Способ обработки газового потока



Способ обработки газового потока
Способ обработки газового потока

 


Владельцы патента RU 2444398:

ЭДВАРДС ЛИМИТЕД (GB)

При обработке газового потока, содержащего кислоту и твердые частицы, осуществляют: циркуляционную систему с замкнутым контуром (20), содержащую насос (22) для циркуляции водного чистящего раствора по замкнутому контуру (20), электрохимическое устройство (48) для снижения кислотности циркулирующего раствора и выходное отверстие для отведения части циркулирующего раствора из замкнутого контура (20) в скруббер газоочистки (10). Скруббер газоочистки (10) имеет первый вход для приема отведенного раствора, второй вход для приема газового потока для растворения в отведенном растворе и выход, через который отведенный раствор выводится из скруббера. Замкнутый контур имеет входное отверстие для приема раствора, выходящего из скруббера (10); устройство для мониторинга кислотности раствора (54) в месте, находящемся в пределах замкнутого контура; и контроллер (52) для регулирования уменьшения кислотности раствора в зависимости от измеренной концентрации для регулирования растворимости твердого компонента газового потока в отведенном растворе. Изобретение позволяет эффективно очищать перфторированные газы, позволяет повысить срок службы патронных фильтров и других устройств в замкнутом контуре для удаления твердых частиц за счет увеличения растворимости твердых частиц в чистящем растворе и регулировать кислотность циркулирующего раствора. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обработки газового потока.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) применяется для осаждения тонких пленок или слоев на поверхность подложки или пластину, находящуюся в камере осаждения. Этот способ проводится с подачей одного или более химически активных газов в камеру, часто используя газ-носитель, к поверхности подложки в условиях, которые способствуют протеканию химических реакций на поверхности. Например, в камеру осаждения могут подаваться TEOS и одно из кислорода и озона для образования слоя оксида кремния на подложке, а силан и аммиак могут подаваться для образования слоя нитрида кремния. Поликристаллический кремний, или поликремний, осаждается на подложку путем разложения силана или хлорсилана теплом.

Газы подают также в камеру травления для проведения избирательного травления зон осажденного слоя, например, при формировании электродов и источниковой и стоковой области полупроводникового устройства. Газ для травления может включать перфторированные газы (PFC), такие, как CF4, C2F6, C3F8 и C4F8, хотя другие подходящие травильные средства включают фтор, NF3, SF6 и фторуглеводородные газы, такие, как CHF3, C2HF5 и CH2F2. Такие газы широко применяются для образования отверстий в области нитридного или оксидного слоя, сформированного на слое поликремния, который открыт к слою фоторезиста. Обычно вместе с газом для травления в камеру проводится аргон, чтобы обеспечить введение газа, облегчающего процесс, в камеру травления.

При таком процессе травления в отходящем газе, отводимом из камеры травления вакуумном насосом, вместе с побочными продуктами процесса травления, такими, как SiF4 и COF2, и инертными газами, такими, как Ar, содержится некоторое остаточное количество газа, загруженного в камеру травления. В отходящий газ часто добавляют дополнительный азот в качестве продувочного газа для вакуумного насоса.

Упомянутые выше перфторированные газы являются парниковыми газами, поэтому перед выпуском отходящего газа в атмосферу предусматривается очистное устройство, такое, как устройство термообработки (TPU) или устройство плазменной очистки, чтобы превратить PFC-газы в водорастворимый фторид водорода и чтобы превратить SiF4 в SiO2. Затем газовый поток проводится в скруббер, где HF растворяется в воде, подаваемой в скруббер.

Находящаяся одновременно на рассмотрении патентная заявка авторов US 2006/0101995 A1, содержание которой введено здесь ссылкой, описывает устройство для поздней обработки кислого раствора HF, образовавшегося в скруббере. Раствор HF проводится на устройство удаления кислоты, предпочтительно в виде гальванического элемента, для удаления HF из кислого раствора. Устройство удаления кислоты возвращает воду в скруббер и выводит HF в виде концентрированного раствора HF. Этот раствор можно позднее обработать, используя соли кальция, чтобы осадить CaF2, который можно уплотнить и высушить для дальнейшего использования.

Твердые частицы, такие, как частицы SiO2, которые увлечены в газовый поток, входящий в скруббер, переносятся в воду, проходящую через скруббер. Некоторая часть частиц SiO2, например примерно 30-60 ч/млн, будет растворяться в воде, проходящей через скруббер, тогда как остальные останутся в воде как твердые частицы. Чтобы предотвратить образование этих частиц внутри гальванического элемента и/или скруббера, предусматривается один или более патронных фильтров или аналогичных устройств выше по потоку элемента для удаления этих частиц из раствора HF, отводимого из скруббера.

В зависимости от процессов, проводимых в рабочей камере, количество твердых частиц, увлеченных в газовый поток, может варьироваться, типично между 70 и 200 ч/млн. Авторы обнаружили, что когда количество твердых частиц относительно высоко, патронные фильтры могут быстро заполниться. Например, когда газовый поток содержит 200 ч/млн частиц SiO2, четыре патронных фильтра, каждый емкостью примерно 4-5 кг, могут заполниться менее чем за неделю. Так как стоимость замены каждого патрона в настоящее время составляет около 200 долларов США, это может значительно повысить затраты на приобретение и эксплуатацию обрабатывающего устройства.

