DE19927773A1 - Rückgewinnung von ·3·He - Google Patents

Rückgewinnung von ·3·He

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DE19927773A1
DE19927773A1 DE1999127773 DE19927773A DE19927773A1 DE 19927773 A1 DE19927773 A1 DE 19927773A1 DE 1999127773 DE1999127773 DE 1999127773 DE 19927773 A DE19927773 A DE 19927773A DE 19927773 A1 DE19927773 A1 DE 19927773A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung kleinster Mengen von Edelgasen, insbesondere von ·3·He aus einem Gasgemisch, insbesondere Luft mit einer Vorrichtung, umfassend mindestens eine Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung mit mindestens einem Molekularsieb mit folgenden Schritten: DOLLAR A das Molekularsieb wird auf eine Temperatur von weniger als 293 K vorzugsweise weniger als 100 K abgekühlt; DOLLAR A das Gasgemisch wird der Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung zugeführt; DOLLAR A die von den Molekularsieben nicht zurückgehaltenen Restgase werden in einen Spezialbehälter aufgefangen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung kleinster Mengen von Edelgasen, insbesondere 3He aus einem Gasgemisch, insbesondere Luft sowie eine Vorrichtung zur Rückgewinnung kleinster Mengen von Edelgasen, insbesondere 3He aus einem Gasgemisch, insbesondere Luft.
Bei in der Natur nur in geringen Mengen vorkommenden Edelgasen, wie beispielsweise Helium (He) besteht das Bedürfnis, ein einfaches Verfahren beziehungsweise eine einfache Vorrichtung zur Gewinnung beziehungsweise Rückgewinnung nach der Verwendung derartiger Gase aus einem Gasgemisch anzugeben.
In besonderem Maß gilt dies für die Gewinnung beziehungsweise Rückgewinnung des sehr seltenen, stabilen Heliumisotopes 3He.
Das Heliumisotop der Massenzahl 3 (3He) wird nicht nur für eine Vielzahl von Experimenten der physikalischen Grundlagenforschung benötigt, sondern findet derzeit vermehrt Aufmerksamkeit für eine Verwendung auf dem Gebiet der Medizin. Insbesondere werden derartige Isotope für eine Anwendung in einer brillanten, hochaufgelösten dreidimensionalen Kernspintomographie der Ventilation der menschlichen Lunge diskutiert.
Betreffend dieser Anwendung wird auf die nachfolgenden Publikationen verwiesen, deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in die Anmeldung mit aufgenommen wird:
Peter Bachert, Lothar R. Schad, Michael Bock, Michal V. Knopp, Michael Ebert, Tino Großmann, Werner Heil, Dirk Hofmann, Reinhard Surkau, Ernst W. Offen, "Nuclear Magnetic Resonance Imaging of Airways in Humans with Use of Hyperpolarized 3He", Magnetic Resonance in Medicine, 36 : 192-196 (1996).
M. Ebert, T. Großmann, W. Heil, E. W. Otten, R. Surkau, M. Leduc, P. Bachert, M. V. Knopp, L. R. Schad, M. Thelen, "Nuclear Magnetic Resonance Imaging with Hyperpolarized 3He", THE LANCET, 347 (1996) 1297-1299.
Voraussetzung für die Anwendung derartiger kernspinpolarisierter Gase in der Kernspintomographie ist ein Polarisationsgrad P der Spins I der Atomkerne beziehungsweise der damit verknüpften magnetischen Kerndipolmomente µI, der um 4-5 Größenordnungen größer ist, als er sich normalerweise im thermischen Gleichgewicht im Magnetfeld BT des Tomographen durch den Boltzmannfaktor aus magnetischer Dipolenergie µIBT und mittlerer thermischer Energie kT einstellt zu
Pboltzmann = tanh (µIBT/kT) ≈ µIBT/kT (1)
Z = 1.38.10-23 J/K (Boltzmannkonstante)
T = absolute Temperatur in Kelvin (K)
Während das in der Gewebetomographie benutzte Wasserstoffisotop 1H bei BT = 1,5 T und T = 300 K ein PBoltzmann von nur 5.10-6 erreicht, wird in der Gastomographie ein P ≧ 1.10-2 d. h. 1% verlangt. Die Forderung nach einem so extrem überhöhten P ergibt sich in erster Linie aus der geringen Konzentration der Gasatome im Vergleich zu der des Wasserstoffes im Gewebe. Gase mit derartigen Polarisationsgraden können mit Hilfe geeigneter Verfahren, vorzugsweise dem optischen Pumpen, bereitgestellt werden.
