CN101142010A - 气体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用填充剂处理气体的装置，例如用于使用无害化剂对含有有害物质的废气进行无害化的气体处理装置，该有害物质例如是用于半导体制造工艺、液晶显示元件制造工艺等的硅烷、磷化氢、氯化氢、二氯硅烷和氨气等各种半导体材料气体。气体处理筒1内的流路6中设有无害化剂层3，圆环状的挡板7被设为分别与该无害化剂层3的上游侧的面及下游侧的面相接，并且其外缘部与流路6的壁面相接。当填充剂外径di和气体处理筒1内径D之间的关系为5di≤0.09D时，挡板7的宽度优选为大于或等于填充剂外径的5倍、且小于或等于气体处理筒1内径的9％；当5di＞0.09D时，挡板7的宽度优选为气体处理筒1内径的2％～9％。

Description

气体处理装置

技术领域

本发明涉及使用填充剂处理气体的装置，例如用于使用无害化剂对含有有害物质的废气进行无害化的气体处理装置，该有害物质例如是用于半导体制造工艺、液晶显示元件制造工艺等的硅烷、磷化氢、氯化氢、二氯硅烷和氨气等各种半导体材料气体。

背景技术

在去除气体中包含的特定成分时，采用使气体在填充有填充剂等的装置中通过，从而使该成分与填充剂相互作用而从气体中去除该成分的方法，所述填充剂是与该成分具有亲和性的填充剂或与该成分产生化学反应的填充剂。

举例来说，对在各种半导体制造工艺中产生的废气进行无害化就属于上述情况。从使用硅烷等半导体材料气体的装置和半导体制造装置排出的废气中，包含有作为原料使用但未反应的半导体材料气体和反应产物等。这些半导体材料气体和反应产物多数对人体极其有害，因此使用废气处理装置进行无害化之后再排放到大气中。

作为上述废气处理装置的一个例子，已知的有干式废气处理装置。该干式废气处理装置通过使含有有害物质的废气流入填充有固体无害化剂的气体处理筒内，利用有害物质与无害化剂之间化学或物理上的亲和力等去除有害物质或使之无毒化，来进行废气的无害化。

在如所述废气处理装置那样在气体处理筒内填充无害化剂等粒状填充剂的填充剂层中，由于气体处理筒的壁面的存在，填充剂层内的空隙率不均匀，这作为“壁效应”已为人所知。在壁面附近区域中，填充剂粒子以接近点接触的状态存在，因此空隙率接近1，比远离壁面的区域的空隙率高。并且，在粒子排列上存在几何限制，因此受其影响空隙率发生改变。这些壁效应对空隙率的影响涉及从壁面到与之相距约5倍填充剂粒径的区域。图2是将球形填充剂粒子填充到圆筒形状气体处理筒时的空隙率分布示例图。

通常，气体在填充剂层内流动时，其流量的分配会使得在填充剂层内的各部分，气体的压力损失相同。气体的压力损失在填充剂层内空隙率高的地方或填充剂层厚度薄的地方变小。例如，假设填充剂层的厚度处处相同，则在由于壁效应而空隙率变高的壁面附近，气体的压力损失比其他区域的气体的压力损失小。于是，壁面附近的气体流量增加，从而使壁面附近的气体的压力损失变得和其他区域的气体的压力损失相同。

即，在填充剂层内的壁面附近区域，由于壁效应，与其他区域相比气体流量增加，因此产生气体的偏流。

由于在壁面附近空隙率大，因此填充剂的密度比其他区域小。伴随所述气体偏流效应，在壁面附近的填充剂层中，与其他区域的填充剂层相比会发生选择性的早期破坏。因此，如果是例如无害化剂等的消耗型填充剂时，会产生不均匀的消耗，填充剂层的寿命会缩短。

根据基于文献资料求出的填充剂层空隙率分布，推断壁面附近的无害化剂的寿命是中心部分无害化剂的75％左右。(例如，参考非专利文献1。)

