一种CVDSiC绿色清洁生产装备的制作方法

本发明涉及一种化学气相沉积(chemicalvapordeposition，简称cvd)生产装备，特别涉及一种cvdsic绿色清洁生产装备。

背景技术：

cvd是一种制备无机材料的气相生长方法，它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，借助空间气相化学反应在基体表面上沉积固态薄膜的工艺技术。cvd已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料，这些材料包括氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也包括iii-v、ii-iv、iv-vi族中的二元或多元的元素间化合物，这些沉积出的材料的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制，化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。

cvd的机理是将气态反应物加热到一定温度并保持一定压力下发生化学反应，在沉积炉内生成固态物质沉积在固态基体表面；与之对应的是化学气相渗透(chemicalvaporinfiltration，简称cvi)，cvi机理与cvd类似，只是反应气体通过渗透到多孔基体内部再生成固态物质，从而制备出多孔材料或复合材料。cvdsic和cvisic已经广泛用于碳化硅涂层和碳化硅陶瓷基复合材料的制备，被认为是碳化硅最佳的制备方法。cvdsic和cvisic的工艺过程中反应气体包括ar、h2、烷烃类和有机硅烷等，它们在高温沉积过程中并不能被完全利用，因而在排放的尾气中包括大量的未分解的有机硅烷与烷烃、分解产物焦油、反应产物hcl、沉积产物粒子、h2和ar等。未分解的烷烃、h2若不妥善处理，不仅存在爆炸危险还会污染大气，而未分解的有机硅烷、反应产物hcl遇空气中的水会产生腐蚀性极强的盐酸气，从而严重的腐蚀机械泵和生产装备，并且对环境造成污染，因而不能直接排入大气。分解产物焦油、沉积产物粒子等会沉积在机械泵和管道中，不仅遇到空气会爆炸，还会严重影响机械真空泵的性能和使用寿命。由于cvi、cvd工艺的尾气成分复杂，腐蚀性极强，因而处理难度很大。目前国内还没有有效的处理方法，国外的cvi、cvd设备也都不包括尾气处理装置。

针对cvd、cvi尾气成分复杂的特点，中国专利cn98113023.2公开了一种cvd/cvi工艺尾气处理方法与设备，采用三级过滤实现：第一级为油过滤，主要是为了去除沉积产物粒子和分解产物焦油；第二级为固体过滤，主要是为了去除未分解的有机硅烷和hcl气体；第三级为水过滤，主要是为了进一步去除未分解的金属有机硅烷和hcl气体。两台机械泵交替使用可以在一台机械泵抽气速率下降需要更换泵油时起动另一台机械泵，从而保证连续和稳定的抽气速率。

针对工业化cvd/cvi尾气处理方法与设备，中国专利cn200310118971.8公开了一种化学气相沉积/化学气相渗透尾气处理方法与设备。该发明适用于工业化cvd/cvi制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料、防氧化涂层及各种薄膜材料过程中尾气的处理，也适用于其它真空设备的尾气处理。利用蒸汽过滤取代循环水过滤，利用油循环机械泵取代交替使用的普通机械泵。可以提高cvd/cvi设备的使用效率，降低成本。

为了更大程度提高cvd/cvi尾气处理效率，中国专利cn201510256934.6公开了一种用于cvd/cvi的尾气处理方法及设备，该发明设计了三级吸附，三级吸附之间相互协同，相互支持，其中一级吸附利用了吸附油与尾气的逆接触，可以大大延长了尾气和油雾的混合时间，降低了尾气的温度，液化出的固、液有机物瞬间与吸附油粘接在一起落到坩埚中的碳毡上，提高了尾气吸附能力；同时带有机物的油雾落在不锈钢坩埚中的碳毡条上后，增强了碳毡的粘结能力，尾气通过碳毡之间的缝隙和通气孔时，多层密度梯度的碳毡会再次对尾气进行过滤，之后的尾气排出金属罐体时，罐底的吸附油也可以再次过滤。这种多级的过滤方式大幅度的降低尾气中固、液有机物的含量，进而提高后续金属器件的工作安全系数和成本。

