Гелий

<час />

Фон

Гелий - один из основных химических элементов. В естественном состоянии гелий представляет собой бесцветный газ, известный своей низкой плотностью и низкой химической активностью. Он, вероятно, наиболее известен как негорючий заменитель водорода, используемый для создания подъемной силы дирижаблей и воздушных шаров. Поскольку он химически инертен, он также используется в качестве газовой защиты при роботизированной дуговой сварке и в качестве инертной атмосферы для выращивания кристаллов кремния и германия, используемых для изготовления электронных полупроводниковых устройств. Жидкий гелий часто используется для обеспечения чрезвычайно низких температур, необходимых в некоторых медицинских и научных приложениях, включая исследования сверхпроводимости.

Хотя гелий - один из самых распространенных элементов во Вселенной, большая часть его существует за пределами атмосферы Земли. Гелий не был открыт до 1868 года, когда французский астроном Пьер Янссен и английский астроном сэр Джозеф Локьер независимо друг от друга изучали солнечное затмение. Используя спектрометры, которые разделяют свет на полосы разного цвета в зависимости от присутствующих элементов, они оба наблюдали полосу желтого света, которую нельзя было идентифицировать ни с одним известным элементом. Новости об их открытиях достигли научного мира в тот же день, и оба человека, как правило, приписывают открытие. Локьер предложил название гелий для нового элемента, производное от греческого слова helios . для солнца.

В 1895 году английский химик сэр Уильям Рамзи обнаружил, что клевеит, урановый минерал, содержит гелий. Шведские химики П. Клив и Нильс Ланглет сделали подобное открытие примерно в то же время. Это был первый случай обнаружения гелия на Земле. В 1905 году было обнаружено, что природный газ, добытый из скважины недалеко от Декстера, штат Канзас, содержал до 2% гелия. Испытания других источников природного газа по всему миру показали сильно различающиеся концентрации гелия, причем самые высокие концентрации были обнаружены в Соединенных Штатах.

В начале 1900-х годов разработка дирижаблей и дирижаблей легче воздуха почти полностью полагалась на водород для обеспечения подъемной силы, хотя он был легковоспламеняющимся. Во время Первой мировой войны правительство США осознало, что негорючий гелий превосходит водород, и объявило его важным военным материалом. Производство жестко контролировалось, а экспорт сокращался. В 1925 году Соединенные Штаты приняли первый Закон о сохранении гелия, запрещавший продажу гелия негосударственным пользователям. Только в 1937 году, когда заполненный водородом дирижабль «Гинденбург» взорвался при посадке в Лейкхерсте, штат Нью-Джерси, ограничения были сняты, и гелий заменил водород на коммерческих кораблях легче воздуха.

Во время Второй мировой войны гелий снова стал важным военным материалом. Одним из наиболее необычных его применений было накачивание шин на дальних бомбардировщиках. Меньший вес гелия позволил самолету нести 154 фунта (70 кг) дополнительного топлива для увеличения дальности полета.

После войны спрос на гелий вырос настолько быстро, что правительство ввело поправки к Закону о гелии в 1960 году, чтобы покупать и хранить газ для будущего использования. К 1971 году спрос выровнялся, и программа хранения гелия была отменена. Спустя несколько лет правительство снова начало хранить гелий. По состоянию на 1993 год в государственных хранилищах находилось около 35 миллиардов кубических футов (1,0 миллиарда кубических метров) гелия.

Сегодня большинство источников гелийсодержащего природного газа находится в Соединенных Штатах. Канада, Польша и несколько других стран также имеют значительные источники.

Сырье

Гелий образуется под землей в результате радиоактивного распада тяжелых элементов, таких как уран и торий. Часть излучения этих элементов состоит из альфа-частиц, которые образуют ядра атомов гелия. Часть этого гелия попадает на поверхность и попадает в атмосферу, где быстро поднимается и улетает в космос. Остальное застревает под непроницаемыми слоями горной породы и смешивается с образующимися там природными газами. Количество гелия, обнаруженного в различных месторождениях природного газа, колеблется от почти нуля до 4% по объему. Только около одной десятой действующих месторождений природного газа имеют экономически приемлемые концентрации гелия выше 0,4%.

Гелий также можно получить путем сжижения воздуха и разделения составляющих газов. Затраты на производство этого метода высоки, а количество гелия, содержащегося в воздухе, очень мало. Хотя этот метод часто используется для производства других газов, таких как азот и кислород, он редко используется для производства гелия.

