CN118059659A - 用于净化含有至少一种污染物气体的工艺气体的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于净化含有至少一种污染物气体的工艺气体的装置和方法。装置包括设计为离心分离器且具有圆柱形区域和渐窄区域的反应器容器，在其中氧气或含氧气体作为反应气体引入圆柱形区域的至少一个气体入口且通过渐窄区域的至少一个气体出口排出，至少一个气体入口布置和形成为将限定体积流量的反应气体与圆柱形区域圆周表面切向引入反应器容器，以及在圆柱形区域上设计为将限定体积流量的含有至少一种污染物气体的工艺气体引入反应器容器的污染物气体入口，使得至少一种污染物气体和反应气体沿气体出口方向彼此混合且在穿过反应器容器过程中相互发生化学反应，气体出口布置为从反应器容器排出在化学反应中未反应工艺气体和化学反应反应产物。

Description

用于净化含有至少一种污染物气体的工艺气体的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于清洁含有至少一种污染物气体的工艺气体的装置和方法。

背景技术

自燃和/或有毒气体也会导致全球变暖，它们是在各种化学过程中产生的，但由于其有害性，它们往往需要花费巨大的费用进行处理，并尽可能使其无害。从现有技术中已知各种解决方案：

DE 20 2005 021 057 U1公开了一种作为用于使气体反应的燃烧器-洗涤器系统的气体污染物降解系统，其中在燃烧室中产生使这些气体反应(去反应)所需的温度。这样做的缺点是获取成本高，并且由于能量密集型处理，这种系统的维护成本也高。

由EP 1 070 532 A1已知一种具有混合室的流动分离系统，该系统具有精心设计的具有内部管道、入口和通道的混合室，该系统复杂并且因此制造成本高，并且仅适用于相对有限数量的应用。EP 1 129 763 A1公开了另一种系统，其中将水引入气流中或者将气流与预热的空气混合。该系统也具有复杂的结构，这意味着用这样的系统执行的程序也很复杂并且需要昂贵的控制。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种避免上述缺点的装置和方法，即，利用该装置和方法可以有效地使污染物气体无害。

该目的通过根据本发明的装置和方法来解决。在优选的实施方式中描述了有利的实施方式和进一步的改进。

一种用于清洁或使含有至少一种污染物气体的工艺气体(其中，工艺气体本身也可以是污染物气体)无害的装置，包括设计为离心分离器的反应器容器，所述离心分离器具有圆柱形或中空圆柱形区域和渐窄区域。氧气或含氧气体可以作为反应气体通过布置在圆柱形区域上的至少一个气体入口被引入所述反应器容器中，并且可以通过布置在渐窄区域上的至少一个气体出口从所述反应器容器中排出。所述至少一个气体入口布置和配置为将限定体积流量的反应气体与所述圆柱形区域的圆周表面切向地引入所述反应器容器中。污染物气体入口也布置在所述圆柱形区域处，所述污染物气体入口设计为将限定体积流量的包含至少一种污染物气体的工艺气体引入所述反应器容器中，使得所述至少一种污染物气体和所述反应气体在所述气体出口的方向上彼此混合并且在它们穿过所述反应器容器时相互发生化学反应。所述气体出口布置和形成为从所述反应器容器排出在所述化学反应中未反应的工艺气体和所述化学反应的反应产物。

该装置使得可以以简单的方式建立反应器，由此，各种气体的限定引入能够实现可再现且可检测的化学反应。离心分离器(也称为旋流器、气旋分离器或涡旋分离器)的设计不仅能够实现化学反应中涉及的气体的可靠抽吸及其沿气体出口方向的转移，而且由于气体入口的通常实现气体的立即或完全混合而不仅仅是污染物气体的简单稀释的布置，而确保了流量优化的设计。简单地说，与现有技术相比，该装置或用它进行的过程及其使用得到了优化，并实现了受控且安全的反应或氧化，这保护了环境和周围事物，并降低了该过程的成本。同时，实现了改进的产物，即代替稀释，发生了污染物气体的实际反应，从而实现了污染物气体排放的减少。因此，就其纯度而言，可以选择和再利用反应产物。

为了设置限定体积流量，可以提出，所述装置具有用于设置体积流量的设备，通过所述设备可以在将限定体积流量的含有至少一种污染物气体的工艺气体和/或限定体积流量的反应气体引入反应器容器之前设置所述限定体积流量。通常，该体积流量在300m³/hr和2600m³/hr之间，优选在600m³/hr和1300m³/hr之间。替选地或附加地，该装置可以包括压缩机以将工艺气体和/或反应气体引入反应器容器的内部。