Außerdem müssen größere Gasmengen, beispielsweise von der Größe eines Atemzuges (0,5 bis 1 Liter), für eine Anwendung zur Verfügung gestellt werden.
Besonders hohe Polarisationsgrade - beispielsweise 30% - bei gleichzeitig hohen Produktionsraten, z. B. 0,5 barLiter/h, wurden durch Kompression von optisch gepumpten 3He-Gases erzielt. Dieses Verfahren ist in nachfolgenden Veröffentlichungen beschrieben, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen wird:
G. Eckert, W. Heil, M. Meyerhoff, E. W. Otten, R. Surkau, M. Werner, M. Leduc, P. J. Nacher, L. D. Schearer, "A dense polarized 3He target based on compression of optically pumped gas", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 320 (1992) 53-65.
J. Becker, M. Ebert, T. Grossmann, W. Heil, H. Humblot, M. Leduc, E. W. Offen, D. Rohe, M. Schäfer, K. Siemensmeyer, M. Steiner, R. Surkau, F. Tasset, N. Trautmann, "Development of a Dense Polarized 3He Spin Filter Based on Compression of Optically Pumped Gas", J. Neutron Research, Vol. 5, (1996) 1-10.
R. Surkau, J. Becker, M. Ebert, T. Grossmann, W. Heil, D. Hofmann, H. Humblot, M. Leduc, E. W. Otten, D. Rohe, K. Siemensmeyer, M. Steiner, F. Tasset, N. Trautmann, "Realization of a broad band neutron spin filter with compressed, polarized 3He gas", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 384 (1997) 444-450.
W. Heil, H. Humblot, E. W. Otten, M. Schäfer, R. Surkau, M. Leduc, "Very long nuclear relaxation times of spin polarized helium 3 in metal coated celle", Physics Letters A 201 (1995) 337-343.
Da das 3He im natürlichen Isotopengemisch des Heliums nur zu 0,137 Promille vorkommt, ist es für die oben beschriebenen medizinischen Anwendungen wesentlich, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem kostengünstig und einfach Edelgase, insbesondere das oben erwähnte 3He aus einem Gasgemisch, insbesondere einem Luftgemisch gewonnen beziehungsweise zurückgewonnen werden kann. Insbesondere trifft dies auf die nach einer kernspintomographischen Untersuchung abgeatmete Luft des Patienten zu, in der aufgrund der Untersuchungszwecke bereits 3He in angereicherter Form gegenüber dem natürlichen Vorkommen vorliegt.
Aufgabe der Erfindung ist es somit ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der derartige Edelgase ohne großen Aufwand auf kostengünstige Art und Weise aus einem Gasgemisch gewonnen beziehungsweise zurückgewonnen werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, bei dem eine Vorrichtung umfassend mindestens eine Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung mit mindestens einem Molekularsieb auf eine Temperatur von weniger als 293 K, vorzugsweise weniger als 100 K abgekühlt wird, sodann das Gasgemisch der Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung zugeführt wird und schlußendlich die von den Molekularsieben nicht zurückbehaltenen Restgase (Edelgase und Wasserstoff) in einen Spezialbehälter abgepumpt werden.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Molekularsieb anorganische Materialien, insbesondere Silikatmaterial, besonders bevorzugt Kieselsäure und/oder Aluminosilikate, insbesondere Zeolithe umfaßt.
