Как получают гелий?

28 октября 2021

Получение гелия в промышленности осуществляется в основном путем конденсации из гелийсодержащих газов. Добыча гелия из минералов или из воздуха является нерентабельной, но об этом мы расскажем ниже. Газ гелий очень редкий гость в воздушном пространстве планеты Земля и его объемное содержание в воздухе составляет всего 0,00046-0,00052% и с этим связаны основные трудности и проблемы в его получении.

Классификация месторождений гелия

На сегодняшний день столь редкий гелий добывают из природного газа. Оренбургский газоперерабатывающий завод занимается этим в России. В найденных месторождениях находится всего 0,055 % гелия в природном газе, что относит этот источник к «бедному». «Богатыми» месторождениями можно называть те, в которых процент искомого вещества составляет не ниже 0,5 %. Если доля гелия в газе составляет 0,1–0,5 %, то такое месторождение носит имя «рядовое».

Гелий в природе

Земной гелий чаще всего образуется при распаде урана-235, тория и урана-238, а также нестабильных продуктов их распада. Газ медленно накапливается в земной коре. За миллионы лет одна тонна гранита, в которой содержится 10 г тория и 2 г урана, вырабатывает всего 0,5 см3 (или 0,09 мг) элемента. Лишь немногие минералы, богатые торием и ураном, могут похвастаться высоким содержанием гелия. Кроме того, большая часть минералов подвергается выветриванию, перекристаллизации и другим процессам, в результате которых гелий уходит. Высвободившиеся пузырьки могут раствориться в подземных водах или выйти в атмосферу через трещины и поры в минералах.

Производство гелия

На нашей планете всего насчитывается до 41 млрд кубометров гелия. Большое количество месторождений расположено в Китае, США, России, Алжире. Всего в мире человечеством добывается приблизительно 175 млн кубометров гелия в год, из которых в России производится не более 5 млн м³. Вызвано это тем, что самые богатые месторождения данного газа находятся в Сибири и на Дальнем Востоке, где производство пока что не налажено.

Синтез гелия — начало жизни

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам, 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только один процент. Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.

Природные газы являются практически единственным источником сырья для промышленного получения гелия. Гелий в природных газах присутствует как незначительная примесь. Содержание его не превышает тысячных, сотых, редко — десятых долей процента. Большая (1,5–10%) гелиеносность метано-азотных месторождений — явление крайне редкое. Для отделения от прочих газов используют исключительную летучесть гелия, связанную с его низкой температурой ожижения. После того, как все прочие компоненты природного газа сконденсируются при глубоком охлаждении, газообразный гелий откачивают. Затем его очищают от примесей. Чистота заводского гелия достигает 99,995%. Жидкий гелий получают путем сжижения газообразного гелия.

Получение гелия из природного газа

Основным способом получения гелия является метод фракционной конденсации из природных гелийсодержащих газов, т.е. методом глубокого охлаждения. Причем используется его характерное свойство – наиболее низкая по сравнению с известными веществами температура кипения. Это позволяет конденсировать все сопутствующие гелию газы, прежде всего метан и азот. Процесс осуществляется обычно в две стадии:

  • выделение так называемого сырого гелия (концентрата, содержащего 70-90% He)
  • очистка с получением технически чистого гелия.

На рисунке ниже приведена одна из схем установки для добычи гелия из природного газа.

Схема установки для добычи гелия из природного газа

Газ сжимается до 25 атмосфер и под этим давлением поступает в установку. Очистка от углекислого газа (CO2) и частичная осушка газа производятся в скрубберах, которые орошаются раствором, содержащим:

  • 10-20% моноэтаноламина
  • 70-80% диэтиленгликоля
  • 5-10% воды

После скрубберов в газе остается 0,003-0,008% углекислоты CO2, а точка росы не превышает 5°С. Дальнейшая осушка осуществляется в адсорберах с силикагелем, где достигается температура точки росы -45°С.

Под давлением около 20 атмосфер чистый сухой газ поступает в предварительный теплообменник 1, где охлаждается до -28° С обратными газовыми потоками. При этом происходит конденсация тяжелых углеводородов, которые отделяются в сепараторе 2. В аммиачном холодильнике 3 газ охлаждается до -45°С, конденсат отделяется в сепараторе 4. В основном теплообменнике 5 температура газа снижается до -110°С, в результате чего конденсируется значительная часть метана. Паро-жидкостная смесь (около 20% жидкости) дросселируется до давления 12 атмосфер в первый противоточный конденсатор 6, на выходе из которого паро-газовая смесь обогащается гелием до 3%. Образовавшийся в трубках конденсат стекает в отпарную секцию, на тарелках которой из жидкости удаляется растворенный в ней гелий, присоединяющийся к паро-газовому потоку.

Жидкость дросселируется до 1,5 атмосфер в межтрубное пространство конденсатора, где служит хладагентом. Образовавшийся здесь пар выводится через теплообменники 5 и 1. Паро-газовая смесь, выходящая из конденсатора 6 и содержащая до 3% He, под давлением 12 атмосфер идет во второй противоточный конденсатор 7, состоящий из двух частей: в нижней части находится змеевиковый теплообменник, в трубках которого испаряется сдросселированная с 12 до 1,5 атмосфер кубовая жидкость, а в верхней части – прямотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого кипит азот при температуре -203°С и давлении 0,4 атмосферы. В результате конденсации компонентов газовой смеси в нижней части аппарата 7 газ обогащается гелием до 30-50%, а в верхней части – до 90-92%.

