JP2013508259A - ヘリウム回収プラント - Google Patents

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Abstract

【課題】損失なしにヘリウムを回収するプラントであって、凍結のために前記元素を必要とする機器にヘリウムの連続供給を行うか又は必要としない時に液体状にした前記元素の貯蔵を行うことが出来るプラントを提供する。
【解決手段】下記５種類の異なるモジュールを備える回収プラント
１、バルーンまたは貯蔵コンテナに接続された回収キットを用いた回収モジュール。
２、バルーン又は貯蔵コンテナ［文字通り]内の大気圧下におかれたガス回収貯蔵モジュールとパージフリー・コンプレッサ(これにより無漏洩にする)を用いて絶対圧力2バール以上のガス貯蔵、フィルタ、コンプレッサ出力圧力レベルでのガス貯蔵。
３、例えば一段またはそれ以上の段階のクローズドサイクルによる精製装置を用い、水蒸気、空気などの不純物の除去が可能な精製モジュール。
４、一段またはそれ以上の段階のクローズドサイクルによる冷凍機を使用し、液化速度がガス回収速度に適合しこれにより接続された装置(エンドユーザ)の液化ガス消費速度に適合した液化モジュール。液化ガスをエンドユーザへ分配するのは液化装置に配置された転送弁を用い、これにより抽出が可能になる。手押し車でユーザの近くへ液化装置を移動する。
５、貯蔵モジュールの出口と精製モジュールの出口に配置されたヘリウム(ガス相)分配管理モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明はヘリウム回収用の別々のモジュールを含み、ヘリウムは後に各種用途例えば核磁気共鳴イメージング(MRI)などに要求される医療用機器の冷却などに使用できるようにするプラントに関係する。
本発明の目的は無漏洩ヘリウム回収処理を得ることによって成り当該処理は新品のヘリウム供給への依存を回避する。
ヘリウム(He)は世界で2番目に最も豊富に見られる元素で、地球上においては希少であり抽出は困難を伴う。地下で、自然放射性物質の崩壊の副産物として、ガス状で発見されることがある。
地下のHeは天然ガス井戸から取得して分離方法を用いる。ガス状で高圧の容器に入れた状態で供給者及び／又は最終消費者へ輸送し、液状では断熱コンテナ(ヘリウムフラスコ又は輸送フラスコ)に大気圧で充填する。液体状のHeは工業的液化プラントを用いて取得され、高いクラスと出力が必要で(クラスXL:>1000l/h、1000kW、性能は約1l/h/kW)、高圧容器に予め格納してあるガスは次に一つまたはそれ以上の周回熱力学処理を施し、次に液化温度に達するまで冷却する。これらの液化プラントの技術は前世紀に確立されたもので特許の対象となっている(コリンズ1949、トスカーノ1981)また各種商用製品が現在市場に流通している。
Heの科学的及び工業的応用は多数存在する。そのすべてでこうした元素に対しての要求が増加し、ガス相において(溶接、バルーン、その他)また液相で(1気圧で摂氏−269度)(医療用および科学用機材の冷凍保存など)存在する。そのためHeは有限で高コスト戦略資源と考えられており無損失再生は巨大な注目を集めている。
今日までに開発された全てのHeガス回収及び液化プラントはすべてのステージで損失を示している(ステージ1:回収、ステージ2:高圧下での保存、ステージ3:精製、ステージ4:液化、ステージ5:顧客への配布)、これらを合わせると有意な量となり、ほとんどすべてのケースでサイクルあたり10%を超える(Ef<=0.9)。他方で、これらのプラントは大容量高圧ガスの貯蔵のための複雑な設備を必要としているが、液体消費速度とは無関係であり液化速度を調節できない上、消費に適応させることもできない。最後に、液化速度の調節が不可能であることを除けば液体は消費を超える容積で生産され、ヘリウムフラスコ又は大容量貯蔵フラスコの使用が必須であり、結果としてもっと少量の輸送用ヘリウムフラスコで液化プラントの最終エンドユーザ宛に液体を配送することになる。
