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CN217909777U - 气体处理设备 - Google Patents

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CN217909777U CN202221587072.7U CN202221587072U CN217909777U CN 217909777 U CN217909777 U CN 217909777U CN 202221587072 U CN202221587072 U CN 202221587072U CN 217909777 U CN217909777 U CN 217909777U
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G·黎
L·丹东尼奥
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Abstract

本申请案涉及气体处理设备。描述包含预热器的气体处理系统，其用于处理气体的流动，使气体流动到接触介质(例如，净化介质、催化剂、吸附剂)，且描述相关方法。

Description

气体处理设备
技术领域
本公开涉及包含预热器的气体处理系统，其用于通过使气体流动以接触介质来处理气体，且涉及相关方法。
背景技术
气体被用作原材料或处理材料(统称为“原材料气体”)，用于许多不同的商业及工业用途，包含用于制造半导体及微电子装置。
为了制备在工艺中使用的气体，可以各种不同的方式处置或处理气流，以对气体产生各种不同的影响。在制造工艺中使用原材料气体之前，可对气体进行加热、冷却、净化或过滤。
气体净化系统适于将高度净化原材料气体的一致流供应到一件制造装备(例如半导体或微电子处理工具)。实例气体包括氮气、氩气、氦气、氢气、氨气、二氧化碳、洁净干燥空气(“CDA”)及氧气，其每一者都呈高度净化的形式。
用于净化气流的技术可涉及使气体与介质材料接触，介质材料可从气体移除一定量的杂质。通过一些技术，通过隔离杂质，例如通过使杂质吸附在吸附剂(即“吸附介质”)的表面上，从气流移除杂质。通过其它技术，可使用催化剂将杂质化学转化为衍生化合物，与原始杂质相比，所述衍生化合物被认为是更合需要的或更不会不合需要。
制造商已设计用于执行气体净化工艺的高度专业化装备。用于净化气体的系统将包含容纳器(容器)，其固持一种类型的介质(例如，净化介质)，例如吸附剂或催化剂，以及引导原材料气体流过容器以接触介质的附属流量控制装备。控制件被包含以控制工艺条件，例如温度、压力及流速。
许多气体净化系统包含预热器，其用于在气体流过含有介质的容器之前对气体进行预热。例如，为了改进催化净化工艺的效率，可在接触催化剂之前对气体进行预热。用于这些类型的催化工艺的装备包含含有催化剂的容器、使气体流过催化剂的流量控制件，及在气体流动以接触催化剂之前将气体加热到高温的预热器。
气体预热器在吸附式气体净化系统中也可能是有用的。在这些系统中，通过使气体流动以接触吸附介质来进行吸附净化。使气体流动通过吸附介质会导致杂质被吸附到吸附介质上。在使用一段时间后，杂质会积累在吸附介质上。在充分积累之后，吸附介质变得不那么有效，且可通过从介质移除积累的杂质来“再生”。
通过使经加热气体(“再生气体”)通过原始容器中的吸附介质，可在吸附介质保留在与净化步骤期间含有介质的同一容器中的情况下进行再生工艺。再生气体接触吸附介质的表面，且已积累在介质表面上的吸附杂质将从表面解吸，并被再生气体从吸附介质带走。
为了通过再生气体有效再生吸附介质，再生气体通常在接触吸附介质之前进行预热。再生工艺所需的装备包含含有吸附介质的容器、在再生步骤期间使再生气体流动通过吸附介质的流量控制件，及在再生气体流动通过吸附介质之前加热再生气体的预热器。
实用新型内容
用于气体净化系统的常规预热器与含有介质的容器(“介质容器”)分离。一些预热器设计(作为“独立”设计)将预热器放置在与介质容器间隔开的位置，并通过延伸气流导管将预热器连接到介质容器。其它设计将预热器放置在介质容器附近，可能作为共同结构的部分(“集成”设计)，但这些设计没有提供任何大小优势，这意味着具有“集成”设计的预热器大小与“独立”预热器的大小相同。此外，“集成”设计的预热器不允许在预热器与介质容器之间共享热能，除非通过使经加热气体从预热器流到介质容器。
以下描述涉及气体处理装备，其包含具有新颖性及创造性设计的介质容器及预热器。除了通过从预热器流到介质容器的预热气体交换的热之外，新颖性设计还允许预热器通过预热器及介质容器的结构(例如，通过结构的侧壁)与介质容器共享热能。此外或替代地，新颖设计允许减小预热器的大小，或者减小组合的预热器与介质容器的总大小。
所描述的气体处理装备通常包含预热器，用于在气体流向后续处理操作(例如使气流与介质接触以使气体接触介质的操作)之前对气流进行预热。例如，介质可为催化剂或吸附介质。
一系列不同类型的气体处理操作涉及使气体与另一材料接触，本文中一般称为“介质”。介质可为各种材料中的任一者，具体实例为固体材料(即，与液体或气体材料相对)，其可为一系列形式(例如，具有多孔形态及各种大小的固体(非液体、非气体)块的颗粒、细粒)，且在与气体接触时可作为催化剂、吸附剂或其它用途。
当通过使气体与介质接触以使介质与气体相互作用来处理气体时，工艺可能需要或可通过在高温下操作工艺、通过加热气体、介质或两者来改进。例如，通过催化技术净化原材料气体的工艺通常在高温下执行。同样，用于吸附型净化技术的吸附介质再生工艺通常在高温下执行。针对这些方法，相关气体(原材料气体或再生气体)在气体与相关介质(催化剂或吸附介质)接触之前进行预热。
