Сорбционные вакуумные насосы применяют для создания предварительного разряжения в ионно-геттерном насосе (см.ниже) и для удаления газов, выделяемых конструкционными материалами высоковакуумных установок. В таких насосах газ, как правило, остается в насосе в связанном виде на поглощающих поверхностях или в приповерхностных слоях
Насос состоит из камеры 5 (рис. 263,а) с адсорбентом ((цеолиты, силикагель, активированный уголь и др.), внутри к торой расположен сетчатый стакан 4. Через кран 2 камеру соединяют к ионно-геттерному насосу, а через кран J - к диффузионному или ротационному насосу
Рис. 263. Вакуумные иасосы: адсорбционный (а) и Ионно-геттерный (б, в)
Перед использованием сорбционного насоса содержащийся в нем сорбент активируют, нагревая камеру примерно до 200 °С при открытых кранах 2 и 3 для удаления пара воды - основного компонента, поглощаемого сорбентом. Затем эти краны закрывают и камеру 5 погружают в сосуд Дьюара 6 с жидким азотом. После этого открывают краны 2 к 3 и поочередно включают насосы, начиная с ротационного. После извлечения камеры из жидкого азота, сначала открывают кран 1 для сброса избыточного давления.
Адсорбционная способность активированного угля для различных газов неодинакова и возрастает с понижением температуры. Например 1 см3 его при -185 °С поглощает: Не -15 см3, Н2 - 135 см3, N2 - 155 см3, Аг- 175 см3, С02 - 190 см3, а 02 -230 см3.
Ионно-геттериые вакуумные насосы. Эффект ионно-геттерного откачивания газа обусловлен высокой химической активностью ионизированных молекул, способных проникать в поверхностный слой распыляемых частичек геттера и химически взаимодействовать с ним.
Геттер (от англ. getter - газопоглотитель) - вещество, способов связывать газы, кроме благородных, в химические соединения. В качестве геттеров применяют титан, барий и его сплавы с аллюминием и титаном, лантан, церий и другие металлы. В частности, титан связывает кислород с образованием диоксид; TiO2 , а азот - с образованием нестехиометрического нитрида TiNv,, барий превращается в оксид ВаО и нитрид Ва3N2, а с парами воды дает смесь гидрида ВаН2 и оксида ВаО. Ионизацию газа проводят сильным электрическим разрядом, который одновременно и распыляет геттер. Частички геттера, связавшие ионизированные молекулы газа, направляются к поверхности корпуса насоса при помощи электрического поля.
В одной из разновидностей ионно-геттерного насоса (рис.263,6) вольфрамовый стержень 6 является анодом, а два стержня5 служат катодами и оканчиваются нитями накаливания, разность потенциалов между катодом и анодом составляет около5 кВ при силе тока 25 мА. На аноде укреплен геттер 4 в виде титановых пластинок. Нити накаливания катодов являются источником электронов, ионизирующих молекулы, газа. Вокруг анода расположен сетчатый титановый цилиндр (на рисунке не показан), соединенный с катодом. Ионы, проходя сетку, ускоряются в направлении корпуса 2 насоса, служащего их коллектором. Корпус насоса снабжен охлаждающей рубашкой 3 с проточной водой. Входной патрубок 7 присоединяют к сорбционному насосу, а патрубок 7 - к вакуумируемому сосуду.
Наиболее популярными среди ионно-геттерных насосов являются магнитные электроразрядные насосы, называемые "ячейкалш Пеннинга " (рис. 263,в).
Пластины катода 2 изготовлены из титана. Между ними расположен цилиндрический анод 7; его ось перпендикулярна плоскости, катода. Между анодом и катодом создают разность потенциалов порядка 3 кВ. Вдоль оси анода поддерживают магнитное поле 3 с индукцией около 0,1 Тл. Электроны в таком электромагнитном поле обладают высокой ионизирующей способностью, что вызывает образование электрического тлеющего разряда, сохраняющегося вплоть до давления 10-7 торр, или 10-9 Па.
В результате бомбардировки катода ионизированными молекулами газа титан распыляется, захватывает ионизированные молекулы газа и покрывает тончайшим слоем стенки насоса и цилиндрического анода. Ионы внедряются в поверхность напыленного металла и замуровываются вновь образующимися слоями пленки титана.
