DE102008007925A1 - Verfahren zur Helium-Gewinnung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen von Helium aus einer Helium enthaltenden Fraktion, insbesondere aus einer Helium, Stickstoff und Methan enthaltenden Fraktion, beschrieben.
Erfindungsgemäß
a) wird die Helium enthaltende Fraktion (5) zumindest teilweise kondensiert (E2) und in eine Helium-angereicherte Gasfraktion (6) und eine Helium-abgereicherte Flüssigfraktion (9') aufgetrennt (D2),
b) wird die Helium-angereicherte Gasfraktion (6) wenigstens so weit kondensiert (E3), dass die Helium-Konzentration in der dabei gewonnenen Gasfraktion (7) wenigstens 90%, vorzugsweise 95% und insbesondere wenigstens 98%, beträgt,
c) wird die Helium-abgereicherte Flüssigfraktion (9') entspannt (b'), so weit verdampft, dass wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 85%, des in ihr enthaltenen Heliums gasförmig vorliegt, und in eine Helium-reiche Gasfraktion (11') und eine Helium-arme Flüssigfraktion (12') aufgetrennt (D4) und
d) wird die Helium-reiche Gasfraktion (11') angewärmt und der Helium enthaltenden Fraktion (5) zugemischt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein zum Abtrennen von Helium aus einer Helium-enthaltenden Fraktion, insbesondere aus einer Helium-, Stickstoff- und Methan-enthaltenden Fraktion.
  • Erdgas enthält im Regelfall geringe Anteile an Helium; diese Anteile betragen üblicherweise zwischen 0.1 und 0.5%. Bei der Verflüssigung des Erdgases reichert sich das Helium im sog. Restgas an. Dieses Restgas stellt daher die häufigste Quelle für die Helium-Gewinnung dar. Eine weitere Quelle für eine Helium-enthaltende Fraktion ist die Zwischenentspannung von LNG (Liquefied Natural Gas).
  • Ein zum Stand der Technik zählendes Verfahren zum Abtrennen von Helium aus einer Helium-reichen Fraktion sei anhand des in der 1 dargestellten Beispieles näher erläutert.
  • Über Leitung 1 wird eine Helium-enthaltende Fraktion, die einen Helium-Anteil zwischen 1 und 10% aufweist, einer Verdichtung C1 zugeführt. Bei dieser Helium-enthaltenden Fraktion handelt es sich beispielsweise um das Restgas aus einem LNG-Tank. Die Helium-enthaltende Fraktion wird auf einen Druck zwischen 2 und 10 bar verdichtet, im Wärmetauscher E1 abgekühlt und dabei soweit kondensiert, dass das Helium in der verbleibenden Gasfraktion auf Konzentrationen > 10% aufkonzentriert ist.
  • Die Kondensation der Helium-enthaltenden Fraktion im Wärmetauscher E1 erfolgt gegen einen über die Leitung 3 durch den Wärmetauscher E1 geführten Kältemittelstrom, bei dem es sich vorzugsweise um einen Stickstoffstrom handelt. Aus dem Sumpf des Abscheiders D1 wird über Leitung 3 eine Stickstoff-reiche Fraktion abgezogen, im Ventil a auf den in der Leitung 3' herrschenden Druck entspannt und dem vorbeschriebenen Kältemittelstrom zugespeist.
  • Die am Kopf des Abscheiders D1 über Leitung 4 abgezogene, Helium-enthaltende Fraktion wird im Wärmetauscher E1 auf Umgebungstemperatur angewärmt und anschließend im Verdichter C2 auf einen Druck zwischen 15 und 40 bar verdichtet.
  • Über Leitung 5 wird die verdichtete Fraktion einer eventuell notwendigen Vorreinigung A, die der Entfernung von Wasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und/oder der Trocknung dient, zugeführt und anschließend im Wärmetauscher E2 abgekühlt und dabei soweit kondensiert, dass die Helium-Konzentration in der Gasphase mehr als 70% beträgt. Die aus dem Abscheider D2a über Leitung 6 abgezogene, Helium-angereicherte Gasfraktion wird im Wärmetauscher E3 soweit kondensiert, dass die Helium-Konzentration in der Gasphase mehr als 98% beträgt. Die Helium-Konzentration der über Leitung 7 am Kopf des Abscheiders D3 abgezogenen Gasfraktion ermöglicht eine vollständige Verflüssigung dieser Fraktion in einer in der Figur nicht dargestellten Helium-Verflüssigungsanlage, wobei jedoch ggf. noch eine Abtrennung der verbliebenen Spurenkomponenten, wie bspw. Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Argon, Neon, Stickstoff, etc, vorgenommen werden muss.
