凍干技術(shù)基礎(chǔ)知識(5) 上海東富龍科技有限公司 張耀平
第五節(jié) 真空技術(shù)基礎(chǔ)
氣體的特點(diǎn)是無一定形狀、也無一定體積。氣體能無限地膨脹而完全充滿于任何體積的容器中；氣體又能均勻地混合；數(shù)種不同種類的氣體，不管其比例如何，均能混合成一均勻狀態(tài)。 物質(zhì)的氣體狀態(tài)由壓強(qiáng)、體積和溫度三個(gè)因素來決定。
當(dāng)氣體壓縮時(shí)，壓強(qiáng)增加，體積縮小，溫度升高；當(dāng)氣體膨脹時(shí)，壓強(qiáng)降低，體積增大，溫度降低。 可以用氣體的基本定律來概括氣體狀態(tài)變化的一些規(guī)律。
⒈波義爾―馬略特定律： 一定質(zhì)量的氣體在恒溫下，氣體的壓強(qiáng)與其體積的乘積為常數(shù)。這定律說明當(dāng)溫度因素不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積的關(guān)系，可以表示為： P1V1=P2V2=常數(shù) P1，V1表示變化前氣體的壓強(qiáng)和體積； P2，V2表示變化后氣體的壓強(qiáng)和體積。
⒉蓋―呂薩克定律： 一定質(zhì)量的氣體在恒壓下，氣體的體積與其絕對溫度的乘積成正比。這定律說明當(dāng)壓力因素不變時(shí)，體積與溫度的關(guān)系，可以表示為： V=常數(shù)×T V表示氣體的體積； T表示氣體的絕對溫度。
⒊道爾頓定律： 不相互起化學(xué)作用的混合氣體的總壓強(qiáng)等于各氣體分壓強(qiáng)的總和。這定律說明幾種氣體在一起時(shí)的壓強(qiáng)關(guān)系?？梢员硎緸椋?o:p> P = P1 + P2 + P3+……………………+PN P：表示混合氣體的總壓強(qiáng)； P1 、P2 、P3、…PN：表示各氣體的分壓強(qiáng)。
⒋阿費(fèi)加德羅定律： 等體積的任何種類氣體，在同溫度和同壓強(qiáng)下均有相同的分子數(shù)。
例如每立方厘米的氣體在一個(gè)大氣壓和20℃的情況下分子數(shù)為：2.69×1019個(gè)。 氣體的基本定律適用于氣體，對于蒸汽不一定適用。 氣體分子的平均自由程也是氣體分子運(yùn)動(dòng)的一個(gè)參數(shù)。氣體的壓強(qiáng)也可以理解為氣體對容器壁碰撞的結(jié)果。事實(shí)上氣體分子運(yùn)動(dòng)不僅碰撞容器壁，而且還發(fā)生氣體分子間的互相碰撞。
把氣體分子二次碰撞間經(jīng)歷的平均距離叫做氣體分子的平均距離。 平均自由程與氣體的濃度、壓強(qiáng)有關(guān)。濃度大，壓強(qiáng)大時(shí)分子間很容易碰撞，因而平均自由程?。粷舛刃?，壓強(qiáng)小時(shí)分子間比較不容易碰撞，因而平均自由程就大。常溫下空氣分子的幾個(gè)參量見表十一。
表十一 常溫下空氣分子的幾個(gè)參量 氣體壓強(qiáng)(torr) 平均自由程cm 氣體密度(個(gè)/cm3) 每秒碰撞每平方厘米分子數(shù)(個(gè)/cm3s) 760 10－5 2.5×1019 3.0×1025 10 7×10－4 3.3×1017 3.5×1021 10－3 7 3.3×1013 3.5×1017 10－6 7×103 3.3×1010 3.5×1014 10－9 7×106 3.3×107 3.5×1011 10－14 7×1011 3.3×102 3.5×106 10－17 7×1014 0.33 3.5×103 在常溫和常壓下，由于空氣分子的平均自由程很小，從液體蒸發(fā)出來的分子或從固體升華出來的分子，很容易與氣體分子碰撞而返回到原來液體或固體的表面，因此蒸發(fā)和升華的速度很快。隨著真空度的升高，氣體分子變得越來越稀，分子的平均自由程逐漸增大，于是分子間的碰撞機(jī)會將較少發(fā)生。這時(shí)液體的蒸發(fā)速度和固體的升華速度將迅速增加，大量的分子將會從蒸汽源飛離出來，甚至形成蒸汽流。
