Abscheidung von hochreinem Helium aus Erdgas mit sehr geringen Heliumkonzentrationen
Helium ist ein sehr wertvolles Edelgas mit zahlreichen Anwendungsgebieten in den verschiedensten Industrie- und Forschungszweigen. Flüssiges Helium ist zum Beispiel als Kältemittel in Tieftemperatursystemen wie der Magnetresonanztomographie unverzichtbar. Auf der Erde finden sich die wichtigsten natürlichen Heliumvorkommen in der Atmosphäre und im Erdgas. Wegen der geringen Konzentration in Luft – nur ca. 0,0005 % – wird Helium primär aus Erdgas gewonnen.
In den letzten Jahren ist jedoch weltweit eine extreme Heliumknappheit zu Tage getreten, welche sich in teilweise akuten Lieferengpässen und in einem starken Preisanstieg geäußert hat. Vor diesem Hintergrund wurden innerhalb des hier beschriebenen FuE-Projektes (Vorlaufforschung) am ILK Dresden neue Ansätze bzw. innovative Prozesse zur Heliumabscheidung aus Erdgas untersucht. Insbesondere sollen diese sich später dazu eignen, hochreines Helium auch aus Erdgas mit sehr geringen Heliumkonzentrationen effizient gewinnen zu können.
Der Schwerpunkt im Entwicklungsvorhaben lag bei folgenden Prozessen, die sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht wurden:
- Entwicklung und Untersuchungen an Wirbelrohren
- Untersuchungen an neuartigen Tieftemperaturmembranen zur Separation von Helium
- Untersuchungen zu der Kondensation und Adsorptionsstufe innerhalb des Prozesses zur Heliumgewinnung
- Modellierung des Gesamtprozesses
Abbildung 1 zeigt den Prozess schematisch. Startpunkt ist Erdgas (Rohgas) mit weniger als 0,5 Volumenprozent Helium. Die Hauptkomponente ist Methan, andere Komponenten sind Stickstoff, höherkettige Kohlenwasserstoffe, sowie geringe Anteile von Wasserstoff und Edelgasen. Erdgas kann zudem geringe Mengen an CO2 und Wasser enthalten, was sich störend bei der Tieftemperaturadsorption auswirkt. Folglich wird in einem ersten Prozessschritt CO2 und Wasser in einer Kombination aus speziell entwickelten Wirbelrohren über Kondensation abgeschieden. In einem weiteren Prozessschritt wird über einer Reihenschaltung von fünf Membranen hauptsächlich Methan und Stickstoff bei sehr tiefen Temperaturen entfernt. Auf diese Weise erfolgt einen Heliumanreicherung von 0,5 vol. % auf ungefähr 97 vol. %. Im nächsten Prozessschritt werden dann wieder über Kondensation und Adsorption Restbestandteile von CO2, N2 und CxHx (Kohlenwasserstoffe) abgeschieden. In einem letzten Prozessschritten werden zum Schluss die verbleibenden Mengen an Wasser und CO2 sowie sonstige tiefsiedende Fremdgas ausgefroren, sodass eine Heliumreinheit von 99,999 % erreicht wird.