在高温下使气体与介质接触以使介质与气体相互作用的工艺期间，优选条件包含整个工艺(意味着整个介质床)中的均匀温度分布。优选地，含有介质且气体流动通过介质的容器将被控制到所期望的工艺温度，且整个容器以及容器、气体及介质的所有位置保持在相同的所期望的工艺温度。整个容器的热梯度优选地最小化，以产生高工艺效率。
在典型的气体净化系统的设计中，相对于含有介质(例如，净化介质，例如催化剂或吸附剂)的容器，气体预热器是完全独立的结构。单独(独立)预热器是一件独立的工艺装备，其需要单独的流量控制、单独的温度及压力控制及传感器、单独的加热及绝缘装备以及完全单独的物理容纳结构。必须建造单独的预热器，以控制与介质容器的压力处于相同的压力下的气流，且预热器必须包含与介质容器的加热元件及绝热体完全分离的加热元件及绝热体。
根据独立设计的修改版本，气体预热器可建置成使得预热器的输出靠近介质容器的输入端。预热器在物理上与介质容器“成直线”布置。气体进入预热器，并在完全位于介质容器上游并与介质容器成直线的位置流动通过预热器。预热器及介质容器保持为大体上单独的物理结构。两个物理结构不共享任何实质性的共同结构，且两个单独的结构不允许大量(有用量)的热能交换，这意味着经预热气体从预热器流入介质容器的情况除外。
本专利申请描述包含预热器的气体处理设备，所述预热器以允许预热器与介质容器共享空间或通过传导热传递与介质容器共享热能或两者的方式集成到介质容器的物理结构中。所描述的设计允许大量热能凭借通过预热器及介质容器的二维物理表面，特别是通过预热器及介质容器的二维侧壁的热传导，而从预热器传递到介质容器。
如所描述的气体净化设备的实例包含介质容器，其具有在一端处的入口，及在相对端处的出口，以及在两端之间延伸的长度及容积。根据实例设备，所述预热器沿所述介质容器的长度的至少一部分定位。此外，例如，所述预热器可沿着所述介质容器的长度接触所述介质容器，且所述接触允许热能通过预热器与介质容器之间的热传导而传递。实例设备包含沿介质容器的长度定位的预热器，所述介质容器包含介质容器的一端及从所述介质容器的所述端沿所述介质容器的长度向相对端延伸的部分。
使用实例设计，沿预热器的长度的预热器的表面与沿介质容器的长度的介质容器的表面接触或共享。当两个表面共享或热接触时，组合的结构可潜在地经设计成具有整体减少的物理组件。减少的物理组件数量可允许节省成本，可允许减少两个组合的组件的总大小(尤其是长度)，或两者。
实例预热器设计包含内部容积，其包含至少一个呈环形的部分。环形预热器容积可在流动通过环形预热器容积的气体与接触预热器外表面的加热元件之间提供紧密接触。使流动通过预热器的环形容积的气体与加热元件紧密接触可改进加热元件加热气体的效率，这可潜在地允许使用大小减小(例如，与其它预热器设计相比，具有较小的内部容积或较小的整体空间要求)的预热器。
预热器的环形内部容积的实例可包含一或多个内部表面，其引导气流通过环形容积。一个实例是位于环形容积的内部表面处的通道，其引导气体顺着沿环形容积的长度延伸的螺旋形路径流动。作为预热器的环形容积的部分的螺旋形通道可迫使流动通过预热器的气体围绕预热器的圆周流动，并逐渐(以螺旋形路径)沿预热器的长度流动。环形路径使热能通过预热器均匀分布在气体中，这意味着热能从与预热器接触的加热元件高效且均匀地传递到预热器内部容积内的气流。将热能有效地传递到气体会产生来自预热器的气流，其温度高度均匀，气体内部的温度变化很小或没有变化，且随着气体离开预热器，气体内部的热梯度减少或基本消除。
一方面，本公开涉及一种气体处理设备，其包含：介质容器，其包含包括介质容器入口的介质容器入口端、包括介质容器出口的介质容器出口端、在所述入口端与所述出口端之间延伸某一长度的介质容器侧壁，及在所述入口端与所述出口端之间延伸的介质容器内部；及气体预热器，其沿所述介质容器侧壁的长度定位。
另一方面，本公开涉及一种使用气体处理设备的方法。所述设备包含：介质容器，其包含包括介质容器入口的介质容器入口端、包括介质容器出口的介质容器出口端、在所述入口端与所述出口端之间延伸某一长度的介质容器侧壁、在所述入口端与所述出口端之间延伸的介质容器内部，及所述内部中含有的介质；气体预热器，其沿所述介质容器侧壁的长度定位；及加热元件，其覆盖所述预热器的至少一部分。所述方法包含：使气体流动通过所述气体预热器以预热所述气体，及使所述经预热气体通过所述介质容器内部并与所述介质接触。
附图说明
图1说明预热器及介质容器的现有技术布置。
图2说明预热器及介质容器的现有技术布置。
图3说明本说明书的气体处理系统。
图4说明本说明书的气体处理系统。
图5A及5B说明包含内部流量控制表面的预热器的实例。
所有图均为示意性、说明性的，且不一定按比例绘制。
具体实施方式
以下描述用于处理气流且包含预热器的气体处理装备。还描述使用装备以用于在对气流执行后续处理操作之前，通过加热(“预热”)气体来处理气体的方法。
用于处理气流的装备及技术可能涉及使气流与介质接触。为了净化气体，气体含有杂质，且介质可在介质与气体接触期间减少气体中杂质的量。
通过一些气体净化技术，通过隔离杂质，例如通过使杂质吸附在吸附剂材料的表面上而从气流移除杂质。气体流动以接触固体吸附剂材料，且气体中存在的杂质被吸引并吸附到吸附剂的表面上，以从气体移除杂质。已知多种吸附剂材料。吸附剂可具各种大小及形状，例如小颗粒、细粒、丸粒、壳、立方体、整体等，每容积具有所期望量的表面积。
气体净化工艺的吸附剂材料的组合物也可能有所不同，且可基于被处理的气体类型、杂质类型、所期望的移除效率或其它因素进行选择。已知对于从气流吸附杂质有用的吸附剂的实例包含：活性炭、沸石材料、“金属-有机框架”(MOF)吸附剂、吸气剂例如锌钒及锌铝吸气剂等以及其它吸附剂。
含有杂质且可使用吸附剂处理以移除杂质的气体类型包含氮气、氩气、氦气、氢气、氨气、二氧化碳、洁净干燥空气(“CDA”)及氧气以及其它气体。