  • Aus dem Sumpf des Abscheiders D3 wird über Leitung 8 eine Helium-arme Flüssigfraktion abgezogen, im Ventil e kälteleistend entspannt, in den Wärmetauschern E3 und E2 gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und über Leitung 8' aus der Anlage abgezogen. In dem vorbeschriebenen Ventil e erfolgt vorzugsweise eine Entspannung auf einen Druck zwischen 100 und 300 mbara, wobei die Druckhaltung durch eine am warmen Ende angeordnete Vakuumpumpe P erfolgt.
  • Sollte die Menge der über Leitung 8 abgezogenen Flüssigfraktion nicht ausreichen, den Kältebedarf in den Wärmetauschern E2 und E3 zu decken, kann gegebenenfalls über Leitung 16 oder 16' ein Kältemittel, beispielsweise in Form von Fremdstickstoff, zugegeben werden.
  • Die aus dem Sumpf des Abscheiders D2a über Leitung 9 abgezogene, Helium-abgereicherte Flüssigfraktion enthält noch merkliche Anteile an Helium. Mittels wenigstens zweier, dem Abscheider D2a nachgeschalteter Abscheider D2b und D2c erfolgt eine Abtrennung dieses Helium aus der über Leitung 9 abgezogenen Flüssigfraktion. Die Abscheider D2b, D2c,.... arbeiten hierbei auf unterschiedlichen Drücken, um die Temperaturdifferenz im Wärmetauscher E2 zu begrenzen.
  • Die Flüssigfraktion aus dem Sumpf des Abscheiders D2a wird vor der Zuführung in den Abscheider D2b entspannt (Ventil b). Gleiches gilt für die aus dem Sumpf des Abscheiders D2b über die Leitung 11 abgezogene Flüssigfraktion, die vor dem Eintritt in den Abscheider D2c ebenfalls entspannt wird (Ventil c). Die in den Abscheidern D2b und D2c anfallenden Gasfraktionen werden über die Leitungsabschnitte 10 und 10' sowie nach Anwärmung im Wärmetauscher E2 in die Helium-enthaltende Fraktion 4 vor die zweite Verdichtung C2 zurückgeführt. Dadurch gelingt es, dass in diesen Gasfraktionen enthaltene Helium ebenfalls zu gewinnen.
  • Je nach Druck der Gasfraktion in der Leitung 10' erfolgt die Zumischung dieser Gasfraktion zu der Helium-enthaltenden Fraktion über Leitung 15 vor der ersten Verdichtung C1 oder über Leitung 10' vor der zweiten Verdichtung C2.
  • Die aus den vorgenannten Abscheidern D2b und D2c abgezogenen Flüssigfraktionen werden dazu verwendet, den Kältebedarf im Wärmetauscher E2 zu decken. Sie werden dazu auf Umgebungstemperatur verdampft und anschließend abgegeben. Sofern ein zusätzlicher Kältebedarf besteht, wird über Leitung 14 ein geeignetes Kältemittel, vorzugsweise Stickstoff, zugegeben.