ギフォード・マクマホーン及びパルスチューブ技術に基づいたクローズドサイクル型商用冷蔵設備の開発により更に強力で基礎温度を下げられ、あるHe液化装置が開発され、特許化され、商用化された。このような液化装置では、液化しようとするガスは何らの複雑な熱力学的サイクルに入らず、むしろ対流により圧縮されて冷却装置の別のステーにと直接熱交換し、続けて断熱容器ヘリウムフラスコに貯蔵される。しかし、今日まで、この技術に基づいた効率的なHe回収又は液化プラントは開発されていない。このようなプラントは消費量が小さいか中程度である科学研究所、病院、工業の要件をカバーすることになる。他方、今日までに開発されたこれら新型のヘリウム液化装置のR性能はまだ非常に低い。
前述の参考文献から理解されるように、R値として0.2l/day/kW(住友)が挙げられており、0.8から1.5l/day/kW(クワンタムテック社)、またもっと最近では1.75から2.25l/day/kW(クライオメック、ワング)である。旧式のコリンズ技術に基づいたクラスM の商用液化装置で達成される代表的な値である5l/day/kWにはまだほど遠い。
さらに、個別の装置各々についての問題を直接解決しようとする試みにおいて、冷凍システムが開発されこれにはクローズドサイクル冷凍機が組み込まれ医療用又は科学用機器によって蒸発したHeを再圧縮することが出来る。特に病院の磁気共鳴装置では0.24l/day消費している(US 5363077)。また量子設計物性測定システム(PPMS)装置でエバークール・オプション付きの場合消費量は1.9l/dayである。
しかし、これらのシステムでは各装置ごとに1つの冷却装置を使用しており、その容量から見れば過小使用で(核磁気共鳴装置の場合R<0.05l/day/kW、物理測定機器の場合でR<0.5l/day/kW)。これらの冷却装置は問題を解決していないが、導入においては冷却装置の直接導入が技術的に容易でない。更に、多数の装置が冷却を必要とする場合、これに対応する冷却ユニット全部の取得と維持コストはこの解決方法に問題を投げかけている。
すべてのガス回収システムは現在のところ市場においてガス分析器(Cryogenics 26, 8-9, 484-484, 1986)を使用し、精製ユニットを使用して汚染物質を排除し、コンプレッサ、大気圧と高圧の貯蔵シリンダを使用していることが米国特許第7169210B2号に記載されている。これらは光ファイバー製造に使用されて使用済み冷却ガスを再生する(EP 1 394 126 A1, EP 0 601 601 A1, EP0 820 963 A1, WO01/94259 A1)並びに冶金や鉄冶金工業で使用されてヘリウムガスを回収する(US 7067067 B2)。
精製システムはドライヤーとアブソルベントに基づくもの(US 5391368)、熱交換器に基づくもの(EP 1 647 321 A2)、液体窒素コールドトラップと熱交換器の組み合わせによるもの(US 3 792 591)がある。商用ガス精製装置はAir Liquide社のウェブサイトに記載されている材料などのコールドトラップ・アブソルベント材料を組み合わせる。
従って、クローズドサイクル冷凍機技術に基づいた効率的なヘリウムガス回収精製プラントもまた大いに注目されており、実際効率的な無漏洩ヘリウム液化プラントの基礎技術である。漏洩検出処理で微量ガスとして用いられる又はクーラーとして用いられるヘリウムガスを回収して数回再利用して新規ヘリウムガスの導入を減少させる。ヘリウムの回収は高圧ヘリウムガスを必要とする処理で経済的に喫緊の課題である。
本発明の目的はヘリウム無漏洩回収プラントで、
Figure 2013508259
として参照される効率を備え、自動機能とスタンバイモードの双方で作用し、液体Heはプラントに接続されている研究センター、病院、又は工業所の実験機器に初期に導入され、その後ヘリウムが蒸発したら回収して液化し、装置へ再導入することでメンテナンスや故障に関係なく、初期導入後にヘリウムを追加する必要がなくなる。
プラントは、液化ヘリウム0リットル毎時(l/h)、スタンバイモードで0l/h、から10l/h以上の間の範囲をカバーし、旧来の技術を使用する大型プラントの出力に完全に相当する。更に、プラントの性能は4l/day/kW以上で、事実上コリンズ技術の生産及び性能に到達するが運転が簡単でメンテナンス手順も簡略化されている。
回収プラントは5種類の異なるモジュールを備え、各々がヘリウム回収処理において以下の機能のうちの一つを提供する。
-バルーンまたは貯蔵コンテナに接続された回収キットを用いた回収モジュール。
