Helium

Achtergrond

Helium is een van de chemische basiselementen. In zijn natuurlijke staat is helium een ​​kleurloos gas dat bekend staat om zijn lage dichtheid en lage chemische reactiviteit. Het is waarschijnlijk het best bekend als een niet-ontvlambaar alternatief voor waterstof om de lift in luchtballonnen en ballonnen te leveren. Omdat het chemisch inert is, wordt het ook gebruikt als gasschild bij robotbooglassen en als niet-reactieve atmosfeer voor het kweken van silicium- en germaniumkristallen die worden gebruikt om elektronische halfgeleiderapparaten te maken. Vloeibaar helium wordt vaak gebruikt om de extreem lage temperaturen te leveren die nodig zijn in bepaalde medische en wetenschappelijke toepassingen, waaronder supergeleidingsonderzoek.

Hoewel helium een ​​van de meest voorkomende elementen in het universum is, bestaat het meeste buiten de atmosfeer van de aarde. Helium werd pas in 1868 ontdekt, toen de Franse astronoom Pierre Janssen en de Engelse astronoom Sir Joseph Lockyer onafhankelijk van elkaar een zonsverduistering bestudeerden. Met behulp van spectrometers, die licht scheiden in verschillende kleurbanden, afhankelijk van de aanwezige elementen, observeerden ze allebei een band van geel licht die met geen enkel bekend element kon worden geïdentificeerd. Het nieuws van hun bevindingen bereikte dezelfde dag de wetenschappelijke wereld, en beide mannen worden over het algemeen gecrediteerd voor de ontdekking. Lockyer suggereerde de naam helium voor het nieuwe element, afgeleid van het Griekse woord helios voor de zon.

In 1895 ontdekte de Engelse chemicus Sir William Ramsay dat cleveite, een uraniummineraal, helium bevatte. Zweedse chemici P.T. Cleve en Nils Langlet deden ongeveer tegelijkertijd een soortgelijke ontdekking. Dit was de eerste keer dat helium op aarde werd geïdentificeerd. In 1905 bleek aardgas uit een put bij Dexter, Kansas, maar liefst 2% helium te bevatten. Tests van andere aardgasbronnen over de hele wereld leverden sterk variërende concentraties helium op, met de hoogste concentraties in de Verenigde Staten.

Tijdens de vroege jaren 1900, was de ontwikkeling van luchtballonnen en luchtschepen bijna volledig afhankelijk van waterstof om lift te leveren, ook al was het zeer ontvlambaar. Tijdens de Eerste Wereldoorlog realiseerde de regering van de Verenigde Staten zich dat niet-ontvlambaar helium superieur was aan waterstof en verklaarde het tot kritiek oorlogsmateriaal. De productie werd streng gecontroleerd en de export werd beperkt. In 1925 namen de Verenigde Staten de eerste Helium Conservation Act aan die de verkoop van helium aan niet-gouvernementele gebruikers verbood. Pas in 1937, toen het met waterstof gevulde luchtschip Hindenburg explodeerde tijdens de landing in Lakehurst, New Jersey, werden de beperkingen opgeheven en helium verving waterstof voor commerciële lichter-dan-luchtschepen.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd helium weer een kritisch oorlogsmateriaal. Een van de meer ongebruikelijke toepassingen was het oppompen van de banden van langeafstandsbommenwerpers. Door het lichtere gewicht van helium kon het vliegtuig 70 kg extra brandstof vervoeren voor een groter bereik.

Na de oorlog groeide de vraag naar helium zo snel dat de regering in 1960 de Helium Act-wijzigingen oplegde om het gas te kopen en op te slaan voor toekomstig gebruik. In 1971 was de vraag afgevlakt en werd het programma voor de opslag van helium stopgezet. Een paar jaar later begon de overheid weer helium op te slaan. Vanaf 1993 was er ongeveer 35 miljard kubieke voet (1,0 miljard kubieke meter) helium in overheidsopslag.

Tegenwoordig bevinden de meeste heliumhoudende aardgasbronnen zich in de Verenigde Staten. Canada, Polen en een paar andere landen hebben ook belangrijke bronnen.

Grondstoffen

Helium wordt ondergronds gegenereerd door het radioactieve verval van zware elementen zoals uranium en thorium. Een deel van de straling van deze elementen bestaat uit alfadeeltjes, die de kernen van heliumatomen vormen. Een deel van dit helium vindt zijn weg naar de oppervlakte en komt de atmosfeer binnen, waar het snel opstijgt en de ruimte in ontsnapt. De rest komt vast te zitten onder ondoordringbare rotslagen en vermengt zich met de natuurlijke gassen die zich daar vormen. De hoeveelheid helium die in verschillende aardgasvoorraden wordt aangetroffen, varieert van bijna nul tot wel 4 vol.%. Slechts ongeveer een tiende van de werkende aardgasvelden heeft economisch haalbare heliumconcentraties van meer dan 0,4%.

