Разработка и исследование процесса и оборудования низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме

Электронная промышленность в основе своей отличается большим разнообразием оборудования, процессов, материалов, технологических методов, использующих практически все известные в настоящее время достижения науки и техники. Среди множества задач, стоящих перед производством широкой номенклатуры изделий электронной техники, являются процессы получения чистой, би дистиллированной и де ионизованной воды для чистых помещений, для процессов очистки поверхности полупроводниковых подложек, для мойки стеклянных деталей электровакуумных, СВЧ приборов и различных деталей изделий квантовой электроники.

Технологические процессы, использующие в производстве большие объемы водных растворов, всегда сталкиваются на финишных операциях с проблемой обезвоживания обрабатываемого материала, регенерации сточных вод и выделением из них, содержащихся в них в малых количествах полезных дорогостоящих материалов с начальным влагосодержанием до 98%.

В электронной промышленности — это производство чистых материалов, «мокрые» технологии, связанные с подготовкой и обработкой поверхности, такие как промывка, травление, полировка, процессы производства печатных плат, фотолитография, и другие.

В производстве изделий электронной техники на различных стадиях технологического процесса и для различных типов приборов используется значительное количество чистой воды. Причем в некоторых случаях вода используется на первичной стадии обработки изделия, например, в процессе производства чистых материалов, в других случаях в процессе финишной обработки, например, финишная очистка полупроводниковых подложек. Первичная стадия обычно включает отстой, фильтрацию. Более тщательная очистка достигается вакуумным обезгаживанием. На второй стадии вода обеззараживается ультрафиолетовым излучением, освобождается от ионов примесей высокочистыми ионнообменными смолами, подвергается ультрафильтрации и подается на рабочие участки.

Отходы этих технологий требуют регенерации исходных материалов и экологически безопасного выделения из них полезных составляющих. В настоящее время в связи с резким сокращением водных ресурсов, отпускаемых на промышленные нужды, возросла необходимость очистки воды после ее использования в процессе производства и возвращения в промышленный оборот.

При производстве сверх чистого гранулированного кварца, использующегося в качестве исходного материала для изготовления волоконно-оптических линий связи и устройств управления излучением, требуется последовательный ряд операций, которые проходят при различных температурах с СВЧ нагревом, с большим потреблением воды и применением водных кислотных и щелочных растворов для промывки кварцевого песка. После финишной промывки в де ионизованной воде требуется очень мягкий режим обезвоживание при температурах не превышающих 50 — 70 °C. Все растворы, использовавшиеся в этом много операционном процессе, в дальнейшем должны подвергаться регенерации, а вода проходить тщательную очистку.

Для повышения экологической безопасности и экономичности технологических процессов, протекающих в чистых комнатах, требуется создание оборудования, позволяющее перерабатывать сточные воды и стоки систем очистки газов, выделяя из них полезные твердые составляющие и чистую воду, пригодную для дальнейшего технического использования.

Экономичность и эффективность рассмотренных технологических процессов может быть обеспечена с помощью установок низкотемпературного испарения в вакууме.

Следует отметить, что процесс низкотемпературного испарения, за счет использования в процессе охлаждения фазового перехода пар — вода, позволяет значительно повысить эффективность охлаждения активных элементов твердотельных квантовых генераторов, мощных СВЧ приборов и панелей систем питания и управления мощными приборами наземного базирования.

Низкотемпературное испарение влагосодержащих веществ в вакууме с одновременным отбором чистой воды при температурах 10 — 80 °C требуют совершенно новых экономичных и экологически безопасных подходов.

Подобные задачи имеют место в химической, медицинской, пищевой, сельхозперерабатывающей и других отраслях промышленности. Особенно остро стоят эти проблемы для производств с годовыми объемами в сотни и миллионы тонн, при необходимости получения влажности конечного вещества от 1 до 14% [26,28,43, 64, 65, 98].

Низкотемпературное испарение влагосодержащих веществ в вакууме может применяться:

— при необходимости сохранения первоначального состава твердых частиц материала, который он имел в водном растворе и регенерации чистой воды;

— при утилизации производственных и бытовых стоков;

— при утилизации и переработке отходов различных производств [40, 101, 102, 103].

Внедрение высоких технологий, одним из направлений которых является технология низкотемпературного испарения в вакууме позволяет решить выше перечисленные задачи.

Реализация этой технологии представляет собой сложную комплексную проблему, которая требует одновременного решения ряда физико-химических, теплофизических, вакуумных, материаловедческих, машиностроительных, измерительных и управленческих задач. Реализовать данный процесс в достаточно узких требуемых диапазонах температур и давлений невозможно без широкого применения современных средств автоматизации.

