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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Schadgasen, bei dem die Schadgase mittels eines Reaktionsmittels zumindest teilweise in Prozessgase umgewandelt werden.
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Verfahren der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. Schadgase im hier genannten Sinne sind beispielsweise giftige oder anderweitig reaktive Gase. Solche Schadgase entstehen häufig bei der Herstellung von Materialien, insbesondere bei der Herstellung von Halbleitermaterialien. Die Schadgase können auf verschiedene Arten behandelt werden. Eine Möglichkeit zur Behandlung ist bei reaktiven Schadgasen die Oxidation oder Reduktion mit Hilfe von geeigneten Oxidanten und Redukdanten. Des Weiteren können die Schadgase thermisch aufgespalten werden. Die behandelten Schadgase werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Prozessgase bezeichnet.
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Die bekannten Verfahren zur Behandlung von Schadgasen weisen einen erheblichen Energieverbrauch auf. Dies erhöht die Produktionskosten der Materialien, beispielsweise der Halbleitermaterialien, da eine Behandlung der Schadgase unumgänglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrirchtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Behandlung von Schadgasen kostengünstiger als bislang möglich ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung von Schadgasen sieht vor, die Schadgase mittels eines Reaktionsmittels zumindest teilweise in Prozessgase umzuwandeln. Die Schadgase können beispielweise bei der Herstellung von Halbleitermaterialien entstehen. Bei dem verwendeten Reaktionsmittel kann beispielsweise Wasser, insbesondere deionisiertes Wasser, Luft- oder ein Wasser-Luftgemisch verwendet werden, insbesondere auch unter Einsatz von deionisiertem Wasser.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmeenergie des Prozessgases zumindest teilweise zur Verdampfung des Reaktionsmittels genutzt wird. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt das Reaktionsmittel, das zur Behandlung der Schadgase verwendet wird, dampfförmig vor, bei der Verwendung von Wasser oder deionisiertem Wasser als Wasserdampf.
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Die Behandlung der Schadgase kann des Weiteren thermisch erfolgen. Dazu werden die Schadgase sowie das Reaktionsmittel auf eine entsprechend hohe Temperatur gebracht und dabei thermisch umgewandelt. Die Schadgase und die Prozessgase, also die behandelten und (zumindest teilweise) umgewandelten Schadgase tragen anschließend eine erhebliche Wärmeenergie mit sich, die erfindungsgemäß dazu genutzt wird, das Reaktionsmittel, beispielsweise Wasser, zu verdampfen. Auf diese Weise muss das Reaktionsmittel nicht oder nur teilweise separat erhitzt werden. Die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit erheblich besser als die der bekannten Verfahren.
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Gemäß einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wärmenergie des Prozessgases mittelbar an das Reaktionsmittel abgegeben wird. Bei einer solchen mittelbaren Abgabe der Wärmeenergie kann eine Art Wärmetauscher vorgesehen sein, der die Wärmeenergie des Prozessgases an das Reaktionsmittel überträgt. In der einfachsten Ausgestaltung kann dies beispielsweise eine Reaktorwandung eines Reaktors sein, in dem das erfindungsgemäße Verfahren der Behandlung der Prozessgase durchgeführt wird.
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Auf diese Weise lässt sich das Reaktionsmittel von dem Prozessgas getrennt halten.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wärmeenergie des Prozessgases an ein aerosolförmiges Reaktionsmittel, beispielsweise Wasser, das in Luft als Trägergas eingesprüht wird, abgegeben wird. Ein solches Aerosol bzw. Spray weist eine höhere Wärmekapazität auf als ein reines Gas und eine niedrigere Temperatur und der Wärmeübergang vom Prozessgas an das Reaktionsmittel lässt sich effizienter gestalten als bei reinem Dampf.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verfahren mit einem Reaktor durchgeführt wird, wobei eine Übertragung der Wärmeenergie des Prozessgases auf das Reaktionsmittel im unteren Bereich des Reaktors und eine Zuführung des Reaktionsmittels zum Schadgas im oberen Endbereich des Reaktors erfolgt.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsmittel im thermischen Kontakt mit dem Reaktor zum Einlass am oberen Ende geführt wird. Der Reaktor kann insbesondere beheizt sein, wenn eine thermische Behandlung des Schadgases erforderlich ist. Die Beheizung des Reaktors kann elektrisch erfolgen.
