JPH0577604B2 - - Google Patents
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Description
請求の範囲
1 ヘリウム、窒素及びメタン並びに場合により
他の気体を含有し、かつ窒素及びメタン並びに場
合により他の気体を吸着する平均吸着孔径0.1〜
0.4nmを有する炭素分子篩の中を通過される気体
混合物から、圧力−変換−吸着−法によりヘリウ
ムを収得するために、気体混合物を、各々、順次
に加圧相、吸着相及び再生のための放圧相を経る
循環的に4個の平行に接続された吸着器E,F,
G,Hに装入し、この際、加圧はまず再生すべき
吸着器との、次いで生成気体との圧力平衡により
行なわれ、再生は圧力平衡で開始し、これに引続
き、放圧及び生成気体での洗浄を行なう方法にお
いて、後続吸着段階()と称される方法段階と
次の方法段階: a その吸着器J,K,L,Mに活性炭が充填さ
れている予備濾過段階(V)で、高級炭化水素
並びに場合により他の不純物をヘリウム含有気
体混合物から除去する; b 予備濾過段階(V)の吸着器J,K,L,M
を、操作に応じて、第1吸着段階(I)の吸着
器A,B,C,Dに関連させる; c 最初の吸着段階(I)の吸着器A,B,C,
Dは、後続の吸着段階()におけると同じ炭
素分子篩で充填されていて、かつヘリウム富化
のために、後続吸着段階()からの排ガスを
第1吸着段階()の装入気体中に戻しなが
ら、各々数工程で吸着圧まで昇圧させかつ吸着
の後に放圧させる; とを組合せ、この際、 ca 加圧相は3工程: 1 最終真空圧(P1)から中等圧力段階
(P3)までへの加圧工程; 2 中等圧力段階(P3)からより高い圧力
段階(P4)への加圧工程; 3 より高い圧力段階(P4)から最高圧力
段階への加圧工程; を包含し、 cb 放圧相は4工程: 1 最高圧力段階(P5)からより高い圧力
工程(P4)への放圧工程; 2 より高い圧力段階(P4)から中等の圧
力段階(P3)への放圧工程; 3 中等の圧力段階(P3)から大気圧(P2)
への放圧工程; 4 大気圧(P2)から最終真空圧(P1)ま
でへの放圧工程; を包含し、 cc 圧力平衡を、2段階で行ない、この際、第
1段階では、1.放圧工程(P5からP4まで)を
実施する第1吸着器の出口から、2.加圧工程
(P3からP4まで)を実施する第2吸着器の出
口まで放圧され、かつ第2段階では、2.放圧
工程(P4からP3まで)を実施する第1吸着
器の出口から、1.加圧工程(P1からP3まで)
を実施する第3吸着器の入口まで放圧され、
かつ cd 3.放圧工程及び4.放圧工程を向流で行な
い、この際、ヘリウムの少ない排ガスが生
じ、かつ3.加圧工程を生成気体を用いて行な
う、 ことを特徴とする、ヘリウムの収得法。 2 最高圧力段階(P5)−吸着圧−は1バール以
上でありかつ最終真空圧は500ミリバール以下で
あることを特徴とする、請求項1記載の方法。 3 各圧力段階は、殊に次の圧力値: P1=50ミリバール P2=1バール P3=4バール P4=11.7バール P5=20バール を対応していることを特徴とする、請求項2記載
の方法。 4 総循環時間は、450〜3600秒間であることを
特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項
記載の方法。 5 放圧相は、総循環時間720秒間で殊に次の時
間間隔: 1 P5からP4までへの放圧工程 55秒間 静止状態 115秒間 2 P4からP3までへの放圧工程 10秒間 3 P3からP2までへの放圧工程 55秒間 4 P2からP1までへの放圧工程 115秒間 を包含するとを特徴とする、請求項4記載の方
法。 6 加圧相は、総循環時間720秒間で、次の時間
間隔: 1 P1からP2までへの加圧工程 10秒間 2 P3からP4までへの加圧工程 55秒間 3 P4からP5までへの加圧工程 125秒間 を包含するとを特徴とする、請求項4記載の方
法。 7 生成気体収得は、総循環時間720秒間で、時
間間隔180秒間を包含することを特徴とする、請
求項4記載の方法。 8 装入気体中のヘリウム成分は、<10容量%で
あることを特徴とする、請求項1記載の方法。 明細書 本発明は、ヘリウム、窒素、メタン及び場合に
より他の気体を含有し、かつ窒素、メタン及び場
合により他の気体を吸着する平均吸着孔径0.1〜
0.4nm、有利に0.3〜0.4nmを有する炭素分子篩の
中を通される気体混合物から、圧力−変換−吸着
−法(Druck−Wechsel−Absorptions−
Prozess)により、ヘリウムを収得する方法に関
し、この際、気体混合物を、各々、順次に加圧
相、吸着相及び再生のための放圧相を経る循環的
に4個の平行に接続された吸着器E,F,G,H
に装入し(この際、加圧はまず再生すべき吸着器
との、次いで生成気体との圧力平衡により行なわ
れ、再生は圧力平衡で開始する)、これに引続き、
放圧及び生成気体での洗浄を行なう。 欧州特許機構第0092695号明細書からは、ヘリ
ウム及び実際には窒素、アルゴン及び酸素並びに
より少ない割合の二酸化炭素及びメタンを有する
出発気体混合物から、炭素−分子篩の使用下にヘ
リウムを99.9容量%以上の純度で得ることができ
るようなヘリウムを精製するための圧力変換−吸
着法が公知である。しかしながらこの一段階法に
おける出発気体混合物はすでにヘリウム50〜95容
量%を含有する。この方法は、ヘリウム10%まで
を有する気体混合物からのヘリウム収得には適当
ではない。 更に、欧州特許(EP−A)第0112640号明細書
から、第1の吸着段階で富化されたガスを後続の
吸着段階で更に分離する際に、ガス混合物中の低
い出発値から良好なアルゴン単位を得ることがで
きることが判る。この文献によれば、吸着器は、
公知の圧力−変換−吸着−法によつても例えば1
段階当り4個の吸着器及び平均吸着孔径0.3nmの
炭素分子篩を用いて操作している。1段階の排ガ
スは先行段階の装入ガス中に戻すことができる。 最後に、西ドイツ特許(DE−A)第3132758号
及び欧州特許(EP−A)第0071553号明細書か
ら、活性炭の充填された吸着器を、ヘリウム含有
ガス混合物から高級炭化水素並びに場合によつて
は他の不純物を除去するために、予備濾過段階と
して使用することが公知である。 高純度のヘリウムは、種々の使用目的のため
に、例えば冷却のための冷蔵装置において、保護
気体として、溶接の際にかつ化学工業において、
空間技術において不活性気体として、潜水作業の
際に潜水呼吸気体の形で、クロマトグラフイーに
おいてキヤリア気体として、漏出検査の際に、気
球気体(ballongas)として及び他の目的のため
に増々必要とされる。 この使用目的のために、高い純度を有するヘリ
ウムが必要である。この高い純度を得るために
は、少量しかヘリウムを含有しない気体混合物に
おいては、気体混合物に先ずヘリウムを富化し次
いでヘリウムの富化した気体混合物から最終的に
ヘリウムを高純度で得るために、より多くの方法
段階が必要である。 公知技術水準に依り、例えば“ビユロウ・オ
ブ・ミネス(Bureau of Mines)、プリプリン
ト・フロム・ブレチン(Preprint from
Bulletin)675−ヘリウム(Helium)−、1985版、
ユナイテツト・ステーツ・オブ・インテイアリア
(United states of Interior)”、3及び4頁から
公知であるように、ヘリウム含有天然ガスから多
段階法では、99.9容量%以上の純度でヘリウムが
得られる。ヘリウム含有天然ガスは主成分として
窒素及びメタン並びに10容量%までのヘリウムを
より少ない割合の種々の高級炭化水素及び二酸化
炭素と共に含有する。 この際、天然ガスを先ず冷却装置中で約−150
℃に冷却し、その際、主に炭化水素が凝結除去さ
れる。そうして得られる気体混合物は、少量の他
の気体を除いてヘリウム50容量%以上並びに窒素
を含有する。この粗製ヘリウムを圧力変換−吸着
装置で更に分離すると、この際ヘリウムが99.9容
量%以上の純度で得られる。圧力変換装置のヘリ
ウム−収率は、約60%であり、残りのヘリウムは
極めて不純化されて放出気体中に含有されてい
る。放出気体を更に後処理する。第2の冷却装置
中で前もつて圧縮させた放出気体を約−185℃ま
で冷却し、かつその際不純物は凝結除去される。
残つたヘリウム/窒素−混合物を圧力変換装置に
