Лекции ОВТ (1074277), страница 20

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 20)

Площадь поверхности металлических стенок камеры будет:

Таким образом, только на металлических поверхностях камеры, если полагать, что истинная поверхность примерно в 3 раза превышает геометрическую (камера полированная), будет находиться следующее количество газа:

Объем камеры равен:

и при давлении 6,7*10^-1 Па в нем сосредоточено

газа, а удаляется находящийся в объеме газ гораздо быстрее.

Решим задачу графически с использованием кривых удельной скорости газовыделения малоуглеродистой стали и фторопласта, приведенных соответственно на рис. 1 и 2.

Для этого, умножив ординаты кривой на рис. 1 на 3100см² и на рис. 2 на 50 см2, получим кривые, характеризующие скорости газовыделения и камере (кривые 2 и 3 на рис. 3). Сложим ординаты полученных кривых и построим кривую 1 скорости суммарного газовыделения.

Поток газов, удаляемых вакуумной системой, равен:

Теперь через точку на оси ординат проведем горизонталь до пересечения с кривой 1 скорости суммарного газовыделения. В результате получим, что давление р=6,7*10^-3 Па будет достигнуто примерно через 2,4 ч.

Пример 2. Определить парциальное давление азота в вакуумном объеме диаметром 10 см и высотой 8 см, изготовленном из стали, после охлаждения его от температуры Т₁=673 К до T₂ =293 К. При температуре 673 К давление азота составляло р_нач = 2,7*10^-4 Па.

При указанных давлениях изотерма сорбции описывается уравнением (14). Энергия физической адсорбции азота на стали равна 8,9 кДж/моль, а энергия хемосорбции - 167 кДж/моль.

Сначала рассчитаем давление в объеме после остывания, предполагая наличие лишь физической адсорбции. В этом случае время пребывания молекулы на поверхности будет:

Примем коэффициент прилипания =1. Масса молекулы азота (см. приложение 1) равна 4,652*10^-26 кг. Объем равен:

Геометрическая поверхность стенок вакуумного объема равна:

Обычно для компактных материалов можно считать фактическую или истинную поверхность больше геометрической в 3 - 8 раз.

Предположим, что в нашем случае это соотношение равно пяти, и тогда площадь внутренней поверхности вакуумного объема равна:

Если предположить, что при температуре 673 К весь газ сосредоточен в объеме, то начальная концентрация азота будет равна:

Кроме того, используя уравнение (14) можно записать:

где N_пов и N₁ - концентрации газа на поверхности и в объеме соответственно после охлаждения стенок.

В результате можно составить следующую систему уравнении:

Откуда

(46)

В случае хемосорбции время пребывания молекулы на поверхности

и в соответствии с уравнением (46)

т. е. за счет хемосорбции после остывания давление в сосуде будет пренебрежимо мало.

На практике всегда при остывании происходит некоторое газовыделение из стенок и давление в сосуде окажется существенно большим, чем получается из расчетов с учетом только сорбционных явлений.

Пример 3. Определить время, необходимое для откачки до давления р=10^-7 Па стальной цилиндрической камеры диаметром 0,15 м и высотой 0,2 м, предварительно заполненной водородом.

Эффективная быстрота откачки камеры S₀ = 10^-3 м³/с и не зависит от давления.

Принимаем коэффициент прилипания  = 0,5. Кроме того, полагаем, что фактическая поверхность стенок камеры в 10 раз больше геометрической площади поверхности.

Геометрическая площадь поверхности стенок откачиваемой камеры равна А=0,1296м². Фактическая поверхность стенок камеры будет равна, таким образом, А_факт=1,296 м². Объем камеры V=3,54*10^-3 м³.

Из табл. 1 для водорода находим, что N_1пов = 1,52*10¹⁹ м^-2 и Q_1пов = 6,14*10^-2 м³*Па/м².

Из приложения 1 имеем М_Н2 = 2,016 и m_H2 = 0,3347*10^-26кг.

Энергия адсорбции для системы Н₂ - Fe равна Е_ад=134 кДж/моль.

Принимаем начальный коэффициент заполнения поверхности ₀=1.

Проведем расчет длительности откачки камеры до заданного давления р=10^-7 Па.

Время предварительной откачки до давления, устанавливающегося при 60=1, не учитываем ввиду относительной его малости.

1. Рассчитываем длительность откачки при температуре Т= 523 К (250°С).