Helium kan ook worden geproduceerd door lucht vloeibaar te maken en de samenstellende gassen te scheiden. De productiekosten voor deze methode zijn hoog en de hoeveelheid helium in de lucht is erg laag. Hoewel deze methode vaak wordt gebruikt om andere gassen te produceren, zoals stikstof en zuurstof, wordt deze zelden gebruikt om helium te produceren.

Het fabricageproces

Helium wordt meestal geproduceerd als bijproduct van de verwerking van aardgas. Aardgas bevat methaan en andere koolwaterstoffen, de belangrijkste bronnen van warmte-energie bij de verbranding van aardgas. De meeste aardgasafzettingen bevatten ook kleinere hoeveelheden stikstof, waterdamp, kooldioxide, helium en andere niet-brandbare materialen, die de potentiële warmte-energie van het gas verlagen. Om aardgas te produceren met een acceptabel niveau van warmte-energie, moeten deze onzuiverheden worden verwijderd. Dit proces wordt upgraden genoemd.

Er zijn verschillende methoden die worden gebruikt om aardgas op te waarderen. Wanneer het gas meer dan ongeveer 0,4 vol.% helium bevat, wordt vaak een cryogene destillatiemethode gebruikt om het heliumgehalte terug te winnen. Zodra het helium van het aardgas is gescheiden, ondergaat het verdere raffinage om het tot 99,99+% zuiverheid te brengen voor commercieel gebruik.

Hier is een typische reeks bewerkingen voor het extraheren en verwerken van helium.

Voorbehandelen

Omdat bij deze methode gebruik wordt gemaakt van een extreem koude cryogene sectie als onderdeel van het proces, moeten alle onzuiverheden die kunnen stollen, zoals waterdamp, kooldioxide en bepaalde zware koolwaterstoffen, eerst in een voorbehandelingsproces uit het aardgas worden verwijderd om te voorkomen dat ze verstoppen van de cryogene leidingen.

• 1 Het aardgas wordt onder druk gebracht tot ongeveer 800 psi (5,5 MPa of 54 atm). Het stroomt vervolgens naar een gaswasser waar het wordt blootgesteld aan een spray van mono-ethanolamine, dat de koolstofdioxide absorbeert en wegvoert.
• 2 De gasstroom gaat door een moleculaire zeef, die de grotere waterdampmoleculen uit de stroom haalt en de kleinere gasmoleculen doorlaat. Het water wordt uit de zeef teruggespoeld en afgevoerd.
• 3 Alle zware koolwaterstoffen in de gasstroom worden verzameld op het oppervlak van een bed van actieve kool terwijl het gas er doorheen gaat. Periodiek wordt de actieve kool bijgevuld. De gasstroom bevat nu voornamelijk methaan en stikstof, met kleine hoeveelheden helium, waterstof en neon.

Scheiden

Aardgas wordt gescheiden in zijn belangrijkste componenten door middel van een destillatieproces dat bekend staat als gefractioneerde destillatie. Soms wordt deze naam afgekort tot fractionering, en de verticale structuren die worden gebruikt om deze scheiding uit te voeren, worden fractioneringskolommen genoemd. Bij het gefractioneerde destillatieproces worden de stikstof en het methaan in twee fasen gescheiden, waardoor een mengsel van gassen met een hoog percentage helium overblijft. In elke fase wordt het concentratieniveau, of fractie, van elke component verhoogd totdat de scheiding volledig is. In het aardgas Alle onzuiverheden die de cryogene leidingen zouden kunnen stollen en verstoppen, worden in een voorbehandelingsproces uit het aardgas verwijderd . Na voorbehandeling worden de aardgascomponenten gescheiden in een proces dat gefractioneerde destillatie wordt genoemd. industrie, wordt dit proces ook wel stikstofafstoting genoemd, omdat het de primaire functie heeft om overtollige hoeveelheden stikstof uit het aardgas te verwijderen.