戻しかつ第1冷却装置からの粗製ヘリウムと混合
する。この還流により高い割合のヘリウムを回収
することが可能である。この方法は、2個の冷却
装置及び付加的に1個の圧力変換装置を必要とす
ることが欠点である。更に極めてエネルギーを消
費する。 本発明は、公知方法の欠点を避けかつ冷却装置
で中間的富化なしに圧力変換吸着によるだけで僅
少なヘリウム含量の天然ガスからヘリウムを高純
度で、かつ同時に高収率で得るという課題を基礎
とする。 この課題は、多数の吸着方法段階、付属する吸
着方法段階及び吸着剤の組合せによつて解決され
る。 本発明による方法の吸着剤としては、平均吸着
孔径0.1〜0.4nm、殊に0.3〜0.4nmの炭素分子篩を
使用し、これは極めて有効に窒素及びメタンをヘ
リウムから分離し、従つて高純度のヘリウムを得
ることができ、この際提起した吸着操作段階及び
吸着操作工程の適用で特にヘリウム90%以上の予
期されない高い収率が達成される。これは、付加
的に冷却装置を必要とすることないしに、提起し
た富化法に依り圧力変換方法の適用下だけで、約
2〜10%の比較的に低いヘリウム含量の出発気体
混合物からすでに成功する。それによつて極めて
低いエネルギー消費で、99.9%及びより高いヘリ
ウム純度を示す生成気体が生産される。 最も高い圧力段階(P5)−吸着圧−は1バール
で、上、殊に10〜30バールでありかつ最終真空圧
は500ミリバール以下、殊に50ミリバールである。 特別な実施形に依り、各圧力段階に殊に次の圧
力値が関係している: P1=50ミリバール P2=1バール P3=4バール P4=11.7バール P5=20バール 総循環時間は有利に450〜3600秒間(s)であ
る。 有利な実施態様に依れば、総循環時間720秒間
で作業する。 総循環時間720秒間で、放圧相は、有利に次の
時間的間隔を包含する: 1 P5からP4への放圧工程 55秒間 静止状態 115秒間 2 P4からP3への放圧工程 10秒間 3 P3からP2への放圧工程 55秒間 4 P2からP1への放圧工程 115秒間 総循環時間720秒間における加圧相は有利に次
の時間的間隔で区分される: 1 P1からP2への加圧工程 10秒間 2 P3からP4への加圧工程 55秒間 3 P4からP5への加圧工程 125秒間 総循環時間720秒間においては、生成気体収得
の時間的間隔として180秒間を選択することが推
奨される。 本発明の方法は、特に、そのヘリウム割合が10
容量%まで、殊に2〜8容量%であるような装入
気体に適当である。有利に第1の吸着段階()
の生成気体中のヘリウム割合は有利に95%容量%
まで達成すべきである。第2吸着段階()の最
終生成気体中のヘリウムの割合は有利に99.9容量
%でありかつより高い。 本発明に依る方法は、例えば自体公知の吸着予
備濾過器で、高級炭化水素及び微量の不純物の前
もつての分離後に、次の組成を有し得る天然ガス
からヘリウムを収得する際に有利に適用される
(容量%で記載): N2 40−80 He 2−10 CH4 10−40 CO2 <0.1−10 本発明の他の利点及び実施例は添付図面に基づ
き次の実施例の記載から明らかである。図面は次
のことを示す: 第1図、ヘリウムを95容量%にまで富化するた
めの4個の平行の吸着器を有する1段階法の吸着
装置; 第2図、第1図に依る装置の吸着器の圧力−時
間−図表; 第3図、第1図に依る装置の4個の吸着器のた
めの、関連部分工程連続テーブルを伴う圧力−時
間−図表; 第4図、第1図に依る装置の4個の吸着器の弁
開閉プランを示す図; 第5図、第1図に依る装置におけるヘリウム収
率とヘリウム純度の関係を示す図表; 第6図、純度99.9%容量%以上のヘリウムの収
得のための各段階当り4個の平行した吸着器を有
する2段階法の吸着装置; 第7図、第6図に依る装置の第段階の4個の
吸着器に関する関連部分工程連続テーブルを伴う
圧力−時間−図表; 第8図、第6図に依る装置の第段階の4個の
吸着器の弁開閉プランを示す図。 第1図に依る装置は、平均吸着孔径0.1〜
0.4nm、殊に0.3〜0.4nmの炭素分子篩を充填し
た、4個の平行に連結した吸着器A〜D並びに場
合により、必要な場合には装入気体中に存在する
高級炭化水素及び微量の不純物を吸着器A〜Dへ
の進入の前で除去することができる活性炭を充填
した4個の予備濾過器J,K,L,Mより成る。
各吸着器は、他の3個の吸着器と時間をずらし
て、次の8つの部分工程を循環する: T1 吸着 T2 圧力平衡による放圧(Da1) T3 圧力平衡による放圧(Da2) T4 向流放圧(GEE) T5 真空化(Ev) T6 圧力平衡による加圧(DA1) T7 圧力平衡による加圧(DA2) T8 生成気体での加圧(DA3)。 第1図を詳説する前に、先す第2図及び第3図
に示した圧力−時間−プロフイールに基づき8つ
の部分工程T1〜T8の経過を明らかにしておく。 第2図は、例えば吸着圧20バール及び総循環時
間720秒間について、4個の吸着器の各々におい
て、他の吸着器と時間をずらして、経過する圧力
−時間−プロフイルを示す。圧力軸上に5つの圧
力値P1〜P5が印されていて、それらの間で本実
施例において加圧−及び放圧工程が行なわれる。 第3図は4個の吸着器A〜Dにおける時間をず
らした圧力−時間−プロフイルを示す。例えば次
に、吸着器Aについての方法経過を、他の3個の
吸着器B,C及びDにあてはまる方法経過に相応
して記載する。 吸着(部分工程T1)は一定の高められた圧力、
例えば20バールで行なわれる。吸着器Aにこの圧
力で装入気体を通し、この際窒素、メタン及び他
の気体成分は炭素分子篩によつて吸着され、従つ
て吸着されないヘリウムはより高い純度で吸着器
出口で流出する。 吸着後に負荷した吸着器Aは、多数の放圧工程
(部分工程T2〜T5)によつて再生される。 先ず第1の圧力平衡Da1(部分工程T2)が行な
われ、この際吸着圧力下にある気体は吸着器Aか
ら並流で吸着圧力P5からより低い圧力P3上にあ
る吸着器C中へ放圧される。吸着器A(T2)から
吸着器C(T7)への気体供給は、第3図の部分工
程連続テーブルにおける矢印によつて明らかであ
る。 第1の圧力平衡(Da1)の間に、吸着器A中の
圧力は圧力P4に、例えば11.7バールまで放圧さ
れ、一方同時に吸着器C中の圧力は圧力P3から
圧力P4まで上昇する(加圧DA2) 短時間の静止(スタン・バイ(Stand by))後
に、吸着器Aで第2の圧力平衡(Da2、部分工程
T3)を行ない、この際圧力P4下にある気体は吸
着器Aから−再び直流で−真空最終圧力P1上に
ある吸着器Dへ放圧される。この際吸着器A中の
圧力は圧力P4から、例えば4バールである圧力
P3まで下がる。両方の圧力平衡工程の間にヘリ
ウム富化された気体混合物は、吸着器Aから吸着
器Cもしくは吸着器Dに移流する。 両方の圧力平衡工程(Da1及びDa2)後に、吸
着器A−向流で−は圧力P3から大気圧P2まで更
に放圧される(GEE、部分工程T4)。この際、ヘ
リウムの少ない気体混合物が生成し、その中には
向流放圧(GEE)の間に脱着する成分、例えば
窒素及びメタンが富化されていてかつ廃ガスとし
て捨てられる。 引続き吸着器Aは真空ポンプ80によつて真空
最終圧P1、例えば50ミリバールに真空にされる
(Ev、部分工程T5)。この際窒素及びメタン並び
に他の以前に部分工程T1で吸着された気体成分
の強化された脱着が行なわれる。吸引された気体
は極めてヘリウムが少なくかつ同様に廃ガスとし
て捨てられる。 真空化後に吸着器Aの再生が終了する。この時
に吸着器Aでは部分工程T6〜T8における圧力が
継続的に吸着圧P5まで上昇される。 先ず圧力平衡(部分工程T6)は、吸着器Aと、
予め部分工程T2を経た吸着器Bとの間で行なわ
れかつ吸着器Aの真空化の終りでより高い中間圧
P4で存在する。圧力平衡の間にヘリウム富化さ
れた気体混合物は吸着器Bから吸着器Aに移流
し、この際、気体混合物は殊に並流で吸着器Bか
ら吸引されかつ並流で吸着器Aに供給される(頭
頂部−底部−圧力平衡)。この際、吸着器Aにお
ける圧力(圧力生成DA1)は最終真空圧P1から
中間圧P3まで、例えば4バールに上昇し、一方
同時に吸着器Bにおける圧力は中間圧P4から中
間圧P3まで降下する。 吸着器Cでのもう1つの圧力平衡(部分工程
T7)により、吸着器Aにおける圧力(加圧DA2)
は更に高められる。吸着器Cは予め部分工程T1、
吸着を経ており、吸着器Aでの圧力平衡の前に吸
