При сварке сталей в среде защитных газов применяют инертные и активные газы и их смеси. Основным защитным газом для полуавтоматической и автоматической сварки плавящимся электродом является углекислый газ. Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050-85, он бывает сварочный, пищевой, технический. Сварочный углекислый газ 1 сорта содержит не менее 99,5% двуокиси углерода и около 0,178г/м 3 водяных паров при нормальных условиях (давление 760 мм рт. ст., температура 20єС). Сварочный углекислый газ 2 сорта содержит не менее 99% двуокиси углерода и около 0,515г/м 3 водяных паров.
Аргон для сварки поставляется по ГОСТ 10157-79. Это инертный газ. По чистоте он делится на три сорта. Аргон высшего сорта (99,99% аргона) предназначен для сварки особо активных металлов и сплавов типа титана, циркония, ниобия.
Аргон 1 сорта (99,98% аргона) предназначен сварки алюминия, магния и их сплавов.
Аргон 2 сорта (99,95% аргона) предназначен сварки высоколегированных сталей и сплавов.
Кислород бесцветный газ, без вкуса и запаха. При температуре минус 118,8єС и давлении 5,1МПа сжижается. Для газопламенной обработки металлов применяют технический кислород по ГОСТ 5583-78 трех сортов: 1-й сорт с чистотой не ниже 99,7%, 2-й сорт с чистотой не ниже 99,5% и 3-й сорт с чистотой 99,2%.
В качестве горючих газов при сварке и термической резке используется ацетилен, пропан-бутан, природный газ, пары бензина или керосина.
Источником тепла служит пламя от сгорания смеси горючих газов с кислородом. Наибольшую температуру пламени при сгорании в кислороде (около 3100 єС) создает ацетилен.
Ацетилен это газ, получаемый в специальных генераторах путем разложения карбида кальция в воде. Ацетилен хорошо растворяется в бензоле, бензине и ацетоне, причем 1л ацетона может растворять от 13 до 50л ацетилена.
Вместо ацетилена при газопламенной обработке металла широко используют так называемые газы - заменители - пропан, бутан, природный газ и смесь пропана с бутаном.
Эти смеси называются сжиженными потому, что при нормальных условиях они находятся в газообразном состоянии, а при понижении температуры или повышении давления превращаются в жидкость.
При автоматической и полуавтоматической сварке для обеспечения устойчивого горения дуги, защиты металла от вредного воздействия на него составляющих воздуха и частичного легирования применяют сварочные флюсы, представляющие собой зернистое вещество, которые при расплавлении образуют шлак, покрывающий металл сварочной ванны.
Флюс замедляет процесс затвердевания жидкого металла и тем самым создает благоприятные условия для выделения газов из металла, способствует лучшему формированию шва, уменьшает потери тепла сварочной дуги в окружающую среду, сокращает потери электродного металла на угар и разбрызгивание. По способу производства флюсы делятся на плавленые и керамические.
Плавленые флюсы изготовляют путем плавления марганцевой руды, кварцевого песка, плавикового шпата и др. компонентов в электрических или пламенных печах в соответствии с ГОСТ 9087-81, который устанавливает состав флюса, размер зерен, плотность, методы испытания, требования по маркировке, упаковке, транспортированию и хранению. Размеры зерен флюса от 0,25 до 4 мм. Например, флюсы АН-348А, ОСЦ-45, АН-26П могут иметь размеры зерна от 0,35 до 3 мм; флюс АН-60, АН-20П - от 0,35 до 4 мм, а флюс АН-348АМ, ОСЦ-45М, ФЦ-9 -от 0,23 до 1 мм. Плавленый флюс по строению зерна может быть стекловидным и пемзовидным.
Керамические флюсы представляют собой механическую смесь мелко измельченных компонентов, связанных жидким стеклом. Сырьем для их изготовления служит титановый концентрат, марганцевая руда, кварцевый песок, мрамор, плавиковый шпат, ферросплавы. Эти флюсы очень гигроскопичны и требуют хранения в герметичной упаковке, а малая прочность флюса требует транспортировки его в жесткой таре. Преимуществом керамического флюса является то, что он дает возможность легирования металла шва и снижает чувствительность процесса сварки к ржавчине.
При сварке проволокой диаметром более 3 мм рекомендуется применять флюс, имеющий крупную грануляцию (размер зерна 3,0 - 3,5 мм). С уменьшением диаметра проволоки, повышением плотности тока рекомендуется и снижение грануляции флюса.
Расход флюса, идущего на образование шлаковой корки, ориентировочно равен массе наплавленного металла. Расход флюса с учетом потерь при уборке и подаче на свариваемое изделие составляет массу, равную по массе расходу сварочной проволоки.
