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DE1941330A1 - Process and device for the extraction of helium from hydrogen - Google Patents

Process and device for the extraction of helium from hydrogen

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DE1941330A1
DE1941330A1 DE19691941330 DE1941330A DE1941330A1 DE 1941330 A1 DE1941330 A1 DE 1941330A1 DE 19691941330 DE19691941330 DE 19691941330 DE 1941330 A DE1941330 A DE 1941330A DE 1941330 A1 DE1941330 A1 DE 1941330A1
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Germany
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column
nitrogen
hydrogen
helium
scrubbing
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DE19691941330
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German (de)
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Otto Dipl-Ing Kaiser
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Original Assignee
Messer Griesheim GmbH
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Publication date
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Priority to DE19691941330 priority patent/DE1941330A1/en
Priority to FR7028923A priority patent/FR2058264A1/en
Priority to NL7011960A priority patent/NL7011960A/xx
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Description

MESSER GEIESHEIM GMBH MG 517 -KNIFE GEIESHEIM GMBH MG 517 -

Kennwort: Wasserstoff-Helium-Extraktion . ·-·Password: hydrogen-helium extraction. · - ·

Erfinder: O.KaiserInventor: O. Kaiser

Verfahren und Einrichtung zur Extraktion von Helium aus Wasserstoff Process and device for the extraction of helium from hydrogen

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Extraktion von Helium aus Wasserstoff, wobei vor allem an den Pail gedacht ist, daß sich das Helium in einer großen Wasserstoffmenge befindet.The invention "relates to a method and a device for Extraction of helium from hydrogen, with the Pail especially thought that the helium is in a large amount of hydrogen is located.

Es sind mehrere Verfahren zur Gewinnung von Helium aus Wasserstoff bekannt. Ein einfaches Verfahren besteht darin, den Wasserstoff zu verbrennen. Das ist für den PaIl1 daß sich das Helium in geringer Konzentration im Wasserstoff befindet, unwirtschaftlich, da die Gutschrift für die Wärmeerzeugung nur etwa 40 % vom Wert des Wasserstoffs ausmacht. Weiter ist es bekannt, den Wasserstoff bei etwa 77 K durch Adsorption an Aktivkohle zu entfernen. Pur große Wasserstoffmengen ergeben sich dabei jedoch riesige Adsorber und zu ihrer Abkühlung auf die tiefe Temperatur ein viel zu hoher Kälteaufwand. Auch die Trennung durch Diffusion ist ungünstig, da die Trennwirkung schlecht ist, und eine sehr große Wandfläche erforderlich ist. Durch Anwendung kryogener Temperaturen ist eine starke Aufkonzentrierung des Heliums und die Erzeugung von heliumfreiem Wasserstoff möglich. Bei so tiefen Temperaturen sind jedoch alle höher siedenden Verunreinigungen wie z.B. N«» Ar, CH., fest und müssen vorher durch ziemlichen Aufwand aus dem Wasserstoff entfernt werden, und zwar durch Ausfrieren nach dem Umkehrprinzip oder durch Adsorption.Several methods are known for producing helium from hydrogen. A simple process is to burn the hydrogen. This is uneconomical for the pallet 1 that the helium is in a low concentration in the hydrogen, since the credit for the heat generation only accounts for about 40% of the value of the hydrogen. It is also known to remove the hydrogen at about 77 K by adsorption on activated carbon. Pure large amounts of hydrogen, however, result in huge adsorbers and too high a cooling requirement to cool them down to the low temperature. Separation by diffusion is also unfavorable, since the separation effect is poor and a very large wall surface is required. By using cryogenic temperatures, a strong concentration of the helium and the generation of helium-free hydrogen is possible. At such low temperatures, however, all higher-boiling impurities such as N «» Ar, CH., Are solid and must first be removed from the hydrogen through considerable effort, namely by freezing out according to the reverse principle or by adsorption.

Per Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Extraktion von Helium aus Wasserstoff zu schaffen, welchesThe object of the invention is to provide a method for Extraction of helium from hydrogen to create which

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die genannten Mängel nicht aufweist und das besonders bei großer Wasserstoffmenge und beim Vorhandensein von Stickstoff in dem heliumhaltigen Wasserstoff vorteilhaft ist.does not have the defects mentioned, especially with large amount of hydrogen and in the presence of nitrogen in the helium-containing hydrogen is advantageous.

Es wurde nun ein Verfahren zur Extraktion von Helium aus einem zumindest aus Wasserstoff und Helium bestehenden Rohgas gefunden, bei dem gemäß der Erfindung das Rohgas unter hohem Druck in einer Waschkolonne mit flüssigem Stickstoff gewaschen wird, wobei der Wasserstoff zumindest zum größten Teil, das Helium wegen seiner geringeren Löslichkeit jedoch nur teilweise gelöst wird und der nichtgelöste Heliumanteil am Kolonnenkopf als mit Stickstoff und gegebenenfalls weiteren Kompohenten verunreinigtes gasförmiges Konzentrat gewonnen wird, während der gesättigte Waschstickstoff am Kolonnenfuß abgeführt wird.A method has now been found for the extraction of helium from a raw gas consisting at least of hydrogen and helium, in which, according to the invention, the raw gas is washed under high pressure in a scrubbing column with liquid nitrogen where the hydrogen is at least for the most part, but the helium is only partially due to its lower solubility is dissolved and the undissolved helium content at the top of the column than with nitrogen and possibly other components contaminated gaseous concentrate is obtained, while the saturated scrubbing nitrogen is discharged at the bottom of the column will.