在气体处理装置中，装置内部的废气流动的流路，即气体处理筒的内径与填充剂的外径之比(流路内径/填充剂外径)越大，产生壁面效应的壁面附近区域的比例越小；其比值越大，由于壁面附近区域的早期破坏流出的杂质浓度的上升越小。一般认为能够忽略壁效应的“流路内径/填充剂外径”之值为100以上。

已提出的用于避免早期破坏的减少偏流的方法例如有半球板内贴法(例如，参考非专利文献2。)。该方法是在填充填充剂部分的装置内壁中，内贴一板，该板上交织状排列着具有与填充剂粒子相同外径的半球状粒子。

非专利文献1：Wall Effects in Laminar Flow of Fluids through PackedBeds，AIChE J.，27，705，(1981)(流经填充层的层流中的壁效应，AIChE J.，27，705，(1981))

非专利文献2：秋山友宏ら，充填

プロセスにおけるチヤネリング現象，まてりあ，第35卷，第4号(1996)(秋山友宏等，填充层加工中的气沟现象，材料，第35卷，第4号(1996))

对于半导体制造装置的废气处理装置，处理对象气体要求有害物质的出口浓度在1ppm以下。因此，早期破坏的问题很严重。但是，在废气处理装置中应用上述贴板方法时，在由于反应引起不规则的温度上升的环境下，必须长时间保持将板紧贴在内壁的状态。因而，从安全性和成本方面考虑很难将该方法应用于半导体制造装置的废气处理装置上。因此，对于减少废气处理装置壁面附近区域偏流的方法，期待开发新的技术。

发明内容

有鉴于此，本发明的课题在于提供一种使用填充剂处理气体的装置，例如用于使用无害化剂对含有有害物质的废气进行无害化处理的废气处理装置，该有害物质例如是用于半导体制造工艺、液晶显示元件制造工艺等的硅烷、磷化氢、氯化氢、二氯硅烷和氨气等各种半导体材料气体。

为了解决上述课题，

权利要求1所述的发明是一种气体处理装置，其气体处理筒内设有层积填充剂的填充剂层，并使气体通过该填充剂层，其特征在于，在该填充剂层的上游侧的面或下游侧的面中的至少一面设有圆环状挡板。

权利要求2所述的发明是一种如权利要求1所述的气体处理装置，其特征在于，在所述填充剂层的上游侧的面和下游侧的面两面设有圆环状挡板。

权利要求3所述的发明是如权利要求1或权利要求2所述的气体处理装置，其特征在于，当填充剂外径di和气体处理筒内径D之间的关系为5di≤0.09D时，所述圆环状挡板的宽度大于或等于填充剂外径的5倍、且小于或等于气体处理筒内径的9％；当5di＞0.09D时，所述圆环状挡板的宽度为气体处理筒内径的2％～9％。

权利要求4所述的发明是如权利要求1～3中所述的气体处理装置，其特征在于，所述填充剂为用于去除废气中的有害成分的无害化剂。

本发明的气体处理装置用设置挡板的简便方法控制气体流量，从而能够减少填充剂层的壁面附近区域的气体偏流，避免该区域填充剂层的早期破坏。此种气体流量的控制能够延长填充剂的寿命，提高气体处理装置的性能。

并且，通过适当选择挡板的宽度，能够更有效地抑制气体偏流，进一步延长填充剂的寿命，从而能够进一步提高气体处理装置的性能。

附图说明

图1为本发明废气处理装置的示例概略剖面图；

图2为圆筒形状的气体处理筒中填充球形填充剂时壁面附近的空隙率分布示意图；

图3为本发明中的无害化剂层中的气体流量示意流线图。

符号说明

1气体处理筒

2上游侧气体管道

3无害化剂层

4支撑板

5下游侧气体管道

6流路

7挡板

具体实施方式

下面以用于对含有有害物质的废气进行无害化的废气处理装置为例，对本发明进行详细说明。另外，本发明并不限定于此。

图1为本发明废气处理装置的示例。符号1表示作为废气处理装置主要部分的气体处理筒，其概观大致为筒体，在气体处理筒内部形成有气体流动的流路6。气体处理筒1的一端连接有上游侧气体管道2，气体处理筒1的另一端连接有下游侧气体管道5，从上游侧气体管道2流入的气体通过气体处理筒1内的流路6，流入下游侧气体管道5，排放到外部。