Однако в таком насосе скорость откачки инертных газов, особенно аргона, мала и составляет всего 1% от скорости удаляемого азота.
Ионно-геттерные насосы применяют только для создания сверхвысокого вакуума. Они работают лишь, когда перед ними уже создан вакуум порядка 1 Па (0,01 торр).
В обычных химических исследованиях используют высоковакуумные установки, схема одной из которых приведена на рис.264.
Масляный ротационный насос 2 создает перед диффузилнным жидкостным насосом 7 необходимое для его работы разряжение. Насос 2 связан с насосом 7 через ловушку 3 и кран 6.
Рис.264. Схема высоковакуумной установки
Насос 7 соединен с вакуумируемым сосудом 11 через кран 10 и охлаждаемую ловушку 9. Таким образом, диффузионный насос 7 можно легко отключить от сосуда 10. Насос 2 посредством обходной линии и крана 13 может быть, непосредственно связан с сосудом 11. Вакуумметр 4 при закрытых кранах 5, б и. 13 позволяет определить остаточное давление, создаваемое насосом 1 .Кран 5 служит для впуска воздуха после выключения установки. Вакуумметр 12 измеряет давление в сосуде 11, а вакуумметр 8 - давление, создаваемое диффузионным насосом 7. Ловушки 3и 1 необходимы для поглощения мельчайших капель масла насоса 2.
Прежде чем включать нагреватель насоса 7, пускают водяное охлаждение. Поток воды должен быть таким, чтобы температура воды на выходе не превышала 20 °С. Затем приводят в действие форвакуумный насос 2. После достижения требуемого вакуума включают нагреватель насоса 7.
При выключении диффузионного насоса первым отключают его нагрев и закрывают краны 6 и 10. Дают насосу остыть до 50 "С. Затем выключают насос 2 и впускают в него воздух, открыв кран 5. Только после этого впускают в насос 7 воздух, открыв кран 6. Последним отключают водяное охлаждение диффузионного насоса.
Поршневые и мембранные насосы применяют для получения избыточного давления. У поршневого насоса с шариковыми клапанами 6 (рис. 265,а) внутренний диаметр стеклянного цилиндра 2 составляет 8 мм, а внутренний диаметр соленоида 3 - примерно 14 мм при длине 120 мм. В цилиндре 2 перемещается стеклянный поршень 5 с железным сердечником 4, втягиваемым соленоидом. Цилиндр 2 охлаждается при помощи водяной рубашки '• Охлаждение необходимо, поскольку соленоид испытывает значительную нагрузку и нагревается. Ход поршня 5 равен 30
мм. Его движение происходит благодаря периодическому пересечению тока в соленоиде автоматическим переключателем. Верхнюю трубку цилиндра 2 присоединяют к сосуду, в котором надо создать избыточное давление, а нижнюю трубку - к источнику газа или оставляют свободной для засасывания воздуха, насос создает давление 30 - 40 торр (до 400 Па) при производительности 15 л/ч.
Рис. 265. Поршневые (а. б) и мембранный (в) насосы
Поршневой насос с фторопластовой пружиной 6 (рис. 265,6) применяют для обеспечения постоянной циркуляции газа в той или иной лабораторной установке. Он состоит из стеклянной трубки 7, откалиброванной по внутреннему диаметру, и стеклянного поршня 2, внутрь которого вставлен железный сердечник 4. Наружную поверхность поршня шлифуют и полируют. Зазор между полированными поверхностями трубки 1 и поршня 2 должен составлять не более 0,05 мм. Верх поршня снабжен поролоновым или асбестовым конусом 3 для смягчения ударов поршня в верхнюю часть трубки 1. Движение поршня осуществляют посредством соленоида 5.
Устанавливают насос строго вертикально и закрепляют в специальном штативе. Для того чтобы газ циркулировал в одном направлении, применяют систему стеклянных клапанов (см. разд. 2.4), которые на рисунке не показаны. Фторопластовая пружина 6 смягчает удар поршня о дно сосуда 1.
Мембранный насос (рис. 265,в) может создать давление 380 торр, или 50 кПа, при производительности 2 л/мин и 600 об/мин кривошипа 1.