При сварке сталей в среде защитных газов применяют инертные и активные газы и их смеси. Основным защитным газом для полуавтоматической и автоматической сварки плавящимся электродом является углекислый газ.
Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050-85. Он бывает сварочный, пищевой и технический.
Сварочный углекислый газ 1-го сорта содержит не менее 99,5 % двуокиси углерода и около 0,178 г/м 3 водяных паров при нормальных условиях (давление 760 мм рт. ст. и температура 20 °С).
Сварочный углекислый газ 2-го сорта содержит около 99 % двуокиси углерода и не более 0,515 г/м 3 водяных паров.
Пищевой углекислый газ содержит 98,5 % двуокиси углерода и около 0,1 % воды в баллоне по массе.
Технический углекислый газ содержит не менее 98 % двуокиси углерода, до 0,05 % окиси углерода и не более 0,1 % воды в баллоне по массе.
Получают углекислый газ из кокса, известняка и антрацита путем обжига в специальных печах, из газов брожения в гидролизной промышленности и из дымовых газов котельных установок.
При охлаждении под давлением углекислый газ превращается в бесцветную жидкость, а при охлаждении без давления - в твердое тело.
Жидкую углекислоту заливают в стандартные баллоны объемом 40 литров на 60-80 % объема (до 25 кг). Давление углекислоты в баллоне может составить 6-7,5 МПа (60-75 кг/см 2). При испарении 25 кг жидкой углекислоты образуется 12,6 м 3 газообразной, т. е. из одного килограмма жидкой углекислоты образуется около 0,505 м 3 газа.
Для хранения и транспортировки больших объемов технологических газов, в том числе и углекислоты, применяют специальные изотермические цистерны и сосуды.
Углекислый газ для сварки можно получать не только из жидкой углекислоты, но и из сухого льда. Основным преимуществом использования сухого льда для сварки является высокая чистота углекислого газа и удобство транспортировки. Брикеты сухого льда к потребителю доставляются в контейнерах. Газификация его производится в герметичных сосудах - газификаторах, обогреваемых электронагревателями или теплой водой.
Аргон для сварки поставляется по ГОСТ 10157-79. Это инертный газ. По чистоте он делится на три сорта. Аргон высшего сорта (99,99 % аргона) предназначен для сварки особо активных металлов и сплавов типа титана, циркония, ниобия.
Аргон 1-го сорта (99,98 % аргона) используется для сварки алюминия, магния, их сплавов и других активных металлов.
Аргон 2-го сорта (99,95 % аргона) применяют для сварки высоколегированных сталей и сплавов.
Для промышленных целей аргон получают в качестве побочного продукта при производстве кислорода и азота из воздуха.
Кислород - бесцветный газ, без вкуса и запаха. При температуре минус 118,8°С и давлении 5,1 МПа (51,35 кг/см 2) кислород сжижается, а при температуре минус 182,96 °С и атмосферном давлении он может превращаться в жидкость.
Масса одного литра жидкого кислорода при атмосферном давлении составляет 1,14 кг. Нормальная плотность кислорода в нормальных условиях равняется 1,33 кг/ма.
Для газоплазменной обработки металлов применяют технический кислород по ГОСТ 5583-78 трех сортов: 1-й сорт с чистотой не ниже 99,7 %, 2-й сорт с чистотой не ниже 99,5 % и 3-й сорт с чистотой 99,2 %.
Кислород получают химическим методом, методом электролиза воды и разделением атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения.
Химические способы основаны на свойстве ряда химических соединений в определенных условиях выделять кислород. Эти способы малопроизводительные, требуют применения дефицитных химикатов, дают слишком дорогой кислород.
В качестве горючих газов при сварке и термической резке используется ацетилен, пропан-бутан, природный газ, пары бензина или керосина.
Источником тепла служит пламя от сгорания смеси горючих газов с кислородом.
Наибольшую температуру пламени при сгорании в кислороде (около 3100 С) создает ацетилен (см. рис. 2, а).
31 ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
2 ФГБУН «Казанский научный центр РАН»
3 ФГБУН «Институт химии нефти СО РАН»
Проведен анализ потребностей промышленности в технологических газах. Указан альтернативный источник их получения на базе термохимической конверсии горючих сланцев. Рассмотрены качественные характеристики сланцев основных месторождений Поволжья и приведены основные технологии конверсии в энергоносители и материалы.
горючий сланец
газификация
теплоноситель
технологический газ
парогазовая смесь
энергоэффективность
1. Панов В.И. Повышение эффективности электроэнергетики за счет энерготехнологических схем топливоиспользования (Обзор). – М.: Информэнерго, 1975. – 61 с.
