DE102018002247A1

DE102018002247A1 - Gewinnung von Helium oder Helium und Neon aus Erdgas

Info

Publication number: DE102018002247A1
Application number: DE102018002247.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Michael Hernegger; Ekkehardt KLEIN; Mathias Kurras; Werner Muchitsch; Christoph Nagl; Andreas Pollak
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Helium oder Helium und Neon, bei dem Erdgas (1) oder ein unter Verwendung von Erdgas (1) gebildetes Einsatzgemisch einer sukzessiven Abkühlung auf ein Temperaturniveau, das unterhalb der Siedetemperatur von Methan liegt, unterworfen wird, wodurch unter Verbleib eines Restgemischs (27), das überwiegend oder ausschließlich Helium, Neon und eine oder mehrere nicht höher als Methan siedende oxidierbare Komponenten enthält, Methan und höher als Methan siedende Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil aus dem Erdgas (1) oder aus dem Einsatzgemisch abgeschieden werden. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Restgemischs (27) als ein Reaktionseinsatz (A) einer Nachbehandlung (100) unterworfen wird, in der die eine oder die mehreren oxidierbaren Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil zu einem oder mehreren Oxidationsprodukten oxidiert wird oder werden und dann zumindest der überwiegende Teil des einen oder der mehreren Oxidationsprodukte durch Abkühlen abgeschieden wird. Eine entsprechende Vorrichtung (200) ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Helium oder Helium und Neon aus Erdgas gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Helium und andere Edelgase wie Neon werden üblicherweise aus Erdgas gewonnen. Helium liegt in Erdgas typischerweise in einer Konzentration von bis zu 1 Molprozent, in Ausnahmefällen jedoch auch in höheren Konzentrationen vor. Die grundsätzlich ebenfalls mögliche Gewinnung von Helium mittels kryogener Luftzerlegung aus Luft wird hingegen aufgrund der vergleichsweise geringen Konzentrationen derzeit nicht routinemäßig vorgenommen.
Verfahren und Anlagen zur Gewinnung von Helium aus Erdgas sind bekannt und beispielsweise bei H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley -VCH, 2006, insbesondere Kapitel 4, „The Noble Gas Helium“, beschrieben.
Die Gewinnung von Helium aus Erdgas erfolgt herkömmlicherweise im Zuge der Entfernung von Stickstoff aus dem Erdgas. Hierzu kann beispielsweise eine Anordnung mit einer sogenannten Hochdrucksäule und einer sogenannten Niederdrucksäule eingesetzt werden, wie sie insbesondere in 4.1 bei Häring gezeigt ist. Mittels eines entsprechenden Verfahrens wird dabei zunächst sogenanntes Rohhelium erhalten. Zur Herstellung von Reinhelium aus dem Rohhelium kann anschließend beispielsweise eine Druckwechseladsorption eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür ist insbesondere in 4.2 bei Häring gezeigt. Neben einer Druckwechseladsorption kann auch eine Temperaturwechseladsorption verwendet werden, welche die thermische Abhängigkeit der Adsorption nutzt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Gewinnung von Helium aus Erdgas gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, das bzw. die eine Gewinnung von Helium oder von Helium und Neon im Zuge einer Erdgasverflüssigung ermöglicht bzw. signifikant erleichtert. Die Erfindung macht es insbesondere möglich, aus einem Restgasgemisch, das in einem Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas unter Verwendung eines Stickstoffkältekreislaufs anfällt, auf einfache Weise Helium oder Helium und Neon zu gewinnen.
Ein bekanntes Verfahren, das eine Verflüssigung von Erdgas unter Verwendung eines Stickstoffkältekreislaufs umfasst, ist beispielsweise im Artikel „Natural Gas“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineveröffentlichung 15. Juli 2006, DOI: 10.1002/14356007.a17 073.pub2, unter Bezugnahme auf 23 beschrieben. Hierbei wird ein Stickstoffkältekreislauf mit einer Expansionsstufe eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere aber auch für Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas, in denen Erdgas ohne oder ohne herkömmliche Aufreinigung eingesetzt und unter Verwendung unter anderem eines Stickstoffkältekreislaufs und abreinigbarer Wärmetauscher verflüssigt wird. Eine entsprechende Vorrichtung ist unten unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
In Verfahren, die eine Verflüssigung von Helium unter Verwendung eines Stickstoffkreislaufs umfassen, verbleibt nach der Verflüssigung des Erdgases typischerweise ein Restgemisch, das Komponenten aufweist, die bei der Vorlauftemperatur des Stickstoffs in dem Stickstoffkältekreislauf nicht kondensieren. Hierbei handelt es sich um solche Komponenten, deren Siedetemperatur unterhalb jener von Stickstoff liegt, also Wasserstoff, Helium und Neon. Ein entsprechendes Restgemisch kann jedoch auch insbesondere noch Methan enthalten, das bei der vorangehenden Abkühlung nicht vollständig auskondensiert wurde. Allgemein gesprochen weist ein derartiges Restgemisch neben Helium und Neon eine oder mehrere nicht höher als Methan siedende oxidierbare Komponenten auf.
