Notizie 2007

Monaco, 11 Aprile 2007

Un sistema convincente

Recupero elio: sistema personalizzato e assolutamente stagno

Una società che opera da oltre 60 anni con successo nei settori dell'aria respirabile, aria industriale e gas tecnici è stata fortemente coinvolta nel processo di condensazione elio per molti anni. Grazie all'esperienza e competenza acquisite, la BAUER è in grado di offrire in tutto il mondo, principalmente a istituti e a laboratori di ricerca universitari, sistemi completi di recupero personalizzati ed assolutamente stagni. Il sistema offerto comprende impianti di compressione gas, serbatoi estensibili (gas balloon), stoccaggio e trattamento gas.

Processo: dalla liquefazione elio al recupero e riutilizzazione

L'elio liquido, quale mezzo di raffreddamento, è un elemento di importanza crescente nell'ambito delle scienze naturali per la ricerca ed il funzionamento di equipaggiamenti sensibili. Ad ogni modo, soltanto limitate quantità delle agognate risorse di elio possono essere ottenute attraverso l'estrazione dal gas naturale, ragione per cui si cerca di utilizzare l'elio prevalentemente in circuiti chiusi. Negli impianti di liquefazione, l'elio viene raffreddato fino a raggiungere la temperatura di liquefazione di -269 °C. Con questo liquido criogenico, vengono fatte funzionare apparecchiature quali supermagneti (per esempio nella tomografia per la risonanza magnetica nucleare) e sensori altamente sensibili con basso livello di rumore etc.. L'elio scaricato in forma gassosa viene quindi convogliato, per poi essere condensato ed inviato nuovamente al processo di liquefazione.

Proprietà ed estrazione

Dopo l'idrogeno l'elio è l'elemento più leggero, è chimicamente inerte, ha un'alta diffusione e ha il punto di ebollizione (-269 °C, 4.2 K) più basso tra tutti i gas. Grazie alla sua bassa densità, l'elio è molto leggero e quindi molto adatto quale gas di riempimento per i dirigibili Zeppelin. Un litro di elio ha un peso attorno ai 130 grammi e si trasforma in circa 730 litri di gas quando viene portato a temperatura ambiente.

Diversamente da molti altri gas industriali, l'elio non può essere estratto direttamente dall'aria attraverso un processo di distillazione. Un sistema di estrazione economicamente valido è quello di prelevare l'elio dalle riserve di gas naturale che abbiano un contenuto di He superiore al 2%. Tali riserve sono tuttavia molto rare. Al momento, a livello mondiale, ci sono soltanto 4 giacimenti di questo tipo: Wyoming/USA, Orenburg/Russia, Sonatrach/Algeria ed una piccola riserva in Polonia.

L'elio viene separato dagli altri gas attraverso la distillazione gassosa, per poi essere stoccato e quindi trasportato. Tale trasporto avviene con il gas a pressione ambiente ed allo stato liquido (per risparmiare spazio) entro speciali contenitori, con capacità di circa 40.000 litri, "sotto vuoto" e superisolati. Nei centri locali di distribuzione, l'elio viene quindi travasato in contenitori più piccoli per essere spedito agli utilizzatori finali: 1 litro di elio liquido costa all'incirca dai 7 ai 10 Euro.

Campi di applicazione

Allo stato gassoso l'elio viene utilizzato, come accennato in precedenza, quale gas di riempimento per la navigazione aerea, quale gas protettivo nei processi chimici, metallurgici e nei processi di produzione dei semiconduttori, quale elemento filtrante per la verifica delle caratteristiche di tenuta (come nel caso dei test sugli scambiatori di calore per gli impianti di condizionamento auto), quale elemento costituente la miscela gas per utilizzo subacqueo, quale gas inerte per il raffreddamento nel caso di applicazioni con macchinari speciali.

In forma liquida l'elio rappresenta quasi una scelta obbligata come fluido di raffreddamento, per ottimizzare le caratteristiche alle basse temperature di taluni materiali. Dalla transizione dallo stato conduttivo a quello superconduttivo, si possono per esempio generare dei grandi magneti e, come risultato, campi magnetici giganti (per esempio nella tomografia per la risonanza magnetica nucleare). A temperature molto basse è inoltre possibile ridurre il livello del rumore elettronico: portando il materiale a temperature sempre più basse è dunque possibile ottimizzare la quota parte di rumore nel segnale (detettori raffreddati ad elio).