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Die jeweiligen hier bestimmten Endbereiche sind auf untere oder obere zwanzig Prozent der Reaktorhöhe, bevorzugt zehn Prozent der Reaktorhöhe, insbesondere bevorzugt fünf Prozent der Reaktorhöhe bezogen. Dabei lassen sich auch unterschiedliche Stufen im unteren sowie im oberen Endbereich kombinieren.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsmittel in einen Reaktorkopf eingesprüht und dort verdampft wird. Auf diese Weise lässt sich mithilfe des Reaktionsmittels der Reaktorkopf kühlen.
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Ein erster unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Schadgasen mit einem Reaktor, der dazu ausgebildet ist, das Schadgas mit einem Reaktionsmittel zumindest teilweise zu Prozessgas reagieren zu lassen. Erfindungsgemäß ist ein Wärmetauscher zur Übertragung von Wärmeenergie des Schadgases und/oder Prozessgases auf das Reaktionsmittel vorgesehen. Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich die im Prozessgas gespeicherte Wärmeenergie dazu verwenden, das Reaktionsmittel zu erhitzen, beispielweise um Wasser, welches beispielweise als Aerosol vorliegen kann, zu verdampfen.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Reaktor zumindest im Bereich seines unteren Endes doppelwandig ausgebildet ist. Dabei ist zwischen den Wänden ein Hohlraum ausgebildet, in dem gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung das Reaktionsmittel einführbar ist. Eine derartige Konstruktion lässt sich vergleichsweise einfach verwirklichen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann der Reaktor im Bereich seines unteren Endes insbesondere im Bereich seiner doppelwandigen Ausbildung, nach unten hin verjüngend, insbesondere konisch verjüngend, ausgebildet sein. Eine derartige konische bzw. kegelförmige Verjüngung erhöht die Oberfläche des Bereichs, in dem ein Wärmeaustausch zwischen Prozessgas und Reaktionsmittel stattfindet.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine spiralförmig den Reaktormantel umgebende Verbindungsleitung vorgesehen ist, in der das Reaktionsmittel vom unteren zum oberen Endbereich des Reaktors führbar ist. Auf diese Weise kann ein Gegenstromprinzip verwirklicht werden, bei der das Reaktionsmittel Wärme vom unteren Bereich zum oberen Bereich des Reaktors transportiert, wo die Wärme wieder zur thermischen Behandlung der Schadgase gebraucht werden kann.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsleitung thermisch mit dem Reaktor gekoppelt ist. Mit einer solchen thermisch gekoppelten Verbindungsleitung lässt sich die Wärmeenergie besser an Ort und Stelle positionieren.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsleitung im oberen Endbereich des Reaktors in einem Schlitz mündet, der zwischen einem Reaktorkopf und einem Reaktorkopfflansch ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es möglich, das Reaktionsmittel relativ weit oben im Reaktor zuzuführen, ohne das Öffnen des Reaktors durch Abnehmen des Reaktorkopfes durch weitere, im Reaktorkopf mündende Leitungen zu behindern. Des Weiteren lässt sich die Verbindungsleitung auf diese Weise radial anordnen oder versetzt radial, um eine gute Durchmischung des Reaktionsmittels mit dem Schadgas zu erreichen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Einsprühvorrichtung vorgesehen sein, die in dem Reaktorkopf mündet, mittels derer Reaktionsmittel in den Reaktorkopf einsprühbar ist, wobei eine Verbindungsleitung zwischen Reaktorkopf und Wärmetauscher vorgesehen ist.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in dem Reaktorkopf eine umlaufende Kammer vorgesehen ist in der die Einsüprühvorrichtung mündet und in die das Reaktionsmittel einsprühbar ist. Das Reaktionsmittel kann in der umlaufenden Kammer Wärme des Reaktorkopfes aufnehmen und dabei verdampfen. Anschließend kann das Reaktionsmittel über die Verbindungsleitung zum Wärmetauscher geleitet werden, wo es weitere Wärmeenergie aufnehmen und überhitzen kann.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsleitung vom Reaktorkopf in den unteren Endbereich des Reaktors geführt ist. In dieser Ausgestaltung kann das Reaktionsmittel Wärmeenergie des Prozessgases aufnehmen.