Die Abtrennung von Helium oder von Helium und Neon aus einem derartigen Restgemisch erweist sich herkömmlicherweise als aufwendig, da eine Kondensation des in dem Restgemisch enthaltenen Wasserstoffs und ggf. Methans sehr tiefe Temperaturen erfordern würde. Auch eine Abtrennung mittels Druck- und/oder Temperaturwechseladsorption erfordert die Bereitstellung aufwendiger Apparate.
Die vorliegende Erfindung schlägt daher vor, die eine oder die mehreren oxidierbaren Komponenten mit Sauerstoff zumindest zum überwiegenden Teil zu einem oder zu mehreren Oxidationsprodukten zu oxidieren und zumindest den überwiegenden Teil des einen oder der mehreren Oxidationsprodukte durch Abkühlen abzutrennen. Die hier in Frage kommenden Oxidationsprodukte von Methan und Wasserstoff, nämlich Wasser und Kohlendioxid, weisen eine deutlich höhere Siede-, Schmelz- bzw., je nach Druck, Sublimationstemperatur auf als Methan und Wasserstoff, so dass diese einfach und ohne großen Aufwand auskondensiert bzw. ausgefroren werden können.
Durch die erläuterte Art der Umwandlung der einen oder der mehreren oxidierbaren Komponenten in das eine oder die mehreren Oxidationsprodukte kann somit der technische Aufwand zur Kondensation und/oder zum Abtrennen der jeweiligen oxidierbaren Komponente deutlich verringert werden, so dass die Anreicherung Heliums oder des Heliums und Neons vereinfacht wird.
Ferner bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass das Verfahren zur Gewinnung von Helium oder von Helium und Neon mit einem Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas kombiniert werden kann. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren in entsprechenden Vorrichtungen und/oder Anlagen integriert werden und die dort vorhandene Infrastruktur, beispielsweise Kältekmittelkreisläufe, nutzen. Insbesondere die Abtrennung des einen oder der mehreren Oxidationsprodukte durch Abkühlung kann die Verwendung entsprechender Kältekmittelkreisläufe umfassen. Insbesondere kann hierbei ein Stickstoffkältekreislauf verwendet werden.
Zusammengefasst schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Helium oder von Helium und Neon vor, bei dem Erdgas oder ein unter Verwendung von Erdgas gebildetes Einsatzgemisch einer Abkühlung auf ein Temperaturniveau, das unterhalb der Siedetemperatur von Methan liegt, unterworfen wird, wodurch unter Verbleib eines Restgemischs, das überwiegend oder ausschließlich Helium, Neon und eine oder mehrere nicht höher als Methan siedende oxidierbare Komponenten enthält, Methan und höher als Methan siedende Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil aus dem Erdgas oder dem Einsatzgemisch abgeschieden werden. Das unterhalb der Siedetemperatur von Methan liegende Temperaturniveau liegt insbesondere oberhalb der Siedetemperatur von Helium, Neon und Wasserstoff.
Die Begriffe „überwiegend“, „überwiegender Anteil“ usw. bezeichnen im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere einen Anteil von wenigstens 75%, 80%, 90%, 95% oder 99%, bezogen auf einen jeweils zuvor vorhandenen Anteil. Ein „überwiegend“ eine oder mehrere Komponenten aufweisendes Komponentengemisch enthält insbesondere wenigstens 75%, 80%, 90%, 95% oder 99% der einen oder der mehreren Komponenten auf molarer, Masse- oder Volumenbasis.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Restgemischs als Reaktionseinsatz einer Nachbehandlung unterworfen wird, in der die eine oder die mehreren oxidierbaren Komponenten mit Sauerstoff zumindest zum überwiegenden Teil zu einem oder zu mehreren Oxidationsprodukten oxidiert werden, und in der zumindest der überwiegende Teil des einen oder der mehreren Oxidationsprodukte durch Abkühlen abgetrennt wird.
