Separacija helijuma

Sistem za odvajanje helijuma Američkog Biroa za rudnike (Mullins 1948)

 

    Helijum se primarno proizvodi separacijom prirodnog gasa bogatog njime. 

Koncentracija helijuma u prirodnom gasu varira od 1 do 8 %, koncentracija azota u njemu varira od 12 do 80 %, ostatak čine metan, etan i teži ugljovodonici. 

Sistem prikazan na slici je konstruisan od strane U.S. Bureau of Mines i služi za separaciju helijuma iz izvora prirodnog gasa blizu Otis, Kanzas (1948. godine). 

Pošto glavni sastojci prirodnog gasa imaju temperaturu ključanja veoma različitu od one koju ima helijum, kolona za rektifikaciju nije potrebna i separacija se može odraditi sistemom kondenzator - isparivač. 

Prirodni gas se kompresuje na nekih 4,26MPa (42atm) i prolazi kroz izmenjivač toplote pošto se iz njega izdvoje ugljendioksid, hidrogen sulfid, i vodena para. Većina prirodnog gasa se kondenzuje u izmenjivaču toplote. 

Hladan gas se tada širi kroz ventil do 1,82Mpa (18atm) i -145°C, taj fluid se šalje u nečisti helijum separator (azotom hlađeni kondenzator) u kojem se 98% prirodnog gasa likvifikuje. Para iz nečistog helijum separatora se sastoji od 40% azota i 60% helijuma po zapremini, sa malom količinom metana. 

Taj gas se uzima iz nečistog helijum separatora i zagreva do ambijentalne temperature u izmenjivaču toplote. 

Tečnost iz prvog separatora se šalje nazad do prvog izmenjivača toplote, da bi hladio dolazeću struju prirodnog gasa odlazećom strujom tečnog prirodnog gasa.

Ostatak prirodnog gasa koji se tako dobija je dobar gorivi gas zato što su iz njega izdvojeni neki nezapaljivi gasovi kao što su azot, helijum, ugljen dioksid, hidrogen sulfid.
Struja nečistog helijuma se kompresuje do 18,75MPa (185atm) i šalje nazad do izmenjivača toplote, gde se hladi odlazećim nečistim gasom helijuma. Ohlađeni gas visokog pritiska se šalje do kondenzatora i isparivača (hlađen dodatnim sistemom za likvifikaciju azota), i većina azota u nečistom helijumu se kondenzuje iz mešavine i odvaja na dnu kondenzator-isparivača. Tu se nalazi mala količina rastvorenog helijuma u tečnosti koja je formirana u kondenzator-isparivaču, zato što ga nema puno i bitan je helijum, bilo bi ga šteta baciti uz azot. Tako da se tečni helijum i azot u mešavini ekspanduju kroz ekspanzioni ventil do 1,82MPa (18atm) u separator u kojem se helijum vadi iz mešavine i vraća do prvog kondenzatora. Tečni azot se koristi da poboljša hlađenje kondenzatora. Helijum gas koji izlazi iz kondenzator-isparivača ima čistoću od 98.5% helijuma i 1,5% azota.
Konačno se čisti na 99,995% helijuma prolazeći kroz seriju filtera sa koksom u kojima se azot absorbuje.
Hlađenje za separacioni sistem radi na principu sistema Claude likvifikacije koristeći azot kao radni fluid. Gas azota se komprimuje do 4,26MPa (42atm), prolazi kroz izmenjivač toplote, i ekspandira do atmosferskog pritiska kroz ekspanziono postrojenje da pojača hlađenje kondenzatora.