在气体处理筒1内部的下游侧设有支撑板4，用于支撑填充的无害化剂，以其外缘部与流路6的壁面相接的形式将流路6分割为两个空间。该支撑板4是在穿孔金属板(punching metal)上点焊金属网的支撑板，垂直于流路6的中心轴。

流入流路6的气体通过支撑板4的空隙，能够流入下游侧气体管道5。

在支撑板4的上方设有将无害化剂作为填充剂填充的无害化剂层3，该无害化剂层3的上游侧的面及下游侧的面垂直于流路6的中心轴。因而，无害化剂层3的厚度处处相同。

在流路6的壁面上，各设有一个圆环状的挡板7，分别与所述无害化剂层3的上游侧的面及下游侧的面相接。该挡板7的宽度处处相同，并设置为其外缘与流路6的壁面相接的形式。设在上游侧的挡板7和设在下游侧的挡板7相同。

下游侧的挡板7在支撑板4的下方重叠设置，但其顺序也可以相反，即将支撑板4重叠设置在下游侧挡板7的下方也可以。

或者，也可以将下游侧的挡板7和支撑板4设为一体。

本例示出的装置将挡板7分别设在无害化剂层3的上游侧的面及下游侧的面两面，但也可以只设在下游侧的面。

为避免气体流速在无害化剂层3的上游侧入口过于加快等、使气体能够适当通过壁面附近区域，研究了挡板7宽度的最佳值。

文献“Kler，S.C.；Lavin，J.T.，Computer simulation of gas distribution in largeshallow packed adsorbers，Gas Separation and Purification，1，55-61(1987)”(Kler，S.C.；Lavin，J.T.，大而浅的填充吸附装置中气体分布的计算机仿真，气体分离与净化，1，55-61(1987))中，记载有考虑了壁效应的填充剂层中气体流动的解析方法。

以该文献的气体流动的解析方法为基础，建立了加入挡板设置条件的模型，对无害化剂层3中的气体流动进行了仿真。

由其结果得知，通过对挡板7的宽度进行如下设置，能够有效抑制壁附近区域中的偏流。

无害化剂的外径di和形成无害化剂层3的气体处理筒的内径D之间的关系为5di≤0.09D时，设为大于或等于无害化剂外径的5倍、且小于或等于气体处理筒内径的9％为好；当5di＞0.09D时，优选设为气体处理筒内径的2％～9％。

其中，所谓外径，在无害化剂为球形时是指直径；在无害化剂为颗粒(pellet)状时是指其直径为a、长度为b时的当量直径，用di＝(2ab)/(a+b)表示。

上述构成的本发明的气体处理装置以如下方式工作。

含有有害物质的气体从上游侧气体管道2流入流路6内，则在流路6内的上游侧壁面附近，被设置在上游侧的挡板7遮挡，不会直接流入无害化剂层3中，如图1的箭头所示，其避开该挡板7的上面流入无害化剂层3中。

同样，正在无害化剂层3中通过的气体，在无害化剂层3内的壁面附近，被设置在下游侧的挡板7遮挡，不会直接流出到流路6，如图1的箭头所示，其避开该挡板7的上面流出到流路6内的下游侧。

流入无害化剂层3内部的气体，其流量的分配会使得在无害化剂层3内各空隙部分的压力损失相同。此时，在空隙率大的区域，压力损失小。如果没有设置挡板7，则在无害化剂层3内，空隙率比中心轴附近区域大的壁面附近区域中，气体流量会增加，直到压力损失与中心轴附近区域相同为止，从而发生偏流。