Сырой гелий такого состава под давлением 11-12 атмосфер поступает в теплообменники, где нагревается и выводится из установки. Так как в природном газе содержатся небольшие примеси водорода, то в сыром гелии концентрация водорода увеличивается до 4-5%. Удаление водорода производят каталитическим гидрированием с последующей осушкой газа в адсорберах с силикагелем. Сырой гелий сжимается до 150- 200 атмосфер мембранным компрессором 8, охлаждается в теплообменнике 9 и поступает в прямоточный змеевиковый конденсатор 10, охлаждаемый азотом, кипящим под вакуумом. Конденсат (жидкий азот) собирается в сепараторе 11 и периодически выводится, а несконденсировавшийся газ, содержащий примерно 98% He идет в адсорбер 12 с активированным углем, охлаждаемым жидким азотом. Гелий, выходящий из адсорбера, содержит примесей менее 0,05% и поступает в баллоны 13 в качестве продукта.

Особенно богаты гелием природные газы в США, что определяет широкое применение гелия для TIG сварки в этой стране.

Получение гелия из минералов

Еще одним способом получения гелия в промышленности является добыча его из радиоактивных минералов содержащих уран, торий и самарий:

  • клевеит
  • фергюсонит
  • самарскит
  • гадолинит
  • монацит
  • торианит

В частности монацитовые пески, крупное месторождение которых имеется в Траванкоре (Индия):

Монациты месторождения в Траванкоре содержат около 1 см3 гелия в 1 г руды.

Для производства гелия из монацита необходимо нагреть в закрытом сосуде монацит до 1000°С. Гелий выделяется вместе с углекислым газом (CO2), который затем поглощался раствором едкого натрия (NaOH). Остаточный газ содержит 96,6% He. Дальнейшая очистка производится при 600°С на металлическом магнии для удаления азота, а затем при 580°С – на металлическом кальции для удаления оставшихся примесей. Продукционный газ содержит свыше 99,5% He. Из 1000 т монацитового песка можно получить около 80 м3 чистого гелия. Такой способ получения гелия не представляет технического и промышленного интереса.

Чтобы добыть один кубометр гелия из монацитового песка, нужно переработать 12,5 тонн минерала

Получение гелия из воздуха

В атмосферном воздухе содержание гелия очень мало, но в процессе добычи азота и кислорода этот газ образуется в качестве побочного продукта. Технологический процесс получения этих элементов основан на разнице температуры конденсации газа. После «выпаривания» азота и кислорода в специальных ректификационных колоннах, в ёмкости остаётся неон и гелий. Неон выделяется из смеси с помощью жидкого водорода, в котором этот газ затвердевает. Можно также отделить гелий активированным углем, который охлаждается жидким азотом.

Специально заниматься добычей гелия из воздуха экономически нецелесообразно. В сравнении с производством этого вещества из природного газа финансовые затраты возрастают в тысячи раз.

Получение гелиевого концентрата

Установки получения гелиевого концентрата базируются на применении технологии глубокого охлаждения. Осушенный и очищенный природный газ подвергается глубокому охлаждению до температур порядка -190 о С. Охлаждение производят в несколько стадий, добиваясь последовательной конденсации входящих в состав природного газа CO2 и углеводородов: бутан+ → пропан → этан → метан → азот. Вследствие проведения низкотемпературной конденсации в газообразном состоянии остается гелиевый концентрат, в котором необходимого вещества уже имеется 70-85%.

Где применяется гелий?

Инертный газ гелий отлично проводит электричество и тепло, поэтому широко применяется во многих сферах – в ракетостроении, авиации, атомной промышленности, медицине. Он намного легче воздуха, поэтому его используют также в воздухоплавании и подводных погружениях.

Этот газ входит в состав дыхательных смесей – он не токсичен, его можно вдыхать без вреда для здоровья.

Совсем недавно ученые открыли еще одну область применения гелия – в атомной индустрии. Гелий используется как теплопроводник для атомных реакторов. В металлургии этот газ используют как защитное вещество при сварочных работах.

Запасы гелия на Земле

По оценкам экспертов, чтобы удовлетворить такие большие потребности в гелии, к 2030 году ежегодно будет требоваться 238-312 миллионов кубометров. К этому времени объем добычи возрастет всего лишь до 213-238 млн. кубических метров за год, поэтому ожидается некоторая нехватка гелия в производственных сферах. Выход из этой ситуации один – повышать количество добываемого гелия. В России уже сегодня строятся новые предприятия по его добыче – преимущественно в регионах Сибири.

 

Источники:

  • https://weldering.com/sposoby-poluchenie-geliya
  • https://geliy24.ru/stati/gelij-sfery-primeneniya-i-sposoby-dobychi
  • https://ballonis.ru/stati/sposoby-polucheniya-geliya
  • https://www.heliy.ru/publ/gelij_kak_ego_dobyvajut_i_gde_primenjajut/1-1-0-5
  • https://www.niikm.ru/articles/element_articles/helium
  • https://airtechnik.ru/blog/poluchenie-gelija
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]