  • Der vorbeschriebene Helium-Gewinnungsprozess ist vergleichsweise apparateintensiv. Trotzdem kann das im Einsatzgas enthaltende Helium nicht vollständig gewonnen werden, da ein geringer Helium-Anteil in den aus den Abscheidern D1, D2b und D2c abgezogenen Flüssigfraktionen verbleibt und diese nicht zur Helium-Gewinnung verwendet werden. Darüber hinaus wird das Helium bei einem niedrigen Druck aus der Abscheiderkette D2a bis D2c gewonnen und muss deshalb vor die zweite Verdichtung C2 zurückgeführt werden. Daraus resultiert jedoch ein unerwünschter, hoher Verdichtungsaufwand.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen von Helium aus einer Helium-enthaltenden Fraktion, insbesondere aus einer Helium-, Stickstoff- und Methan-enthaltenden Fraktion, anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen von Helium aus einer Helium-enthaltenden Fraktion, insbesondere aus einer Helium-, Stickstoff- und Methan-enthaltenden Fraktion, vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • a) die Helium-enthaltende Fraktion zumindest teilweise kondensiert und in eine Helium-angereicherte Gasfraktion und eine Helium-abgereicherte Flüssigfraktion aufgetrennt wird,
    • b) die Helium-angereicherte Gasfraktion soweit kondensiert wird, dass die Helium-Konzentration in der dabei gewonnenen Gasfraktion wenigstens 90%, vorzugsweise wenigstens 95% und insbesondere wenigstens 98% beträgt,
    • c) die Helium-abgereicherte Flüssigfraktion entspannt, soweit verdampft wird, dass wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 85% des in ihr enthaltenen Heliums gasförmig vorliegt, und in eine Helium-reiche Gasfraktion und eine Helium-arme Flüssigfraktion aufgetrennt wird und
    • d) die Helium-reiche Gasfraktion angewärmt und der Helium-enthaltenden Fraktion zugemischt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen von Helium aus einer Helium-enthaltenden Fraktion sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Helium-enthaltende Fraktion vor ihrer Kondensation und Auftrennung in eine Helium-angereicherte Gasfraktion und eine Helium-abgereicherte Flüssigfraktion ein- oder mehrstufig verdichtet, vorzugsweise auf einen Druck zwischen 10 und 50 bar verdichtet wird,
    • – die Helium-enthaltende Fraktion vor ihrer Kondensation und Auftrennung in eine Helium-angereicherte Gasfraktion und eine Helium-abgereicherte Flüssigfraktion einer Stickstoff-Abtrennung unterworfen wird,
    • – die bei der Stickstoff-Abtrennung anfallende Stickstoff-reiche Fraktion auf einen niedrigeren Druck entspannt, in eine Helium-enthaltende, Stickstoff-abgereicherte Gasfraktion und eine Stickstoff-angereicherte Flüssigfraktion aufgetrennt, die Helium-enthaltende, Stickstoff-abgereicherte Gasfraktion angewärmt und der Helium-enthaltenden Fraktion, vorzugsweise vor deren Verdichtung, zugeführt wird,
    • – die bei der Stickstoff-Abtrennung anfallende Stickstoff-reiche Fraktion nach ihrer Entspannung und vor ihrer Auftrennung in eine Helium-enthaltende, Stickstoff-abgereicherte Gasfraktion und eine Stickstoff-angereicherte Flüssigfraktion zumindest teilweise verdampft wird,
    • – zur Unterstützung der Kondensation der Helium-enthaltenden Fraktion, der Helium-angereicherten Gasfraktion und/oder der Helium-abgereicherten Flüssigfraktion ein Fremd-Kältemittel, vorzugsweise Stickstoff, vorgesehen wird,
    • – die Helium-enthaltende Fraktion, vorzugsweise nach ihrer Verdichtung von störenden Komponenten, insbesondere von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und/oder Wasser, gereinigt wird und
    • – die Helium-reiche Gasfraktion, die der Helium-enthaltenden Fraktion zugemischt wird, entsprechend ihrem Druck vor oder in die Verdichtung der Helium-enthaltenden Fraktion eingespeist wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Helium aus einer Helium-enthaltenden Fraktion sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verfahrensführung bis zur Auftrennung der Helium-enthaltenden Fraktion 5 in den Abscheidern D2 und D3 identisch zu der anhand der 1 erläuterten Verfahrensweise, weswegen auf eine Wiederholung verzichtet und stattdessen auf die entsprechenden Abschnitte der Beschreibung der 1 verwiesen wird.
  • Erfindungsgemäß wird die anhand der 1 erläuterte Abscheiderkette, dargestellt durch die Abscheider D2b und D2c – in der Praxis können wie erwähnt auch drei oder mehrere, nacheinander angeordnete Abscheider realisiert werden –, nunmehr erfindungsgemäß durch einen einzelnen Abscheider D4 ersetzt:
    Die am Kopf des Abscheiders D2 über Leitung 6 abgezogene, Helium-angereicherte Gasfraktion wird im Wärmetauscher E3 soweit kondensiert, dass die Helium-Konzentration in der in dem nachgeschalteten Abscheider D3 gewonnenen Gasfraktion, die über Leitung 7 einem Helium-Verflüssigungsprozess zugeführt wird, wenigstens 90%, vorzugsweise wenigstens 95% und insbesondere wenigstens 98% beträgt.