然而，在实际cvd/cvi生产制备过程中，炉内通入了大量的h2、ar及有机硅烷，发生多级反应后的尾气中包含未分解的有机硅烷、反应产物hcl、分解产物焦油、沉淀产物粒子、载气h2和稀释ar等。大量反应产物中的烃类、焦油等会随着尾气温度下降而液化成粘度较大有机物附着在管道、阀门、真空泵等器件内壁上，单纯通过油过滤器、固体过滤器等过滤装置是难以完全将粘度较大有机物完全吸附干净，虽然过滤可以减小烃类、焦油对活动构件的运动及控制功能和系统密封效果的影响。但是大量粘性有机物残留于管道、阀门、真空泵等器件内壁时，存在极大的危险，这是由于该粘性有机物受摩擦或震动时，会发生打火现象，从而造成爆炸危险，也对设备更换维修过程提出了巨大的困难。尤其是在工业化生产过程中，具有极大危险性。

中国专利cn201110413957.5公开了一种cvd工艺的尾气净化装置，该cvd工艺的尾气净化装置包括高温反应桶，通入尾气，使尾气与空气中的氧气发生氧化反应；冷却吸收塔，通入从高温反应桶排出的气体，用通入的冷却过滤液冷却通入的气体、过滤颗粒；净化吸附塔，利用通入的冷却过滤液和空心球对从冷却吸收塔排出的气体进行净化、吸附颗粒；蓄液槽，积存提供给冷却吸收塔和净化吸附塔的冷却过滤液；以及泵，将所述蓄液槽中的冷却过滤液抽至冷却吸收塔和净化吸附塔。高温尾气直接与空气接触，危险系数大大提升，并且由于整个处理过程都与室外环境接触，尾气处理有效性与安全性难以保证。

综上所述，目前cvd/cvi尾气处理主要是以多级油气过滤吸附装置为主，尾气过滤吸收效率较高，但尾气中中间有机物产物并未得到有效清除，依然会大量残留于管道中，给设备带来极大的危险隐患。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种cvdsic绿色清洁生产装备，该装备在生产过程中达到无有害物排放、安全生产和原料循环利用。

一种cvdsic绿色清洁生产装备，其特征在于包括cvd装置、高温装置、反应装置、真空装置、无空气给水装置、盐酸收集装置、干燥装置与储气装置，各装置依次通过钢管、铝塑管连接形成闭合回路；cvd装置与储气装置之间有不锈钢送气管道连接，管道上设置有真空截止阀和质量流量计；cvd装置与高温装置之间通过钢管连接，钢管外径为长度为200～700mm，管壁无水冷，内有保温层、加热线圈和绝缘内衬管，内衬管内工作温度600～1300℃；高温装置与真空装置连接有不锈钢尾气管道，管道上设置有反应装置和自动调压阀，真空装置与盐酸收集装置连接有铝塑管道，盐酸收集装置与干燥装置连接有铝塑管道，管道上设置有真空截止阀，干燥装置与储气装置连接有不锈钢管道，管道上设置有真空截止阀，所述真空装置与无空气给水装置通过管道连接，所述盐酸收集装置与无空气给水装置通过循环水管道连接，cvd装置数量为1～4套。

cvd装置包括氢气瓶、氩气瓶、甲基氯硅烷罐、硅烷瓶、甲烷瓶、质量流量计、化学气相沉积炉/化学气相渗透炉、电源柜、控温系统与循环冷却水箱。化学气相沉积炉和化学气相渗透炉是一台炉子，既可沉积制备sic涂层，又可渗透制备sic陶瓷基复合材料，工作温度为950～1300℃，工作压力为0.1～1000pa。化学气相沉积炉/化学气相渗透炉与电源柜之间通过电极材料连接，与控温系统之间通过电线连接。化学气相沉积炉/化学气相渗透炉通过一根不锈钢总供气管与氢气瓶、氩气瓶、甲基氯硅烷罐、硅烷瓶以及甲烷瓶分别连接，氢气瓶、氩气瓶、甲基氯硅烷罐、硅烷瓶以及甲烷瓶各引出一根带有质量流量计的管道与总供气管联通，总供气管上安装有真空截止阀，循环冷却水箱与化学气相沉积炉/化学气相渗透炉之间通过冷却水管联通。

高温装置包括多孔碳毡、隔热保温碳毡、石墨坩埚、石墨发热体、电磁感应线圈、钢制炉体外壳、电源柜、控温系统与循环冷却水箱，所述多孔碳毡处于石墨坩埚内部，石墨坩埚内部工作温度为1600～2600℃，工作压力为10～1000pa，工作腔内径为工作腔高度为500～1000mm，所述电源柜与电磁感应线圈通过电线材料连接，所述循环冷却水箱与钢制炉体外壳之间通过冷却水管连接。