着圧P5で存在する。圧力平衡は例えば、ヘリウ
ム富化された気体混合物が並流で吸着器Cから吸
引されかつ向流で吸着器Aへ放圧される(頭頂部
−頭頂部−圧力平衡)ことによつて行なわれる。
この際、吸着器Aにおける圧力は中間圧P3から
中間圧P4、例えば11.7バールまで上昇し、一方、
同時に吸着器Cでは圧力が吸着圧P5から中間圧
P4まで降下する。 2回の圧力平衡の後に、最後に吸着器Aにおけ
る圧力は生成気体によつてより高い中間圧P4か
ら吸着圧P5、例えば20バールまで高められる
(加圧DA3、部分工程T8)。その後に吸着器A中
で、新規の吸着工程(部分工程T1)が開始する。 4個の吸着器A〜Dは、第1図が示すように、
一連の弁を介して、4個の吸着器の1個が常に吸
着状態にあり、かつ高純度のヘリウムが生成気体
として生成するように接続されている。弁の開閉
は第4図に記載されている。第4図及び第1図に
基づき、次に、例えば吸着器Aについて、第1図
に描出された圧力変換装置中の気体供給及び排出
を説明する。吸着器A〜Dの前に予備濾過器J,
K,L,Mが予め備えられていてよく、これらは
公知技術水準であり、かつその中で強吸着性の気
体成分、例えばボーリングガス(Bohrloch gas)
からの高級炭化水素が予め分離され得る。その操
作法は、通例、実施例に記載されているように、
直列接続で次の主−吸着器A〜Dのそれと同じで
あり、従つてこれについては次に詳しく扱う必要
はない。 吸着器Aは、生成気体での加圧後(DA3、部
分工程T8)、吸着圧P5で存在する。引続く吸着の
間に(部分工程T1)、装入気体は導管1を介して
装置における圧力ロスを制するために僅かに吸着
圧以上である圧力で、流れ方向で吸着器Aの前も
しくは後に配置されている開口された弁10及び
13で、吸着器Aを貫通する。この際、炭素分子
篩で装入気体のヘリウム以外の全ての残りの成
分、例えば窒素及びメタンが吸着され、従つて吸
着器Aの頭頂部でヘリウム富化気体は導管4を介
して、針弁(Nadel ventil)71が配列されてい
る生成気体導管91に流出する。吸着は第4図中
の弁開閉プランに相応して3つの時間工程Z1,
Z2及びZ3に分けられている。時間工程Z1では、
導管5中に含まれる弁50は閉じていて、従つて
総生成気体は導管4を経て生成気体導管91に流
れる。時間工程Z2及びZ3では弁50は開口して
いて、従つて生成気体の一部分は、後接の絞り弁
72を経てかつ導管5及び吸着器Bの前に接続さ
れている開口弁25を経て、部分工程T8におけ
る生成気体で中間圧P4から吸着圧P5まで昇圧さ
れる吸着器Bに流入する。3つの時間工程Z1,
Z2及びZ3の時間は例えば720秒間の総循環時間で
は、時間工程Z1に関しては55秒間、時間工程Z2
に関しては115秒間及び時間工程Z3に関しては10
秒間であつてよい。吸着後、吸着器Aは部分工程
T2(Da1)でより高い中間圧P4まで放圧され、こ
の際、開口弁15(弁50は閉じている)で吸着
器Aから流出する気体は頭頂部−頭頂部−圧力平
衡で導管5における絞り弁73を経て開口弁35
で吸着器Cに流入し、その際、吸着器Cは部分工
程T7で中間圧P3から中間圧P4まで昇圧される。
第4図における弁開閉プランに相応して、この圧
力平衡(Da1)には、実施例中で720秒間の総循
環時間で55秒間の時間を有する時間工程Z1を必
要とする。 この最初の圧力平衡及び例えば720秒間の総循
環時間において115秒間の時間を有する静止時間
(スタン・バイ)後に、吸着器Aは部分工程T3
(Da2)で吸着器Dでのもう1つの圧力平衡を経
てより高い中間圧P4からより低い中間圧P3まで
更に放圧される。このために、開口弁14及び4
2で吸着器Aからの気体は環状導管3(導管92
における弁60は閉ざされている)及び絞り弁7
4を経て吸着器Dに放圧され、吸着器Dはその際
部分工程T6で最終真空圧P1から中間圧P3まで昇
圧される。従つて圧力平衡は実施例中に記載され
た様に頭頂部−底部−圧力平衡として行なわれ
る。第4図における弁開閉プランに相応して、圧
力平衡Da2には、実施例で720秒間の総循環時間
の際に10秒間の時間を有する時間工程Z3を必要
とした。 引続き、吸着器Aは部分工程T4(GEE)で開口
弁12及び60で絞り弁75を経て向流で中間圧
P3から大気圧P2まで更に放圧される。その際流
出する気体は廃ガス導管92に供給される。720
秒間の総循環時間で向流放圧は実施例で55秒間の
時間を有する。 向流放圧後に、吸着器Aは部分工程T5(Ev)
で、開口弁11で真空ポンプ80に依り大気圧
P2から最終真空圧P1、例えば50ミリバールに真
空化される。その際吸引されるヘリウムの少ない
気体混合物は廃ガス導管93へ供給される。720
秒間の総循環時間で真空化は実施例で115秒間の
時間を有する。 真空化された吸着器Aは、引続き部分工程T6
(DA1)で、有利に頭頂部−底部−圧力平衡とし
て実施される吸着器Bでの圧力平衡で、最終真空
圧P1から中間圧P3まで昇圧される。その際ヘリ
ウムを富化された気体混合物は吸着器Bの排出末
端部から開口弁24及び12(弁60は閉じられ
ている)で環状導管3及び絞り弁74を経て吸着
器Aの入口末端部へ放圧される。その際、吸着器
Bは部分工程T3を経る。圧力平衡の際に、吸着
器Bにおける圧力は中間圧P4から中間圧P3に降
下する。720秒間の総循環時間で圧力平衡DA1は
実施例で10秒間かかる。 中間圧P3まで部分昇圧した吸着器Aは、引続
き部分工程T7(DA2)で吸着器Cでのもう1つの
圧力平衡により更に中間圧P4まで昇圧される。
この圧力平衡は殊に頭頂部−頭頂部−圧力平衡と
して、ヘリウムを富化された気体混合物が吸着器
Cの排出末端部から開口弁35及び15で導管5
における絞り弁73を経て吸着器Aの排出末端部
に放圧される方法で実施される。この際、吸着器
Cは部分工程T2を経て、その際、吸着器Cにお
ける圧力は吸着圧P5から中間圧P4まで降下する。
圧力平衡DA2のための時間は720秒間の総循環で
実施例で55秒間である。 引続き吸着器Aは、部分工程T8(DA3)で生成
気体で中間圧P4から吸着圧P5まで昇圧される。
このために、生成気体の一部は開口弁50及び1
5で絞り弁72を経て吸着器Aに導入される。加
圧DA3は第4図における弁開閉プランに依り両
方の時間工程Z2及びZ3から成り、これは実施例
で720秒間の総循環時間で115もしくは10秒間の持
続を有する。 生成気体での加圧DA3後に、吸着器Aで、再
び吸着工程で開始する新たな圧力変換循環が開始
する。圧力変換循環は吸着器B,C及びDで相応
して、しかし第3図から読み取り可能であるよう
に、時間をずらして、経過する。 吸着剤の再生は、記載のように、真空化工程に
よつて達成される。確かに、この際、ヘリウム含
有の装入気体から除去すべき気体成分、例えば窒
素及びメタンを、公知技術水準に依り、生成気体
での洗浄によつても脱着することができた。しか
しこのような洗浄脱着は、最高8容量%のヘリウ
ム含量を有する天然ガス及びボーリングガスから
のヘリウム収得の際にヘリウムに関して極めて高
い収率ロスにつながる。それというのも装入気体
中の低いヘリウム含量に基づき少量のヘリウム富
化気体が生成気体として生じるだけでありかつ吸
着によつて除去すべきかつ再び脱着すべき気体成
分が装入気体中で少なくとも92容量%の割合を有
するので、同時に多量の気体を脱着しなければな
らないからである。 例 第1図に依る実験室用圧力変換装置(しかしな
がら予備濾過器J,K,L,M無し)中で、吸着
圧20バール、真空最終圧50ミリバール及び5循
環/時に相応する総循環時間720秒間で、不純物、
例えば高級炭化水素が含有されておらずかつヘリ
ウム(約5容量%)、メタン(約29容量%)及び
窒素(約66容量%)のみが含有されている気体混
合物で分離実験を実施した。4個の吸着器A〜D
に平均吸着孔径0.35nmを有する炭素分子篩を充
填しかつこれらは充填容量2/吸着器を有し
た。実験中は針弁71の調節によつて生成する生
成気体量を変えかつそれによつて生成気体中のヘ
リウム純度を変えた。次の表1〜4に挙げた実験
結果は、本発明による方法で、ヘリウム含有<8
容量%を有する装入気体よりなるヘリウムを最初
の吸着段階()の生成気体中75〜95容量%のヘ
リウム純度に富化することができ、この際最初の
吸着段階()の生成気体中のヘリウム純度に応
じてヘリウム収率90〜99.9%を達成するとを証明
する。実験結果を次に完全な質量決算表の形で再