2. Блохин А.И. Зарецкий М.И., Стельмах Г.П., Фрайман Г.В. Энерготехнологическая переработка топлив твердым теплоносителем – М.: Светлый СТАН, 2005. – 336 с.
3. Urov K., Sumberg A. Characteristics of oil shales and shale-like rocks of known deposits and outcrops // Oil Shale. 1999. – Vol. 16, № 3. – 64 p.
4. Капустин М.А., Нефедов Б.К. Окись углерода и водород – перспективное исходное сырье для синтезов продуктов нефтехимии. – М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1981. – 60 с.
5. Янов А.В. Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Саратов, 2005. – 20 с.
6. Косова О.Ю. Разработка и моделирование установки для термической обработки горючих сланцев: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Саратов, 2008. – 19 с.
Потребность в топливе растет в энергетике, химической промышленности, металлургии и в других отраслях народного хозяйства. Так как рост потребности превышает рост добычи традиционных углеводородов, дефицит топлива будет нарастать, и вызывать постоянное его удорожание. Это будет способствовать широкому вовлечению в топливно-энергетический баланс низкосортных местных видов топлива и в первую очередь твердых его видов - бурых углей, горючих сланцев, торфов и пр. .
При этом современная наука предлагает новые технологические процессы и схемы, обеспечивающие существенное повышение эффективности использования основных видов природного органического топлива с одновременным значительным сокращением загрязнения окружающей среды вредными выбросами . При этом в качестве головных процессов предлагается использовать пиролиз или газификацию, получаемые в результате этого твердые, жидкие и газообразные вещества могут быть использованы как ценные продукты различного назначения в зависимости от потребностей промышленности.
В свете вышесказанного особую значимость в качестве сырья приобретают горючие сланцы. Так в Приволжском федеральном округе Государственным балансом учитываются 40 месторождений и участков горючих сланцев, расположенных в Ульяновской, Самарской, Саратовской и Оренбургской областях, с суммарным балансовым запасами кат. А + В + С 1 - 1233,236 млн т, С 2 - 2001,113 млн т, забалансовыми - 468,753 млн т.
Преобладающая часть балансовых запасов горючих сланцев округа (53,9 %) находится на 24 участках для подземной отработки в Самарской области. Несколько меньшая часть балансовых запасов горючих сланцев округа (30,5 %) учитывается на 4 участках для открытой разработки Оренбургской области, 6 участках для подземной и одном - для открытой разработки в Саратовской области (11,7 %) и на пяти участках для подземной разработки в Ульяновской области (3,9 %).
Балансовые запасы горючих сланцев пяти объектов для открытой разработки составляют 33,8 от таковых по Приволжскому федеральному округу. Остальные балансовые запасы горючих сланцев округа учитываются на 35 объектах для подземного способа отработки. Однако не только в указанных областях обнаружены горючие сланцы но и в республике Татарстан (табл. 1), республике Башкирия и др. причем все они одного геологического возраста - юрского периода.
Однако наибольший интерес представляют характеристики горючего сланца Кашпирского месторождения (табл. 2) единственного на сегодняшний день из разрабатываемых промышленно.
На рис. 1 представлена принципиальная технологическая схема процесса, а в - принцип работы.
Таблица 1
Характеристика горючих сланцев Республики Татарстан
Таблица 2
Характеристика Кашпирского горючего сланца
Рис. 1. Технологическая схема термической переработки сланца в агрегате УТТ-3000: 1 - аэрофонтанная сушилка; 2 - циклон сухого сланца; 3 - смеситель; 4 - барабанный реактор; 5 - пылевая камера; 6 - технологическая топка; 7 - байпас; 8 - циклон теплоносителя; 9 - зольный циклон; 10 - котел-утилизатор; 11 - зольный теплообменник
Основными товарными продуктами термической переработки 1 т сланца, имеющего теплоту сгорания Q н р = 8,4 МДж/кг, являются:
1) жидкое малосернистое и малозольное котельное топливо с теплотой сгорания 37,0 Мдж/кг в количестве 90 кг;
2) жидкое газотурбинное топливо с теплотой сгорания 39,0 МДж/кг в количестве 40 кг;
3) газ полукоксовый с теплотой сгорания 46,1 МДж/м3 в количестве 39,6 м3;
4) газовый бензин с теплотой сгорания 41,2 МДж/кг в количестве 7,9 кг.
При этом технологический газ отделяемый в аппарате 5 может стать альтернативой нефтяному сырью в следующих процесса: производство метанола; синтеза этиленгликоля и глецерина; каталитический синтез метана, получение этилена и этана; синтез предельных, непредельных и высших углеводородов и ряд других .
