JPWO2010101073A1 - Reaction apparatus and reaction method - Google Patents
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Abstract
内部にて反応を行う外筒12と、外筒12の一方の端部側に配され、被処理ガスと処理済ガスとの間で熱交換を行う熱交換器16と、熱交換器16に被処理ガスを供給する二重管14の内管14aと、熱交換器16から処理済ガスを取り出す二重管14の外管14bと、熱交換器16に接続し外筒12の内部に配され熱交換器16が配される端部側から離間した外筒12の他方の端部側に向けて被処理ガスを流通させる内筒18と、を備えることを特徴とする反応装置10により、小型化しやすく、また内部の温度分布をより均一化して反応ムラが生じにくい反応装置を提供する。An outer cylinder 12 that performs a reaction inside, a heat exchanger 16 that is disposed on one end side of the outer cylinder 12 and performs heat exchange between the gas to be processed and the processed gas, and a heat exchanger 16 An inner pipe 14a of the double pipe 14 for supplying the gas to be treated, an outer pipe 14b of the double pipe 14 for taking out the treated gas from the heat exchanger 16, and a heat exchanger 16 connected to the inside of the outer cylinder 12. An inner cylinder 18 for circulating the gas to be processed toward the other end side of the outer cylinder 12 spaced from the end side where the heat exchanger 16 is disposed. Provided is a reaction apparatus that is easy to miniaturize and that makes the internal temperature distribution more uniform and hardly causes uneven reaction.
Description
本発明は、例えば、フッ素化合物を分解するために用いられる反応装置等に関する。 The present invention relates to, for example, a reactor used for decomposing a fluorine compound.
現在の半導体デバイスの製造プロセスにおいては、微細パターンを形成するためエッチングやクリーニングを行うことがある。この際にフッ素化合物が使用される場合が多い。また、フッ素化合物は、一般に安定で、人体に対し無害なものが多いため、他にも例えば、エアコンの冷媒用などに使用されている。
しかしながら、これらのフッ素化合物の中には、大気中に放出されると、地球環境に対し大きな影響を与えるものが多い。即ち、成層圏のオゾン層を破壊し、オゾンホールを作り出す原因となる。また温暖化ガスとして地球温暖化の一因ともなり得る。そして、上述のようにフッ素化合物は一般に安定であり、その影響は長期間続く場合が多い。
そこで、地球環境に影響を与えないために、使用されたフッ素化合物を分解し、地球環境に対し無害な状態にして大気中に放出する必要がある。In the current semiconductor device manufacturing process, etching or cleaning may be performed to form a fine pattern. In this case, a fluorine compound is often used. In addition, since fluorine compounds are generally stable and often harmless to the human body, they are also used, for example, as refrigerants for air conditioners.
However, many of these fluorine compounds have a great influence on the global environment when released into the atmosphere. That is, it destroys the stratospheric ozone layer and creates ozone holes. It can also contribute to global warming as a warming gas. As described above, the fluorine compound is generally stable, and its influence often lasts for a long time.
Therefore, in order not to affect the global environment, it is necessary to decompose the used fluorine compound and make it harmless to the global environment and release it into the atmosphere.
ここで例えば、特許文献1には、Alを含んでなる触媒を充填した反応器と、反応器で処理されるフッ素と炭素、硫黄、窒素の1つとの化合物を含むガス流に水蒸気を添加する水添加器と、反応器に充填された触媒及び反応器に導入されるフッ素化合物含有ガス流の少なくとも一方をフッ素化合物が加水分解しうる温度まで加熱するための加熱手段とを備えたフッ素含有化合物の分解処理装置が開示されている。 Here, for example, in Patent Document 1, water vapor is added to a gas stream containing a reactor filled with a catalyst containing Al and a compound of fluorine and one of carbon, sulfur, and nitrogen to be treated in the reactor. Fluorine-containing compound comprising a water addition device and a heating means for heating at least one of a catalyst charged in the reactor and a fluorine compound-containing gas stream introduced into the reactor to a temperature at which the fluorine compound can be hydrolyzed A decomposition processing apparatus is disclosed.
また、特許文献2には、外管と、内管と、内管の内部に設けられた触媒層と、外管に取り付けられたヒータとを有するフッ素含有化合物ガスの処理装置が開示されている。 Patent Document 2 discloses a fluorine-containing compound gas processing apparatus having an outer tube, an inner tube, a catalyst layer provided inside the inner tube, and a heater attached to the outer tube. .
