化工-高压、真空技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4 高压、真空技术,近四十年来，真空技术在冶金领域中得到广泛应用，并形成了“真空冶金”这一专门的学术领域。冶金领域中常用低真空和高真空。在冶金中应用的真空技术有,真空脱气、真空冶炼、真空浇注,等。由于采用真空技术，提高了产品质量，从而提供了优质的新材料。真空技术的应用也改变了冶金物理化学条件，因而出现了大量的真空冶金物化问题等待人们去研究、解决。与此同时，在近代冶金科研和分析领域中也离不开真空技术，如电子探针、离子探针等。,1,真空是指在给定空间内低于1标准大气压的气体状态。在真空技术中，真空度用绝对压强的大小表示，气体压强低，表示真空度高，反之则低。,习惯上常把真空度分为,粗真空 1.0110,5,1.3310,3,Pa,低真空 1.3310,3,1.3310,-1,Pa,高真空 1.3310,-1,1.3310,-6,Pa,超高真空 1.3310,-6,1.3310,-10,Pa,极高真空 1.310,-10,Pa,4 高压、真空技术,2,4 高压、真空技术,获得其空的过程俗称“抽真空”，其主要方法是在工作系统中用泵抽气。,辅助措施:安置冷阱并放吸附剂,以一个大气压开始抽气的泵叫,前级泵,，低于一个大气压才能抽气的叫,次级泵,，次级泵开始工作的气压称为预备真空或前级真空。,抽气速率,：在规定气压下单位时间抽出的气体体积。,极限真空度,：真空泵进气口处在不接任何容器的情况,下，经充分抽气后所能达到的最低气压。,4.1 真空的获得及设备,3,4 高压、真空技术,真空泵可分为机械真空泵、蒸汽流泵和高真空机组。其工作原理各异，应用范围也不相同。,4.1 真空的获得及设备,机械真空泵包括旋片式、润滑式机械真空泵、机械增压泵、分子泵等，在冶金生产和科研中以旋片式机械泵应用最广。,4.1.1 机械真空泵,4,4 高压、真空技术,（1）旋片式机械真空泵,其结构如图3-3所示。整个泵体浸在机械泵油中，转子紧贴在定子圆柱形空腔的上部和空腔不同轴，转子通过轴由电动机带动并在空腔内转动。,为了提高抽气效果，常将两个泵搭配在一起。在结构上这两个泵是串联的，这样就可获得更高的真空度。如国产2X-2型，型号中第一个“2”表示两级，X表示旋片式，第二个“2”表示抽速。该泵属低真空泵，可单独或做前级泵用。,4.1 真空的获得及设备,5,4 高压、真空技术,4.1 真空的获得及设备,图4-1 旋片式机械泵结构,1-排气管；2-进气管；3-外壳；4-排气阀,5-真空泵油；6-定子；7-转子；8-翼片；9-弹簧,6,4 高压、真空技术,4.1 真空的获得及设备,表4-2 2X型旋片式机械泵性能表,型号参数,2X-0.2,2X-0.5,2X-1,2X-2,2X-4,2X-8,2X-15,2X-30,2X-70,在1大气压时抽气速度，L/s,0.2,0.5,2,2,4,8,15,30,70,极限真空度，Pa,6.66510,-2,转速，rpm,500,500,500,450,450,320,320,315,300,配用功率，KW,0.12,0.18,0.25,0.40,0.60,1.1,2.2,4,7.5,进气口径，mm,10,10,12,16,22,50,50,63,80,排气口径，mm,8,10,10,16,16,50,50,65,100,用油量，L,0.16,0.25,0.45,0.7,1.0,2.0,2.8,403,5.2,7,4 高压、真空技术,（2）机械增压泵（罗茨真空泵）,该种泵由两个“8”形转子在定子内旋转，形成容积重复变化，达到吸气排气目的。其工作过程如图3-5所示。