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1、工业清洗系统一、 工业清洗系统设计的基础设计的基础包括对清洗对象上的污垢情况以及清洗後清洁度要求的考虑。1、污垢的性质、数量和形态在设计工业清洗系统时,首先要了解清洗对象上污垢的性质、数量以及附着和污染的形态等情况,以便考虑使用哪些清洗力并正确地加以组合。在多数情况下,清洗对象上的污垢是以复杂的符合形式存在的,只靠一次清洗工艺使污垢完全解离分散去除是很难的。通常的清洗工艺都是针对特别有害的或某些特定污垢而设计的。为了去除清洗对象上的复合污垢,通常的做法是先采用最经济的方法把大部分污垢去除,然后用精密的方法针对残存的顽固污垢作专门处理。用这种分步进行的方法组合成一个清洗系统往往很有实效。2、对清
2、洁度的要求在选择清洗系统时,必须考虑这种系统对要求达到的清洁程度有充分的保证。在家庭清洗领域一般对洗净度要求不很高,往往只要求与清洗前的状态相比有很大的改善,肉眼看不到污垢即可。而在工业清洗中往往要求很高,特别是精密工业清洗中洁净度要求更高,所以对不同洁净度要求的清洗应选择不同的清洗系统。但是应考虑到,洁净度要求越高,清洗成本也越高,而且生产成本是以几何级数递增的,一般洁净度为98%时的成本要比洁净度为95%时的成本高几倍。而要求洁净度提高到99.9%时成本要提高10倍以上。要获得100%的洁净度,在实际生产中往往是不可能的。但在某些需要完全避免出现清洗效果不佳的次品的情况下,为了避免出现次品
3、造成的损失,需要增加检查清洗质量的工序和剔除次品的工艺,此时只能选择生产成本高的清洗系统,生产的经济性不能放在首位来考虑。例如,清洗半导体元件硅片时,硅片表面上要求去除污垢的最小粒径在0.2-0.3m范围,因此硅片表面上的极薄氧化物覆盖膜以及杂质金属原子、离子都必须去除掉。而一个直径为10cm的硅片表面上存在一个0.3m大小的污垢离子,按比例放大只相当于一个直径为100m的棒球场上有一个粒径为0.3mm的碳粒。虽然100%的去除污垢实际上近乎不可能,但在半导体工业往往要求99%以上的污垢粒子被清除。在半导体工业中,要求达到的洁净度是以残留粒径小于一定大小的污垢粒子限定个数为指标的。而且在当今半
4、导体硅片集成线路密集程度飞速提高的情况下,对洁净度的要求还在不断提高。对清洗系统的评价方法对一个清洗系统的优劣,主要从以下几个方面进行评价。1、 经济性特别是一般工业清洗领域,对经济性要求十分突出。2、效率和省力性希望清洗系统效率高而且具有省力的优点,即能进行自动化操作,尽量缩短工艺流程、降低劳动强度和生产成本。3、可靠性要求清洗系统的清洗质量稳定,能保证达到规定的洗净程度的要求。4、对清洗对象的影响要求清洗过程对清洗对象造成的损失尽可能少,并且不能产生对清洗对象的新的二次污染。5、保持良好的生产环境要求清洗系统能保持良好的生产作业环境,使工人的健康和安全得到充分的保证。6、有利于对自然环境的
