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

4 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

32616. Докладно описати такі питання: -призначення і класифікація пасажирської станції (ПС); -основні пристрої, які проектуються на ПС; -основні операції, які виконуються на ПС 198.5 KB
  Мин. Iрп=120 2·8=75 мин; Время занятия перронного пути: Тз=tпмtпрtтпtот где tпм продолжительность приготовления маршрута мин; tпр время занятия маршрута приемом поезда мин; tтп продолжительность операций по технологическому процессу мин; tот время занятия маршрута отправлением поезда мин. tпр=LгпLднLп Vпр где Lгп длина горловины приема м; Lдн длина участка приближения м; Lп длина поезда м; Vпр скорость поезда при входе на станцию км ч; принимаем Vпр= 40км ч = 66667м мин tпр=4001500450 66667=352...
32617. Назначение и классификация и основные технические и эксплуатационные параметры сортировочных устройств 413.5 KB
  Для сортировки вагонов на станциях рекомендуется проектировать основные и вспомогательные сортировочные устройства следующих типов: горочные сортировочные горки повышенной большой средней и малой мощности где для сортировки вагонов используется сила тяжести; негорочные вытяжные пути со стрелочными горловинами на уклоне где используется сила тяжести локомотива и сила тяжести вагонов; вытяжные пути и стрелочные горловины на горизонтальной площадке где используется только сила тяги локомотива. Для выполнения функций основного...
32618. Докладно описати основні пристрої вантажної станції (ВС): -колійний розвиток ВС - сортувальні пристрої; -вимоги до проектування основних пристроїв ВС 69 KB
  Для выполнения работы по приему отправлению и обработке поездов и обслуживанию пунктов погрузки выгрузки на ГС имеются пути сортировочные устройства грузовой район а в отдельных случаях устройства для экипировки локомотивов и ремонта вагонов производственнотехнические здания и прочие сооружения. Путевое развитие включает приемоотправочные сортировочные погрузочновыгрузочные выставочные соединительные и ходовые пути. Приемоотправочные пути используются для приема и отправления поездов передач на сортировочную или...
32619. Дати докладну характеристику розв’язок перехрещень в вузлах 900 KB
  Основное требование ко всем пересечениям маршрутов в одном уровне заключается в том что эти пересечения не должны снижать пропускную способность ниже необходимой в период интенсивного движения и создавать угрозу безопасности движения. Пересечения в одном уровне устраиваются при благоприятных топографических условиях относительно небольших размерах движения. Безопасность движения поездов обеспечивается с помощью устройств автоматики и сигнализации предохранительных тупиков. Развязки в одном уровне осуществляются чаще всего с...
32620. Розрахунок конструктивної висоти сортувальної гірки на сортувальній станції 571.5 KB
  Профільна висота головної дільниці h1 встановлюється з урахуванням найбільшого використання допустимої швидкості входу Vвх розрахункового бігуна вагою 85 т ωо=05 Н кн. в уповільнювачах 1 ГП при сприятливих умовах скочування: де Vo найбільша швидкість розпуску приймається 25 м с; g′ох розрахунковий параметр для ОХ бігуна м с2; де g прискорення вільного падіння 981 м с2; n кількість осей бігуна ОХ 4; q вага бігуна ОХ 85 т; hωо1 hск1 питома робота сил опору основного і від стрілок та кривих в межах головного дільниці l1...
32621. Докладно описати питання щодо пасажирської технічної станції (ПТС): 1) призначення і класифікація; 2) основні пристрої; 3) основні операції, що виконують на станції; 4) умови застосування; 5) переваги та недоліки окремих ПТС 116.5 KB
  1 ПТС призначаються для переформування ремонту очищення і екіпірування пасажирських составів. Станції бувають крупні 1520 составів за добу і середні 815.20 составів. На технічних парках менше ніж 68 составів.
32622. Аналіз схем двосторонніх станцій с послідовним розташуванням основних парків. Описати системи гіркової автоматики 216.5 KB
  Для комплексної механізації і автоматизації процесу сортування вагонів сортувальні гірки обладнуються локальними системами автоматики ГАЦ ГПЗУ АРС АЗСР ТГЛ пристроями звязку телебачення сигналізації. Під час роботи в маршрутному режимі оператор натисканням кнопки яка відповідає номеру підгіркової колії встановлює маршрут для кожного відчепу перед розпуском його з гірки. Система АСУ РСГ дозволяє регулювати швидкість насуву і розпуску составів швидкість руху відчепів з гірки керувати маршрутами руху відчепів з контролем...
32623. Докладно описати такі питання: визначення спеціальної вантажної станції, спеціалізація спеціальних вантажних станцій,основні операції,які виконують на спеціалізованих вантажних станціях 677.5 KB
  Докладно описати такі питання: визначення спеціальної вантажної станції спеціалізація спеціальних вантажних станційосновні операціїякі виконують на спеціалізованих вантажних станціях. Спеціалізовані вантажні станції це вантажні станції що будуються в пунктах масової переробки однорідних вантажів і забезпечують ритмічність і потоковість обробки масових вантажів і прискорену обробку рухомого складу на станції ефективне використання вантажнорозвантажувальних механізмів і скорочення обсягу роботи сортувальних станцій за рахунок формування...
32624. Дати технічну характеристику колієпроводів 992.5 KB
  Минимальная длина путепроводной развязки в плане определяется в зависимости от радиуса кривой и угла пересечения. Рис 1 К расчету путепроводной развязки в плане. Длина путепроводной развязки в плане должна быть не менее длины развязки в профиле Lnл Lпp Длина путепроводной развязки в профиле зависит от характера подходов. Минимальная длина развязки в профиле: Lпр=lпод0.