Un sistema de recuperación de gases que comprende una fuente de gas que tiene una concentración preseleccionada de un componente deseado (9),

al menos una aplicación (1) que añade impurezas a dicho gas, y al menos un sistema (6) de adsorción que purifica dicho gas para producir un gas purificado para reutilizar en la aplicación (1), en el que dicho al menos un sistema de adsorción incluye al menos un lecho adsorbente (A) que tiene al menos tres capas de adsorbentes, caracterizado porque el sistema comprende además al menos una membrana (7) que produce un gas parcialmente purificado que tiene una mayor concentración de dicho componente deseado.

Recuperación de helio Campo de la invención La invención se refiere al reciclado y purificación de corrientes de gas helio para aplicaciones industriales.

Antecedentes de la invención

Los gases tales como el helio, argón, neón, criptón y xenón tienen el potencial de ser usados en una amplia gama de procedimientos de fabricación. Un ejemplo de uno de tales procedimientos es la producción de dispositivos semiconductores tales como circuitos integrados de semiconductores, paneles de cristales líquidos para matrices activas, paneles de células solares y discos magnéticos. Durante la fabricación de los dispositivos semiconductores se utilizan sistemas para generar plasma en una atmósfera de un gas noble a presión reducida para varios tratamientos de los dispositivos semiconductores con el plasma, por ejemplo, un sistema de pulverización catódica, un sistema de CVD asistido por plasma y un sistema de decapado mediante iones reactivos. Además, los gases nobles se usan en otras aplicaciones tales como procedimientos de atomización de metales, conformado por pulverización en frío, enfriamiento y aplicaciones de gases protectores.

La mayoría de las aplicaciones anteriormente mencionadas usan grandes cantidades de un gas noble tal como helio. El coste de usar helio sería prohibitivo sin alguna forma de sistema de reciclado para el gas usado. Con el fin de reciclar el gas noble para la aplicación tienen que separarse del gas usado impurezas tales como agua, nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, metano, monóxido de carbono, hidrógeno y materiales en partículas del gas residual del horno.

Se han propuesto varios sistemas de purificación en la técnica anterior. Tales sistemas incluyen el reciclado de helio con tecnologías de membrana, adsorción por oscilación térmica (TSA) , adsorción por oscilación de presión (PSA) y/o de óxido de cobre. La selección de la tecnología de purificación depende del tipo de procedimiento, las impurezas del gas residual y las composiciones del gas en la entrada de la alimentación. Por ejemplo, si el único contaminante en el gas noble es oxígeno, entonces podría usarse un soporte de óxido de cobre para extraer el oxígeno. Sin embargo, si sólo está presente agua, entonces puede usarse un secador que opere en modo TSA. Si están presentes tanto agua como oxígeno, entonces para purificar el gas noble (por ejemplo, helio) puede usarse una combinación de un soporte de óxido de cobre y un secador.

Ohmi et al., en la patente de EE.UU. 6.217.633 B1, describen un procedimiento y un aparato para recuperar un gas noble (definido como uno o más de Xe, Ar, Kr, Ne o sus mezclas) contenido en un gas de escape de una unidad que emplea un gas noble. En particular, la invención de Ohmi et al. proporciona un procedimiento y un aparato para recuperar un gas noble con alta recuperación y pureza predeterminada de un sistema que emplea un gas noble tal como un sistema de tratamiento con plasma. El sistema que emplea un gas noble opera a presión reducida. La unidad de recuperación recibe gas de alimentación intermitente sobre la base de las concentraciones de impurezas en el gas usado (gas de escape) que deja la unidad que emplea un gas noble. Las impurezas incluyen oxígeno, nitrógeno, agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, fluoruro de carbono, hidrógeno y varios gases formadores de películas. Si las concentraciones de impurezas están por encima de ciertos límites, entonces el gas usado es emitido como residuo en lugar de ser enviado a la unidad de recuperación. La selección del gas de escape que se purga del sistema que emplea un gas noble como residuo o que se envía a la unidad de recuperación depende del contenido de impurezas contenidas en el gas de escape o del estado de operación del sistema que emplea un gas noble.

La patente de EE.UU. 5.390.533 describe un procedimiento para presurizar un depósito para comprobar la integridad usando helio como gas trazador. La invención también describe la recuperación y purificación de helio para reutilizar. El procedimiento para purificar la corriente de gas comprende secar la corriente de gas usando un secador de membranas que deja permear el agua. El refinado mermado en agua del secador de membranas se envía a un separador de membranas para su purificación adicional. El helio pasa selectivamente las membranas por permeación en el separador de membranas para producir una corriente de permeado enriquecida en helio. La corriente de refinado empobrecida en helio se envía a una etapa de agotamiento con membranas para obtener una corriente de purga para purgar agua del secador de membranas.

