Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium-Strom

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten, wie beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und/oder Neon, aus einem unerwünschte Komponenten enthaltenden Helium-Strom, wobei dieser gegen ein Kältemedium zunächst bis auf eine Temperatur, die maximal 8 K über dem

Gefrierpunkt der unerwünschten Komponente bzw. im Falle mehrerer unerwünschter Komponenten bis auf eine Temperatur, die maximal 8 K über dem höchsten

Gefrierpunkt der unerwünschten Komponenten liegt, abgekühlt (1. Abkühlschritt) und die dabei kondensierende(n) unerwünschte(n) Komponente(n) aus dem Helium-Strom abgetrennt wird bzw. werden, und wobei der Helium-Strom anschließend weiter abgekühlt wird (2. Abkühlschritt), so dass die unerwünschte(n) Komponente(n) ausfrieren, und wobei die Menge und/oder die Zusammensetzung des oder der für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt verwendeten Kältemediums bzw. Kältemedien regelbar sind.

Gattungsgemäße Verfahren werden beispielsweise in sog. Helium-Ausfrier-Prozessen realisiert. Die abzutrennenden unerwünschten Komponenten sind üblicherweise Stickstoff, Sauerstoff und Argon. Ein gattungsgemäßes Verfahren ist bspw. in der DE-A 102008053846 offenbart.

Bei der darin beanspruchten Verfahrensweise wird ein unerwünschte Komponenten enthaltender Helium-Strom zunächst einem ersten Abkühlschritt, dem sog.

Kondensator, zugeführt. In diesem wird der Helium-Strom gegen ein geeignetes Kältemedium, bspw. einen Helium- oder Helium-reichen Strom bis auf eine

Temperatur, die maximal 8 K über dem Gefrierpunkt der unerwünschten Komponente bzw. im Falle mehrere unerwünschter Komponenten bis auf eine Temperatur, die maximal 8 K über dem höchsten Gefrierpunkt dieser unerwünschten Komponenten liegt, abgekühlt. Bis zu einer gewissen Konzentration und Temperatur kondensieren die unerwünschten Verunreinigungen nunmehr in dem oder den Wärmetauschern des Kondensators. Die kondensierten Komponenten werden aus dem Helium-Strom abgezogen und verworfen. Hierzu ist im Regelfall ein Kondensat-Sammelbehälter vorgesehen. Das in ihm gesammelte Kondensat kann verworfen und/oder zur Kühlung des Helium-Verflüssigungsprozesses verwendet werden. In einem zweiten Abkühlschritt, dem sog. Ausfrierer, wird der vorgekühlte Helium-Strom anschließend soweit abgekühlt, dass die verbliebenen unerwünschten Komponenten ausfrieren. Die ausfrierenden Komponenten verstopfen jedoch mit der Zeit den Ausfrierer. Es ist daher erforderlich, den verlegten Wärmetauscher von Zeit zu Zeit anzuwärmen, wodurch die ausgefrorenen Komponenten abschmelzen. Diese werden dabei ebenfalls gesammelt und aus dem Prozess entfernt. Bevor das Verfahren anschließend erneut in Betrieb gehen kann, ist ein erneutes Abkühlen der Wärmetauscher auf Betriebstemperatur erforderlich. Der derart gereinigte Helium-Strom wird anschließend seiner weiteren Verwendung, wie beispielsweise einer Verflüssigung, zugeführt. Das für die beiden vorbeschriebenen Abkühlschritte erforderliche Kältemedium wird im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Helium-Strom geführt. Gemäß der Lehre der DE-A 102008053846 sind Menge und/oder Zusammensetzung des oder der für den . und/oder 2.

Abkühlschritt verwendeten Kältemediums bzw. Kältemedien regelbar, so dass sie an die jeweils aktuellen Bedingungen, wie Zusammensetzung des Helium-Stroms,

Temperatur, Druck, etc., angepasst werden können. Dadurch wird eine individuelle Regelung der beiden Abkühlschritte ermöglicht. In Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des zu reinigenden Helium-Stromes können somit Menge und/oder Zusammensetzung des oder der für den ersten und/oder zweiten Abkühlschritt verwendeten Kältemediums bzw. Kältemedien optimal eingestellt werden.