通过设置挡板7，能够防止无害化剂层3内壁面附近区域的急剧的气体流入及流出，减少空隙率高的无害化剂层3内壁面附近区域的气体流量，从而能够减少偏流的发生。

而且，如图1中箭头所示，从流路6的上游侧流入无害化剂层3中心轴附近的气体笔直地在无害化剂层3内通过，流出到流路6的下游侧。与此相对，沿着上游侧挡板7的内缘流入无害化剂层3内的气体的一部分通过壁面附近，沿着下游侧挡板7的内缘从无害化剂层3流出到流路6内的下游侧。如此通过无害化剂层3内壁面附近的气体，由于其在无害化剂层3内的通过距离比通过无害化剂层3中心轴附近区域的气体长，所以变得难以流动，从而能够在无害化剂层3内的壁面附近区域减少气体的流量，减少偏流的发生。

以上效果使无害化剂层3内壁面附近区域的早期破坏得以缓和。

流入无害化剂层3的气体在通过无害化剂层3的过程中，有害成分被去除或被无毒化，经过下游侧气体管道5排放到外部。

所用的无害化剂可以根据要去除的有害物质的种类适当选择。

表1中的数据表示通过仿真计算出的无害化剂层3内的气体平均流速和流入无害化剂层3的气体速度之比与比率c之间的关系，其中比率c为挡板7的宽度相对于气体处理筒1内径的比率。随着挡板7宽度的增大，气体的平均流速变快，由此可知对挡板7的宽度需要进行适当的选择。

挡板7的宽度相对于气体处理筒1内径的比率c(％)	无害化剂层3内的气体平均流速和流入无害化剂层3的气体速度之比
		1	1.02
2	1.04
		3	1.07
4	1.09
		5	1.12
6	1.15
		7	1.18
8	1.21

表1

以下给出在下述条件下对无害化剂层3内的气体流动进行仿真的结果。

设气体处理筒1的内径为1m、无害化剂层3的厚度为1m、无害化剂层3的空隙率为0.5、无害化剂粒子的外径为3mm、挡板7的宽度为70mm，以0.02m/s的速度使氮气流入无害化剂层3时，无害化剂层3内的气体流线图以剖面图形式表示在图3中。另外，由于求出的气体流线图在剖面上左右对称，因此图3只示出了右半侧。

从图3可知，在无害化剂层3内的壁面附近区域中，气体的通过距离比中心轴部分长，并且在气体的流动上没有产生紊流。

本发明的气体处理装置能够使用各种填充剂进行各种废气的处理，特别适用于对含有有害物质的废气中其排放标准严格的废气进行处理，该有害物质例如是用于半导体制造工艺、液晶显示元件制造工艺等的硅烷、磷化氢、氯化氢、二氯硅烷和氨气等各种半导体材料气体。

本发明的气体处理装置能够防止无害化剂的早期破坏，因此适用于对各种废气，特别是在半导体制造工艺、液晶显示元件制造工艺等中的排放标准严格的废气进行无害化。由于对使用无害化剂以外的各种填充剂的气体处理能够廉价且简便地进行施工，因此适用于广泛的工业领域，而不仅限于上述领域。

Claims (4)

1.一种气体处理装置，其气体处理筒内设有层积填充剂的填充剂层，并使气体通过该填充剂层，其特征在于，在该填充剂层的上游侧的面或下游侧的面中的至少一面设有圆环状挡板。

2.如权利要求1所述的气体处理装置，其特征在于，在所述填充剂层的上游侧的面和下游侧的面两面设有圆环状挡板。

3.如权利要求1所述的气体处理装置，其特征在于，当填充剂外径di和气体处理筒内径D之间的关系为5di≤0.09D时，所述圆环状挡板的宽度大于或等于填充剂外径的5倍、且小于或等于气体处理筒内径的9％；当5di＞0.09D时，所述圆环状挡板的宽度为气体处理筒内径的2％～9％。

4.如权利要求1～3中所述的气体处理装置，其特征在于，所述填充剂为用于去除废气中的有害成分的无害化剂。

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