Настоящее изобретение обеспечивает способ обработки газового потока, содержащего кислоту и твердые частицы, причем способ включает этапы циркуляции водного чистящего раствора через по существу замкнутый контур, содержащий устройство удаления кислоты для снижения кислотности раствора, подачу по меньшей мере части циркулирующего раствора в скруббер для газоочистки, подачу газового потока в скруббер, мониторинг кислотности раствора, подаваемого в скруббер, и регулирование уменьшения кислотности раствора в зависимости от измеренной кислотности для регулирования растворимости твердого компонента газового потока в указанной по меньшей мере части циркулирующего раствора.

Настоящее изобретение дает также способ обработки газового потока, содержащего кислоту и твердые частицы, причем способ включает этапы циркуляции водного чистящего раствора через по существу замкнутый контур, содержащий электрохимическое устройство для снижения кислотности раствора, отвод части циркулирующего раствора из замкнутого контура в скруббер для газоочистки, подачу газового потока в скруббер для растворения в отведенном растворе, возврат отведенного раствора в замкнутый контур, мониторинг кислотности циркулирующего раствора в месте, находящемся в замкнутом контуре, и регулирование уменьшения кислотности раствора в зависимости от измеренной кислотности для регулирования растворимости твердого компонента газового потока в отведенном растворе.

Благодаря регулированию кислотности чистящего раствора, входящего в скруббер, и особенно кислотности, обусловленной кислотой, содержащейся в газовом потоке, можно значительно повысить растворимость твердых частиц в чистящем растворе. Чем больше кислотность, тем больше могут растворяться частицы в чистящем растворе. Например, силицидные частицы, как частицы SiO2, в газовом потоке, содержащем HF, могут быть растворены в растворе фтористоводородной кислоты с образованием фторсиликата. Этот фторсиликат можно затем удалить из чистящего раствора, вместе с некоторой частью кислоты, с помощью гальванического элемента. Таким образом, срок службы любых патронных фильтров или других устройств, предусмотренных в замкнутом контуре для удаления твердых частиц из чистящего раствора, можно значительно повысить. Хотя выгода от изобретения может быть получена с любой кислотой, HF имеет наибольшее влияние на растворимость SiO2 через образование фторсиликатов, а не кремниевой кислоты.

Кислотность отведенного раствора предпочтительно поддерживается на или выше заданного значения. Например, если кислотой в газовом потоке является HF, концентрация HF в отведенном растворе может поддерживаться на или выше 400 ч/млн, так что SiO2 в концентрациях примерно 200 ч/млн можно по существу полностью растворить в растворе.

Кислотность циркулирующего раствора можно отслеживать в любом удобном месте. Например, кислотность можно измерять непосредственно перед или после места, в котором часть циркулирующего раствора отводится в скруббер. Отведенный раствор можно вернуть в емкость-хранилище, который находится в замкнутом контуре и в котором отведенный раствор смешивается с раствором, выходящим из электрохимического устройства. В этом случае можно отслеживать кислотность раствора, хранимого в емкости-хранилище. Емкость-хранилище может быть снабжена входом для жидкости, через который вода входит в замкнутый контур.

Кислотность раствора можно отслеживать, измеряя электропроводность раствора. Зная состав газового потока, можно оценить вклад кислых газов в электропроводность раствора, таким образом, электропроводность раствора может дать указание на кислотность раствора. Альтернативно, более аккуратное измерение кислотности раствора можно провести, используя онлайновый анализатор кислотности, который, когда кислотой, содержащейся в газовом потоке, является HF или HCl, предпочтительно является анализатор галогенида.

В предпочтительном варианте реализации электрохимическое устройство содержит регенерируемое электрохимически ионообменное устройство. Устройство предпочтительно содержит ионообменный материал для поглощения выбранных ионов из раствора, и поперек этого материала прикладывается электрическое поле, чтобы заставить абсорбированные ионы перемещаться через ионообменный материал в отдельный концентрированный раствор, причем напряженность электрического поля устанавливается в зависимости от измеренной концентрации. Концентрированный раствор может циркулировать через электрохимическое устройство. Периодически часть концентрированного раствора может проводиться в реактор, в котором ионные компоненты, такие, как кислоты и фторсиликаты, делаются нерастворимыми в растворе.

Ионообменный материал служит для захвата интересующих ионов и предпочтительно является ионообменной смолой в форме частиц или гранул, или другим материалом, который может обеспечить водопроницаемую среду, ионно-адсорбционную среду и ионно-проводящую среду, посредством чего ионы могут перемещаться наложенным электрическим полем в концентрированный раствор. Частицы или гранулы смолы могут быть несвязанными и удерживаться на месте между двумя мембранами и входным и выходным агломератами, чтобы быть проницаемыми для раствора, содержащего ионы. Альтернативно, частицы или гранулы могут находиться в связной форме, соединенными вместе связующим. Электрический потенциал, прикладываемый, например, через толщину ионообменного материала, служит для того, чтобы вести захваченные ионы через ионообменный материал к тому или другому из пары электродов, между которыми прикладывается потенциал. Подбором величины электрического потенциала или электрического тока между электродами можно устанавливать скорость перемещения захваченных ионов через ионообменный материал в концентрированный раствор, что, в свою очередь, регулирует скорость адсорбции ионов из чистящего раствора и, таким образом, кислотность раствора, выходящего из электрохимического устройства в замкнутый контур.

