Chemie & Life Sciences

Helium und rostfreier Edelstahl in Schlüsselszenen

Industrie setzt auf effiziente Prozesse und leistungsfähige Systeme für die Ge- und Rückgewinnung von Helium

05.07.2017 -

Der Traum vom Fliegen trieb Ferdinand Graf von Zeppelin Zeit seines Lebens an. Fast 40 Jahre lang galt das von ihm erfundene zigarrenförmige Luftschiff als begehrtes Verkehrsmittel, das – getragen durch den Auftrieb von Wasserstoff – die Kontinente verband. Die Explosion der Wasserstofftanks beim Landeanflug auf New Jersey über Lakehurst markierte 1937 das vorläufige Ende der Zeppelinreisen. Das Luftschiff ging in Flammen auf und 36 Menschen verloren ihr Leben. Doch trotz dieses Unglücks lebt die Idee von Ferdinand Graf von Zeppelin bis heute fort – mit Helium als Traggas.

Weltweit enthalten jedoch nur ganz wenige – in absehbarer Zeit erschöpfte – Erdgasquellen das Edelgas in nutzbaren Mengen. Zugleich steigt die Nachfrage von Industrie, Medizin und Forschung nach dem seltenen Gas, da es für zahlreiche Hochtechnologieanwendungen unverzichtbare Eigenschaften hat. Intensiv wird deshalb nicht nur an der Erschließung neuer Quellen, sondern auch an Verfahren für eine effizientere Gewinnung, sicheren Transport, verdampfungsarme Lagerung und wirtschaftliche Rückgewinnung von Helium gearbeitet. Ein wichtiger Werkstoff für die nach höchsten Sicherheits- und Effizienzstandards ausgelegten Transportbehälter und Leitungssysteme ist in all diesen Phasen Edelstahl Rostfrei mit Qualitätssiegel.

Weiterentwicklung der Zeppelin-Luftfahrt

Schon ab den 1950er-Jahren setzen sog. Blimps die Tradition der zigarrenförmigen Luftschiffe fort – allerdings nur für Werbe- und Überwachungszwecke. In zwei wesentlichen Punkten unterschieden sie sich jedoch von der ursprünglichen Zeppelinkonstruktion: Ihre Ballonhülle war unversteift und als Traggas wurde das nicht brennbare Helium gewählt. Seit einigen Jahren bieten auch Originalzeppeline wieder ihre touristischen Dienste an: In Friedrichshafen starten sie 100 Jahre nach dem Tod ihres Erfinders zu regelmäßigen Rundflügen über die malerische Landschaft am Bodensee. Für ihre Fahrt brauchen sie große Mengen Helium und sind damit in bester Gesellschaft: Weltweit werden jeden Tag etwa 80 t Helium benötigt, pro Jahr erhöht sich der Bedarf um etwa 6%.

Die Vielzahl seiner ungewöhnlichen Eigenschaften macht das Edelgas in zahlreichen Anwendungen unersetzlich: So ist Helium nach Wasserstoff das leichteste Element, nicht brennbar, chemisch inert, hat ein hohes Diffusionsvermögen, mit -269°C den tiefsten Siedepunkt aller Gase sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Da das Edelgas – nur 4,3°C vom absoluten Temperatur-Nullpunkt entfernt – immer noch flüssig ist, wurde es zum hochbegehrten Kühlmittel für Hightech-Anwendungen. Rund ein Drittel des Verbrauchs entfällt deshalb auf den Einsatz von flüssigem Helium zur Kühlung von Supraleitern. Ob zur Produktion von Chips, Displays oder Halbleitern für die Computer- und Solarindustrie, zur Kühlung der Kernspintomografen für medizinische Diagnosen, für Glasfaseroptiken oder den Teilchenbeschleuniger am Schweizer Forschungszentrum CERN – ohne flüssiges Helium geht in all diesen Prozessen gar nichts. Aber auch in der Raumfahrt, als Prüfgas im Anlagenbau, als Tauchgasgemisch und zum Plasmaschweißen wird das extrem flüchtige Edelgas benötigt. Um diesen enormen Bedarf an Helium zu decken, setzt die Industrie auf effiziente Prozesse und hochleistungsfähige Systeme für Gewinnung und Rückgewinnung. Denn die begehrte Ressource kann nur in begrenztem Maße bei der Erdgasförderung gewonnen werden. Wenige Länder verfügen über Erdgasquellen, die Helium in der für eine wirtschaftliche Produktion ausreichenden Konzentration von mindestens 0,2% enthalten. So gibt es weltweit nur etwa ein Dutzend ergiebiger Quellen: in den USA, in Algerien, Katar, Polen und Russland.