Impianto di liquefazione elio

Impianto compressione elio in esecuzione stagna con contenitore raccolta condensa e stoccaggio HP, portata 720 l/min

L'università di Konstanz ha già utilizzato per quasi 30 anni il proprio impianto di liquefazione elio con il relativo impianto di recupero. La produzione annuale di oltre 70.000 litri di elio liquido alimenta 42 esperimenti ed i relativi apparati nel campo delle scienze naturali. Oltre alle applicazioni in fisica, tali apparati vengono utilizzati per esperimenti nel campo della chimica, biologia e psicologia. Circa 100 collaboratori lavorano direttamente agli esperimenti con elio liquido.

Il sistema completo dell'università di Konstanz contiene (converte) 5.500 litri di elio liquido. Di questi circa 2.300 litri devono essere reintegrati per compensare le perdite. Questo significa che ogni litro di elio liquido viene liquefatto e recuperato 30 volte prima che il gas alla fine si disperda attraverso le inevitabili perdite.

Liquefare l'elio è tecnicamente molto difficoltoso ed economicamente molto dispendioso. Diversamente dagli impianti di frazionamento aria, dove la liquefazione avviene soltanto per la decompressione del gas e per il raffreddamento controcorrente, negli impianti di liquefazione elio è necessario anche un processo addizionale di pre-raffreddamento effettuato mediante espansione meccanica in turbina. La complessità tecnica risultante del sistema di controllo porta a concludere che è economicamente molto più efficiente utilizzare un impianto di liquefazione centrale per poi trasportare il prodotto alle utenze finali.

I processi di liquefazione gas richiedono una enorme quantità di energia. L'impianto installato a Konstanz ha una portata oraria di 20 litri di elio liquido ed è alimentato da un compressore con pressione in mandata di 10 bar, portata di 800 Nm³/h ed è azionato da un motore elettrico da 90 kW.

Il sistema di liquefazione elio rappresenta comunque solo metà dell'impianto. L'altra metà comprende il sistema di recupero dell'elio che evapora o viene scaricato dall'impianto e dall'equipaggiamento. Per questo scopo è installata una rete di tubazioni in tutti i fabbricati che provvedono a trasportare il gas dagli esperimenti al serbatoio estensibile centrale (gas balloon). Un sensore di livello controlla quando il gas balloon è pieno e da il consenso per l'avvio dei compressori gas alta pressione che comprimono l'elio fino a 300 bar e lo stoccano in contenitori alta pressione. L'impianto di liquefazione è poi alimentato da questi contenitori alta pressione, realizzando quindi un impianto a circuito chiuso.

Impianto di recupero

Avendo un diametro atomico molto piccolo l'elio ha elevate caratteristiche di diffusione ed è quindi capace di penetrare anche le porosità e le aperture più piccole che, in un sistema elio, portano a perdite di gas. La rete di tubazioni viene di conseguenza costruita al fine di minimizzare tali perdite. A Konstanz, le tubazioni sono realizzate in rame e collegate con raccordi brasati. Pur essendo vero che le tubazioni non devono resistere a pressioni elevate, deve essere considerato l'elevato stress meccanico cui esse sono assoggettate a causa delle variazioni di temperatura del gas trasportato (per es. quando viene evacuato il gas criogenico). Esistono comunque anche sistemi di recupero fatti di tubazioni in acciaio speciale con saldatura orbitale.

Anche i compressori alta pressione per elio devono rispondere a standard qualitativi più elevati rispetto ai comuni compressori per aria. Oltre alla tenuta stagna dei blocchi, i compressori per elio devono avere un opportuno sistema di raffreddamento dato che tale gas in fase di compressione viene portato a temperature maggiori rispetto all'aria. Un elevato standard qualitativo deve essere riservato anche per i singoli componenti del compressore elio, come ad esempio le valvole.

Sistemi collaudati

La BAUER KOMPRESSOREN lavora già da molti anni nel campo della compressione elio. Tutte le unità di compressione gas alta pressione, che variano dal tipo Verticus (con portata di 80 l/min) a impianti di grandi dimensioni (con portata di 1.650 l/min), hanno un sistema di tenuta stagna con perdite che non superano i valori di min 1,2 fino ad un max di 20 mbar l/s. I compressori alta pressione sono controllati da un sistema di gestione del serbatoio estensibile (gas balloon), in funzione del livello di riempimento del serbatoio stesso. Vengono avviati e fermati di conseguenza.

Conclusione

A causa della crescente domanda e della limitata capacità di estrazione del gas, il prezzo dell'elio nel mercato è destinato ad aumentare. Non ci sono, comunque, ancora alternative alla liquefazione dell'elio, se si eccettua il liquefattore idrogeno con i suoi alti rischi potenziali. Questo vuol dire che, da un punto di vista ecologico, le riserve di elio devono essere utilizzate con molta cura. BAUER KOMPRESSOREN fornisce il proprio contributo con i compressori alta pressione della più elevata qualità.

Autore:
Dipl. Ing. Ludwig Kühlwein
Ingegnere di progetto