ГЕЛИЙ ПОЛУЧЕНИЕ НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Этот случай дал толчок к исследованиям состава природных газов. Они показали, что в газах некоторых месторождений США содержатся значительные количества гелия.
В настоящее время природные газы представляют практически единственное сырье, из которого получают гелий в широких промышленных масштабах. Стоимость гелия, добытого из других источников, во много раз выше.
Эксплуатируются три типа гелиеносных природных газов. Первый — это «сухие» природные газы, главным компонентом которых является метан. Второй тип — нефтяные попутные газы, состоящие в основном из пропана и бутана, и, наконец, газы, преимущественно содержащие азот.
При равных содержаниях гелия экономически наиболее выгодна комплексная переработка нефтяных попутных газов, так как после отделения углеводородов значительно увеличивается концентрация гелия в остаточной газовой смеси. К тому же здесь более просты дальнейшие операции, направленные к извлечению и очистке гелия. Второе место занимают метановые газы и на последнем месте азотные газы.
Огромным резервуаром гелия является атмосфера, содержащая приблизительно 4,5 млрд. т газа. Этот источник неисчерпаем и таким останется в доступном предвидению будущем нашей планеты. Те количества, которые ускользают в космическое пространство, еще долго будут восполняться гелием, поступающим из гидро- и литосферы. Добытый человеком из всех источников гелий также в конечном счете улетучивается в атмосферу в химически неизмененном виде.
Из воздуха получают незначительные количества гелия, преимущественно на лабораторных установках. Трудность использования воздуха коренится в низком содержании в нем гелия. Чтобы отделить его от остальных компонентов, необходимо подвергнуть сжижению громадные массы воздуха.
Кроме того, при разделении воздуха в ректификационных колоннах гелий образует с неоном газовую смесь (соотношение объемов 2:7), разделение которой является нелегкой задачей, так как оба газа представляют собой трудноконденсируемые вещества.
Первые две опытно-промышленные установки по выделению гелия из природных газов начали функционировать почти одновременно в начале 1918 г. Одна из них была построена в Канаде и работала на газе, содержавшем 0,33% гелия; позднее она была демонтирована из-за высокой стоимости продукта. Вторая работала в г. Форт-Вортс (штат Техас, США) на газе, содержавшем 0,93% гелия. В дальнейшем эта установка была расширена до крупного завода, который в 1929 г. перенесли в другое место, в связи с истощением месторождения.
Устройство названных установок форсировалось правительствами Англии и США из военных соображений. В период первой мировой войны гелием наполняли дирижабли. До пуска этих заводов страны Антанты имели в своем, распоряжении всего около 2 м3 гелия, и стоил он баснословно дорого: 89 000 долларов за кубометр.
При такой цене заполнение дирижабля средних размеров обошлось бы более чем в полмиллиарда долларов. Организация промышленного извлечения гелия из природных газов привела к постепенному снижению его себестоимости до 0,3—0,5 долларов за кубометр.
Стремительное увеличение производства гелия произвело сенсацию. В 1919 г. американский химик Мур заявил: «Воли бы кто-нибудь сказал мне 5 лет тому назад, что гелием будут наполнять дирижабли, я отнесся бы к этому совершенно так же, как если бы кто-либо сказал мне, что памятник Вашингтону только что собрались покрыть бриллиантами».
В период второй мировой войны и особенно после ее окончания гелиевая промышленность получила значительное развитие в связи с появлением новых областей использования гелия. По ориентировочным подсчетам, его потребление за последние два десятилетия возросло в 8—9 раз.
Все действующие промышленные установки основаны на одном и том же принципе: природный газ предварительно очищается от примесей СО2, H2S и паров воды. Затем сухой газ в несколько этапов охлаждается до температуры (порядка —190°), при которой все его компоненты, исключая гелий, конденсируются в жидкость. Газообразный гелий выводится через верхнюю часть разделительного аппарата, а сжиженные продукты отводятся снизу.
Для достижения низкой температуры предварительно сжатый и охлажденный гелий заставляют производить -работу адиабатического расширения. Прежде этот процесс осуществлялся только путем дросселирования, теперь применяется детандирование, обычно в комбинации с дросселированием. Этот эффективный метод охлаждения сводится к расширению сжатого газа в цилиндре поршневого двигателя (детандера) или на лопатках ротора турбины (турбодетандера).
В подобных машинах газ, расширяясь, производит внешнюю работу за счет содержащейся в нем тепловой энергии, в результате чего охлаждается. Очевидно, охлаждение тем глубже, чем больше разность между начальным и конечным давлениями газа. Газ перед сжижением охлаждают в теплообменных аппаратах (теплообменниках).
Стоимость производства гелия в большой степени зависит от его концентрации в исходном сырье . Продукт, полученный из природного газа с содержанием гелия 0,1%, в 30—40 раз дороже, чем полученный из природного газа с 1% гелия.
Накануне второй мировой войны содержание 0,5% гелия считалось предельным, более бедные газы были невыгодны для переработки. Газы с 0,3-0,5%-ным содержанием гелия числились в США на учете как запас военного времени. Сейчас усовершенствование технологии извлечения гелия повысило его выход. С другой стороны, издержки производства в ряде случаев снижены благодаря комплексному получению других компонентов природного газа — азота, метана и высших углеводородов.