Вопросы эффективного использования топлива при комплексной его переработке с производством электрической и тепловой энергии, синтез-газа, водорода, химических продуктов всегда находились в центре внимания отечественных и зарубежных теплоэнергетиков. В проведены исследования по комплексной переработке Поволжских горючих сланцев в газогенераторах Lurgi на парокислородном и паровоздушном дутье под давлением до 2 МПа. Полученный газ в основной своей части состоит из горючих газов, смолы и газового бензина, его теплота сгорания достигает 16 МДж/м 3 . Схема парогазовой установки на продуктах газификации показана на рис. 2.
Для указанной схемы выполнена оптимизация схем и рабочих параметров газификации сернистых сланцев Поволжья для использования в ПГУ. При этом ее отличает довольно высокая экономическая эффективность (в ценах 2005 г.): ЧДД = 2082,28 млн руб., т.е. в 3,9 раза выше, чем аналогичная установка на природном газе, индекс доходности больше на 28,9 %, а срок окупаемости на полгода меньше.
Особую значимость на сегодняшний день приобретает установки для термической переработки сланца на базе трубчатых реакторов типа газовзвесь (рис. 3) . Принцип работы установки детально изложен в .
Данная установка дает возможность эффективно управлять процессом термической обработки твердого топлива и получать продукты требуемого качества. Для этого используются высокоскоростные режимы нагрева топливной газовзвеси в трубчатых реакторах и охлаждения получаемых парогазовых целевых продуктов в закалочном теплообменнике. Изменяя температурный уровень и время пребывания того и другого потоков в зоне тепловой обработки, можно влиять на состав получаемых продуктов.
Рис. 2. Принципиальная схема ПГУ с внутрицикловой газификацией горючих сланцев: ГГ - газогенератор; Ск - скруббер очистки парогазовой смеси от смоляных продуктов и водяных паров; Х - предварительный холодильник; Аб - абсорбер тонкой очистки от кислых газов; Дб-1, Дб-2 - десорбер первой и второй ступени очистки; И - испаритель водоаммиачной АбХМ; АбХ - абсорбер АбХМ; К - конденсатор АбХМ; Г - генератор АбХМ; РК - реакционная камера установки производства серы; КУs - котёл-утилизатор установки производства серы; Кs - конденсатор серы; P - разделитель жидкостей; БХО - система биохимической очистки сточных вод; ВРУ - воздухоразделительная установка; ов - охлаждающая вода; сб - сланцевый бензин
Рис. 3. Схема установки пирогазификации: 1 - корпус; 2 - решетка газораспределительная; 3 - кипящий слой; 4 - трубчатые реакторы; 5, 8 - питатели-дозаторы; 6, 9 - сепараторы; 7 - теплообменник закалочный; 10 - теплообменник зольный; 11 - топка технологическая; 12 - теплообменник «газ-воздух»; 13 - стояк
Для дозированной подачи топливных частиц в реакторные трубы может быть использован кипящий слой. Подобного типа дозаторы успешно используются для питания угольной пылью горелок крупных энергетических котлов.
Существующие и разрабатываемые способы пирогазификации позволяют превратить в горючие газы 60-70 % углерода, имеющегося в твердом топливе. Остальное количество расходуется в процессе горения для получения тепла, необходимого для осуществления эндотермических реакций газификации.
Заключение
Показана перспективная возможность замены традиционных источников углеводородов для получения технологических газов с использованием ресурса горючих сланцев. Приведены наиболее изученные схемы комплексного использования горючих сланцев для получения энергоносителей, электрической и тепловой энергии.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта №15-48-02313 «р_поволжье_а».
Библиографическая ссылка
Мракин А.Н., Селиванов А.А., Морев А.А., Мингалеева Г.Р., Галькеева А.А., Савельев В.В. ПОЛУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ПРИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-3. – С. 429-432;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7512 (дата обращения: 20.04.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Установка очистки технологического газа предназначена для улавливания и удаления из транспортируемого газа механические примеси и капельки жидкости с целью предотвращения попадания их в проточную часть центробежного нагнетателя. Установка очистки состоит из шести параллельных блоков, каждый из которых включает вертикальный скруббер (пылеуловитель) и горизонтальный фильтр-сепаратор, установленные последовательно.
Скруббер предназначен для очистки технологического газа с целью удаления крупных механических примесей, капельной жидкости.
Фильтр-сепаратор предназначен для тонкой очистки технологического газа от мелкодисперсных механических примесей и капельной жидкости. Общая производительность установки по технологическому газу составляет 129.6 млн. м 3 /сут.