Wegen der Behandlung des heliumhaltigen Rohgases mit Stickstoff ist das Verfahren besonders dann vorteilhaft, wenn bereits im Rohgas Stickstoff vorhanden ist, und der bei dem Verfahren anfallende Wasserstoff Stickstoff enthalten darf. Der am Kolonnenfuß abgezogene Waschstickstoff ist mit Rohgas gesättigt. Er wird zweckmäßigerweise entspannt, wobei das gelöste Gas zusammen mit dem ebenfalls gelösten Heliumanteil ausgast und aus der Anlage abgeführt wird. Diese Ausgasung kann auf verschiedene Art vorgenommen werden, worauf noch eingegangen wird. Der so regenerierte Waschstickstaff kann in der Kolonne erneut als Waschflüssigkeit verwendet werden.Because of the treatment of the helium-containing raw gas with nitrogen, the method is particularly advantageous when nitrogen is already present in the raw gas and the hydrogen produced in the process may contain nitrogen. The scrubbing nitrogen drawn off at the bottom of the column is saturated with raw gas. It is expediently relaxed, whereby the dissolved gas is outgassed together with the also dissolved helium content and discharged from the system. This outgassing can be done in a number of ways, which will be discussed below. The washing sticks regenerated in this way can can be used again as scrubbing liquid in the column.

Die kleine Heliummenge, die nach dem Entgasen die Trennanlage zusammen mit dem Wasserstoff verläßt, läßt eich erhalten, wenn ein wasserstoffverbrauchender chemischer Prozeß nachgeschaltet ist, bei dem sich das Helium anreichert und im Gemisch mit Wasserstoff erneut der Trennanläge zugeführt wird. Eine derartige Kreislaufschaltung ist beispielsweise bei der Ammoniäksynthese möglich. '.The small amount of helium that leaves the separation system together with the hydrogen after degassing can be used to when a hydrogen-consuming chemical process is downstream, in which the helium is enriched and fed back to the separation system in a mixture with hydrogen will. Such a circuit circuit is for example possible in the synthesis of ammonia. '.

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Vorteilhafte Werte für Druck und Temperatur zum Lösen des Wasserstoffs in Flüssigstickstoff liegen bei 118 bar und 88 K. Damit läßt sich in der Sumpfflüssigkeit der hohe Wasserstoffgehalt 33 Mol "p erreichen.Advantageous values for pressure and temperature for dissolving the hydrogen in liquid nitrogen are 118 bar and 88 K. This means that the high hydrogen content of 33 mol "p can be achieved in the bottom liquid.

Durch eine Erweiterung des Verfahrens ist auch die vollständige Extraktion des Heliums aus dem Wasserstoff möglich. Dazu erhält die Kolonne unter der Rohgaseinspeisung ein Unterteil, in welchem das im Waschstickstoff gelöste Helium mit heliumfreiem Wasserstoff ausgestrippt wird. Der hierfür erforderliche Stripp-Wasserstoff wird vorteilhafterweise beim Regenerieren des Waschstickstoffs gewonnen. Selbstverständlich können sowohl im Rohgas als auch im Waschstickstoff und im Stripp-Wasserstoff Beimengungen enthalten sein, die das Verfahren nicht wesentlich beeinträchtigen*An extension of the procedure is also complete Extraction of the helium from the hydrogen is possible. For this purpose, the column receives a feed under the raw gas Lower part in which the helium dissolved in the washing nitrogen is stripped out with helium-free hydrogen. The one for this The required stripping hydrogen is advantageously obtained when the scrubbing nitrogen is regenerated. Of course can be contained in the raw gas as well as in the scrubbing nitrogen and in the stripping hydrogen, which do not significantly affect the process *

Die Regenerierung des Waschstickstoffes kann auf verschiedene Art erfolgen und richtet sich weitgehend nach den Erfordernissen des Betriebes. Unter Umständen kann auf sie ganz verzichtet werden. Wenn es gewünscht wird, kann aus dem gesättigten Waschstickstoff Wasserstoff hoher Reinheit oder unter hohem Druck gewonnen werden, indem der Druck des gesättigten Waschstickstoffs mehrstufig gesenkt wird, wobei der ausgasende Wasserstoff jeweils vor der nachfolgenden Druckstufe in einem Abscheider abgetrennt wird. Um den Stripp-Wasserstoff zu gewinnen genügt es, eine einmalige Entspannung vorzunehmen. Es ist auch möglich, den unter dem hohen Kolonnendruck stehenden gesättigten Waschstickstoff abzukühlen, um den erforderlichen Stripp-Wasserstoff zu erzeugen. Der regenerierte flüssige Waschstickstoff wird durch eine Pumpe auf den Kolonnendruck gebracht und erneut auf die Waschkolonne aufgegeben.The scrubbing nitrogen can be regenerated in various ways and depends largely on the requirements of the company. It may be possible to do without them entirely. If desired, can be made out the saturated scrubbing nitrogen hydrogen of high purity or under high pressure can be obtained by applying the pressure of the saturated scrubbing nitrogen is lowered in several stages, with the outgassing hydrogen in each case before the subsequent Pressure stage is separated in a separator. In order to obtain the stripping hydrogen, it is sufficient to do a one-off To relax. It is also possible to use the saturated scrubbing nitrogen under the high column pressure to cool to generate the required stripping hydrogen. The regenerated liquid scrubbing nitrogen is through brought a pump to the column pressure and again applied to the wash column.

Eine weitere Konzentrierung des sich im Kopf der Waschkolonne ansammelnden Heliumkonzentrats läßt sich erreichen, wenn dort eine Kühlschlange angeordnet wird, in die eineAnother concentration of the head of the wash column accumulating helium concentrate can be achieved if a cooling coil is arranged there, in the one