  • Um trotzdem das Helium aus der aus dem Abscheider D2 abgezogenen Flüssigfraktion gewinnen zu können und dabei die maximal zulässige Temperaturdifferenz im Wärmetauscher E2 nicht zu überschreiten, wird die aus dem Abscheider D2 über Leitung 9' abgezogene Helium-abgereicherte Flüssigfraktion zunächst im Ventil b auf einen entsprechenden Druck entspannt und anschließend im Wärmtauscher E2 soweit verdampft, dass der Großteil des in ihr gelösten Heliums in die Gasphase übergeht. Hierunter sei zu verstehen, dass diese Flüssigfraktion soweit verdampft wird, dass wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 85% des in ihr enthaltenen Heliums gasförmig vorliegt.
  • Die am Kopf des Abscheiders D4 über Leitung 11' abgezogene Helium-reiche Gasfraktion wird im Wärmetauscher E2 auf Umgebungstemperatur angewärmt und – je nach Druckniveau der vorhergehenden Entspannung im Ventil b – über die Leitungen 11' oder 11'' vor oder in den Verdichter C2 eingespeist.
  • Aus dem Sumpf des Abscheiders D4 wird über die Leitung 12' eine annähernd Helium-freie Flüssigfraktion abgezogen, im Ventil c' entspannt, im Wärmetauscher E2 auf Umgebungstemperatur angewärmt und anschließend über Leitung 13' abgezogen. Sollte diese Flüssigfraktion den Kältebedarf des Wärmetauschers E2 nicht decken können, kann über Leitung 14' Kältemittel, vorzugsweise Stickstoff, zugeführt werden. Die vorgenannte, über Leitung 13' abgezogene Flüssigfraktion wird entweder ihrer weiteren Verwendung, bspw. als Regeneriergas für die adsorptiv arbeitende Vorreinigungseinheit A, zugeführt oder an die Atmosphäre abgegeben.
  • In der 3 dargestellt ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die bei der Stickstoff-Abtrennung im Sumpf des Abscheiders D1 anfallende, über Leitung 3 abgezogene Stickstoff-reiche Fraktion einer Helium-Abtrennung unterworfen wird.
  • Dazu wird die über Leitung 3 abgezogene Stickstoff-reiche Fraktion im Ventil a entspannt, im Wärmetauscher E1 zumindest teilweise verdampft und anschließend in Abscheider D' aufgetrennt. Auf die vorbeschriebene (Teil)Verdampfung kann auch verzichtet werden. Vorteilhafterweise erfolgt die Entspannung a auf einen Druck, der es erlaubt, diese Fraktion nach Anwärmung im Wärmetauscher E1 an die Atmosphäre abzugeben.
  • Im erwähnten Abscheider D1' erfolgt eine Auftrennung in eine Helium-enthaltende, Stickstoff-abgereicherte Gasfraktion und eine Stickstoff-angereicherte Flüssigfraktion. Während die letztgenannte Fraktion nach Anwärmung im Wärmetauscher E1 abgezogen wird – sollte sie den Kältebedarf des Wärmetauschers E1 nicht decken können, kann über Leitung 23 zusätzliches Kältemittel zugeführt werden –, wird die Helium-enthaltende, Stickstoff-abgereicherte Gasfraktion über Leitung 21 der Heliumenthaltenden Fraktion in der Leitung 1 zugeführt.