Wie bereits erläutert, kann es sich bei der einen oder den mehreren oxidierbaren Komponenten insbesondere um nicht kondensiertes Methan und/oder um Wasserstoff handeln. Im ausschließlich ersteren Fall sind die Oxidationsprodukte Wasser und Kohlendioxid. Im ausschließlich letzteren Fall ist das Oxidationsprodukt oder eines der Oxidationsprodukte ausschließlich Wasser. Es versteht sich, dass Methan auch Kohlenmonoxid als Oxidationsprodukt liefern kann. Dies wird jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise vermieden, da Kohlenmonoxid aufgrund seiner geringen Siedetemperatur nur schwierig durch Abkühlen abtrennbar ist. Mit anderen Worten wird eine vollständige Oxidation angestrebt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Gehalt der einen oder der mehreren oxidierbaren Komponenten in dem Reaktionseinsatz ermittelt und Sauerstoff, der wie nachfolgend erläutert als reiner Sauerstoff oder als Sauerstoff in einem Gasgemisch bereitgestellt werden kann, wird, insbesondere auf Grundlage dieser Ermittlung des Gehalts an der einen oder den mehreren oxidierbaren Komponenten in dem Reaktionseinsatz, zu dem Reaktionseinsatz zugegeben. Auf diese Weise kann, beispielsweise nach Art einer Lambda-Regelung, eine besonders vollständige Umsetzung erzielt werden, so dass nur ein geringer Anteil oder praktisch keine oxidierbaren Komponenten mehr verbleiben und auf diese Weise eine Gewinnung von Helium oder Helium und Neon erschweren können. Gleichzeitig wird eine Überdosierung von Sauerstoff vermieden, der mangels Umsetzung in nachfolgenden Verfahrensschritten ebenfalls aufwendig abgetrennt werden müsste.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst, dass das Erdgas oder das Einsatzgemisch, das der sukzessiven Abkühlung unterworfen wird, Wasser, Kohlendioxid, Methan, Wasserstoff, Helium und Neon enthält, wobei das Wasser und das Kohlendioxid bei der Abkühlung in einem oder in mehreren abreinigbaren Wärmeübertragern flüssig und/oder fest abgeschieden werden.
Erdgas wird häufig in verflüssigter Form bereitgestellt, da es in verflüssigtem Zustand nur einen Bruchteil seines Volumens in der Gasphase einnimmt und daher der Transport deutlich erleichtert ist. Verflüssiger zur Verflüssigung von Erdgas nach dem Stand der Technik sind jedoch zumeist nicht in der Lage mit Verunreinigungen des Erdgases umzugehen, da diese die Wärmeübertragungsflächen blockieren würden. Dies kann insbesondere daran liegen, dass Verunreinigungen eine im Vergleich zum Erdgas höhere Schmelz- oder Siedetemperatur aufweisen und die beim Abkühlen des Erdgases kondensierenden oder ausfrierenden Verunreinigungen sich ablagern und beispielsweise Wärmetauscher blockieren können.
In Verfahren nach dem Stand der Technik erfolgt daher zuerst eine Reinigung des Mediums, insbesondere des Erdgases, bevor nach der Reinigung getrennt davon eine Verflüssigung des Erdgases durchgeführt werden kann. Diese Reinigung ist jedoch aufwendig und erfordert eine Reihe zusätzlicher Apparate.