在吸附式气体净化系统的使用期间，一定量的杂质将积累在吸附剂上。可通过“再生”步骤从吸附剂移除积累的杂质，且然后可再次使用吸附剂以净化气体。在再生步骤中，气流(“再生气体”)在高温下通过吸附剂。如本文所描述的，高温由预热器产生。
再生气体可为在再生步骤中有效地从吸附介质移除积累的杂质的任何气体。用于从吸附介质移除杂质的再生气体的组合物取决于包含使用吸附介质处理的原材料气体类型在内的因素。针对实例系统，可用于从吸附介质(用于从特定类型的原材料气体(在括号中标识)移除杂质)移除积累的杂质的再生气体包含以下再生气体：氮气/氢气混合物(氮气)、氩气/氢气混合物(氩气)、氦气/氢气混合物(氦气)、氢气(氢气)，氮气/氢气混合物(氨气)、氮气/氢气混合物(二氧化碳)、洁净干燥空气(洁净干燥空气)、氧气(氧气)。
通过不同的气体净化技术，气体净化步骤可使用催化剂以从气体中减少或移除一定量的杂质。通过这些技术，气体中含有的杂质可通过使用催化剂而化学转化，例如化学还原或化学氧化为比原始杂质更合需要或更不会不合需要的化学化合物。实例催化剂有效地化学还原氮氧化物(NOx)，以氧化一氧化碳或氧化碳氢化合物(例如甲烷)以形成水及二氧化碳。通过这些技术，气体流动以接触催化剂材料，且杂质(例如氮氧化物、一氧化碳或碳氢化合物，例如甲烷)被化学转化(例如化学还原或化学氧化)为相对于原始杂质优选的化学化合物。
气体净化工艺的催化剂的组合物也可变化，且可基于被处理气体的类型、被处理气体中所含杂质的类型、移除杂质的期望效率以及其它因素来选择。已知可用于转化气流中所含杂质的催化剂实例包含：铑、铂、钯等。
通过使气体流动通过介质床来处理气体的气体处理设备包含含有介质的容器(“介质容器”)，及适于引导气体流动通过介质的流量控制件。装备还包含预热器，其用于在气体进入介质容器之前对气体进行加热(“预热”)。
根据所描述的气体处理设备的实例，有用的设备包含介质容器，其具有入口端、出口端、在所述端之间延伸的长度，及沿长度延伸并界定介质容器的内部容积的侧壁。侧壁可由刚性导热材料(例如金属)制成。
此外，根据实例设备，预热器的一部分沿介质容器的长度的至少一部分邻近于介质容器的外表面定位。有用的或优选的预热器可包含与介质容器的外二维表面热接触的二维表面。
与介质容器“热接触”的预热器是指具有二维表面(例如侧壁)的预热器，所述二维表面定位成与介质容器的二维表面(例如侧壁)足够接近以允许有用量的热能从预热器的表面传递到介质容器的表面；在使用预热器向介质容器供应经预热气体期间，有用量的热能可为多于从预热器传递到介质容器的可忽略量的热能。可在两个表面之间传递的热能的量将取决于两个表面结构之间的距离或接触量、两个表面结构的组合物及热导率，以及安置在两个表面之间的任何(固体、液体、气体)材料的组合物及形式。
为了在预热器与介质容器之间提供有用量的热接触，实例气体处理设备可经构造使得预热器的侧壁的二维导热表面与介质容器的侧壁的二维导热表面直接接触。预热器的侧壁结构可识别为单独的物理结构，其不是介质容器的必需组件，且两个不同的侧壁结构彼此直接物理接触，以允许通过热传导将热能从预热器侧壁表面有效传递到介质容器侧壁的表面。
替代地，介质容器及预热器中的每一者的单独侧壁(其可单独地识别且仅与介质容器或预热器中的一者相关联)可分开小的距离或空间，且仍然被认为是热接触的。两个侧壁之间的空间可为空的(即，充满空气)或充满导热材料。两个侧壁结构可具有相对的表面，这些表面彼此面对的距离足够小，以允许结构之间所期望的热传递。实例距离可相对较小，例如小于10毫米，或小于5、2或1毫米。两个侧壁表面之间存在的气体或固体材料(例如，空气或导热固体)可允许两个侧壁之间的有效热传递。
替代地，如所描述的气体处理设备可以使介质容器的侧壁及预热器的侧壁由单一物理结构制成的方式构造。单一侧壁结构用于在侧壁的一侧上界定介质容器的内部(单一侧壁的“内部”)，且还用于在侧壁的相对侧上界定预热器的内部(单一侧壁的“外部”)。
相比之下，如果介质容器及预热器的侧壁结构的布置方式不允许在如本文所描述的气体处理步骤期间将有用量的热能从预热器传递到介质容器，那么认为这两个结构彼此不热接触。先前气体处理系统的各种设计将预热器及介质容器放置成两者不热接触。
例如，参考图1，“独立”预热器10是单独的装置，且定位于远离介质容器20的距离。两个单元仅通过气流导管连接，气流导管将经预热气体从预热器10的出口传递到介质容器20的入口。预热器10包含使用加热器12(未明确展示)加热且由绝缘材料18绝缘的内部容积，加热器12与绝缘材料18中的每一者通常位于预热器结构的外周边表面处。
气体进入入口14，通过预热器10的内部容积，包含通过加热器12附近的周边处的环形容积。使用加热器12将预热器10的内部容积保持在高温，以使气体温度达到所期望的升高。经预热气体22从出口16流出，且然后流动通过连接到介质容器20的输入30的导管(未展示)。介质容器20包含内部，所述内部含有介质26并由加热器24(未明确展示)及绝缘材料28加热及绝缘，加热器24及绝缘材料28中的每一者位于介质容器20的周边以环绕介质容器20。从预热器10到介质容器20的热能交换限于随经预热气体22从预热器10流向介质容器20发生的交换。介质容器20的物理结构与预热器10的物理结构不热接触。
参考图2，示意性地说明气体处理系统32，其包含介质容器40及位于介质容器40的入口46的“上游”位置的预热器42。“上游”是指流首先经引导通过预热器，然后通过介质容器40的系统。如所展示，预热器42是定位成距介质容器40一定距离的装置，其与介质容器40成直线且预热器通过间隙空间50与介质容器分离。预热器42通过间隙空间50(含有热电偶52)连接到介质容器44的入口46，预热气体通过预热器42的出口48进入间隙空间50。在预热器及介质容器系统的设计中，预热器42被称为与介质容器“集成”。