Betreffend die Sorptionseigenschaften von Silikatmaterialien wird insbesondere auf
R. A. Haefer "Kryo-Vakuumtechnik", Grundlagen und Anwendungen, Berlin/Heidelberg/New York; Springer 1981
M. Wutz, H. Adam, W. Walcher "Theorie und Praxis der Vakuumtechnik", 2. Auflage Braunschweig/Wiesbaden; Friedr. Vieweg & Sohn 1982
W. Pupp, H. K. Hartmann "Vakuumtechnik", Grundlagen und Anwendungen München/Wien; Carl Hansen Verlag 1991
S. Dushman "Vacuumtechnique" (Scientific foundations of . . .) New York; J. Wiley & Sons London; Chapman & Hall
verwiesen, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich mit aufgenommen wird.
Die dort aufgeführten Materialien haben folgende Eigenschaften:
  • - hohe Porosität (freier Durchmesser: 0, 4-10 nm)
  • - große Oberfläche (1 g Zeolith weist 103 m2 absorbierende Oberfläche auf und bindet damit 10 Pam3 an aktiven Gasen)
  • - Edelgase und Wasserstoff werden von der aktiven Oberfläche kaum beziehungsweise praktisch nicht gebunden
  • - die Poren können durch Kristallwasser zugesetzt werden.
Um eine Vergrößerung der Sorptionsflächen im Molekularsieb zu erhalten und somit den Prozeß in Bezug auf eine hohe Ausbeute zu optimieren, ist mit Vorteil vorgesehen, die Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung vor dem Abkühlen und dem Zuführen des zu trennenden Gasgemisches auszuheizen. Auf diese Art und Weise werden wirksam im Molekularsieb befindliche Fremdstoffe, insbesondere Kristallwasser, aus diesen herausgetragen.
Da sich im Laufe des Rückgewinnungsprozesses über das Molekularsieb dieses mit den im Sieb festgehaltenen Stoffen zusetzt, so daß die Oberfläche verringert und damit die Ausbeute des Verfahrens vermindert wird, ist mit Vorteil vorgesehen, nach Durchsatz eines vorbestimmten Luftvolumens die Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung zu erhitzen und das im Molekularsieb adsorbierte Luftvolumen und adsorbiertes Kondenswasser auszutreiben.
Bei mehr als 7 Gew-% eingelagertem Wasser ist die Kapazität für aktive Gase auf Null gesunken.
Um zu verhindern, daß mit der Luft ausgeatmetes Wasser in das Molekularsieb gelangt, ist mit Vorteil vorgesehen, das Gasgemisch, insbesondere die Luft vor Zuführung zur Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung durch eine Einrichtung, beispielsweise eine Kühlfalle, zu führen, in der das Wasser ausgefroren wird.
Im Molekularsieb zurückgehalten werden insbesondere Ar, Kr, Xe, Rn.
Um das hinter dem Molekularsieb enthaltene Gasgemisch weiter auftrennen zu können, insbesondere um aus diesem das Helium abzutrennen, ist mit Vorteil vorgesehen, daß das aus der Adsorptions- und/Absorbereinrichtung austretende Edelgasgemisch einer Einrichtung zum Erzeugen von Temperaturen von weniger als 27 K, insbesondere weniger als 15,5 K, bevorzugt weniger als 11 K, zugeführt wird, so daß das zugeführte Gasgemisch in eine kondensierte und eine gasförmige Fraktion aufgetrennt wird, wobei die gasförmige Fraktion im wesentlichen aus einem He- Isotopengemisch mit Fremdgasverunreinigung von weniger als 1‰, insbesondere weniger als 100 ppm, bevorzugt weniger als 1 ppm bezogen auf 1 bar 3He Referenzdruck erreicht wird.
Besonders bevorzugt ist es, das Verfahren so zu führen, daß die Fremdgasverunreinigung in der gasförmigen Fraktion kleiner als 1 ppm ist.