Die vorliegende Erfindung erzielt mit der Verwendung abreinigbarer Wärmeübertrager den Vorteil, dass ein entsprechendes Erdgas nicht oder zumindest nicht mehr im herkömmlichen Umfang aufgereinigt werden muss. Eine gewisse Aufreinigung, beispielsweise eine Entfernung von Schwefelwasserstoff, kann jedoch vorgenommen werden. Die abreinigbaren Wärmeübertrager sind durch technische Einrichtungen in der Lage, insbesondere periodisch, sich auf den Wärmeübertragungsflächen abscheidende Feststoffe abzutragen. Hierbei können insbesondere motorisch betriebene Abtrager bzw. Abschaber eingesetzt werden, die entsprechende Feststoffe mechanisch von den Wärmeübertragungsflächen lösen und beispielsweise einem beheizten Bereich zuführen, wo diese rückverflüssigt und anschließend in flüssiger Form aus dem Wärmeübertrager abgezogen werden können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in diesem Rahmen Wasser zumindest teilweise als Methanhydrat abgeschieden und ausgetragen werden. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn bereits der überwiegende Anteil von Wasser flüssig oder in Form von Eis abgeschieden wurde. Auf diese Weise lassen sich Restwassermengen entfernen und der Verlust an Methan in das Methanhydrat kann in Grenzen gehalten werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Restgemisch 0,1 bis 10 Molprozent, insbesondere 1 bis 8 Molprozent, Helium, 0,1 bis 10 Molprozent, insbesondere 0,1 bis 2 Molprozent, Neon, 0 bis 85 Molprozent, insbesondere 0 bis 10 Molprozent, Wasserstoff und 1 bis 3 Molprozent, insbesondere 75 bis 99 Molprozent, Methan.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird oder werden die eine oder die mehreren oxidierbaren Komponenten vorteilhafterweise durch Verbrennung und/oder katalytische Umsetzung und/oder elektrochemische Umsetzung zu dem einen oder zu den mehreren Oxidationsprodukten oxidiert. Die Vorteile der jeweiligen Verfahrensvarianten bestehen dabei darin, dass bei der Verbrennung die Energie in einer Verbrennungskraftmaschine mechanisch und ferner elektrisch genutzt werden kann. Bei der Oxidation durch katalytische Umsetzung wird dagegen eher auf den chemisch umsetzenden Prozess wert gelegt und dieser optimiert werden, wobei Abwärme typischerweise an die Umgebung abgeführt wird.
Der für die Oxidation des einen oder der mehreren Oxidationsprodukte eingesetzte Sauerstoff kann in Form von reinem Sauerstoff oder Sauerstoff in einem Gasgemisch bereitgestellt werden. Bei letzterem kann es sich insbesondere um Luft oder um sauerstoffangereicherte Luft aus einer Luftzerlegungsanlage handeln.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst, die Oxidation der einen oder der mehreren oxidierbaren Komponenten in einer Verbrennungskraftmaschine durchzuführen. Auf diese Weise kann beispielsweise mechanische oder elektrische Energie gewonnen werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Gewinnung von Helium oder Helium und Neon, die dafür eingerichtet ist, Erdgas oder ein unter Verwendung von Erdgas gebildetes Einsatzgemisch einer sukzessiven Abkühlung auf ein Temperaturniveau, das unterhalb der Siedetemperatur von Methan liegt, zu unterwerfen und dadurch unter Verbleib eines Restgemischs, das überwiegend oder ausschließlich Helium, Neon und eine oder mehrere nicht höher als Methan siedende oxidierbare Komponenten enthält, Methan und höher als Methan siedende Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil aus dem Erdgas oder aus dem Einsatzgemisch abzuscheiden.
Erfindungsgemäß zeichnet sich eine derartige Vorrichtung dadurch aus, dass in der Vorrichtung Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, zumindest ein Teil des Restgemischs als einen Reaktionseinsatz einer Nachbehandlung zu unterwerfen, in der die eine oder die mehreren oxidierbaren Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil zu einem oder mehreren Oxidationsprodukten oxidiert wird oder werden und dann zumindest der überwiegende Teil des einen oder der mehreren Oxidationsprodukte durch Abkühlen abgeschieden wird.
Eine entsprechende Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen erläutert wurde. Auf die zuvor erläuterten Merkmale und die entsprechenden Vorteile wird daher in diesem Zusammenhang ausdrücklich verwiesen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert.
Figurenbeschreibung

1 veranschaulicht eine Nachbehandlung eines Restgemischs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung.
2 zeigt eine Vorrichtung zur Reinigung und Verflüssigung von Erdgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung.