-バルーン又は貯蔵コンテナ［文字通り]内の大気圧下におかれたガス回収貯蔵モジュールとパージフリー・コンプレッサ(これにより無漏洩にする)を用いて絶対圧力2バール以上のガス貯蔵、フィルタ、コンプレッサ出力圧力レベルでのガス貯蔵。
-例えば一段またはそれ以上の段階のクローズドサイクルによる精製装置を用い、水蒸気、空気などの不純物の除去が可能な精製モジュール。
-一段またはそれ以上の段階のクローズドサイクルによる冷凍機を使用し、液化速度がガス回収速度に適合しこれにより接続された装置(エンドユーザ)の液化ガス消費速度に適合した液化モジュール。液化ガスをエンドユーザへ分配するのは液化装置に配置された転送弁を用い、これにより抽出が可能になる。手押し車でユーザの近くへ液化装置を移動する。
-貯蔵モジュールの出口と精製モジュールの出口に配置されたヘリウム(ガス相)分配管理モジュール。
液化処理が最大効率に達するためには液相と熱平衡にあるヘリウムフラスコ内に見られる蒸気圧の電子制御により正確な調整が必要である。各々のP圧力弁はこれに対応する液化速度Tl(l/hで表される)を有し、TlはPの増加関数である。
液化速度を調節する能力は蒸発したガスの貯蔵時間経過を最小限に止めそのため回収したガスに混入する不純物が減少する。液化前の貯蔵ガス容積もまた最小になりプラントを簡略化しプラントのクラスを低減させる。さらに、液化装置によりそれ自身の断熱容器(ヘリウムフラスコ)内に製造した液体の永久的貯蔵が出来るようになり、これは0l/hの速度で漏洩0%に相当し、液体をスタンバイモードに維持しておくことができ、リザーブ又はストックとして直ぐに使用できる。
液化プラントは液化ユニットの個数を簡単に増加させることでもっと高いクラスに拡張可能で、手順を簡略化でき、市場にあるクローズドサイクル冷凍機で利用可能な出力が増加し続ける限りプラント内の各液化ユニットで必要な冷凍機の個数が減少する。
設計アウトライン又はブループリントの説明
本明細書を補完し本発明の特徴のよりよい理解を補助するため、本発明の好適な構成の一例において、一組のスケッチを本説明の不可分な部分として含めてあり本発明のシステム目的の以下の詳細を排他的にならないような方法で図示する。図面において
図１は本システムとその構成要素並びにこれらの相互関係のブループリントを示す。
図１を参照して本発明の目的であるヘリウム回収プラント(1)の好適実施例を以下で説明する。
図１に図示してあるように、ヘリウム回収プラント(1)は5つのモジュールで構成される：回収(2)、圧力下貯蔵(3)、精製(4)、液化(5)、分配(6)である。
回収モジュール(2)では機器(7)の最大及び最小圧力条件を保障する回収モジュール(2)を用いて一連の科学的または医療用機器からガスを回収し、モジュールの他の部分(3,4,5,6)とは機器(7)を独立させ損失なしで回収を補償している。回収モジュール(2)は電子式圧力センサーと安全弁及びシャットオフ弁を含み過剰かつ予測不可能な蒸発が機器(7)内で発生した場合に過剰なヘリウムガスを排出するようにしてある。
回収モジュール(2)経由で回収したら機器(7)のヘリウムガスは貯蔵モジュール(3)へ進み、ここでプラント(1)の要件に特に適合した容積を有するバルーンまたは大気圧貯蔵容器(9)内に集積される。
容器(9)(又はその他の回収装置)には満杯又は空のセンサーと安全性測定器を備え適切な充填[「正しい装填」]を補償しプラント(1)の損傷を防止し、並びにプラント制御ソフトウェア(1)による管理を可能にする。
ヘリウムガスはある種のフィルタ(10)を通過しパージ付きのコンプレッサ(11)へ流れ回収したヘリウムガスの汚染を防止する。ヘリウムガスはフィルタ(10)へ戻され、プラントの要件によって決定される容積を備えたガス貯蔵装置(12)で2バール以上のコンプレッサ出力(11)の圧力で貯蔵される。
バルーン又は貯蔵コンテナ(9)、オイルレス・コンプレッサ(11)、フィルタ(10)、コンプレッサ出力(11)の圧力に適合したガス貯蔵(12)をあわせて貯蔵モジュール(3)の回収ラインを形成する。回収プラント(1)の寸法によって異なるが、回収プラント個数は蒸発ガスのリッター数によって決定され、L本の回収ラインが必要である。