温度传感器可以设置在气体出口处或在气体出口中，以感测反应器容器中的化学反应(通常是放热的)的温度。所确定的温度可以被传送到用于设置体积流量的设备，以便相应地重新调整所述限定体积流量，从而可以进行对反应的控制或者如果必要的话还可以进行对反应的调节。通常，该温度传感器居中位于气体出口中。

替选地或附加地，流速传感器可以布置在气体入口中或气体入口处和/或污染物气体入口中或污染物气体入口处。所确定的相应气体的流速也可以传输到用于设置体积流速的设备，并且用作开环控制参数或闭环控制参数。

为了进行用于清洁的氧化，除了氧气之外，特别是环境空气混合物也可以用作含有氧气的反应气体，这使得整个过程更容易进行。

为了支持化学反应，加热设备可以布置在反应器容器中或反应器容器上。该加热设备优选地设计为电阻加热器，并且如果需要，还可以通过用于设置体积流量的设备进行控制或调节。

反应器容器本身通常由不锈钢制成，气体入口、气体出口和污染物气体出口通常分别使用标准化的标准管道和ISO法兰，以保持设计简单和成本划算的。反应器容器通常设计为靠近气体入口、气体出口或污染物气体出口，即它是气密或流体密封的。

污染物气体入口可以位于端面上，即圆柱形区域的圆形表面上，以确保与切向流入的反应气体直接混合。

渐窄区域通常设计为锥形渐窄区域。然而，原则上，渐窄也可以用多项式函数和由此产生的旋转体来描述。

气体出口通常是弯曲的，从而为反应器容器内的气体混合物的纯排放提供限定的几何形状。优选地，气体出口弯曲90°。

污染物气体入口通常位于气体出口的对面。优选地，污染物气体入口被配置为使得污染物气体相对于气体出口的纵向轴线、通常相对于气体出口的中心轴线旋转对称地被引入反应器容器中。

用于反应产物的过滤器元件、洗涤器和/或收集容器可以可移除地附接(即可移除和/或可附接的)到气体出口，以安全地收集和移除反应产物。

以特别有利的方式，硅烷和/或乙硼烷可以作为污染物气体用所描述的装置处理。

污染物气体在反应器容器中的通常停留时间在0.3秒和5.0秒之间，0.7秒至2.0秒是优选的停留时间。通常的过程温度的范围为20℃至300℃，优选为40℃至200℃。

在用于净化含有至少一种污染物气体的工艺气体的方法中，将限定体积流量的氧气或含氧气体作为反应气体通过布置在圆柱形区域上的至少一个气体入口与所述圆柱形区域的圆周表面切向地引入反应器容器中，该反应器容器形成为具有圆柱形区域和渐窄区域的离心分离器。将限定体积流量的含有污染物气体的工艺气体通过布置在圆柱形区域上的污染物气体入口引入反应器容器中，污染物气体和工艺气体彼此混合，在它们穿过反应器容器时相互发生化学反应，并且在化学反应期间未反应的工艺气体和化学反应的反应产物通过气体出口从反应器容器排出。

所描述的方法可以用所描述的装置执行，即，所描述的装置被配置为执行所描述的方法。

附图说明

本发明的实施方式的示例在附图中示出，并在下文中参考图1至图4进行解释。示出的是：

图1是用于净化含有至少一种污染物气体的工艺气体的装置的示意性侧视图；

图2是所述装置与图1相比旋转90°的视图；

图3是根据图1和图2的装置的示意性流动路径；以及

图4是示意性流动路径的透视图。

具体实施方式

图1示出了用于清洁含有至少一种污染物气体的工艺气体的装置的示例的示意性侧视图。作为反应气体的环境空气可以通过一个或多个入口或进气口1流入该装置。反应气体从进气口1流过角阀2，流过一个或多个进气管3，并通过弯头经过计量口到达环境气体混合物口12。因此，进气口1、角阀2和进气管3与环境气体混合物口12一起形成进入反应器容器的气体入口，该反应器容器具有中空圆柱形区域5和锥形渐窄区域9。用于各种测量装置的计量口也可以布置在进气管3上。

