JPWO2010101073A1 - 反応装置および反応方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (10)
- 内部にて反応を行う外筒と、
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。 - 前記被処理ガスは、フッ素化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載の反応装置。
- 前記反応は、前記フッ素化合物を銅(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を特徴とする請求項2に記載の反応装置。
- 前記反応は、前記外筒と前記内筒との間で行うことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の反応装置。
- 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、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。 - 前記内筒の内部および前記外筒の外部に配される加熱器を更に備えることを特徴とする請求項5に記載の反応装置。
- 前記内筒の外側に取り付けられるフィンを更に備えることを特徴とする請求項5または6に記載の反応装置。
- 前記フィンは、前記反応領域の下側半分の位置に取り付けられることを特徴とする請求項7に記載の反応装置。
- 二重管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1の熱交換を行い、
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。 - 前記被処理ガスは、フッ素化合物を含むガスであり、前記反応は当該フッ素化合物を分解するものであることを特徴とする請求項9に記載の反応方法。
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