L本の回収ラインから入ってきたガスの分配は管理モジュール(6)によって調節され、管理モジュール(6)は弁システムを含み回収プラント制御ソフトウェア(1)によって制御される。
2バール以下の圧力で貯蔵してあるヘリウムガスを液化する前に、精製装置(13)を通して残留している全ての不純物を除去する必要がある。精製装置(13)はクローズドサイクル冷凍機技術に基づくもので、1段またはそれ以上の段数からなり、基準温度30ケルビン未満である。ヘリウムガスは液化装置(14)の供給圧力で各段を通過して循環し液化装置では潜在的に含まれる不純物を濃縮する。液化プラント(1)のクラスによって左右されるが、P個の精製装置が要求される(13)。
P個の精製装置(13)の1つから流入する低レベル不純物を含むヘリウムガスは管理モジュール(6)を通って分配され、続けて液化装置(14)により液状化され、液化装置は冷凍機とコンプレッサを内蔵する。ヘリウムガスが液状化される液化装置のヘリウムフラスコ(14)の容積は、プラント(1)の要件に適合し、並びに液化装置(14)の個数に適合し、液化装置はN個の液化装置(14)のそれぞれ1つににM個の零号機を組み合わせたものである。l/hで表される最大液化速度は次のような式で表され、(Tl)max=N*M*Tl2ここでTlは液化装置の液化速度である。
3個の液化装置(14)でクラスMが実現されるとすると、液化装置それぞれ1つでは、第2段で1.5Wの出力がある3個のダブルステージ冷凍機が、最大以下の何らかの速度で液化することが可能なプラント(1)の平均で、Tl=0(スタンバイ又はレディ・モード)まで、また回収されたヘリウムガスの速度に適合して調節される性能で機能する。これはすべての損失を除外する上で重要な特徴である。
液化速度を変更する能力により回収速度に適合させることが出来るようになり、これにより液化ヘリウムの機器(7)での消費に適合させることが出来るようになる。これは液化ヘリウムの貯蔵時間を最小限に抑えると同時に液化前に貯蔵されるヘリウムガス容積も最小限に抑えることができる。
プラント(1)は液化装置(14)の断熱フラスコまたはヘリウムフラスコへの外部からのヘリウム供給がないスタンバイモードにおいて動作可能で、これは0l/hの液化速度と0%損失に対応し即時使用のための液化ヘリウムのストックを維持している状態である。これの機能は液化装置フラスコ(14)において蒸発したヘリウムの熱による損失を再圧縮することで、2つの固定値PminとPmaxの間の圧力に維持する。液状化装置フラスコ(14)が液体ヘリウムで満杯になると、制御ソフトウェアは液化装置フラスコ(14)へのヘリウムの流入を自動的に停止する一方で液化装置からの冷凍機コンプレッサは動作を続け液体ヘリウムと平衡になる蒸気の一部が液化装置(14)のフラスコ内部で液化され同時に圧力が減少する。圧力がPmin値まで低下すると、制御ソフトウェアは液化装置コンプレッサのスイッチをオフに切り換え、蒸気濃縮処理を停止する。その直後から、液体ヘリウムは液化装置(14)のヘリウムフラスコ内に示される熱損失のため蒸発を始め、圧力が徐々に上昇をはじめる。圧力が液化装置フラスコ(14)内でPmax値に到達すると、制御ソフトウェアは冷凍機のコンプレッサを起動させ、これにいより液化装置フラスコ(14)内部の蒸気の圧縮を再開し、ここでまた圧力がPmin値にまで低下すると、スタンバイモードを終了する決定が行われるまで上記処理を反復し、スタンバイモードを抜けると液化装置(14)のヘリウムフラスコから液体ヘリウムを取り出して機器(7)へヘリウムを分配する。
電子回路及び完全自動制御ソフトウェアが回収プラント(1)を制御して、液体ヘリウムの移し替えの場合と、液化装置の冷凍機(14)のメーカーにより推奨されるメンテナンス作業の際に、一人のオペレータがいるだけで済むようになる。
図１は本システムとその構成要素並びにこれらの相互関係のブループリントを示す。

Claims (11)

  1. ヘリウム回収プラント(1)であって、
    -ヘリウムを使用する機器(7)に連結され、上記機器(7)からのヘリウムの回収を担当する回収モジュール(2)と、
    -前記回収モジュール(2)に連結され、前記回収モジュール(2)から流入するヘリウムを濾過して貯蔵するための加圧貯蔵モジュール(3)と、
    -前記貯蔵モジュール(3)に連結され、当該貯蔵モジュール(3)から流入するヘリウムに含まれる不純物の除去を担当する生成モジュール(4)と、