Резиновая мембрана 3 прикреплена в центре к поршню 2, который приводится в возвратно-поступательное движение кривошипом 1 с тягой, ввинченной в поршень. Всасывающий клапан 4 представляет собой резиновый кружок, прикрепленный к корпусу насоса винтом 7. Газ, поступающий через трубку 6 приподнимает клапан 4 и проникает в пространство под мембраной. Этот клапан препятствует обратному выходу газа, поскольку при движении мембраны вниз прижимается к краям выходных отверстий трубки 6. Выхлопной клапан трубки 5 -кружок из резиновой пленки, закрывающий внутренней стороной отверстие этой трубки. Этот клапан выпускает газ из пространства под мембраной, но препятствует его обратному проходу.
При вращении кривошипа 1 поршень 2 то поднимает, то опускает мембрану 3, при этом газ всасывается по трубке 6 и выдавливается через трубку 5. Диаметр мембраны 50 - 70 мм, а ее ход 1 - 3 мм.
10.9. Ловушки для конденсации газов
Перед форвакуумным и диффузионным насосами на пути откачиваемого газа всегда помещают ловушки для конденсации газов, растворяющихся в жидкостях насосов или взаимодействующих с ртутью (С02, H2S, H2O, S02, NO2, галогеноводороды и др.). Ловушки погружают в жидкий азот, при температуре испарения которого полностью конденсируются многие газы, за исключением Не, Н2, Ne, CO, F2, Ar, 02, CH4 и NO.
Формы ловушек разнообразны (рис. 266 - 268). Их изготавливают из тонкостенного стекла (0,8 - 1,0 мм), поскольку толстостенное стекло при резком изменении температуры может треснуть. Тонкие стенки ловушек, кроме того, улучшают теплопроводность.
Вымораживание фторсодержаших газов осуществляют во фторопластовых или полиэтиленовых ловушках (см. разд. 1.3). При больших количествах конденсата применяют ловушки со шлифами (рис. 266,б,в), позволяющими быстро и удобно удалять конденсат после выпуска воздуха.в вакуумную систему. Охлаждаемая зона у таких ловушек не должна достигать шлифа (см. рис. 2.4), так как иначе будет нарушена герметичность.
Для вакуумных линий предварительного разряжения хорошо зарекомендовала себя ловушка с перегородкой (рис. 266,5). Такие ловушки устанавливают между ртутным диффузионным и форвакуумным ротационным насосами, чтобы предотвратить попадание ртути в ротационный насос. Эта ловушка не должна иметь диаметр более 40 мм, иначе при охлаждении до температуры -190 °С она может лопнуть.
Если для вымораживания газов жидкий азот не требуется, Применяют ловушки с заливными карманами (рис. 267), куда подтают различные охлаждающие смеси (см. разд 6.11), например кашицу твердого СО2 в ацетоне.
Ловушки с коаксиальными трубками (рис. 267,г) позволяют использовать не только внутреннее, но и наружное охлаждение.
Рис. 266. Ловушки для конденсации газов: простая (а), с краном (б), с пришлифованной головкой (в), U-образная (г),
с перегородкой (д)
Рис. 267. Ловушки для конденсации газов с заливными карманами: шарообразная (а), цилиндрическая (б), с боковым заливным отверстием (в) и с коаксиальными цилиндрами (г)
Рис. 268. Ловушкн длительного контакта с конденсирующимся газом: с ковой трубкой (а),
со спиральной трубкой (б) и трехстенная (в)
Сосуды, изображенные на рис. 268, применяют для вымораживания газов, требующих более продолжительного контакта с охлаждаемой поверхностью. К ним прежде всего принадлежат газы с температурой плавления от -180 до -150 °С. Ловушки этого типа ставят также на вакуумных линиях с большой скоростью отсасывания газа. Однако они обладают большим сопротивлением потоку газа.
10.10. Хранение газов
для хранения газов в зависимости от их количества, чистоты и длительности хранения используют различные сосуды и приспособления. Небольшие объемы газов хранят в газовой бюретке (см. рис. 84) или колбе, или пипетке. Газы объемом от 1 до 5 л содержат в аспираторах и газометрах, а для хранения десятков литров применяют лабораторные газгольдеры. Большие количества газов хранят в сжатом или жидком состояниях в стальных баллонах.
Сосуды для хранения небольших количеств газа. Самое простое устройство для хранения газа - круглодонная колба (см. разд. 2.1) и газовая пипетка емкостью 250 - 500 мл с двумя кранами на концах.