5、保护要求清洗系统必须能防止清洗中产生的废弃物对自然环境造成破坏。清洗系统的分类根据清洗使用的媒质不同而将清洗系统分为两大类:把使用水、各种水溶液、有机溶剂等液体媒质的清洗系统叫湿式清洗系统,而把以空气等气体作为媒质的清洗系统叫干式清洗系统。湿式清洗系统主要包括清洗、冲洗、干燥三个工艺过程;而干式清洗系统不需要干燥工艺,只包括清洗和冲洗两个工艺过程。湿式清洗使用液体作媒质的清洗叫湿式清洗,它主要包括以下几种方式。一、喷射清洗如果用液体媒质进行润湿的清洗对象是大型的不易搬动的或外型结构决定它不适合浸泡在液槽中的物体时,需要把洗液喷射或用刷子蘸取的方法使清洗对象表面润湿,然后进行清洗和冲洗。这类湿式
6、清洗一般叫喷射清洗。喷射清洗是利用喷嘴喷出的水或洗液的冲击力量使污垢解离分散的。在喷射清洗中要求的清洁程度越高,消耗的洗液也越多,因此往往要求尽可能使用价格便宜的清洗液。1、喷射与淋洗的区别喷射与淋洗两个概念有相似的含义,往往容易混淆。严格地讲两个概念是有区别的。喷射指的是使用经过加压的液流,而淋洗是利用重力的作用使液体从上而下运动,利用下落时重力作用进行清洗。喷射有压力的作用,对污垢的冲刷作用较强,而淋洗使污垢解离分散的力量相对较弱。因此在清洗工艺中利用喷射的方法较多,而淋洗往往用作冲洗工艺的手段,淋洗对表面上附着的轻微污垢去除效果较好。2、喷射清洗方式的分类根据喷射清洗使用的喷嘴情况分为两
7、类:(1)喷射位置固定的喷射清洗:当清洗对象是多个小型物体时,经常使用在固定位置的喷嘴进行喷射清洗。在这种装置中,清洗对象往往通过输送带排成直线并从喷嘴下面通过,洗液通过喷嘴对清洗对象进行清洗和冲洗。为了使被清洗对象的不同侧面都能受到均匀的喷射压力,必要时可以设计成使清洗对象旋转或喷嘴从不同方向同时喷射洗液的组合结构。在清洗密闭的缸体内部时,可利用位置固定的多个喷嘴呈放射状对缸体进行喷射。(2)喷嘴位置可任意移动的喷射清洗:工厂中各种大型设备容器壁面和机器的外型以及桥梁、飞机、火车外壳等设备适用可移动的喷射装置进行清洗。这种装置的特点是可以装在手推车或卡车上,方便地任意移动,经过泵加压後的洗液
8、,通过输送水龙管及喷嘴,由人工控制可喷射到任意方向。如一台由电动泵带动的首推式喷射装置,1min可喷射出10-50dm3压力的洗液。二、浸泡清洗将清洗对象放在洗液中浸泡,湿润而洗净的湿式清洗叫浸泡清洗。在浸泡清洗工艺系统中,清洗和冲洗分别在不同洗槽中进行,分多次进行的浸泡清洗可以得洁净度很高的表面。因此,浸泡清洗是以清洗效果好为特点的。这种方法对数量多的小型清洗对象特别合适。下面对浸泡清洗要点加以说明。1、基本系统类型浸泡清洗系统基本上两种类型。(1)清洗槽用溶剂、冲洗槽用清水型:介绍了一种在清洗槽中使用表面活性剂水溶液或有机溶剂作洗液,而在后面的冲洗槽中用水作冲洗剂的浸泡清洗系统。冲洗工艺中
9、使用水作冲洗剂,其优点在于价格便宜和安全性好,而且能使在清洗槽中未能完全去除的水溶性污垢得以溶解去除。因此设计系统时可以将清洗槽的工作重点放在去除油性污垢上。如果在清洗槽中使用的是亲油性有机溶剂作清洗剂,为了使带入清洗槽的有机溶剂能很好第分散到水中,在水中可加少量的表面活性剂以帮助有机溶剂乳化分散。或者在清洗槽和冲洗槽之间设计加一个装有乙醇或异丙醇等亲水性溶剂的中间槽。也可以用一个淋洗器代替冲洗槽进行冲洗工艺。使用这种浸泡清洗系统应注意的问题是:由于冲洗工艺一般使用的是清水,清水中含有微量杂质,在干燥後留在清洗对象表面会使其洁净度变差。在洁净度要求特别高的情况下,灾情水冲洗之后药用纯水或超纯水
