Устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния относится к области карботермического синтеза порошка карбида кремния, в частности к фильтрации и отделению дисперсных частиц от газов, аэрозолей и паров, образующихся в процессе синтеза порошка карбида кремния [МПК B01D 45/12, B01D 45/18, C01B 32/956].
Для карботермического синтеза порошка карбида кремния (SiC) в качестве исходных компонентов используются углерод (С) и диоксид кремния (SiO2). В процессе синтеза происходит выделение монооксида кремния SiO в газообразном виде, а также удаление газовыми потоками части исходных компонентов (С и SiO2) в виде аэрозоля. Газоотвод в установке для синтеза порошка карбида кремния служит для эвакуации газообразных продуктов реакции, а также для пирометрического контроля температуры на поверхности реагирующих компонентов. При покидании газообразных продуктов реакции зоны синтеза газы соприкасаются с охлаждаемыми стенками внутренней арматуры камеры установки для синтеза порошка карбида кремния и холодной зоны на стенках газоотвода, что приводит к конденсации монооксида кремния на этих холодных поверхностях. В результате чего на газоотводной трубке осаждается твердый монооксид кремния в виде слоя, что препятствует пирометрическому контролю температуры и требует своевременного сервисного обслуживания для недопущения попадания твердых частиц во внутренние узлы и агрегаты вакуумной системы и во избежание выхода установки из строя.
Из уровня техники известна ПЕЧЬ ДЛЯ СИНТЕЗА МИКРОПОРОШКА SiC [CN103382031B, опубл. 06.01.2016], включающая в себя полый основной корпус печи с металлическим слоем, изоляционным слоем и огнеупорным слоем, который содержит крышку, верхняя часть которой снабжена вакуумной трубой, на которой расположен канал для осмотра.
Недостатком указанного аналога является необходимость чистки и сушки корпуса печи в результате частого образования осадка на вакуумной трубе и канале для осмотра, что приводит к снижению производительности печи вследствие простоя из-за длительных работ по сервисному обслуживанию.
Из уровня техники известна СТРУКТУРА ТИГЛЯ [CN113151897B, опубл. 26.08.2022], включающая корпус с порошком SiC, внутри корпуса к внутренней стенке прикреплен первый узел направления потока, имеющий кольцо с отверстиями, сужающееся по мере продвижения снизу вверх; узел распределения потока, создающий зазор с кольцом для направления потока газов.
Недостатком указанного аналога является необходимость чистки и сушки корпуса печи в результате частого образования осадка побочных продуктов синтеза, что приводит к снижению производительности печи вследствие простоя из-за длительных работ по сервисному обслуживанию.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ [CN115467028A, опубл. 13.12.2022], содержащее первый и второй теплоизоляционные цилиндрические корпусы с полостями, тигель в первом корпусе, крышку для сохранения тепла, расположенную в первом основном корпусе и над тиглем, опорную пластину, отверстие для измерения температуры, причем второй корпус расположен вокруг внешней стороны первого корпуса.
Основной технической проблемой прототипа является попадание побочных продуктов синтеза в готовую смесь, что обуславливает необходимость увеличения времени синтеза, а также приводит закупориванию отверстия для измерения температуры, что влечет за собой снижение производительности печи.
Задачей заявленного изобретения является устранение существующих недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в снижении времени сервисного обслуживания установки для синтеза порошка карбида кремния за счет использования устройства для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния.
Технический результат достигается за счет того, устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния, содержащее размещаемый на тигле установки для синтеза порошка карбида кремния теплоизолированный корпус цилиндрической формы, вдоль центральной оси которого выполнено сквозное отверстие для размещения трубки для пирометрического контроля температуры, отличающееся тем, что корпус нижней частью соединен с помощью горячей посадки с дискообразным направляющим аппаратом, на поверхности которого выполнено сквозное отверстие спиралевидной формы и который соединен с помощью горячей посадки с равным по диаметру дискообразным основанием, на внутренней поверхности которого выполнены по спирали продольные полости и на равном расстоянии от центра основания сквозные газоподводящие отверстия и которое внешней поверхностью соединено с помощью горячей посадки с тиглем, при этом в верхней части корпус содержит десублиматор в виде конической полости и дискообразную крышку десублиматора, которая имеет на своей поверхности радиально расположенные ламели и которая закреплена на трубке для пирометрического контроля температуры так, что образует зазор газоотвода между корпусом и крышкой десублиматора.
В частности, корпус выполнен из графитового композитного материала.
В частности, направляющий аппарат, основание, крышка десублиматора и ламели выполнены из графита.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображено устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния, установленное на тигле, в разрезе.
На фиг. 2 изображен общий вид устройства для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния в разрезе.