由于转子与转子之间，转子与泵体之间不接触，因而无摩擦，转速很高，因此这种泵抽速大、体积小、噪音低、驱动功率小，启动快，在冶金生产和科研中应用很广泛。,在1001Pa真空度下，其抽速较大。它也可在大型机组中作为,前级泵,配套使用，,极限真空度可达0.01Pa,。,4.1 真空的获得及设备,8,4 高压、真空技术,4.1 真空的获得及设备,图4-2 罗茨真空泵的抽气过程,a、b、c进气和排气顺序,9,4 高压、真空技术,（2）往复式真空泵,该泵属粗真空设备，运转时通过曲轴与连杆的作用，使气缸内的活塞做往复运动。活塞的一端接待抽系统，另一端通过气阀使气体进入气阀箱再排入大气，整个进排气循环过程中，活塞起驱动作用，进排气阀片起逆止作用。通过活塞不断地做往返运动，可将真空系统中的气体抽除而达到所需要的真空度，,极限真空度可达1000Pa,。,这种泵一般适用于,真空蒸馏、真空蒸发与浓缩、真空干燥、真空过滤,等。但不适于抽除有腐蚀性或有颗粒灰尘的气体。,4.1 真空的获得及设备,10,4 高压、真空技术,（3）滑阀式机械真空泵,此种泵可单独使用，也可做前级泵配套使用，该泵的容量比旋片式机械泵的,容量大,得多，一般用于,大型的真空设备,，不宜抽除含氧过高、有爆炸性以及有黑色金属但能与真空泵油起化学作用的气体。其,极限真空度为610,-2,Pa,，其结构如图4-3。此类泵在真空干燥、真空处理、真空蒸馏中得到广泛应用。,4.1 真空的获得及设备,11,4 高压、真空技术,4.1 真空的获得及设备,图4-3 滑阀式机械真空泵,1-排气口；2-进气口；3-栓塞杆；4-栓塞导轨 5-栓塞环；6-轴；7-泵体,12,4 高压、真空技术,机械真空泵使用的注意事项,：,1）若用做前级泵，其装机位置应便于工作人员检修和维护；,2）不能反转，反转会将油压入被抽系统而造成污染；,3）停止工作时一定要向泵中放入经过干燥的空气，否则会经排气阀和进气管将油压入被抽系统而造成污染；,4）不能混入异物（如金属屑、玻璃渣等），不能用于抽取易蒸发的杂质和含水分较多的系统，以免磨损和腐蚀翼片，降低真空度；,5）按泵的说明书，加入所需牌号的泵油，同时应定期清洗泵体和更换泵油，以保持系有良好的运转条件。,4.1 真空的获得及设备,13,4 高压、真空技术,4.1 真空的获得及设备,它的工作原理是借助高速运转的蒸汽流，将沿气流高速运动的被抽气体带到泵体下部，同时将其压缩到机械转动真空泵（前级泵）能够作用的较高压强，再由前级泵排出。,根据蒸汽介质不同，分为,油扩散泵,和,水蒸汽喷射真空泵,等。,4.1.2 蒸汽流泵,14,4 高压、真空技术,（1）油扩散泵,抽速快，效率高，无转动部分，结构简单。它由加热部分、冷却部分和喷射部分组成，如图3-4所示。工作时经电炉加热使泵体内的扩散油挥发成蒸汽，油蒸汽沿导管上升由喷嘴喷出，喷嘴可设若干级，有几级喷嘴就称几级泵，图4-4为三级油扩散泵。（极限真空度10,-6,Pa以下）,主要缺点：因被抽气体分子的上下存在密度差以及油分子与待抽气体分子的互相碰撞而造成反扩散，致使一定的油气分子进入被抽系统而,造成污染,，同时也限制了扩散泵极限真空度的提高。,4.1 真空的获得及设备,15,4.1 真空的获得及设备,图4-4 三级油扩散泵,16,4 高压、真空技术,4.1 真空的获得及设备,表4-2 K系列高真空油扩散泵性能,17,4 高压、真空技术,（2）水蒸汽喷射真空泵,其工作介质是水蒸汽，由高速水蒸汽喷入抽气机内造成低压空间，该系统中的气体不断流向这一低压空间，同时被蒸汽带向出口排出，因而达到抽真空的自的，其,极限真空度可达 0.1Pa,。该种泵,抽气量大，真空度较高,，安装方便，容易维修，故在冶金领域中被广泛应用。