しかしながら、Alを含んでなる触媒を充填した反応器と、反応器で処理されるフッ素と炭素、硫黄、窒素の1つとの化合物を含むガス流に水蒸気を添加する水添加器と、反応器に充填された触媒及び反応器に導入されるフッ素化合物含有ガス流の少なくとも一方をフッ素化合物が加水分解しうる温度まで加熱するための加熱手段とを備えたフッ素含有化合物の分解処理装置は、フッ素化合物含有ガスを加熱する予熱器が必要である。そのためエネルギー効率が悪く、装置の容積が大きくなる。そして、予熱器の外壁近傍ではフッ素化合物含有ガスの温度が高いが外壁から離れるにつれて温度が低下するため、反応のムラが生じる問題がある。
更に、外管と、内管と、内管の内部に設けられた触媒層と、外管に取り付けられたヒータとを有するフッ素含有化合物ガスの処理装置については、フッ素含有化合物ガスの予熱が十分行われないため、同様に処理装置内部の温度分布が一様になりにくい。そのため反応のムラが生じる問題がある。However, a reactor filled with a catalyst comprising Al, a water adder that adds water vapor to a gas stream containing a compound of fluorine and one of carbon, sulfur, and nitrogen to be treated in the reactor, and a reactor The fluorine-containing compound decomposition treatment apparatus comprising: a packed catalyst and a heating unit for heating at least one of the fluorine compound-containing gas stream introduced into the reactor to a temperature at which the fluorine compound can be hydrolyzed. A preheater for heating the contained gas is required. Therefore, energy efficiency is bad and the volume of the apparatus becomes large. And although the temperature of a fluorine compound containing gas is high in the vicinity of the outer wall of a preheater, since temperature falls as it leaves | separates from an outer wall, there exists a problem which the nonuniformity of reaction arises.
Furthermore, for a fluorine-containing compound gas processing apparatus having an outer tube, an inner tube, a catalyst layer provided inside the inner tube, and a heater attached to the outer tube, the fluorine-containing compound gas is sufficiently preheated. Since it is not performed, the temperature distribution inside the processing apparatus is hardly uniform. Therefore, there is a problem that unevenness of reaction occurs.
上記課題に鑑み、本発明の目的は、小型化しやすく、また内部の温度分布をより均一化して反応ムラが生じにくい反応装置を提供することにある。
また、他の目的は、被処理ガスを高い効率で処理することができる反応方法を提供することにある。In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a reaction apparatus that is easy to miniaturize and that makes the temperature distribution inside more uniform and hardly causes uneven reaction.
Another object is to provide a reaction method capable of treating a gas to be treated with high efficiency.
本発明の反応装置は、内部にて反応を行う外筒と、外筒の一方の端部側に配され、被処理ガスと処理済ガスとの間で熱交換を行う主熱交換部と、主熱交換部に被処理ガスを供給する管と、主熱交換部から処理済ガスを取り出す管と、主熱交換部に接続し、外筒の内部に配され、主熱交換部が配される端部側から離間した外筒の他方の端部側に向けて被処理ガスを流通させる内筒と、を備えることを特徴とする。 The reaction apparatus of the present invention includes an outer cylinder that performs a reaction inside, a main heat exchange unit that is disposed on one end side of the outer cylinder and performs heat exchange between the gas to be processed and the treated gas, A pipe for supplying the gas to be processed to the main heat exchange section, a pipe for taking out the treated gas from the main heat exchange section, and a main heat exchange section that are connected to the inside of the outer cylinder, and the main heat exchange section is arranged And an inner cylinder that circulates the gas to be processed toward the other end portion side of the outer cylinder that is separated from the end portion side.
ここで、被処理ガスは、フッ素化合物を含むことを特徴とすることが好ましく、反応は、フッ素化合物を銅(Cu)、錫(Sn)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、バナジウム(V)からなる群から選ばれる金属の化合物の少なくとも一種、アルミナおよびアルカリ土類金属化合物を含有する反応剤により分解するものであることが好ましい。更に、反応は、外筒と内筒との間で行うことが好ましい。 Here, it is preferable that the gas to be treated contains a fluorine compound, and the reaction is performed by using copper (Cu), tin (Sn), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W) as the fluorine compound. And at least one metal compound selected from the group consisting of vanadium (V), an alumina and an alkaline earth metal compound. Furthermore, the reaction is preferably performed between the outer cylinder and the inner cylinder.
更に本発明の反応装置は、内部の反応領域にて反応を行う外筒と、被処理ガスおよび処理済ガスを流通させ、被処理ガスと処理済ガスとの間で第1の熱交換を行う二重管と、二重管に接続し、被処理ガスと処理済ガスとの間で第2の熱交換を行う熱交換器と、熱交換器に接続し、外筒の内部に配され、被処理ガスと反応領域との間で第3の熱交換を行う内筒と、を備えることを特徴とする。 Furthermore, the reaction apparatus of the present invention causes the outer cylinder that performs the reaction in the internal reaction region, the gas to be processed and the processed gas to flow, and performs the first heat exchange between the gas to be processed and the processed gas. A double pipe, a heat exchanger connected to the double pipe and performing a second heat exchange between the gas to be treated and the treated gas, and connected to the heat exchanger, arranged inside the outer cylinder, And an inner cylinder that performs third heat exchange between the gas to be processed and the reaction region.
