Como funcionam as bombas de sorção?
O termo "bombas de sorção" inclui todos os arranjos para a remoção de gases e vapores de um espaço por meio de sorção. As partículas de gás bombeadas são, portanto, ligadas às superfícies ou no interior desses agentes, por forças de adsorção físicas dependentes da temperatura (forças de Van der Waals), quimissorção, absorção ou por se tornarem incorporadas durante o curso da formação contínua de novas superfícies de absorção e adsorção. Ao comparar seus princípios operacionais, podemos distinguir entre bombas de adsorção, nas quais a sorção de gases ocorre simplesmente por processos de adsorção com temperatura controlada, e bombas absorventes, nas quais a sorção e a retenção de gases são essencialmente causadas pela formação de compostos químicos. Gettering é a ligação de gases a superfícies puras, principalmente metálicas, que não são cobertas por camadas de óxido ou carbeto. Tais superfícies sempre se formam durante a fabricação, instalação ou ventilação do sistema. A maioria das superfícies metálicas absorventes da mais alta pureza são continuamente geradas diretamente no vácuo por evaporação (bombas evaporadoras) ou por pulverização catódica (bombas de pulverização catódica) ou a camada de superfície passivadora do absorvente (metal) é removida por desgaseificação do vácuo, para que o material puro seja exposto ao vácuo. Esta etapa é chamada de ativação (bombas NEG NEG = bombas absorvedoras não evaporáveis - Non Evaporable Getter).
Princípio de funcionamento das bombas de adsorção
Bombas de adsorção (consulte a Fig. 2.59) funcionam de acordo com o princípio da adsorção física de gases na superfície de peneiras moleculares ou outros materiais de adsorção (por exemplo, Al2O3 ativado). O zeólito 13X é frequentemente usado como material de adsorção. Esse aluminossilicato alcalino possui, para uma massa do material, uma área de superfície extraordinariamente grande, cerca de 1000 m2/g de substância sólida. De forma correspondente, sua capacidade de tratar gás é considerável.
Fig. 2.59 Corte transversal de uma bomba de adsorção mostrando o projeto.
- Porta de entrada
- Porta de desgaseificação
- Suporte
- Corpo da bomba
- Palhetas condutoras térmicas
- Material de adsorção (por exemplo, Zeólito)
O diâmetro do poro de zeólito 13X é de cerca de 13 Å, que está dentro da ordem do tamanho do vapor de água, vapor de óleo e moléculas de gás maiores (cerca de 10 Å). Supondo que o diâmetro molecular médio seja metade desse valor, 5 · 10-8 cm, cerca de 5 · 1018moléculas são adsorvidas em uma monocamada em uma superfície de 1 m2. Para moléculas de nitrogênio com massa molecular relativa Mr = 28 que corresponde a cerca de 2 · 10-4g ou 0,20 mbar · l. Portanto, uma superfície de adsorção de 1000 m2 é capaz de adsorver uma camada monomolecular na qual se liga mais de 133 mbar · l de gás.
O hidrogênio e os gases nobres leves, como hélio e neônio, têm um diâmetro de partícula relativamente pequeno em comparação com o tamanho do poro de 13 Å para zeólito 13X. Estes gases são, portanto, muito pouco adsorvidos.
Como o calor e a pressão afetam a adsorção de gases
A adsorção de gases nas superfícies depende não apenas da temperatura, mas mais importante da pressão acima da superfície de adsorção. A dependência é representada graficamente para alguns gases pelas isotermas de adsorção fornecidas na Fig. 2.60. Na prática, as bombas de adsorção são ligadas através de uma válvula ao reservatório a ser evacuado. É sobre a imersão do corpo da bomba em nitrogênio líquido que o efeito de sorção é tecnicamente útil. Devido às diferentes propriedades de adsorção, a velocidade de bombeamento e a pressão máxima de uma bomba de adsorção são diferentes para as diversas moléculas de gás: os melhores valores são obtidos para nitrogênio, dióxido de carbono, vapor de água e vapores de hidrocarboneto. Gases nobres leves dificilmente são bombeados porque o diâmetro das partículas é pequeno em comparação com os poros do zeólito. À medida que o efeito de sorção diminui com o aumento da cobertura das superfícies de zeólito, a velocidade de bombeamento diminui com um número crescente de partículas já adsorvidas. A velocidade de bombeamento de uma bomba de adsorção depende, portanto, da quantidade de gás já bombeada e, portanto, não é constante com o tempo.
Fig. 2.60 Isotermas de adsorção de zeólito 13X para nitrogênio a -195 °C (-319 °F) e 20 °C (68 °F), bem como para hélio e neônio a -195 °C (-319 °F).
A pressão máxima atingível com bombas de adsorção é determinada, em primeiro lugar, pelos gases que prevalecem no reservatório no início do processo de bombeamento e são pouco ou nada adsorvidos (por exemplo, néon ou hélio) na superfície de zeólito. No ar atmosférico, estão presentes algumas partes por milhão desses gases. Portanto, pressões < 10-2mbar podem ser obtidas.
Se forem produzidas exclusivamente pressões abaixo de 10-3 mbar com bombas de adsorção, na medida do possível, não deve haver neônio ou hélio na mistura de gás.
Após um processo de bombeamento, a bomba deve ser aquecida apenas à temperatura ambiente para que os gases adsorvidos sejam liberados e o zeólito seja regenerado para reutilização. Se o ar (ou gás úmido) contendo um excesso de vapor de água tiver sido bombeado, recomenda-se aquecer a bomba completamente seca por algumas horas a 200 °C (392 °F) ou mais.
Para bombear reservatórios maiores, várias bombas de adsorção são usadas em paralelo ou em série. Primeiro, a pressão é reduzida da pressão atmosférica para alguns milibares no primeiro estágio, para "capturar" muitas moléculas de gás nobres de hélio e neônio. Depois que as bombas desse estágio estiverem saturadas, as válvulas dessas bombas são fechadas e uma válvula previamente fechada para outra bomba de adsorção, ainda contendo adsorvente limpo, é aberta para que essa bomba possa bombear a câmara de vácuo para o próximo nível de pressão mais baixo. Esse procedimento pode continuar até que a pressão máxima não possa ser melhorada pela adição de mais bombas de adsorção limpas.
O que são bombas de sublimação?
Bombas de sublimação são bombas de sorção nas quais um material absorvente é evaporado e depositado em uma parede interna fria como um filme absorvente. Na superfície de tal filme absorvente, as moléculas de gás formam compostos estáveis, com uma pressão de vapor imensamente baixa. O filme absorvente ativo é renovado por evaporações subsequentes. Geralmente, o titânio é usado em bombas de sublimação como o absorvente. O titânio é evaporado a partir de um fio feito de uma liga especial de alto teor de titânio, aquecido por uma corrente elétrica. Embora a capacidade ideal de sorção (cerca de um átomo de nitrogênio para cada átomo de titânio evaporado) dificilmente possa ser obtida na prática, as bombas de sublimação de titânio têm uma velocidade de bombeamento extraordinariamente alta para gases ativos, o que, particularmente em processos de partida ou na evolução repentina de quantidades maiores de gás, podem ser rapidamente bombeados. Como as bombas de sublimação funcionam como bombas auxiliares (boosters) para bombas de pulverização catódica de íons e bombas turbomoleculares, sua instalação é muitas vezes indispensável (como os "boosters" em bombas ejetoras de vapor; consulte a página sobre bombas de difusão de óleo para obter mais informações).
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