Способ по изобретению применим к обработке газовых потоков, содержащих разнообразные кислоты, такие, как по меньшей мере одна из HF, HCl, HNO3, H2SO4, H3BO3 и H3PO4.

Настоящее изобретение дает также устройство для обработки газового потока, содержащего кислоту и твердые частицы, содержащее скрубберный газоочиститель, циркуляционную устройство с по существу замкнутым контуром, содержащее насос для циркуляции водного чистящего раствора по замкнутому контуру, электрохимическое устройство для снижения кислотности циркулирующего раствора и выходное отверстие для отвода части циркулирующего раствора из замкнутого контура в скрубберный газоочиститель, причем скруббер имеет первый вход для приема отведенного раствора, второй вход для приема газового потока для растворения в отведенном растворе и выход, через который отведенный раствор выводится из скруббера, причем замкнутый контур имеет входной порт для приема раствора, выходящего из скруббера; устройство для мониторинга кислотности раствора в месте, находящемся в пределах замкнутого контура, и контроллер для регулирования уменьшения кислотности раствора в зависимости от измеренной концентрации для регулирования растворимости твердого компонента газового потока в отведенном растворе.

Отличительные признаки, описанные выше в связи с аспектами изобретения, относящимися к способу, применимы к аспекту, относящемуся к устройству, и наоборот.

Далее будут описаны предпочтительные признаки настоящего изобретения с обращением к приложенным чертежам, на которых:

фигура 1 показывает схему устройства обработки газового потока; и

фигура 2 показывает схему устройства удаления кислоты, подходящей для применения в устройстве с фигуры 1.

Фигура 1 иллюстрирует устройство обработки газового потока, отходящего из рабочей камеры оборудования по производству полупроводников. Устройство содержит, по меньшей мере, один скруббер 10, имеющий входное отверстие 12 для газа для приема газового потока из линии 14. На практике устройство предпочтительно содержит четыре или более скрубберов 10, устанавливаемых параллельно, для приема газового потока, так что когда один скруббер 10 по какой-то причине не работает, газовый поток продолжает приниматься другими скрубберами 10. Однако, исключительно для простоты, на фигуре 1 показаны два скруббера 10.

В этом примере газовый поток выходит из рабочей камеры реактора плазменного травления, в который в качестве реагентов для процесса, проводимого в камере, подаются технологические газы, содержащие травильное средство и кислород. Примеры подходящего травильного средства включают перфторированные соединения общей формулы CxFyHz, где x ≥ 1, y ≥ 1 и z ≥ 0, такие, как CF4, C2F6, C3F8, C4F8, CHF3, C2HF5 и CH2F2. Другие подходящие травильные средства включают NF3 и SF6. Может также подаваться аргон как газ, облегчающий проведение процесса в камере.

В процессе травления расходуется только часть реагентов, так что газовый поток, выходящий из рабочей камеры, будет содержать смесь реагентов, любые неактивные благородные газы, подаваемые в камеру, и побочные продукты процесса травления. Например, газовый поток может содержать смесь CxFyHz, O2, Ar, SiF4 и COF2. Упомянутые выше перфторированные газы не растворимы в воде, поэтому перед проведением газового потока в скрубберы 10 он проходит через очистное устройство (не показано), такое, как устройство термообработки (TPU) или устройство плазменной очистки, чтобы превратить перфторированные газы в водорастворимую кислоту HF. Весь SiF4 в газовом потоке будет превращен в SiO2, который захватывается в газовый поток в виде твердых частиц. Альтернативно, скруббер 10 может быть оборудован комбинацией TPU и мокрого скруббера, так что никакого отдельного очистного устройства может не потребоваться.

Водный чистящий раствор по подающей линии 18 подается на входное отверстие 16 для текучей среды каждого скруббера 10. Как показано на фигуре 1, устройство включает по существу замкнутый контур 20, в котором чистящий раствор непрерывно циркулирует под действием насоса 22. Замкнутый контур 20 имеет выходное отверстие 24, через которое часть циркулирующего раствора может быть отведена в подающую линию 18, и входное отверстие 26, через которое отведенный раствор позднее возвращается в замкнутый контур по возвратной линии 28, соединенной с выходным отверстием 30 для текучей среды каждого скруббера 10. В данном примере циркулирующий чистящий раствор отводится в подающую линию 18 путем включения подающего клапана 32, находящегося между подающей линией 18 и соответствующим входным отверстием 16 для жидкости.