5.1. Описание технологической схемы установки очистки
технологического газа.
Газ из магистрального газопровода по всасывающему шлейфу через 7 кран (рисунок 1.1) поступает в распределительный коллектор Dу 1000 мм установки очистки газа. Из коллектора газ направляется в шесть одинаковых блоков по трубопроводу Dу 700 мм. Пройдя мультициклонный скруббер С-1, газ очищается от механических примесей и капельной жидкости, которые собираются в нижней части аппарата.
Контроль за уровнем механических примесей и жидкостью в скруббере осуществляется по указанию уровня. При высоком уровне жидкости сигнал поступает на главный щит управления (ГЩУ) от сигнализатора уровня. Удаление механических примесей и конденсата из каждого скруббера проводится вручную. Механические примеси выводятся по трубопроводу Dу 150 мм из нижней части скруббера через два крана в коллектор Dу 200 мм. Между кранами установлена дроссельная шайба, которая снижает скорость потока механических примесей, уменьшая тем самым эрозионный износ оборудования и трубопровода. Слив конденсата из каждого скруббера производится по дренажному трубопроводу Dу 100 мм, который оборудован двумя последовательно расположенными кранами Dу 100 мм. Очищенный газ выходит из верхней части скруббера С-1 и по трубопроводу Dу 700 мм поступает в фильтр-сепаратор Ф-1 блока. В фильтре-сепараторе происходит двухступенчатая очистка технологического газа от мелких механических примесей и капельной жидкости, которые раздельно удаляются в две изолированные секции конденсатосборника. Слив конденсата из первой секции в коллектор осуществляется в ручную открытием двух кранов Dу 100 мм. Между двумя кранами установлена дроссельная шайба для снижения скорости потока, через которую конденсат направляется в подземную емкость Е-1. Слив конденсата из второй секции конденсатосборника производится вручную открытием двух кранов Dу 100 мм на трубопроводе дренажа. Конденсат сливается в дренажный коллектор Dу 200 мм и далее в подземную емкость Е-2. Очищенный газ из каждого блока поступает в коллектор Dу 1000 мм и далее подается во всасывающий коллектор нагнетателей ГПА.
5.2. Конструкция, краткая техническая характеристика
и принцип действия скруббера
Скруббер представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат (рисунок 1) мультициклонного типа. Условно аппарат делят на три секции:
секция очистки газа;
секция выхода газа;
секция сбора механических примесей.
Через патрубок Dу 700 мм газ поступает в секцию очистки. В секции установлено 43 циклона (рисунок 1.1), которые жестко закреплены между нижней и верхней перегородками.
Секция для сбора конденсата имеет внутренний конус и штуцер дренажа Dу 250 мм. Штуцер дренажа имеет два патрубка для слива жидкости и механических примесей в различные дренажные системы.
Контроль за уровнем жидкости осуществляется по средством указателя и сигнализатора высокого уровня.
Для ремонта и осмотра аппарат снабжен люком Dу 500 мм с быстрооткрывающимся затвором. Скрубберы, предназначенные для установки на северных компрессорных станциях, полностью теплоизолированы. Для остальных компрессорных станций теплоизолируется только нижняя часть скруббера.
Дренажные трубопроводы снабжены системой электрообогрева, которая автоматически поддерживает положительную температуру трубопровода +5 С в зимнее время.
Рисунок 1 – Скруббер
Краткая техническая характеристика скруббера
расчетное давление 7,35 МПа
рабочее давление аппарата 4,4 – 5,5 МПа
перепад давления в аппарате 0,02 МПа
расчетная температура стенки -45; +120 C
рабочая температура стенки -15; +40 С
производительность аппарата 23.810 6 м 3 /сут
эффективность очистки газа от механических примесей:
dm = 15 мкм до 100 %
dm = 10 мкм до 95 %
dm = 8 мкм до 85 %
Очистка газа в скруббере происходит следующим образом. Технологический газ поступает в секцию очистки. Газ входит в каждый циклон через входные прорези, приобретая вращательно-поступательное движение. Под действием центробежной силы механические примеси и капельная жидкость отбрасываются к периферии циклонной трубки и по ее стенке стекают в нижнюю часть скруббера (секцию сбора конденсата).
Р
исунок
1.1 – Циклон
Чистый газ меняет направление в циклоне и через выпускную трубку выходит в сборную камеру, далее через штуцер выхода и соединительный трубопровод поступает на вторую ступень очистки в фильтр-сепаратор.
5.3 Конструкция, краткая техническая характеристика
и принцип действия фильтра-сепаратора.