In einer weitergebildeten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zum Erreichen sehr niedriger Fremdgasverunreinigungen in der gasförmigen Phase des He diese Gasgemische mehrmals der Einrichtung zum Erzeugen von Temperaturen, die geringer als 27 K, insbesondere geringer als 15,5 K, bevorzugt weniger als 11 K sind, beispielsweise im Rahmen von Zirkulationsleitungen zugeführt werden können. Um hochreines He-Gas zu erhalten, kann der noch verbleibende Wasserstoff durch geeignete Gettermaterialien absorbiert werden. Bezüglich Gettermaterialien für tiefe Temperaturen wird auf den Prospekt NEG 707/9610 der SAES Getters SpA, Viafe Italia 77, 20020 Lainate, Italien, "Non evaporable getters activatable at low temperatures" verwiesen, dessen Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich miteingeschlossen wird. Ein mögliches Gettermaterial wäre eine tertiäre Legierung aus Zr, V, Fe.
Neben dem Verfahren stellt die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Rückgewinnung kleinster Mengen von Edelgasen, insbesondere 3He aus einem Gasgemisch, insbesondere Luft zur Verfügung. Die erfindungsgemäße Einrichtung weist eine Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung, eine Kühl- und/oder Heizeinrichtung für die Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung, eine Einrichtung zur Vakuumerzeugung sowie eine Fördereinrichtung auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung mindestens ein Molekularsieb umfaßt, das derart aufgebaut ist, daß vom Molekularsieb sämtliche Bestandteile des Gasgemisches weitgehend vollständig zurückgehalten werden mit Ausnahme eines Restgasgemisches aus H2, He, Ne..
Bevorzugt umfaßt das Molekularsieb anorganische Materialien, insbesondere Silikatmaterialien, besonders bevorzugt Aluminosilikate, insbesondere Zeolithe.
Zum Ausfrieren von beispielsweise Wasser ist mit Vorteil vorgesehen, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Strömungsrichtung des Gasstromes vor der Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung eine Kühlfalle angeordnet ist.
Zur weiteren Auftrennung des das Molekularsieb verlassenden Gasstromes ist mit Vorteil vorgesehen, das in Strömungsrichtung hinter dem Molekularsieb eine Einrichtung zur Erzeugung von Temperaturen von weniger als 27 K, insbesondere 15,5 K vorzugsweise 11 K vorgesehen ist, insbesondere ein Kaltkopf.
Der Kaltkopf kann in einer bevorzugten Ausführungsform einen Wärmetauscher sowie einen Gasvorkühler umfassen.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Vakuums in der Rückgewinnungsvorrichtung eine Vorpumpe sowie eine Turbopumpe umfaßt. Besonders bevorzugt kann die Vakuumeinrichtung des weiteren eine Zeolitrifalle umfassen.
Für einen effektiven Transport des Edelgasgemisches beziehungsweise des 3He außer über Druckausgleich wird mit Vorteil eine Öl- beziehungsweise fettfreie Pumpe, beispielsweise eine Scrollpumpe verwandt. Eine Scrollpumpe zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine trockenlaufende Förderpumpe ist, so daß Ölkonterminationen vermieden werden. Des weiteren weist sie ein Verdichtungsverhältnis auf, das höher als dasjenige von ebenfalls trockenlaufenden Membranpumpen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß zum Abpumpen des Edelgasgemisches aus der Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung beziehungsweise der Einrichtung zum Erzeugen von Temperaturen kleiner als 27 K, insbesondere 15,5 K, bevorzugt 11 K eine Leitungs- und Ventilanordnung vorgesehen ist, mit der das neben der kondensierten Phase nach Durchlaufen der Einrichtung zum Erzeugen von Temperaturen kleiner als 27 K, insbesondere 15,5 K, vorzugsweise 11 K gewonnene abgetrennte Edelgas, insbesondere He, erneut dieser Einrichtung zur weiteren Reinigung zugeführt werden kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1a-b Unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Prinzipdarstellung
Fig. 2 Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
In Fig. 1a ist das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung beziehungsweise Rückgewinnung von Edelgasen aus einem Luftgemisch dargestellt. Erfindungsgemäß wird das Luftgemisch enthaltend Helium (He), Neon (Ne) sowie gegebenenfalls Wasserstoff (H) einer Adsorptionseinrichtung 1 mit einem Molekularsieb zugeführt. Als Molekularsieb finden bevorzugt Silikatmaterialien Verwendung, besonders bevorzugt Aluminosilikate, insbesondere Zeolithe.