ここで、内筒の内部および外筒の外部に配される加熱器を更に備えることが好ましく、内筒の外側に取り付けられるフィンを更に備えることが更に好ましく、フィンは、反応領域の下側半分の位置に取り付けられることが更に好ましい。 Here, it is preferable to further include a heater disposed inside the inner cylinder and outside the outer cylinder, more preferably further including a fin attached to the outside of the inner cylinder, and the fin is a lower half of the reaction region. More preferably, it is attached to the position.
また本発明の反応方法は、二重管に被処理ガスおよび処理済ガスを流通させ、被処理ガスと処理済ガスとの間で第1の熱交換を行い、二重管に接続する熱交換器に被処理ガスおよび処理済ガスを流通させ、被処理ガスと処理済ガスとの間で第2の熱交換を行い、熱交換器に接続する内筒に被処理ガスを流通させ、被処理ガスと反応領域との間で第3の熱交換を行い、反応領域で被処理ガスを処理済ガスにする反応を行うことを特徴とする。 Moreover, the reaction method of this invention distribute | circulates to-be-processed gas and processed gas to a double pipe, performs 1st heat exchange between to-be-processed gas and processed gas, and heat exchange connected to a double pipe The gas to be treated and the treated gas are circulated through the heat exchanger, the second heat exchange is performed between the gas to be treated and the gas to be treated, and the gas to be treated is circulated through the inner cylinder connected to the heat exchanger. A third heat exchange is performed between the gas and the reaction region, and a reaction to convert the gas to be processed into a processed gas is performed in the reaction region.
ここで、被処理ガスは、フッ素化合物を含むガスであり、反応はフッ素化合物を分解するものであることが好ましい。 Here, the gas to be treated is a gas containing a fluorine compound, and the reaction is preferably one that decomposes the fluorine compound.
本発明によれば、小型化しやすく、また反応ムラが生じにくい反応装置等を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reactor etc. which are easy to reduce in size and are hard to produce the reaction nonuniformity can be provided.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本実施の形態が適用される反応装置の一例を説明した図である。
図1に示した反応装置10は、内部にて反応を行う外筒12と、被処理ガスおよび処理済ガスを流通させる二重管14と、二重管14に接続し外筒12の一方の端部側に配され被処理ガスと処理済ガスとの間で熱交換を行う主熱交換部としての熱交換器16と、主熱交換部としての熱交換器16に接続し外筒12内部に配され、熱交換器16が配される端部側から離間した外筒12の他方の端部側に向けて被処理ガスを流通させる内筒18とを備える。
また、内筒18の内部に配され被処理ガスを更に加熱すると共に外筒内部の反応領域に反応に必要な熱を供給するための加熱器としての内部ヒータ20と、外筒12の外部に配され同様に外筒内部の反応領域に反応に必要な熱を供給するための加熱器としての外部ヒータ22と、内筒18の外側に取り付けられ内部ヒータ20からの熱を反応領域に均一に伝熱させるためのフィン24と、温度を測定し図示しない制御装置により反応装置10内部の温度制御を行うための熱電対等からなる温度センサ26a,26b,26cと、反応剤を充填するための反応剤投入口28とを更に備える。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a reaction apparatus to which the present embodiment is applied.
The
In addition, an
外筒12は、反応容器であり、内部で所定の反応を行わせることができる。本実施の形態では、被処理ガスとして、フッ素化合物を含むガスを外筒12の内部に流通させる。そして、外筒12と内筒18との間に反応剤を充填し、この反応剤によりこのフッ素化合物を分解する反応を行う。
フッ素化合物としては、例えば、クロロフルオロカーボン類(以下、「CFC」と略す。)、ハイドロクロロフルオロカーボン類(以下、「HCFC」と略す。)、パーフルオロカーボン類(以下、「PFC」と略す。)、ハイドロフルオロカーボン類(以下、「HFC」と略す。)、パーフルオロエーテル類(以下、「PFE」と略す。)、ハイドロフルオロエーテル類(以下、「HFE」と略す。)、フッ化硫黄等が該当する。The
Examples of the fluorine compound include chlorofluorocarbons (hereinafter abbreviated as “CFC”), hydrochlorofluorocarbons (hereinafter abbreviated as “HCFC”), perfluorocarbons (hereinafter abbreviated as “PFC”), and the like. Hydrofluorocarbons (hereinafter abbreviated as “HFC”), perfluoroethers (hereinafter abbreviated as “PFE”), hydrofluoroethers (hereinafter abbreviated as “HFE”), sulfur fluoride, etc. To do.