In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Nachbehandlung 100 eines Gasgemischs, das überwiegend oder ausschließlich Helium, Neon und eine oder mehrere nicht höher als Methan siedende oxidierbare Komponenten enthält und das als ein Restgemisch verbleibt, wenn Methan und höher als Methan siedende Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil aus Erdgas oder einem unter Verwendung von Erdgas gebildeten Einsatzgemisch ausgeschieden werden. Wie erwähnt, fällt ein derartiges Restgemisch insbesondere bei einer Erdgasverflüssigung an, bei der ein Stickstoffkältekreislauf verwendet wird. Ein Beispiel für eine entsprechende Anlage ist in 2 veranschaulicht.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Reaktionskammer 101, in welche das Restgemisch oder ein Teil hiervon (vgl. Stoffstrom 27 gemäß 2) als Reaktionseinsatz A über eine entsprechende Zufuhrleitung und Sauerstoff B über eine weitere Zufuhrleitung eingebracht werden, sodass sich der Reaktionseinsatz A in der Reaktionskammer 101 mit dem Sauerstoff B vermischt. Wie erwähnt, kann der Sauerstoff B als reiner Sauerstoff, aber auch enthalten in einem Komponentengemisch, insbesondere zusammen mit Stickstoff, in die Reaktionskammer 101 eingebracht werden.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform werden die oxidierbaren Komponenten in dem Reaktionseinsatz A in der Reaktionskammer 101 zumindest zum überwiegenden Teil mit dem Sauerstoff B oxidiert. Hierbei werden die entsprechenden Oxidationsprodukte gebildet. Dies kann, wie erwähnt, beispielsweise durch eine Verbrennung der oxidierbaren Komponenten mit dem Sauerstoff B in einer Brennkammer erfolgen, wobei die dabei freiwerdende Energie bzw. Wärme dazu verwendet werden kann, Arbeit zu verrichten. Hierzu kann die Reaktionskammer 101 als Teil einer Verbrennungskraftmaschine 102 ausgebildet sein, welche die bei der Verbrennung freiwerdende Energie in mechanische Arbeit umwandelt. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Oxidation hingegen, wie erwähnt, katalytisch oder elektrochemisch, also zumindest nicht durch eine Verbrennung im klassischen Sinn.
Gemäß anderer bevorzugter Ausführungsformen kann das Mischen des Reaktionseinsatzes A mit dem Sauerstoff B in einer separaten Mischkammer oder durch einfaches Zusammenführen entsprechender Stoffströme erfolgen. In diesem Fall wird erst ein entsprechend gebildetes Gemisch der Reaktionskammer 101 zugeführt. Hierdurch lassen sich ggf. eine homogenere Durchmischung und damit eine vollständigere Umsetzung erzielen.
Ein der Reaktionskammer 101 entnommenes Gasgemisch, das nun vorteilhafterweise überwiegend oder ausschließlich Helium, Neon, Wasser und ggf. Kohlendioxid enthält, wird sodann in Form eines Stoffstroms C einer thermischen Abscheideeinheit 103 zugeführt, in welcher das Gasgemisch auf eine Temperatur abgekühlt wird, welche der Kondensationstemperatur der Oxidationsprodukte entspricht oder diese unterschreitet, sodass zumindest ein Teil der Oxidationsprodukte in der thermischen Abscheideeinheit 103 kondensiert oder ausfriert und sodann in flüssiger und/oder fester Phase vorliegt.
Dadurch dass Helium und Neon eine deutlich niedrigere Kondensationstemperatur aufweisen als das oder die Oxidationsprodukte, kann letzteres oder können letztere in der thermischen Abscheideeinheit 103 auf effektive Weise von Helium und Neon abgetrennt werden. Die weiterhin gasförmig vorliegenden Bestandteile des Gasgemischs, d.h. das Helium und das Neon, kann somit in gasförmige Phase in Form eines Stoffstroms D aus dem der thermischen Abscheideeinheit 103 abgezogen werden, während die abgeschiedenen Bestandteile in Form eines Stoffstroms E aus der thermischen Abscheideeinheit 103 ausgetragen werden können.
Mittels einer Sensoreinheit 104 oder einer anderen Einrichtung zur Ermittlung einer Konzentration kann der Gehalt an der einen oder an den mehreren oxidierbaren Komponenten ermittelt und der Sauerstoff B entsprechend zudosiert werden.
2 veranschaulicht eine Vorrichtung 200 zur Gewinnung von Helium oder Helium und Neon aus Erdgas gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist ein spezifisches Ausführungsbeispiel veranschaulicht, das nicht in der konkret gezeigten Weise verwirklicht sein muss, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen. Insbesondere kann die Anzahl der nachfolgend erläuterten Wärmeübertrager von dem hier veranschaulichten Beispiel abweichen.
