設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，采用基于PLC(可編程邏輯控制器)軟硬件為核心的電氣系統(tǒng)，方便地實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yuǎn)程控制,有利于操作者操作和安全保障。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàn)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(yàn)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(xiǎn)。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(duì)于提高某些有害氣體應(yīng)急回收的工作效率具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

分子篩吸附原理

　　分子篩(人造沸石)屬于微孔型結(jié)構(gòu)的堿金屬鋁硅酸鹽，其體內(nèi)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(nèi)表面。在液氮溫度下，其吸附能力很強(qiáng)，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(duì)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(dāng)溫度回升時(shí)，將如數(shù)釋放出來(lái)。并且分子篩具有高的物理穩(wěn)定性、化學(xué)惰性、導(dǎo)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(shè)計(jì)

　　本自動(dòng)冷卻及活化分子篩吸附泵研制目的是：當(dāng)少量實(shí)驗(yàn)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(hù)容器時(shí)，快速將該有害氣體吸附到泵體內(nèi)，以便最大限度減少該有害氣體對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(tǒng)、分子篩活化加熱系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)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(gòu)成

分子篩吸附泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　分子篩吸附泵結(jié)構(gòu)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(nèi)部。

　　(3)節(jié)省液氮的消耗量。

　　(4)易于對(duì)分子篩加熱再生。

　　(5)必要時(shí)設(shè)置安全閥。

　　分子篩吸附泵一般分為內(nèi)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(fù)雜；后者結(jié)構(gòu)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。考慮到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。分子篩吸附泵設(shè)計(jì)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(nèi)嵌盲孔、液氮內(nèi)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(dǎo)熱性較好，但為使分子篩能得到充分冷卻，泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮熱傳導(dǎo)效率問(wèn)題，以便烘烤或冷卻時(shí)能迅速達(dá)到預(yù)定要求，這是分子篩吸附泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，需要最大限度擴(kuò)大分子篩與傳熱導(dǎo)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(nèi)的傳熱導(dǎo)體儲(chǔ)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(dǎo)熱性能優(yōu)良的紫銅設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)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(nèi)圓柱面，盡最大限度加大填充于八個(gè)扇形所形成空間內(nèi)的分子篩與異形體內(nèi)熱交換接觸面積。在泵體上下封板上360°均勻分布液氮內(nèi)嵌通孔，同時(shí)在其上封板上360°均勻設(shè)計(jì)有加熱棒內(nèi)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(jié)構(gòu)可大大減少導(dǎo)體儲(chǔ)能能力，較快和較均勻地實(shí)現(xiàn)了分子篩和液氮或加熱棒的熱交換，可方便地實(shí)現(xiàn)分子篩的充分冷卻或加熱活化。

　　在泵體腔體中心內(nèi)放置側(cè)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(nèi)部，使其與分子篩充分接觸，加強(qiáng)了分子篩吸附泵的吸附能力。

　　采用自動(dòng)添加液氮系統(tǒng)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(shè)計(jì)了液氮回收系統(tǒng)，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(shè)置安全閥，以減少放氣和漏氣源。但在泵體上設(shè)計(jì)了泵體內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可在控制系統(tǒng)的監(jiān)控下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵體內(nèi)壓，當(dāng)超限時(shí)電接觸壓力表可及時(shí)報(bào)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(tǒng)。

　　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(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)相關(guān)元器件的控制、數(shù)據(jù)采集及處理等過(guò)程。通過(guò)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，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(shè)計(jì)要求，能在電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)控下方便自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)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(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hù)性，已在實(shí)驗(yàn)中得到成功應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
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