專利名稱：化學氣相沉積/化學氣相滲透工藝尾氣處理方法與設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種化學氣相沉積/化學氣相滲透(以下稱CVD/CVI)工藝尾氣處理方法與設備。適用于工業化CVD/CVI制備連續纖維增韌陶瓷基復合材料、防氧化涂層及各種薄膜材料過程中尾氣的處理，也適用于其它真空設備的尾氣處理。
背景技術：
CVD/CVI工藝過程中的進氣包括H2、Ar和金屬有機硅烷，因而尾氣的組份包括未分解的金屬有機硅烷、反應產物HCl、分解產物焦油、沉積產物粒子、載氣H2和稀釋氣Ar。未分解的金屬有機硅烷和反應產物HCl遇空氣中的水將產生腐蝕性極強的鹽酸氣，因而不能直接排入大氣。焦油在機械泵中沉淀嚴重影響抽氣速率的穩定性，應該在前級排除。H2是易燃易暴氣體，應該及時排向戶外。由于添加硅烷時硅烷極易揮發產生鹽酸氣，CVD/CVI過程結束后裝取試樣時，爐內殘留的硅烷和HCl會直接排入大氣造成環境污染。因此CVD/CVI過程之前和之后也存在尾氣處理的問題。
由于CVD/CVI工藝的尾氣成分復雜，腐蝕性極強，因而處理難度很大。目前國內還沒有有效的處理方法，國外的CVD/CVI設備也都不包括尾氣處理裝置。
針對CVD/CVI尾氣成分復雜的特點，文獻“CVD/CVI工藝尾氣處理方法與設備”專利號ZL98113023.2的發明專利是這樣描述的第一級為油過濾，主要是為了去除沉積產物粒子和分解產物焦油；第二級為固體過濾，主要是為了去除未分解的金屬有機硅烷和HCl氣體；第三級為水過濾，主要是為了進一步去除未分解的金屬有機硅烷和HCl氣體。兩臺機械泵交替使用可以在一臺機械泵抽氣速率下降需要更換泵油時起動另一臺機械泵，從而保證連續和穩定的抽氣速率。
但該發明尾氣處理設備的流量在600ml/分，適用于試驗室CVD/CVI工藝的尾氣處理。限制尾氣處理流量的原因有兩方面一是大流量尾氣使機械泵抽氣速率下降快，而高抽氣速率機械泵交替工作更換泵油和維修很困難，這無疑降低了CVD/CVI設備的使用效率；二是水環泵使用的燒堿溶液與HCl皂化反應強烈，大流量尾氣處理需要采用大容積水箱或增加廢水排放頻率才能保證水環泵正常工作，這無疑增加了CVD/CVI工藝的成本。此外，大流量尾氣處理所需的高抽氣速率水環泵的噪聲污染嚴重。
發明內容
為了克服現有技術只適用于試驗室CVD/CVI工藝的尾氣處理的不足，本發明提供一種工業化CVD/CVI尾氣處理方法與設備。利用蒸汽過濾取代循環水過濾，利用油循環機械泵取代交替使用的普通機械泵。可以提高CVD/CVI設備的使用效率，降低成本。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是本發明相比現有技術的優點在于由于采用油循環機械泵取代交替使用的普通機械泵，用機械泵油循環沉降過濾技術，免除了機械泵的維修和泵油更換，可以提高CVD/CVI設備的使用效率，省時省力；采用蒸汽過濾取代循環水過濾，這種無泵蒸汽處理技術，尾氣處理設備無噪音且壽命長；采用尾氣與蒸汽反應和中和分離的方法，尾氣處理設備成本低廉且清理和維護簡單方便。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
附圖1給出了本發明設備的結構原理圖，圖中1-爐腔、2-油過濾器、3-一級固體過濾器、4-二級固體過濾器、5-蝶閥、6-1#機械泵、7-2#機械泵、8-調節閥、9-油箱、10-管道泵、11-水箱、12-蒸汽發生器、13-反應罐、14-排氣管、15-連通器、16-管道、17-溢水口、18-排水口、19-進水口、20-蒸汽管道。