Замкнутый контур 20 содержит емкость-хранилище жидкости, или бак 34, имеющий три входных отверстия для текучей среды. Первое входное отверстие 36 для текучей принимает воду из линии 37 подачи воды для начального приготовления чистящего раствора, который циркулирует в замкнутом контуре 20. Второе входное отверстие 38 для текучей среды принимает циркулирующий раствор из замкнутого контура 20. Входное отверстие 26 замкнутого контура 20 обеспечивает третье входное отверстие для текучей среды. Кроме того, бак 34 содержит выходное отверстие 40 для текучей среды, через которое раствор возвращается в замкнутый контур 20.

Раствор, который входит в замкнутый контур 20 из бака 34, в свою очередь проходит через насос 22, который движет по кругу раствор в замкнутом контуре 20, через один или более фильтровальных устройств 42 для удаления частиц из раствора, теплообменник 44, анализатор 46 жидкости и устройство 48 удаления кислоты для снижения кислотности раствора, прежде чем он вернется в бак 34.

Анализатор 46 жидкости измеряет кислотность циркулирующего раствора, который отведен через выходное отверстие 24 в подающую линию 18. В данном примере анализатор 46 жидкости находится сразу за выходным отверстием 24, так что кислотность раствора, проходящего через анализатор 46 жидкости, будет такой же, как и у раствора, который отводится через выходное отверстие 24. Альтернативно, анализатор 46 жидкости может находиться непосредственно перед выходом 24, так что, опять же, кислотность раствора, проходящего через анализатор 46 жидкости, будет такой же, как у раствора, который отводится через выход 24. В данном примере анализатором 46 жидкости является онлайновый анализатор галогенида. Анализатор 46 жидкости выдает сигнал 50, который указывает на кислотность раствора, проходящего через него, и этот сигнал 50 принимается контроллером 52.

Как альтернатива использованию анализатора 46 жидкости для мониторинга кислотности циркулирующего раствора, в баке 34 может быть предусмотрен датчик 54 электропроводности для отслеживания электропроводности раствора, хранящегося в баке 34, и таким образом, электропроводности раствора, который откачивается насосом 22 из отверстия 40 для жидкости в баке. Датчик 54 может выдавать на контроллер 52 сигнал 56, который указывает на электропроводность раствора в баке 34. Электропроводность раствора может давать указание на кислотность раствора, когда состав газового потока, входящего в скрубберы 10, и следовательно, состав циркулирующего раствора, известен. Контроллер 52 использует информацию, содержащуюся в сигнале 50 или 56, для создания управляющего сигнала 58, который подается на устройство 48 удаления кислоты для регулирования уменьшения кислотности циркулирующего раствора.

При работе сначала открывается клапан 60 в линии 37 подачи воды, чтобы подать некоторое количество воды, например 160 литров, в бак 34. Подающие клапаны 32 сначала закрыты. Когда бак 34 будет наполнен требуемым количеством воды, клапан 60 закрывается, и насос 22 работает на перекачку по кругу воды в замкнутом контуре 20. Следовательно, чистящий раствор, циркулирующий исходно в замкнутом контуре 20, является водой.

Затем открываются подающие клапаны 32, чтобы часть циркулирующего чистящего раствора, например примерно 10 литров, отвести через выход 24 по подающей линии 18 в каждый скруббер 10. Каждый подающий клапан 32 закрывается, когда в соответствующий скруббер 10 войдет требуемое количество чистящего раствора. Например, первый переключатель уровня (не показан) может находиться в скруббере 10 для выдачи воздействующего сигнала на подающий клапан 32, когда уровень раствора в скруббере 10 достигнет этого переключателя, в ответ на что подающий клапан 32 закрывается.

Газовый поток, выходящий из очистного устройства (не показано), проводится по линии 14 газа и входит в скрубберы 10 через входные отверстия 12 для газа. Газ контактирует с чистящим раствором в скрубберах 10, при этом кислый HF растворяется в чистящем растворе. Сначала кислотность чистящего раствора относительно низкая, и все частицы SiO2 в газовом потоке переходят в чистящий раствор. Нерастворенный газ выводится из скрубберов 10 в атмосферу через выходные отверстия 62 для газа.

Чистящий раствор в скрубберах 10 периодически снова закачивается в замкнутый контур 20 и вытесняется свежим чистящим раствором из замкнутого контура 20. Как показано на фигуре 1, предусмотрены обратные клапаны 64 для регулирования выведения чистящего раствора из каждого скруббера 10. Раскрытие каждого обратного клапан 64 можно регулировать, используя таймер (не показан), так что каждый обратный клапан 64 периодически открывается, например, с частотой от 100 до 700 секунд. Когда обратный клапан 64 открыт, чистящий раствор, теперь относительно кислый, входит в возвратную линию 28 и возвращается в бак 34 через входное отверстие 26. Обратный клапан 64 закрывается, когда из скруббера 10 будет выведено требуемое количество чистящего раствора, например примерно 10 литров. Например, второй переключатель уровня (не показан) может находиться в скруббере 10 ниже первого переключателя уровня для выдачи воздействующего сигнала на обратный клапан 64, когда уровень раствора в скруббере 10 упадет до этого второго переключателя уровня, в ответ на что обратный клапан 64 закрывается. Когда обратный клапан 64 закрыт, открывается подающий клапан 32, соответствующий этому скрубберу 32, так что свежий чистящий раствор отводится из замкнутого контура 20 в скруббер 10 до тех пор, пока уровень раствора в скруббере 10 не достигнет первого переключателя уровня, после чего подающий клапан 32 закрывается.