Behling et al., en la patente de EE.UU. 6.179.900 B1, describen procedimientos para la separación/recuperación de gases en los que el componente deseado a separar de la mezcla está presente en bajas concentraciones molares y/o bajas a moderadas presiones. Para la separación/recuperación de los componentes gaseosos que están presentes en la corriente a bajas presiones y/o contenidos molares, se utiliza un procedimiento combinado de membrana/PSA. La unidad de membranas se posiciona en el extremo aguas arriba del procedimiento PSA.

La patente de EE.UU. 6.902.391 describe el reciclado de helio para la fabricación de fibras ópticas en el que el helio del procedimiento de consolidación se recicla directamente para su uso en la consolidación con alta pureza o se recicla con una menor pureza para usar en el procedimiento de estirado o en otros procedimientos que requieren una menor pureza de helio. Además, también se describen procedimientos integrados para reciclar helio de dos o más procedimientos que usan helio en el procedimiento de fabricación de fibras ópticas. La patente de EE.UU. 5.707.425, de D´Amico et al., describe un procedimiento que se dirige a la recuperación de gas helio de corrientes de gases que contienen aproximadamente 25% en volumen o más de helio. Se usan dos procedimientos de PSA en serie. Stoner et al., patente de EE.UU. 5.632.803, describen un procedimiento híbrido de membrana/PSA para producir una corriente producto de helio con una pureza superior a 98, 0% de una materia prima que contiene de 0, 5 a 5, 0% de helio. La membrana está colocada aguas arriba de dos procedimientos de PSA y todas las unidades de separación están dispuestas en serie.

La patente de EE.UU. 5.377.491 describe un procedimiento de recuperación de un refrigerante para un tubo de refrigeración de fibras ópticas. El procedimiento usa una bomba de vacío/compresor para separar el gas de refrigeración del tubo de refrigeración, separar los materiales en partículas y los contaminantes y a continuación retornar el gas de refrigeración al tubo de refrigeración de fibras ópticas. Para la separación de agua y oxígeno se mencionan equipos de purificación tales como PSA, un secador y equipos de membrana.

La patente de EE.UU. nº 5.158.625 describe un procedimiento para el tratamiento térmico de artículos para endurecerlos en un medio de un gas recirculante, el cual está en contacto con los artículos tratados. Según una de las realizaciones, el helio usado se recoge y envía a una unidad de membrana para producir helio purificado a baja presión. El helio purificado de la unidad de membrana se envía a un secador antes de su reutilización. En otra realización, el helio usado/contaminado se filtra mecánicamente, a continuación el oxígeno se separa vía adición controlada de hidrógeno para la producción catalítica de agua, después de lo cual el gas se enfría posiblemente y se seca para su reutilización. En otra realización, se usa hidrógeno para regenerar un catalizador usado para atrapar oxígeno. Asimismo, en otra realización se usa PSA o TSA para separar oxígeno y vapor de agua, después de lo cual el gas se enfría y se seca. Knoblauch et al., patentes de EE.UU. nºs 5.089.048 & 5.080.694, describen procedimientos de PSA, configuradas en serie, para extraer helio de una mezcla de gas relativamente pobre en helio, por ejemplo, gas natural que contiene helio al 2-10%. El primer procedimiento de PSA se usa para enriquecer el contenido de helio y el segundo procedimiento de PSA se usa para conseguir la pureza diana de helio de al menos 99, 9%.

Choe et al., en la patente de EE.UU. 4.717.407, describen un sistema de recuperación de helio integrando técnicas de separación con membranas semipermeables con técnicas de separación no basadas en membranas. La patente se refiere a aplicaciones de PSA como una de las posibles operaciones de separación no basadas en membranas. Czarnecki et al., patente de EE.UU. nº 4.675.030, describen un método para purificar gas helio... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de recuperación de gases que comprende una fuente de gas que tiene una concentración preseleccionada de un componente deseado (9) , al menos una aplicación (1) que añade impurezas a dicho gas, y al menos un sistema (6) de adsorción que purifica dicho gas para producir un gas purificado para reutilizar en la aplicación (1) , en el que dicho al menos un sistema de adsorción incluye al menos un lecho adsorbente (A) que tiene al menos tres capas de adsorbentes, caracterizado porque el sistema comprende además al menos una membrana (7) que produce un gas parcialmente purificado que tiene una mayor concentración de dicho componente deseado.

2. El sistema de recuperación de gases según la reivindicación 1, en el que la primera capa de adsorbente comprende un adsorbente selectivo de uno o más de agua y dióxido de carbono, la segunda capa de adsorbente comprende un adsorbente selectivo de uno o más de CO, CH4, dióxido de carbono y nitrógeno, y la tercera capa de adsorbente comprende un adsorbente selectivo de uno o más de nitrógeno y oxígeno.