10、进一步冲洗。另外,在用水作冲洗剂时往往产生大量废水,需要经过处理后才能排放。(2)清洗槽、冲洗槽都使用同一种溶剂的系统:图介绍的是在清洗槽、冲洗槽中使用同一种溶剂的系统。这是适合使用合成有机溶剂和石油类溶剂去除油性污垢为主要目的清洗系统。这种系统的特点是管理较容易,设备安排较紧凑,使用的溶剂都采用逆流方式运动,使溶剂的溶剂能力得到充分利用,同时产生的废液数量也较少。这种系统存在的主要问题有以下几点。虽然在设计系统时已考虑到使用溶解范围尽可能广泛的有机溶剂,但无论如何,清洗对象表面的亲水性污垢还是较难被完全去除。另外有机溶剂大多存在毒性大、安全性差、易燃易爆、受环境保护要求限制的问题。由于这些原
11、因,原来广泛使用的氯氟烃和三氯乙烯等有机溶剂,现在已不能继续使用了。而使用高沸点的石油类溶剂,虽然闪点升高,安全性较好,但又出现干燥较困难的问题。以上介绍的只是两种最基本的浸泡清洗系统。实际情况往往是比较复杂的,以下对系统的组成情况作进一步介绍。2、 浸泡清洗系统的组成浸泡清洗系统是由清洗工艺、冲洗工艺、干燥工艺三个部分组成的。(1)清洗工艺:清洗工艺指把污垢从清洗对象表面解离下来并分散到媒液中的工艺。因此这一工艺中使用的媒液,不仅应对污垢的溶解、分散能力大,同时能使解离下来的污垢在它中间稳定分散。当清洗液表面存在多种类型污垢时,清洗工艺应分阶段进行。在清洗中应把油性污垢的去除当作重点,优先去
12、除,因为清洗对象表面存在油膜时,往往会妨碍其它类型污垢与洗液的接触。当某一种污垢数量较多,一次清洗不能使之完全溶解去除的时候,清洗操作要重复进行几次。当清洗工艺完成时,应保证污垢完全转入媒液中,在清洗对象表面应该没有污垢残留存在。如果设计清洗工艺时考虑同时使用加热、搅拌、喷射、超声波、摩擦等物理手段,它们与媒液的溶解力、分散力能相辅相成,发挥协同效应,获得更好的清洗效果。(2)清洗工艺:清洗工艺完成之后,清洗对象表面上附着一层含有污垢的洗液,把这种洗液叫含垢洗液。用清洁的媒液把含垢液从清洗对象表面置换出来的过程而冲洗。冲洗工艺包括用清洁媒液反复浸泡的方法以及使媒液流动的喷射或淋洗方法。由于十分
13、清洁的洗液对于污垢才有较好的稳定分散作用,所以冲洗媒液的用量是比较大的,因此要求使用价格便宜的溶剂作冲洗液以降低生产成本。对于包含有干燥工艺的湿式清洗系统,还要求冲洗媒液必须具备易被干燥的特点。由于亲水价格便宜,容易大量获得,同时它有能把清洗工艺中难以去除的亲水性污垢溶解、分散的优点,因此被广泛利用在冲洗工艺中。(3)干燥工艺:在冲洗工艺结束之后,洗净的对象表面仍附着一部分媒液,干燥工艺是通过气化的方法使媒液去除,使湿式清洗最终得以完成。干燥工艺对媒液的要求有:沸点低,气化热小,比较容小,易于挥发去除;表面张力低,易于在物体表面铺展开,因而易于蒸发;闪点及燃点高,不易燃易爆,安全性好;媒液的毒
14、性小,对工人健康危害小;对环境破坏作用小。表3-1中列有湿式清洗中使用的主要媒液对干燥工艺要求的适应情况。表3-1 媒液对干燥要求的适应情况干燥工艺要求卤代烃合溶剂碳氢化合物醇类溶剂水低沸点溶剂高沸点溶剂沸点气化热比热容表面张力安全性毒性对环境影响低低小低好大大低低小低差较小较小中低小低较差小较小低低小低差较小较小中大大高好小小为了使干燥顺利进行,通常把洗净後的物体在高温干燥环境中放置一段时间使干燥自然进行。例如,在家庭中洗涤的衣物放在太阳光下进行干燥。在工业清洗中为了提高干燥率往往通入温和的干燥热风进行干燥。干燥的速度主要由送入的空气温、湿度、风速以及清洗对象表面温度等条件决定。对闪点低安全
