通過吸附方法回收氙的制作方法
【專利說明】通過吸附方法回收氙
[0001] 本申請是申請日為2011年09月30日和發(fā)明名稱為"通過吸附方法回收氙"的 201110348515. 7號發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002] 相關申請的交叉引用
[0003] 本發(fā)明要求2010年9月30日提交的美國臨時申請61/388, 279的利益。在此通 過引用引入該臨時申請公開的內容。
【背景技術】
[0004] 由于其閉合殼層電子結構（closed-shell electronic structure)，氣（Xe)是一 種非常穩(wěn)定的稀有氣體元素。確實，這種反應性的缺乏是這組元素（He、Ne、A r、Kr、Xe)被 稱為稀有或惰性的原因。最初的氙化合物（例如，XeF2)在不到50年前被確認。盡管該元 素的化學性能是有限的，其物理性能（例如，電離能、原子質量、電子結構）已經導致越來越 多的需求氙的應用。
[0005] 基于制造和醫(yī)療保健業(yè)中的新興應用，對氙的需求不斷增長。
[0006] 即使其使用增加，氙仍是一種副產物且工業(yè)生產的慢速可能導致氙的缺乏。
[0007] 氙也是一種來自于使用XeF^蝕刻工藝的副產物。XeF2分子在材料（比如硅）的 表面上分解以釋放原子氟。然后氙脫離所述表面回到氣相中。
[0008] 向在半導體制造過程中用于蝕刻氧化硅的碳氟化合物（例如，C4F6)等離子體中加 入氙改善了蝕刻斷面的各向異性。氙的加入也改善了蝕刻選擇性；即，氧化硅的蝕刻速率比 用于給氧化硅薄膜形成圖案的光致抗蝕劑高得多。
[0009] 氙在醫(yī)療保健業(yè)中越來越多地用作麻醉氣體（如在美國專利6, 236, 041中所描述 的）以及在醫(yī)學成象中越來越多地使用氙（如美國專利6, 408, 849中所描述的）。其他的 應用包括離子推進引擎（航空航天）、平板顯示（等離子體）以及高強度放電（HID)照明。
[0010] 然而，增加氙利用的一個潛在障礙是氙的成本相對較高。氙是通過空氣分離獲得 的痕量的大氣組分（87ppb) ;S卩，需要1100萬升的空氣來得到1升氙。結果，氙因此是高價 值的物質。此外，由于其供給受到支持甚礎工業(yè)（如鋼鐵）的空氣分離裝置的控制（ASU)， 氙的定價非常易變。
[0011] 在美國專利7, 285, 154中公開了從氣體混合物（如生產廢氣）中利用基于吸附的 過程回收氙的方法，在此通過引用引入其全文。然而，所述方法僅僅從富氮含氙進氣中回收 稀薄的氙（0. 5%到5. 0%的氙），最終濃度約是其初始濃度的15倍。
[0012] 盡管有前述的進展，仍然需要提供另外的和改進的手段來從氣體混合物中回收 Xe。并且，需要以高濃度氙從基于Xe的過程中回收未利用的Xe。
[0013] 發(fā)明概述
[0014] 因此，本發(fā)明涉及利用改進的真空變壓吸附（vacuumswingadsorption) (VSA)方 法在回收過程中提高氙的濃度。
[0015] -種從含Xe的進氣中回收氙的方法，包括步驟：
[0016] 提供包含具有Xe/N2選擇性比小于65的吸附劑的吸附容器；
[0017] 將含Xe的進氣進料到吸附容器中，其中含Xe的進氣包含初始濃度大于50%的氮 和初始濃度至少〇. 05 %的氙；
[0018] 通過從大氣壓減壓到低于大氣壓的壓力來排空吸附容器，其中所述排空包括兩個 部分：（1)排空第一部分氣體，以及（2)當所述低于大氣壓的壓力到達P1時回收第一富氙 氣體；
[0019] 當所述低于大氣壓的壓力達到P2時吹掃吸附容器以回收第二富氙氣體，其中吹 掃維持在低于大氣壓的壓力P2下；以及
[0020] 合并第一富氙氣體和第二富氙氣體以提供包含最終氙濃度為初始氙濃度至少20 倍的氙的產物氣體；
[0021] 其中P1等于或大于P2。
[0022] 第一部分氣體的排空可以是排出第一部分氣體，或者將第一部分氣體再循環(huán)到進 料步驟中。
[0023] 還有，從含Xe的進氣中回收氙的另一種方法包括步驟：
[0024] 提供包含具有Xe/N2選擇性比小于65的吸附劑的吸附容器；
[0025] 將含Xe的進氣進料到吸附容器中，其中含Xe的進氣包含初始濃度大于50%的氮 和初始濃度至少〇. 05 %的氙；
[0026] 通過從大氣壓減壓到低于大氣壓的壓力來排空吸附容器，其中所述排空包括兩個 部分：（1)將第一部分氣體再循環(huán)到進料步驟中，以及（2)當所述低于大氣壓的壓力達到P1 時回收第一富氣氣體；
