DE102008053846A1 - Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium-Strom - Google Patents

Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium-Strom Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten, wie beispielsweise Stickstoff und/oder Sauerstoff, aus einem unerwünschte Komponenten enthaltenden Helium- oder Neon-Strom, wobei dieser gegen ein Kältmedium zunächst unter den Gefrierpunkt bzw. im Falle mehrerer unerwünschter Komponenten unter den niedrigsten Gefrierpunkt der unerwünschten Komponenten abgekühlt (erster Abkühlschritt) und die dabei kondensierende(n) unerwünschte(n) Komponente(n) aus dem Helium- oder Neon-Strom abgetrennt wird bzw. werden und wobei der Helium- oder Neon-Strom anschließend weiter abgekühlt wird (zweiter Abkühlschritt), so dass die unerwünschte(n) Komponente(n) ausfrieren, beschrieben.
Erfindungsgemäß sind die Menge und/oder die Zusammensetzung des oder der für den ersten und/oder zweiten Abkühlschritt verwendeten Kältemediums bzw. Kältemedien regelbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten, wie beispielsweise Stickstoff und/oder Sauerstoff, aus einem unerwünschte Komponenten enthaltenden Helium- oder Neon-Strom, wobei dieser gegen ein Kältemedium zunächst unter den Gefrierpunkt bzw. im Falle mehrerer unerwünschter Komponenten unter den niedrigsten Gefrierpunkt der unerwünschten Komponenten abgekühlt (1. Abkühlschritt) und die dabei kondensierende(n) unerwünschte(n) Komponente(n) aus dem Helium- oder Neon-Strom abgetrennt wird bzw. werden, und wobei der Helium- oder Neon-Strom anschließend weiter abgekühlt wird (2. Abkühlschritt), so dass die unerwünschten) Komponente(n) ausfrieren.
  • Gattungsgemäße Verfahren werden beispielsweise in sog. Helium-Ausfrier-Prozessen bzw. -Vorrichtungen realisiert. Die abzutrennenden unerwünschten Komponenten sind üblicherweise Stickstoff und geringe Mengen an Sauerstoff. Daneben kann der zu reinigende Helium- oder Neon-Strom zudem Argon enthalten.
  • Anhand der 1 sei das gattungsgemäße, zum Stand der Technik zählende Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium- oder Neon-Strom näher erläutert.
  • Der unerwünschte Komponenten enthaltende Helium- oder Neon-Strom wird über Leitung 1 einem ersten Abkühlschritt, dem sog. Kondensator – dargestellt durch die Wärmetauscher E1 und E2 – zugeführt. In diesem wird der Helium- oder Neon-Strom gegen ein Kältemedium, auf das im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, bis unterhalb des Gefrierpunktes der unerwünschten Komponente bzw. im Falle mehrere unerwünschter Komponenten bis unterhalb des niedrigsten Gefrierpunktes dieser unerwünschten Komponenten 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- oder Neon-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- bzw. Neon-Verflüssigungsprozesses verwendet werden
  • In einem zweiten Abkühlschritt, dem sog. Ausfrierer – dargestellt durch den Wärmetauscher E3 – wird der vorgekühlte Helium- oder Neon-Strom anschließend soweit abgekühlt, dass die verbliebenen unerwünschten Komponenten im Wärmetauscher E3 ausfrieren. Die ausfrierenden Komponenten verstopfen jedoch mit der Zeit den Wärmetauscher E3. Es ist daher erforderlich, den verlegten Wärmetauscher E3 von Zeit zu Zeit anzuwärmen, wodurch die ausgefrorenen Komponenten abschmelzen. Diese werden dabei ebenfalls gesammelt und aus dem Wärmetauscher E3 bzw. dem Prozess entfernt. Bevor das gattungsgemäße Verfahren anschließend erneut in Betrieb gehen kann, ist ein erneutes Abkühlen der Wärmetauscher E1 bis E3 auf Betriebstemperatur erforderlich.
  • Der von unerwünschten Komponenten gereinigte Helium- oder Neon-Strom wird nach Durchgang durch den Wärmetauscher E3 über die Leitungsabschnitte 4 und 5 im Gegenstrom durch die Wärmetauscher E4 bis E1 geführt. Über die Leitung 6 wird der gereinigte Helium- oder Neon-Strom anschließend seiner weiteren Verwendung, wie beispielsweise einem Helium- oder Neon-Verflüssiger zugeführt.