На фиг. 3 изображен направляющий аппарат устройства для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния в разрезе (линиями красного цвета показано направление движения газовых потоков).
На фиг. 4 изображено основание устройства для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния в разрезе.
На фиг. 5 изображено устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния.
На фиг. 6 представлена визуализация газовых потоков устройстве для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния (цветом отображено распределение давления в этих потоках от зеленого (максимального) до синего (минимального), градиент давления определяет направление движения газа).
На фиг. 7 представлена визуализация газовых потоков (цветом отображено распределение давления в этих потоках от зеленого (максимального) до синего (минимального), градиент давления определяет направление движения газа).
На фигурах обозначены: 1 – тигель, 2 – корпус, 3 – сквозное отверстие, 4 – трубка для пирометрического контроля температуры, 5 – направляющий аппарат, 6 – сквозное отверстие спиралевидной формы, 7 – основание, 8 – внутренняя поверхность основания, 9 – продольные полости, 10 – газоподводящие отверстия, , 11 – внешняя поверхность основания, 12 – десублиматор, 13 – крышка десублиматора, 14 – ламель, 15 – зазор газоотвода.
Устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния предназначено для использования в установке для синтеза порошка карбида кремния и содержит размещаемый на чашеобразном тигле 1 теплоизолированный корпус 2 цилиндрической формы, вдоль центральной оси которого выполнено сквозное отверстие 3, предназначенное для размещения трубки для пирометрического контроля температуры 4 внутри рабочей камеры установки для синтеза порошка карбида кремния, где размещен тигель 1. Корпус 2 нижней своей частью герметично путем горячей (плотной) посадки соединен с дискообразным направляющим аппаратом 5, на поверхности которого выполнено сквозное отверстие спиралевидной формы 6. Направляющий аппарат 5 соединен с равным по диаметру дискообразным основанием 7, на внутренней поверхности 8 которого выполнены по спирали продольные полости 9, накапливающие твердые частицы исходных компонентов синтеза, поступающие из тигля 1 в виде аэрозоля через газоподводящие отверстия 10, расположенные на равном расстоянии от центра основания 7. Основание 7 внешней поверхностью 11 герметично путем горячей (плотной) посадки соединено с тиглем 1.
В верхней части корпус 2 содержит десублиматор 12 в виде полости в форме конуса, где конденсируются частицы монооксида кремния, поступающие по сквозному отверстию 3 из нижней части корпуса 2. Корпус 2 в верхней части также содержит дискообразную крышку десублиматора 13, которая имеет на своей поверхности радиально расположенные ламели 14 и которая закреплена на трубке для пирометрического контроля температуры 4 так, что образует зазор газоотвода 15 между корпусом 2 и крышкой десублиматора 13.
Корпус 2 выполнен из графитового композитного материала. Направляющий аппарат 5, основание 7 и крышка десублиматора 13 выполнены из графита.
Устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния работает следующим образом.
Устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния устанавливается в установку для синтеза порошка карбида кремния. В процессе синтеза порошка карбида кремния в установке в рабочей камеры и размещенном в ней тигле 1 образуется аэрозоль, состоящий из газообразных продуктов реакции и твердых частиц компонентов исходной смеси, которые удаляются из камеры с помощью вакуумного насоса. Во время работы вакуумного насоса газообразные продукты реакции и твердые частицы смеси в виде аэрозоля при температуре 1500–1600 °С поступают через газоподводящие отверстия 10 в основании 7. В направляющем аппарате 5 газовые потоки меняют направление своего движения и двигаются с ускорением по спирали по направлению от края к центру по сквозному отверстию спиралевидной формы 6 (фиг. 3). Под действием центробежных сил взвешенные твердые частицы в поступающих газах накапливаются в продольных полостях 9 в основании 7. Таким образом происходит разделение газовой и твердой фаз поступающего аэрозоля по циклонному принципу. После достижения центра направляющего аппарат 5 газы меняют свое движение и через сквозное отверстие 3 поступают в верхнюю часть корпуса 2, где меняют свою скорость и образуют турбулентное движение в виде тороидальных форм (фиг.6, фиг.7). При таком виде движения газовых потоков происходит их многократный контакт с холодной крышкой десублиматора 13, где происходит теплообмен, охлаждение газа до температуры 600–700 °С и, как следствие, конденсация монооксида кремния в десублиматоре 12. Ламели 14, выполненные в крышке десублиматора 13, за счет излучения увеличивают степени теплоотдачи. Охлажденные газовые потоки удаляются по зазору газоотвода 15, образованному корпусом 2 и крышкой десублиматора 13, впоследствии покидая рабочую камеру и установку для синтеза порошка карбида кремния.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния, содержащее размещаемый на тигле установки для синтеза порошка карбида кремния теплоизолированный корпус цилиндрической формы, вдоль центральной оси которого выполнено сквозное отверстие для размещения трубки для пирометрического контроля температуры, при этом корпус нижней частью соединен с помощью горячей посадки с дискообразным направляющим аппаратом, который соединен с помощью горячей посадки с равным по диаметру дискообразным основанием, что обеспечивает герметичность устройства в процессе перемещения газовых потоков и предотвращает попадание твердых частиц во внутренние узлы и агрегаты вакуумной системы, выход их из строя и возврат (рекуперацию) уносимых исходных компонентов, в результате чего достигается уменьшение времени сервисного обслуживания установки синтеза.
