si в произвольном сечении трубопровода можно определить, как объем газа , проходящий через это сечение в единицу времени.

Быстротой откачки объема или эффективной быстротой откачки насоса называем объем газа, поступающий в единицу времени из откачиваемого объема в трубопровод через сечение I при давлении Р1.

Быстрота действия насоса – объем газа, удаляемый насосом в единицу времени через входной патрубок (сечение I I) при давлении Р2.

 

Отношение эффективной быстроты откачки насоса к быстроте действия насоса называется коэффициентом использования насоса.

Производительностью насоса называется поток газа, проходящий через его входное сечение в единицу времени. Для стационарного потока выполняется условие неразрывности:

.

Установим связь между тремя основными характеристиками вакуумной системы:

быстротой действия  Sн, эффективной быстротой откачки Sэффи проводимостью вакуумной системы между насосом и откачиваемым объектом U.

или

,

или

  (*)

     Это уравнение называют основным уравнением вакуумной техники.

Если , то. Если , то  , при  следует .

Введя в основное уравнение коэффициент использования насоса, получим:

Объемная откачка

В процессе объемной откачки выполняются следующие основные операции:

  1.  всасывание газа за счет расширения рабочей камеры газа;
  2.  уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа;
  3.  удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу.

Диаграмма работы насосов объемного действия – зависимость (Vk; Pk) в насосе приведена на рис.

В течение времени t1 осуществляется всасывание газа ( область I ) в промежутке (t1-t2) – сжатие газа и (t2-t3)- выхлоп газа, затем цикл повторяется.

Геометрическая быстрота объемной откачки равна произведению объема рабочей камеры насоса на число циклов откачки n.

Сопротивление входного патрубка уменьшает быстроту откачки. Согласно основному уравнению вакуумной техники:

Максимальная быстрота действия насоса

,          (*)

где U- проводимость входного патрубка насоса. Реальная быстрота откачки меньше из-за обратного потока газа в насосе. Обратный поток является следствием перетечек газа и наличием вредного пространства в насосе, а в высоком вакууме возможность процесса диффузии паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объем.

Производительность откачки равна разности прямого и обратного потоков.

,             (**)

где,  ;     .

При  производительность откачки, что позволяет записать, в соответствии с (**):

или

а с учетом (*)

,

где  - коэффициент подачи.

Реальная быстрота откачки оказывается в раз меньше, чем геометрическая быстрота откачки. Для увеличения быстроты откачки необходимо увеличивать объем рабочей камеры  и проводимость входного патрубка. Частота циклов «n» имеет предел по механическим соображениям.

Для определения предельного давления запишем уравнение материальной откачки в пределах цикла откачки:

,

где - количество газа в откачиваемом объеме до начала цикла откачки; - количество газа, поступающее в объем в процессе откачки; - Количество газа в объекте и рабочей камере насоса после выполнения одного цикла откачки. Это уравнение можно переписать в виде:

,

где - объем откачиваемого объема;

- объем рабочей камеры насоса; - объем вредного пространства; - давление выхлопа; - коэффициент, учитывающий газовыделение насоса и степень прорыва газа; - начальное давление в откачиваемом объеме; - конечное давление в откачиваемом объеме.

Решим это уравнение относительно :

.

Если осуществить еще один цикл откачки, то получим:

После n циклов откачки можно получить:

,

Здесь первое слагаемое при  стремится к нулю , а второе слагаемое ( по ф-ле для суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии)

 

т.е. .

Из этого отношения видно, что предельное давление определяется отношением объема вредного пространства к объему рабочей камеры насоса , давление выхлопа и коэффициентом  , учитывающим степень прорыва газа из камеры сжатия в камеру всасывания  и газовыделение насоса. Следовательно,  можно улучшить, применяя ловушки для предотвращения проникновения паров рабочей жидкости насоса в откачиваемый объем  или последовательно соединяя две ступени откачки для уменьшения .