,4.1 真空的获得及设备,18,4 高压、真空技术,在使用扩散泵时，应注意下述几点：,l）金属扩散泵装机时一定要将扩散泵内壁以及各种需件清洗干净，一般可用苯做洗涤剂。如系玻璃泵，则需要新配制的洗液浸泡，再用去离子水多次冲洗，干燥后再装机；,2）配备的前级泵必须与扩散泵相匹配，即前级泵的抽速在预真空度下至少能抽走扩散泵所排出的气体；,3）在操作程序上应先开冷却水，后开加热系统，停机时应先停止加热，后停冷却水，以免油蒸汽进入被抽系统和防止泵体损坏。,4.1 真空的获得及设备,19,4 高压、真空技术,4.1 真空的获得及设备,高真空机组是能独立完成抽真空工作的成套设备，其特点是结构紧凑、操作方便。将机组直接接于被抽系统就可获得高真空。机组的高、低真空泵间装有储气罐，当低真空泵短期停止工作时，扩散泵可照常运转，前级真空由储气罐实现，一般能维持一小时。机组内装有挡板和冷阱，以减少油蒸汽返流至真空室内，机组本身还设有高、低真空测量规管接头，可以方便地测量各点真空度。目前冶金系统常用JK型高真空机组，其技术性能见表4-3。,4.1.3 高真空机组,20,4真空技术,4.1 真空的获得及设备,表4-3 JK型高真空抽气机组性能,21,4 高压、真空技术,4.2 真空系统,4.2.1,真空系统的基本要求,用于进行某项真空工作的综合装置称“真空系统”，通常由,泵,、,量具,、,管道,、,阀门,及其它,附属设备,组合而成。选择和设计真空系统时，应考虑待抽系统的容积、被抽气体的性质、需要达到的最高真空度及系统的工艺要求，以使主机、管道及其它辅件能相互匹配。并尽量做到结构紧凑、工艺合理、便于测量、检漏和维修等。,22,4 高压、真空技术,4.2 真空系统,设计真空系统时，最重要的是能达到,最高真空度,和,抽气速率,。在系统没有漏气的情况下，最高真空度由泵的极限真空度决定，但抽气速率除与泵有关外还与管道的设计有关。,气导率F（L/s）与管道直径D（cm）、管道长度l（cm）的关系为：,而有效抽气速率Se与泵的标准抽气速率S 和管道气导率F的关系为：,23,4 高压、真空技术,4.2 真空系统,不难看出，管道的气导率对有效抽气速率影响很大，在真空系统管道设计时应尽量挑选,短而粗的管道,，并尽量,减少管道直径和安装方向的突变,。这样才能保证有较高的抽气速率。,只有管道气导率足够大,时，,大泵,才能发挥作用，不然大泵接在气导率较小的管道上，其有效抽气率不会增加很多。,24,4 高压、真空技术,4.2 真空系统,4.2.2 真空系统材料,真空系统所用材料主要指,真空管道系统,、,阀门,及,密封材料,等，真空管道系统材质有金属、橡皮和玻璃等几类，它们各有特点，究竟采用何种视具体情况而定。,管道与真空元件之间的联结可采用焊接、熔接、法兰盘联结等。,系统中的阀门分为金属阀门和玻璃真空活栓两种。,真空系统中常用的密封材料有真空封油、真空封腊、真空封泥、真空漆和环氧树脂等。,25,4 高压、真空技术,4.2 真空系统,采用油扩散泵的真空系统中，为防止油蒸汽进入被抽系统，常采用挡板或冷阱来隔断油蒸汽。在冷阱中可放置干冰或液氮以冷凝和吸附系统内油蒸汽，并可进一步提高真空度。,26,4 高压、真空技术,测量真空度的仪器叫做真空计。由于真空系统的压强范围在1.01310,5,1.3310,-10,Pa之间，如此宽的测量范围是不可能用一种真空计来完成的，所以应根据压强范围选择不同的真空计。按照工作原理不同，真空计可分为两大类。,4.3 真空测量,（1）U型管真空计,其测量原理与U型压力计类同，它有开口与闭口之分，其测量范围在1.01310,5,0.666510,2,Pa。