Фильтр-сепаратор представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат, снабженный конденсатосборником. Конструктивно фильтр-сепаратор условно разделяется на следующие секции (рисунок 2):
фильтрующая секция;
расширительная секция;
туманоотделитель;
конденсатосборник.
Входная часть фильтрующей секции предназначена для защиты фильтрующих элементов от эрозионного воздействия загрязненного потока газа и его равномерного распределения. Она снабжена защитным отбойником, расположенным под фильтрующим элементом. В верхней
Р
исунок
2 – Фильтр - сепаратор
части фильтрующей секции находится штуцер входа газа Dу 700 мм и штуцер для выпуска газа Dу 40 мм. В нижней части находится патрубок Dу 150 мм для слива механических примесей и конденсата в конденсатосборник. Торцевая часть фильтрующей секции оборудована быстрооткрывающимся затвором.
Фильтрующая секция аппарата состоит из 60-ти съемных фильтрующих элементов (рисунок 3), в качестве фильтрующего материала используют стекловолокно. Фильтрующие элементы устанавливаются горизонтально в отверстия трубной решетки.
Расширительная секция представляет собой пустотелую часть аппарата. В торцевой ее части расположен штуцер выхода газа Dу 700 мм. В нижней части секции установлены два патрубка Dу 150 мм для слива жидкости в конденсатосборник, один из которых оборудован уровнемерным стеклом. Туманоотделитель (рисунок 4) состоит из трех пакетов лопаток, обтянутых мелкой проволочной сеткой. Каждый из пакетов представляет собой набор лопаточных элементов, образующих лабиринтные тупики.
Р
исунок
3 – Фильтрующий элемент
Для сбора жидкости и механических примесей фильтры-сепараторы оборудованы конденсатосборником, который разделен глухой перегородкой на две секции. Слив жидкости из секции фильтрации и расширительной секции происходит в соответствующие камеры конденсатосборника. Конденсатосборник фильтра-сепаратора оборудован системой электрообогрева и системой теплоизоляции. Система теплоизоляции автоматически поддерживает положительную температуру в зимний период.
Р
исунок
4 – Туманоотделитель
Краткая техническая характеристика
расчетное давление 7,3 МПа
рабочее давление 4,4 – 4,5 МПа
перепад давления на аппарате при расчетной
производительности и чистых фильтрах 0,01 МПа
допустимый перепад давления при
максимальном загрязнения 0,03 МПа
расчетная температура стенки -45; +120 С
рабочая температура газа -15; +40 С
среда: газ природный, механические примеси, углеводороды, конденсат, вода
характер среды: взрывоопасная, слабокоррозионная
расчетная производительность 21.6 млн. м 3 /сут
эффективность очистки газа от механических примесей и капельной жидкости
частицы жидкости:
dm = 8 мкм 100 %
dm = 6 мкм 99 %
dm = 4 мкм 98 %.
частицы механических примесей:
dm=6 мкм 100%
dm=0,5 мкм 95%.
Очистка газа в фильтре-сепараторе происходит следующим образом. Газ после скруббера по трубопроводу Dу 700 мм поступает через штуцер входа в фильтрующую секцию, где происходит его тонкая очистка. Механические примеси, и капельная жидкость задерживаются на фильтрующемся слое, а очищенный газ поступает в расширительную секцию и туманоотделитель, где под действием силы тяжести и изменения направления потока происходит дополнительная очистка газа от капельной влаги. Конденсат и механические примеси из фильтрующей секции и туманоотделителя сливаются в соответствующие секции конденсата сборника. Для поддержания нормального режима фильтр-сепаратор оборудован следующими приборами:
дифманометр с системой сигнализации при высоком перепаде;
манометр;
указатель уровня жидкости в секциях конденсатосборника;
системой сигнализации высокого уровня жидкости в секциях конденсатосборника влагоотделителя.
6. Система охлаждения технологического газа.
- магистральный азот (чистота 5,0)
- 15 специальных особо чистых газов (чистота до 6,0)
- очистка от H2O и O2 до 100 ppb
- автоматические газовые шкафы
- автоматическая система газоанализа
- система оборотного водоохлаждения
- системы обеспечения сжатым воздухом
Стабильность и надежность любого производства, в особенности высокотехнологического, обеспечивается его инфраструктурой. На первый взгляд незаметные и располагающиеся, как правило, в подвальных помещениях или технических этажах, данные подсистемы выполняют крайне важную и ответственную задачу 24 часа в сутки 7 дней в неделю. В НОЦ ФМН к таким системам относятся система воздухоподготовки, системы обеспечения сжатым воздухом и техническим азотом высокой чистоты, система оборотного водоохлаждения, система газоанализа и пожаротушения , а также одна из наиболее сложных и опасных - система обеспечения особочистыми специальными газами .