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kleine Menge des am Kolonnenfuß abgezogenen und zuvor abgekühlten wasserstoffhaltigen Waschstickstoffs entspannt wird.small amount of the withdrawn at the bottom of the column and previously cooled hydrogen-containing scrubbing nitrogen is relaxed.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der aus dem Kolonnenfuß abgezogene gesättigte Waschstickstoff arbeitsleistend entspannt und in eine Rektifizierkolonne ge-, leitet, aus deren Fuß wasserstoffreier Stickstoff abgezogen wird, der als Waschflüssigkeit auf die Waschkolonne zurückgegeben wird. Aus dem Kopf der Rekiifizierkolonne=- strömen Wasserstoff und Stickstoff und gegebenenfalls weitere im Rohgas enthaltene Komponenten, praktisch in der Zusammensetzung des Rohgases, jedoch ohne Helium, oder, sofern kein Stripp-Prozeß vorgesehen ist, mit verringertem Heliumgehalt. Ein . Teil dieses Kopfproduktes kann rückverdichtet und als Strippgas verwendet werden. Die Rektifizierkolonne kann z.B. durch in die Anlage eintretendes Rohgas beheizt werden. Um ein wasserstoffreies Heliumkonzentrat zu erhalten, genügt es, wenn nur ein kleiner Teil des gesättigten Waschstickstoffs aus dem Kolonnenfuß wässerstoffrei gemacht und auf den Kopf der Waschkolonne aufgegeben wird, wohingegen ein weiterer Teil mit einem Wasserstoffrest behaftet bleibt und mit einer änderen Pumpe unterhalb der Aufgabestelle des wasserstofffreien Stickstoffs auf die Waschkolonne aufgegeben wird·In an advantageous embodiment of the invention, the saturated scrubbing nitrogen withdrawn from the column foot is used relaxed and put into a rectification column to perform work, conducts, from the base of which hydrogen-free nitrogen is withdrawn which is returned as washing liquid to the washing column. From the head of the reclamation column = - flow Hydrogen and nitrogen and possibly other components contained in the raw gas, practically in the composition of the raw gas, but without helium, or, if there is no stripping process is provided with reduced helium content. A . Part of this overhead product can be recompressed and used as stripping gas be used. The rectification column can, for example, be heated by raw gas entering the plant. To a To obtain hydrogen-free helium concentrate, it is sufficient if only a small part of the saturated scrubbing nitrogen is made anhydrous from the column foot and upside down the scrubbing column is abandoned, whereas another part remains afflicted with a hydrogen residue and with a Another pump is applied to the scrubbing column below the point of application of the hydrogen-free nitrogen

Der Vorteil des Verfahrens mit arbeitsleistender Entspannung des gesättigten Waschstickstoffs besteht darin, daß sich der Prozeß so gestalten läßt, daß er ohne äußere Wärme- oder Kältequelle auskommt.The advantage of the process with work-producing relaxation of the saturated scrubbing nitrogen is that the process can be designed in such a way that it works without an external source of heat or cold.

Falls zur Ersparnis einer Pumpe der gesamte Waschstickstoff in einer Rektifizierkolonne vollkommen von Wasserstoff befreit werden soll, wird eine starke Sumpfheizung benötigt. Dies liegt daran, daß die Temperatur der hinablaufenden Flüssigkeit mit fallendem Wasserstoffgehalt zunimmt, also die große für das Verfahren notwendige Waschflüssigkeitsmenge erwärmt werden muß. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht daher darin,If, in order to save a pump, all of the scrubbing nitrogen is completely freed from hydrogen in a rectification column a strong sump heating is required. this is due to the fact that the temperature of the flowing liquid increases with decreasing hydrogen content, so the high for the process required amount of washing liquid must be heated. Another object of the invention is therefore

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

ein Rektifikationsverfahren zu schaffen, welches sich unter den genannten Bedingungen durchführen läßt.to create a rectification process which can be carried out under the conditions mentioned.

Es wurde nun gefunden, daß sich ein Rektifikationsverfahren zur Beseitigung eines gelösten Gases aus einer .Flüssigkeit, deren Temperatur stark mit fallendem Gasgehalt zunimmt, insbesondere die Beseitigung von Wasserstoff au3 Stickstoff, durchführen läßt, wenn man gemäß der Erfindung die gewonnene gasfreie Flüssigkeit durch indirekte Wärmeübertragung an die in der Rektifizierkolonne hinablaufende Flüssigkeit abkühlt.It has now been found that a rectification process for removing a dissolved gas from a .Liquid, whose temperature increases sharply with falling gas content, in particular the removal of hydrogen from nitrogen, can be carried out if, according to the invention, the gas-free liquid obtained by indirect heat transfer to the The liquid running down in the rectification column cools.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist eine Rektifizierkolonne, die aus einem Kolonnenmantel mit oberem und unterem Verschlußboden sowie mehreren Kolonnenboden, einer Abzugsleitung für das Sumpfprodukt am unteren Verschlußboden und einer Abzugsleitung für das Kopfprodukt am oberen Verschlußboden besteht. Ferner können im Kolonnenfuß eine oder mehrere Heizschlangen angeordnet sein. Gemäß der Erfindung sind die Kolonnenboden als Schikanebleche ausgeführt, durch welche Rohre unter Ausbildung von Ringspalten geführt sind. Die Rohre sind durch je ein oberes und unteres Rohrnest zusammengefaßt, wobei die Abzugsleitung aus dem unteren Verschlußboden in das untere Rohrnest führt und das obere Rohrnest eine Abführleitung für das abgekühlte Sumpfprodukt besitzt. Die erfindungsgemäße Rektifizierkolonne ähnelt einem Wärmeübertrager mit geraden senkrechten Rohren und waagerechten Schikaneblechen· Jedes Schikaneblech hat ein niedriges Flüssigkeitsbad und läßt nur an den Ringspalten zu den Rohren Flüssigkeit nach unten durch, sodaß sich auf den Rohren Rieselfilme bilden. Der Dampf wird zwischen den Blechen und Rohren nach oben geführt^/lieim Waschen des Rohgases verringert sich die nach oben strömende Dampfmenge außerordentlich stark. Deshalb sind mit Füllkörpern oder Glockenböden versehene Kolonnen zweckmäßig.A rectifying column is suitable for carrying out the process according to the invention, which consists of a column jacket with an upper and lower closure plate and several column bases, an outlet line for the bottom product on the lower closure plate and an outlet line for the top product on the upper closure plate. Furthermore, one or more heating coils can be arranged in the column foot. According to the invention, the column bottoms are designed as baffle plates, through which tubes are guided with the formation of annular gaps. The tubes are combined by an upper and a lower tube nest, the discharge line leading from the lower closure base into the lower tube nest and the upper tube nest having a discharge line for the cooled sump product. The rectification column according to the invention resembles a heat exchanger with straight vertical pipes and horizontal baffle plates.Each baffle plate has a low liquid bath and only allows liquid to pass downwards at the annular gaps to the tubes, so that trickle films form on the tubes. The steam is led upwards between the metal sheets and pipes; when the raw gas is washed, the amount of steam flowing upwards is extremely reduced. Columns provided with random packings or bubble-cap trays are therefore appropriate.