具體實施例方式
蒸汽過濾裝置主要包括蒸汽發生器、反應罐和水箱三部分，蒸汽發生器有超聲霧化和加熱蒸發兩種。超聲霧化可以使用工業加濕器，而加熱蒸發可以使用小型工業鍋爐。從爐腔排出的尾氣經過油過濾和兩級固體過濾后進入機械泵，從機械泵排出的尾氣和蒸汽發生器產生的蒸汽同時進入反應罐，但蒸汽的引入位置應該略高于尾氣的引入位置。尾氣中的HCl與水蒸汽反應，同時發生冷凝，在反應罐的底部聚集，形成稀鹽酸溶液。反應罐通過連通器與水箱相連，稀鹽酸通過連通器進入水箱，與預先加入的燒堿反應中和，水箱中的燒堿量是根據水箱的容積和鹽酸的濃度計算確定的。蒸汽的流量應該略大于尾氣的流量，以保證HCl處理的完全和充分，而水箱的體積是根據蒸汽的流量和要求排放的時間確定的。當水箱中的液面達到溢水口時，燒堿與鹽酸完全中和，中和后的鹽溶液通過排水口排出。排水口的位置應該略高于連通器的引入位置，以使連通器始終充滿溶液，防止尾氣通過連通器外逸。當水箱充滿而不能及時排放時，溶液可以通過溢水口排出，防止酸溶液在反應罐底部聚集。同樣的道理，溢水口與反應罐的底部應該在同一水平面上。尾氣中有一部分未分解的硅烷，遇到蒸汽后迅速水解，生產HCl和氧化硅。氧化硅聚集在反應罐底部，而HCl則進一步與蒸汽反應生成稀鹽酸。由于氧化硅是松散多孔的，不會影響反應罐與水箱的連通。當然，氧化硅需要定期清理，防止稀鹽酸在反應罐底部聚集就是為了方便清理。
尾氣處理還可以用水噴磷霧化的方法，但這種方法用水量很大，后續中和反應需要不斷排水，最重要的是很難實現完全的尾氣處理。
用鍋爐產生熱蒸汽的優點是蒸汽進入反應罐不需要鼓風，蒸汽流量大而流速慢，有利于蒸汽與尾氣的混合反應。換句話說，用熱蒸汽進行尾氣處理蒸汽流量和反應罐的容積都很小，大幅度減小水的用量和排水次數。但由于溫度高，對不銹鋼反應罐熱蒸汽存在明顯腐蝕作用，反應罐的使用壽命較短。用工業加濕器產生冷蒸汽的優點是溫度低，對反應罐沒有明顯的腐蝕作用。但冷蒸汽進入反應罐需要鼓風，蒸汽的流量大但流速也大，不利于蒸汽與尾氣的混合反應。換句話說，用冷蒸氣進行尾氣處理要達到同樣的處理效果需要較大的蒸汽流量和反應罐容積，大幅度提高水的用量和排水次數。實際上，熱蒸汽和冷蒸氣可以交替使用，達到優勢互補的目的。
機械泵油的性能在尾氣的作用下會不斷下降，而高抽速機械泵更換泵油和維修都很困難。因此，保證高抽速機械泵的連續穩定工作是工業化尾氣處理的關鍵環節之一。本發明采用耐腐蝕工程塑料齒輪管道泵，使機械泵成為油環泵而免除機械泵的維修和泵油的更換。在交替工作的兩臺機械泵之間有一個油箱，油箱的位置高于機械泵箱體的高度。機械泵工作時管道泵將機械泵油不斷泵入油箱，而油箱中的油同時不斷依靠壓差進入機械泵。油箱像通常的工業和循環水池一樣分為沉降池和工作池。機械泵油通過管道泵進入沉降池，經過沉降后的泵油通過沉降池的溢流口進入工作池，再經工作池進入機械泵。由于泵油與尾氣反應后比重增加，因而在沉降池底部的是變質油，而進入工作池的是可用油。經過一定時間后，可以將沉降池底部的變質油放掉，同時加入等量的清潔油。