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Die Rückführung zum Inneren des Reaktors, beispielsweise über den zuvor beschriebenen Schlitz zwischen einem Reaktorflansch und dem Reaktorkopf, kann wie zuvor beschrieben vorgenommen werden, insbesondere also über eine spiralförmige Verbindungsleitung, die insbesondere radial außerhalb einer Rekatorheizung angeordnet ist und die insbesondere im thermischen Kontakt mit dem Reaktor steht.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Einsprühvorrichtung tangential oder schräg in einem Winkel zwischen 5° und 20°, insbesondere 15°, oder schräg von oben nach unten in einem Winkel zwischen 5° und 20°, insbesondere 15°, im Reaktorkopf ausgerichtet ist.
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Der Reaktor kann des Weiteren isoliert sein, um Wärmeverluste nach außen zu reduzieren. Die Isolierung umfasst insbesondere auch die Reaktorheizung und/oder Verbindungsleitungen, sofern vorgesehen.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen schematisch:
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1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine Vergrößerung des unteren Endbereichs der Vorrichtung aus 1 gemäß Ausschnitt „X“;
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3 eine Vergrößerung eines oberen Endbereiches der Vorrichtung aus 1 gemäß Ausschnitt „Y“;
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4 eine Prinzipskizze durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform sowie
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5 eine Vergrößerung eines oberen Endbereichs der Vorrichtung aus 4.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur Behandlung von Schadgasen. Die Vorrichtung 2 weist einen Reaktor 4 auf, in dem die Behandlung der Schadgase thermisch und mittels eines Reaktionsmittels vorgenommen wird. Als Reaktionsmittel kommt beispielsweise Wasser und/oder Luft in Frage, welches als Wasserdampf in den Reaktor 4 geleitet wird. Der Wasserdampf dient im Reaktor 4 dazu, oxidierende Gase zu reduzieren, also beispielsweise aus F2 HF zu bilden. Sauerstoff, der mit dem Reaktionsmittel eingebracht werden kann, dient dazu, brennbare Gase zu oxidieren.
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Im Inneren des Reaktors 4 ist ein Rakel 6 vorgesehen, der rotierend und/oder oszillierend antreibbar ist und dessen Kanten an Innenwänden des Reaktors 4 entlang fahren, um sich dort festsetzende Feststoffe wie sie bei der Oxidation der Schadgase entstehen können, beispielweise Silanoxid, von der Wand zu entfernen. Die Oszillation kann horizontal oder vertikal erfolgen.
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Der Reaktor 4 ist in einem unteren Endbereich 4.1 nach unten hin konisch verjüngend ausgebildet.
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Der Reaktor 4 weist eine Reaktorwand 8 auf, die den Reaktor in Umfangsrichtung abschließt. Im oberen Endbereich ist der Reaktor 8 durch einen Reaktorkopf 10 abgeschlossen.
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Der untere, sich konisch verjüngende Endbereich 4.1 ist doppelwandig ausgeführt. Zwischen Reaktorwand 8 und äußerer Wand 12 ist ein Hohlraum 14 ausgebildet. In den Hohlraum 14 wird Wasser als Reaktionsmittel als Aerosol eingesprüht. Das Wasser nimmt an der Reaktorwand 8 die Wärme des nach unten aus dem Reaktor 4 abströmenden Reaktionsgases auf und wird verdampft. Der Wasserdampf strömt nach oben und wird dort in spiralförmig verlaufenden Rohren 16 zu einem oberen Endbereich 4.2 des Reaktors 4 geführt. Die Rohre 16 umschließen den Reaktor 4 zumindest teilweise und stehen thermisch mit ihm in Kontakt.
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Zwischen den Rohren 16 und der Reaktorwand 8 ist eine Heizung 18 vorgesehen, um den Reaktor 4 aufzuheizen und um eine thermische Behandlung der Schadgase zu ermöglichen. Durch die Anordnung der Rohre 16 außerhalb der Heizung 18 wird gewährleistet, dass die nach außen hin abstrahlende Heizleistung der Heizung 18 von den Rohren aufgenommen wird, wodurch der Wasserdampf, der in den Rohren 16 geführt wird, überhitzt wird. Der überhitzte Wasserdampf wird in dem oberen Endbereich 4.2 über einen Schlitz 20, der zwischen Reaktorwand 8 und Reaktorkopf 10 gebildet ist, im Wesentlichen in radialer Richtung in den Reaktor 4 eingeleitet.