预热器42包含内部容积34及过滤器36，其使用加热器(未展示)加热，加热器可位于预热器42的外表面，并由绝缘材料38绝缘，预热器42及绝缘材料38中的每一者通常位于预热器42的周边。在预热器42的使用期间，气流进入入口44并通过预热器42的内部容积34，包含通过加热器附近的周边处的环形容积。加热器将内部容积34加热到高温，以使流动通过容积34的气体温度升高。经预热气体60从出口48流出，通过间隙空间50，然后通过入口46进入介质容器40。介质容器40包含含有介质66并由加热器(未展示)及绝缘材料38加热及绝缘的内部，预热器及绝缘材料38中的每一者环绕介质容器40的外表面。
随着经预热气体60从预热器42流到介质容器40，介质容器40与预热器42之间发生热能交换。介质容器40不与预热器42热接触。介质容器40及“集成”预热器42经构造使得预热器42的出口端定位成与介质容器40的入口46成直线。预热器42的任何部分均不沿介质容器40的长度的任何部分延伸，且预热器的侧壁(68)的二维表面不与介质容器的侧壁(70)的二维表面热接触。
如所说明的，介质容器40的侧壁70及预热器42的侧壁68可由沿介质容器40及预热器42两者的长度延伸的单件材料构造。将此单件材料用作介质容器及预热器两者的侧壁结构不会导致介质容器与预热器之间的热接触，至少因为可沿材料、穿过材料厚度及沿材料的长度传递的热能的量可忽略不计。
与此类先前设计相比，本说明书的实例预热器包含例如，在结构的二维表面上与介质容器热接触的物理结构。介质容器与预热器之间的热接触允许通过热传导将有用的大量热能从预热器传递到介质容器。
为了实现此热能传递，预热器的二维表面部分沿介质容器的长度物理上邻近于介质容器的外二维表面定位，且可优选地与介质容器的外表面直接物理接触。优选地，预热器侧壁及介质容器侧壁每一者由具有良好导热性的材料(例如金属)制成。
根据实例气体处理设备设计，预热器包含沿介质容器的长度延伸的内部容积。更明确来说，预热器包含在使用期间气体流动通过其的总内部容积，所述总内部容积包含环形部分(“环形容积”)。环形容积沿预热器的一部分延伸，预热器沿介质容器的外表面定位于介质容器入口与介质容器出口之间的介质容器的长度的至少一部分上。
在实例预热器中，预热器内部的总容积还包含非环形(例如，圆柱形)部分，其邻近于介质容器的出口端定位并与其成直线。预热器的总内部容积的这部分在本文中称为预热器的“端容积”。实例端容积可具有约等于介质容器的横截面形状及大小的横截面形状及大小(例如，直径)，且可具有在平行于介质容器的长度的方向上延伸的长度。
取决于预热器的使用，预热器可包含一或多个通路，其允许气流在外部位置与预热器内部容积(其可为端容积或环形容积)之间通过。这些通路延伸穿过预热器的外侧壁或端壁，且可称为“通路”、“入口”或“出口”。但是，通路通常可允许气体在两个方向中的任一方向上流入预热器或流出预热器，且无论通路被称为“入口”或“出口”，在由使用预热器的气体处理设备执行的不同工艺步骤期间，通路都可用作入口或出口。
在某些类型的实例预热器中，预热器可包含两个通路。一个通路可经定位以允许气体在预热器的环形容积与外部位置之间流动。不同的通路可经定位以允许气体在预热器的端容积与外部位置之间流动。
在替代实例中，预热器可仅包含一个通路，其经定位以允许气体在预热器的环形部分与外部位置之间流动。此实例不需要直接在预热器的端容积与外部位置之间通过的第二通路。
在实例设备中，将预热器沿介质容器的长度的一部分放置在介质容器的外部，可允许设备的有用或有利特征。这些可包含以下中的一或多者：预热器的有效性能，例如，在气体流量以及加热气体的效率及均匀性方面；降低对支持装备的要求，例如用于预加热器及介质容器的组合的多个单独的加热装置及绝缘材料；基于本说明书的设计的减小的大小及空间要求的结构优势；或流动通过预热器的气体的较温和的操作条件，例如必须流动通过预热器的再生气体的压力或流速减小。
通常，如所描述的预热器在用于预热输送到介质容器的气体时，可以改进的效率执行。预热器沿介质容器的长度定位于介质容器的外表面，且优选地与介质容器热接触，提供了一种高效的方法来加热流动通过预热器的气体，同时加热介质容器的至少一部分及介质容器的至少一部分中含有的介质。
作为一个优点，预热器沿介质容器的长度定位，且预热器及介质容器沿气体处理设备的共享长度定位，可允许减小预热器或设备的总大小。相对于相当的介质容器及“独立”预热器或相当的介质容器及“集成”预热器的总组合容积，预热器及介质容器的总组合容积可大幅减少。
此外，预热器沿介质容器的长度定位于介质容器的外表面可允许减少加热及绝缘预热器及介质容器所需的总加热元件及绝热材料的大小及数量。“独立”预热器设计及“集成”预热器设计(参见图1及2)两者未在介质容器与预热器之间实现任何明显量的热传递，但在预热器与介质容器之间的经加热气体的流动除外。相反，如所描述的预热器凭借通过预热器及介质容器的侧壁的热传导而使热能从预热器流入介质容器。加热元件及绝缘材料用于加热及绝缘预热器，定位为与介质容器热接触，用于同时加热及绝缘预热器及介质容器(介质容器的至少一部分)两者。
此外，预热器沿介质容器的长度定位于介质容器的外表面提供紧凑(有效)总大小的单一结构，与先前设计相比，其包含两个组合的预热器及介质容器结构的减少的总长度。相对于具有相同的处理能力(例如，包含相同大小的介质容器)的相当的介质容器及“集成”预热器的总组合长度，本说明书的预热器及介质容器的总组合长度可大幅减少。
在一些气体处理设备中，预热器相对于介质容器的容积可小于预热器与不同设计的介质容器的相对容积的容积，所述不同设计例如图1及2处所展示的“独立”设计或“集成”设计。在实例设计中，本说明书的气体处理系统的预热器的容积(例如，如图3或4处所说明的)可小于介质容器的容积的50％、40％、30％、20％或10％。