び挙げる。
他の気体を含有し、かつ窒素及びメタン並びに場
合により他の気体を吸着する平均吸着孔径0.1〜
0.4nmを有する炭素分子篩の中を通過される気体
混合物から、圧力−変換−吸着−法によりヘリウ
ムを収得するために、気体混合物を、各々、順次
に加圧相、吸着相及び再生のための放圧相を経る
循環的に4個の平行に接続された吸着器E,F,
G,Hに装入し、この際、加圧はまず再生すべき
吸着器との、次いで生成気体との圧力平衡により
行なわれ、再生は圧力平衡で開始し、これに引続
き、放圧及び生成気体での洗浄を行なう方法にお
いて、後続吸着段階()と称される方法段階と
次の方法段階: a その吸着器J,K,L,Mに活性炭が充填さ
れている予備濾過段階(V)で、高級炭化水素
並びに場合により他の不純物をヘリウム含有気
体混合物から除去する; b 予備濾過段階(V)の吸着器J,K,L,M
を、操作に応じて、第1吸着段階(I)の吸着
器A,B,C,Dに関連させる; c 最初の吸着段階(I)の吸着器A,B,C,
Dは、後続の吸着段階()におけると同じ炭
素分子篩で充填されていて、かつヘリウム富化
のために、後続吸着段階()からの排ガスを
第1吸着段階()の装入気体中に戻しなが
ら、各々数工程で吸着圧まで昇圧させかつ吸着
の後に放圧させる; とを組合せ、この際、 ca 加圧相は3工程: 1 最終真空圧(P1)から中等圧力段階
(P3)までへの加圧工程; 2 中等圧力段階(P3)からより高い圧力
段階(P4)への加圧工程; 3 より高い圧力段階(P4)から最高圧力
段階への加圧工程; を包含し、 cb 放圧相は4工程: 1 最高圧力段階(P5)からより高い圧力
工程(P4)への放圧工程; 2 より高い圧力段階(P4)から中等の圧
力段階(P3)への放圧工程; 3 中等の圧力段階(P3)から大気圧(P2)
への放圧工程; 4 大気圧(P2)から最終真空圧(P1)ま
でへの放圧工程; を包含し、 cc 圧力平衡を、2段階で行ない、この際、第
1段階では、1.放圧工程(P5からP4まで)を
実施する第1吸着器の出口から、2.加圧工程
(P3からP4まで)を実施する第2吸着器の出
口まで放圧され、かつ第2段階では、2.放圧
工程(P4からP3まで)を実施する第1吸着
器の出口から、1.加圧工程(P1からP3まで)
を実施する第3吸着器の入口まで放圧され、
かつ cd 3.放圧工程及び4.放圧工程を向流で行な
い、この際、ヘリウムの少ない排ガスが生
じ、かつ3.加圧工程を生成気体を用いて行な
う、 ことを特徴とする、ヘリウムの収得法。 2 最高圧力段階(P5)−吸着圧−は1バール以
上でありかつ最終真空圧は500ミリバール以下で
あることを特徴とする、請求項1記載の方法。 3 各圧力段階は、殊に次の圧力値: P1=50ミリバール P2=1バール P3=4バール P4=11.7バール P5=20バール を対応していることを特徴とする、請求項2記載
の方法。 4 総循環時間は、450〜3600秒間であることを
特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項
記載の方法。 5 放圧相は、総循環時間720秒間で殊に次の時
間間隔: 1 P5からP4までへの放圧工程 55秒間 静止状態 115秒間 2 P4からP3までへの放圧工程 10秒間 3 P3からP2までへの放圧工程 55秒間 4 P2からP1までへの放圧工程 115秒間 を包含するとを特徴とする、請求項4記載の方
法。 6 加圧相は、総循環時間720秒間で、次の時間
間隔: 1 P1からP2までへの加圧工程 10秒間 2 P3からP4までへの加圧工程 55秒間 3 P4からP5までへの加圧工程 125秒間 を包含するとを特徴とする、請求項4記載の方
法。 7 生成気体収得は、総循環時間720秒間で、時
間間隔180秒間を包含することを特徴とする、請
求項4記載の方法。 8 装入気体中のヘリウム成分は、<10容量%で
あることを特徴とする、請求項1記載の方法。 明細書 本発明は、ヘリウム、窒素、メタン及び場合に
より他の気体を含有し、かつ窒素、メタン及び場
合により他の気体を吸着する平均吸着孔径0.1〜
0.4nm、有利に0.3〜0.4nmを有する炭素分子篩の
中を通される気体混合物から、圧力−変換−吸着
−法(Druck−Wechsel−Absorptions−
Prozess)により、ヘリウムを収得する方法に関
し、この際、気体混合物を、各々、順次に加圧
相、吸着相及び再生のための放圧相を経る循環的
に4個の平行に接続された吸着器E,F,G,H
に装入し(この際、加圧はまず再生すべき吸着器
との、次いで生成気体との圧力平衡により行なわ
れ、再生は圧力平衡で開始する)、これに引続き、
放圧及び生成気体での洗浄を行なう。 欧州特許機構第0092695号明細書からは、ヘリ
ウム及び実際には窒素、アルゴン及び酸素並びに
より少ない割合の二酸化炭素及びメタンを有する
出発気体混合物から、炭素−分子篩の使用下にヘ
リウムを99.9容量%以上の純度で得ることができ
るようなヘリウムを精製するための圧力変換−吸
着法が公知である。しかしながらこの一段階法に
おける出発気体混合物はすでにヘリウム50〜95容
量%を含有する。この方法は、ヘリウム10%まで
を有する気体混合物からのヘリウム収得には適当
ではない。 更に、欧州特許(EP−A)第0112640号明細書
から、第1の吸着段階で富化されたガスを後続の
吸着段階で更に分離する際に、ガス混合物中の低
い出発値から良好なアルゴン単位を得ることがで
きることが判る。この文献によれば、吸着器は、
公知の圧力−変換−吸着−法によつても例えば1
段階当り4個の吸着器及び平均吸着孔径0.3nmの
炭素分子篩を用いて操作している。1段階の排ガ
スは先行段階の装入ガス中に戻すことができる。 最後に、西ドイツ特許(DE−A)第3132758号
及び欧州特許(EP−A)第0071553号明細書か
ら、活性炭の充填された吸着器を、ヘリウム含有
ガス混合物から高級炭化水素並びに場合によつて
は他の不純物を除去するために、予備濾過段階と
して使用することが公知である。 高純度のヘリウムは、種々の使用目的のため
に、例えば冷却のための冷蔵装置において、保護
気体として、溶接の際にかつ化学工業において、
空間技術において不活性気体として、潜水作業の
際に潜水呼吸気体の形で、クロマトグラフイーに
おいてキヤリア気体として、漏出検査の際に、気
球気体(ballongas)として及び他の目的のため
に増々必要とされる。 この使用目的のために、高い純度を有するヘリ
ウムが必要である。この高い純度を得るために
は、少量しかヘリウムを含有しない気体混合物に
おいては、気体混合物に先ずヘリウムを富化し次
いでヘリウムの富化した気体混合物から最終的に
ヘリウムを高純度で得るために、より多くの方法
段階が必要である。 公知技術水準に依り、例えば“ビユロウ・オ
ブ・ミネス(Bureau of Mines)、プリプリン
ト・フロム・ブレチン(Preprint from
Bulletin)675−ヘリウム(Helium)−、1985版、
ユナイテツト・ステーツ・オブ・インテイアリア
(United states of Interior)”、3及び4頁から
公知であるように、ヘリウム含有天然ガスから多
段階法では、99.9容量%以上の純度でヘリウムが
得られる。ヘリウム含有天然ガスは主成分として
窒素及びメタン並びに10容量%までのヘリウムを
より少ない割合の種々の高級炭化水素及び二酸化
炭素と共に含有する。 この際、天然ガスを先ず冷却装置中で約−150
℃に冷却し、その際、主に炭化水素が凝結除去さ
れる。そうして得られる気体混合物は、少量の他
の気体を除いてヘリウム50容量%以上並びに窒素
を含有する。この粗製ヘリウムを圧力変換−吸着
装置で更に分離すると、この際ヘリウムが99.9容
量%以上の純度で得られる。圧力変換装置のヘリ
ウム−収率は、約60%であり、残りのヘリウムは
極めて不純化されて放出気体中に含有されてい
る。放出気体を更に後処理する。第2の冷却装置
中で前もつて圧縮させた放出気体を約−185℃ま
で冷却し、かつその際不純物は凝結除去される。
残つたヘリウム/窒素−混合物を圧力変換装置に
戻しかつ第1冷却装置からの粗製ヘリウムと混合
する。この還流により高い割合のヘリウムを回収
することが可能である。この方法は、2個の冷却
装置及び付加的に1個の圧力変換装置を必要とす
ることが欠点である。更に極めてエネルギーを消