,（2）压缩真空计（麦克劳真空计）,4.3.1 绝对真空计,27,4 高压、真空技术,4.3 真空测量,该种真空计的测量范围为1.3310,2,1.3310,3,Pa。其优点是结构简单、测量精度高。,以上两种真空计的共同缺点是不能连续测量和自动记录，操作较烦琐，玻璃制品易碎，工作介质（汞）易污染环境，故不宜用于生产现场，同时也不宜用于可凝性气体。,28,4 高压、真空技术,4.3 真空测量,通过测量与压强有关的物理量的变化来测量真空度的称为相对真空计。它能,连续测量并能自动记录,，但其准确度较低，这是由于低压测量本身的困难，加上所利用的物理性质常受到其它因素的干扰。实际上这类仪器能做到数量级准确即可。这类真空计种类较多，工作原理和测量范围也各不相同。,4.3.2 相对真空计,29,4 高压、真空技术,4.3 真空测量,（1）热电阻真空计,其,基本原理,是利用气体热传导系数与气体压强的关系，但不是直接由热传导系数测真空度，而是通过与温度有关的物理量（电阻）的变化来间接测量的。,测量范围,为l.3310,-2,0.133Pa的中真空。,（2）热偶真空计,通过热丝温度的变化来反映真空度的高低和热电阻真空计一样，它也不能测量低真空和高真空，其,测量范围,也在1.3310,-2,0.133Pa。,30,4 高压、真空技术,4.3 真空测量,（3）热阴极电离真空计,利用电离现象的原理，,测量范围,为0.13310,-5,1.33Pa。,为工作方便，有时将上述三种真空计组装在一起成为,复合真空计,，它可以从低真空一直测到高真空。,31,真空计的选择原则,（1）在压力区域内能达到精度；,（2）被测气体与真空计互不影响；,（3）尽可能在整个真空度范围内都能测量；,（4）尽可能连续指示，反应时间越短越好；,（5）良好的稳定性、复现性和可靠性，寿命长；,（6）易于安装，操作方便，规格全。,32,4 高压、真空技术,4.4 真空检漏,漏气是真空的大敌，要想获得并维持真空，必须掌握真空检漏技术。检漏就是要找出真空系统上的漏点和漏气原因并加以克服。,4.4.1 真空检漏的确定,将组装好的真空系统抽至一定压强后，关闭阀门，使其与真空泵断开。然后测量系统压强的变化，将所测压强对时间作曲线，可能出现四种情况，如图所示。,33,4 高压、真空技术,4.4 真空检漏,图4-5 孤立系统的压强变化,34,4 高压、真空技术,4.4 真空检漏,曲线,A,说明该系统既不漏气，也不放气（系统内有蒸汽源所致）；如果系统抽不到预定压强，是由于泵工作不正常所致。,曲线,B,在开始时上升较快，而后呈饱和状，表明系统本身不漏气，但内部有放气源。,曲线,C,呈直线上升，说明系统漏气。,曲线,D,表明系统压强开始上升很快，而后变得较慢但不出现饱和，说明放气和漏气两种情况都存在。,35,4 高压、真空技术,4.4 真空检漏,4.4.2 真空检漏方法,判断真空系统确实漏气之后，就开始着手寻找漏孔的所在位置。检查的方法有：,加压法,抽气法,36,4 高压、真空技术,4.4 真空检漏,加压法,向被检系统内充以一定压强的气体或空气，使其压强大于大气压。当系统上有漏孔时，充入的气体便逸出，使用适当的探测器，就可以判断有无漏孔以及漏孔的位置。,放入水中，观察有无气泡,听诊器听嘘嘘声,容器外表面抹肥皂液，观察是否有皂泡,充入,CO,2,，,用浸有,NH,3,的试纸观察是否变色,充入,NH,3,，,用石蕊试纸观察是否变色,37,4 高压、真空技术,4.4 真空检漏,抽气法,将被抽系统内部抽成真空，再用探测气体（或物质）施与系统外部可疑部位，如有漏孔，探测气体（或物质）即通过漏孔进入系统，此时用探测器就可检示出来，从而判断漏孔的位置及大小。,火花探测器（真空枪）,相对真空计,卤素检漏仪,38,