К специальным газам относят газы или смеси газов, которые имеют узкоспециализированное назначение и удовлетворяют особым требованиям к их чистоте, а также содержанию примесей. В НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» используются газы чистотой от класса 4,0 (содержание основного компонента 99,99%) до класса 6,0 (99,9999%) . Для транспортировки и хранения газов такой чистоты в НОЦ ФМН используются специализированные баллоны объемом 10, 40 или 50 литров, к которым также предъявляются особые требования, в первую очередь по безопасности. Каждый баллон проходит обязательную процедуру сертификации перед тем, как его доставят и подключат в систему. Проводятся испытания на прочность, на течи, в том числе на гелиевые, тесты на влажность и на частицы. Так, например, для большинства специальных газов, используемых в НОЦ ФМН, недопустимо наличие более одной частицы размером 0,1 мкм на кубический фут (0.028 кубического метра). При изготовлении структур нанометровых размеров попадание частиц в 10-100 раз крупнее самих функциональных элементов может привести к полному уничтожению устройства. Так как данные устройства кропотливо изготавливаются в течение продолжительного времени, от нескольких дней до нескольких недель и более, обнаружение неработоспособного устройства на финальной стадии его производства приводит к колоссальным потерям как времени и человеческих ресурсов, так и материалов.
При проектировании Технологического центра ФМН учитывался опыт крупных микроэлектронных предприятий , был проведен анализ ведущих мировых центров и их инфраструктурных подсистем, проведен сравнительный анализ поставщиков оборудования для специальных газов, поставщиков самих газов, а также тщательный анализ компаний, занимающихся внедрением данных решений. В результате был образован высоконадежный конгломерат из ведущих американских и немецких производителей, который совместными усилиями реализовал в НОЦ ФМН систему обеспечения специальными газами на самом высоком уровне.
В НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» используется 15 специальных особо чистых газов чистотой до класса 6,0 (99,9999%) , среди которых азот, кислород, аргон, гелий, водород, тетрафторметан (CF 4), закись азота (N 2 O), трифторметан (CHF 3), октафторциклобутан (C 4 F 8), гексафлорид серы (SF 6), аммиак (NH 3), трихлорид бора (BCl 3), бромоводород (HBr), хлор (Cl 2) и моносилан (SiH 4). Именно поэтому, в НОЦ ФМН удаляется особое внимание безопасности сотрудников, окружающей среды и оборудования. Так, особо опасные токсичные и взрывоопасные газы и газовые смеси располагаются в отдельном помещении на улице, в котором реализована система бесперебойного электроснабжения, отдельная вытяжная и приточная вентиляция, система нейтрализации газов (скрубберы), а также система подачи сжатого воздуха для пневматических клапанов. Помимо этого, все особоопасные газы располагаются в специализированных бронированных пожароустойчивых газовых шкафах ведущего американского производителя. Данные шкафы являются полностью автоматическими, благодаря чему для использования газа или смены баллона газа не требуется ничего кроме стандартной процедуры отсоединения и установки на место нового баллона. Все необходимые действия для подачи газа в линию, а также контроля за давлением баллона (в случае газообразных реагентов) или его весом (в случае жидких реагентов) осуществляет автоматика. Соответственно, сигнал о необходимости смены баллона также выдается автоматически при опустошении баллона до определенного уровня.
В НОЦ ФМН реализована четырехуровневая система мониторинга, оповещение и предупреждения нештатных ситуаций
. Сюда относится, в первую очередь, контроль за малейшими утечками газа
. Магистрали всех особоопасных газов выполнены в виде коаксиальных труб, внешняя оболочка которых заполнена инертным газом. В случае любой разгерметизации или повреждения трубопровода, давление инертного газа падает, системы включает тревогу и мгновенно останавливает подачу газа. Помимо этого, в газовых шкафах, а также у каждой технологической установки, использующей газ, установлены высокочувствительные газоанализаторы
ведущего немецкого производителя, которые включают сигнализацию в случае обнаружения содержания опасных газов в несколько раз ниже допустимого уровня, еще безопасного для человека. На втором уровне безопасности осуществляется непрерывный контроль потока вытяжной вентиляции
(100-200 м 3 /ч). В случае его незначительного уменьшения выдается предупреждение, а в случае резкого падения - сигнализация и полное отключение газоснабжения. Данная вытяжная вентиляция предназначена исключительно для удаления скоплений газов, которое может происходить только в результате аварии или повреждения трубопровода. Т.е. в исправно работающей системе скопления газов не происходит; тем не менее, вытяжная вентиляция работает в режиме 24/7. Третий уровень безопасности - это система автоматического пожаротушения
, а четвертый уровень - высоконадежная система предупреждения нештатных ситуаций
. Так, например, в случае возникновения малейшей угрозы утечки газа в помещении на улице, весь персонал чистого помещение внутри здания будет уведомлен и эвакуирован. Это реализовано с одной лишь целью - безопасность и здоровье сотрудников центра.