3. El sistema de recuperación de gases según la reivindicación 2, en el que dicho lecho adsorbente además comprende una capa de un adsorbente selectivo del oxígeno.

4. El sistema de recuperación de gases según una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que dicha primera capa de adsorbente comprende alúmina, dicha segunda capa de adsorbente comprende carbono activado y dicha tercera capa de adsorbente comprende una zeolita.

5. El sistema de recuperación de gases según la reivindicación 3, en el que dicho adsorbente selectivo del oxígeno es IA-3.

6. El sistema de recuperación de gases según la reivindicación 4, en el que dicha zeolita se selecciona del grupo que consiste en VSA6, zeolita CaX que tenga un intercambio de Ca mayor que 90%, LiX, H-15 y 5A.

7. El sistema de recuperación de gases según la reivindicación 4, en el que dicho carbono activado tiene una densidad aparente de 0, 40 a 0, 72 g/cm3.

8. El sistema de recuperación de gases según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que dicho al menos un sistema (6) de adsorción incluye cuatro lechos adsorbentes (A-D) .

9. El sistema de recuperación de gases según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que dicho componente deseado se selecciona del grupo que consiste en los gases nobles.

10. El sistema de recuperación de gases según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que dicho componente deseado es helio, y dicha concentración preseleccionada es 99, 999% en moles.

11. Un procedimiento para la recuperación de gases, procedimiento que comprende las etapas de:

a) proporcionar a una aplicación (1) un gas que tenga una concentración preseleccionada de un componente deseado;

b) añadir impurezas a dicho gas en dicha aplicación (1) para producir un gas impuro que tenga una menor concentración de dicho componente deseado;

c) pasar dicho gas impuro a al menos un sistema (6) de adsorción que purifique dicho gas para producir un gas purificado que tenga dicha concentración preseleccionada de dicho componente deseado para reutilizar en la aplicación (1) , en el que dicho al menos un sistema de adsorción incluye al menos un lecho adsorbente (A) que al menos tiene tres capas de adsorbentes, caracterizado porque el procedimiento comprende además la etapa de:

d) pasar una corriente residual que contenga el componente deseado que se produce en dicho al menos un sistema (6) de adsorción a través de una membrana (7) mediante lo cual se purifica y luego se recicla al al menos un sistema (6) de adsorción.

12. El procedimiento de recuperación de gases según la reivindicación 11, en el que dicho al menos un sistema de adsorción produce dicho gas residual que tiene una segunda concentración de dicho componente deseado la cual es menor que dicha concentración preseleccionada, y en el que dicho gas residual se recircula a través de dicho al menos un sistema de adsorción para su purificación, y en el que dicho gas recirculado purificado se proporciona a dicha aplicación.

13. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11-12, en el que dicho al menos un sistema de adsorción produce dicho gas residual que contiene dicho componente deseado, y en el que dicho gas residual se dirige a un sistema (7) de membrana el cual produce un gas parcialmente purificado que tiene una mayor concentración de dicho componente deseado que dicho gas residual, y en el que dicho gas parcialmente

purificado se combina con dicho gas impuro antes, el cual se pasa a continuación a través de dicho sistema de adsorción para su purificación.

14. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11-13, en el que dicho componente deseado es helio.

15. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11-14, en el que dicho sistema (6) de adsorción comprende cuatro lechos (A-D) .

16. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11-15, en el que dicha primera capa adsorbente comprende un adsorbente selectivo de uno o más de agua y dióxido de carbono, la segunda capa de adsorbente comprende un adsorbente selectivo de uno o más de CO, CH4, dióxido de carbono y nitrógeno, y la tercera capa de adsorbente comprende un adsorbente selectivo de uno o más de nitrógeno y oxígeno.

17. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11-16, en el que dicho lecho adsorbente además comprende un adsorbente selectivo del oxígeno.

18. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 11-17, en el que dicha primera capa de

adsorbente comprende alúmina, dicha segunda capa de adsorbente comprende carbono activado y dicha 15 tercera capa de adsorbente comprende una zeolita.

19. El procedimiento según la reivindicación 17, en el que dicho adsorbente selectivo del oxígeno es IA-3.

20. El procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicha zeolita se selecciona del grupo que consiste en VSA6, zeolita CaX que tenga un intercambio de Ca mayor que 90%, LiX, H-15 y 5A.

21. El procedimiento según la reivindicación 18, en el que dicho carbono activado tiene una densidad aparente de 20 0, 40 a 0, 72 g/cm3.