Действие подающих клапанов 32 и обратных клапанов 64 скрубберов 10 можно синхронизировать так, чтобы в любой заданный момент времени подающий клапан 32 одного скруббера 10 был открыт, и обратный клапан 64 другого скруббера 64 был открыт. Когда клапаны 32, 64 работают таким образом, будет непрерывный обход чистящего раствора через выход 24 и непрерывный отвод чистящего раствора через входное отверстие 26. Альтернативно, могут быть периоды, в которые чистящий раствор вообще не будет отводиться в скрубберы 10 или возвращаться из них.

Относительно кислый чистящий раствор, который выходит из скрубберов 10, входит в замкнутый контур 20 через входное отверстие 26 в баке 34, где он смешивается с циркулирующим раствором, входящим в бак 34 через второе входное отверстие 38 для жидкости. Следовательно, кислотность раствора, который поступает в замкнутый контур через выходное отверстие 40 для жидкости в баке 34, постепенно повышается по мере того, как больше раствора выводится из скрубберов 10.

Кислотность циркулирующего раствора отслеживается анализатором 46 жидкости, который подает на контроллер 52 сигнал 50, указывающий на кислотность раствора у выхода 24 замкнутого контура 20. В ответ на полученный сигнал контроллер 52 регулирует уменьшение кислотности циркулирующего раствора посредством устройства 48 удаления кислоты, посылая соответствующие управляющие сигналы 58 на устройство 48 удаления кислоты. Целью этого контроля устройства 48 удаления кислоты является регулирование растворимости в растворе, находящемся в скрубберах 10, твердых частиц SiO2, которые вовлекаются в газовый поток, входящий в скрубберы 10.

Как обсуждалось выше, сначала кислотность чистящего раствора в скрубберах 10 будет относительно низкой, так что растворимость частиц SiO2 в растворе также будет относительно низкой. Следовательно, содержание твердых веществ в чистящем растворе, выходящем из скрубберов 10, сначала будет относительно высоким. Эти твердые вещества входят в замкнутый контур 20 и улавливаются фильтровальными устройствами 42. На этой стадии скорость уменьшения кислотности циркулирующего раствора устройством 48 удаления кислоты будет относительно низкой.

По мере повышения кислотности циркулирующего раствора из-за входа в замкнутый контур 20 относительно кислого чистящего раствора, выходящего из скрубберов, растворимость частиц SiO2 в растворе, отводимом в скрубберы 10, также будет повышаться. В результате чистящий раствор, выходящий позднее из скрубберов 10, будет содержать повышенное количество растворенных фторсиликатов и пониженное количество частиц SiO2. Это позволяет значительно увеличить срок службы фильтровальных устройств 42.

По мере продолжения роста кислотности циркулирующего раствора, устройством 48 удаления кислоты регулируется степень уменьшения кислотности циркулирующего раствора, пока не будет достигнуто стационарное состояние, при котором кислотность раствора, проходящего через гидравлический анализатор 46, поддерживается относительно постоянной на уровне выбранной кислотности или выше. Эта кислотность выбирается так, чтобы растворимость частиц SiO2 в растворе в скрубберах 10 была относительно высокой, и так, чтобы кислотность не была слишком высокой, чтобы значительно снижать срок службы устройства. Например, если концентрация частиц SiO2 в газовом потоке составляет около 200 ч/млн, концентрация HF в отведенном растворе предпочтительно поддерживается на или выше 400 ч/млн.

Теперь с обращением к фигуре 2 будут описаны структура и работа одного примера устройства 48 удаления кислоты, подходящей для применения в устройстве. Другие примеры подходящих устройств удаления кислоты описаны в рассматриваемой одновременно патентной заявке этих же авторов US 2006/0101995 A1, содержание которой введено здесь ссылкой.

Устройство 48 удаления кислоты представляет собой электрохимическое устройство и в данном примере является регенерируемым электрохимически ионообменным устройством. Устройство 48 содержит анод 80 и катод 82 на противоположных сторонах устройства 48. Эти электроды 80, 82 опущены в ванну электролита, который подается в два противоположных канала электродов 84 устройства 48. Согласно фигуре 1, электролит подается в каналы 84 электродов из замкнутого контура 86 электролита, содержащего емкость 88 для хранения электролита и насос 90 для непрерывной циркуляции электролита в замкнутом контуре 86. Электролит может содержать водный раствор, содержащий 0,25% фосфорной кислоты для ингибирования коррозии катода 82.

Между каналами 84 электродов устройство 48 содержит набор расположенных поочередно каналов 92 удаления ионов и каналов 94 концентрата. Каналы 92 удаления ионов соединяются во внутреннем коллекторе для получения скрубберной жидкости из замкнутого контура 20 и для возвращения скрубберной жидкости, имеющей пониженную кислотность, в замкнутый контур 20. Каждый из каналов 92 удаления ионов содержит ионообменный материал 96, который может включать тщательно перемешанную смесь гранул ионообменной смолы. В данном примере гранулы ионообменной смолы содержат анионообменные центры для притяжения выбранных анионов, которые в этом примере включают фторидные и фторсиликатные ионы, содержащиеся в скрубберной жидкости, проходящей через каналы 92 удаления ионов. Однако может предусматриваться смесь анионных и катионных гранул.