Komplizierte Beziehungsgeschichte

Bei der Erdgasverflüssigung entsteht ein Gasgemisch aus Methan, Stickstoff, Wasserstoff und verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Dieses Gemisch wird in sog. Coldboxen über Plattenwärmetauscher, Kolonnen, Rohrleitungen und Ventile bei -180°C aufgetrennt und ein Großteil des Methans und Stickstoffs entfernt. Da Helium leichter als Luft ist, entweicht es unwiederbringlich über kleinste Öffnungen oder Poren in die Atmosphäre. Entsprechend hohe Anforderungen stellen die Prozesse an die Dichtigkeit der Systeme. Nahtlose kryogene Präzisionsrohre aus Edelstahl Rostfrei mit Qualitätssiegel bieten dank hoher Festigkeit und sehr niedriger magnetischer Permeabilität die geforderte Sicherheit. Auch Tieftemperaturventile und für hohe Drücke ausgelegte Verschraubungen aus nichtrostendem Stahl gewährleisten die für einen effizienten Tieftemperaturprozess unverzichtbare Dichtigkeit und Beständigkeit. Trotz der Stickstoffabtrennung in den Coldboxen hat das Heliumrohgas für die Verflüssigung noch einen zu hohen Gehalt an Stickstoff und Methan. Erst durch die ergänzende Reinigung in einer  Druckwechseladsorptionsanlage (DWA) bei Umgebungstemperatur erhält das gasförmige Helium die geforderte Reinheit von 99,999%. Eine neue Membrantechnologie, die vor diesem Gastrennverfahren eingesetzt wird, macht die Heliumgewinnung insgesamt deutlich effizienter. Sie ermöglicht sogar, künftig auch bislang unrentable, kleinere Heliumvorkommen wirtschaftlich zu erschließen. Bei dieser innovativen Membrantechnologie wird das vorgereinigte Rohgas unter hohem Druck in zylinderförmige Kartuschen aus Edelstahl Rostfrei geleitet, die hochselektive Membranen aus Polymerhohlfasern enthalten. Die kleinen Heliummoleküle durchdringen diese Membranen schneller als die größeren Methan- oder Stickstoffmoleküle. Diese „selektive Permeation“ genannte Vorreinigung konzentriert das Helium bereits vor Eintritt in die DWA in erheblich höherem Umfang auf, als es das bisherige Verfahren vermochte. Dadurch steigen die Wirksamkeit und folglich auch die Wirtschaftlichkeit der nachgeschalteten Prozessstufen. Je nach Gaszusammensetzung und Anlagengröße wird die Anzahl der Edelstahlkartuschen und Membranstufen für eine optimale Ausbeute ausgelegt.

Starker Beschützer

Für den anschließenden Transport wird das Helium mehrstufig verflüssigt. Bei einem Druck von etwa 20 bar kühlt das Edelgas mit Hilfe von flüssigem Stickstoff auf zunächst 193°C ab. In einem zweiten Schritt wird es durch Entspannung auf Verflüssigungstemperatur gebracht. Auch hierbei stellen Rohre und Ventile aus nichtrostendem Stahl der Güten 1.4306, 1.4541, 1.4571, 1.4429 und 1.4404 ihre Druck- und Kälteresistenz sowie dauerhafte Dichtigkeit erfolgreich unter Beweis. In 6 m langen, supervakuumisolierten Containern gelangt das flüssige Helium schließlich per Schiff zu den Zielhäfen. Diese komplett aus hochkorrosionsbeständigem, entmagnetisiertem Edelstahl gefertigten Kryobehälter haben ein Fassungsvermögen von bis zu 41.000 l. In ihnen wird das Edelgas drucklos transportiert und gelagert. Vergleichbar mit einer riesigen, doppelwandigen Thermoskanne verhindern sie durch Flüssigstickstoff-Schilder und metallbeschichtete Folienverkleidungen, dass von außen Wärme eindringt oder das wertvolle Gas entweichen kann. Ihre aufwendige Edelstahl-Schweißkonstruktion macht die Container zudem extrem widerstandsfähig gegen die mechanischen Transportbelastungen und gewährleistet niedrige Wartungs- und Betriebskosten. Je nach Anwendungszweck und -umfang gelangt das Helium in speziellen Flüssigkeitsbehältern oder Gastanks zu den Kunden. Die zur Abfüllung erforderlichen Leitungen aus nichtrostendem Stahl sind wie die Kryocontainer hochvakuumisoliert und mit wärmereflektierenden Folien versehen.

Gemeinsame Zukunft

Zum Recycling des wertvollen Elements setzen viele Anwender auf geschlossene Kreisläufe. Verflüssigungsanlagen kühlen das Helium bis auf den Siedepunkt von -269°C ab, um mit dieser tiefkalten Flüssigkeit die Geräte wie Kernspintomografen zu kühlen. Um Wärmeverluste zu vermeiden, kommen Spezialleitungen nach dem Wellrohrprinzip zum Einsatz. Sie bestehen aus einem spiralförmig gewellten, längsnahtgeschweißten Innenrohr aus Edelstahl Rostfrei und mehreren Lagen Superisolierung aus metallbeschichteten Folien mit Zwischenlagen aus Polypropylenvlies. Auf den darauf liegenden, verlustarmen Abstandhalter kommt ein ebenfalls spiralförmig gewelltes Edelstahlaußenrohr. Die gesamte Konstruktion wird anschließend vakuumummantelt und mit Polyethylen verkleidet. Je nach den räumlichen Gegebenheiten in den geschlossenen Kreisläufen kommen diese Spezialleitungen auch als flexible Rohre zum Einsatz. Das abdampfende Heliumgas wird über ein gasdichtes Rohrleitungssystem gesammelt, in einem Hochdruckgasverdichter auf 300 bar verdichtet und anschließend dem Verflüssigungsprozess wieder zugeführt. Beim Ablassen des tiefkalten Gases wirken enorme mechanische Belastungen auf die Rückgewinnungssysteme, die deshalb in der Regel aus orbitalgeschweißten Edelstahlrohren bestehen. Entsprechend hoch sind auch die Erwartungen an die für den Hochdruckverdichter eingesetzten Komponenten und Werkstoffe: Neben der erforderlichen Kühlleistung müssen diese geschlossenen, gasdichten Systeme Leckraten von weniger als 1,2 bis maximal 20 mbar l/s gewährleisten. Der Einsatz von Helium stellt von der Gewinnung bis zum Recycling höchste Anforderungen an die Systeme.

Kontakt

WZV Warenzeichenverband Edelstahl Rostfrei e.V.

Sohnstr. 65
40237 Düsseldorf
Deutschland

+49 211 6707835
+49 211 6707344

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