类似地，取决于气体处理设备的应用，与通过不同设计的预热器(例如“独立”预热器或“集成”预热器)所需的气流相比，相对于通过气体处理设备的介质容器的气体的流速(按容积)，通过预热器的气流的流速(按容积)可减少，或压力降低，或两者。例如，用于预热再生气体的本说明书的预热器可在再生步骤期间有效地执行，与用于预热再生气体的“独立”设计的预热器或“集成”预热器的预热器所需的气体流速相比，使用通过预热器的再生气体按容积显著较小的流速。
如所描述的气体处理设备的一个具体实例是气体净化系统，其包含介质容器中含有的吸附剂。参见图3。为了提供商业制造工艺中使用的原材料气体的高纯度，工艺可以高度净化原材料气体(“原材料气体”)源开始，所述原材料气体通常包含在存储容器中并从存储容器输送。在从存储容器输送原材料气体以用于制造工艺之前，原材料气体在制造工艺的某个位置通过额外的(最终)净化步骤进行处理。通过常用技术，此步骤通过将原材料气体从存储容器流入并流过气体净化系统来执行，所述气体净化系统含有颗粒形式的吸附介质，即，吸附介质颗粒的“床”。致使气流通过吸附介质颗粒床，以使气体与吸附介质的表面接触。当原材料气体与吸附介质的表面接触时，原材料气体中以极低含量存在的杂质被吸附介质吸附并从原材料气体移除。
在气体净化系统使用一段时间期间，从原材料气体移除的杂质将吸附到吸附介质上，并逐渐积累在吸附介质上。在充分积累后，吸附介质装满杂质，且效率较低。介质可替换或“再生”。介质再生是指从介质移除一定量的积累杂质以允许介质再次用于从原材料气体移除杂质的工艺。
通过使经加热气体(“再生气体”)通过容器中的吸附介质，可在吸附介质保留在用于净化步骤期间容纳介质的吸附容器中的情况下进行再生工艺。再生气体接触吸附介质的表面，且吸附在介质表面并积累在介质表面上的杂质从表面解吸，并在再生气体的流动中从介质带走。通过从吸附剂移除足够量的吸附杂质，再生吸附剂可再次用于从原材料气体移除杂质。
再生气体可在被带到与吸附介质接触之前进行加热(即，预热)。与未经加热再生气体相比，经加热再生气体能够从吸附介质移除更大量的杂质。
参考图3，所说明的是如本文所描述的气体处理设备的实例，其用于通过将气体中的杂质吸附到吸附介质颗粒床的表面来净化气体，且此外，其能够进行通过使经加热再生气体通过吸附介质床以从吸附介质移除杂质来再生吸附介质的步骤。
气体处理设备100包含介质容器及预热器，作为单个气体处理设备的部分。预热器以对流动通过预热器的再生气体提供有效预热的方式在结构上与介质容器相组合。
设备100包含介质容器110，其界定介质容器内部120(圆柱形，如所说明)，其含有呈介质颗粒床的形式的介质122(如所说明)。介质122可为吸附剂材料的颗粒，且气体处理设备100可用作气体净化设备，以通过在使原材料气体流动通过介质122床时使杂质吸附到介质122上而从原材料气体移除杂质。
介质容器110包含入口140、出口142及入口与出口之间的内部容积120。更明确来说，介质容器110包含入口端130(位于上部或“顶部”位置，如所说明)，其包含端壁134，端壁134含有介质容器入口(开口)140。介质容器110还包含出口端132(位于下部或“底部”位置)，其包含端壁136，以及介质容器出口(一或多个通路)142。介质容器内部120由入口端壁134、出口端壁136及侧壁(说明为圆柱形)138界定。介质容器出口142可为支撑结构，例如筛网或有孔板或盘，其包含经定大小为小于介质122的颗粒的大小的多个开口。因此，介质容器出口142可支撑介质122的颗粒，同时允许气流在容器110内部与预热器150内部之间通过。
预热器150位于出口端，与介质容器110的底部部分接触，且沿介质容器110的外侧的长度的至少一部分。介质容器110的长度是入口端壁134与出口端壁136之间的距离。
预热器150由内侧壁152制成，内侧壁152(任选地且如所说明)与介质容器110的侧壁138的结构相同。预热器150还包含位于与内侧壁152相对的位置的外侧壁154。预热器150还包含预热器出口158及预热器入口162。
预热器150包含预热器内部容积160，其包含两个部分：环形容积160a及端容积160b。环形容积160a是具有大体上环形形状的容积，且由内侧上的内侧壁152及外侧上的外侧壁154定界及界定，并沿介质容器110的长度的一部分延伸。端容积160b是具有大体上平坦圆柱形形状(具有大体上小于直径的高度(在介质容器110的长度方向上))的容积，由端容积160b的一侧(顶侧)上的介质容器端壁136及端容积160b的相对侧(底侧)上的预热器端壁156界定及定界。
绝缘或加热层170可包含加热器、绝缘(低导热)材料或两者，并位于预热器150及容器110上方，以封围预热器150及容器110两者。在预热器150沿设备100的长度的下部的位置处，在容器110的出口端处，来自加热层170的加热器的热流入预热器150，以加热流动通过预热器150的内部容积的气体。热还可凭借通过侧壁152(也是侧壁138)的热传导从预热器150传递到容器110。
在使用中，设备100可用作气体净化设备，以处理(净化)提供用于制造工艺(未展示)中的原材料气体，例如用于制造半导体或微电子装置。针对此用途，纯度相对较高的原材料气体可通过介质容器入口140流入介质容器110。原材料气体通过容器110，接触吸附介质122的表面，通过介质容器出口142，然后通过预热器150的端容积160b，并通过预热器出口158离开预热器150。在此工艺期间，预热器入口162的阀关闭，且不允许气流通过入口162。
预热器出口158直接或间接连接到制造装置，例如半导体或微电子装置制造系统，其将接收离开预热器出口158的经处理原材料气体。
与在入口140处进入容器110的原材料气体相比，离开预热器出口158的原材料气体具有降低的杂质含量。随着原材料气体通过容器110并接触介质122，原材料气体的杂质被吸附并积累在吸附介质122的表面上。在使用期间积累一定量的杂质之后，介质122变得不太有用，且可通过以再生气体将从介质122移除(解吸)一定量的积累杂质的方式使介质122与再生气体接触而进行再生。