15、性差的媒液,使用的通风空气温度有一定限制。清洗对象表面温度越高干燥效率越高。对热传导效率比较低的清洗对象,冲洗工艺中温度保持较高对后面的干燥工艺是有利的。用蒸汽洗净方式清洗时由于温度较高对后面的干燥工艺是有利的。提高风速有利于媒液从清洗对象表面扩散和气化蒸发。为了使清洗对象各个表面都受到均匀的风力作用,应该排列好清洗物之间的位置间隔。用气刀状的强风速进行干燥,容易获得良好的效果。对高沸点的媒液或残存在清洗物体表面狭窄缝隙中的媒液进行干燥时,使用真空干燥的方法效果较好。另外,由于媒液气化时吸热会使清洗对象表面的温度下降不利于蒸发,因此在干燥之前尽可能提高清洗对象的温度。3、 湿式清洗系统存在的问
16、题在湿式清洗系统中,由于清洗对象表面上的污垢(称为一次污染)有一部分未洗净而残留下来,而且在清洗过程中不可避免发生新的污染(称为二次污染),结果达不到所期望的洗净效果。同样,应对在清洗工艺中出现逆污染以及在干燥工艺中出现的水斑等这些问题的原因进行分析,并提出解决办法。(1)在清洗工艺中可能出现的问题 一次污染的残留:如果溶剂使用不当就会使某些污垢不能被很好地溶解、分散而残留在清洗对象表面。因此要采用一定措施尽量减少这种残留的污垢,一方面可以增加清洗次数,也可以用溶解能力更强的溶剂。如果是利用亲油性溶剂作媒液使清洗工艺中残留有亲水性污垢时,可以用水作溶剂在冲洗工艺中将它们去除。 二次污染的形成:
17、当清洗工艺中使用表面活性剂水溶液或碱水溶液作媒液时,它们会在清洗对象表面吸附并残留而造成二次污染。这些污染物通过适当的冲洗是可以去除的。另外,在清洗工艺中使用酸或碱的水溶液作媒液时,有时它们会与物体发生化学反应生成不希望的变质层也会造成二次污染。(2)冲洗工艺中可能出现的问题:冲洗工艺中可能出现已溶解分散的污垢造成逆污染的问题。在清洗工艺中已被溶解分散的污垢,在冲洗工艺中又吸附到清洗对象表面,把这种情况称为逆污染。例如已被表面活性剂水溶液乳化分散的油性污垢的一部分,在被带入到冲洗槽中时,由于冲洗水极大地降低了表面活性剂溶液的浓度,使表面活性剂失去对污垢的稳定分散能力,结果一部分不稳定状态的污垢
18、不可避免地又吸附到清洗对象表面而造成逆污染。显示在冲洗槽中已被表面活性剂乳化的油滴变得不稳定的示意图。这种现象在洗液被污垢饱和的情况下容易发生,因此希望被带入冲洗槽的洗液,仍保存着一定程度的洗净能力。介绍的这种两槽式清洗工艺中,因为洗液仍有富余的清洗能力,从第二槽中逆流送入第一清洗槽中时,使得洗液德清洗能力得到更充分的发挥。使用这种逆流运动方式不仅使洗液的利用更合理,也使进入冲洗槽时污垢出现逆污染的可能性大大减少。使用的冲洗槽越多,逆污染的情况越易避免。因此出现了多槽进行冲洗的情况。含有污垢的洗液粘附着在清洗对象表面被带入到冲洗槽中,在干净的溶剂多次使用下,洗液被不断稀释,而污垢逐步被分散转移