更に詳述すると、CFCとしては例えば、CClF3、CCl2F2、CCl3F、C2Cl3F3、C2Cl2F4、C2ClF5等の化合物、HCFCとしては例えば、CHClF2、C2HCl2F3等の化合物が挙げられる。またPFCとしては例えば、CF4、C2F6、C3F8、C4F8(オクタフルオロシクロブタン)等の化合物、HFCとしては例えば、CH3F、CH2F2、CHF3、C2H2F4等の化合物が挙げられる。またPFEとしては例えば、CF3OCF3、CF3OCF2CF3等の化合物、HFEとしてはCHF2OCHF2、CHF2OCH2CF3、CH3OCF2CF3等の化合物が挙げられる。またフッ化硫黄としては例えば、SF6、S2F10等の化合物が挙げられる。More specifically, examples of the CFC include CClF 3 , CCl 2 F 2 , CCl 3 F, C 2 Cl 3 F 3 , C 2 Cl 2 F 4 , and C 2 ClF 5 , and examples of the HCFC include CHClF. 2 , compounds such as C 2 HCl 2 F 3 and the like. Examples of PFC include compounds such as CF 4 , C 2 F 6 , C 3 F 8 , C 4 F 8 (octafluorocyclobutane), and examples of HFC include CH 3 F, CH 2 F 2 , CHF 3 , C A compound such as 2 H 2 F 4 may be mentioned. Examples of PFE include compounds such as CF 3 OCF 3 and CF 3 OCF 2 CF 3 , and examples of HFE include compounds such as CHF 2 OCHF 2 , CHF 2 OCH 2 CF 3 , and CH 3 OCF 2 CF 3 . Examples of sulfur fluoride include compounds such as SF 6 and S 2 F 10 .
これらのフッ素化合物は、単独でも2種以上の混合物であってもよい。また、フッ素化合物は、ヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガス、あるいは空気をキャリアガスとして希釈されていることが好ましい。本実施の形態では、被処理ガス中のフッ素化合物の濃度は、0.01vol%〜10vol%であることが好ましい。 These fluorine compounds may be used alone or as a mixture of two or more. The fluorine compound is preferably diluted with an inert gas such as helium, argon or nitrogen, or air as a carrier gas. In this Embodiment, it is preferable that the density | concentration of the fluorine compound in to-be-processed gas is 0.01 vol%-10 vol%.
反応剤としては、例えば、銅(Cu)、錫(Sn)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、バナジウム(V)からなる群から選ばれる金属の化合物の少なくとも一種、アルミナ、およびアルカリ土類金属化合物を含有するものを用いることができる。
このうち、アルミナは、代表的な酸性物質(固体酸)であり、それ単独であってもフッ素化合物を分解できる。しかし、分解されて生成したフッ素によってアルミナ表面がフッ素化され、AlF3として被毒されて触媒活性が短時間で失活する。Examples of the reactant include at least one metal compound selected from the group consisting of copper (Cu), tin (Sn), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), and vanadium (V), and alumina. And those containing an alkaline earth metal compound can be used.
Of these, alumina is a typical acidic substance (solid acid), which can decompose a fluorine compound alone. However, the surface of the alumina is fluorinated by the fluorine generated by decomposition, poisoned as AlF 3 , and the catalytic activity is deactivated in a short time.
そこで、本実施の形態では、アルカリ土類金属化合物を含有させている。これにより従来より低い反応温度でフッ素化合物を分解でき、生成するフッ素もアルカリ土類金属フッ化物として固定化できる。以下、これについて更に詳細に説明を行う。
まず本実施の形態におけるフッ素化合物の分解反応は、例えば以下の式で表すことができる。Therefore, in the present embodiment, an alkaline earth metal compound is contained. As a result, the fluorine compound can be decomposed at a lower reaction temperature than before, and the generated fluorine can also be immobilized as an alkaline earth metal fluoride. This will be described in more detail below.
First, the decomposition reaction of the fluorine compound in the present embodiment can be expressed by the following formula, for example.
ここでの反応温度は、被処理ガス中に含まれるフッ素化合物の種類により異なる。例えばPFCはフッ素化合物のうちで難分解性の化合物に分類され、中でもCF4、C2F6等は最も難分解性であり、単なる熱分解だけで分解するには1200℃〜1400℃の高温を必要とするが、本実施の形態の方法によれば550℃以上であれば分解できる。また、HCFCであるCHClF2は、本実施の形態の方法によれば200℃以上の温度であれば分解できる。このようにフッ素化合物の種類により、その分解温度はかなりの幅で開きがあり、その化合物の種類により反応器を最適温度に設定することが重要である。The reaction temperature here varies depending on the type of fluorine compound contained in the gas to be treated. For example, PFC is classified as a hardly decomposable compound among fluorine compounds. Among them, CF 4 , C 2 F 6 and the like are the most hardly decomposable, and high temperatures of 1200 ° C. to 1400 ° C. are necessary for decomposing only by thermal decomposition. However, according to the method of the present embodiment, it can be decomposed at 550 ° C. or higher. Further, CHClF 2 which is HCFC can be decomposed at a temperature of 200 ° C. or higher according to the method of the present embodiment. Thus, depending on the type of fluorine compound, the decomposition temperature varies widely, and it is important to set the reactor at the optimum temperature depending on the type of compound.