За исключением материала 96 для удаления ионов, ближайшего к катоду 82, ионообменный материал 96 ограничен с одной стороны с анионопроницаемой мембраной 98, а с другой стороны - катионопроницаемой мембраной 100. Эти мембраны 98, 100 относительно тонкие и работают таким образом, что выбранные ионы способны проходить через мембрану, перемещаясь от одного ионообменного центра в другое, одновременно ингибируя прохождение воды и других неионных молекул через мембраны. Материал 96 для удаления ионов, ближайший к катоду 82, ограничен с одной стороны мембраной 98 с анионной проницаемостью, а с другой стороны - мембраной 101, проницаемой для ионов обоих знаков.

Каналы 94 для концентрата аналогично находятся в гидроаппарате и принимают водный концентрированный раствор из замкнутого контура 102 для концентрата, содержащего емкость-хранилище 104 концентрата и насос 106 для концентрата для непрерывной циркуляции концентрированного раствора в замкнутом контуре 102 концентрата. Давление чистящего раствора, проходящего через каналы 92 удаления ионов, больше, чем давление концентрированного раствора, проходящего через каналы 94 для концентрата, так что может произойти относительно небольшая утечка чистящего раствора в каналы 94 для концентрата, а также в каналы 84 электродов. Это служит для предотвращения прохождения концентрированного раствора и электролита через мембраны 98, 100 в чистящий раствор. Осмос также будет заставлять некоторое количество воды переходить из чистящего раствора в концентрированный раствор.

При работе ионообменный материал 96 в ионообменных каналах 92 абсорбирует фторидные и фторсиликатные ионы, содержащиеся в чистящем растворе, входящем в устройство 48. Контроллер 58 создает разность потенциалов между электродами 80, 82, чтобы создать электрическое поле по толщине ионообменного материала 96 в каждом канале 92 удаления ионов. Под действием электрического поля вода диссоциирует на ионы водорода, которые перемещаются приложенным электрическим полем через совокупность каналов к катоду 82, и на гидроксидные ионы, которые переносятся приложенным электрическим полем через совокупность каналов к катоду 80.

Эти образованные ионы перемещаются вдоль линии по меньшей мере сопротивления через ионообменный материал, причем образованные ионы вытесняют ионы, которые были поглощены из чистящего раствора. Другими словами, в каждом канале 92 удаления ионов образованные гидроксидные ионы вытесняют абсорбированные фторидные и фторсиликатные ионы, регенерируя ионообменный материал. Вытесненные анионы движутся поперек толщины ионообменного материала 96 и проходят через катионопроницаемую мембрану 98 в канал 94 для концентрата. Кроме того, перемещение анионов через набор каналов предотвращается катионопроницаемой мембраной 100, ограничивающей канал 94 для концентрата, и таким образом анионы выводятся из устройства 48 в концентрированный раствор, проходящий через каналы 94 для концентрата.

Скорость, с которой анионы движутся из канала 92 удаления ионов в каналы 94 для концентрата, и таким образом, степень, до которой снижается кислотность чистящего раствора устройством 48, зависит, помимо прочего, от электрохимической движущей силы, которая заставляет анионы двигаться через ионообменный материал 96. Таким образом, контроллер 58 способен регулировать величину электрического поля, созданного между электродами 80, 82, чтобы регулировать уменьшение кислотности раствора, проходящего через устройство 48.

Так как устройство 48 удаления кислоты работает на удаление кислоты из циркулирующего чистящего раствора, кислотность концентрированного раствора, находящегося в баке 104 для концентрата, будет постепенно увеличиваться. Чтобы контролировать кислотность концентрированного раствора, некоторое количество концентрированного раствора периодически выводится из замкнутого контура 102. Возвращаясь к фигуре 1, замкнутый контур 20, в котором циркулирует чистящий раствор, имеет второй выход 110, находящийся между анализатором 46 и устройством 48 удаления кислоты. Линия 112 подачи раствора проходит между вторым выходом 110 и входным отверстием 114 бака 102 для концентрата. Замкнутый контур 102 концентрата имеет выходное отверстие 116, находящееся между баком 104 для концентрата и насосом 106 для концентрата. Линия 118 выведения концентрата идет от выходного отверстия 116 и содержит выпускной клапан 120 и откачивающий насос 122. Включение выпускного клапана 120 регулируется переключателями высокого и низкого уровня, находящимися в баке 104 для концентрата, между которыми обычно поддерживается уровень концентрированного раствора в баке 104 для концентрата.