Zeolithe weisen eine große Oberfläche aufgrund der inneren porösen, beispielsweise wabenartigen Struktur dieser Stoffe auf. Zeolithe sind mit verschiedenen Porendurchmessern und Körnungen erhältlich. Zeolithe sind nicht brennbar und an Luft regenerierbar. Die Adsorptionswirkung von Zeolithen wird erst bei tiefen Temperaturen voll entfaltet. Ein Gramm Zeolith hat ca. 103 m2 adsorbierende Oberfläche und bindet in monomolekularer Schicht mehr als 10 Pam3 an aktiven Gasen. Edelgase werden von Zeolithen praktisch kaum gebunden.
Betreffend die Adsorptionseigenschaften von Silikatmaterialien, insbesondere Zeolithen wird auf S. Dushman, Vacuumtechnicque a.a.O., S. 458-469 "Sorption by Silicagel and Silicates" verwiesen.
Wird ein Gasgemisch umfassend He, Ne, H sowie Luft durch ein Molekularsieb wie in Fig. 1 bei entsprechend niedrigen Temperaturen geführt, so werden sämtliche Gase des Gasgemisches im Molekularsieb adsorbiert, einzig die Edelgase He, Ne, H können durch das Molekularsieb hindurchtreten.
Durch Ausheizen des Molekularsiebes vor Zuführen des aufzutrennenden Luftgemisches, können Verunreinigungen aus diesem ausgetrieben und so die Oberfläche des Molekularsiebes, die zur Adsorption zur Verfügung steht, vergrößert werden.
Insbesondere bei der Gewinnung von Edelgasen aus Luft, die einen hohen Wasseranteil aufweist, kann es vorteilhaft sein, dem Molekularsieb eine Einrichtung 3 voranzustellen, die als Kühlfalle wirkt und in der H2O aus dem Gasgemisch ausgefroren werden können.
Um aus dem nach Durchgang durch das Molekularsieb 1 erhaltenen Edelgasgemisch, das bei Zuführung eines im wesentlichen aus Luft bestehenden Gasgemisches bei entsprechender Auswahl des Molekularsiebes nur noch die Edelgase Helium (He) und Neon (Ne) und Wasserstoff (H) enthält, kann mit Hilfe einer Einrichtung 5 zur Erzeugung von Temperaturen kleiner als 27 K, insbesondere 15,5 K, bevorzugt 11 K das Edelgas Neon von den Gasen Wasserstoff und Helium abgetrennt werden.
Als Einrichtung 5 zur Erzeugung von Temperaturen kleiner als 27 K, insbesondere 15,5 K, bevorzugt 11 K werden sogenannte Kaltköpfe eingesetzt.
In einem Kaltkopf wird ein Zylinder durch einen Verdrängerkolben (Displacer) in zwei Arbeitsräume V1 und V2 geteilt. Im Betrieb sei V1 warm und V2 kalt. Bei der Hubfrequenz F ist dann die Kälteleistung W des Refrigerators:
W = (V2(max) - V2(min)).(Ph-Pn).F
Der Verdränger wird pneumatisch hin- und her bewegt, so daß ein Arbeitsgas mit Maximal- und Minimaldruck Ph, Pn durch den Verdränger und damit durch den im Inneren des Verdrängers befindlichen Regenerator gedrängt wird. Der Regenerator ist ein Wärmespeicher mit großer Austauschfläche und Kapazität, der die Funktion des Wärmetauschers im Kreislauf übernimmt. Die Kälteerzeugung in einem Ein- oder Mehrstufen-Refrigerator-Kaltkopf kann beispielsweise nach dem Gifford-McMahon-Prinzip erfolgen. Eine derartige Refrigerator-Kryopumpe ist beispielsweise die Refrigerator-Kryopumpe Leybold-Kaltkopf "Cool-Power 210" in Verbindung mit einem Aggregat RW2, die einen zweistufigen-Kaltkopf, der nach dem Gifford-McMahon-Prinzip arbeitet, umfaßt. Mit einer derartigen Pumpe kann in einer ersten Stufe des Kaltkopfes eine Temperatur des Heliums von etwa 30 K erreicht werden.