費する。 本発明は、公知方法の欠点を避けかつ冷却装置
で中間的富化なしに圧力変換吸着によるだけで僅
少なヘリウム含量の天然ガスからヘリウムを高純
度で、かつ同時に高収率で得るという課題を基礎
とする。 この課題は、多数の吸着方法段階、付属する吸
着方法段階及び吸着剤の組合せによつて解決され
る。 本発明による方法の吸着剤としては、平均吸着
孔径0.1〜0.4nm、殊に0.3〜0.4nmの炭素分子篩を
使用し、これは極めて有効に窒素及びメタンをヘ
リウムから分離し、従つて高純度のヘリウムを得
ることができ、この際提起した吸着操作段階及び
吸着操作工程の適用で特にヘリウム90%以上の予
期されない高い収率が達成される。これは、付加
的に冷却装置を必要とすることないしに、提起し
た富化法に依り圧力変換方法の適用下だけで、約
2〜10%の比較的に低いヘリウム含量の出発気体
混合物からすでに成功する。それによつて極めて
低いエネルギー消費で、99.9%及びより高いヘリ
ウム純度を示す生成気体が生産される。 最も高い圧力段階(P5)−吸着圧−は1バール
で、上、殊に10〜30バールでありかつ最終真空圧
は500ミリバール以下、殊に50ミリバールである。 特別な実施形に依り、各圧力段階に殊に次の圧
力値が関係している: P1=50ミリバール P2=1バール P3=4バール P4=11.7バール P5=20バール 総循環時間は有利に450〜3600秒間(s)であ
る。 有利な実施態様に依れば、総循環時間720秒間
で作業する。 総循環時間720秒間で、放圧相は、有利に次の
時間的間隔を包含する: 1 P5からP4への放圧工程 55秒間 静止状態 115秒間 2 P4からP3への放圧工程 10秒間 3 P3からP2への放圧工程 55秒間 4 P2からP1への放圧工程 115秒間 総循環時間720秒間における加圧相は有利に次
の時間的間隔で区分される: 1 P1からP2への加圧工程 10秒間 2 P3からP4への加圧工程 55秒間 3 P4からP5への加圧工程 125秒間 総循環時間720秒間においては、生成気体収得
の時間的間隔として180秒間を選択することが推
奨される。 本発明の方法は、特に、そのヘリウム割合が10
容量%まで、殊に2〜8容量%であるような装入
気体に適当である。有利に第1の吸着段階()
の生成気体中のヘリウム割合は有利に95%容量%
まで達成すべきである。第2吸着段階()の最
終生成気体中のヘリウムの割合は有利に99.9容量
%でありかつより高い。 本発明に依る方法は、例えば自体公知の吸着予
備濾過器で、高級炭化水素及び微量の不純物の前
もつての分離後に、次の組成を有し得る天然ガス
からヘリウムを収得する際に有利に適用される
(容量%で記載): N2 40−80 He 2−10 CH4 10−40 CO2 <0.1−10 本発明の他の利点及び実施例は添付図面に基づ
き次の実施例の記載から明らかである。図面は次
のことを示す: 第1図、ヘリウムを95容量%にまで富化するた
めの4個の平行の吸着器を有する1段階法の吸着
装置; 第2図、第1図に依る装置の吸着器の圧力−時
間−図表; 第3図、第1図に依る装置の4個の吸着器のた
めの、関連部分工程連続テーブルを伴う圧力−時
間−図表; 第4図、第1図に依る装置の4個の吸着器の弁
開閉プランを示す図; 第5図、第1図に依る装置におけるヘリウム収
率とヘリウム純度の関係を示す図表; 第6図、純度99.9%容量%以上のヘリウムの収
得のための各段階当り4個の平行した吸着器を有
する2段階法の吸着装置; 第7図、第6図に依る装置の第段階の4個の
吸着器に関する関連部分工程連続テーブルを伴う
圧力−時間−図表; 第8図、第6図に依る装置の第段階の4個の
吸着器の弁開閉プランを示す図。 第1図に依る装置は、平均吸着孔径0.1〜
0.4nm、殊に0.3〜0.4nmの炭素分子篩を充填し
た、4個の平行に連結した吸着器A〜D並びに場
合により、必要な場合には装入気体中に存在する
高級炭化水素及び微量の不純物を吸着器A〜Dへ
の進入の前で除去することができる活性炭を充填
した4個の予備濾過器J,K,L,Mより成る。
各吸着器は、他の3個の吸着器と時間をずらし
て、次の8つの部分工程を循環する: T1 吸着 T2 圧力平衡による放圧(Da1) T3 圧力平衡による放圧(Da2) T4 向流放圧(GEE) T5 真空化(Ev) T6 圧力平衡による加圧(DA1) T7 圧力平衡による加圧(DA2) T8 生成気体での加圧(DA3)。 第1図を詳説する前に、先す第2図及び第3図
に示した圧力−時間−プロフイールに基づき8つ
の部分工程T1〜T8の経過を明らかにしておく。 第2図は、例えば吸着圧20バール及び総循環時
間720秒間について、4個の吸着器の各々におい
て、他の吸着器と時間をずらして、経過する圧力
−時間−プロフイルを示す。圧力軸上に5つの圧
力値P1〜P5が印されていて、それらの間で本実
施例において加圧−及び放圧工程が行なわれる。 第3図は4個の吸着器A〜Dにおける時間をず
らした圧力−時間−プロフイルを示す。例えば次
に、吸着器Aについての方法経過を、他の3個の
吸着器B,C及びDにあてはまる方法経過に相応
して記載する。 吸着(部分工程T1)は一定の高められた圧力、
例えば20バールで行なわれる。吸着器Aにこの圧
力で装入気体を通し、この際窒素、メタン及び他
の気体成分は炭素分子篩によつて吸着され、従つ
て吸着されないヘリウムはより高い純度で吸着器
出口で流出する。 吸着後に負荷した吸着器Aは、多数の放圧工程
(部分工程T2〜T5)によつて再生される。 先ず第1の圧力平衡Da1(部分工程T2)が行な
われ、この際吸着圧力下にある気体は吸着器Aか
ら並流で吸着圧力P5からより低い圧力P3上にあ
る吸着器C中へ放圧される。吸着器A(T2)から
吸着器C(T7)への気体供給は、第3図の部分工
程連続テーブルにおける矢印によつて明らかであ
る。 第1の圧力平衡(Da1)の間に、吸着器A中の
圧力は圧力P4に、例えば11.7バールまで放圧さ
れ、一方同時に吸着器C中の圧力は圧力P3から
圧力P4まで上昇する(加圧DA2) 短時間の静止(スタン・バイ(Stand by))後
に、吸着器Aで第2の圧力平衡(Da2、部分工程
T3)を行ない、この際圧力P4下にある気体は吸
着器Aから−再び直流で−真空最終圧力P1上に
ある吸着器Dへ放圧される。この際吸着器A中の
圧力は圧力P4から、例えば4バールである圧力
P3まで下がる。両方の圧力平衡工程の間にヘリ
ウム富化された気体混合物は、吸着器Aから吸着
器Cもしくは吸着器Dに移流する。 両方の圧力平衡工程(Da1及びDa2)後に、吸
着器A−向流で−は圧力P3から大気圧P2まで更
に放圧される(GEE、部分工程T4)。この際、ヘ
リウムの少ない気体混合物が生成し、その中には
向流放圧(GEE)の間に脱着する成分、例えば
窒素及びメタンが富化されていてかつ廃ガスとし
て捨てられる。 引続き吸着器Aは真空ポンプ80によつて真空
最終圧P1、例えば50ミリバールに真空にされる
(Ev、部分工程T5)。この際窒素及びメタン並び
に他の以前に部分工程T1で吸着された気体成分
の強化された脱着が行なわれる。吸引された気体
は極めてヘリウムが少なくかつ同様に廃ガスとし
て捨てられる。 真空化後に吸着器Aの再生が終了する。この時
に吸着器Aでは部分工程T6〜T8における圧力が
継続的に吸着圧P5まで上昇される。 先ず圧力平衡(部分工程T6)は、吸着器Aと、
予め部分工程T2を経た吸着器Bとの間で行なわ
れかつ吸着器Aの真空化の終りでより高い中間圧
P4で存在する。圧力平衡の間にヘリウム富化さ
れた気体混合物は吸着器Bから吸着器Aに移流
し、この際、気体混合物は殊に並流で吸着器Bか
ら吸引されかつ並流で吸着器Aに供給される(頭
頂部−底部−圧力平衡)。この際、吸着器Aにお
ける圧力(圧力生成DA1)は最終真空圧P1から
中間圧P3まで、例えば4バールに上昇し、一方
同時に吸着器Bにおける圧力は中間圧P4から中
間圧P3まで降下する。 吸着器Cでのもう1つの圧力平衡(部分工程
T7)により、吸着器Aにおける圧力(加圧DA2)
は更に高められる。吸着器Cは予め部分工程T1、
吸着を経ており、吸着器Aでの圧力平衡の前に吸
着圧P5で存在する。圧力平衡は例えば、ヘリウ
ム富化された気体混合物が並流で吸着器Cから吸
引されかつ向流で吸着器Aへ放圧される(頭頂部
−頭頂部−圧力平衡)ことによつて行なわれる。
この際、吸着器Aにおける圧力は中間圧P3から