アルカリ土類金属化合物としては、アルカリ土類金属の炭酸塩、水酸化物または酸化物を用いることができる。このうちマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)の炭酸塩がより好ましく、カルシウムの炭酸塩である炭酸カルシウム(CaCO3)が更に好ましい。反応剤に、炭酸カルシウムを用いた場合、アルミナと共存することにより、フッ素化合物が分解して生成するフッ素をフッ化カルシウム(CaF2)として固定することができる。このためアルミナのフッ素化を防止する役割を果たし、アルミナのフッ素化合物の分解機能(活性)を維持することができる。As the alkaline earth metal compound, an alkaline earth metal carbonate, hydroxide or oxide can be used. Of these, carbonates of magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba) are more preferable, and calcium carbonate (CaCO 3 ), which is a carbonate of calcium, is more preferable. When calcium carbonate is used as the reactant, by coexisting with alumina, fluorine generated by decomposition of the fluorine compound can be fixed as calcium fluoride (CaF 2 ). For this reason, it plays the role which prevents the fluorination of an alumina, and can maintain the decomposition function (activity) of the fluorine compound of alumina.
また反応剤の成分の一つである、銅(Cu)、錫(Sn)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、バナジウム(V)からなる群から選ばれる金属の化合物については、フッ素化合物を分解する助触媒としての働きがある。また、フッ素化合物の種類によっては、上記(2)式で例示したような反応で分解して生成する一酸化炭素を低酸素分圧下においても二酸化炭素まで酸化することができる。
上記化合物のうち、酸化銅(CuO)、酸化錫(SnO2)、酸化バナジウム(V2O5)などの酸化物を用いるのが好ましく、酸化銅、酸化錫を用いるのが更に好ましい。One of the components of the reactant is a metal compound selected from the group consisting of copper (Cu), tin (Sn), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), and vanadium (V). Acts as a co-catalyst for decomposing fluorine compounds. Depending on the type of the fluorine compound, carbon monoxide generated by decomposition by the reaction exemplified in the above formula (2) can be oxidized to carbon dioxide even under a low oxygen partial pressure.
Of the above compounds, oxides such as copper oxide (CuO), tin oxide (SnO 2 ), and vanadium oxide (V 2 O 5 ) are preferably used, and copper oxide and tin oxide are more preferably used.
本実施の形態では、アルミナとアルカリ土類金属化合物の含有量は、質量比で1:9〜1:1であることが好ましい。また、金属の化合物の含有量は、アルミナとアルカリ土類金属化合物合計質量との比で、1:99〜5:95であることが好ましい。 In the present embodiment, the content of alumina and the alkaline earth metal compound is preferably 1: 9 to 1: 1 by mass ratio. Moreover, it is preferable that content of a metal compound is 1: 99-5: 95 by the ratio of an alumina and an alkaline-earth metal compound total mass.
本実施の形態では、この反応剤を粒径が0.5mm〜10mmの粒状品とし、外筒12の内側と内筒18の外側の間に生じる空間に充填する。充填量としては、この空間全体に対し、80%〜90%の高さになるようにするのが好ましい。そして、この反応剤が充填された部分が、反応を行う反応領域となる。
In the present embodiment, the reactant is made into a granular product having a particle size of 0.5 mm to 10 mm, and is filled in a space generated between the inner side of the
外筒12に用いられる材料としては、反応の際の反応温度や反応生成物に耐性があるものであれば、特に限定されることはないが、ステンレス等により作製することが好ましい。また外筒12の形状としては、特に限定されることはないが、円柱形状であって、内径が100mm〜2mであることが内部の温度の均一性の観点と強度の観点から好ましい。
The material used for the
二重管14は、内側の管である内管14aと外側の管である外管14bとからなる。そして、内管14aまたは外管14bのいずれかの管に被処理ガスを流通させ、もう一方の管で処理済ガスを流通させると共に、内側の管を通して、被処理ガスと処理済ガスとの間で第1の熱交換を行う。この場合、被処理ガスと処理済ガスは対向して流通するため二重管14は、対向流式の二重管式熱交換器として捉えることもできる。被処理ガスは内管14aおよび外管14bのどちらを通してもよいが、この熱交換の効率性の観点からは、内管14aを通した方が好ましい。即ち外管14bに通すと、外管14bは大気に接しているため、大気中に放熱を起こしてしまう。そのため被処理ガスは、放熱を生じにくい内管14bを通した方がよい。また、処理済ガスは、できるだけ室温に近い温度にして放出することが好ましい。よって、その観点からも被処理ガスを内管14aに通し、処理済ガスを外管14bに通した方が好ましい。つまり、処理済ガスの熱が外管14bを通し放熱することができるため、処理済ガスの温度を低下させることができる。
