Гелий: свойства, производство и глобальное предложение

---

Исторический контекст

Гелий — второй по легкости элемент периодической таблицы и один из самых химически инертных газов. Его низкая плотность и негорючесть делают незаменимым для аэрокосмических приложений: от подъема дирижаблей и шаров до создания безопасной атмосферы для сварки и роста кристаллов в полупроводнике. Жидкий гелий критичен в исследованиях, требующих температур, близких к абсолютному нулю, таких как эксперименты по сверхпроводимости.

Хотя элемент обилен во Вселенной, атмосфера Земли содержит лишь следы. Гелий впервые идентифицировали в 1868 году, когда астрономы Пьер Жансен и сэр Джозеф Локьер заметили неидентифицированную желтую спектральную линию во время солнечного затмения. Локкер назвал «гелий» от греч. helios (солнце).

В 1895 году сэр Уильям Рамзай извлек гелий из уранового минерала клевеита, подтвердив его наземное существование. Несколько лет спустя природный газ из скважины у Декстера, Канзас, كشف концентрации до 2%. Мировые исследования показали вариации уровней гелия, причем США обычно обладают богатейшими месторождениями.

Ранние 20-вековые летательные аппараты легче воздуха полагались почти исключительно на водород, несмотря на его горючесть. США признали стратегическое преимущество гелия в I мировой, объявив его критическим военным материалом и ограничив экспорт. Закон 1925 года о сохранении гелия запретил негосударственное использование. После катастрофы «Хинденбург» в 1937 году правила смягчили, и гелий заменил водород для коммерческих дирижаблей.

Во II мировой гелий снова доказал жизненную важность: его использовали для надувания шин дальнебоевых бомбардировщиков, снижая вес самолета и увеличивая дальность. Послевоенный спрос вырос, что привело к поправкам Закона о гелии 1960 года для создания национальной программы хранения. К 1971 году производство стабилизировалось, программа временно приостановилась, затем возобновилась. В 1993 году госзапасы достигли ~35 млрд куб. футов (1 млрд куб. м).

Сегодня основная масса гелийнорабочих газовых месторождений находится в США, с заметными запасами в Канаде и Польше.

Сырьё и материалы

Гелий формируется подземно, когда альфа-частицы — продукты радиоактивного распада тяжелых элементов вроде урана и тория — образуют гелиевые ядра. Часть гелия диффундирует на поверхность и уходит в космос, остальное попадает под непроницаемые горные слои и смешивается с газовыми месторождениями. Концентрации варьируются от пренебрежимых до 4% по объему, но коммерчески жизнеспособны только месторождения свыше 0,4%.

Гелий также можно извлечь криогенной разделкой воздуха, но процесс затратен и дает очень низкие выходы, делая его непрактичным для крупномасштабного производства.

Производственный процесс

Гелий в основном добывают как побочный продукт переработки природного газа. Газ содержит метан и другие углеводороды, дающие энергетическую ценность. Для соответствия рыночным энергоспекам примеси — азот, водяной пар, CO₂, гелий — должны быть удалены на стадии апгрейда.

Когда газовый поток содержит более ~0,4% гелия, применяют криогенную ректификацию для изоляции гелия. Полученный сырой гелий далее очищают до коммерческой чистоты выше 99,99%.

Предварительная обработка

Так как нисходящая криогенная колонна работает при экстремально низких температурах, все компоненты, способные затвердеть — водяной пар, CO₂, тяжелые углеводороды — должны быть удалены заранее для предотвращения закупорки труб.

• 1. Природный газ давят до ~800 psi (5,5 МПа) и пропускают через моноэтаноламиновый скраббер для поглощения CO₂.
• 2. Молекулярно-ситовой блок разделяет водяной пар, пропуская только более мелкие молекулы; воду обратно промывают и удаляют.
• 3. Активированные углеродные ложа улавливают тяжелые углеводороды; газовый поток теперь в основном метан, азот, следы гелия, водорода, неона.

Разделение

Фракционная ректификация, часто называемая азотным режектом, изолирует основные компоненты — метан и азот — перед отправкой гелийно богатого потока на криогенную обработку. Процедура иллюстрирована на диаграмме.

Все примеси, способные затвердеть и закупорить криогенную трубопроводку, удаляются из природного газа в предварительном процессе. После предварительной обработки компоненты природного газа разделяются в процессе фракционной ректификации.

• 4. Пластинчато-ламеллярный теплообменник охлаждает входящий поток, пока встречный поток очень холодного метана и азота нагревает газы.
• 5. Газ расширяется через клапан, снижая давление до ~145–360 psi (1,0–2,5 МПа). Резкое расширение охлаждает смесь и начинает сжижение метана.
• 6. Частично жидкий газ входит в высоконапорную колонну; по мере подъема метан продолжает сжижаться на дне, а азот поднимается к вершине.
• 7. Жидкий метан (сырой метан) извлекают, суبردлают и пропускают через второй расширительный клапан до ~22 psi перед входом в низконапорную колонну. Здесь удаляется большинство азота, давая метанобогатую жидкость с ≤4% азота. Жидкость согревают, испаряют и апгрейдят до природного газа, а азот сливают или рециклируют.
• 8. Газы из высоконапорной колонны охлаждают в конденсаторе; азот конденсирует как пар, а оставшийся газ — сырой гелий — содержит 50–70% гелия, 1–3% несжиженного метана, следы водорода и неона, баланс — азот.

Очистка

Сырой гелий проходит многостадийную очистку до коммерческих уровней чистоты.

• 9. Охлаждение до –315 °F (–193 °C) конденсирует азот и метан, оставляя ~90% гелия.
• 10. Добавление воздуха вводит кислород; газ предварительно нагревают, затем пропускают через катализатор, где водород реагирует с кислородом в водяной пар, который конденсируют и удаляют.
• 11. Блок адсорбции с 변давлением (PSA) улавливает оставшиеся примеси. Тысячи микропористых частиц адсорбируют азот, метан, остаточную влагу. Последующая депрессификация десорбирует адсорбированные газы, оставляя ~99,99% чистого гелия.

Распределение

Гелий отгружают либо как газ при комнатной температуре, либо как жидкость при криогенных температурах. Газообразный гелий хранят в кованых стальных или алюминиевых сплавных баллонах при 900–6000 psi (6–41 МПа). Оптовый жидкий гелий транспортируют в изолированных контейнерах до ~14 800 галлонов (56 000 л).

• 12. Для жидкого или ультрачистого гелия криогенный адсорбер удаляет остаточный неон и следы примесей при –423 °F (–253 °C), достигая ≥99,999% чистоты.
• 13. Газ затем проходит через теплообменники и экспандеры в ликцификаторе, достигая –452 °F (–269 °C) для сжижения.
• 14. Крупные партии жидкого гелия используют двухоболочевые вакуумно-изолированные цистерны или контейнеры. Внутренняя оболочка содержит гелий; внешняя — изоляция, а в зарубежных перевозках вторичная оболочка с жидким азотом поглощает тепло, испаряясь при нагреве.

Контроль качества

Ассоциация сжатых газов классифицирует гелий по содержанию примесей. Коммерческие классы начинаются с M (99,995% чистоты) и идут через N, P, G (99,9999% чистоты). Регулярный семплинг и анализ верифицируют соответствие стандартам.

Будущее

В 1996 году правительство США предложило прекратить госфинансируемую программу хранения гелия, вызвав озабоченность ученых. Гелий по сути побочный продукт переработки природного газа; без хранения большая его часть уходила бы в атмосферу и терялась. Некоторые эксперты предупреждали, что глобальные запасы могут исчерпаться к 2015 году при прекращении программы.