Seit der kürzlich erfolgten Erschließung neuer Heliumquellen in Algerien und Katar ist der Fachmann mit größeren Schwankungen des Neon- und Wasserstoffgehalts der aus diesen Quellen stammenden Helium-Strömen konfrontiert. Bei einem längeren Verflüssigerbetrieb besteht daher die Gefahr, dass die vorgenannten Verunreinigungen in den eigentlichen Verflüssigungsprozess gelangen. Dort werden sie im

vorzusehenden Neon-Adsorber aufgefangen, damit sie nicht in den nachgeschalteten Dewar bzw. das nachgeschaltete Experiment gelangen. Nichtindustrielle

Heliumverflüssiger werden üblicherweise in regelmäßigen Abständen - beispielsweise über das Wochenende - abgeschaltet. Dies hat zur Folge, dass sich die im Betrieb kalte Innenverrohrung des Verflüssigers im Stillstand kontinuierlich aufwärmt und der Druck ansteigt. Unterhalb einer bestimmten Temperatur kann das Helium bis zu einem vordefinierten Druck in den vorzusehenden sog.„warmen" Speicher abgeführt werden. Bei einer weiteren Anwärmung desorbieren die vorgenannten Verunreinigungen und werden zusammen mit dem Helium zurück in das Rückgewinnungssystem des Verflüssigers gedrückt, von dem aus sie wiederum in den Helium-Einsatzstrom gelangen. Es verbleiben jedoch darüber hinaus wesentliche Anteile des während des Verflüssigungsbetriebes angereicherten Neons und Wasserstoffs im Hauptkältekreis, so dass es zu einer Anreicherung dieser Komponenten kommt. Bei der

Wiederinbetriebnahme des Verflüssigungsprozesses kann nicht verhindert werden, dass beim Ankoppeln des Dewars bzw. Experiments zumindest ein Teil dieser

Verunreinigungen in den Dewar bzw. zum Experiment gelangen, bevor der Neon- Adsorber erneut seine optimale Betriebstemperatur und damit Funktion erreicht. Die vorgenannten Probleme können durch parallel angeordnete, absperrbare und alternierend betriebene Neon-Adsorber vermieden werden. Jedoch ist diese Lösung vergleichsweise kostenintensiv und kommt deshalb bei nichtindustriellen

Heliumverflüssigern üblicherweise nicht zur Anwendung. Stattdessen wird die

Verflüssigungsanlage mit sauberem Helium rückgespült, wobei das hierfür verwendete Helium durch Rückverdampfen aus dem Flüssighelium-Dewar bereitgestellt wird. Es ist offensichtlich, dass diese Verfahrensweise aus energetischer Sicht sehr ineffizient ist. Hinzu kommt, dass aufgrund der üblicherweise geringen Druckfestigkeit des Dewars der Spülgasmassenstrom limitiert und folglich das qualitative Ergebnis ungewiss ist. Insbesondere Wasserstoff verteilt sich aufgrund seiner mit Helium vergleichbaren geringen Dichte im flüssigen und festen Zustand gleichmäßig im verflüssigten Helium; ein Teil des Wasserstoffs wird auch darin gelöst. Alle anderen Verunreinigungen weisen eine deutlich höhere Dichte als Helium auf und sinken folglich im Flüssighelium zu Boden. Beim Umfüllen in mobile Dewars und von diesen in einen Behälter am Zielort kann somit nicht verhindert werden, dass immer auch Wasserstoff mitbefördert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium-Strom anzugeben, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium-Strom vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Helium-Strom nach dem 2. Abkühlschritt einem der Abtrennung von Wasserstoff und/oder Neon dienenden Adsorptionsprozess

unterworfen wird.

In vorteilhafter Weise beträgt die Temperatur des dem Adsorptionsprozess zugeführten Helium-Stromes zwischen 10 und 35 K. Der erfindungsgemäß vorzusehende, der Abtrennung von Wasserstoff und/oder Neon dienende Adsorptionsprozess ermöglicht es nunmehr, im Zusammenspiel mit der vorbeschriebenen, aus der DE-A

102008053846 bekannten Kälteregelung, die unerwünschten Komponenten Neon und Wasserstoff sicher abzutrennen, wobei aufgrund der erzielbaren Temperaturstabilität eine ungewollte Desorption dieser Komponenten vermieden werden kann. Die mittels des Adsorptionsprozesses zurückgehaltenen Komponenten Wasserstoff und Neon werden zu Beginn der Regeneration gezielt desorbiert und, vorzugsweise zur