[0027] 當所述低于大氣壓的壓力達到P2時吹掃吸附容器以回收第二富氙氣體，其中吹 掃維持在低于大氣壓的壓力P2下；以及
[0028] 合并第一富氙氣體和第二富氙氣體以提供包含最終氙濃度為初始氙濃度至少20 倍的氙的產物氣體；
[0029] 其中P1等于或大于P2。
[0030] 進一步提供了適用于進行從含Xe的進氣中回收氙的方法的氙回收設備，所述設 備包括：
[0031] 包含具有Xe/N2選擇性比小于65的吸附劑的吸附容器；
[0032] 包含具有Xe/N2選擇性比小于65的吸附劑的吸附容器；
[0033] 適用于排空該吸附容器的泵；
[0034] 適用于壓縮富氙氣體的壓縮機；
[0035] 用于包含壓縮的富氙氣體的產物容器；和
[0036] 將第一部分氣體收集到吸附容器中的收集系統(tǒng)。
[0037] 收集系統(tǒng)選自排出第一部分氣體的排空系統(tǒng)和將第一部分氣體進料到吸附容器 中的進料系統(tǒng)。
[0038] 具體地，本發(fā)明涉及：
[0039] 1. 一種從含Xe的進氣中回收氙的方法，包括步驟：
[0040] 提供包含具有Xe/N2選擇性比小于65的吸附劑的吸附容器；
[0041] 將含Xe的進氣進料到吸附容器中，其中含Xe的進氣包含初始濃度大于50%的氮 和初始濃度至少〇. 05%，優(yōu)選0. 1 %到0. 5%的氙；
[0042] 通過從大氣壓減壓到低于大氣壓的壓力來排空吸附容器，其中排空包括兩個部 分：（1)排空第一部分氣體，以及（2)當所述低于大氣壓的壓力達到P1時回收第一富氙氣 體；
[0043] 當所述低于大氣壓的壓力達到P2時吹掃吸附容器以回收第二富氙氣體，其中吹 掃維持在低于大氣壓的壓力P2下；以及
[0044] 合并第一富氙氣體和第二富氙氣體以提供包含最終氙濃度為初始氙濃度至少20 倍的氙的產物氣體；
[0045] 其中P1等于或大于P2。
[0046] 2.第1項的方法，進一步包括在吹掃步驟之后對吸附容器再增壓和重復所述方法 的步驟至少一次。
[0047] 3.第1或2項的方法，其中含Xe的進氣包括半導體相關制造方法的廢氣。
[0048] 4?第3項的方法，其中所述廢氣包含Xe和選自HF、F2、H20、C 4F6、02、C02、C0F2、XeF 2、 CFjPSiF4中至少一種，其通過緩沖罐以從所述廢氣中吸附1120、〇) 2和氟化分子中的至少一 種，并用氮稀釋以提供用于進料到吸附設備中的進氣。
[0049] 5.第1-4項中任一項的方法，其中P1為100到1托，和P2為10到0. 001托，優(yōu)選 地P1為50到5托，和P2為5到0. 01托，并且更優(yōu)選地P1為25到5托，和P2為3到0. 5 托。
[0050] 6.第1-5項中任一項的方法，其中所述吸附劑包含選自包含氧化鋁、沸石、硅膠和 活性碳中的至少一種。
[0051] 7.第1-6項中任一項的方法，其中所述吸附劑基本上由具有0. 5到3. 0mm直徑的 顆粒組成。
[0052] 8.第1-7項中任一項的方法，其中Xe回收率為至少80%。
[0053] 9.第1-8項中任一項的方法，其中所述方法在包括至少一個吸附容器的真空變壓 吸附設備中進行。
[0054] 10.第1-9項中任一項的方法，其中所述排空第一部分氣體是排出該第一部分氣 體或將該第一部分氣體再循環(huán)到進料步驟中。
[0055] 11. -種適用于進行第1項的方法的氙回收設備，所述設備包括：
[0056] 包含具有Xe/N2選擇性比小于65的吸附劑的吸附容器；
[0057] 適用于排空該吸附容器的泵；
[0058] 適用于壓縮富氙氣體的壓縮機；
[0059] 用于容納壓縮的富氙氣體的產物容器；和
[0060] 將該第一部分氣體收集到吸附容器中的收集系統(tǒng)。
[0061] 12.第11項的氙回收設備，其中所述收集系統(tǒng)選自排出第一部分氣體的排出系統(tǒng) 和將第一部分氣體進料到吸附容器的進料系統(tǒng)。
[0062] 附圖簡要說明
[0063] 圖la(現(xiàn)有技術）是標準真空變壓吸附（VSA)方法回收氙的設備的示意圖。
[0064] 圖lb (現(xiàn)有技術）是在現(xiàn)有技術VSA方法循環(huán)運行過程中吸附容器A內部預期 (epected)氣壓的圖解。
[0065] 圖2的圖形顯示了圖la和圖lb所示的回收方法的