中間圧P4、例えば11.7バールまで上昇し、一方、
同時に吸着器Cでは圧力が吸着圧P5から中間圧
P4まで降下する。 2回の圧力平衡の後に、最後に吸着器Aにおけ
る圧力は生成気体によつてより高い中間圧P4か
ら吸着圧P5、例えば20バールまで高められる
(加圧DA3、部分工程T8)。その後に吸着器A中
で、新規の吸着工程(部分工程T1)が開始する。 4個の吸着器A〜Dは、第1図が示すように、
一連の弁を介して、4個の吸着器の1個が常に吸
着状態にあり、かつ高純度のヘリウムが生成気体
として生成するように接続されている。弁の開閉
は第4図に記載されている。第4図及び第1図に
基づき、次に、例えば吸着器Aについて、第1図
に描出された圧力変換装置中の気体供給及び排出
を説明する。吸着器A〜Dの前に予備濾過器J,
K,L,Mが予め備えられていてよく、これらは
公知技術水準であり、かつその中で強吸着性の気
体成分、例えばボーリングガス(Bohrloch gas)
からの高級炭化水素が予め分離され得る。その操
作法は、通例、実施例に記載されているように、
直列接続で次の主−吸着器A〜Dのそれと同じで
あり、従つてこれについては次に詳しく扱う必要
はない。 吸着器Aは、生成気体での加圧後(DA3、部
分工程T8)、吸着圧P5で存在する。引続く吸着の
間に(部分工程T1)、装入気体は導管1を介して
装置における圧力ロスを制するために僅かに吸着
圧以上である圧力で、流れ方向で吸着器Aの前も
しくは後に配置されている開口された弁10及び
13で、吸着器Aを貫通する。この際、炭素分子
篩で装入気体のヘリウム以外の全ての残りの成
分、例えば窒素及びメタンが吸着され、従つて吸
着器Aの頭頂部でヘリウム富化気体は導管4を介
して、針弁(Nadel ventil)71が配列されてい
る生成気体導管91に流出する。吸着は第4図中
の弁開閉プランに相応して3つの時間工程Z1,
Z2及びZ3に分けられている。時間工程Z1では、
導管5中に含まれる弁50は閉じていて、従つて
総生成気体は導管4を経て生成気体導管91に流
れる。時間工程Z2及びZ3では弁50は開口して
いて、従つて生成気体の一部分は、後接の絞り弁
72を経てかつ導管5及び吸着器Bの前に接続さ
れている開口弁25を経て、部分工程T8におけ
る生成気体で中間圧P4から吸着圧P5まで昇圧さ
れる吸着器Bに流入する。3つの時間工程Z1,
Z2及びZ3の時間は例えば720秒間の総循環時間で
は、時間工程Z1に関しては55秒間、時間工程Z2
に関しては115秒間及び時間工程Z3に関しては10
秒間であつてよい。吸着後、吸着器Aは部分工程
T2(Da1)でより高い中間圧P4まで放圧され、こ
の際、開口弁15(弁50は閉じている)で吸着
器Aから流出する気体は頭頂部−頭頂部−圧力平
衡で導管5における絞り弁73を経て開口弁35
で吸着器Cに流入し、その際、吸着器Cは部分工
程T7で中間圧P3から中間圧P4まで昇圧される。
第4図における弁開閉プランに相応して、この圧
力平衡(Da1)には、実施例中で720秒間の総循
環時間で55秒間の時間を有する時間工程Z1を必
要とする。 この最初の圧力平衡及び例えば720秒間の総循
環時間において115秒間の時間を有する静止時間
(スタン・バイ)後に、吸着器Aは部分工程T3
(Da2)で吸着器Dでのもう1つの圧力平衡を経
てより高い中間圧P4からより低い中間圧P3まで
更に放圧される。このために、開口弁14及び4
2で吸着器Aからの気体は環状導管3(導管92
における弁60は閉ざされている)及び絞り弁7
4を経て吸着器Dに放圧され、吸着器Dはその際
部分工程T6で最終真空圧P1から中間圧P3まで昇
圧される。従つて圧力平衡は実施例中に記載され
た様に頭頂部−底部−圧力平衡として行なわれ
る。第4図における弁開閉プランに相応して、圧
力平衡Da2には、実施例で720秒間の総循環時間
の際に10秒間の時間を有する時間工程Z3を必要
とした。 引続き、吸着器Aは部分工程T4(GEE)で開口
弁12及び60で絞り弁75を経て向流で中間圧
P3から大気圧P2まで更に放圧される。その際流
出する気体は廃ガス導管92に供給される。720
秒間の総循環時間で向流放圧は実施例で55秒間の
時間を有する。 向流放圧後に、吸着器Aは部分工程T5(Ev)
で、開口弁11で真空ポンプ80に依り大気圧
P2から最終真空圧P1、例えば50ミリバールに真
空化される。その際吸引されるヘリウムの少ない
気体混合物は廃ガス導管93へ供給される。720
秒間の総循環時間で真空化は実施例で115秒間の
時間を有する。 真空化された吸着器Aは、引続き部分工程T6
(DA1)で、有利に頭頂部−底部−圧力平衡とし
て実施される吸着器Bでの圧力平衡で、最終真空
圧P1から中間圧P3まで昇圧される。その際ヘリ
ウムを富化された気体混合物は吸着器Bの排出末
端部から開口弁24及び12(弁60は閉じられ
ている)で環状導管3及び絞り弁74を経て吸着
器Aの入口末端部へ放圧される。その際、吸着器
Bは部分工程T3を経る。圧力平衡の際に、吸着
器Bにおける圧力は中間圧P4から中間圧P3に降
下する。720秒間の総循環時間で圧力平衡DA1は
実施例で10秒間かかる。 中間圧P3まで部分昇圧した吸着器Aは、引続
き部分工程T7(DA2)で吸着器Cでのもう1つの
圧力平衡により更に中間圧P4まで昇圧される。
この圧力平衡は殊に頭頂部−頭頂部−圧力平衡と
して、ヘリウムを富化された気体混合物が吸着器
Cの排出末端部から開口弁35及び15で導管5
における絞り弁73を経て吸着器Aの排出末端部
に放圧される方法で実施される。この際、吸着器
Cは部分工程T2を経て、その際、吸着器Cにお
ける圧力は吸着圧P5から中間圧P4まで降下する。
圧力平衡DA2のための時間は720秒間の総循環で
実施例で55秒間である。 引続き吸着器Aは、部分工程T8(DA3)で生成
気体で中間圧P4から吸着圧P5まで昇圧される。
このために、生成気体の一部は開口弁50及び1
5で絞り弁72を経て吸着器Aに導入される。加
圧DA3は第4図における弁開閉プランに依り両
方の時間工程Z2及びZ3から成り、これは実施例
で720秒間の総循環時間で115もしくは10秒間の持
続を有する。 生成気体での加圧DA3後に、吸着器Aで、再
び吸着工程で開始する新たな圧力変換循環が開始
する。圧力変換循環は吸着器B,C及びDで相応
して、しかし第3図から読み取り可能であるよう
に、時間をずらして、経過する。 吸着剤の再生は、記載のように、真空化工程に
よつて達成される。確かに、この際、ヘリウム含
有の装入気体から除去すべき気体成分、例えば窒
素及びメタンを、公知技術水準に依り、生成気体
での洗浄によつても脱着することができた。しか
しこのような洗浄脱着は、最高8容量%のヘリウ
ム含量を有する天然ガス及びボーリングガスから
のヘリウム収得の際にヘリウムに関して極めて高
い収率ロスにつながる。それというのも装入気体
中の低いヘリウム含量に基づき少量のヘリウム富
化気体が生成気体として生じるだけでありかつ吸
着によつて除去すべきかつ再び脱着すべき気体成
分が装入気体中で少なくとも92容量%の割合を有
するので、同時に多量の気体を脱着しなければな
らないからである。 例 第1図に依る実験室用圧力変換装置(しかしな
がら予備濾過器J,K,L,M無し)中で、吸着
圧20バール、真空最終圧50ミリバール及び5循
環/時に相応する総循環時間720秒間で、不純物、
例えば高級炭化水素が含有されておらずかつヘリ
ウム(約5容量%)、メタン(約29容量%)及び
窒素(約66容量%)のみが含有されている気体混
合物で分離実験を実施した。4個の吸着器A〜D
に平均吸着孔径0.35nmを有する炭素分子篩を充
填しかつこれらは充填容量2/吸着器を有し
た。実験中は針弁71の調節によつて生成する生
成気体量を変えかつそれによつて生成気体中のヘ
リウム純度を変えた。次の表1〜4に挙げた実験
結果は、本発明による方法で、ヘリウム含有<8
容量%を有する装入気体よりなるヘリウムを最初
の吸着段階()の生成気体中75〜95容量%のヘ
リウム純度に富化することができ、この際最初の
吸着段階()の生成気体中のヘリウム純度に応
じてヘリウム収率90〜99.9%を達成するとを証明
する。実験結果を次に完全な質量決算表の形で再
び挙げる。
【表】
これからHe−収率90.3%が算出される。
【表】
これからHe−収率96.1%が算出される。
【表】
これからHe−収率99.9%が算出される。
【表】