环境气体混合物口12与设计为旋流器或离心分离器的反应器容器的在此为直的、即圆柱形的区域5切向地布置。在反应器容器的圆柱形区域5上方，反应器容器通过反应器板6或反应器盖以气密的方式密封，在反应器板6或反应器盖上布置有多个污染物气体入口8。在图1所示的实施方式中，可以看到这些污染物气体入口8中的三个；在该视图中，第四个污染物气体入口8被居中定位的一个污染物气体入口所遮盖。在居中布置的污染物气体入口8的后面可以看到具有盖7的检查开口，即，污染物气体入口8围绕盖7同中心地布置在流量优化的圆上。因此，污染物气体入口8关于渐窄区域9到90°弯头10的过渡的纵向轴线或中心轴线是旋转对称的。在另外的实施方式示例中，测量仪器或刮削器也可以通过由盖7封闭的开口引入反应器容器的内部以进行清洁，或者该开口可以用于检查目的。反应器容器的锥形渐窄区域9在底部邻接圆柱形区域5。旋流器的该锥形后面是90°弯头10，它形成了与排气口11、从而与气体出口的连接部的过渡。环境气体混合物端口12在距反应器板6一定距离处切向地布置。在短的直管之后，所示示例中的这些连接部在90°弯头中垂直于基底继续向下，并在带弹簧回位的角阀2处结束，其出口再次平行于基底延伸。在该出口处布置有斜截的直圆柱体，该圆柱体用作入口或进气口1并扩大了流入截面。这便于流入气体入口。通孔螺纹可以布置在竖直管中，以容纳例如测量装置，例如皮托管或者其他体积或速度传感器。这些螺纹的尺寸通常根据工厂进行选择，但它们被标准化为用盲盖气密旋拧。

在图1所示的实施方式中，该装置布置在直立位置，即反应器容器以竖直轴线垂直于基底的方式取向。反应器容器本身在其上端(上端被认为更远离基底)处具有圆柱形区域5，该圆柱形区域5沿基底的方向并入到截头圆锥形的渐窄区域9中。该装置本身终止于支撑装置的外框结构(为了清楚起见未示出)中的排气口11处。在所示的实施方式中，污染物气体入口8竖直布置在反应器板6上，但在其他实施方式中，它们也可以以其他角度通向反应器板6中，或者也可以具有弓形设计。通常，污染物气体入口8设计为KF法兰，以便能够容易地封闭它们以便运输，并提供标准化的连接。

图1所示的装置能够实现污染物气体的成本划算且稳定的清洁或反应。化合物、例如硅烷或乙硼烷本身具有高度反应性，但必须给予适当的支持，以使化合物从气态分解为粉尘或颗粒，然后可以在下游沉积或吸收。利用所提出的装置及其优化的流动(将在下文中更详细地解释)，可以实现对该过程的控制及其监控，与现有技术相比，这最终导致改进的净化结果。

用于在反应器中氧化污染物气体的装置可以与其环境隔离，从而实现环境气体混合物(通常是空气)的流量优化的流入。由于在与外壳表面成切向的圆柱形区域5中的流入并且借助旋流器原理，使得在没有复杂结构的情况下，可以在反应器容器中有相对长的停留时间并且因此得到彻底的反应。为此，反应气体以一种限定体积的涡流形式从反应器容器的内壁沿气体出口或排气口11的方向通过连续气流。反应室本身在朝向排气口11的流动方向上锥形地渐窄。由于污染物气体入口8以使得整个装置的竖直轴线或纵向轴线垂直于地面并因此平行于作用的重力的方式在前侧取向，因此含有污染物气体的工艺气体22也沿重力方向流入反应器容器，被旋流器的涡流吸入，并因此沿气体出口的方向以一种螺旋(helical)移动或螺旋(spiral)运动的方式流动。它与环境气体混合物持续接触并与之反应，而不会在放热反应中通过反应器壁损失热量或由于过度稀释而降至必要的最小浓度以下。理想情况下，污染物气体直到排气口11之前不久在反应器容器内完全反应。通过调节和调整体积流速(这可以通过用于调整体积流速的设备(例如计算机)对气体入口和污染物气体入口8处的阀进行阀控制来实现)，该放热反应被理想地控制。为此，温度传感器13也可以居中布置在排气流中，该温度传感器持续地测量温度并将其作为控制或调节参数传输到该用于设置体积流量的设备。此外，在图1所示的实施方式中，还可以提出，测量至少一个进气管中的流速或体积流量，并将其作为控制或调节参数传输到所述设备。优选地，在流动方向上通过皮托管或皮托头进行该测量。

在图1所示的实施方式中，环境气体混合物的入口设计为标准化的管道，优选地，反应器容器或反应器容器以及所有连接部均由不锈钢制成，并可通过KF法兰(小法兰)或ISO法兰(国际标准化组织)连接至管道系统，但不限于上述法兰。在另外的实施方式中，压缩机也可以包括在该装置中，以选择性地允许环境气体混合物或工艺气体流入。