Bevorzugt wird die Waschkolonne so betrieben, daß an ihrem Fuß der gesättigte Waschetickstoff unter einem Druck vonThe wash column is preferably operated such that at its base, the saturated Waschetickstoff under a pressure of

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etwa 118 bar, einer Temperatur von etwa 88 K und mit ca. 33 Mol io Wasserstoff abgezogen werden karin.Karin be about 118 bar, a temperature of about 88 K and about 33 mole withdrawn io hydrogen.

Wie bereits eingangs gesagt, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht, darauf angewiesen, daß Rohgas, Waschflüssigkeit und Strippgas in reiner Form vorliegen, es können in ihnen auch Beimengungen enthalten sein, sofern sie den Prozeß nlcnt stören. Der Stickstoff kann sogar ganz entfallen, wobei seine Aufgabe zum Beispiel von Kohlenmonoxyd, Argon oder Methan übernommen wird.As already stated at the beginning, the method according to the invention is not dependent on the raw gas, scrubbing liquid and stripping gas being in pure form, it can be in they may also contain admixtures, provided they do not interfere with the process. The nitrogen can even be omitted entirely, whereby its job for example of carbon monoxide, argon or Methane is taken over.

Die beigefügten Zeichnungen veranschaulichen ein Ausführungs-™ beispiel der Erfindung.The accompanying drawings illustrate an embodiment ™ example of the invention.

Es stellen dar: .It represent:.

Pig. 1 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vollständiger Heliumabtrennung und der erfindungsgemäßen Regenerierung des Waschstickstoffs in einer besonderen Rektifizierkolonne.Pig. 1 a scheme of the process according to the invention with complete helium separation and the process according to the invention Regeneration of the scrubbing nitrogen in a special rectification column.

P,ig. 2 einen Ausschnitt aus der Rektifizierkolonne.P, ig. 2 shows a section from the rectification column.

Das dargestellte Verfahren kommt ohne äußere Kälte- und Wärmequelle aus. Das zu verarbeitende Rohgas enthält 1 Mol $> Helium, 84 Mol # Wasserstoff und nur 15 Mol # Stickstoff.The method shown works without an external source of cold or heat. The raw gas to be processed contains 1 mol $> helium, 84 mol # hydrogen and only 15 mol # nitrogen.

In der Leitung 1 wird das Rohgas mit etwa 118 bar und 295 K der Tieftemperatur-Anlage zugeführt. Es kühlt sich in den Wärmeübertragern 2,3 und 4 ab und gelangt mit etwa 87 K durch die Leitung 8 in die Kolonne 5. Das Oberteil 6 dieser Kolonne ist eine Waschkolonne und das Unterteil 7 eine Strippkolonne. In der Waschkolonne werden das Rohgas aus Leitung 8 und der Strippdampf aus der Strippkolonne 7 erfindungsgemäß mit flüssigem Stickstoff bis auf einen sich bildenden kleinen heliumreichen Dampfrest gelöst. Die Strippkolonne 7 verhindert,In line 1, the raw gas is fed to the low-temperature system at around 118 bar and 295 K. It cools down in the Heat exchangers 2, 3 and 4 and reaches the column 5 at about 87 K through the line 8. The upper part 6 of this column is a wash column and the lower part 7 is a stripping column. In the scrubbing column, the raw gas from line 8 and the Stripping steam from the stripping column 7 according to the invention with liquid Dissolved nitrogen except for a small helium-rich vapor residue that formed. The stripping column 7 prevents

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daß der Heliumanteil, welcher in der Flüssigkeit aus der Waschkoionne 6 gelöst ist, nach unten aus der Kolonne 5 entweicht.that the helium content, which is dissolved in the liquid from the washing column 6, out of the column 5 downwards escapes.

Durch die leitung 9 strömt reiner Waschstickstoff über die Füllkörper der Wasehkolonne 6 nach unten und sättigt sich mit dem nach oben strömenden wasserstoffreichen Dampf. In der Strippkolonne 7 angelangt, kann die Waschflüssigkeit keine zusätzliche Grasmenge mehr aufnehmen, sojdaß das mit der Leitung 10 eingespeiste heliumfreie Strippgas im ganzen Bereich der Strippkolonne 7 als Dampf erhalten bleibt. Als Strippgas dient ein Gas, das im wesentlichen der Zusammensetzung des Rohgases entspricht, doch enthält es kein Helium. Die Füllkörper der Strippkolonne 7 bringen Flüssigkeit und ι Dampf zum Stoffaustausch, wobei Helium aus der Flüssigphase in die Dampfphase übergeht und im Dampf nach oben gefördert wird. Schließlich läßt sich mit der Leitung 11 aus dem Kolonnenfuß 12 eine gesättigte heliumfreie Flüssigkeit abtransportieren, die praktisch den ganzen in die Kolonne 5 gelangenden Wasserstoff und Stickstoff enthält. Die Wasserstoffkonzentration in dieser Flüssigkeit beträgt ca. 33 Hol $.Pure washing nitrogen flows through the line 9 over the Packing of the washing column 6 downwards and is saturated with the hydrogen-rich steam flowing upwards. In the stripping column 7 reached, the scrubbing liquid can no longer absorb any additional amount of grass, sojdaß that with the line 10 fed helium-free stripping gas in the entire area of the stripping column 7 is retained as vapor. as Stripping gas is a gas that essentially corresponds to the composition of the raw gas, but it does not contain any helium. The packing of the stripping column 7 bring liquid and vapor to mass transfer, with helium from the liquid phase passes into the vapor phase and is conveyed upwards in the steam. Finally, the line 11 can be used to exit the column foot 12 transport away a saturated helium-free liquid, which practically all of it in the column 5 contains incoming hydrogen and nitrogen. The hydrogen concentration in this liquid is about 33 Hol $.