Ungereinigtes Erdgas 1 oder ein entsprechendes, unter Verwendung von Erdgas gebildetes Einsatzgemisch wird in der Vorrichtung 200 als Arbeitsmedium auf einem deutlich überatmosphärischen Druckniveau einem ersten Schwallwasserabscheider 2 zugeführt. Die für die Vorrichtung 200 zulässigen Eingangsparameter liegen typischerweise bei Eingangstemperaturen von 263 bis 233 K und Eingangsdrücken von 6 bis 63 bar oberhalb von Atmosphärendruck. Typische Massenströme des Arbeitsmediums sind 50 bis 4000 kg Erdgas/h, insbesondere 70 bis 1500 kg/h. Mittels des ersten Schwallwasserabscheiders 2 wird Wasser aus dem Erdgas oder dem Einsatzgemisch abgeschieden. Das in dem ersten Schwallwasserabscheider 2 abgeschiedene Wasser kann in Form eines Wasserstroms 3 abgezogen werden.
Ein entsprechend an Wasser abgereicherter Stoffstrom, nun mit 4 bezeichnet, wird einer insbesondere isenthalpen Entspannung in einer Entspannungseinrichtung 5, beispielsweise einer Blende oder einem Ventil, unterworfen und anschließend einem ersten Wärmeübertrager 6, der mittels eines Kältemittelstroms 7 abgekühlt wird und mittels einer motorisierten Feststoffabträgers 8 versehen ist, zugeführt.
Der erste Wärmeübertrager 6 kann insbesondere mit einer thermischen Isolation 9 in Form eines Vakuummantels, einer Kaltschaumisolierung oder einer Schüttung aus einem sogenannten Aerogel ausgestattet sein. In dem ersten Wärmeübertrager 6 erfolgt eine Abkühlung des Arbeitsmediums auf 273 bis 263 K, insbesondere 273 bis 268 K, beispielsweise ca. 271 K. Um eine übermäßige Bildung von Methanhydrat zu vermeiden, wird in dem ersten Wärmeübertrager 6 die Gastemperatur vorteilhafterweise druckabhängig bis auf die Methanhydratbildungstemperatur herabgesenkt, jedoch diese nicht unterschritten. Ein Sicherheitsabstand von 1 bis 20 K, insbesondere von 1 bis 5 K, beispielsweise ca. 2 K, kann verwendet werden.
Sich auf den Wärmeübertragerflächen des ersten Wärmeübertragers 6 abscheidendes Eis und ggf. Methanhydrat kann mittels des Feststoffabträgers 8 abgetragen und in einem unteren Bereich mittels eines nicht gesondert bezeichneten Heizers verflüssigt werden. Auf diese Weise kann weiteres Wasser abgeschieden und in Form eines Wasserstroms 10 aus dem Wärmeübertrager 6 abgezogen werden.
Das in dieser Weise behandelte Gasgemisch des Stoffstroms 4 wird, nun in Form eines Stoffstroms 11 veranschaulicht, einem weiteren Schwallwasserabscheider 12 zugeführt, um im Gasstrom mitgezogenes Freiwasser auszuscheiden. Entsprechendes Wasser wird in Form eines Wasserstroms 13 abgezogen, und aus dem das entsprechend behandelte Gasgemisch des Stoffstroms 11, nun als Stoffstrom 14 veranschaulicht, einem zweiten Wärmeübertrager 15 zugeführt.
Der zweite Wärmeübertrager 15 ist vorzugsweise identisch wie der erste Wärmeübertrager 6 ausgebildet. Er weist ebenfalls eine thermische Isolation und einen Feststoffabtrager auf, die wie bei dem ersten Wärmeübertrager 6 auch hier mit den Bezugszeichen 8 und 9 veranschaulicht sind. Der zweite Wärmeübertrager 15 wird mittels eines Kältemittelstroms 16 abgekühlt. In dem zweiten Wärmeübertrager 15 erfolgt eine Abkühlung auf 255 bis 213 K, insbesondere 233 bis 213 K. Dabei frieren Restfeuchtigkeit und Methanhydrat an den Wärmeübertragerflächen an, die zyklisch mittels des Feststoffabträgers 8 gereinigt werden. Die Methanydratbildungskurve wird unterschritten, um Wasser abzuscheiden. Überdies werden Reststoffe wie Kohlendioxid aus dem System getrennt. Entsprechende Komponenten werden in Form eines Stoffstroms 17 aus dem zweiten Wärmeübertrager 15 abgezogen.