反应装置由立式不锈钢圆桶外壳及安装在其内的气体反应管组成，不锈钢圆桶外壳进气口位于壳体下端，排气口位于壳体上端，不锈钢圆桶外径400mm～2000mm，不锈钢圆桶高度1000mm～3000mm；不锈钢圆桶内安装有2～5层反应管，每层反应管20～100根，每根管子直径长度200～500mm，反应管壁密布通孔，气体反应管内部装有cao颗粒、cao粉体、ca(oh)2颗粒、naoh颗粒、koh颗粒。

真空装置包括自动调压阀、油介质真空泵、油气过滤器、真空截止阀、水介质真空泵、无空气给水装置，所述自动调压阀位于油介质真空泵前的管道上，油气过滤器与真空截止阀置于油介质真空泵与水介质真空泵之间，无空气给水装置为水介质真空泵供应水，供应的水中无空气泡，水介质真空泵与油介质真空泵联合工作。

盐酸收集装置包括用于收集水介质真空泵排出的水溶液的不锈钢容器，以及安装在不锈钢容器上的ph监控器、盐浓度监控器、h2-o2警报器、排气管、真空放气阀、真空截止阀、真空压力表、水位监测仪、液体自动控制阀、闭环控制线，碱溶液罐、盐溶液管道控制阀与无水氯化钙浓缩干燥一体机，所述碱溶液罐与不锈钢容器之间连接有液体自动控制阀，ph监控器与液体自动控制阀之间接有闭环控制线，碱溶液罐中ph值10～14，不锈钢容器中ph值75～10，不锈钢容器中压力为0.8～1.2atm，当不锈钢容器中盐浓度达到10％～30％时，不锈钢容器与无水氯化钙浓缩干燥一体机之间的盐溶液管道控制阀打开，液体流入浓缩干燥一体机，无水氯化钙浓缩干燥一体机工作。

干燥装置包括不锈钢容器、干燥过滤管、清洁管道，真空阀门以及安装在不锈钢容器顶部的h2o含量监控表，hcl含量监控表，o2含量监控表，所述不锈钢容器直径高度为500～3000mm，所述干燥过滤管分为2～5层，每根过滤管内径为长度为200～500mm，每层平面内过滤管横截面面积占单层总面积的60～80％，过滤管内壁上设有小孔，孔径为0.5～5mm，孔密度为9～20个/平方厘米，干燥过滤管内部分别装有cao颗粒与cacl2颗粒，颗粒尺寸为3～7mm，装有cacl2的干燥过滤管的数量占总干燥过滤管数量的50～75％。

储气装置包括储气罐外壳，以及连接在储气罐上的真空阀门、自动放气阀、真空压力表、质量流量计、真空关闭阀，罐内压力为0.8～1.0atm，罐体积为0.2～2m³。

本发明有益效果：(1)有效解决cvd生产过程尾气处理问题，实现尾气零排放；(2)实现h2和ar回收再利用，降低生产成本；(3)cvd装置与高温装置多对一配置，提高生产效率，降低能源消耗。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是cvdsic绿色清洁生产装备平面布置图

10为cvd装置；20为高温装置；30为真空装置；40为盐酸收集装置；50为干燥装置；60为无空气给水装置；70为储气装置；90为反应装置；80为反应残余气体通道；81为一次尾气管道；82为无空气水管道；83为弱碱性水管道；84为h2-ar-h2o-hcl混合气体管道；85为h2-ar管道；86为送气管道；87为循环水管；88为二次尾气管道。

图2是cvd装置图

100为总供气管；110为氢气瓶；120为氩气瓶；130为甲基氯硅烷罐；140为硅烷瓶；150为甲烷瓶；160为真空截止阀；300为化学气相沉积炉/化学气相渗透炉；400为电源柜及控温系统；600为循环冷却水箱；80为反应残余气体通道；86为来自储气罐的送气管道。

图3是高温装置图

21为钢制炉体外壳；22为电磁感应线圈；23为石墨发热体；24为石墨坩埚；25为多孔碳毡；26为隔热保温碳毡；400为电源柜及控温系统；600为循环冷却水箱；80为反应残余气体通道；81为一次尾气管道。

图4是真空装置图

31为自动调压阀；32为油介质真空泵；33为真空截止阀；34为水介质真空泵；35为油气过滤器；88为二次尾气管道；82为无空气泡水管道；83为弱碱性水管道。

图5是盐酸收集装置图

401为ph监控器；402为盐浓度监控器；403为闭环控制线；404为液体自动控制阀；405为naoh、ca(oh)2溶液罐；406为真空截止阀；407为盐溶液管道控制阀；408为无水氯化钙浓缩干燥一体机；409为不锈钢容器；410为水位监测仪；411为h2-o2警报器；412为真空压力表；413为排气管；414为真空放气阀；83为弱碱性水管道；84为h2-ar-h2o-hcl混合气体管道；87为循环水管。