Когда полное количество чистящего раствора, который был выведен из скрубберов 10, достигает определенной величины, например около 100 литров, открывается клапан 124, находящийся в линии 112 подачи раствора, чтобы отвести чистящий раствор из замкнутого контура 20 в бак 104 для концентрата. Когда уровень концентрированного раствора в баке 104 для концентрата достигнет переключения высокого уровня в баке 104, клапан 124 закрывается, и открывается выпускной клапан 120, так что концентрированный раствор откачивается из замкнутого контура 102 концентрата по спускной линии 120. Когда уровень концентрированного раствора в баке 104 для концентрата упадет до переключателя нижнего уровня, например, после того, как примерно 10 литров концентрированного раствора будет выведено через спускную линию 118, клапан 120 закрывается. Выведенный концентрированный раствор может быть удален из устройства для дальнейшей обработки.

Такая периодическая выгрузка концентрированного раствора будет постепенно снижать количество чистящего раствора, циркулирующего в замкнутом контуре 20. Ввиду этого бак 34 также снабжен переключателями верхнего и нижнего уровня. Когда уровень чистящего раствора в баке 34 упадет до переключателя нижнего уровня, открывается клапан 60, что позволить подать воду в бак через первое входное отверстие 36 для жидкости. Клапан 60 закрывается, когда уровень чистящего раствора в баке 34 достигнет переключателя верхнего уровня.

1. Способ обработки газового потока, содержащего кислоту и твердые частицы, включающий этапы, на которых
- циркулируют водный чистящий раствор через, по существу, замкнутый контур, содержащий устройство удаления кислоты для снижения кислотности раствора;
- подают, по меньшей мере, часть циркулирующего раствора в скруббер для газоочистки;
- подают газовый поток в скруббер;
- осуществляют мониторинг кислотности раствора, подлежащего подаче в скруббер; и
- регулируют уменьшение кислотности раствора в зависимости от измеренной кислотности для регулирования растворимости твердого компонента газового потока в указанной, по меньшей мере, части циркулирующего раствора.

2. Способ по п.1, при котором указанную, по меньшей мере, часть циркулирующего раствора отводят из замкнутого контура и позднее возвращают в замкнутый контур.

3. Способ по п.2, в котором устройство удаления кислоты является электрохимическим устройством.

4. Способ обработки газового потока, содержащего кислоту и твердые частицы, причем способ включает этапы, на которых
- циркулируют водный чистящий раствор через, по существу, замкнутый контур, содержащий устройство удаления кислоты для снижения кислотности раствора;
- отводят часть циркулирующего раствора из замкнутого контура в скруббер газоочистки;
- подают газовый поток в скруббер для растворения в отведенном растворе;
- возвращают отведенный раствор в замкнутый контур;
- осуществляют мониторинг кислотности циркулирующего раствора в месте, находящемся в пределах замкнутого контура; и
- регулируют уменьшение кислотности раствора в зависимости от измеренной кислотности для регулирования растворимости твердого компонента газового потока в отведенном растворе.

5. Способ по п.4, при котором кислотность отведенного раствора поддерживают на или выше заданного значения.

6. Способ по п.5, при котором кислотой является HF и концентрация HF в отведенном растворе поддерживают на или выше 400 млн-1.

7. Способ по любому из пп.4-6, при котором осуществляют мониторинг кислотности раствора в месте, находящемся выше по потоку от электрохимического устройства и ниже по потоку от места, в котором раствор отводится в скруббер.

8. Способ по п.3 или 4, при котором отведенный раствор возвращают в емкость-хранилище, расположенную, в замкнутом контуре, и в которой отведенный раствор смешивается с раствором, выпущенным из электрохимического устройства.

9. Способ по п.3 или 4, в котором электрохимическое устройство содержит регенерируемое электрохимически ионообменное устройство.

10. Способ по п.3 или 4, причем электрохимическое устройство содержит ионообменный материал для поглощения выбранных ионов из раствора и поперек этого материала прикладывается электрическое поле, чтобы заставить абсорбированные ионы перемещаться через ионообменный материал в отдельный раствор, и причем напряженность электрического поля корректируется в зависимости от измеренной концентрации.

11. Способ по п.1 или 4, в котором твердым компонентом газового потока является компонент на основе кремния газового потока.

12. Способ по п.1 или 4, в котором твердым компонентом газового потока является диоксид кремния.

13. Способ по п.1 или 4, при котором осуществляют мониторинг кислотности раствора путем измерения электропроводности раствора.

14. Способ по п.1 или 4, при котором кислота содержит галогенид и причем осуществляют мониторинг кислотности раствора с применением онлайнового анализатора кислотности, такого как анализатор галогенида.

15. Способ по п.1 или 4, в котором кислота содержит, по меньшей мере, одну кислоту, выбранную из группы, содержащей HF, HCl, HNO3, H2SO4, H3BO3 и H3PO4.

16. Устройство для обработки газового потока, содержащего кислоту и твердые частицы, содержащее:
- скруббер для газоочистки;
- циркуляционную систему с, по существу, замкнутым контуром, содержащую насос для циркуляции водного чистящего раствора по замкнутому контуру, электрохимическое устройство для снижения кислотности циркулирующего раствора и выходное отверстие для отведения части циркулирующего раствора из замкнутого контура в скруббер газоочистки;
- скруббер газоочистки, имеющий первый вход для приема отведенного раствора, второй вход для приема газового потока для растворения в отведенном растворе, и выход, через который отведенный раствор выводится из скруббера, причем замкнутый контур имеет входное отверстие для приема раствора, выходящего из скруббера;
- устройство для мониторинга кислотности раствора в месте, находящемся в пределах замкнутого контура; и
- контроллер для регулирования уменьшения кислотности раствора в зависимости от измеренной концентрации для регулирования растворимости твердого компонента газового потока в отведенном растворе.