これからHe−収率99.6%が算出される。
ヘリウム純度が上昇すればする程ヘリウム収率
は減少しかつ逆に減少すれば上昇する。ヘリウム
純度及びヘリウム収率の間の関係は第5図に再び
挙げてある。 同時に高いヘリウム収率における>99.9容量%
までのより高いヘリウム純度は、第1図に依る圧
力変換装置で生成した、ヘリウム濃度95容量%ま
でを有するヘリウムの多い気体を後接の圧力変換
装置で更に分離しかつ圧力変換装置からのヘ
リウム含有廃ガスを圧力変換装置に戻しかつそ
こで圧力変換装置の装入気体と混合しかつ一緒
に圧力変換装置で分離する場合に生成すること
ができる。廃ガス戻しを伴う2個の圧力変換装置
及びの直列接続の方法経過図は第6図に示さ
れている。 圧力変換装置は、4個の吸着器A〜Dを備え
ている前接の圧力変換装置のように、平均吸着
孔径0.35nmを有する炭素分子篩を充填している
4個の吸着器E〜Hを包含する。後接の圧力変換
装置における方法経過は、各吸着器E〜Hに他
の3個の吸着器とは時間をずらして順に環流する
6つの部分工程T1.2〜T6.2から構成されてい
る: T1.2 吸着 T2.2 圧力平衡(Da1)による放圧 T3.2 向流放圧(GEE) T4.2 生成気体での洗浄 T5.2 圧力平衡(DA1)による加圧 T6.2 生成気体(DA2)での加圧 4つの吸着器E〜Hにおけるこの6つの部分工
程T1.2〜T6.2の時間をずらした環式経過は、第
7図に示した圧力−時間−プロフイルに基づき明
らかにされる。部分工程T1.2〜T6.2は、そのつ
ど常に1個の吸着器が吸着しかつ高純度のヘリウ
ムが生成気体として生成するように経過する。そ
れによつて高純度のヘリウムの連続的な生成が保
証されている。相応する弁の開閉順序は第8図に
示されている。 次に圧力変換装置における気体誘導を吸着器
Eの例で第6図及び第8図に基づき説明する。こ
の際、装入気体として圧力変換装置中に誘導さ
れる圧力変換装置の生成気体を多ヘリウム気体
(ヘリウム含量95容量%まで)としてかつ圧力変
換装置の生成気体を最終生成気体(99.9容量%
以上のヘリウム含量を有する高純度のヘリウム)
として表示する。吸着器Eは最終生成気体での高
められた圧力P3.2への加圧後に、後接の圧力変換
装置において、前接の圧力変換装置における
吸着圧P5のようにより高い、より低い又は平衡
の高さにあつてよい吸着圧にある。最初の場合に
は、多ヘリウム気体はここには記載されていない
中間接続のコンプレツサーでP5からP3.2へ圧縮さ
れ、第2の場合には、多ヘリウム気体は、例えば
ここには同様に記載されていない中間接続の減圧
器でP5からP3.2へ放圧される。第6図は、吸着圧
P5及びP3.2が同じ高さにある装置を示す。加圧後
に、部分工程T1.2において引続く吸着の間に、
多ヘリウム気体は導管94を経て、開口弁110
及び115で圧力P3.2で吸着器Eを貫流する。こ
の際、残余不純物、実際には窒素は、多ヘリウム
気体から吸着によつて除去され、従つて99.9容量
%以上の純度を有する高純度のヘリウムは最終生
成気体として導管94及び針弁76(調整弁)を
経て、圧力ロスに原因する僅かに圧力P3.2以下に
ある圧力で装置を脱出する。使用目的に依り、高
純度のヘリウムは直接使用されるか、貯蔵及び/
又は転送の目的でコンテナ−又はガスボンベ中に
圧縮されかつ気体で高圧で貯蔵され、パイプライ
ンで−場合により後圧縮後に−貯蔵され又は冷蔵
装置中で液化されうる。 吸着後、吸着器Eは部分工程T2.2で吸着器G
での圧力平衡(Da1)により中間圧P2.2に放圧さ
れる。このために吸着器E及びGは弁114及び
134の開口により(弁150は閉じられてい
る)気体に応じて相互に結合され、この際、多ヘ
リウム気体は吸着器Eから導管98及び絞り弁7
8を経て前もつて洗浄された吸着器Gへ放圧さ
れ、その際、吸着器Gは洗浄圧P1.2から中間圧
P2.2へ昇圧される。圧力平衡は有利に頭頂部−頭
頂部−圧力平衡として行なう。 圧力平衡(Da1)後、吸着器Eは部分工程T3.2
で向流で、有利に大気圧である最低の圧力P1.2ま
で放圧(GEE)させる。このために、弁112
を開口する。この際吸着器Eから流出する気体混
合物は、実際に前接の圧力変換装置中に流入す
る装入気体のヘリウム含量以上であるヘリウム含
量を有しかつ従つて導管96及び絞り弁70を経
て前接の圧力変換装置の入口に回収される。こ
の際、その組成及び容積流が放圧中に変化する放
圧気体は、先ず比較調整の目的で導管100中に
配置された緩衝器81に導入され、そこで部分工
程T4.2で生じかつ同様に回収される洗浄気体と
混合し、かつ引続き循環コンプレツサー82を経
て前接の圧力変換装置の吸着圧P5まで圧縮さ
れかつ混合容器83に圧入され、その中で圧力変
換装置からの回収気体を圧力変換装置のため
の装入気体と混合される。 引続き吸着器Eを、部分工程T4.2で負荷吸着
剤の再生の目的で最終生成気体で向流放圧P1.2の
最終圧で洗浄する。このために最終生成気体の部
分流を導管99及び絞り弁79を経て開口弁11
3及び111で向流で吸着器Eを貫流させる。洗
浄の際に、多ヘリウム気体から前もつて除去され
た不純物、実際に窒素が脱着する。下方の吸着器
末端部で流出する洗浄気体は同様に、実際に装入
気体のヘリウム含量以上であるヘリウム含量を有
する。従つて洗浄廃ガスを同様に前接の圧力変換
装置の入口に、しかも向流放圧気体のための前
記の方法と同様にして、回収する。 洗浄後、吸着器Eを、部分工程T5.2で、前に
吸着を終了した吸着器Gでの圧力平衡により、中
間圧P2.2まで昇圧させる。このために、弁114
及び134を開き(弁150は閉じられている)
かつ多ヘリウム気体を吸着器Gから導管98及び
絞り弁78を経て吸着器Eへ放圧させる。この
際、吸着器Gの圧力は、吸着圧P3.2から中間圧
P2.2まで降下する。 最終的に、吸着器Eを最後の部分工程T6.2で
最終生成気体で吸着圧P3.2まで昇圧させる。この
ために最終生成気体の部分流を導管98を経て開
口弁150及び114で、絞り弁77及び78を
経て吸着器Eへ導入させる。その後に吸着で、新
たな圧力変換循環を吸着器Eで開始させる。第7
図から明らかなように、吸着器F,G及びHにお
ける圧力変換循環が相応して、しかし時間をずら
して経過する。 後接の圧力変換装置における総循環時間は、
前接の圧力変換装置における総循環時間に無関
係に選択できる。これは、多ヘリウム気体の純度
及び選択された吸着圧P5もしくはP3.2に依り、よ
り長く、より短かく又は同じ長さであつてよい。
総循環時間に応じて、部分工程T1.2〜T6.2のた
めに異なつた長さの時間が必要である。例えば、
1600秒間の総循環時間には、次の時間配分で高い
ヘリウム純度が同時に高いヘリウム収率で達成さ
れた: 吸着 400秒間 圧力平衡Da1.2 200秒間 向流放圧 200秒間 洗浄 400秒間 圧力平衡DA1.2 200秒間 加圧DA2.2 200秒間 他の時間配分も可能である。 例 実験1〜4で使用される前記の実験室用圧力変
換装置(充填容量2/吸着器を有する4個の
吸着器A〜D)の後に、第2のより小さい実験室
用圧力変換装置(充填容量0.15/吸着器を有
する4個の吸着器)を接続させ、その中で前後の
圧力変換装置中で生成された多ヘリウム気体を
更に分離した。全装置は第6図による構造を有し
た(しなしながら装置中の予備濾過器無し)。
後接の圧力変換装置中で向流放圧及び洗浄の間
に生じる気体混合物を、第6図に依り再び前接の
圧力変換装置の入口に戻した。両装置の吸着器
には平均吸着孔径0.35nmの炭素分子篩を充填し
た。前接の圧力変換装置は、実験1〜4におけ
るように、吸着圧20バール、最終真空圧50ミリバ
ール及び総循環時間720秒間で操業した。後接の
圧力変換装置における吸着圧は同様に20バール
であり、総循環時間は1600秒間であつた。 前接の圧力変換装置中でヘリウム濃度79.5容
量%を有する多ヘリウム気体が生成され、これは
後接の圧力変換装置中で更に処理されてヘリウ
ム含量99.9容量%以上を有する最も純粋なヘリウ
ムにされた。種々の部分気体流の量及び組成を次
に挙げる。
は減少しかつ逆に減少すれば上昇する。ヘリウム
純度及びヘリウム収率の間の関係は第5図に再び
挙げてある。 同時に高いヘリウム収率における>99.9容量%
までのより高いヘリウム純度は、第1図に依る圧
力変換装置で生成した、ヘリウム濃度95容量%ま
でを有するヘリウムの多い気体を後接の圧力変換