在实例系统中，再生气体可在与原材料气体流动通过容器110的方向相反的方向上流动通过容器110；即，在净化步骤期间，原材料气体从顶部流向底部(如所说明)，从入口140流向出口142，且在再生步骤期间，再生气体从底部流向顶部，从出口142(现在用作入口)流向入口140(现在用作出口)。
在如图3处所展示的系统中，可使用预热器150对再生气体进行预热，且经预热再生气体将从预热器内部空间通过容器出口142流入介质容器110的内部120。通过使再生气体流动通过入口162，流动通过预热器150的内部容积160，且然后流动通过介质容器出口142(作为入口)，且进入并通过介质容器110的内部120，可对再生气体进行预热，同时热量加热所述预热器。
当通过入口162进入预热器的内部容积160时，再生气体的温度可为任何有用的温度，例如环境温度(例如23摄氏度)或近似环境温度，例如，在20到25摄氏度的范围内的温度。预热器及经预热气体的温度可为任何有用的温度，例如至少200摄氏度的温度，例如，从210到350℃的范围内的温度。
经预热再生气体通过介质容器110而与介质122接触，并使存在于介质122的表面上的积累杂质被再生气体解吸并从吸附介质表面移除。再生气体通过流过容器“入口”140(用作出口)而离开容器110，同时携带已从吸附介质122解吸及移除的杂质。
在某些实例气体净化设备中，再生步骤期间再生气体通过预热器及介质容器的流速可低于净化原材料气体的步骤期间原材料气体通过介质容器及预热器的流速。
原材料气体通过介质容器的流速可取决于气体类型、介质类型(催化剂、吸附剂)及将被移除的杂质的类型及量等而变化。以“标准立方米/小时”(NM3/hr)来表示，原材料气体通过介质容器的流速的实例可在10到200NM3/hr，例如20到160NM3/hr的范围内。
根据使用如所描述的气体处理设备的实例方法，在再生步骤期间，再生气体的流速可为净化步骤期间流动通过介质容器的原材料气体流速的分数。再生气体的流速可低于净化步骤期间原材料气体通过介质容器的流速的50％、40％、30％、20％、15％或10％。与净化步骤期间的原材料气体的流速相比，使用显著较低流速的再生气体执行再生步骤的能力可能是有利的，因为预热器可构建成更小的大小，例如容积。
类似地，流动通过预热器的再生气体的压力可为在净化步骤期间通过介质容器的原材料气体的压力的分数。在净化步骤期间，介质容器内的原材料气体的压力可在1到300磅/平方英寸表压(psig)的范围内。在再生步骤期间，如所描述的预热器内的再生气体的压力可在1到60磅/平方英寸表压(psig)的范围内。替代来说，在再生步骤期间流动通过预热器的再生气体的压力(psig)可低于净化步骤期间流动通过介质容器的原材料气体的压力(psig)的50％、40％或30％。
表1展示在净化步骤中，通过使原材料气体通过如所描述的吸附式气体净化系统来处理各种类型的原材料气体(在顶行中列出)可使用的材料及操作条件实例。
表1还展示可用于如本文所描述的气体处理设备的材料(再生气体(“重生气体”))及工艺参数的实例。表描述经过净化步骤的原材料气体(顶行)、在净化步骤期间的原材料气体的实例流速、用于再生吸附介质的再生气体的化学组成、再生气体的实例流速及再生期间的实例最高温度。
表1
Figure BDA0003708735950000131
Figure BDA0003708735950000141
本说明书的气体处理设备可与不同类型的介质搭配使用。参考图4，所说明的是如本文所描述的气体处理设备的实例，用于通过使气体通过催化剂颗粒床来净化气体。
气体处理设备200包含介质容器及预热器，作为单个(组合)气体处理设备的部分。预热器以对流动通过预热器然后流动通过介质容器的原材料气体提供有效预热的方式在结构上与介质容器相组合。
设备200包含介质容器210，其界定介质容器内部220(圆柱形，如所说明)，其含有呈催化剂颗粒床形式的介质222(如所说明)。介质222可为催化剂颗粒的颗粒。气体处理设备200可用作气体净化设备，以在使原材料气体流动通过床而接触催化剂颗粒222时，通过杂质与催化剂表面的反应从原材料气体移除(例如，化学改变)杂质。
介质容器210包含入口240、出口242及入口与出口之间的内部容积220。更明确来说，介质容器210包含入口端230(位于上部或“顶部”位置，如所说明)，其包含端壁234，端壁234含有一或多个介质容器入口(开口)240。介质容器210还包含出口端232(位于下部或“底部”位置)，其包含端壁236。介质容器内部220由入口端壁234、出口端壁236及侧壁(说明为圆柱形)238界定。介质容器出口端232可包含支撑结构，例如筛网或有孔板或盘，其包含经定大小为小于介质222的颗粒的大小的多个开口。因此，介质容器出口端232可支撑介质222的颗粒，同时允许气流在容器210内部与出口242之间流动。
设备200还包含预热器250，其定位于入口端处，与介质容器210的上部接触，且沿介质容器210的外侧的长度的至少一部分。介质容器210的长度是入口端壁234与出口端壁236之间的距离。
预热器250由内侧壁252制成，内侧壁252(任选地且如所说明)与介质容器210的侧壁238的结构相同。预热器250还包含位于与内侧壁252相对的位置的外侧壁254。预热器250还包含预热器入口262。
预热器250包含预热器内部容积260，其包含两个部分：环形容积260a及端容积260b。环形容积260a是具有大体上环形形状的容积，由内侧上的内侧壁252及外侧上的外侧壁254定界及界定，并沿介质容器210的长度的一部分延伸。端容积260b是具有大体上平坦圆柱形形状(具有大体上小于直径的高度(在介质容器210的长度方向上))的容积，其由端容积260b的一侧(底侧，如所说明)上的介质容器端壁234及端容积260b的相对侧(顶侧，如所说明)上的预热器端壁256界定及定界。