На поверхности направляющего аппарата выполнено сквозное отверстие спиралевидной формы, и он соединен с помощью горячей посадки с равным по диаметру дискообразным основанием, на внутренней поверхности которого выполнены по спирали продольные полости и на равном расстоянии от центра основания сквозные газоподводящие отверстия и которое внешней поверхностью соединено с помощью горячей посадки с тиглем, что обеспечивает герметичность устройства в процессе перемещения газовых потоков, позволяет разделять (сепарировать) образовывающийся в ходе процесса синтеза порошка карбида кремния аэрозоль, состоящий из газообразных продуктов реакции и уносимых твердых частиц компонентов исходной смеси, и предотвращает попадание твердых частиц во внутренние узлы и агрегаты вакуумной системы, выход их из строя и возврат (рекуперацию) уносимых исходных компонентов, в результате чего достигается уменьшение времени сервисного обслуживания установки синтеза.
В верхней части корпус содержит десублиматор в виде конической полости и дискообразную крышку десублиматора, которая имеет на своей поверхности радиально расположенные ламели и которая закреплена на трубке для пирометрического контроля температуры так, что образует зазор газоотвода между корпусом и крышкой десублиматора, что обеспечивает конденсацию в одном месте образующегося в ходе реакции синтеза монооксида кремния, охлаждение газовых потоков и их удаление, что предотвращает попадание твердых частиц во внутренние узлы и агрегаты вакуумной системы, выход их из строя и возврат (рекуперацию) уносимых исходных компонентов, в результате чего достигается уменьшение времени сервисного обслуживания установки синтеза.
Корпус изготовлен из графитового композитного материала, направляющий аппарат, основание, крышка десублиматора и ламели выполнены из графитовых материалов, которые обуславливают тугоплавкость материалов конструкции и их химическое сродство в процессе синтеза порошка карбида кремния и препятствуют загрязнению исходных компонентов смеси и продукта синтеза (порошка карбида кремния) неродственными элементами, что предотвращает выход компонентов системы из строя и возврат (рекуперацию) уносимых исходных компонентов, в результате чего достигается уменьшение времени сервисного обслуживания установки синтеза.
Другими полезными эффектами заявленного устройства являются снижение сложности работ по обслуживанию установки для синтеза порошка карбида кремния, исключение ее простоя, снижение вероятности ее поломки за счет исключения попадания твердых частиц в конструктивные элементы установки и как следствие повышение ее общей производительности.
Заявленный технический результат демонстрируется нижеследующими примерами.
С помощью компьютерного моделирования провели ряд экспериментов, сравнив работу устройства согласно заявленному изобретению с ранее приведенными аналогами. Измеряли время, необходимое для сервисного обслуживания устройств, включая чистку и замену деталей, дополнительно оценивали вероятность поломки устройств с помощью метода Монте-Карло и общую производительность устройств за 1 год.
Эксперимент 1.
Устройства работали в одинаковых условиях окружающей среды при температуре воздуха 25 °С, с нормальной рабочей загрузкой установок. Корпус выполнен из силицированного графита, направляющий аппарат, основание, крышка десублиматора и ламели заявленного устройства выполнены из графита. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.
Таблица 1
В нормальных условиях изобретение превосходит аналоги по сокращению времени обслуживания: 2000 ч против 2800 ч, 3000 ч и 3360 ч (на 23%, 28% и 39% соответственно), другими полезными эффектами являются снижение вероятности поломки на протяжении 12 месяцев эксплуатации, а также обеспечение более высокой производительности.
Эксперимент 2.
Устройства работали в одинаковых условиях окружающей среды при температуре воздуха 25 °С, с высокой рабочей загрузкой установок. Корпус выполнен из силицированного графита, направляющий аппарат, основание, крышка десублиматора и ламели заявленного устройства выполнены из графита. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
При высокой загрузке изобретение сохраняет значительно меньшее время обслуживания: 2200 ч против 3000 ч, 3200 ч и 3800 ч (сокращение времени сервисного обслуживания на 29%, 33% и 40% соответственно). Кроме того, происходит снижение вероятности поломки на протяжении 12 месяцев. При этом производительность увеличивается на всех установках, но изобретение по-прежнему превосходит аналоги на 5, 8, и 11 тонн
Эксперимент 3.