Низкотемпературное испарение влагосодержащих веществ в вакууме представляет собой процесс разделения в диапазоне температур от 10 до 80 °C в вакууме исходного материала влажностью до 98% на три составляющие: твердую фазу, влажностью до 1%, чистую воду и незначительный экологически безопасный выхлоп.

Процесс низкотемпературного испарения в вакууме имеет широкие возможности применения. С его помощью получены различного рода вещества с конечной влажностью до 1% [46].

Это чистый порошкообразный гранулированный кварц, который в качестве сырья используется в производстве волоконнооптических линий связи и устройств управления излучениемразличные пищевые порошки— кормовые добавкивысококачественные комплексные органические удобрения и др.

Актуальность работы — развитие экологически безопасной высокопроизводительной технологии низкотемпературного испарения в вакууме и автоматизированного оборудования для ее реализации, позволяющего возвращать в промышленный оборот чистую водуполучать чистые материалыпродукты с длительным сроком хранения, при сохранении большинства полезных свойств исходного продуктаперерабатывать отходы различных дорогостоящих технологических процессов в ценные вторичные материалы. А так же выявление индивидуальных особенностей физико-химических процессов технологии низкотемпературного испарения в вакууме для различных видов исходных влагосодержащих веществ, влияющих на конструктивные особенности технологического оборудования.

Целью данной работы является синтез структуры и обоснование конструктивных параметров автоматизированного оборудования низкотемпературного испаренияв вакууме во взаимосвязи с: физико-химическими явлениями технологического процесса, обеспечивающими сохранение полезных свойств исходных материалов большой первоначальной влажности и высокую производительность.

Для достижения этой цели в работе поставлены и выполнены следующие задачи: выбор и обоснование основных режимов процесса низкотемпературного испарения в вакууме, обеспечивающих, сохранение полезных свойств исходного влагосодержащего вещества и требуемой производительностисоздание банка данных существующего оборудования на основе разработанной классификации этого типа установок, позволяющего автоматизировать выбор аналога оборудования в целом или отдельных его системсинтез структуры оборудования низкотемпературного испарения в вакууме, определение порядка проектирования установок и разработка алгоритмов управления процессом низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакуумеисследование взаимосвязи баланса энергомассопереноса в рабочем объеме и производительности оборудования и разработка инженерной методики расчета основных конструктивных параметров установок для низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакуумепостроение модели, описывающей процесс низкотемпературного испарения в вакууме, обеспечивающей выбор и обоснование основных режимов процесса, позволяющих сохранять полезные свойства ценных влагосодержащих веществсоздание экспериментального стенда для исследования и отработки технологии низкотемпературного испарения в вакуумеразработка промышленной установки для низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме.

На защиту выносится:

1. Теоретически и экспериментально обоснованный баланс энергомассопереноса процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, обеспечивающий сохранение полезных свойств ценных влагосодержащих веществ и требуемую производительность;

2. Разработанная классификация и построенный на ее основе автоматизированный банк данных по существующим установкам и ее отдельным системам. ,.

3- Модель процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, обеспечивающая выбор и обоснование основных режимов процесса.

4. Алгоритм выбора основных конструктивных параметров оборудования низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, базирующийся на законе баланса энергомассопереноса.

5. Методика и результаты экспериментальных исследований технологии низкотемпературного испарения в вакууме различных материалов.

В работе выбраны и обоснованы диапазоны температур и давлений для проведения процессов низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме с точки зрения обеспечения требуемых параметров качества и производительностивыбраны управляющие и контролирующие величины автоматизированного технологического процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме ипредложен алгоритм управления этим процессомобоснованы методы расчета конструктивных параметров оборудования низкотемпературного испарения в вакууме, порядок его проектирования, на основе выявленных взаимосвязей между входными и выходными параметрами процессавведен коэффициент коррекции теплопередачи в процессе низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, снижающий эффективную площадь теплообмена относительно теоретической.

В результате выполнения комплекса перечисленных задач.

— построен банк данных по существующим установкам на основе разработанной классификации;

— разработана структура оборудования на основе определения взаимосвязи с алгоритмами управления процессом;

— построена модель, описывающая процесс низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, обеспечивающая выбор и обоснование основных режимов процесса, позволяющих сохранять полезные свойства исходного вещества;

— разработаны алгоритмы выбора конструктивных параметров оборудования на основе анализа взаимосвязи баланса энергомассопереноса в рабочем объеме усановки;

— создан экспериментальный стенд для исследования и отработки технологии низкотемпературного испарения в вакууме различных влагосодержащих веществ;

— проведена идентификация параметров модели установки на основе анализа экспериментальных данных;

В настоящее время, на основе выполненных в составе работы теоретических, экспериментальных и конструкторских работ изготовлена и внедрена промышленная установка.