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Die Schadgase werden über Einlässe 22 im Wesentlichen in vertikaler Richtung in den Reaktor 4 eingeleitet. Durch die im Wesentlichen horizontalen Anordnung der Schlitze 20 wird eine gute Durchmischung zwischen Schadgas und Reaktionsmittel erreicht, was die Effektivität des Verfahrens erhöht. Das Schadgas-Reaktionsmittelgemisch wird durch die beheizten Reaktorwände 8 weiter aufgeheizt, was die Behandlung der Schadgase begünstigt. Im unteren Endbereich 4.1 ist das Schadgas weitgehend zu Prozessgas umgewandelt, welches seine Wärmeenergie in dem unteren, sich konisch verjüngenden Bereich 4.1 abgibt.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem unteren Endbereich 4.1. Das Reaktionsmittel wird mittels einer Düse 24 in ein Spray bzw. in ein Aerosol verwandelt und gegen die Reaktorwand 8 gesprüht. Dort erwärmt es sich und steigt in dem zwischen Reaktorwand 8 und äußerer Wand 12 gebildeten Hohlraum 14 nach oben.
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3 zeigt einen vergrößerten Abschnitt aus dem oberen Endbereich 4.2 des Reaktors 4. Der Reaktorkopf 10 ist beispielweise an einem in der Reaktorwand 8 gebildeten Flansch 26 festgeschraubt. Zwischen dem Flansch 26 und dem Reaktorkopf 10 ist der Schlitz 20 eingebracht, über den der heiße Reaktionsmitteldampf in den Reaktor 4 eingeleitet wird.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2’. In der gezeigten Ausführungsform werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen wie bei der vorherigen Ausführungsform benannt.
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In der in 4 dargestellten Ausführungsform wird die Wärmeenergie des Prozessgases und/oder des Schadgases im Bereich des Reaktorkopfs 10 verwendet, um das Reaktionsmittel zu verdampfen. Dadurch kann gleichzeitig eine Kühlung des Reaktorkopfs 10 erreicht werden.
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In dem Reaktorkopf 10 ist dazu eine umlaufende Kammer 32 vorgesehen, in die das Reaktionsmittel mit einer Einsprühvorrichtung 30, z.B. einer Düse, eingesprüht wird. Die Einsprühung erfolgt insbesondere tangential oder in einem Winkel zu der Tangenten oder von oben in einem Winkel von bevorzugt 15°. Der Winkel kann insbesondere etwa 15° zur Tangenten betragen. Damit wird eine gute Durchmischung von Reaktionsmittel und Luft erreicht.
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In 5 ist ein vergrößerter Ausschnitt des oberen Bereichs 4.2’ dargestellt. Das Reaktionsmittel wird seitlich mittels einer Einsprühvorrichtung 30 in eine umlaufende Kammer 32 eingesprüht, die im Reaktorkopf 10 vorgesehen ist.
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Mittels einer Leitungsschleife 34, die von der Kammer 32 abgeht, wird das im Reaktorkopf 10 verdampfte Wasser dann nach unten transportiert, wo es in einer Rohrschlage oder einem Rohrbogen 16 weitere Redaktionsabwärme aus den Prozessgasen aufnehmen und weiter überhitzen kann. Anschließend wird das überhitzte Reaktionsmittel wieder über die Leitung 16 nach oben und wie in den bisherigen Ausführungsformen beschrieben in den Reaktor 4 eingeleitet.
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Als Reaktionsmittel kommt insbesondere deionisiertes Wasser in Frage.
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Bezugszeichenliste
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- 2, 2’
- Vorrichtung zur Behandlung von Schadgasen
- 4
- Reaktor
- 4.1
- unterer, sich konisch verjüngender Endbereich
- 4.2
- oberer Endbereich
- 6
- Rakel
- 8
- Reaktorwand
- 10
- Reaktorkopf
- 12
- äußere Wand
- 14
- Hohlraum
- 16
- Rohre
- 18
- Heizung
- 20
- Schlitz
- 22
- Einlässe
- 24
- Düse
- 26
- Flansch
- 30
- Einsprühvorrichtung
- 32
- umlaufende Kammer
- 34
- Rohrschlange