Объемные вакуумные насосы в конструктивном оформлении делятся на поршневые, жидкостно- пальцевые и ротационные. Первые два типа насосов обеспечивают пределное давление (23) 103Па при одноступенчатой конструкции и 101 при двухступенчатой конструкции.

Они имеют ряд недостатков, связанных с неуравновешенностью ротора, большого удельного момента и др. Мало применяются.

Ротационные пластинчатые насосы.

Содержат цилиндрический корпус (7) с впускным (4) и выхлопным (3) патрубками, эксцентрично расположенный ротор (6), в пазах которого установлены пластины (5). Под действием центробежной силы, пластины прикасаются к ротору, обеспечивая изменение объема рабочей камеры насоса. Насос работает, как правило, в масляной ванне, обеспечивая герметизацию соединений насоса и снижение потерь на трение. Для предотвращения заполнения маслом рабочей камеры служит клапан (2). Начальное прижатие пластин осуществляет пружина (1). Для повышенной быстроты откачки необходимо увеличить число пласти (5).

Вредное пространство VВ показано на рис.  

При  откачке из атмосферы предельное давление таких насосов составляет 1Па. При двухступенчатой откачке Pпр10-3Па.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10269. Общество и природа 55 KB
  Общество и природа 1. Проблема природы в истории философии 2. Понятие природа 3. Современные глобалистические концепции 1. Проблема природы в истории философии Историческая эпоха философии Интерпретация специфики природ
10270. Понимание свободы и необходимости как условия существования человека в системе социальных связей 37 KB
  Понимание свободы и необходимости как условия существования человека в системе социальных связей Проблема смысла свободы заключается в определении субъектом диапазона возможностей для самореализации. Категория свободы занимает особое место в экзистенциализме в с...
10271. Социальное прогнозирование и его особенности 25 KB
  Социальное прогнозирование и его особенности. План: 1. Основные этапы Давняя проблема что ждет в будущем Футурология – наука о будущем. Ученые научно обосновали научность прогнозов. Основные этапы: 1 этап – непосредственное будущее 15-20 лет раз
10272. Философские проблемы науки и техники 60.5 KB
  Философские проблемы науки и техники 1. Что такое наука Прежде всего наука сфера человеческой деятельности функцией которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Наука многолика. Она выступает в разных качест...
10273. Антропосоциогенез - процесс перехода от биологической формы движения материи к социальной 14.35 KB
  Антропосоциогенез процесс перехода от биологической формы движения материи к социальной являющейся неразрывным единством превращения животного в человека и объединения животных в человеческое общество. Антропогенез и социогенез не два самостоятельных параллельн
10274. БЕРКЛИ, ДЖОРДЖ - англо-ирландский философ 12.01 KB
  БЕРКЛИ ДЖОРДЖ англоирландский философ. Философия Беркли имевшая сильную религиозную почву явилась в то же время выражением нового быстро вытеснявшего схоластику духа. Беркли пытался преодолеть модный скептицизм и Атеизм и создать учение в котором бы гармонично соч
10275. Френсис Бекон 13.48 KB
  Френсис Бекон разработал доктрину философии основанную на опытном знании. он считал что все проблемы общества можно разрешить на основе научнотехнического прогресса. Критиковал схоластику призывал анализировать вещи. Обосновал индуктивную концепцию научного позна
10276. Познание - совокупность процессов, процедур и методов приобретения знаний о явлениях и закономерностях объективного мира 13.95 KB
  Познание совокупность процессов процедур и методов приобретения знаний о явлениях и закономерностях объективного мира. Познание является основным предметом гносеологии теории познания. Чувственное и рациональное познание Познание распадается как бы на две половин
10277. Принцип действительности и возможности 11.53 KB
  Принцип действительности и возможности является как бы подытоживанием пройденного отрезка пути поскольку интегрирует в себе рассмотренные до сих пор модификации материи содержит их в себе в снятом виде выражает собою диалектическое развитие этого отрезка в целом в е