Производственный
процесс

Гелий обычно производится как побочный продукт при переработке природного газа. Природный газ содержит метан и другие углеводороды, которые являются основными источниками тепловой энергии при сжигании природного газа. Большинство залежей природного газа также содержат меньшие количества азота, водяного пара, углекислого газа, гелия и других негорючих материалов, которые снижают потенциальную тепловую энергию газа. Чтобы производить природный газ с приемлемым уровнем тепловой энергии, эти примеси необходимо удалить. Этот процесс называется обновлением.

Есть несколько методов, используемых для улучшения качества природного газа. Когда газ содержит более 0,4% гелия по объему, часто используется метод криогенной дистилляции, чтобы восстановить содержание гелия. После отделения гелия от природного газа он подвергается дальнейшей очистке, чтобы довести его чистоту до 99,99 +% для коммерческого использования.

Вот типичная последовательность операций по извлечению и переработке гелия.

Предварительная подготовка

Поскольку в этом методе используется чрезвычайно холодная криогенная секция как часть процесса, все примеси, которые могут затвердеть, такие как водяной пар, диоксид углерода и некоторые тяжелые углеводороды, должны сначала быть удалены из природного газа в процессе предварительной обработки, чтобы предотвратить их отложение. закупорка криогенного трубопровода.

• 1 Давление природного газа составляет около 800 фунтов на квадратный дюйм (5,5 МПа или 54 атм). Затем он попадает в скруббер, где подвергается разбрызгиванию моноэтаноламина, который поглощает диоксид углерода и уносит его.
• 2 Газовый поток проходит через молекулярное сито, которое удаляет из потока более крупные молекулы водяного пара, позволяя проходить более мелким молекулам газа. Вода вымывается из сита и удаляется.
• 3 Любые тяжелые углеводороды в газовом потоке собираются на поверхности слоя активированного угля, когда газ проходит через него. Периодически активированный уголь пополняется. Газовый поток теперь содержит в основном метан и азот с небольшими количествами гелия, водорода и неона.

Разделение

Природный газ разделяется на основные компоненты с помощью процесса перегонки, известного как фракционная перегонка. Иногда это название сокращается до фракционирования, и вертикальные структуры, используемые для выполнения этого разделения, называют фракционирующими колоннами. В процессе фракционной перегонки азот и метан разделяются в две стадии, в результате чего остается смесь газов, содержащая высокий процент гелия. На каждой стадии уровень концентрации или фракции каждого компонента увеличивается до полного разделения. В природном газе Все примеси, которые могут затвердеть и засорить криогенный трубопровод, удаляются из природного газа в процессе предварительной обработки. . После предварительной обработки компоненты природного газа разделяются в процессе, называемом фракционной перегонкой. В промышленности этот процесс иногда называют удалением азота, поскольку его основная функция заключается в удалении избыточного количества азота из природного газа.

• 4 Газовый поток проходит через одну сторону пластинчато-ребристого теплообменника, в то время как очень холодный метан и азот из криогенной секции проходят через другую сторону. Поступающий газовый поток охлаждается, а метан и азот нагреваются.
• 5 Затем газовый поток проходит через расширительный клапан, который позволяет газу быстро расширяться, в то время как давление падает примерно до 145–360 фунтов на квадратный дюйм (1,0–2,5 МПа или 10–25 атм). Это быстрое расширение охлаждает газовый поток до точки, где метан начинает сжижаться.
• 6 Газовый поток - теперь частично жидкий и частично газовый - поступает в основание ректификационной колонны высокого давления. Когда газ проходит через внутренние перегородки в колонне, он теряет дополнительное тепло. Метан продолжает разжижаться, образуя богатую метаном смесь в нижней части колонны, в то время как большая часть азота и других газов течет вверх.
• 7 Жидкая метановая смесь, называемая сырым метаном, выводится из нижней части колонны высокого давления и далее охлаждается в переохладителе сырой нефти. Затем он проходит через второй расширительный клапан, который понижает давление примерно до 22 фунтов на квадратный дюйм (150 кПа или 1,5 атм) перед тем, как попасть в ректификационную колонну низкого давления. По мере того, как жидкий метан движется вниз по колонне, большая часть оставшегося азота отделяется, в результате чего остается жидкость, содержащая не более 4% азота, а остальное - метан. Эта жидкость откачивается, нагревается и испаряется, превращаясь в улучшенный природный газ. Газообразный азот выводится по трубопроводу из верхней части колонны низкого давления и либо сбрасывается, либо улавливается для дальнейшей обработки.
• 8 Между тем газы из верхней части колонны высокого давления охлаждаются в После отделения от природного газа неочищенный гелий очищается в многоступенчатом процессе, включающем несколько различных методы разделения в зависимости от чистоты сырого гелия и предполагаемого применения конечного продукта. конденсатор. Большая часть азота конденсируется в пар и подается в верхнюю часть колонны низкого давления. Оставшийся газ называется сырым гелием. Он содержит около 50-70% гелия, 1-3% несжиженного метана, небольшое количество водорода и неона, а остальное - азот.