在另一实施方式中，反应器板6具有至少两个口，其中一个口是污染物气体入口8，另一个口用于引入加热元件，该加热元件具有反应温度高于环境温度(特别是20℃的室温)的污染物气体的表面反应。这启动了在该表面的放热反应的预设定或控制，并且如果反应器容器(即离心分离器或旋流器)内部的温度足够高，则加热元件可以被停用并且反应通过排气口11中的温度传感器13和/或布置在反应器容器内部的另一温度检测器来监控。气体出口与反应器板6(也可以称为反应器盖)相对地布置在渐窄区域9的具有最小直径的点处。

因此，在用于氧化例如硅烷SiH₄或乙硼烷B₂H₆的污染物气体的相应过程中，反应气体首先通过相应的入口流入反应器容器，并且在反应器容器中形成从入口延伸到反应器容器内部再到气体出口的旋流螺旋移动。旋流螺旋移动沿气体出口11的方向被加速，特别是还通过渐窄部分9被加速。环境空气作为工艺气体通过气体入口吸入，例如通过风扇吸入。优选地，通过该螺旋移动的夹带或抽吸，污染物气体通过污染物气体入口8流入，该污染物气体入口8例如定位在循环螺旋移动的内侧上。在该内侧上，污染物气体也进行与反应气体相同的螺旋移动，因此在反应器容器中形成接触区，在该接触区中，污染物气体和反应气体21在混合成低于最小浓度(例如在硅烷的情况下，小于气体混合物体积的2％(在这种情况下，保持污染物气体的最小浓度))发生之前作为反应物反应。

混合反应物启动(链式)反应，其在旋流螺旋移动的距离上导致污染物气体完全反应掉，使得在反应之后，两种反应物已经变成由带有负载(优选为粉末状或粉尘状物质)的反应气体组成的气流。在这里，气体混合物被加速，特别是在进入锥体之后被加速。该气流可以被收集、分离、过滤或冲洗掉，为此目的，收集容器和/或相应的过滤器元件或洗涤器可以安装到排气口11和/或安装在排气口11中。例如，反应后的反应产物可以作为悬浮固体过滤，或者通过使它们通过洗涤器而被冲洗掉。优选地，将超纯物质过滤并吹出到收集容器中以用于回收和进一步处理。如果形成的旋流移动是稳定的(这可以例如通过时间常数和/或通过评估测量的变量(例如差压、体积流量或流速来实现))，则可以通过经由污染物气体入口8吸入工艺气体来实现流入。如有必要，工艺气体与污染物气体(例如硅烷，作为来自气瓶的残余负载)一起也可以仍受到质量流量控制器的限制。然而，通常在进入接触区时，污染物气体应具有最小浓度，该最小浓度根据污染物气体而对应于独立链式反应的临界量。在反应过程中，通常释放热量，这又支持反应发生，从而促进完全反应。这是由于反应器容器中的最小浓度和停留时间，还由于反应物没有稀释(反应物仅在反应器容器内的接触区中混合)。在反应之后，两种反应物已经变成由负载二氧化硅的空气组成的气流，如果需要，可以通过过滤器单元将其分离。过滤器单元随后可以将该负载吹掉到连接的收集容器中，从而收集清洁物质，并且可以多次装载过滤器单元的过滤器，并且可以将没有污染物的空气释放到环境中。

通过加热元件或热源，可以在混合反应物时启动所描述的(链式)反应，并且当反应稳定时(例如，在预定时间之后或者通过检测工艺参数(例如气流的温度)并评估这些工艺参数，可以是这种情况)，关闭加热元件。为此，加热元件可以定位在接触区中或定位在污染物气体入口的紧邻处，即定位在靠近污染物气体入口8处(通常距离污染物气体入口8的边缘不超过相应的污染物气体入口的一个直径)，或定位在污染物气体入口8本身中。在乙硼烷的情况下，这种附加的加热设备通常仍然用于启动反应，因为乙硼烷本身不与氧气单独反应。即使反应启动，加热设备也可以关闭。尽管硅烷和乙硼烷作为示例被提及，但该装置和过程当然也可以用于其他污染物气体。

图2示出了从后面看的没有支撑结构的该装置的示意性侧视图，但现在从图1所示的视图旋转了90°。重复出现的特征在本图以及下面的图中用相同的附图标记进行标记。特别地，现在可以更清楚地看到位于排放气流中心的温度传感器13。因此，如前所述，该装置包括具有用于每一种反应物的至少两个入口的旋流器或离心分离器，该反应物在反应器中停留期间反应为危害较小或可再用的物质，从而不再危害环境。此外，在发生事故时，该过程可以通过安全设备与环境隔离，并且是可重现、可控制和可监控的。可以提供至少一个弹簧复位阀、安全阀、限位开关、或通常在未致动时关闭的阀作为安全设备，或者通常使用上述安全设备中的几个，由此，不同类型的安全设备也可以彼此组合使用。