绝缘或加热层270可包含加热器、绝缘(低导热)材料或两者，并位于预热器250及介质容器210上方，以封围预热器250及介质容器210两者。在预热器250沿设备200的长度的上部的位置处，在容器210的入口端处，来自加热层270的加热器的热流入预热器250，以加热流动通过预热器250的内部容积的气体。热还可通过侧壁252(也是侧壁238)从预热器250进入容器210。
在使用中，设备200可用作气体净化设备，以处理(净化)被提供作为经净化原材料气体用于制造工艺(未展示)中的原材料气体，例如用于制造半导体或微电子装置。针对此用途，在使用预热器250预热之后，纯度相对较高的原材料气体可通过介质容器入口240流入介质容器210。原材料气体通过预热器入口262、通过预热器250的容积160、通过入口240并进入介质容器210。
当通过入口262进入预热器的内部容积260时，原材料气体的温度可为任何有用的温度，例如环境温度(例如23摄氏度)或近似环境温度，例如，在20到25摄氏度的范围内的温度。预热器及经预热气体的温度可为任何有用的温度，例如至少200摄氏度的温度，例如，从210到350℃的范围内的温度。
经预热气体通过催化剂颗粒床222，然后通过介质容器出口242。出口242直接或间接连接到制造装置，例如半导体或微电子装置制造系统，其将接收离开预热器出口242的经处理原材料气体。与在入口262处进入预热器250的原材料气体相比，离开预热器出口242的原材料气体具有降低的杂质含量。
在如所描述的预热器的某些实例中，包含环形容积及端容积的内部容积可更明确地包含由侧壁界定的环形容积，所述侧壁包含引导气流通过环形容积的通道，以提高预热器的效率。环形容积的有用流动通道的一个实例是螺旋形流动通道，其使气体流动通过螺旋形路径，所述螺旋形路径多次缠绕介质容器的周边，同时从预热器入口前进到预热器的端容积。
参考图5A及5B，所说明的是预热器侧壁结构的一个实例，其导致气体通过预热器的环形空间的螺旋形流动路径。所说明的是气体处理设备300的部分，其包含预热器350及介质容器310。
图5A是展示预热器的侧壁表面及内部的剖视图。图5B是展示介质容器的内部以及预热器侧壁及内部的横截面的横截面图。
预热器350包含预热器内部容积360，其包含两个部分：环形容积360a及端容积360b。环形容积360a是具有大体上环形形状的容积，由内侧上的内侧壁352的凹槽表面及外侧上的非凹槽外侧壁354定界及界定。环形容积360a沿介质容器310的长度的一部分延伸，介质容器310含有介质302(在图5B中展示，但在5A中未展示)。热电偶312在图5A处展示。
如所说明，凹槽内侧壁352包含具有圆形凹槽370的表面，圆形凹槽370形成螺旋形通道380，螺旋形通道380在预热器入口356与端容积360b之间围绕介质容器310周向延伸。在入口356的位置处，即在环形容积360a的上部(如所说明)位置处，环形容积包含连续的圆环形空间358，其在入口356的长度方向位置处以非螺旋形、圆形路径完全围绕介质容器310的圆周延伸。在环形容积360a的特别优选实例中，螺旋形通道380在与入口356周向相对的位置处与圆环形空间358相遇；即，螺旋形通道380在相对于环形容积360a的圆周与入口356成180度的位置处与圆环形空间358相遇。
在使用中，气体(例如，再生气体或原材料气体)进入入口356(参见箭头，箭头指示流动方向)，进入圆环形空间358，中途(180度)围绕环形容积360a的圆周流动，并进入螺旋形通道358的上端(如所说明)。气体在通向端容积360b的螺旋形路径中流动通过环形容积360a。在流动通过螺旋形通道358期间，与外侧壁354接触的加热器(现在展示)加热气体并将气体的温度升高到所期望的温度。经预热气体进入端容积360b，然后通过介质床302进入介质容器310的内部304。
在第一方面中，气体处理设备包括：介质容器，其包括：包括介质容器入口的介质容器入口端，包括介质容器出口的介质容器出口端，在所述入口端与所述出口端之间延伸某一长度的介质容器侧壁，及在所述入口端与所述出口端之间延伸的介质容器内部；及气体预热器，其沿所述介质容器侧壁的长度定位。
还公开根据第一方面的第二方面，其中所述气体预热器与所述介质容器侧壁热接触。
还公开根据第一或第二方面的第三方面，所述气体预热器围绕所述介质容器侧壁的圆周延伸。
还公开根据前述方面中的任一方面的第四方面，其中所述预热器从所述出口端沿所述介质容器侧壁的所述长度的一部分延伸。
还公开根据前述方面中的任一方面的第五方面，其进一步包括与所述预热器的至少一部分热接触的加热元件，其中所述预热器安置在所述介质容器侧壁与所述加热元件之间。
还公开根据前述方面中的任一方面的第六方面，其进一步包括覆盖所述预热器的至少一部分的绝热体，其中所述预热器安置在所述介质容器与所述绝热体之间。
还公开根据前述方面中的任一方面的第七方面，其进一步包括位于所述介质容器出口处的有孔端壁，所述有孔端壁将所述介质容器内部与所述预热器的内部分离。
还公开根据前述方面中的任一方面的第八方面，其中所述预热器具有小于所述介质容器内部的容积的30％的预热器内部容积。
还公开根据前述方面中的任一方面的第九方面，所述设备包括允许气体在外部位置与预热器内部之间通过的预热器入口，所述预热器入口位于所述介质容器入口端与所述介质容器出口端之间。
还公开根据第九方面的第十方面，其进一步包括：允许气体在外部位置与预热器内部之间通过的预热器出口，及位于所述介质容器的所述出口端处的开口，其允许气体在所述预热器内部与所述介质容器内部之间通过。