Устройства работали в одинаковых условиях окружающей среды при температуре воздуха 25 °С, с максимальной рабочей загрузкой установок. Корпус выполнен из силицированного графита, направляющий аппарат, основание, крышка десублиматора и ламели заявленного устройства выполнены из графита. Результаты эксперимента представлены в таблице 3.
Таблица 3
При максимальной рабочей загрузке изобретение сохраняет значительно меньшее время обслуживания: 2400 ч против 3200 ч, 3400 ч и 4000 ч (сокращение времени сервисного обслуживания на 25%, 29% и 40% соответственно). Также наблюдается снижение вероятности поломки на протяжении 12 месяцев и увеличение производительности по сравнению с аналогами на 5, 9 и 12 тонн.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет снизить время сервисного обслуживания установки для синтеза порошка карбида кремния с установленным в ней устройством для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния минимум на 23% при нормальной рабочей загрузке.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Способ получения монокристаллического SiC | 2021 |
|
RU2761199C1 |
| Способ получения порошка карбида кремния | 2022 |
|
RU2791964C1 |
| Способ получения порошка карбида кремния | 2022 |
|
RU2799378C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ | 1992 |
|
RU2051431C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ФТОРАММОНИЕВЫХ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ | 2003 |
|
RU2233694C1 |
| Способ получения порошка карбида кремния политипа 4H | 2022 |
|
RU2802961C1 |
| СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЛЕЙКОКСЕНОВОГО КОНЦЕНТРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2014 |
|
RU2586190C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО SiC | 2017 |
|
RU2671349C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ | 1992 |
|
RU2012080C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ | 1994 |
|
RU2097855C1 |
Изобретение относится к области карботермического синтеза порошка карбида кремния. Раскрыто устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния, содержащее размещаемый на тигле установки для синтеза порошка карбида кремния теплоизолированный корпус цилиндрической формы, вдоль центральной оси которого выполнено сквозное отверстие для размещения трубки для пирометрического контроля температуры. При этом корпус нижней частью соединен с помощью горячей посадки с дискообразным направляющим аппаратом, на поверхности которого выполнено сквозное отверстие спиралевидной формы и который соединен с помощью горячей посадки с равным по диаметру дискообразным основанием, на внутренней поверхности которого выполнены по спирали продольные полости и на равном расстоянии от центра основания сквозные газоподводящие отверстия и которое внешней поверхностью соединено с помощью горячей посадки с тиглем, при этом в верхней части корпус содержит десублиматор в виде конической полости и дискообразную крышку десублиматора, которая имеет на своей поверхности радиально расположенные ламели и которая закреплена на трубке для пирометрического контроля температуры так, что образует зазор газоотвода между корпусом и крышкой десублиматора. Изобретение обеспечивает снижение времени сервисного обслуживания установки для синтеза порошка карбида кремния. 2 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл., 3 пр.
1. Устройство для сепарации аэрозоля и десублимации газообразного монооксида кремния, содержащее размещаемый на тигле установки для синтеза порошка карбида кремния теплоизолированный корпус цилиндрической формы, вдоль центральной оси которого выполнено сквозное отверстие для размещения трубки для пирометрического контроля температуры, отличающееся тем, что корпус нижней частью соединен с помощью горячей посадки с дискообразным направляющим аппаратом, на поверхности которого выполнено сквозное отверстие спиралевидной формы и который соединен с помощью горячей посадки с равным по диаметру дискообразным основанием, на внутренней поверхности которого выполнены по спирали продольные полости и на равном расстоянии от центра основания сквозные газоподводящие отверстия и которое внешней поверхностью соединено с помощью горячей посадки с тиглем, при этом в верхней части корпус содержит десублиматор в виде конической полости и дискообразную крышку десублиматора, которая имеет на своей поверхности радиально расположенные ламели и которая закреплена на трубке для пирометрического контроля температуры так, что образует зазор газоотвода между корпусом и крышкой десублиматора.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из графитового композитного материала.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющий аппарат, основание, крышка десублиматора и ламели выполнены из графита.
| CN 115467028 A, 13.12.2022 | |||
| CN 113151897 A, 23.07.2021 | |||
| CN 103382031 A, 06.11.2013 | |||
| ДЕСУБЛИМАЦИОННЫЙ АППАРАТ | 2007 |
|
RU2362607C1 |
| ПЕРИОДИЧЕСКИ ДЕЙСТВУЮЩИЙ ДЕСУБЛИМАТОР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ ИЗ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ | 2016 |
|
RU2675517C1 |