  • Diese vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es, aus der bei der Stickstoff-Abtrennung gewonnenen Stickstoff-reichen Fraktion das Helium so weit als möglich zu gewinnen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Helium aus einer Heliumenthaltenden Fraktion, insbesondere aus einer Helium-, Stickstoff- und Methan-enthaltenden Fraktion, weist gegenüber den zum Stand der Technik zählenden Verfahren mehrere Vorteile auf, die nachfolgend aufgeführt sind:
    • – Einsparung wenigstens eines Apparates (Abscheiders) im sog. kalten Teil der Helium-Abtrennung
    • – Erhöhung der Helium-Ausbeute auf mehr als 99.8%; bekannte Verfahren ermöglichen lediglich Helium-Ausbeuten bis zu 99.3%
    • – Einsparung von Verdichtungsenergie, da die noch Restmengen an Helium enthaltende Fraktion, die vor die Verdichtung der Einsatzfraktion zurückgeführt wird, unter höherem Druck als bei den zum Stand der Technik zählenden Verfahren anfällt; somit ist eine Einspeisung auf einem Zwischendruck in den Verdichter C2 möglich
    • – Verringerung des Rückführstromes vor den Verdichter C1, was wiederum zu einer Verringerung des Energieverbrauchs des gesamten Prozesses führt
    • – der Wärmetauscher E2 ist ohne große thermische Spannungen baubar, da maximal einzuhaltende Temperaturdifferenzen problemlos eingehalten werden können
    • – Der Stickstoff-Gehalt in der dem Helium-Verflüssigungsprozes zugeführten Fraktion wird erniedrigt, woraus ein geringerer Aufwand zur Abtrennung des Stickstoffs vor der endgültigen Helium-Verflüssigung resultiert

Claims (8)

  1. Verfahren zum Abtrennen von Helium aus einer Helium-enthaltenden Fraktion, insbesondere aus einer Helium-, Stickstoff- und Methan-enthaltenden Fraktion, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Helium-enthaltende Fraktion (5) zumindest teilweise kondensiert (E2) und in eine Helium-angereicherte Gasfraktion (6) und eine Helium-abgereicherte Flüssigfraktion (9') aufgetrennt wird (D2), b) die Helium-angereicherte Gasfraktion (6) wenigstens soweit kondensiert wird (E3), dass die Helium-Konzentration in der dabei gewonnenen Gasfraktion (7) wenigstens 90%, vorzugsweise wenigstens 95% und insbesondere wenigstens 98% beträgt, c) die Helium-abgereicherte Flüssigfraktion (9') entspannt (b'), soweit verdampft wird, dass wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 85% des in ihr enthaltenen Heliums gasförmig vorliegt, und in eine Helium-reiche Gasfraktion (11') und eine Helium-arme Flüssigfraktion (12') aufgetrennt wird (D4) und d) die Helium-reiche Gasfraktion (11') angewärmt und der Helium-enthaltenden Fraktion (5) zugemischt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Helium-enthaltende Fraktion (5) vor ihrer Kondensation und Auftrennung in eine Helium-angereicherte Gasfraktion (6) und eine Helium-abgereicherte Flüssigfraktion (9') ein- oder mehrstufig verdichtet, vorzugsweise auf einen Druck zwischen 10 und 50 bar verdichtet wird (C1, C2).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Helium-enthaltende Fraktion (5) vor ihrer Kondensation und Auftrennung in eine Helium-angereicherte Gasfraktion (6) und eine Helium-abgereicherte Flüssigfraktion (9') einer Stickstoff-Abtrennung (E1, D1) unterworfen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Stickstoff-Abtrennung (E1, D1) anfallende Stickstoff-reiche Fraktion (3) auf einen niedrigeren Druck entspannt (a), in eine Helium-enthaltende, Stickstoff-abgereicherte Gasfraktion (21) und eine Stickstoff-angereicherte Flüssigfraktion (22) aufgetrennt (D1'), die Helium-enthaltende, Stickstoff-abgereicherte Gasfraktion (21) angewärmt (E1) und der Helium-enthaltenden Fraktion (1), vorzugsweise vor deren Verdichtung (C1), zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Stickstoff-Abtrennung (E1, D1) anfallende Stickstoff-reiche Fraktion (3) nach ihrer Entspannung (a) und vor ihrer Auftrennung (D1') in eine Helium-enthaltende, Stickstoff-abgereicherte Gasfraktion (21) und eine Stickstoff-angereicherte Flüssigfraktion (22) zumindest teilweise verdampft wird (E1).
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der Kondensation (E1, E2, E3) der Helium-enthaltenden Fraktion (1, 5), der Helium-angereicherten Gasfraktion (6) und/oder der Helium-abgereicherten Flüssigfraktion (9') ein Fremd-Kältemittel, vorzugsweise Stickstoff, vorgesehen wird (14, 16, 23).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Helium-enthaltende Fraktion (5), vorzugsweise nach ihrer Verdichtung (C2) von störenden Komponenten, insbesondere von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und/oder Wasser, gereinigt wird (A).
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Helium-reiche Gasfraktion (11'), die der Heliumenthaltenden Fraktion (5) zugemischt wird, entsprechend ihrem Druck vor oder in die Verdichtung (C2) der Helium-enthaltenden Fraktion (5) eingespeist wird.
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