还公开根据前述方面中的任一方面的第十一方面，所述预热器包括：沿所述介质容器侧壁的所述长度的一部分延伸并围绕所述侧壁的周边的内侧壁，沿所述介质容器侧壁的所述长度的一部分延伸并围绕所述侧壁的周边的外侧壁，与所述介质容器出口间隔开的预热器端壁，及预热器内部容积，其包括：由所述内侧壁及所述外侧壁定界的环形容积，及由所述介质容器出口的端及所述预热器端壁定界的端容积。
还公开根据第十一方面的第十二方面，其中所述环形容积包括螺旋形通道，其使气体围绕所述环形容积的圆周以螺旋形路径流动通过所述环形容积。
还公开根据前述方面中的任一方面的第十三方面，所述介质容器包括从吸附介质及催化剂选择的介质。
在第十四方面中，一种使用气体处理设备的方法，其中所述设备包括：介质容器，其包括：包括介质容器入口的介质容器入口端，包括介质容器出口的介质容器出口端，在所述入口端与所述出口端之间延伸某一长度的介质容器侧壁，在所述入口端与所述出口端之间延伸的介质容器内部，及所述内部中含有的介质；气体预热器，其沿所述介质容器侧壁的长度定位；及加热元件，其覆盖所述预热器的至少一部分，所述方法包括：使气体流动通过所述预热器以预热所述气体，及使所述经预热气体通过所述介质容器内部并与所述介质接触。
还公开根据第十四方面的第十五方面，其中所述介质是吸附介质且所述气体是再生气体，所述方法包括：使原材料气体流动通过所述介质容器内部并与所述吸附介质接触，以允许所述原材料气体中含有的杂质被所述吸附介质吸附并从工艺气体移除，在使所述原材料气体流动通过所述介质容器内部之后：使再生气体流动通过所述预热器以预热所述再生气体，并使所述经预热再生气体流动通过所述介质容器内部并与所述吸附介质接触。
还公开根据第十五方面的第十六方面，所述设备包括：允许气体在外部位置与预热器内部之间通过的预热器入口，所述预热器入口位于所述介质容器入口端与所述介质容器出口端之间，允许气体在外部位置与所述预热器内部之间通过的预热器出口，及位于所述介质容器的所述出口端处的开口，其允许气体在所述预热器内部与所述介质容器内部之间通过，所述方法包括：其中：所述工艺气体通过所述介质容器入口进入所述介质容器内部，且所述工艺气体通过所述介质容器出口离开所述介质容器内部，以进入所述预热器内部，且所述工艺气体通过所述预热器出口流出所述预热器内部。
还公开根据第十六方面的第十七方面，其中所述再生气体通过所述预热器入口进入所述预热器内部，所述再生气体通过所述介质容器出口离开所述预热器内部，以进入所述介质容器内部，且所述再生气体通过所述介质容器入口流出所述介质容器内部。
还公开根据第十四到第十七方面中任一方面的第十八方面，其进一步包括：以原材料气体流速使所述原材料气体流动通过所述介质容器内部，及以小于所述原材料气体流速的再生气体流速使所述再生气体流动通过所述预热器。
还公开根据第十八方面的第十九方面，其中所述再生气体流速小于所述工艺气体流速的50％。
还公开根据第十四到第十九方面中任一方面的第二十方面，其进一步包括：以原材料气体压力使所述原材料气流动通过所述内部，及以小于所述原材料气体压力的再生气体压力使所述再生气体流动通过所述预热器。
还公开根据第二十方面的第二十一方面，其中所述再生气体压力小于所述原材料气体压力的50％。
还公开根据第十五到第二十一方面中任一方面的第二十二方面，其中所述原材料气体选自氮气、氩气、氢气、氨气、二氧化碳、洁净干燥空气及氧气。
还公开根据第十四方面的第二十三方面，其中所述介质包括催化剂，且所述气体是选自氮气、氩气、氢气、二氧化碳、洁净干燥空气及氧气的原材料气体。
还公开根据第十四及第十五方面的第二十四方面，其中所述杂质是氮氧化物、一氧化碳或碳氢化合物。
还公开根据第十四及第十五方面的第二十五方面，其中所述杂质是甲烷。

Claims (10)

1.一种气体处理设备，其特征在于所述气体处理设备包括：
介质容器，其包括：
介质容器入口端，其包括介质容器入口，
介质容器出口端，其包括介质容器出口，
介质容器侧壁，其在所述入口端与所述出口端之间延伸某一长度，及
介质容器内部，其在所述入口端与所述出口端之间延伸；及
气体预热器，其沿所述介质容器侧壁的长度定位。
2.根据权利要求1所述的气体处理设备，其特征在于所述气体预热器与所述介质容器侧壁热接触。
3.根据权利要求1所述的气体处理设备，其特征在于所述气体预热器围绕所述介质容器侧壁的圆周延伸。
4.根据权利要求1所述的气体处理设备，其特征在于所述气体预热器从所述出口端沿所述介质容器侧壁的所述长度的一部分延伸。
5.根据权利要求1所述的气体处理设备，其特征在于所述气体处理设备进一步包括与所述气体预热器的至少一部分热接触的加热元件，其中所述气体预热器安置在所述介质容器侧壁与所述加热元件之间。
6.根据权利要求1所述的气体处理设备，其特征在于所述气体处理设备进一步包括覆盖所述气体预热器的至少一部分的绝热体，其中所述气体预热器安置在所述介质容器与所述绝热体之间。
7.根据权利要求1所述的气体处理设备，其特征在于所述气体处理设备进一步包括位于所述介质容器出口处的有孔端壁，所述有孔端壁将所述介质容器内部与所述气体预热器的内部分离。
8.根据权利要求1所述的气体处理设备，其特征在于所述气体预热器包括：
内侧壁，其沿所述介质容器侧壁的所述长度的一部分延伸并围绕所述侧壁的周边，
外侧壁，其沿所述介质容器侧壁的所述长度的一部分延伸并围绕所述侧壁的周边，
预热器端壁，其与所述介质容器出口间隔开，及
预热器内部容积，其包括：
环形容积，其由所述内侧壁及所述外侧壁定界，及
端容积，其由所述介质容器出口的端及所述预热器端壁定界。
9.根据权利要求8所述的气体处理设备，其特征在于所述环形容积包括螺旋形通道，其使气体围绕所述环形容积的圆周以螺旋形路径流动通过所述环形容积。
10.根据权利要求1所述的气体处理设备，其特征在于所述介质容器包括选自吸附介质及催化剂的介质。
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