Методы исследований.

Теоретические исследования проводились на основе теории газодинамики, теории испарения и сушки, теории теплопередачи, базировались на основных положениях вакуумной техники, теплои массопереноса, теории построения графов, матричного исчисления, таблиц соответствия, [3, 5, 6, 11- 13, 15, 22 — 25, 34, 52 — 56, 59, 60 — 63, 66, 69, 83, 87, 89, 97].

Экспериментальные исследования режимов и физико-химических особенностей низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме проводились на экспериментальной установке.

Практическая значимость:

1. Создана инженерная методика расчета основных конструктивных параметров оборудования.

2. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенный метод выбора аналога и расчета основных конструктивных параметров оборудования.

3. Создан экспериментальный стенд для отработки технологии низкотемпературного испарения в вакууме различных влагосодержащих веществ.

4. Проведена идентификация параметров модели установки на основе анализа экспериментальных данных.

5. Изготовлена и внедрена промышленная установка. и.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. Лично автором проведена классификация оборудования обработки влагосодержащих веществ испарением в вакуумеподготовлен банк данных этого оборудования в виде удобном для обработки его машинными методамисоздана методика обоснования выбора основных параметров установки низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, в основе которой лежит закон баланса энергомассопереноса и взаимосвязь свойств влагосодержащих веществ, физико-химических характеристик технологического процесса и параметров технологического оборудования.

Разработан и создан лабораторный стенд для проведения экспериментальных исследований и промышленная установка низкотемпературного испарения в вакууме производительностью 5 тонн в сутки по исходному материалу, влажностью 92%.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались на Научно-технической конферен-" ции молодых ученых ИМАШ РАН (Москва, ИМАШ, 2001), на семинаре филиалов и акционерных обществ ФГУП, (Москва, Гостиничный комплекс «Измайлово», 2002), на семинаре в Ml ТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, Ml ТУ, 2003), на кафедре МИЭМ «Технологические системы электроники» (Москва, МГИЭМ, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 патента на изобретение и одна заявка на патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 111 наименований и приложения. Общий объем работы: 160 страниц, 8 таблиц, 4 графика, 38 рисунка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Разработана классификация оборудования обработки влагосодержащих веществ испарением в вакууме, позволяющая определить место установки низкотемпературного испарения в вакууме среди существующего оборудования. Для сохранения полезных свойств исходного влагосодержащего вещества и обеспечения высокой производительности оборудования процесс низкотемпературного испарения в вакууме следует проводить в диапазоне температур от 10 до 80 °C и давлений от 1,33×103 до 2,67×104 Па.

2. Построен банк данных по существующим установкам на основе разработанной классификации. На основе банка данных разработана методика выбора типа, структуры установки и отдельных ее систем.

3. Разработана структура оборудования низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме на основе определения взаимосвязи с алгоритмами управления процессом низкотемпературного испарения в вакууме, обеспечивающая выбор и обоснование основных режимов процесса, позволяющих сохранять полезные свойства исходного влагосодержащего вещества.

4. На основе баланса энергомассопереноса разработана физико-математическая модель процесса низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, которая является базой инженерной методики оптимизации основных конструктивных параметров. При составлении баланса энергомассопереноса следует учитывать коэффициент коррекции теплопередачи от поверхности теплообменника к обрабатываемому материалу, снижающий фактически передаваемый поток тепла и эффективную площадь лотков.

5. Получены аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь характеристик физико-химических явлений технологического процесса и основных конструктивных параметров оборудования низкотемпературного испарения влагосодержащих веществ в вакууме, обеспечивающих сохранение в процессе заданных полезных свойств исходного влагосодержащего вещества. На этой основе разработаны алгоритмы выбора конструктивных параметров установки. При определении взаимосвязи параметров установки и технологического процесса следует учитывать площадь поверхности испарения, площадь поверхности конденсора, количество теплообменников, скорость вращения ротора ворошителя, быстродействие средств вакуумной откачки, тепловую мощность системы нагрева теплоносителя и производительность оборудования.

6. Баланс материальных и тепловых потоков следует поддерживать за счет управления производительностью подачи исходного влагосодержащего вещества в зависимости от теплового потока, поступающего на теплообменник установки, в соответствии с разработанной моделью технологического процесса.

7. Разработана лабораторная установка и методика исследования параметров физико-химических явлений технологического процесса и определения коэффициента коррекции теплопередачи.