Перед наполнением колбы газом в нее наливают воду или другую жидкость, которая не взаимодействует с газом, до самого верхнего конца и опускают в сосуд с той же жидкостью, чтобы в колбу не попал ни один пузырек воздуха. В горло колбы под жидкостью вводят трубку, подводящую газ (рис. 269,а). Газ, пробулькивая в колбу, вытесняет из нее жидкость. Когда в колбе останется немного жидкости, трубку удаляют, колбу под жидкостью закрывают пробкой, вынимают из сосуда не переворачивая и .хранят вверх дном. Жидкость, находящаяся над пробкой, служит жидкостным затвором.
Перед наполнением газовой пипетки 2 (рис. 269,6) в нее впускают запирающую жидкость, что достигается при открытых кранах 1 и 4 подъемом уравнительного сосуда 3 чуть выше крана 1. Затем краны закрывают - сначала нижний 4, потом верхний 1. Заполненную жидкостью пипетку присоединяют к источнику газа при помощи резинового или полимерного шланга. Открыв краны и опуская сосуд J, засасывают газ в пипетку до полного вытеснения из нее жидкости, после чего краны закрывают.
Небольшие количества газа хранят также в газометре Боденштейна (рис. 269,в), который состоит из колокола 3, погруженного открытым концом в сосуд 4 с ртутью. Перед заполнением газом колокол 3 откачивают через кран 7, и он опускается почти полностью в сосуд с ртутью.
Рис. 269. Устройства для хранения небольших количеств газа: колба (а), газовая пипетка (б),
газометр Боденштейна (в) и колба Гнаука (г)
Затем кран 1 закрывают и через кран 5 впускают газ, поднимающий колокол до упора в крышку деревянной коробки 2. Выпускают газ через кран 1.
Хранение небольших порций особо чистых газов осуществляют в стеклянных колбах Гнаука с запаянным носиком J (рис. 269,г), снабженных вакуумным краном 1 (см. рис. 36) с обрезком стеклянной палочки 2.
Перед заполнением газом из сосуда 5 предварительно удаляют воздух через отросток 4, после чего через этот же отросток впускают газ для хранения. Затем отросток запаивают. Перед использованием газа колбу встряхивают или несколько раз переворачивают для того, чтобы обрезок стеклянной палочки разбил носик 3.
Аспираторы (от лат. aspirare- дуть, выдыхать) - приборы для засасывания и хранения газов, состоящие из двух сосудов, например двух склянок. В верхней склянке 7 (рис. 270,а) находится вытесняющая газ жидкость, а в нижней 5 собирается и хранится газ. Резиновая трубка 3, соединяющая две склянки, перекрывается краном -2. Аспираторы этого типа позволяют создавать различное избыточное давление выходящего газа путемподъема или опускания склянки 1.
Рис. 270. Аспираторы: простой (а), с сосудом Мариотта (б) и перекидной (в)
Чтобы заполнить газом сосуд 5, вынимают пробку с краном 4 и заливают его целиком из сосуда 1 жидкостью, не растворяющей газ и не взаимодействующей с ним. Затем вставляют пробку и, открыв кран 4, опускают склянку 1 ниже сосуда 5. Перетекающая из этого сосуда в сосуд 1 жидкость будет засасывать газ от источника через кран 4.
Если необходимо, чтобы газ поступал в аспиратор с постоянной скоростью, независимо от понижения уровня жидкости в нем, его превращают в сосуд Мариотта (см. рис. 151). Тогда засасываемый газ будет всегда находиться под разряжением, определяемым значением ht, которое соответствует перепаду уровня жидкости между концом трубки 3 и нижним отверстием трубки 4, из которого свободно вытекает жидкость.
Перекидной аспиратор (рис. 270,в) состоит из двух сосудов, Уединенных между собой краном и укрепленных в штативе на двух кольцах. Для удобства работы с таким аспиратором его можно укреплять в специальном приспособлении на оси, вокруг которой он может вращаться.
Газ засасывается при перетекании жидкости из верхнего сосуда в нижний. Для вытеснения собранного газа аспиратор переворачивают, и газ вытесняется жидкостью, сливаемой из верхнего сосуда.