图3示出了流动路径的示意图(在图的右部是对应于图1的视图，在图的左部是对应于图2的视图)。反应气体21(例如环境气体混合物)通过进气口或入口口1进入反应器容器。流入物23在入口管3中被引导到反应器容器中的入口24，在那里形成旋流螺旋移动25，通过污染物气体入口8吸入污染物气体。气流作为排放气流26流过90°弯头10，进入排气口11。

如图4中的示意性透视图所示，反应气体21切向通过环境气体混合物口12进入反应器容器。然后，在内部形成旋流螺旋移动25，以螺旋或恒定旋转的方式向下流动，直到到达出口、90°弯头10和排气口11，作为排放气流26。旋流螺旋移动25或旋流通过污染物气体入口8吸入污染物气体或工艺气体22，并且在两者之间形成接触区27。在图4中，密度较大的线条在排气流的方向上减少，表明最小浓度下降，即反应除去。

只有在实施方式示例中公开的各种实施方式的特征可以被组合和单独地要求保护。

Claims (10)

1.一种用于净化含有至少一种污染物气体的工艺气体(22)的装置，包括：

反应器容器，所述反应器容器设计为离心分离器并且具有圆柱形区域(5)和渐窄区域(9)，在所述反应器容器中，氧气或含氧气体能够作为反应气体(21)被引入布置在所述圆柱形区域(5)上的至少一个气体入口(1，2，3，12)中并且能够通过布置在所述渐窄区域(9)上的至少一个气体出口(10，11)排出，其中，

所述至少一个气体入口(1，2，3，12)布置和形成为将限定体积流量的反应气体(21)与所述圆柱形区域(5)的圆周表面切向地引入所述反应器容器中，以及

污染物气体入口(8)，所述污染物气体入口(8)布置在所述圆柱形区域(5)上并且设计为将限定体积流量的含有至少一种污染物气体的工艺气体(22)引入所述反应器容器中，使得：

所述至少一种污染物气体和所述反应气体(21)沿气体出口(10，11)的方向彼此混合，并且在它们穿过所述反应器容器的过程中相互发生化学反应，并且

所述气体出口(10，11)布置和设计为从所述反应器容器中排出在所述化学反应中未反应的工艺气体和所述化学反应的反应产物。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述限定体积流量的含有至少一种污染物气体的工艺气体(22)和/或所述限定体积流量的反应气体(21)能够在被引入所述反应器容器之前通过用于设置体积流量的设备来设置。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，温度传感器(13)布置在所述气体出口(10，11)上或所述气体出口(10，11)中，和/或流速传感器布置在至少气体入口(1，2，3，12)或污染物气体入口(8)中或者在至少气体入口(1，2，3，12)或污染物气体入口(8)上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，加热设备布置在所述反应器容器中或所述反应器容器上，用于支持所述化学反应。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述污染物气体入口(8)布置在所述反应器容器的圆柱形区域(5)的端面(6)处。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述反应器容器的渐窄区域(9)形成为锥形渐窄区域。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述气体出口(10，11)以弓形方式弯曲，优选弯曲90°。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述污染物气体入口(8)与所述气体出口(10，11)相对布置，并且形成为将所述污染物气体(22)相对于所述气体出口(10，11)的纵向轴线旋转对称地引入所述反应器容器中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于反应产物的过滤器元件、洗涤器和/或收集容器可移除地附接到所述气体出口(10，11)。

10.一种用于净化含有至少一种污染物气体的工艺气体的方法，其中，

将作为反应气体(21)的限定体积流量的氧气或含氧气体通过布置在圆柱形区域(5)上的至少一个气体入口(1，2，3，12)与所述圆柱形区域(5)的圆周表面切向地引入反应器容器中，所述反应器容器设计为离心分离器并且具有圆柱形区域(5)和渐窄区域(9)，以及

将限定体积流量的含有污染物气体的工艺气体(22)通过布置在所述圆柱形区域(5)上的污染物气体入口(8)引入所述反应器容器中，其中，

所述污染物气体(22)和所述反应气体(21)彼此混合，在穿过所述反应器容器的过程中相互发生化学反应，并且在所述化学反应中未反应的工艺气体和所述化学反应的反应产物通过气体出口(10，11)从所述反应器容器排出。