Atmosphäre hin, ausgeblasen. Auf diese Weise wird eine Anreicherung dieser

Komponenten im Rückgewinnungssystem bzw. im Helium-Einsatzstrom vermieden. Grundsätzlich können die aus dem System abgeführten Komponenten Wasserstoff und Neon einem Aufbereitungsprozess zugeführt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird somit wirkungsvoll und mit überschaubarem verfahrenstechnischen Aufwand verhindert, dass Wasserstoff und/oder Neon in den Hauptkreis eines Helium-Verflüssigers eingetragen werden. Folglich wird auch der Übertrag von Wasserstoff und/oder Neon in Flüssighelium- Dewars und damit zum Verbraucher vermieden. Des Weiteren stellt das

erfindungsgemäße Verfahren gegenüber der Variante„Doppelbett-Adsorber im

Hauptkreis des Helium-Verflüssigers" eine kostengünstigere Lösung dar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium-Strom, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass - die Temperatur des dem Adsorptionsprozess zugeführten Helium-Stromes

zwischen 10 und 35 K beträgt, als Kältemedium für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt Helium und/oder eine Helium-reiche Fraktion verwendet wird bzw. werden, und der gereinigte Helium-Strom dem als Kältemedium verwendeten Helium-Strom zugemischt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium-Strom sowie weitere Ausgestaltung desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien nachfolgend anhand des in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Der unerwünschte Komponenten enthaltende Helium-Strom wird über Leitung 1 einem ersten Abkühlschritt, dem sog. Kondensator - dargestellt durch die Wärmetauscher E1 und E2 - zugeführt. In diesem wird der Helium-Strom gegen ein Kältemedium, auf das im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, bis auf eine Temperatur, die maximal 8K über dem Gefrierpunkt der unerwünschten Komponente bzw. im Falle mehrere unerwünschter Komponenten bis auf eine Temperatur, die maximal 8 K über dem höchsten Gefrierpunkt dieser unerwünschten Komponenten liegt, abgekühlt. Bis zu einer gewissen Konzentration und Temperatur kondensieren die unerwünschten Verunreinigungen nunmehr in den Wärmetauschern E1 und E2. Die kondensierten Komponenten werden über die Leitungsabschnitte 2 und 3 aus dem Helium-Strom abgezogen und verworfen. Im Regelfall ist ein Kondensat-Sammelbehälter D vorgesehen. Das in ihm gesammelte Kondensat kann verworfen und/oder zur Kühlung des Helium-Verflüssigungsprozesses verwendet werden. In einem zweiten

Abkühlschritt, dem sog. Ausfrierer - dargestellt durch den Wärmetauscher E3 - wird der vorgekühlte Helium-Strom anschließend soweit abgekühlt, dass die verbliebenen unerwünschten Komponenten im Wärmetauscher E3 ausfrieren.

Erfindungsgemäß ist dem Wärmetauscher bzw. Ausfrierer E3 ein der Abtrennung von Wasserstoff und/oder Neon dienender Adsorptionsprozess A nachgeschaltet, dem der aus dem Wärmetauscher E3 abgezogene Helium-Strom 4 zugeführt wird. In vorteilhafter Weise beträgt die Temperatur des Helium-Stromes 4 zwischen 10 und 35 K. In der Praxis wird der Adsorptionsprozess A durch einen oder mehrere, parallel angeordnete Adsorber, die ein für den jeweiligen Anwendunsgfall geeignetes

Adsorbens aufweisen, realisiert. Der aus dem Adsorptionsprozess A abgezogene, von unerwünschten Komponenten gereinigte Helium-Strom wird über die

Leitungsabschnitte 4' und 5 im Gegenstrom durch die Wärmetauscher E4 bis E1 geführt. Über die Leitung 6 wird der gereinigte Helium-Strom anschließend seiner weiteren Verwendung, wie beispielsweise einem Helium-Verflüssiger zugeführt.

Alternativ zu der vorbeschriebenen Anordnung des Adsorptionsprozesses A kann dieser auch stromabwärts des Wärmetauschers E4 angeordnet werden.

Das für die beiden vorbeschriebenen Abkühlschritte erforderliche Kältemedium wird über die Leitungsabschnitte 7 und 8 bzw. 7, 9 und 10 dem 2. bzw. 1 . Abkühlschritt zugeführt. Durch eine beliebig variierbare Verteilung des Kältemediums mittels der Regelventile a und b kann die für die einzelnen Wärmetauscher benötigte Kälteleistung individuell geregelt werden. Dadurch kann sowohl im Teillastbetrieb als auch in eingeschränktem Maße im Überlastbetrieb der 1. Abkühlschritt (Kondensator) im Betriebspunkt gefahren und damit die größtmögliche Menge an unerwünschten Komponenten kondensiert werden. Nach Durchgang durch den Kondensator

(Wärmetauscher E1 und E2) wird das Kältemedium über Leitung 11 abgezogen und ggf. einer weiteren Verwendung zugeführt.