Das in dieser Weise behandelte Gasgemisch des Stoffstroms 14 wird, nun in Form eines Stoffstroms 18 veranschaulicht, einem dritten Wärmeübertrager 19 zugeführt. Der dritte Wärmeübertrager 19 ist vorzugsweise identisch wie der erste Wärmeübertrager 6 und der zweite Wärmeübertrager 15 ausgebildet. Er weist ebenfalls eine thermische Isolation und einen Feststoffabtrager auf, die wie bei dem zuvor erläuterten Fällen auch hier mit den Bezugszeichen 8 und 9 veranschaulicht sind. Der dritte Wärmeübertrager 19 wird mittels eines Kältemittelstroms 20, beispielsweise umfassend regasifizierten flüssigem Stickstoff, abgekühlt. In dem dritten Wärmeübertrager 19 und einem oder mehreren optionalen weiteren, hier aber nicht gezeigten Wärmeübertragern erfolgt eine Abkühlung bis knapp über die Kondensationstemperatur von Methan. Ein Sicherheitsabstand von 1 bis 20 K, insbesondere 1 bis 5 K, beispielsweise ca. 2K, wird verwendet.
Mit anderen Worten wird die Temperatur in den Wärmeübertragern 6, 15 und 19 mit jeder Stufe weiter abgesenkt und nähert sich in der letzten Stufe beliebig nahe an die Verflüssigungstemperatur an, wobei jedoch nur so wenig Wärme entzogen wird, dass keine Verflüssigung eintritt. Die Wärmeübertrager 6, 15 und 19 werden derart betrieben, dass zunächst ein Großteil des gebundenen Wassers ausgefällt wird. Anschließend werden Begleitstoffe wie Kohlendioxid und höhere Kohlenwasserstoffe reduziert. Daher kann in dem Verfahren 200 vorteilhafterweise auch (teilweise) ungereinigtes und ungetrocknetes Erdgas eingesetzt werden.
Ein dem dritten Wärmeübertrager 19 oder einem optionalen nicht veranschaulichten weiteren Wärmeübertrager entnommener Stoffstrom 21 wird nach einer Entspannung in einer weiteren Entspannungseinrichtung 22, beispielsweise einem Ventil oder einer Blende, in einen Kreislaufverflüssiger 23 überführt, der mittels eines (zunächst) flüssigen Stickstoffstroms 24 gekühlt werden kann. Die Entspannungseinrichtung 22 entspannt den Stoffstrom 21 isenthalp auf einen Druck von 1 bis 20 bar, insbesondere 4 bis 10 bar. Rückverdampfter Stickstoff des Stickstoffstroms 24 kann in Form des Kältemittelstroms 20 in dem dritten Wärmeübertrager 19 verwendet werden. Der für die Kühlung verwendete Stickstoff kann über einen Gas-Wärmeübertrager einer Expansionsturbine, beispielsweise mit einem Elektrogenerator, zugeführt werden.
Der Kreislaufverflüssiger 23 umfasst einen Kreislaufförderer 25, der den Inhalt des Kreislaufverflüssigers 23 umwälzt, so dass Methan und höhere Kohlenwasserstoffe kondensiert werden und diese in Form eines Stoffstroms 26 abgezogen werden können. Die Ausgangstemperatur aus dem Kreislaufverflüssiger 23 kann am Gleichgewichtspunkt, jedoch auch darunter liegen. Die Unterkühlung reicht von 1 bis 60 K, insbesondere 1 bis 30 K, beispielsweise ca. 20K. Der Grad der maximalen Unterkühlung erfolgt in Abhängigkeit von der Soliduslinie im Phasendiagramm von Methan. Diese liegt im Bereich zwischen 1 bis 100 bar bei rund 91 K.
Mit anderen Worten gehen in dem Kreislaufverflüssiger 23 Wasserstoff mit einem Siedepunkt von ca. 21 K, Neon mit einem Siedepunkt von ca. 27 K und Helium bis auf etwaige gelöste Anteile nicht in die flüssige Phase über sondern verbleiben in der Gasphase. Dieses Restgemisch, wird, insbesondere periodisch, in Form eines Stoffstroms 27 abgezogen und einer Nachbehandlung 100, wie sie beispielsweise in 1 veranschaulicht ist, unterworfen. Auf diese Weise kann unter Abtrennung von Wasserstoff und ggf. Methan in Form der Oxidationsprodukte Wasser und ggf. Kohlendioxid Helium oder Helium und Neon gewonnen werden.