装置で更に分離しかつ圧力変換装置からのヘ
リウム含有廃ガスを圧力変換装置に戻しかつそ
こで圧力変換装置の装入気体と混合しかつ一緒
に圧力変換装置で分離する場合に生成すること
ができる。廃ガス戻しを伴う2個の圧力変換装置
及びの直列接続の方法経過図は第6図に示さ
れている。 圧力変換装置は、4個の吸着器A〜Dを備え
ている前接の圧力変換装置のように、平均吸着
孔径0.35nmを有する炭素分子篩を充填している
4個の吸着器E〜Hを包含する。後接の圧力変換
装置における方法経過は、各吸着器E〜Hに他
の3個の吸着器とは時間をずらして順に環流する
6つの部分工程T1.2〜T6.2から構成されてい
る: T1.2 吸着 T2.2 圧力平衡(Da1)による放圧 T3.2 向流放圧(GEE) T4.2 生成気体での洗浄 T5.2 圧力平衡(DA1)による加圧 T6.2 生成気体(DA2)での加圧 4つの吸着器E〜Hにおけるこの6つの部分工
程T1.2〜T6.2の時間をずらした環式経過は、第
7図に示した圧力−時間−プロフイルに基づき明
らかにされる。部分工程T1.2〜T6.2は、そのつ
ど常に1個の吸着器が吸着しかつ高純度のヘリウ
ムが生成気体として生成するように経過する。そ
れによつて高純度のヘリウムの連続的な生成が保
証されている。相応する弁の開閉順序は第8図に
示されている。 次に圧力変換装置における気体誘導を吸着器
Eの例で第6図及び第8図に基づき説明する。こ
の際、装入気体として圧力変換装置中に誘導さ
れる圧力変換装置の生成気体を多ヘリウム気体
(ヘリウム含量95容量%まで)としてかつ圧力変
換装置の生成気体を最終生成気体(99.9容量%
以上のヘリウム含量を有する高純度のヘリウム)
として表示する。吸着器Eは最終生成気体での高
められた圧力P3.2への加圧後に、後接の圧力変換
装置において、前接の圧力変換装置における
吸着圧P5のようにより高い、より低い又は平衡
の高さにあつてよい吸着圧にある。最初の場合に
は、多ヘリウム気体はここには記載されていない
中間接続のコンプレツサーでP5からP3.2へ圧縮さ
れ、第2の場合には、多ヘリウム気体は、例えば
ここには同様に記載されていない中間接続の減圧
器でP5からP3.2へ放圧される。第6図は、吸着圧
P5及びP3.2が同じ高さにある装置を示す。加圧後
に、部分工程T1.2において引続く吸着の間に、
多ヘリウム気体は導管94を経て、開口弁110
及び115で圧力P3.2で吸着器Eを貫流する。こ
の際、残余不純物、実際には窒素は、多ヘリウム
気体から吸着によつて除去され、従つて99.9容量
%以上の純度を有する高純度のヘリウムは最終生
成気体として導管94及び針弁76(調整弁)を
経て、圧力ロスに原因する僅かに圧力P3.2以下に
ある圧力で装置を脱出する。使用目的に依り、高
純度のヘリウムは直接使用されるか、貯蔵及び/
又は転送の目的でコンテナ−又はガスボンベ中に
圧縮されかつ気体で高圧で貯蔵され、パイプライ
ンで−場合により後圧縮後に−貯蔵され又は冷蔵
装置中で液化されうる。 吸着後、吸着器Eは部分工程T2.2で吸着器G
での圧力平衡(Da1)により中間圧P2.2に放圧さ
れる。このために吸着器E及びGは弁114及び
134の開口により(弁150は閉じられてい
る)気体に応じて相互に結合され、この際、多ヘ
リウム気体は吸着器Eから導管98及び絞り弁7
8を経て前もつて洗浄された吸着器Gへ放圧さ
れ、その際、吸着器Gは洗浄圧P1.2から中間圧
P2.2へ昇圧される。圧力平衡は有利に頭頂部−頭
頂部−圧力平衡として行なう。 圧力平衡(Da1)後、吸着器Eは部分工程T3.2
で向流で、有利に大気圧である最低の圧力P1.2ま
で放圧(GEE)させる。このために、弁112
を開口する。この際吸着器Eから流出する気体混
合物は、実際に前接の圧力変換装置中に流入す
る装入気体のヘリウム含量以上であるヘリウム含
量を有しかつ従つて導管96及び絞り弁70を経
て前接の圧力変換装置の入口に回収される。こ
の際、その組成及び容積流が放圧中に変化する放
圧気体は、先ず比較調整の目的で導管100中に
配置された緩衝器81に導入され、そこで部分工
程T4.2で生じかつ同様に回収される洗浄気体と
混合し、かつ引続き循環コンプレツサー82を経
て前接の圧力変換装置の吸着圧P5まで圧縮さ
れかつ混合容器83に圧入され、その中で圧力変
換装置からの回収気体を圧力変換装置のため
の装入気体と混合される。 引続き吸着器Eを、部分工程T4.2で負荷吸着
剤の再生の目的で最終生成気体で向流放圧P1.2の
最終圧で洗浄する。このために最終生成気体の部
分流を導管99及び絞り弁79を経て開口弁11
3及び111で向流で吸着器Eを貫流させる。洗
浄の際に、多ヘリウム気体から前もつて除去され
た不純物、実際に窒素が脱着する。下方の吸着器
末端部で流出する洗浄気体は同様に、実際に装入
気体のヘリウム含量以上であるヘリウム含量を有
する。従つて洗浄廃ガスを同様に前接の圧力変換
装置の入口に、しかも向流放圧気体のための前
記の方法と同様にして、回収する。 洗浄後、吸着器Eを、部分工程T5.2で、前に
吸着を終了した吸着器Gでの圧力平衡により、中
間圧P2.2まで昇圧させる。このために、弁114
及び134を開き(弁150は閉じられている)
かつ多ヘリウム気体を吸着器Gから導管98及び
絞り弁78を経て吸着器Eへ放圧させる。この
際、吸着器Gの圧力は、吸着圧P3.2から中間圧
P2.2まで降下する。 最終的に、吸着器Eを最後の部分工程T6.2で
最終生成気体で吸着圧P3.2まで昇圧させる。この
ために最終生成気体の部分流を導管98を経て開
口弁150及び114で、絞り弁77及び78を
経て吸着器Eへ導入させる。その後に吸着で、新
たな圧力変換循環を吸着器Eで開始させる。第7
図から明らかなように、吸着器F,G及びHにお
ける圧力変換循環が相応して、しかし時間をずら
して経過する。 後接の圧力変換装置における総循環時間は、
前接の圧力変換装置における総循環時間に無関
係に選択できる。これは、多ヘリウム気体の純度
及び選択された吸着圧P5もしくはP3.2に依り、よ
り長く、より短かく又は同じ長さであつてよい。
総循環時間に応じて、部分工程T1.2〜T6.2のた
めに異なつた長さの時間が必要である。例えば、
1600秒間の総循環時間には、次の時間配分で高い
ヘリウム純度が同時に高いヘリウム収率で達成さ
れた: 吸着 400秒間 圧力平衡Da1.2 200秒間 向流放圧 200秒間 洗浄 400秒間 圧力平衡DA1.2 200秒間 加圧DA2.2 200秒間 他の時間配分も可能である。 例 実験1〜4で使用される前記の実験室用圧力変
換装置(充填容量2/吸着器を有する4個の
吸着器A〜D)の後に、第2のより小さい実験室
用圧力変換装置(充填容量0.15/吸着器を有
する4個の吸着器)を接続させ、その中で前後の
圧力変換装置中で生成された多ヘリウム気体を
更に分離した。全装置は第6図による構造を有し
た(しなしながら装置中の予備濾過器無し)。
後接の圧力変換装置中で向流放圧及び洗浄の間
に生じる気体混合物を、第6図に依り再び前接の
圧力変換装置の入口に戻した。両装置の吸着器
には平均吸着孔径0.35nmの炭素分子篩を充填し
た。前接の圧力変換装置は、実験1〜4におけ
るように、吸着圧20バール、最終真空圧50ミリバ
ール及び総循環時間720秒間で操業した。後接の
圧力変換装置における吸着圧は同様に20バール
であり、総循環時間は1600秒間であつた。 前接の圧力変換装置中でヘリウム濃度79.5容
量%を有する多ヘリウム気体が生成され、これは
後接の圧力変換装置中で更に処理されてヘリウ
ム含量99.9容量%以上を有する最も純粋なヘリウ
ムにされた。種々の部分気体流の量及び組成を次
に挙げる。
【表】
回収気体
【表】
ヘリウム成分5.4容量%を有する装入気体592.3
/時(i.N.)から、純度99.9%容量%以上を有
する最も純粋なヘリウム31.7/時(i.N.)が得
られた。これから、圧力変換吸着及び統合された
廃ガス戻しに依るヘリウムの2段階的富化に関す
るヘリウム収率99.1%が算出される。
/時(i.N.)から、純度99.9%容量%以上を有
する最も純粋なヘリウム31.7/時(i.N.)が得
られた。これから、圧力変換吸着及び統合された
廃ガス戻しに依るヘリウムの2段階的富化に関す
るヘリウム収率99.1%が算出される。
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