Im Oberteil der Füllkörperpackung der Waschkolonne 6 bildet sich ein heliumreiches Gaspolster, aus dem das Heliumkonzentrat mittels Leitung 14 entnommen wird. Das Heliumkonzentrat enthält in Höhe der Einspeisestelle des über Leitung , 9 eintretenden Waschstickstoffs mindestens 1,5 Mol $ Stick- ™ stoff. Ein erheblicher Teil dieser Verunreinigung läßt sich mit der kleinen Schlange 13 auskondensieren, sodaß im durch Leitung 14 abgezogenen Rohhelium nur noch etwa 0,8 Mol # Stickstoff enthalten sind. In der Schlange siedet dicht über der Friertemperatur ein H2-N2-Naßdampf, der aus einer kleinen Menge der 33 Mol # Wasserstoff enthaltenden Stickstofflüssigkeit aus Leitung 11 hergestellt wird. Dazu wird die Flüssigkeit nach Vorkühlung im Kühler 15 von dem Drosselventil 16 auf etwa 1,5 bar entspannt.In the upper part of the random packing of the scrubbing column 6, a helium-rich gas cushion is formed, from which the helium concentrate is withdrawn by means of line 14. The helium concentrate contains the 9 entering wash nitrogen contains at least 1.5 mol $ ™ nitrogen via line in height of the feed point. A considerable part of this impurity can be condensed out with the small coil 13, so that the crude helium withdrawn through line 14 only contains about 0.8 mol of nitrogen. In the coil, just above the freezing temperature, an H 2 -N 2 wet vapor is boiling, which is produced from a small amount of the nitrogen liquid from line 11, which contains 33 mol of hydrogen. For this purpose, after precooling in the cooler 15, the fluid is expanded by the throttle valve 16 to about 1.5 bar.

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«. 8 —«. 8th -

Die große Menge Waschstickstoff, die über Leitung 9 auf die Waschkolonne 6 aufgegeben werden muß, wird durch Regenerieren des gesättigten Waschstickstoffs aus dem Kolonnenfuß 12 zurückgewonnen. Zunächst gelangt der gesättigte Waschstickstoff durch Leitung 17 zur Entspannungsmaschine 18, wo' ihr Druck von 118 bar auf etwa 10 bar gesenkt wird, wobei die Temperatur von etwa 88. auf 72 K sinkt und ein Naßdampf entsteht, dessen Flüssigkeit nur noch 2 Mol # Wasserstoff enthält. Ohne weitere Drucksenkung wird dieser in der Flüssigkeit noch gelöste Wasserstoff von der Rektifizierkolonne 19 ausgetrieben. Bei diesem Rektifikationsprozeß befindet sich die Flüssigkeit fortwährend im Siedezustand, sodaß ihre Temperatur mit kleiner werdendem Wasserstoffgehalt laufend zunimmt. Demzufolge hat die reine Stickstofflüssigkeit in der Abzugsleitung 20 eine Temperatur von 105 K.The large amount of scrubbing nitrogen that is transferred via line 9 to the Wash column 6 must be abandoned is by regeneration of the saturated scrubbing nitrogen from the column foot 12 recovered. First, the saturated washing nitrogen arrives through line 17 to expansion machine 18, where 'your pressure is lowered from 118 bar to about 10 bar, the temperature drops from about 88 to 72 K and a wet vapor is formed, the liquid of which only contains 2 mol of hydrogen. Without This hydrogen, which is still dissolved in the liquid, is expelled by the rectifying column 19 by a further reduction in pressure. During this rectification process, the liquid is constantly in the boiling state, so that its temperature decreases increasing hydrogen content. As a result the pure nitrogen liquid in the discharge line 20 has a temperature of 105 K.

Für diese Erwärmung der großen beim Rektifikationsprozeß nach unten rieselnden Flüssigkeitsmenge und für die Erzeugung des notwendigen Dampfes reicht die Heizleistung des Wärmeübertragers 3, also des Stickstoffverdampfers, allein nicht aus. Deshalb wird die Wärme, welche bei der notwendigen Abkühlung des reinen Flüssigstickstoffs frei wird, erfindungsgemäß ausgenutzt. Dazu wird der mit der Abzugsleitung 20 abgezogene flüssige Stickstoff oberhalb des Sumpfes in die Rektifizierkolonne 19 zurückgeleitet und zwar in das untere Röhrnest 34, von dem aus Rohre 21 senkrecht nach oben durch die Rektifizierkolonne 19 führen. Die Rohre 21 münden in das obere Rohrnest 35, von dem aus der abgekühlte flüssige Waschstickstoff über Leitung 36 aus der Rektifizierkolonne 19 abgezogen wird. Die Rohre 21 durchstoßen unter Ausbildung von Ringspalten die Kolonnenboden, die als Schikanebleche ausgebildet sind.For this warming of the large ones in the rectification process the amount of liquid trickling down and the heating power of the is sufficient to generate the necessary steam Heat exchanger 3, that is to say the nitrogen evaporator, does not come off alone. Therefore, the heat that is needed when Cooling of the pure liquid nitrogen is released, exploited according to the invention. For this purpose, the drain line 20 is withdrawn liquid nitrogen passed back above the bottom into the rectification column 19 and that into the lower one Tube nest 34, from which tubes 21 lead vertically upwards through the rectification column 19. The tubes 21 open into the upper tube nest 35, from which the cooled liquid scrubbing nitrogen via line 36 from the rectification column 19 is deducted. The tubes 21 pierce with training of annular gaps, the column trays, which are designed as baffle plates.