На достигнутом технико-экономическом уровне считают возможным осуществлять переработку газа, содержащего 0,05-0,2% гелия.
В Советском Союзе сырьем для гелиевых заводов служит природный газ, содержащий 0,1—0,3% гелия, а в Западной Европе, где скудны ресурсы гелиеносных газов, работают (в Голландии и Англии) два завода на природном газе из шельфа Северного моря с содержанием гелия 0,05-0,07%.
По действующим стандартам отечественный гелий выпускается двух сортов: технический продукт, содержащий не менее 99,80% Не, и продукт высокой чистоты, в котором гелия не менее 99,985%. В гелии высокой чистоты допустимы примеси Н2, N2, 02, Ne и углеводородов в пределах (2—5)-10~3%.
Гелий обоих сортов хранят и перевозят в стальных 40 -литровых баллонах под давлением 150 ат. Баллоны окрашены в коричневый цвет и имеют надпись белыми буквами.
На заводах имеются надземные хранилища гелия. Обычно это толстостенные стальные трубы диаметром 250—270 мм и длиной 24,5 и 80 м, расположенные на бетонных опорах. Здесь гелий хранится под давлением 125—140 ат. Заводские хранилища служат временными приемниками продукции при перерывах в подаче на завод транспортных емкостей. Подземное хранение гелия во много раз дешевле надземного и может осуществляться многие годы без существенных, утечек.
По трубопроводам гелий передают в редких случаях. Обычно он поступает к потребителям в специальных и обыкновенных баллонах для сжатых газов, смонтированных на железнодорожных платформах. Все шире практикуется перевозка гелия на дальние расстояния в жидком виде.
Легкий гелий, состоящий из атомов ³Не, не имеет еще применения в промышленности. Несмотря на крайнюю рассеянность изотопа, за последние годы получено уже сотни литров этого газа чистотой до 99,95%. Это дает возможность проводить исследования легкого изотопа, научный интерес к которому исключительно велик.
Получают легкий гелий различными способами. Один из способов основан на термодиффузионном разделении гелия, обогащенного легким изотопом. Газ пропускают через колонну, представляющую собой охлаждаемую снаружи вертикальную трубку. В центре колонны натянута металлическая нить, накаливаемая током. Легкий изотоп собирается около нагретой нити и уносится конвекционным потоком в верхнюю часть колонны; тяжелый изотоп скапливается у стенок и увлекается вниз. Чем длиннее колонна, тем полнее разделение изотопов.
Радиоизотоп ⁵Не синтезируют из лития или α-частиц, воздействуя на них дейтронами, а тяжелый изотоп ⁶Не — из лития или бериллия при нейтронном облучении.
Жидкий гелий играет выдающуюся роль в современной физике и технике глубокого холода. Его мировое производство составляет сотни тысяч литров в год. Редкая криогенная лаборатория обходится теперь без этого хладоагента, позволяющего получить температуры вплоть до 1° К.
Хранение гелия
Выше упоминалось, что впервые сжижение было осуществлено Камерлинг-Оннесом, прибегнувшим к охлаждению сжатого гелия жидким водородом. В 1934 г. П. Л. Капица впервые провел сжижение гелия в детан-дерной установке.
Благодаря развитию техники теплоизоляции и наличию больших масс жидкого гелия его перевозят в специальных цистернах железнодорожным и автомобильным транспортом в течение 15—20 дней без значительных потерь. Перевозят также воздушным путем в специальных подвесных сосудах Дьюара емкостью 500, 1000 и 3800 л.
Опыт последних лет показывает, что транспортирование гелия в жидком виде обходится в 5 раз дешевле перевозки сжатого газа. Ведь 1 м³ газообразного гелия конденсируется в 1,15 л жидкости, уменьшаясь в объеме в 870 раз. Поэтому находят целесообразным подвергать гелий сжижению, а затем газифицировать его при надобности на месте потребления. Сосуд Дьюара для жидкого гелия отличается от удов для менее холодных жидкостей. Он снабжен ашкой, охлаждаемой жидким азотом, которая экранирует гелий от тепла окружающей среды.
Глубокий вакуум между стенками сосуда поддерживается с помощью порошка активного сорбента (угля, силикагеля, синтетического цеолита) или же вакуумное пространство заполняют материалом низкой теплопроводности. Емкость таких сосудов составляет обычно 10, 25, 50 и 100 л. Из 25-литрового сосуда теряется за сутки около 0,25 л жидкого гелия. Резервуары для больших масс жидкого гелия имеют обычно три оболочки: слой вакуумной изоляции с порошком адсорбента, слой жидкого азота и второй слой вакуумно-порошковой изоляции. Наиболее совершенные из современных вместилищ жидкого гелия дополнительно защищены слоем холодных паров гелия, которые периодически по мере повышения давления поступают из резервуара.
При воздушной транспортировке жидкого гелия на расстояния до 3000 км потери жидкости при испарении не превышают 1,5%. Для перевозки по шоссейным дорогам созданы автомобили-танки емкостью 40 м³, по железным дорогам курсируют вагоны-цистерны емкостью до 100 м³.
Статья на тему Гелий получение хранение