  • Das für die beiden vorbeschriebenen Abkühlschritte erforderliche Kältemedium wird über die Leitung A im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Helium- oder Neon-Strom durch die Wärmetauscher E4 bis E1 geführt. Bei dem verwendeten Kältemedium handelt es sich beispielsweise um einen Helium- oder Helium-reichen bzw. Neon- oder Neon-reichen Strom aus einem Helium- bzw. Neon-Verflüssiger. Nach erfolgtem Durchgang durch die Wärmetauscher E4 bis E1 wird das Kältemedium über die Leitung B abgezogen und ggf. seiner weiteren Verwendung zugeführt.
  • In Abhängigkeit von dem jeweiligen Einsatzzweck bzw. -gebiet weist der zu reinigende Helium- bzw. Neon-Strom unterschiedliche Konzentrationen an unerwünschten Komponenten auf. Darüber hinaus bilden sich in dem Speicherbehälter, in dem das zu reinigende Helium bzw. Neon zwischengespeichert wird, aufgrund längerer Verweilzeiten Schichtungen, die unterschiedliche Konzentrationen an unerwünschten Komponenten aufweisen. Folglich hat der dem gattungsgemäßen Verfahren zugeführte Helium- bzw. Neon-Strom oftmals wechselnde Zusammensetzungen.
  • Bei dem vorbeschriebenen Verfahren werden der sog. Kondensator (Wärmetauscher E1 und E2) sowie der Ausfrierer (Wärmetauscher E3) von demselben Kältemedium gekühlt. Die Temperatur zwischen den vorgenannten Wärmetauschern kann daher nicht geregelt werden und ergibt sich aus dem Massenstrom sowie der Zusammensetzung des zu reinigenden Helium- oder Neon-Stromes. Dies hat zur Folge, dass der Kondensationsgrad der unerwünschten Komponenten zu gering wird, sofern die Temperatur des Helium- bzw. Neon-Stromes zu groß ist oder eine Überlast vorliegt, und damit im 2. Abkühlschritt ein schnelleres Verlegen des Wärmetauschers E3 erfolgt. Im Falle einer zu tiefen Temperatur des zu reinigenden Helium- bzw. Neon-Stromes oder Teillastbetrieb können unerwünschte Komponenten bereits im Kondensator (Wärmetauscher E1 und E2) ausfrieren und damit nicht aus dem Prozess entfernt werden. In den beiden vorgenannten Fällen verkürzen sich in unerwünschter Weise die Reinigungszyklen und der mittlere Durchsatz des Reinigungsverfahrens verringert sich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium- oder Neon-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- oder Neon-Strom vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Menge und/oder die Zusammensetzung des oder der für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt verwendeten Kältemediums bzw. Kältemedien regelbar sind.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgesehen, dass Menge und/oder Zusammensetzung des oder der für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt verwendeten Kältemediums bzw. Kältemedien variierbar sind und an die jeweils aktuellen Bedingungen (Zusammensetzung, Temperatur, Druck, etc.) angepasst werden.
  • Dadurch wird eine individuelle Regelung der beiden Abkühlschritte ermöglicht. In Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des zu reinigenden Helium- oder Neon-Stromes können somit Menge und/oder Zusammensetzung des oder der für den ersten und/oder zweiten Abkühlschritt verwendeten Kältemediums bzw. Kältemedien optimal eingestellt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium- oder Neon-Strom, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – als Kältemedium für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt Helium und/oder eine Helium-reiche bzw. Neon und/oder eine Neon-reiche Fraktion verwendet wird bzw. werden,
    • – sofern als Kältemedium für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt Helium verwendet wird, der gereinigte Helium-Strom dem als Kältemedium verwendeten Helium-Strom zugemischt wird, und
    • – sofern als Kältemedium für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt Neon verwendet wird, der gereinigte -Strom dem als Kältemedium verwendeten Neon-Strom zugemischt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium- oder Neon-Strom sowie weitere Ausgestaltung desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien nachfolgend anhand der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das für die beiden Abkühlschritte verwendete Kältemedium über die Leitungsabschnitte 7 und 8 bzw. 7, 9 und 10 dem 2. bzw. 1. Abkühlschritt zugeführt. Durch diese beliebig variierbare Verteilung des Kältemediums 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. Sofern es sich bei dem verwendeten Kältemedium um einen Rein-Helium- oder Rein-Neon-Strom handelt, kann diesem das über Leitung 6 aus dem Wärmetauscher E1 abgezogene gereinigte Helium bzw. Neon zugeführt werden.
  • Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens macht insbesondere dann Sinn, wenn die in den Leitungen 6 und 11 herrschenden Drücke ähnlich groß sind und der vereinigte Strom anschließend zur weiteren Verwendung komprimiert wird.
  • Bei der in der 3 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Ausfrierer (Wärmetauscher E3) und Kondensator (Wärmetauscher E1 und E2) durch separate Kältemedium-Ströme versorgt. Hierbei können identische oder unterschiedliche Kältemedien zur Anwendung kommen. Das dem 1. Abkühlschritt zugeführte Kältemedium wird über die Leitung 12 den Wärmetauschern E2 und E1 zugeführt und nach Durchgang durch beide Wärmetauscher über die Leitung 13 abgezogen. Analog dazu wird das dem 2. Abkühlschritt zugeführte Kältemedium über Leitung 14 durch die Wärmetauscher E4 und E3 geführt und nach Durchgang durch diese Wärmetauscher über die Leitung 15 abgezogen.
  • Die in der 3 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Konzentration unerwünschter Komponenten des zu reinigenden Stroms (1) stark schwankt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium- oder Neon-Strom sei nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.
    Betriebsdruck des zu reinigenden Helium-Stromes: 30 bar
    Fremdgasanteil in dem zu reinigenden Helium-Strom: 1–5 Vol.-%
    Eintrittstemperatur des Helium-Stromes: 313 K
    Kondensator-Austrittstemperatur: 64 K
    Ausfrierer-Austritts-emperatur: 30 K
    Kältemittel für den 2. Abkühlschritt (Ausfrierer): Helium
    Druck/Temperatur am Ausfrierer-Eintritt: 13 bar/10 K
    Druck/Temperatur am Ausfrierer-Austritt: 8 bar/26 K
    Kältemittel für den 1. Abkühlschritt (Kondensator): Helium (wird mit dem aus dem Ausfrierer austretenden Kältemittel gemischt)
    Druck/Temperatur am Kondensator-Eintritt: 8 bar/58 K
    Druck/Temperatur am Kondensator-Austritt: ca. 1,5 bar/ca. 300 K
    (abhängig von der Zusammensetzung des zu reinigenden Helium-Stromes)
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten aus einem Helium- oder Neon-Strom ermöglicht die Realisierung verlängerter Reinigungszyklen und – bei gleich bleibenden Reinigungszyklen – eine Reinigung stärker verschmutzter Helium- bzw. Neon-Ströme.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Abtrennen unerwünschter Komponenten, wie beispielsweise Stickstoff und/oder Sauerstoffgaus einem unerwünschte Komponenten enthaltenden Helium- oder Neon-Strom, wobei dieser gegen ein Kältemedium zunächst unter den Gefrierpunkt bzw. im Falle mehrerer unerwünschter Komponenten unter den niedrigsten Gefrierpunkt der unerwünschten Komponenten abgekühlt (1. Abkühlschritt) und die dabei kondersierende(n) unerwünschte(n) Komponente(n) aus dem Helium- oder Neon-Strom abgetrennt wird bzw. werden, und wobei der Helium- oder Neon-Strom anschließend weiter abgekühlt wird (2. Abkühlschritt), so dass die unerwünschten) Komponente(n) ausfrieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und/oder die Zusammensetzung des oder der für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt verwendeten Kältemediums bzw. Kältemedien regelbar sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemedium für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt Helium und/oder eine Helium-reiche oder Neon und/oder eine Neon-reiche Fraktion verwendet wird bzw. werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Kältemedium für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt Helium verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der gereinigte Helium-Strom (6) dem als Kältemedium verwendeten Helium-Strom (10) zugemischt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Kältemedium für den 1. und/oder 2. Abkühlschritt Neon verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der gereinigte Neon-Strom (6) dem als Kältemedium verwendeten Neon-Strom (10) zugemischt wird.
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