The
主熱交換部としての熱交換器16は、外筒12の一方の端部側に配される。そして、二重管14に接続し、例えば、内管14aにより熱交換器16に被処理ガスを供給し、外管14bにより熱交換器16から処理済ガスを取り出す。また熱交換器16において、被処理ガスと処理済ガスとの間で第2の熱交換を行う。
本実施の形態において、外筒12と内筒18に円柱形状のものを用いた場合、熱交換器16は、ドーナツ形状のステンレスからなる板を重ね合わせて溶接し、被処理ガスと処理済ガスが別々の経路を通り、流通するようにしている。そして、被処理ガスと処理済ガスは、熱交換器16内部をジグザグに対向する形で流通し、ドーナツ形状の板を通して熱交換を行うことができる。このように、流路をジグザグにすることで、小さい容積で多量の熱を交換することができる。本実施の形態では、被処理ガスおよび処理済ガスは、熱交換を行う部分においてこのジグザグの流路をそれぞれ2.5往復するように構成している。このジグザグの流路はそれぞれ1.5往復以上であることが好ましい。これより少ないと熱交換が不足し本装置出口の排ガス温度が高くなる傾向がある。
なお、処理済ガスは、反応領域の熱交換器16側に複数開けられた小口径の孔30を通して、熱交換器16内部に侵入することができる。また熱交換器16を通り抜けた被処理ガスは、内筒18側面に開けられた複数の穴32を通して、内筒18内に侵入することができる。The
In the present embodiment, when cylindrical ones are used for the
The treated gas can enter the
なお熱交換器16は、このような構造のものに限られるものではなく、スパイラル式熱交換器、プレート式熱交換器、多重円管式熱交換器等の種々の熱交換器を使用することができる。
The
内筒18は、外筒12の内部に配される。そして、熱交換器16に接続し、熱交換器16が配される端部側から離間した外筒12の他方の端部に向けて被処理ガスを流通させる。被処理ガスは、この内筒18を通る際に、内筒18を通して反応領域との間で第3の熱交換を行う。これにより被処理ガスを更に加熱することができる。内筒18は、本実施の形態では1本で構成されるが、2本以上であってもよい。また内筒18の位置については、本実施の形態のように1本で構成される場合は、外筒12の中心部に設置することが好ましい。
The
また本実施の形態において、内筒18は、内部に内部ヒータ20を備える。この内部ヒータ20は、被処理ガスを更に加熱すると共に外筒内部の反応領域に反応に必要な熱を供給する。また内筒18の外側にはフィン24が取り付けられている。内部ヒータ20で発生した熱は、内筒18およびこのフィン24を通し反応領域まで伝熱する。またこのフィン24を備えることにより、内部ヒータ20で発生した熱を反応領域に、より均一に伝熱させることができる。ここで、本実施の形態の反応装置10を熱交換器16が配される側を下側として使用する場合、フィン24は、反応領域の下側半分の位置に取り付けられ、上側半分には取り付けないことが好ましい。即ち、反応領域の上部は、対流により温度が上昇しやすく、この部分にもフィン24を取付けると、下側より上側の温度が高くなりやすくなる。そのため、下側半分の位置に取り付けることで、反応領域の上部と下部の温度分布をより均一化することができる。
In the present embodiment, the
またフィン24は、複数枚取り付けることが好ましい。
図2は、図1に示した反応装置10のII−II断面図である。
図2に示した反応装置10では、フィン24は、内筒18の外側に18枚取り付けられている。このように複数枚取り付けることにより反応領域の温度分布をより均一化することができる。ここでフィン24の枚数や長さは、反応装置10における反応条件によって適宜選択することができる。Moreover, it is preferable to attach a plurality of
FIG. 2 is a II-II cross-sectional view of the
In the
内筒18およびフィン24に用いられる材料としては、反応の際に生じる反応熱や反応生成物に耐性があるものであれば、特に限定されることはないが、ステンレス等により作製することが好ましい。また内筒18の形状としては、特に限定されることはないが、円柱形状であることが内部の温度の均一性の観点からは好ましい。
また、内部ヒータ20には、例えば、インコネル(登録商標)ヒータを使用することができる。そして、このインコネル(登録商標)ヒータを例えば3本用い、デルタ結線を行って内筒18の内部に収容することができる。The material used for the
For example, an Inconel (registered trademark) heater can be used as the
また本実施の形態では、外筒12の外側に外部ヒータ22を備える。この外部ヒータを備えることにより、反応領域の反応に必要な熱を外側からも供給することができる。外部ヒータ22で発生した熱は、外筒12を通し反応領域まで伝熱する。そして、外部ヒータ22と内部ヒータ20を双方備えることにより、反応領域の外側と内側の両方から加熱を行うことが可能となる。そのため、反応領域の温度分布を更に均一化することができる。
外部ヒータ24には、例えば、インコロイ(登録商標)ヒータを使用することができる。そして均一に熱を供給する観点から、このインコロイ(登録商標)ヒータを外筒12の周囲に設置することが好ましい。
また、メンテナンス等における本実施の形態の反応装置と制御装置との切り離しを容易にするため、ヒータおよび/または温度センサと制御装置とを、例えばメタルコンセントで接続することが好ましい。In the present embodiment, an
As the
Further, in order to facilitate separation of the reaction device and the control device of the present embodiment in maintenance or the like, it is preferable to connect the heater and / or the temperature sensor and the control device with, for example, a metal outlet.