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Helium oder Helium und Neon, bei dem Erdgas (1) oder ein unter Verwendung von Erdgas (1) gebildetes Einsatzgemisch einer sukzessiven Abkühlung auf ein Temperaturniveau, das unterhalb der Siedetemperatur von Methan liegt, unterworfen wird, wodurch unter Verbleib eines Restgemischs (27), das überwiegend oder ausschließlich Helium, Neon und eine oder mehrere nicht höher als Methan siedende oxidierbare Komponenten enthält, Methan und höher als Methan siedende Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil aus dem Erdgas (1) oder aus dem Einsatzgemisch abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Restgemischs (27) als ein Reaktionseinsatz (A) einer Nachbehandlung (100) unterworfen wird, in der die eine oder die mehreren oxidierbaren Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil zu einem oder mehreren Oxidationsprodukten oxidiert wird oder werden und dann zumindest der überwiegende Teil des einen oder der mehreren Oxidationsprodukte durch Abkühlen abgeschieden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die oder eine der mehreren oxidierbaren Komponenten Methan ist und wobei die Oxidationsprodukte Wasser und Kohlendioxid sind oder umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die oder eine der mehreren oxidierbaren Komponenten Wasserstoff und das oder eines der mehreren Oxidationsprodukte Wasser ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Gehalt der einen oder der mehreren oxidierbaren Komponenten in dem Reaktionseinsatz (A) ermittelt und Sauerstoff (B) auf Grundlage dieser Ermittlung zu dem Reaktionseinsatz (A) zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Erdgas (1) oder das Einsatzgemisch, das der sukzessiven Abkühlung unterworfen wird, Wasser, Kohlendioxid, Methan, Wasserstoff, Helium und Neon enthält, wobei das Wasser und das Kohlendioxid bei der Abkühlung in einem oder in mehreren abreinigbaren Wärmeübertragern (3, 6, 15, 19) flüssig und/oder fest abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Wasser zumindest teilweise als Methanhydrat abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der eine oder die mehreren abreinigbaren Wärmeübertrager (3, 6, 15, 19) eine Abtrageinrichtung (8) aufweist oder aufweisen, die zum Abtragen auf Wärmeüberträgerflächen des einen oder der mehreren abreinigbaren Wärmeübertrager (3, 6, 15, 19) fest abgeschiedener Komponenten eingerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Restgemisch 0,1 bis 8 Molprozent Helium, 0 bis 2 Molprozent Neon, 0 bis 10 Molprozent Wasserstoff und 75 bis 99 Molprozent Methan enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die eine oder die mehreren oxidierbaren Komponenten durch Verbrennung und/oder katalytische Umsetzung und/oder elektrochemische Umsetzung zu dem einen oder zu den mehreren Oxidationsprodukten oxidiert wird oder werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem für die Oxidation der einen oder der mehreren Oxidationsprodukte eingesetzter Sauerstoff in Form von reinem Sauerstoff oder Sauerstoff in einem Gasgemisch bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Oxidation der einen oder der mehreren oxidierbaren Komponenten in einer Verbrennungskraftmaschine (102) durchgeführt wird.
Vorrichtung (200) zur Gewinnung von Helium oder Helium und Neon, die dafür eingerichtet ist, Erdgas (1) oder ein unter Verwendung von Erdgas (1) gebildetes Einsatzgemisch einer sukzessiven Abkühlung auf ein Temperaturniveau, das unterhalb der Siedetemperatur von Methan liegt, zu unterwerfen und dadurch unter Verbleib eines Restgemischs (27), das überwiegend oder ausschließlich Helium, Neon und eine oder mehrere nicht höher als Methan siedende oxidierbare Komponenten enthält, Methan und höher als Methan siedende Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil aus dem Erdgas (1) oder aus dem Einsatzgemisch abzuscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass (200) Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, zumindest einen Teil des Restgemischs (27) als einen Reaktionseinsatz (A) einer Nachbehandlung (100) zu unterwerfen, in der die eine oder die mehreren oxidierbaren Komponenten zumindest zum überwiegenden Teil zu einem oder mehreren Oxidationsprodukten oxidiert wird oder werden und dann zumindest der überwiegende Teil des einen oder der mehreren Oxidationsprodukte durch Abkühlen abgeschieden wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.