另外，在真空度較高的情況下，由于氣體的分子較少，分子間的碰撞機(jī)會很少發(fā)生，氣體的對流就不可能形成，因此在真空度較高的情況下，依靠對流的熱量傳遞方式將減少甚至消失；依靠氣體分子的熱傳導(dǎo)也將減小甚至消失。這時(shí)，真空系統(tǒng)內(nèi)依靠固體的熱傳導(dǎo)和輻射仍依然存在。 實(shí)驗(yàn)指出：當(dāng)真空度達(dá)到10Pa以下數(shù)值時(shí)，氣體分子的熱傳導(dǎo)和對流可以忽略不計(jì)。這時(shí)熱量的傳遞依靠固體的傳導(dǎo)和輻射進(jìn)行；而真空度上升到10Pa以上數(shù)值時(shí)，通過氣體分子的熱傳導(dǎo)和對流立即變得顯著活躍起來。 當(dāng)氣體在導(dǎo)管內(nèi)流過時(shí)，它總是受到一定的阻礙。在壓強(qiáng)較高時(shí)它主要消耗于氣流各層間的內(nèi)摩擦；在壓強(qiáng)較低時(shí)它消耗于氣體分子與四壁的碰撞過程。當(dāng)管道粗、短、直時(shí)則流動(dòng)的阻礙就較小。
第六節(jié) 真空的獲得與測量
凍干機(jī)的真空系統(tǒng)是由凍干箱、水汽凝結(jié)器、真空閥門和真空泵等組成。
凍干時(shí)的真 空度范圍大約是67～0.13Pa（5×10－1～1×10－3 Torr）。凍干系統(tǒng)預(yù)抽真空時(shí)要求在30min左右達(dá)到所要求的真空度。 真空是指壓力低于1.01×105Pa（760mmHg）的氣體狀態(tài)，它的范圍從1.01×105 Pa～ 1×10－9 Pa（760～1×10－11 mmHg）甚至更低，宇宙真空度1.0×10－16 Pa（1×10－18 mmHg）。按GB3163－82標(biāo)準(zhǔn)，真空區(qū)域可大致劃分為如表十二所示范圍。這樣寬廣的真空范圍不可能用一種辦方法來達(dá)到，而是用不同的方法來達(dá)到不同的真空范圍。獲得真空的基本方法有三種：即使用抽氣機(jī)（即真空泵或稱壓縮式、容積式）抽吸、用特殊的吸氣劑吸氣、用水汽凝結(jié)器捕獲氣體。 表十二 真空區(qū)域的劃分 真空區(qū)域 壓強(qiáng)范圍mmHg(Pa) 低真空 760 ～ 1(105 ～ 102 Pa) 中真空 1 ～ 10－3 (102 ～ 10－1Pa) 高真空 10－3 ～ 10－7 (10－1 ～ 10－5 Pa) 超高真空 ＜10－7 (＜10－5 Pa) 真空泵的種類很多，有水環(huán)式真空泵、無油干式機(jī)械真空泵、水蒸汽噴射泵、油封旋片式真空泵、機(jī)械增壓泵（羅茨泵）、油增壓泵、油擴(kuò)散泵等。它們的運(yùn)用壓強(qiáng)范圍見圖五。冷凍干燥使用的屬于中真空的范圍，這樣的范圍一般采用油封旋片式真空泵、機(jī)械增壓泵或油增壓泵來達(dá)到。對于小型試驗(yàn)型設(shè)備用雙級油封旋片式真空泵；中大型設(shè)備用雙級油封旋片式真空泵，或者單級油封旋片式真空泵+羅茨泵。隨著對無油潔凈真空系統(tǒng)要求，已經(jīng)產(chǎn)生了由四爪型無油干式真空泵+羅茨泵組合的真空泵組。
真空泵的主要參數(shù)有極限真空、起始壓強(qiáng)、排氣壓強(qiáng)、抽氣速率等。
⑴極限真空又叫極限壓強(qiáng)：泵裝有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)罩并按規(guī)定條件工作，在不引入氣體正常工作的情況下，趨向穩(wěn)定的z*低壓力或壓強(qiáng)。一般在泵頭直接測量。即抽氣量為零時(shí)泵入口處所能達(dá)到的真空度。
⑵起始壓強(qiáng)：泵無損壞啟動(dòng)并有抽氣作用的壓力。從極限真空到起始壓力即是真空泵的工作范圍。如：油封式機(jī)械泵可以在大氣壓強(qiáng)下工作，而機(jī)械增壓泵或油增壓泵需要有一個(gè)預(yù)備真空才能工作。油封式機(jī)械泵常作為抽預(yù)備真空用。
⑶前級壓力與z*大前級壓力：指排氣壓力低于一個(gè)大氣壓力的真空泵的出口壓力，其中剛好使真空泵損壞的前級壓力稱z*大前級壓力。當(dāng)前級壓強(qiáng)太高超出z*大前級壓力時(shí)真空泵就不能正常工作。
⑷抽氣速率：當(dāng)泵裝有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)罩并按規(guī)定條件工作時(shí)，從試驗(yàn)罩流過的氣體流量與在試驗(yàn)罩上指定位置測得的平衡壓力之比，簡稱抽速(l/s或m3/h)。即以泵入口處氣體體積流量所表示的泵的抽氣能力的大小。真空泵的抽氣速率隨進(jìn)氣口壓強(qiáng)的降低而減少，到極限真空時(shí)抽氣速率為零。泵的抽氣速率與泵入口壓強(qiáng)的關(guān)系曲線稱為真空泵的抽氣特性曲線。