Betreffend Kaltköpfe wird auf "Grundlagen der Vakuumtechnik" von Dr. Walter Umrath, hrsg. von der Leybold-Vakuum GmbH, Köln 1997, S. 53-57, verwiesen, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit einbezogen wird.
Das mit Hilfe des Kaltkopfes abgetrennte Helium-Gas weist Verunreinigungen von weniger als 100 ppm in besonders bevorzugten Ausführungsformen Verunreinigungen kleiner 1 ppm auf.
In Fig. 1d ist eine Anordnung gemäß Fig. 1c mit zwischen Kaltkopf und Molekularsieb eingebrachter Pumpe 7 zum Abpumpen des Edelgasgemisches, bestehend aus Helium, Neon und Wasserstoff in dem Kaltkopf 5 dargestellt. Die Pumpe 7 ist bevorzugt eine trockenlaufende Pumpe, beispielsweise eine Scrollpumpe, um Verunreinigungen zu vermeiden.
Durch entsprechende Ventilsteuerung in den Zuleitungen 11, 13 wird von der Pumpe 7 zunächst das Edelgasgemisch in den Kaltkopf 5, von dort das gasförmige Helium über Leitungen 11, 13 in den Heliumdruckbehälter 9 geleitet. Der Heliumdruckbehälter 9 umfaßt einen internen Metallgetter, um H2- Verunreinigungen zu adsorbieren. Betreffend Gettermaterialien, die insbesondere auch in Getterpumpen Verwendung finden, wird auf "Grundlagen der Vakuumtechnik a.a.O." S. 52, Prospekt NEG 707/9610 der SAES Getters S. p.A., a.a.O. verwiesen, wobei der Offenbarungsgehalt dieser Schrift in die vorliegende Anmeldung voll umfänglich mit einbezogen wird. Gettermaterialien sind beispielsweise Zirkonium-Aluminium-Legierungen, oder Zirkonium-Vanadium-Eisen-Legierungen.
In Fig. 2 ist beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung beziehungsweise Rückgewinnung von Edelgasen, insbesondere Helium aus einem Gasgemisch, insbesondere Luft dargestellt. Wird die Anlage zur Rückgewinnung von bei der Kernspintomographie der Lunge eingesetztem polarisierten 3He eingesetzt, so wird die vom Patienten nach der kernspintomographischen Aufnahme ausgeatmete Luft in einem Luftsack 20 aufgefangen.
Das Gasgemisch wird sodann über Kühlfalle 3, in der in der Luft befindliches Wasser ausgefroren wird der Adsorptionseinrichtung 1, die vorliegend aus zwei Zeolitrifallen mit einer Masse von 2 Kilogramm und einem Volumen von 3,2 Litern besteht, zugeleitet. In den Molekularsieben werden bis auf die Restgase Helium, Neon, Wasserstoff sämtliche anderen Bestandteile zurückgehalten. Die nach der Adsorptionseinrichtung noch vorhandenen Restgase werden mit Hilfe einer Förderpumpe, vorliegend der Scrollpumpe 7 über Leitung 28 abgezogen. Ist das Ventil 30 und das Ventil 32 geschlossen, so wird das Restgasgemisch, bestehend im wesentlichen aus Helium, Neon, Wasserstoff mit Hilfe der Scrollpumpe 7 in den Kaltkopf 5 gefördert. Im Kaltkopf 5 wird das Neon kondensiert und auf diese Art und Weise vom gasförmigen Helium abgetrennt.