Для проведения научных исследований и получения результатов, соответствующих и превышающих мировой уровень, в НОЦ ФМН уделяют особое внимание чистоте материалов
, из которых и с помощью которых изготавливаются высокотехнологичные устройства. Помимо предъявления жестких требований к чистоте и качеству подложек, металлов для осаждения и других исходных материалов, также тщательно контролируется качество и чистота химических реагентов, воды и, в особенности, специальных газов
. Как указано выше, в НОЦ ФМН используется 15 специальных особо чистых газов чистотой до класса 6,0 (99,9999%). В процессе аттестации с приемо-сдаточных испытаний газовых магистралей проводилась их продувка в течение нескольких суток, что позволило добиться уровня содержания влаги и кислорода до 100 ppb (частей на миллиард). На все газовые магистрали установлены дополнительные очистители, расположенные в непосредственной близости к технологическому оборудованию и увеличивающие класс чистоты отдельных газов до 8 (99,999999%), а сами магистрали выполнены из высококачественной немецкой стали с шероховатостью Ra менее 250 нм.
Помимо аттестации и приемо-сдаточных испытаний систем газоснабжения, в Центре внедрен опыт ведущих мировых микроэлектронных предприятий, благодаря которому разработана специальная методика работы со специальными газами . В дополнение к использованию газораспределительных панелей ведущего немецкого производителя, внедрена в практику процедура смены использованных баллонов, включающая в себя множество стадий продувки участка магистрали инертным газом, а также полное вакуумирование линии в течение суток. Это позволяет с уверенностью получать идентичные и повторяемые результаты в течение длительного периода времени, будь то плазмохимическое травление кремния и его окисла или осаждение тонких пленок благородных металлов.
Тег video не поддерживается вашим браузером.
Другой немаловажной инфраструктурной подсистемой является система обеспечения магистральным техническим азотом чистотой класса 5,0 . Источником азота является резервуар с жидким азотом объемом 6 м 3 и весом более 5 тонн от ведущего немецкого производителя. Разработка системы проводилась согласно множеству регламентов и плавил, а сам резервуар находится на учете в Ростехнадзоре. Благодаря специальному газификатору жидкий азот, поступающий в магистраль, испаряется и поступает в технологический Центр уже в газообразном виде. В непосредственной близости от оборудования установлены очистителя газа, повышающие класс чистоты технического азота до 6,0. Чистота технического азота крайне важна поскольку он используется во всех процессах вакуумных установок, а также в системах жидкостной химии, в том числе для продувки и сушки пластин и образцов.
Практически все оборудование Технологического центра, от установки проявления фоторезистов до мини-завода по производству ультрачистой воды, использует сжатый воздух для обеспечения работы пневматических клапанов . Не важно, используется ли воздух для открытия/закрытия линий подачи проявителей или же для постоянной обдувки оптики с целью предотвращения попадания на нее частиц пыли, требования к сжатому воздуху предъявляются очень серьезные. Для их обеспечения в НОЦ ФМН используется высокопроизводительная компрессорная установка от ведущего Шведского производителя, оборудованная системой осушения воздуха, позволяющая достичь содержания влаги до 100 ppb (частей на миллиард). Магистраль сжатого воздуха спроектирована с учетом возможности расширения и добавления новых потребителей практически на любом участке центра. Это позволяет вводить в строй новое оборудование в кратчайшие сроки.
Для работы высоковакуумного оборудования, а также для поддержания работы систем обеспечения чистым воздухом требуется водяное охлаждение . В большинстве случаев это реализуется подключением к обычному городскому водопроводу со всеми вытекающими последствиями: образованию кальциевых отложений в трубах и росту микроорганизмов. Это, в свою очередь, может привести к выходу из строя дорогостоящих вакуумных насосов, не говоря уже о невозможности выполнения технологических операций. В НОЦ ФМН для водяного охлаждения используется не обычая водопроводная вода, а пермеат из системы водоподготовки. Пермеат представляет собой предварительно очищенную воду с низкой концентрацией солей, которая образуется на выходе установки обратного осмоса. Пермеат постоянно циркулирует в замкнутом контуре, что предотвращает образование микроорганизмов и других нежелательных образований.