また更に、大気中への放熱を防止し、反応領域への加熱を更に効率よく行うために、外筒12を保温材(図示せず)で覆うことが好ましい。保温剤としては、例えば、ガラスクロス、シリコンクロス等の材料で構成されたものを使用することができる。
Furthermore, it is preferable to cover the
以上のような構成の反応装置10では、被処理ガスであるフッ素化合物を含むガスは、まず二重管14の内管14bを流通する。この際に、被処理ガスと処理済ガスとの間で第1の熱交換を行う。次に二重管14に接続する熱交換器16内に入り、熱交換器16の内部を流通し、再び処理済ガスとの間で第2の熱交換を行う。そして熱交換器16に接続する内筒18内に入る。被処理ガスは、内筒18内を流通するときに反応領域との間で第3の熱交換を行うと共に内部ヒータ20により加熱される。内筒18を通り抜けた後は、反応領域に入り、処理剤により被処理ガスに含まれるフッ素化合物が分解される。この反応により被処理ガスは処理済ガスとなる。処理済ガスは、今度は熱交換器16、二重管14の外管14bを流通しつつ被処理ガスとの間で上述の第2の熱交換、第1の熱交換を行う。そして、二重管14を通り抜けた後は大気中に放出される。
このような反応は、二重管14に被処理ガスおよび処理済ガスを流通させ、被処理ガスと処理済ガスとの間で第1の熱交換を行い、二重管14に接続する熱交換器16に被処理ガスおよび処理済ガスを流通させ、被処理ガスと処理済ガスとの間で第2の熱交換を行い、熱交換器16に接続する内筒18に被処理ガスを流通させ、被処理ガスと反応領域との間で第3の熱交換を行い、反応領域で被処理ガスを処理済ガスにする反応を行うことを特徴とする反応方法として捉えることもできる。In the
In such a reaction, the gas to be treated and the treated gas are circulated through the
本実施の形態の反応装置10は、外筒12と熱交換器16とを一体化することができる。また、被処理ガスおよび処理済ガスを熱交換器16に導入するための配管を二重管14としている。これらの構造により反応装置10の小型化を行いやすくなる。
In the
更に、二重管14による第1の熱交換、熱交換器16による第2の熱交換、内筒18による第3の熱交換という3段階の熱交換を行うことにより、被処理ガスが十分に予熱され、反応領域に達するまでに十分な高温となる。そのため反応領域における温度分布が均一化しやすい。そのため反応ムラが生じにくくなる。また、反応領域における温度分布が均一でない場合、温度が高い部分での反応剤の消耗が激しくなる場合がある。そのためこの部分で反応剤の寿命がくると、全ての反応剤を交換する必要があり不経済である。本実施の形態の反応装置10では、反応領域における温度分布が均一化しやすいので、反応ムラが生じにくくなるばかりでなく、反応剤の消耗が一様になりやすくなり反応剤の寿命を延ばすことができる。
Furthermore, the gas to be treated can be sufficiently obtained by performing the three-stage heat exchange of the first heat exchange by the
また更に、内筒18による第3の熱交換および内部ヒータ20による加熱を行うことで、熱交換器16の容積を小さくすることができる。このため、外筒12と内筒18との空間を大きく採ることができ、反応剤をより多く充填することができる。そのため、より高い効率で反応を起こすことができ、そして、より多くの被処理ガスを処理することができる。
外筒12と内筒18の間の空間容積つまり外筒内部の反応領域は、内部の温度の均一性の観点と強度の観点から2リットル〜3000リットルであることが好ましい。また特に2リットル〜200リットルであることが好ましい。この場合キャスター等を取り付けることが容易となり、反応装置10の交換作業の際に有利となる。そして内部の温度の均一性および反応効率の観点から、40リットル〜200リットルであることが更に好ましい。
また上記の構造を有することで、反応温度が200℃〜1000℃の反応装置として使用でき、かつ、反応装置出口のガス温度を200℃以下にすることができる。Furthermore, the volume of the
The space volume between the
Moreover, by having said structure, it can be used as a reaction apparatus whose reaction temperature is 200 degreeC-1000 degreeC, and the gas temperature of the reactor exit can be 200 degrees C or less.
なお、本実施の形態においては、被処理ガスとしてフッ素化合物を含むガスを挙げ、このフッ素化合物を分解する反応について説明を行ったが、これに限られるものではない。被処理ガスとしてフッ素化合物以外のガスを使用し、反応剤をこのガスの反応に適したものに変更すれば、本実施の反応装置10を適用することができる。
例えば、半導体製造装置におけるパージガスラインや手術室から排出される余剰麻酔ガス中に含まれる亜酸化窒素を分解除去するため、反応剤として固体触媒を使用する反応等に用いることができる。In the present embodiment, a gas containing a fluorine compound is exemplified as the gas to be treated, and the reaction for decomposing the fluorine compound has been described. However, the present invention is not limited to this. If a gas other than a fluorine compound is used as the gas to be treated and the reactant is changed to a gas suitable for the reaction of this gas, the
For example, in order to decompose and remove nitrous oxide contained in a surplus anesthetic gas discharged from a purge gas line or an operating room in a semiconductor manufacturing apparatus, it can be used for a reaction using a solid catalyst as a reactant.