Werden die Ventile 32 und 30 geöffnet und Ventil 36 und 34 sowie 28 geschlossen, so wird das Helium mit einer Verunreinigung kleiner 100 ppm vom Kaltkopf 5 in die He-Flasche 9 gefördert. Schließt man hingegen Ventil 32 und 30 und öffnet die Ventile 36 und 34, so wird das Helium mit Hilfe der Scrollpumpe 7 nochmals in den Kaltkopf 5 gefördert und dort nachgereinigt.
Durch die geschickte Anordnung der Ventile 30, 32, 34, 36 und das in Fig. 2 dargestellte Leitungsnetz ist es somit möglich, in einem mehrstufigen Verfahren mit Hilfe eines Kaltkopfes 5 das Heliumgas von Verunreinigungen auf Verunreinigungskonzentrationen kleiner 1 ppm zu reinigen.
Das Vakuum der gesamten erfindungsgemäßen Gewinnungs­ beziehungsweise Rückgewinnungsanlage für Helium wird mit Hilfe der Vakuumeinrichtung 50 erzeugt. Die Vakuumeinrichtung 50 umfaßt in vorliegender Ausgestaltung eine Vorpumpe 52, eine Zeolitrifalle 54 sowie eine Turbopumpe 56.
Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Rückgewinnungsanlage ist die Rückgewinnung des in aufwendigen Verfahren gewonnenen 3He , das vor allem bei der Kernspintomographie der Lunge Verwendung findet. Mit Hilfe dieser Methode können nach Einatmen des kernspinpolarisierten 3He die Luftwege, insbesondere in der Lunge dargestellt werden. Des weiteren können funktionelle Parameter wie Fluß, Diffusion und Sauerstoff untersucht werden, was besonders wichtig in der Lungendiagnostik ist. Die umgesetzte Gasmenge beträgt ca. 1 bar Liter pro Untersuchung. Um weitgehend alles vom Patienten aufgenommene 3He aus der untersuchten Lunge auszuwaschen ist es notwendig, ca. 20 bis 100 Liter Luft aufzunehmen. Das mit Hilfe der erfindungsgemäßen Apparatur aufzubereitende Helium/Luftvolumen beträgt somit ca. 1 zu 100 nach einer Untersuchung.
Dies wird mit Hilfe der vorliegenden Apparatur und dem vorliegenden Verfahren auf sehr einfache Art und Weise, insbesondere aber auch kostengünstig erreicht. Die Vorrichtung zeichnet sich durch einen kompakten Aufbau aus und kann transportabel ausgestaltet werden. Sie kommt ohne flüssiges Helium aus. Die Abtrennung des 3He erfordert lediglich flüssige Stickstofftemperatur sowie einen Kaltkopf.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß bei Kopplung von Kühlfalle und Zeolitrifalle an die erste Stufe des Kaltkopfes keine Stickstoffkühlung mehr benötigt wird.