19、到冲洗槽内,最终清洗对象表面的污垢被完全冲洗干净。这种过程叫做多次冲洗。那么是否进行冲洗的系数多多益善呢?根据稀释理论可知,即使用无限多次的冲洗要完全把污垢稀释去除也是十分困难的。因此存在一个多次冲洗工艺的效率问题,即如何利用一定量的洗液通过有限次的冲洗达到较好的洗净效果(一定洁净度的)问题。下面简单加以说明。当各个冲洗槽的媒液容量为一定值x,而附着在清洗对象表面被带入冲洗槽的含污垢的媒液量为y时,经过一次冲洗之后,在清洗对象表面残留的污垢量(s)可用下式表示:s=最初存在的污垢量y/x经过n个冲洗槽,反复冲洗之后,残留的污垢量(sn)可用下式表示:sn =最初存在的污垢量(y/x)y/(x+
20、y)n-1最初存在的污垢量(y/x)n当y与x相比小得多时,可作这种近似处理。按上式,要使残留污垢量(sn)变得很小,可采用的方法有三种: 增大x值,即扩大冲洗槽容量。但这要扩大设备,增加成本,加大洗液用量,增加人工劳动力消耗。因此,这种方法实际不可行。 增大n,即增加冲洗槽个数。这也将增加设备成本,增加工人劳动量不是好办法。 减少y,即减少被清洗对象带入冲洗槽的含垢溶剂量。这是最简单易行,而又是很经济地提高清洗效率的好办法。根据计算可知,当清洗对象表面带出的含垢剂量减少到原来的1/2时,经过两次冲洗,可使洁净度提高到原来的4倍。要使清洗对象表面带出的含垢剂量减少,可以采用以下方法:用甩动或振
21、动的方法使附着的含垢剂量减少;用风动蒸汽使附着含垢溶剂被吹飞;用离心力使含垢剂量被旋转甩出;提高温度,使含垢溶剂粘度下降而易于脱离清洗对象。为了提高多次进行的冲洗工艺的效率,可采用媒液的逆流式供给的方式。此时新加入的冲洗媒液是从最后一个冲洗槽进入体系的,含有污垢的冲洗液由後顺序向前一个冲洗槽逆流式流动,并从最前端一个冲洗槽排出含有较多污垢的冲洗废液。采用这种方式经过适当的管理,使冲洗媒液的清洗能力得到最大限度的利用,而媒液的消耗量也大幅度减少。同时最后一个冲洗槽的媒液始终保持恒定的较高洁净度,这样就保证清洗对象得到良好的冲洗。以水作为冲洗媒液时,其管理措施包括控制溶液的ph值和电阻率等来控制清
22、洁度。(3)干燥供一种可能出现的问题:水是价格便宜,而且溶解力强、分散能力大的液体,因此水经常被用作冲洗媒液。但水作用冲洗媒液在干燥中会出现一些问题。由于水的沸点为100,且有很大的气化热,因此在干燥脱水时要耗费较多的能量和较长的干燥时间,这是它的不足之处。一般冲洗用的水是清水,其中溶解有一些杂质,而且水有很高的表面张力。当水在清洗对象表面均匀蒸发时,随着干燥的进行逐渐形成圆球状的水滴并逐渐缩小半径,当最后水滴完全蒸发後就会在清洗对象表面上留下环状的水斑残迹。水斑是由清水中溶解的杂质在水滴最后浓缩过程中残留下来的。在工业精密清洗中,很多情况下不希望有水斑生成,因此要求用洁净度高的纯水或超纯水作
23、冲洗过程最后阶段的用水。但是即使超纯水也含有极微量的杂质,还会有生成水斑的可能。这在精密电子工业元件的清洗中会造成问题。为解决水斑形成的问题可采用前面提高的风扇-刮刀状风压并用的方法进行干燥或采用离心力使表面附着的水被甩掉的方法。当清洗对象是半导体硅片等平板状物体时,可沿着与水平面垂直方向把浸在水中的物体慢慢拉上来离开水面,并同时用热风进行干燥的方法。这种上拉干燥法可防止水滴在表面凝聚,防止水斑生成很有效。除了上述在湿式清洗系统在清洗、冲洗及干燥三个工序中可能出现的问题外,在清洗系统中所使用的机器也有造成污染的可能,应引起重视。(4) 洗系统对机器的要求:清洗系统中使用的机器应符合以下要求:机