Очищение

Неочищенный гелий необходимо дополнительно очистить, чтобы удалить большинство других материалов. Обычно это многоступенчатый процесс, включающий несколько различных методов разделения в зависимости от чистоты сырого гелия и предполагаемого применения конечного продукта.

• 9 Неочищенный гелий сначала охлаждают примерно до -315 ° F (-193 ° C). При этой температуре большая часть азота и метана конденсируется в жидкость и сливается. Оставшаяся газовая смесь теперь представляет собой гелий с чистотой около 90%.
• 10 К газовой смеси добавляют воздух, чтобы получить кислород. Газ нагревается в подогревателе, а затем проходит над катализатором, в результате чего большая часть водорода в смеси вступает в реакцию с кислородом воздуха и образует водяной пар. Затем газ охлаждается, водяной пар конденсируется и отводится.
• 11 Газовая смесь поступает в установку адсорбции при переменном давлении (PSA), состоящую из нескольких адсорбционных сосудов, работающих параллельно. Внутри каждого сосуда находятся тысячи частиц, заполненных крошечными порами. Когда газовая смесь проходит через эти частицы под давлением, определенные газы задерживаются в порах частиц. Затем давление снижается, и поток газа реверсируется, чтобы удалить захваченные газы. Этот цикл повторяется через несколько секунд или несколько минут, в зависимости от размера сосудов и концентрации газов. Этот метод удаляет большую часть оставшегося водяного пара, азота и метана из газовой смеси. Гелий теперь имеет чистоту около 99,99%.

Распространение

Гелий распространяется либо в виде газа при нормальных температурах, либо в виде жидкости при очень низких температурах. Газообразный гелий распределяется в баллонах из кованой стали или алюминиевого сплава под давлением в диапазоне 900-6000 фунтов на квадратный дюйм (6-41 МПа или 60-410 атм). Объемные количества жидкого гелия распределяются в изотермических контейнерах емкостью до 14 800 галлонов (56 000 литров).

• 12 Если гелий должен быть сжижен или требуется более высокая чистота, неон и любые следовые примеси удаляются путем пропускания газа через слой активированного угля в Гелий распространяется либо в виде газа при нормальных температурах, либо в виде жидкости при очень низких температурах. криогенный адсорбер, работающий при температуре около -423 ° F (-253 ° C). На этом заключительном этапе можно достичь уровня чистоты 99,999% или выше.
• 13 Затем гелий подается по трубопроводу в ожижитель, где он проходит через ряд теплообменников и расширителей. По мере того, как он постепенно охлаждается и расширяется, его температура падает примерно до -452 ° F (-269 ° C), и он становится жидким.
• 14 Большие количества жидкого гелия обычно перевозятся в невентилируемых емкостях под давлением. Если посылка находится в континентальной части США, время доставки обычно составляет менее недели. В таких случаях жидкий гелий помещается в большие изолированные цистерны, запряженные тягачами. Корпус резервуара состоит из двух кожухов с вакуумным пространством между внутренней и внешней кожухами для предотвращения потери тепла. Внутри вакуумного пространства несколько слоев отражающей фольги дополнительно останавливают поток тепла извне. При длительных поставках за границу гелий помещается в специальные транспортные контейнеры. В дополнение к вакуумному пространству для обеспечения изоляции эти контейнеры также имеют вторую оболочку, заполненную жидким азотом для поглощения тепла снаружи. По мере поглощения тепла жидкий азот выкипает и удаляется.

Контроль качества

Ассоциация сжатого газа устанавливает стандарты классификации гелия в зависимости от количества и типа присутствующих примесей. Коммерческие марки гелия начинаются с марки M, которая имеет чистоту 99,995% и содержит ограниченное количество воды, метана, кислорода, азота, аргона, неона и водорода. Другие более высокие сорта включают сорт N, сорт P и сорт G. Сорт G имеет чистоту 99,9999%. Периодический отбор проб и анализ конечного продукта гарантирует соответствие стандартам чистоты.

Будущее

В 1996 году правительство США предложило остановить финансируемую государством программу хранения гелия. Это беспокоит многих ученых. Они указывают на то, что гелий, по сути, является отходом переработки природного газа, и без государственного хранилища большая часть гелия будет просто выброшена в атмосферу, где он улетучится в космос и навсегда исчезнет. Некоторые ученые предсказывают, что если это произойдет, известные запасы гелия на Земле могут быть исчерпаны к 2015 году.