17. Устройство по п.16, в котором контроллер выполнен с возможностью поддержания кислотности отведенного раствора на или выше заданного значения.

18. Устройство по п.17, в котором контроллер выполнен с возможностью поддержания концентрации HF в отведенном растворе на или выше 400 млн-1.

19. Устройство по любому из пп.16-18, в котором указанное устройство для мониторинга кислотности раствора находится в замкнутом контуре выше по потоку от электрохимического устройства и ниже по потоку от выходного отверстия.

20. Устройство по любому из пп.16-18, в котором входное отверстие находится в емкости-хранилище, предусмотренной в замкнутом контуре, и в этой емкости раствор, выходящий из скруббера, смешивается с раствором, выходящим из электрохимического устройства.

21. Устройство по любому из пп.16-18, в котором указанное устройство для мониторинга кислотности раствора выполнено с возможностью измерения электропроводности раствора.

22. Устройство по любому из пп.16-18, в котором указанное устройство для мониторинга кислотности раствора является онлайновым анализатором кислотности, таким как анализатор галогенида.

23. Устройство по любому из пп.16-18, в котором электрохимическое устройство содержит регенерируемое электрохимически ионообменное устройство.

24. Устройство по любому из пп.16-18, в котором электрохимическое устройство содержит ионообменный материал для поглощения выбранных ионов из раствора и поперек которого приложено электрическое поле, чтобы заставить абсорбированные ионы перемещаться через ионообменный материал в отдельный раствор, причем контроллер выполнен с возможностью регулировать напряженность электрического поля в зависимости от измеренной концентрации.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и установке для удаления ионизируемых примесей из раствора электролита в электромембранном устройстве. .

Изобретение относится к технике электродиализа. .

Изобретение относится к способу отделения, концентрирования и извлечения соединения бора из водного раствора, содержащего бор, сильно диссоциированные анионы и некоторые катионы.

Изобретение относится к устройству для электродеионизации и способу удаления ионов из водного раствора в устройстве для электродеионизации, которое, в частности, содержит множество отсеков разбавления и отсеков концентрирования, а также непрерывную фазу первого ионообменного материала с дисперсной фазой второго ионообменного материала.

Изобретение относится к химической технологии. .

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при получении едких щелочей, в частности гидроокиси калия. .

Изобретение относится к конструкциям электродиализаторов, используемых для деминерализации растворов и получения солевых концентратов. .

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при получении едких щелочей, в частности, гидроокиси калия. .

Изобретение относится к области электрохимии и касается электродиализатора, содержащего корпус с расположенными внутри него электродами, между которыми расположены чередующиеся анионообменные и катионообменные мембраны, образующиеся рассольные и обессоливающие камеры, с размещенной в них засыпкой из ионообменного наполнителя, патрубки ввода и вывода раствора и концентрата, причем перед катодом расположена рамка со слоем анионообменной смолы, отделенным смачиваемой перегородкой от слоя катионообменной смолы, а после анода расположена рамка с активированным углем, при этом каждая камера обессоливания снабжена рамкой, по периметру которой установлены постоянные неодимовые магниты таким образом, что вектор индуцируемого в среде электрического поля совпадает с приложенным вектором электрического поля, и коллекторы внутри рамок выполнены гидравлически обтекаемыми с закругленными кромками.
Изобретение относится к обратимому удалению кислоты или кислот, выбранных из группы, состоящей из НСl, HF и НВr, из газовых смесей, которые содержат кислоты и одно или несколько других газообразных составляющих, представляющих собой РF 5, С(O)F2 или фторангидрид карбоновой кислоты.

Изобретение относится к способу и системе газоочистки для отделения газообразных загрязняющих веществ, таких как соляная кислота и диоксид серы, от горячих технологических газов, таких как топочные газы.
Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к очистке отходящих газов от радиоактивного йода. .
Изобретение относится к технологии переработки отходов, образующихся при использовании высших фторидов металлов: WF 6, UF6, МоF6, ReF6 и содержащих фтористый водород, в частности к получению сорбента для очистки упомянутых гексафторидов.

Изобретение относится к химической технологии. .

Изобретение относится к синтезу гранулированных химических поглотителей для улавливания фторсодержащих газов. .

Изобретение относится к способам получения сорбентов для улавливания газообразных фторидов: фторида водорода, гексафторидов молибдена, вольфрама, рения, урана и др.

Изобретение относится к способу и установке для обработки газообразных отходов, производимых по меньшей мере одним электролизером. .
Изобретение относится к технологии переработки неорганических веществ и может использоваться для разделения газовых смесей летучих фторидов. .

Изобретение относится к производствам атомной промышленности и, в частности, к технологии обезвреживания сбросных фторсодержащих газовых смесей разделительного производства.
Наверх