Jedes Schikaneblech hat ein niedriges Flüssigkeitsbad und läßt nur an den Ringspalten zu den Rohren Flüssigkeit nach unten durch, sodaß sich auf den Rohren Rieselfilme bilden. Der Dampf wird zwischen den Blechen und Rohren hin und her nach oben geführt.Each baffle plate has a low liquid bath and only lets in liquid at the annular gaps to the pipes through the bottom so that trickle films form on the pipes. The steam is back and forth between the sheets and pipes led up.

1 0981Ll0 916 91 0981 Ll 0 916 9

Nach weiterer Tiefkühlung im Regulier-Wärmeübertrager 22 und im Vorwärmer 23 wird der reine flüssige Stickstoff mit der Pumpe 24 auf den Kolonnendruck gebracht. Durch Betätigen der beiden Ventile 25 wird die Menge des durch den Regulier-Wärmeübertrager 22 fließenden hochgespannten Waschstickstoffstromes geregelt, so daß die Kolonne 5 im gewünschten Temperaturbereich gehalten werden kann. Zugleich wird die Eintrittstemperatur der Pumpe 24 stets auf dem tiefen Wert von etwa 74 K gehalten, um für eine möglichst niedrige Pumpenarbeit ein kleines Flüssigkeitsvolumen zu erzielen.After further deep freezing in the regulating heat exchanger 22 and in the preheater 23, the pure liquid nitrogen is with it the pump 24 brought to the column pressure. By actuating the two valves 25, the amount of through the regulating heat exchanger 22 flowing high-tension scrubbing nitrogen stream regulated, so that the column 5 in the desired temperature range can be held. At the same time, the inlet temperature of the pump 24 is always at the low value of held about 74 K in order to achieve a small volume of liquid for the lowest possible pump work.

Der aus dem Kopf der Rektifiziersäule 19 durch Leitung 26 austretende Dampf hat praktisch Rohgaszusammensetzung, enthält aber kein Helium. Nach Erwärmung wird ein Teil dieses Gases abgezweigt, mit dem Kompressor 27 auf Kolonnendruck verdichtet, in den Wärmeübertragern 2, 3 und 4 abgekühlt und als Strippgas 10 in die Strippkolonne 7 geleitet. Das Hp-Np-Produkt enthält fast die ganze Rohgasmenge und verläßt die Tieftemperatur-Anlage mit etwa 9|5 bar durch LeitungThe steam emerging from the top of the rectification column 19 through line 26 has practically a raw gas composition but no helium. After heating, part of this gas is branched off with the compressor 27 to column pressure compressed, cooled in the heat exchangers 2, 3 and 4 and passed into the stripping column 7 as stripping gas 10. That Hp-Np product contains almost the entire amount of raw gas and leaves the low-temperature system with about 9 | 5 bar through a line

Mit der Anlage verbunden ist eine Adsorptionseinrichtung 29» die bei tiefer Temperatur das Rohhelium aus Leitung 14 zu Reinhelium verarbeitet, das durch Leitung 30 abgezogen wird. Dieser Heliumreiniger ist in der Zeichnung nur symbolisch dargestellt, da sein Aufbau für die Erfindung unwesentlich ist. Die Adsorptionseinrichtung 29 wird mit Kälte in Form von flüssigem Stickstoff über Leitung 31 beliefert und gibt diesen in Leitung 32 als Dampf zurück.Connected to the system is an adsorption device 29 » which processes the crude helium from line 14 to pure helium at low temperature, which is withdrawn through line 30. This helium cleaner is only shown symbolically in the drawing, since its structure is not essential for the invention is. The adsorption device 29 is supplied with cold in the form of liquid nitrogen via line 31 and is there this back in line 32 as steam.

Der Kältehaushalt der gesamten Anlage wird allein durch die Entspannungsmaschine 18 bestritten. Diese schafft wesentlich mehr Energie aus der Anlage hinaus, als durch die Pumpe 24 hereinkommt.The cold balance of the entire system is controlled solely by the Relaxation machine 18 disputed. This creates significantly more energy from the system than through the pump 24 comes in.

In Pig. 2 ist ein Teil der erfindungsgemäßen Rektifizierkolonne 19 vergrößert dargestellt. Die Strömungsrichtung dea reinen Waschstickstoffs in den Rohren ist durch Pfeile 37, die des Dampfes durch einen Pfeil 38 gekennzeichnet«In Pig. 2 shows a part of the rectifying column 19 according to the invention on an enlarged scale. The direction of flow dea pure washing nitrogen in the pipes is indicated by arrows 37, those of steam by an arrow 38 «

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Claims (18)