24、器的材料要求对媒液有非常好的稳定性,不会被媒液侵蚀。通常认为不锈钢适合作清洗系统的机器材料。但在精密清洗领域中,它也存在能溶解出微量金属离子造成二次污染的问题,因此在这种情况下不能使用不锈钢而使用塑料。为防止产生的微量污染离子使制品的洁净度受到影响,盛装受清洗部件的容器不用金属材料的,而药用不会与溶剂发生溶解作用的塑料(如氟塑料)制成。另外清洗槽内部及附属部件都应经常保持清洁是十分必要的。用于装运小型清洗对象进出洗液的托盘的构造也应十分注意。从清洗槽中夹带出来的含垢溶剂量是与清洗对象和托盘的表面积总和成正比关系的。托盘多余部分表面积越大造成冲洗工艺中不必要的负荷也越多。另外,装在托盘内的清洗对
25、象的排列方式是否适当对清洗效率也有很大影响。4、媒液的相转换在多次浸泡清洗工艺中如果使用不同性质的媒液时,存在随媒液种类的变化而发生相转换问题。相转换的方式主要有以下几种:(1) 亲油性溶剂相转变成水相亲油性溶剂相(亲水性溶剂)水相亲油性溶剂相(表面活性剂水溶液)水相乳化性溶剂相水相(2)水相转换成亲油性溶剂相水相(亲水性溶剂)亲油性溶剂相水相(亲油性溶剂恒沸混合物)亲油性溶剂相下面分别对上述相转换进行方式加以解释。(1)亲油性溶剂相转变成水相的转换:当亲油性溶剂作媒液在清洗工艺之后,带着溶解的污垢进入水相进行冲洗和干燥工艺之前要采用相转换工艺,其具体方法有以下三种: 在亲油性溶剂清洗剂清洗槽
26、和清水冲洗槽中间加一个由丙酮、乙醇或异丙醇等亲水性溶剂槽。把清洗对象在亲水性溶剂槽中处理之后,清洗对象表面就由亲油性变成亲水性的了,而亲油性溶剂也被上述亲水性有机溶剂溶解掉。 在亲油性溶剂清洗槽与清水冲洗槽之间加一个表面活性剂水溶液槽。把清洗对象放在表面活性剂水溶液槽中处理。清洗对象表面的亲油性溶剂被表面活性剂乳化形成水包油型乳状液而被去除,而清洗对象表面转变成亲水性的。 在亲油性溶剂中加入一定量的表面活性剂,形成乳化性溶剂。当含有乳化性溶剂的清洗对象进入到清水冲洗槽时,乳化性溶剂形成水包油型乳状分散到水中,清洗对象表面转变成亲水性的。采用以上方法不仅有利于相转换的发生,而且使用亲水性有机溶剂
27、槽及表面活性剂水溶液槽也有利于清洗力的提高。(2)水相向亲油性溶剂相转换:当用水作冲洗剂完成冲洗之后,为了使干燥工艺进行风顺利,往往用亲油性低沸点的有机溶剂置换清洗对象表面上的水,这过程中间首先发生水相转变成有机溶剂相的转换。采用的方法有: 清水冲洗槽与亲油性低沸点有机溶剂槽之间加一个亲水性有机溶剂槽(使用丙酮、乙醇或异丙醇)。利用亲水性有机溶剂既亲水又亲油性有机溶剂的特点,把清洗对象表面由水相先转变成亲水有机溶剂相,以有利于转变成亲油性低沸点有机溶剂相的转换。 利用水与亲油性低沸点有机溶剂形成共沸混合物的方法把水去除。在受热沸腾的条件下,液体蒸发过程中水与有机溶剂形成共沸混合物一起被蒸发掉。由于在 混合物中含量比有机溶剂少得多,所以很快水被完全蒸发掉。而清洗对象表面转变成亲油性低沸点有机溶剂相。有机溶剂与水的混合物沸腾而一起蒸发的温度叫共沸点。在共沸点蒸发时有机溶剂与水的含量比例是固定的。表3-2列有用于清洗的有机溶剂的沸点、与水的共沸点以及共沸点蒸发时蒸发出的蒸气中水的含量。
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