⑸壓縮比：泵對給定氣體的出口壓力與入口壓力之比。 壓強(qiáng)有全壓和分壓之分。全壓強(qiáng)是指各種氣體分壓強(qiáng)的總和，分壓強(qiáng)是指某一氣體或某一部份氣體的壓強(qiáng)。空氣的壓強(qiáng)是指空氣中氮?dú)?、氧氣、二氧化碳和各種隋性氣體分壓強(qiáng)的總和，即1.01×105 Pa（760mmHg）。它并不包括水蒸汽的分壓強(qiáng)在內(nèi)。
標(biāo)準(zhǔn)大氣壓中各種氣體的成分和壓強(qiáng)見表十三。
表十三 標(biāo)準(zhǔn)大氣中氣體的成份和壓強(qiáng) 氣體名稱 百分比% 分壓強(qiáng)(Torr) 氮N2 78.09 593.5 氧O2 20.95 159.0 氬Ar 0.9 6.84 二氧化碳CO2 0.03 2.3×10－1 氖Ne 0.0015 1.1×10－2 氦He 0.0005 3.7×10－3 氪Kr 0.0001 7.6×10－4 氙Xe 0.00001 7.6×10－5 氡Rn 微量 水蒸汽H2O 不定 約7 由于真空的范圍很廣，因此在進(jìn)行真空度測量時(shí)不可能采用一種儀表全部都能測量，而是不同的范圍采用不同的測量方法。測量真空的儀表有：指針式真空計(jì)、U型真空計(jì)、壓縮式真空計(jì)、熱真空計(jì)、電容式薄膜真空計(jì)、磁控放電真空計(jì)、電離真空計(jì)等。它們的適用范圍見圖六。 冷凍干燥常用的真空計(jì)是壓縮式真空計(jì)、熱傳導(dǎo)式真空計(jì)和電容式薄膜真空計(jì)。 在凍干機(jī)的真空系統(tǒng)內(nèi)存在著空氣和水蒸汽，而只有水蒸汽壓強(qiáng)的大小才能反映出來凍干過程中升華速度和水蒸汽在水汽凝結(jié)器內(nèi)的凝結(jié)情況。因此凍干機(jī)的真空系統(tǒng)應(yīng)測量其全壓，僅僅測量空氣的分壓強(qiáng)是不能反映出真實(shí)情況。 壓縮式真空計(jì)又叫麥?zhǔn)险婵沼?jì)，使用水銀作為工質(zhì)。由于水銀蒸汽對人體毒害作用。因此使用時(shí)要小心謹(jǐn)慎。平常不用時(shí)，應(yīng)把橡皮管封死，使水銀與系統(tǒng)隔開。水銀在真空系統(tǒng)中還會蒸發(fā)而污染凍干產(chǎn)品。而冷凍干燥的產(chǎn)品大都是直接或間接用于人體的，因此現(xiàn)在許多國家已明確規(guī)定冷凍干燥嚴(yán)禁使用水銀壓縮式真空計(jì)。 另外，壓縮式真空計(jì)是根據(jù)波義爾-馬略特定律的原理制作的。由于水蒸汽不遵守波義爾-馬略特定律，因此它只適合用于永久性氣體。冷凍干燥中水蒸汽分壓強(qiáng)是一個(gè)很重要的參數(shù)，所以壓縮式真空計(jì)也就不適用于冷凍干燥中使用。 現(xiàn)在冷凍干燥廣泛使用電阻式真空計(jì)，又稱皮喇尼真空計(jì)，它的工作原理是基于氣體的熱傳導(dǎo)決定于壓強(qiáng)這一關(guān)系的。當(dāng)加熱著的電阻絲周圍的氣體壓強(qiáng)改變時(shí)，電阻絲熱量的耗散情況也改變。當(dāng)壓強(qiáng)低時(shí)，熱量耗散量少，電阻絲的溫度增高，電阻增大；當(dāng)壓強(qiáng)高時(shí)，熱量耗散量多，電阻絲的溫度降低，電阻減少。測量電阻的變化，便能反映出壓強(qiáng)的大小。 因此也稱為電阻式真空計(jì)，其測量范圍：0.1～103 (105 )Pa。另一種熱偶式真空計(jì)是在上述電阻絲上加一個(gè)熱電偶，測量熱電偶的毫伏數(shù)即反映了真空數(shù)值，其測量范圍: 0.1～102 (4×102 )Pa。 電容式薄膜真空計(jì)是根據(jù)彈性薄膜在壓差下產(chǎn)生應(yīng)變而引起電容變化的原理制成的真空計(jì)。其測量范圍: 0.1～2×102 Pa。這種由于性能穩(wěn)定、一次線性精度高、抗過載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)牢固，因而特別適用于具有衛(wèi)生要求和蒸汽消毒的場合。