По формуле (9) находим время пребывания молекулы водорода на поверхности в адсорбированном состоянии

Определяем объем газа, падающий на единицу площади поверхности:

Находим в соответствии с выражениями (13) и (14) начальное давление, учтя при этом принятое нами соотношение между фактической и геометрической площадями поверхности стенки камеры и  =1:

Теперь по формулам (44) и (45) находим показатели степени в уравнении (38):

Находим по формулам (42) и (43) значения постоянных интегрирования:

В результате в соответствии с (38) получаем следующее уравнение, характеризующее изменение давления в откачиваемой камере:

Таким образом, заданное давление > откачиваемой камере будет достигнуто по истечении времени t = 8,9-10⁵с = 247 ч, т. е. при температуре 250°С для получения заданного давления потребуется более 10 суток непрерывной откачки.

2. Рассчитаем длительность откачки той же камеры до заданного давления при температуре 623К (350°С).

При что температуре время пребывания молекулы водорода на поверхности в адсорбированном состоянии равно:

Объем газа, падающего на единицу поверхности, равен:

Начальное давление при температуре камеры 623К будет равно:

Определяем показатели степени в уравнении (38):

Находим значения постоянных интегрирования:

В результате получаем следующее уравнение, характеризующее изменение давления в откачиваемой камере:

Таким образом, при температуре 623 К заданное давление будет достигнуто за время t=1,079*10⁴с  З ч. Данный пример показывает эффективность повышения температуры прогрева сосудов при их откачке. В самом деле, повышение температуры всего на 100°С (с 250 до 350°С) позволило ускорить процесс достижения заданного давления более чем в 80 раз.

Для анализа динамики изменения давления в откачиваемых объемах можно рекомендовать следующее правило:

если частное от деления энергии десорбции на температуру

E_дес / T . 2*10² Дж/(моль*К), то объем откачивается достаточно быстро;

если частное от деления энергии десорбции на температуру

E_дес / T > 3*10² Дж/(моль*К), то газы удаляются весьма медленно, но начальное давление в объеме даже при относительно малой эффективной быстроте откачки будет незначительным.

ЛЕКЦИЯ №30

РАСТВОРИМОСТЬ, ГАЗОСОДЕРЖАНИЕ, ДИФФУЗИЯ, ПРОНИЦАЕМОСТЬ

Газовыделение с поверхности при повышении температуры сначала растет за счет тепловой десорбции газов, а затем начинает уменьшаться, причем обычно максимум газовыделения приходится на 700—800 К.

При дальнейшем повышении температуры газовыделение вновь увеличивается, главным образом за счет выделения газов из толщи материала.

Процессы выделения газов из толщи материалов определяются растворимостью, проницаемостью и диффузией и могут быть соответствующим образом рассчитаны. В простейшем случае, когда нет необходимости в определении газовыделения в зависимости от длительности процесса обезгаживания, можно воспользоваться значениями удельного газовыделения, приведенными в приложениях.

Общее количество газа, выделяющегося из обрабатываемых в вакууме изделий и поступающего в вакуумную систему, можно оценить по формуле

(1)

где - масса обрабатываемых в вакууме изделий, кг; - удельное газовыделение из материала обрабатываемых изделий, . Поток газов поступающих в вакуумную систему, определяется из выражения

(2)

где - длительность процесса вакуумной обработки, с; - коэффициент неравномерности процесса газовыделения во времени, обычно .

Отметим, что в реальных условиях при постоянной температуре газовыделение меняется больше чем в 1,5—3 раза, и для поддержания газовыделения в ограничен­ных пределах обычно постепенно повышают температуру, поддерживая давление и вакуумной системе на уровне не выше предела, определяемого условиями проведения технологического процесса.

4.1. РАСТВОРИМОСТЬ И ГАЗОСОДЕРЖАНИЕ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Проникновение газов сквозь твердое тело возможно только при условии, что газ сначала адсорбируется на поверхности и затем растворяется в нем. При этом газ в твердом теле перемещается из мест с большей концентрацией в сторону меньшей концентрации.

При достаточно длительной выдержке концентрация газа в твердом теле становится максимально возможной для данных условий (давления газа и температуры твердого тела). В результате раствор газа в твердом теле становится насыщенным. Этим максимальным газосодержанием и определяется растворимость газа в твердом теле. Растворимость измеряется объемом газа, растворившегося до насыщения в определенном объеме твердого тела. Единица растворимости .

В зависимости от природы газа и твердого тела растворимость колеблется в самых широких пределах.

В неметаллах молекулы газа при растворении не диссоциируют на атомы, и растворимость при постоянной температуре прямо пропорциональна давлению р.

При растворении в металлах молекулы газа диссоциируют на атомы, в связи с чем растворимость пропорциональна где равно числу атомов в молекуле растворяющегося газа.

Растворимость газа в твердом теле зависит также от температуры, но однозначной зависимости не существует.

Обычно металлы делят на группы в зависимости от характера их взаимодействия с водородом. При этом выделяют четыре группы по виду взаимодействия меж­ду водородом и металлами:

1) образование гидридов ионного характера (щелочные и щелочноземельные металлы);

Характеристики

Список файлов лекций