Рис. 271. Газометры Пепи (а), Берцелиуса (б) и Бетти (в)
Газометры. Принцип действия всех газометров почти одинаков: газ вытесняется из нижней склянки, в которой он хранится, жидкостью из воронки или верхней склянки.
Газометр Пепи (рис. 271,а) может быть металлическим и стеклянным. Он состоит из сосуда 5, в котором хранится газ, и воронки 1. Чтобы заполнить газометр газом, в него заливают через воронку 1 жидкость, предварительно открыв краны 2 и 4. Жидкость поступает в сосуд 5 через кран 2, а воздух выходит через кран 4. Для удаления всего воздуха, газометр наклоняют так, чтобы кран 4 был выше своего нормального положения. Когда при таком наклоне из крана 4 пойдет жидкость, газометр будет наполнен полностью. Затем краны 2 и 4 закрывают, вынимают из тубуса 7 пробку и вводят в него трубку, подводящую газ.
По мере заполнения сосуда 5 газом жидкость, находящаяся в нем, вытекает. Чтобы вода стекала в подставленный сосуд, на трубку, подводящую газ, надевают кусок плотной резины или кусок жести для направленного стекания жидкости из газометра. Заполнение газометра заканчивают, как только уровень жидкости подойдет к тубусу 7, который затем надежно закрывают пробкой. Для потребления газа открывают кран 2, а затем кран 4. Жидкость из воронки 1 заполняет сосуд 5 и, вытесняет газ. Скорость выходящего газа регулируют кранами 4 и 2. По мере отбора давление газа постепенно снижается. Кран 3 служит для наполнения газом небольших колб и цилиндров, располагаемых над верхним отверстием трубки с этим краном и наполненных предварительно жидкостью. Для их заполнения при закрытом кране 4 открывают краны 2 и 3. Газ поступает в колбу или цилиндр, вытесняя жидкость.
Если же требуется наполнить газометр газом, имеющим давление, равное или меньшее атмосферного, трубку, подводящую газ, присоединяют к открытому крану 4 и вынимают пробку из тубуса 7. Краны 2 и 3 при этом должны быть закрыты. Вода, вытекая из тубуса 7, засасывает газ в сосуд 5.
Аналогичные операции проводят и со стеклянным газометром Берцелиуса (рис. 271,6), выпускаемого отечественными фирмами объемом 3, 5, 10 и 20 л.
Берцелиус Йене Якоб (1779-1848) - шведский химик. В 1814.г. ввел современное обозначение химических элементов. Открыл химические элементы Се,. Se и Th.
Все шлифы газометра Берцелиуса должны быть притерты и смазаны (см. разд. 1.7 и 2.4). В исправном газометре 4 при закрытом кране 3 и открытом кране 2 уровень воды в воронке 1 не должен уменьшаться в течение 24 ч более, чем на 5 мм. Для обнаружения утечки газа из газометра выливают всю жидкость, закрывают кран 3 и наполняют воронку 1 водой доверху. Затем открывают кран 2 и следят за тем, вытекает ли из воронки вода и не слышен ли свист выходящего воздуха. Подозрительное место смачивают мыльной водой и смотрят, не образуются ли мыльные пузырьки из-за выходящего воздуха.
Если необходимо использовать газ с постоянным давлением, применяют газометр Бетти (рис. 271,в). Когда кран 4 открыт, газ из него выходит с постоянным давлением, равным гидростатическому давлению, определяемому высотой h. В воронку 2 при выпуске газа непрерывно из трубки 1 подают жидкость, частично удаляемую через сливную трубку для поддержания постоянного уровня. Из воронки жидкость попадает в переливной сосуд 6, из которого она выливается через край в сосуд 5. Стойка 7 поддерживает сосуд 6.
Бетти Марио (1875-1942) - итальянский химик-органик.
Лабораторные газгольдеры (рис. 272,а) изготавливают из нержавеющей стали или титана. Для хранения агрессивных газов металл заменяют на винипласт, полипропилен и другие полисные материалы (см. разд. 1.3). Основная часть газгольдера 1- колокол 2, опущенный в залитое жидкостью между цилиндрами 1 и 4 кольцевое пространство 5, где жидкость образует гидравлический затвор. Колокол подвешивают на капроновой толстой нити, перекинутой через блоки. Уравновешивают колокол грузом из съемных металлических дисков.