    -生成モジュール(4)から流入するガス相ヘリウムを液化するためと多数の液化装置(14)を介して液体ヘリウムを生成するための液化モジュール(5)と、
    -ガス分析機器(15)と分配媒体(16)を内蔵し各々が液化モジュール(5)と精製装置(13)の間及び貯蔵モジュール(3)と精製装置(13)の間に配置されて、各々生成装置(13)と液化装置(14)から流出するヘリウムの分配を管理するための一組の標的分配管理モジュール(6)と、
    -各々が弁とセンサーのシステムを使用して精製モジュール(4)と液化モジュール(5)へヘリウムを供給するための多数のガス管理兼分配モジュール(6)と、
    -貯蔵モジュールと並列に配置され、高純度のヘリウムガスを貯蔵して分配管理モジュール(6)へ純粋ガスを提供することを担当するヘリウムガスのタンク(17)と、
    を含むことを特徴とするヘリウム回収プラント。
  2. 請求項1に記載のヘリウム回収プラント(1)であって、前記貯蔵モジュール(3)は
    -回収モジュール(2)によって回収されたヘリウムを貯蔵する数個のタンク(9)の後に連結され、当該タンク(9)の内容を濾過するための数個のフィルタ(10)と、
    -前記フィルタ(10)の後方に配置されガス貯蔵タンク(12)へ濾過したヘリウムを圧送するための数個のコンプレッサ(11)と
    を含むことを特徴とする請求項1に記載のヘリウム回収プラント。
  3. 前記タンク(9)はバルーンである
    ことを特徴とする請求項2に記載のヘリウム回収プラント(1)。
  4. 前記タンク(9)は容器である
    ことを特徴とする請求項3に記載のヘリウム回収プラント(1)。
  5. 前記容器は金属製である
    ことを特徴とする請求項4に記載のヘリウム回収プラント(1)。
  6. 請求項1に記載のヘリウム回収プラント(1)であって、前記精製モジュール(4)は
    前記ヘリウムが液化モジュール(5)に到達する前に前記貯蔵モジュール(3)から前記ガス管理モジュール(6)を通って流入する前記ヘリウムからすべての不純物を除去するための少なくとも1個の精製装置(13)
    を含むことを特徴とする請求項1に記載のヘリウム回収プラント(1)。
  7. 前記精製装置(13)をは1段又はそれ以上の段数のクローズドサイクル冷凍機を内蔵する
    ことを特徴とする請求項6に記載のヘリウム回収プラント(1)。
  8. 前記液化装置(14)は前記ヘリウムフラスコと類似した容器を含み、少なくとも1基のコンプレッサを含み、1段又はそれ以上の段数の1台のクローズドサイクル冷凍機とを含む
    ことを特徴とする請求項6に記載のヘリウム回収プラント(1)。
  9. 請求項8に記載のヘリウム回収プラント(1)であって、前記液化装置(14)は更に
    -ヘリウムフラスコへ向かう流入ガスのための電子式圧力レギュレータと、
    -ヘリウムフラスコへ向かう流入ガスのためのマスフローメータと、
    -ガス容積集計器と
    -前記容器内の圧力センサーと、
    -前記クローズドサイクル冷凍機の各段に温度計と、
    -液体ガスレベルコントローラにより制御されるセンサーと、
    -前記容器の安全弁と、
    -液化ガス取り出し弁と
    を含むことを特徴とする請求項8に記載のヘリウム回収プラント(1)。
  10. 先行の請求項のいずれか一つに記載のヘリウム回収プラント(1)であって、
    モジュール類(2,3,4,5,6)は制御ソフトウェアにより管理される
    ことを特徴とする先行する請求項のいずれか一つに記載のヘリウム回収プラント(1)。
  11. 請求項10に記載のヘリウム回収プラント(1)であって、
    前記制御ソフトウェアはモジュール群(2,3,4,5,6)を管理して何らかの動作を実行しないようにすること、前記液体ヘリウムを各種のヘリウムフラスコ内部に保持すること、またスタンバイモードで前記ヘリウム回収プラント(1)を構成することに好適である
    ことを特徴とする請求項10に記載のヘリウム回収プラント(1)。
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