爐腔1產生的尾氣流量為3000ml/分，經過油過濾器2、一級固體過濾器3和二級固體過濾器4和蝶閥5后進入抽速為70000ml/分的1#機械泵6和2#機械泵7，兩臺機械泵交替工作。機械泵工作的同時啟動管道泵10，將機械泵體中的泵油泵入油箱9中的沉降池，經過沉降的泵油通過溢流口進入工作池，然后依靠壓差進入泵體。油箱的容積為100升，耐腐蝕管道泵的流量為0.5升/分，根據情況間歇式工作。每工作8天從油箱9沉降池底部的排油口排廢油一次，每次排1/3，同時加入等量的清潔油。從機械泵排出的尾氣經過調節閥8和管道16進入反應罐13，尾氣中的HCl氣體與從蒸汽發生器12進入反應罐的蒸汽混合反應生成稀鹽酸，尾氣中殘留硅烷與蒸汽發生水解反應，生成多孔疏松氧化硅和HCl氣體，其中氧化硅沉積在反應罐的底部，而HCl氣體進一步與蒸汽反應生成稀鹽酸。稀鹽酸通過反應罐底部的氧化硅沉積物經過連通器15進入水箱11，與水箱中的燒堿反應中和。使用鍋爐產生蒸汽，蒸汽的壓力為0.3MPa，流量為3公斤/小時。反應罐的容積為1立方米，水箱的容積為0.5立方米，水箱中的燒堿加入量為3公斤。經過約30小時，水箱中的液位達到溢水口17，此時鹽酸與燒堿完全中和，經過試紙檢驗確認后通過排水口18排放。反應罐底部的氧化硅沉積物每2天清理一次，經過處理可以轉化為超細納米粉填料。由于排氣管14很長，即使HCl氣體與蒸汽在反應罐中混合反應不完全，也會繼續在排氣管內與蒸汽進一步反應，冷凝后經過反應罐進入水箱被處理。因此最后從排氣管排出的只有清潔的水蒸氣和H2氣。
權利要求
1.一種CVI/CVD工藝尾氣處理設備，包括爐腔1、油過濾器2、一級固體過濾器3、二級固體過濾器4、蝶閥5、1#機械泵6、2#機械泵7和調節閥8，其特征在于還包括油箱9、管道泵10、蒸汽發生器12、反應罐13、排氣管14和連通器15，在1#機械泵6和2#機械泵7與油箱9之間的管道上接有管道泵10，同時1#機械泵6和2#機械泵7也分別通過管道與油箱9連接，1#機械泵6和2#機械泵7通過調節閥8和管道16與反應罐13相連，反應罐13上接有排氣管14，并通過連通器15與水箱11連接，通過蒸汽管道20與蒸汽發生器12連接。
2.根據權利要求1所述的CVI/CVD工藝尾氣處理設備，其特征在于所述的油箱9的安裝位置高于1#機械泵6和2#機械泵7箱體。
3.一種CVI/CVD工藝尾氣處理方法，其特征在于1)將經過油過濾、固體過濾的CVD/CVI工藝尾氣用管道泵10和油箱9對兩臺交替工作的1#機械泵6和2#機械泵7進行泵油循環沉降過濾；2)經過沉降過濾的尾氣通過調節閥8和管道16引入反應罐13，同時將蒸汽通入反應罐13對尾氣的HCl和硅烷氣體進行處理；3)最后，用連通器連接反應罐13和水箱11，將尾氣處理后的氣體、液體和固體產物分離。
4.根據權利要求3所述的CVI/CVD工藝尾氣處理方法，其特征在于所述的蒸汽，可采用鍋爐加熱或者超聲霧化產生，可單獨使用，也可交替使用。
全文摘要
本發明公開了一種工業化CVI/CVD工藝尾氣處理方法與設備，主要用于以含氯硅烷為原料的工業化生產過程的尾氣處理，也可用于其它真空設備的尾氣處理。本發明采用機械泵油循環沉降過濾技術、蒸汽與尾氣反應處理技術和尾氣處理產物分離技術對經過油過濾、固體過濾的尾氣進行處理，使尾氣處理后的氣體、液體和固體產物的排放均滿足環保要求。本發明提高了機械泵工作的穩定性，具有尾氣處理設備無噪音、壽命長、成本低廉且清理和維護簡單方便等優點。
文檔編號B01D50/00GK1546201SQ20031011897
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月9日 優先權日2003年12月9日
發明者成來飛, 徐永東, 張立同, 劉小瀛 申請人:西北工業大學