图6是干燥装置图

51为不锈钢容器；52为干燥过滤管；53为清洁管道；54为真空阀门；55为h2o含量监控表；56为hcl含量监控表；57为o2含量监控表；84为h2-ar-h2o-hcl混合气体管道；85为h2-ar管道。

图7是储气装置图

71为真空阀门；72为储气罐外壳；73为自动放气阀；74为真空压力表；75为质量流量计；76为真空关闭阀门；85为h2-ar管道；86为送气管道。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例

cvdsic绿色清洁生产装备，如图1所示，包括cvd装置10、高温装置20、反应装置90、真空装置30、无空气给水装置60、盐酸收集装置40、干燥装置50与储气装置70，各装置依次通过钢管、铝塑管连接形成闭合回路；cvd装置10与高温装置20之间通过钢管80连接，钢管外径为长度为500mm，管壁无水冷，内有保温层、加热线圈和绝缘内衬管，内衬管内工作温度1000℃；cvd装置10数量为4套，高温装置20数量为1套。

cvd装置10，如图2所示，包括氢气瓶110、氩气瓶120、甲基氯硅烷罐130、质量流量计200、化学气相沉积炉300、电源柜及控温系统400、循环冷却水箱600。化学气相沉积炉工作温度为1100℃，工作压力为100pa。

高温装置20，如图3所示，包括多孔碳毡25、隔热保温碳毡26、石墨坩埚24、石墨发热体23、电磁感应线圈22、钢制炉体外壳21、电源柜及控温系统400、循环冷却水箱600，，石墨坩埚24内部工作温度为2000℃，工作压力为150pa，工作腔内径为工作腔高度为800mm。

反应装置90，如图4所示，由立式不锈钢圆桶外壳及安装在其内的气体反应管组成，不锈钢圆桶外壳进气口位于壳体下端，排气口位于壳体上端，不锈钢圆桶外径1000mm，不锈钢圆桶高度2000mm；不锈钢圆桶内安装有3层反应管，每层反应管50根，每根管子直径长度400mm，反应管壁密布通孔，气体反应管内部装有cao粉末，粉末吸附于分子筛、沸石的空隙中。

真空装置30，如图4所示，包括自动调压阀31、油介质真空泵32、油气过滤器35、真空截止阀33、水介质真空泵3，所述自动调压阀31位于油介质真空泵32前的管道上，油气过滤器35与真空截止阀33置于油介质真空泵32与水介质真空泵34之间，水介质真空泵34与油介质真空泵32联合工作。

盐酸收集装置40，如图5所示，包括用于收集水介质真空泵排出的水溶液的不锈钢容器409，以及安装在不锈钢容器409上的ph监控器401、盐浓度监控器402、h2-o2警报器411、排气管413、真空放气阀414、真空截止阀406、真空压力表412、水位监测仪410、液体自动控制阀404、闭环控制线403，ca(oh)2溶液罐405、盐溶液管道控制阀407与无水氯化钙浓缩干燥一体机408。ca(oh)2溶液罐405中ph值12，不锈钢容器409中ph值8，不锈钢容器中压力为1.1atm，当不锈钢容器中盐浓度达到10％～30％时，不锈钢容器409与无水氯化钙浓缩干燥一体机408之间的阀门打开，液体流入浓缩干燥一体机408，无水氯化钙浓缩干燥一体机408工作。

干燥装置50，如图6所示，包括不锈钢容器51、干燥过滤管52、清洁管道53，真空阀门54以及安装在不锈钢容器51顶部的h2o含量监控表55，hcl含量监控表56，o2含量监控表57，所述不锈钢容器51直径高度为2000mm，所述干燥过滤管52为3层，每根过滤管内径为长度为500mm，每层平面内过滤管横截面面积占单层总面积的70％，过滤管内壁上设有小孔，孔径为3mm，孔密度为15个/平方厘米，干燥过滤管内部分别装有cao颗粒与cacl2颗粒，颗粒尺寸为5mm，装有cacl2的干燥过滤管的数量占总干燥过滤管数量的75％。

储气装置70，如图7所示，包括储气罐外壳72，以及连接在储气罐72上的真空阀门71、自动放气阀73、真空压力表74、质量流量计75、真空关闭阀门76，罐内压力为0.9atm，罐体积为1m³。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。