反応装置として図1および図2に示した反応装置10を用いた。反応剤としてアルミナと炭酸カルシウムを質量比で3:7とし、酸化錫をアルミナおよび炭酸カルシウムの合計重量に対し3質量%としたものを用いた。また、被処理ガスとして、フッ化物ガスであるCF4を、6000volppmの濃度で、250L/minの流量で反応装置10内に流通させた。なおキャリアガスとしては窒素ガスを用いた。
その結果、処理済ガスのCF4の濃度は0ppmとなり、CF4が分解できたことを確認した。また、この際に反応装置10の外部と内部の温度分布の測定を行った。The
As a result, the concentration of CF 4 in the treated gas was 0 ppm, and it was confirmed that CF 4 could be decomposed. At this time, the temperature distribution inside and outside the
図3は、反応装置10の温度分布を説明した図である。
図3において、横軸は温度を表し、縦軸は反応領域の高さ方向位置を表している。そして、それぞれの場所における外部温度と内部温度を示した。ここで外部温度は、温度センサ26c(図1参照)の高さ方向位置を順次変更することで測定された温度である。また内部温度は温度センサ26b(図1参照)の高さ方向位置を順次変更することで測定された温度である。
図3からわかる通り、内部温度および外部温度は反応領域の高さ方向位置に対し、550℃〜580℃の範囲内の概ね30℃以内の温度差に収まっており、反応領域における均一な温度分布が実現できていることがわかる。FIG. 3 is a diagram illustrating the temperature distribution of the
In FIG. 3, the horizontal axis represents temperature, and the vertical axis represents the height direction position of the reaction region. And the external temperature and internal temperature in each place were shown. Here, the external temperature is a temperature measured by sequentially changing the height direction position of the
As can be seen from FIG. 3, the internal temperature and the external temperature are within a temperature difference of approximately 30 ° C. within the range of 550 ° C. to 580 ° C. with respect to the height direction position of the reaction region, and uniform temperature distribution in the reaction region It can be seen that is realized.
10…反応装置、12…外筒、14…二重管、16…熱交換器、18…内筒、20…内部ヒータ、22…外部ヒータ、24…フィン
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記外筒の一方の端部側に配され、被処理ガスと処理済ガスとの間で熱交換を行う主熱交換部と、
前記主熱交換部に前記被処理ガスを供給する管と、
前記主熱交換部から前記処理済ガスを取り出す管と、
前記主熱交換部に接続し、前記外筒の内部に配され、前記主熱交換部が配される端部側から離間した当該外筒の他方の端部側に向けて前記被処理ガスを流通させる内筒と、
を備えることを特徴とする反応装置。An outer cylinder that reacts internally;
A main heat exchanging part that is arranged on one end side of the outer cylinder and performs heat exchange between the gas to be treated and the treated gas;
A pipe for supplying the gas to be processed to the main heat exchange unit;
A pipe for taking out the treated gas from the main heat exchange section;
Connected to the main heat exchanging part, arranged inside the outer cylinder, the gas to be processed toward the other end part side of the outer cylinder separated from the end part side where the main heat exchanging part is arranged An inner cylinder to be distributed;
A reaction apparatus comprising:
被処理ガスおよび処理済ガスを流通させ、当該被処理ガスと当該処理済ガスとの間で第1の熱交換を行う二重管と、
前記二重管に接続し、前記被処理ガスと前記処理済ガスとの間で第2の熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器に接続し、前記外筒の内部に配され、被処理ガスと前記反応領域との間で第3の熱交換を行う内筒と、
を備えることを特徴とする反応装置。An outer cylinder that reacts in the internal reaction zone;
A double pipe that circulates the gas to be treated and the treated gas, and performs a first heat exchange between the gas to be treated and the treated gas;
A heat exchanger connected to the double pipe and performing a second heat exchange between the gas to be treated and the treated gas;
An inner cylinder connected to the heat exchanger, disposed inside the outer cylinder, and performing a third heat exchange between the gas to be processed and the reaction region;
A reaction apparatus comprising:
前記二重管に接続する熱交換器に被処理ガスおよび処理済ガスを流通させ、当該被処理ガスと当該処理済ガスとの間で第2の熱交換を行い、
前記熱交換器に接続する内筒に被処理ガスを流通させ、被処理ガスと反応領域との間で第3の熱交換を行い、
前記反応領域で被処理ガスを処理済ガスにする反応を行うことを特徴とする反応方法。The treated gas and the treated gas are circulated through the double pipe, and the first heat exchange is performed between the treated gas and the treated gas,
Distribute the treated gas and the treated gas to the heat exchanger connected to the double pipe, and perform a second heat exchange between the treated gas and the treated gas,
The gas to be processed is circulated through the inner cylinder connected to the heat exchanger, and a third heat exchange is performed between the gas to be processed and the reaction region,
A reaction method characterized by carrying out a reaction to convert a gas to be processed into a processed gas in the reaction region.
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