Claims (22)

1. Verfahren zur Rückgewinnung kleinster Mengen von Edelgasen, insbesondere von 3He aus einem Gasgemisch, insbesondere Luft mit einer Vorrichtung umfassend mindestens eine Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1) mit mindestens einem Molekularsieb mit folgenden Schritten:
  • 1. 1.1 das Molekularsieb wird auf eine Temperatur von weniger als 293 K vorzugsweise weniger als 100 K abgekühlt;
  • 2. 1.2 das Gasgemisch wird der Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1) zugeführt;
  • 3. 1.3 die von den Molekularsieben nicht zurückgehaltenen Restgase werden in einen Spezialbehälter (9) aufgefangen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekularsieb anorganische Materialien umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekularsieb Silikatmaterial, insbesondere Kieselsäure und/oder Aluminosilikate, insbesondere Zeolithe umfaßt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1) vor dem Abkühlen ausgeheizt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung nach Durchsatz eines vorbestimmten Luftvolumens erhitzt und das adsorbierte und/oder absorbierte Luftvolumen ausgetrieben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch vor Zuführung zur Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1) durch eine Kühlfalle (3) geführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1) austretende Edelgasgemisch einer Einrichtung zum Erzeugen von Temperaturen kleiner als 27 K, insbesondere 15,5 K, vorzugsweise 11 K zugeführt wird, so daß das aus der Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1) austretende Edelgasgemisch in eine kondensierte und eine gasförmige Fraktion aufgetrennt wird und die gasförmige Fraktion im wesentlichen aus einem He-Isotopengemisch mit einer Fremdgasverunreinigung kleiner 100 ppm besteht.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff gegettert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdgasverunreinigung kleiner als 1 ppm ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der Fremdgasverunreinigungen in der gasförmigen Phase diese ein- oder mehrmals der Einrichtung (5) zum Erzeugen von Temperaturen kleiner als 27 K, insbesondere 15,5 K, vorzugsweise 11 K zugeführt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff ein- oder mehrmals gegettert wird.
12. Vorrichtung zur Gewinnung beziehungsweise Rückgewinnung kleinster Mengen von Edelgasen, insbesondere 3He aus einem Gasgemisch, insbesondere Luft mit
  • 1. 12.1 einer Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1);
  • 2. 12.2 einer Kühl- und/oder Heizeinrichtung für die Adsorptions- und/oder Absorbtionseinrichtung;
  • 3. 12.3 einer Einrichtung zur Vakuumerzeugung (50) sowie
  • 4. 12.4 einer Fördereinrichtung (7) dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1) mindestens ein Molekularsieb umfaßt, das derart aufgebaut ist, daß vom Molekularsieb sämtliche Bestandteile des Gasgemisches weitgehend vollständig zurückgehalten werden mit Ausnahme eines Edelgas-Wasserstoff- Gemisches.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekularsieb anorganische Materialien umfaßt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Molekularsieb Silikatmaterial, insbesondere Kieselsäure und/oder Aluminosilikate, insbesondere Zeolithe umfaßt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dis Vorrichtung zur Gewinnung beziehungsweise Rückgewinnung von Gasen eine in Strömungsrichtung des Gasstromes vor der Adsorptions- und/oder Absorbereinrichtung (1) angeordnete Kühlfalle (3) umfaßt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Gewinnung beziehungsweise Rückgewinnung von Gasen in Strömungsrichtung des Gasstromes hinter der Adsorbtions- und/oder Absorbereinrichtung (1) Einrichtungen (5) zum Erzeugen von Temperaturen kleiner 27 K, insbesondere 15,5 K, vorzugsweise 11 K umfassen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (5) zum Erzeugen von Temperaturen kleiner als 27 K, insbesondere 15,5 K, vorzugsweise 11 K einen Kaltkopf umfassen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen von Temperaturen kleiner als 27 K, insbesondere 15,5 K, vorzugsweise 11 K des weiteren einen Wärmetauscher und/oder einen Gasvorkühler umfaßt.
19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Gefäß mit Getter zum Adsorbieren von H2 besitzt.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Vakuums (50) eine Vorpumpe (52), eine Zeolitrifalle (54) sowie eine Turbopumpe (56) umfaßt.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung eine Scrollpumpe umfaßt.
22. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitungs- und Ventilanordnung (30, 32, 34, 36) vorgesehen ist um mit Hilfe der Einrichtung zum Erzeugen von Temperaturen kleiner 27 K, insbesondere 15,5, vorzugsweise 11 K getrenntes gasförmiges Edelgas zur weiteren Reinigung von nichterwünschten Bestandteilen erneut der Einrichtung zum Erzeugen von Temperaturen kleiner 27 K, insbesondere 15,5, vorzugsweise 11 K zurückzuführen.
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