Рис. 272. Лабораторный газгольдер (а) и газометр Кале (б)
Газгольдер наполняют, газом через кран 6. Если газ подают под давлением, то колокол, уравновешенный грузом, поднимается вверх. Если же газ надо засасывать, то массу груза увеличивают. Для выпуска газа из газгольдера массу груза уменьшают и колокол, опускаясь, выдавливает газ через кран 3.
Газометр Кале без запирающей жидкости состоит из склянки 4 (рис. 272,6), в которой находится резиновая камера 5, закрепленная на трубке с краном 1, проходящей через пробку 2. Через этот кран выпускают и впускают газ. Кран 3 служит для регулирования давления газа в резиновой камере. Камеру готовят из силиконового каучука, обладающего меньшей газопроницаемостью, чем обычная резина. Известно, что через стенку резиновой камеры толщиной 1,5 мм при давлении 0,1 МПа (≈1 атм) диффундирует азот, водород и кислород в количествах равных соответственно 4,4; 70 и 20 см3/(м2 * ч).
Запираюшие жидкости. Наилучшей жидкостью для газометров, газгольдеров и других сосудов, в которых хранят газы, является ртуть. Растворимость газов в ртути настолько мала, что ее не всегда можно определить экспериментально. Над ртутью можно хранить BF3, ВСl3, СС120, Н2С2, H2S, С2Н4, СО, С02, NO, N20, РН3, NH3, S02, SiF4, сухие HCI и НВг. Широкому применению ртути в качестве запирающей жидкости препятствуют се ядовитость и сравнительно высокая цена.
Для таких газов как 02, N2, СО, СН4, Не, Хе, Аг, Н2, N0, Ne, SFg в качестве жидкости для газометров и газгольдеров применяют чистую воду. Растворимость этих газов в воде в нормальных условиях (в мл/100 г Н20) находится в интервале от 0,97 (Не) до 5,2 (Аг). Только Хе обладает повышенной растворимостью, составляющей 24,1 мл в 100 г Н20. Растворимость газов можно понизить, если использовать водный раствор серной кислоты, почти насыщенный сульфатом натрия.
Рис. 273. Баллон для хранения газа (а). Схемы запорных вентилей (б, в) и редуктора (г)
Такой раствор, готовят следующим образом: 200 г безводного Na2SO4 растворяют в 800 мл воды и добанляют 40 мл концентрированной H2SO4, после чего полученный раствор кипятят с обратным холодильником (см. разд. 8.4) для удаления растворенных газов.
В такой жидкости растворимость перечисленных выше газов понижается почти вдвое.
Водород и диоксид углерода лучше не хранить, а получать непосредственно перед экспериментом из аппарата Киппа (см. рис. 229).
Хлор, тетрафторид кремния и хлороводород хранят в газометрах над серной кислотой.
Баллоны. Некоторые газы, используемые в лаборатории, находятся в баллонах 3 - стальных цилиндрических сосудах со сферическим дном (рис. 273,а) и суженной верхней частью, в Которую ввернут запорный вентиль 2. Для предохранения вентиля от повреждений на верхнюю часть баллона надевается железный колпак 1. Нижняя часть баллона имеет приваренную подставку 5 ("башмак"), позволяющую хранить баллон в вертикальном положении.
Баллоны, предназначенные для хранения газов (Cl2, NH3 S02 и др.), сжижающихся под давлением, имеют внутреннюю трубку 4, идущую от запорного вентиля до дна баллона. Такие баллоны рекомендуется применять в перевернутом виде, чтобы конец трубки оказывался вне жидкости. В этом случае предотвращается возможный выброс жидкого газа из вентиля.
Запорные вентилиизготавливают из бронзы или стали. Их корпус 2 (рис. 273,6,в) ввинчивается в верхнюю часть баллона. Выходной штуцер 5 перекрывает либо штифт 3 с седлом и прокладкой 4 (рис. 273,6), либо игла 4 (рис. 273,в), вворачиваемые в корпус при помощи ручки 1. На штуцер 5 навинчивают редуктор или надевают резиновый или полимерный шланг.
Редуктор(рис. 273,г) - мембранный вентиль, снабженный двумя манометрами б и 7. Манометр 7 при открытом запорном вентиле измеряет давление в баллоне, а манометр 6 - давление выходящего газа.