.ίο- 1t4f330.ίο- 1t4f330 MESSER GRIESHEIM GKBH MG 517KNIFE GRIESHEIM GKBH MG 517 Ansprüche . Claims . Verfahren zur Extraktion von Helium aus einem zumindest aus Wasserstoff und Helium bestehenden Rohgas, dadurch gekennzeichnet,.daß das Rohgas (8) unter hohem Druck in einer Waschkolonne (6) mit flüssigem Stickstoff (9) gewaschen wird, wobei der Wasserstoff zumindest zum größten Teil, das Helium wegen seiner geringeren Löslichkeit jedoch nur teilweise gelöst wird und der nichtgelöste Heliumanteil am Kolonnenkopf als mit Stickstoff und gegebenenfalls weiteren Komponenten verunreinigtes gasförmiges Konzentrat (H) gewonnen wird, während der gesättigte Waschstickstoff am Kolonnenfuß abgeführt wird,Process for the extraction of helium from a raw gas consisting at least of hydrogen and helium, thereby characterized, .that the raw gas (8) washed under high pressure in a scrubbing column (6) with liquid nitrogen (9) where the hydrogen is at least for the most part, but the helium because of its lower solubility is only partially dissolved and the undissolved helium content at the top of the column than with nitrogen and possibly further components contaminated gaseous concentrate (H) is obtained, while the saturated Scrubbing nitrogen is discharged at the bottom of the column, 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das gesamte im Rohgas enthaltene-Helium extrahiert wird, dadurch gekennzeichnet,2. The method of claim 1, wherein all of the raw gas contained-helium is extracted, characterized in that 'daß der im gesättigten Waschstickstoff gelöste Heliumanteil in einer Strippkolonne (7) durch heliumfreien Stripp-Wasserstoff (10) ausgetrieben und zusammen mit dem Stripp-Wasserstoff (10) und mit dem Rohgas in den Fuß der Waschkolonne (6) geleitet wird,'that the proportion of helium dissolved in the saturated scrubbing nitrogen expelled in a stripping column (7) by helium-free stripping hydrogen (10) and together with the stripping hydrogen (10) and is passed with the raw gas into the foot of the scrubbing column (6), 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Kolonne (5) 'verwendet wird, deren Oberteil als Waschkolonne (6) und deren Unterteil als Strippkolonne (7) dient, und an deren Fuß (12) mit Wasserstoff und gegebenenfalls weiteren Komponenten gesättigter, heliumfreier Stickstoff flüssig abgezogen wird.3. The method according to claim 2, characterized in that only one column (5) 'is used, the upper part of which as Wash column (6) and its lower part serves as a stripping column (7), and at its foot (12) with hydrogen and optionally further components of saturated, helium-free nitrogen is drawn off in liquid form. 4-, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des mit Wasserstoff gesättigten, Helium enthaltenden Waschstickstoffa einem wasserstoffverbrauchenden chemischen Prozeß, insbesondere einer 4-, method according to claim 1, characterized in that at least part of the hydrogen-saturated, helium-containing scrubbing nitrogena a hydrogen-consuming chemical process, in particular one - 11 -- 11 - 109814/0916109814/0916 Ammoniaksynthese, zugeführt wird, bei dem das Helium angereichert wird, wonach das angereicherte Gasgemisch von neuem dem Extraktionsprozeß unterworfen wird.Ammonia synthesis, is supplied, in which the helium is enriched, after which the enriched gas mixture is subjected to the extraction process again. 5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3t dadurch gekennzeichnet, daß aus dem am Kolonnenfuß (12) flüssig abgezogenen, mit Wasserstoff gesättigten und gegebenenfalls mit weiteren Komponenten behafteten, heliumfreien Stickstoff (17) der erforderliche heliumfreie Stripp-Wasserstoff gewonnen wird, indem diese viel Wasserstoff enthaltende Flüssigkeit auf kleineren Druck entspannt oder bei hohem Kolonnendruck abgekühlt wird.5. The method according to claim 2 or 3t, characterized in that that from the withdrawn liquid at the column foot (12), saturated with hydrogen and optionally with further Components containing helium-free nitrogen (17) the required helium-free stripping hydrogen is obtained, by releasing this liquid containing a lot of hydrogen at a lower pressure or at a high column pressure is cooled. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Waschstickstoffs aus dem Kolonnenfuß (12) entspannt und Stickstofflüssigkeit gewonnen wird, die wenig oder keinen Wasserstoff enthält und durch eine Pumpe (24) als Waschflüssigkeit auf den Kolonnenkopf aufgegeben wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that that at least part of the scrubbing nitrogen from the column foot (12) is relaxed and nitrogen liquid is obtained which contains little or no hydrogen and by a pump (24) as a washing liquid is abandoned to the top of the column. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des Waschstickstoffs arbeitsleistend erfolgt.7. The method according to claim 6, characterized in that the relaxation of the washing nitrogen doing work he follows. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des gesättigten Waschstickstoffes (11) aus dem Kolonnenfuß (12) in eine fußbeheizte Rektifizierkolonne (19) entspannt wird, aus deren Fuß wasserstoffreier Waschstickstoff abgezogen wird, und deren Kopfprodukt aus Wasserstoff, Stickstoff und gegebenenfalls weiteren Komponenten besteht.8. The method according to any one of claims 6 or 7, characterized in that that at least part of the saturated scrubbing nitrogen (11) from the column foot (12) into a the foot-heated rectification column (19) is depressurized, from the foot of which hydrogen-free scrubbing nitrogen is drawn off, and the top product of which consists of hydrogen, nitrogen and optionally other components. 9· Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das gesamte im Rohgas enthaltene Helium extrahiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des aus der Rektifizierkolonne (19) abgezogenen Kopfprodukte (26) rückverdichtet (27) und als Strippgas (10) zurück in die Strippkolonne (7) strömt.9 · The method according to claim 8, wherein the entire in the raw gas contained helium is extracted, characterized in that part of the withdrawn from the rectifying column (19) Overhead products (26) recompressed (27) and flows back into the stripping column (7) as stripping gas (10). 1098U/0916 - 12 -1098U / 0916 - 12 - 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9t dadurch gekennzeichnet, daß nur ein kleiner Teil des gesättigten Waschstickstoffes (11) aus dem Kolonnensumpf (12) in der Rektifiziersäule (19) von Wasserstoff völlig frei gemacht, und auf den Kopf der Waschkolonne (6) gepumpt (24) wird, während ein weiterer Teil seinen Wasserstoff bis auf einen kleinen Res"t in einem Abscheider abgibt, ebenfalls auf den, Druck der Waschkolonne (16) gepumpt und unterhalb der Einspeisestelle des Reinstickstoffs (9) auf die 'Waschkolonne (6) aufgegeben wird.10. The method according to any one of claims 8 or 9t thereby characterized in that only a small part of the saturated scrubbing nitrogen (11) from the column bottom (12) in the Rectification column (19) made completely free of hydrogen and pumped (24) to the top of the wash column (6), while another part releases its hydrogen except for a small amount in a separator, also to the, Pressure of the wash column (16) is pumped and below the feed point of the pure nitrogen (9) to the 'wash column (6) is abandoned. 11« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem Wasserstoff mit hohem Druck oder hoher Reinheit erzeugt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck von zumindest einem Teil des gesättigten Waschstickstoffs (11) aus dem Kolonnenfuß (12) mehrstufig gesenkt wird, wobei der ausgasende Wasserstoff jeweils vor der nachfolgenden Druckstufe mit einem Abscheider abgetrennt wird.11 «Method according to one of claims 1 to 10, in which hydrogen is produced at high pressure or high purity is to be, characterized in that the pressure of at least part of the saturated scrubbing nitrogen (11) is lowered in several stages from the column base (12), the outgassing hydrogen being separated off with a separator before the subsequent pressure stage. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der gesättigte Waschstickstoff (11) den Kolonnenfuß (12) unter einem Druck von etwa 118 bar, einer Temperatur von etwa 88 K und mit ca. 33 Mol i<> Wasserstoff verläßt.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the saturated scrubbing nitrogen (11) the column foot (12) under a pressure of about 118 bar, a temperature of about 88 K and with about 33 mol i <> hydrogen leaves. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche T bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein geringer Teil des Waschstickstoffs (1!) aus dem Kolonnenfuß (12) abgekühlt und in eine Kühlschlange (.13) im Kopf der Kolonne (5, 6) entspannt wird.13. The method according to any one of claims T to 12, characterized characterized in that a small part of the scrubbing nitrogen (1!) from the column foot (12) is cooled and fed into a cooling coil (.13) is expanded in the head of the column (5, 6). 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Waschen des Rohgases und gegebenenfalls das Strippen der Waschflüssigkeit in mit Füllkörpern oder Glockenböden versehenen Kolonnen (5, 6, 7) erfolgt.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized characterized in that the washing of the raw gas and optionally the stripping of the washing liquid in with packing columns (5, 6, 7) provided with bubble trays. - 13 -- 13 - 10 9 8 14/091610 9 8 14/0916 15. Rektifikationsverfahren zur Beseitigung eines gelösten Gases (Wasserstoff) aus einer Flüssigkeit (Stickstoff), deren Temperatur stark mit fallendem Gasgehalt zunimmt, insbesondere nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnene gasfreie·Flüssigkeit (20) durch indirekte Wärmeübertragung an die in der Rektifizierkolonne (19) hinablaufende Flüssigkeit abgekühlt wird.15. Rectification process to remove a dissolved gas (hydrogen) from a liquid (nitrogen), the temperature of which increases sharply with falling gas content, in particular according to one of claims 8 to 11, thereby characterized in that the gas-free · liquid obtained (20) cooled by indirect heat transfer to the liquid running down in the rectification column (19) will. 16. Rektifizierkolonne zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, bestehend aus einem Kolonnenmantel mit oberem und unterem Verschlußboden sowie mehreren Kolonnenboden, einer Abzugsleitung für das Sumpfprodukt am unteren Verschlußboden und einer Abzugsleitung für das Kopfprodukt am oberen Verschlußboden, sowie gegebenenfalls Zu- und Abführleitungen für zumindest eine im Kolonnenfuß angeordnete Heizschlange, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolonnenboden (33) als Schikanebleche ausgebildet sind, durch welche Rohre (21) unter Ausbildung von Ringspalten16. Rectifying column for carrying out the method according to claim 15, consisting of a column jacket with an upper and lower closure plate as well as several column plates, a discharge line for the bottom product at the lower Closure base and a discharge line for the top product on the upper closure base, and optionally Feed and discharge lines for at least one heating coil arranged in the column foot, characterized in that the Column bottom (33) are designed as baffle plates through which tubes (21) form annular gaps . geführt sind und die in einem oberen (35) und unteren (34) Rohrnest zusammengefaßt sind, wobei die Abzugsleitung (20) aus dem unteren Verschlußboden in das untere Rohrnest (34) führt und das obere Rohrnest (35) eine Abführleitung (36) für das abgekühlte Sumpfprodukt besitzt.. are guided and which are combined in an upper (35) and lower (34) pipe nest, the discharge line (20) leads from the lower closure base into the lower tube nest (34) and the upper tube nest (35) has a discharge line (36) for the cooled bottom product. 17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Rohgas mindestens 15 Mol $> Stickstoff enthält unter einem Druck von etwa 118 bar und einer Temperatur von ca. 295 K steht, und wobei ohne äußere Wärmeoder Kältequelle fast die ganze Menge des Rohgases heliumfrei unter einem Druck von etwa 9»5 bar gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß gesättigter Waschstickstoff (17) aus dem Kolonnenfuß (12) arbeiteleistend auf etwa 10 bar entspannt wird, der Sumpf der Rektifizierkolonne (19) mit Rohgas (1) nach Vorkühlung beheizt wird, und daß durch17. The method according to one or more of the preceding claims, in which the raw gas contains at least 15 mol $> nitrogen is under a pressure of about 118 bar and a temperature of about 295 K, and without an external heat or cold source, almost the entire amount of the Raw gas is obtained helium-free under a pressure of about 9 »5 bar, characterized in that saturated scrubbing nitrogen (17) from the column foot (12) is expanded to about 10 bar, the bottom of the rectification column (19) with raw gas (1) after Pre-cooling is heated, and that by - 14 1098U/0916 - 14 1098U / 0916 einen Regulierwärmeübertrager (22) die Temperatur des reinen Waschstickstoffs (9) nach der Pumpe (24) reguliert wird, während die Temperatur des reinen Waschetickstoffs vor der Pumpe (24) konstant auf etwa 74 K gehalten wird.a regulating heat exchanger (22) regulates the temperature of the pure washing nitrogen (9) after the pump (24) becomes while the temperature of the pure wash nitrogen is kept constant at about 74 K in front of the pump (24). 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dort nur oder vorwiegend mit Stickstoff vorgenommene Lösung des Wasserstoffes durch Lösung in Kohlenmonoxyd, Argon oder Methan ersetzt wird.18. The method according to any one of claims 1 to 11 and 13 to 16, characterized in that the solution of the hydrogen carried out there only or predominantly with nitrogen is replaced by solution in carbon monoxide, argon or methane. 12.8.1969
Ba/ST
August 12, 1969
Bast
109814/0918109814/0918 LeerseiteBlank page
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