• 4 De gasstroom gaat door de ene kant van een plaatvinwarmtewisselaar, terwijl zeer koud methaan en stikstof uit het cryogene gedeelte door de andere kant gaan. De inkomende gasstroom wordt gekoeld, terwijl het methaan en de stikstof worden opgewarmd.
• 5 De gasstroom gaat dan door een expansieventiel, waardoor het gas snel kan uitzetten terwijl de druk daalt tot ongeveer 1,0-2,5 MPa of 10-25 atm. Door deze snelle expansie koelt de gasstroom af tot het punt waar het methaan vloeibaar begint te worden.
• 6 De gasstroom - nu deels vloeibaar en deels gas - komt de basis van de hogedruk-fractioneringskolom binnen. Terwijl het gas zich een weg omhoog baant door de interne schotten in de kolom, verliest het extra warmte. Het methaan blijft vloeibaar en vormt een methaanrijk mengsel op de bodem van de kolom, terwijl de meeste stikstof en andere gassen naar boven stromen.
• 7 Het vloeibare methaanmengsel, ruw methaan genaamd, wordt uit de bodem van de hogedrukkolom gehaald en in de ruwe onderkoeler verder afgekoeld. Vervolgens gaat het door een tweede expansieventiel, dat de druk verlaagt tot ongeveer 22 psi (150 kPa of 1,5 atm) voordat het de lagedruk-fractioneringskolom binnengaat. Terwijl het vloeibare methaan zich een weg baant door de kolom, wordt het grootste deel van de resterende stikstof afgescheiden, waardoor een vloeistof overblijft die niet meer dan ongeveer 4% stikstof bevat en de rest uit methaan. Deze vloeistof wordt weggepompt, opgewarmd en verdampt om opgewaardeerd aardgas te worden. De gasvormige stikstof wordt via de bovenkant van de lagedrukkolom afgevoerd en wordt ofwel geventileerd of opgevangen voor verdere verwerking.
• 8 Ondertussen worden de gassen uit de top van de hogedrukkolom gekoeld in een Eenmaal gescheiden van het aardgas, wordt ruw helium gezuiverd in een meertrapsproces waarbij verschillende scheidingsmethoden afhankelijk van de zuiverheid van het ruwe helium en de beoogde toepassing van het eindproduct. condensor. Veel van de stikstof condenseert tot een damp en wordt aan de bovenkant van de lagedrukkolom toegevoerd. Het resterende gas wordt ruw helium genoemd. Het bevat ongeveer 50-70% helium, 1-3% niet-vloeibaar methaan, kleine hoeveelheden waterstof en neon, en de rest stikstof.

Zuiveren

Ruw helium moet verder worden gezuiverd om de meeste andere materialen te verwijderen. Dit is meestal een meertrapsproces waarbij verschillende scheidingsmethoden betrokken zijn, afhankelijk van de zuiverheid van het ruwe helium en de beoogde toepassing van het eindproduct.

• 9 Het ruwe helium wordt eerst afgekoeld tot ongeveer -315 ° F (-193 ° C). Bij deze temperatuur condenseren de meeste stikstof en methaan tot een vloeistof en worden afgevoerd. Het resterende gasmengsel is nu ongeveer 90% zuiver helium.
• 10 Lucht wordt aan het gasmengsel toegevoegd om zuurstof te leveren. Het gas wordt opgewarmd in een voorverwarmer en gaat vervolgens over een katalysator, waardoor het grootste deel van de waterstof in het mengsel reageert met de zuurstof in de lucht en waterdamp vormt. Het gas wordt vervolgens afgekoeld en de waterdamp condenseert en wordt afgevoerd.
• 11 Het gasmengsel komt in een PSA-eenheid (Pressure Swing Adsorption) die bestaat uit verschillende parallel werkende adsorptievaten. Binnen elk vat zijn duizenden deeltjes gevuld met kleine poriën. Terwijl het gasmengsel onder druk door deze deeltjes gaat, worden bepaalde gassen in de deeltjesporiën gevangen. De druk wordt dan verlaagd en de gasstroom wordt omgekeerd om de ingesloten gassen te verwijderen. Deze cyclus herhaalt zich na enkele seconden of enkele minuten, afhankelijk van de grootte van de vaten en de concentratie van gassen. Deze methode verwijdert het grootste deel van de resterende waterdamp, stikstof en methaan uit het gasmengsel. Het helium is nu ongeveer 99,99% zuiver.

Distributie

Helium wordt gedistribueerd als gas bij normale temperaturen of als vloeistof bij zeer lage temperaturen. Gasvormig helium wordt gedistribueerd in cilinders van gesmeed staal of aluminiumlegeringen bij een druk in het bereik van 900-6000 psi (6-41 MPa of 60-410 atm). Bulkhoeveelheden vloeibaar helium worden verdeeld in geïsoleerde containers met een capaciteit tot ongeveer 14.800 gallon (56.000 liter).

• 12 Als het helium vloeibaar moet worden gemaakt, of als een hogere zuiverheid vereist is, worden de neon en eventuele sporen van onzuiverheden verwijderd door het gas over een bed van actieve kool te leiden in een Helium wordt gedistribueerd als gas bij normale temperaturen of als vloeistof bij zeer lage temperaturen. cryogene adsorber die werkt bij ongeveer -423° F (-253° C). Met deze laatste stap kunnen zuiverheidsniveaus van 99,999% of beter worden bereikt.
• 13 Het helium wordt vervolgens naar de condensor geleid, waar het door een reeks warmtewisselaars en expanders gaat. Naarmate het geleidelijk wordt afgekoeld en uitgezet, daalt de temperatuur tot ongeveer -452° F (-269° C) en wordt het vloeibaar.
• 14 Grote hoeveelheden vloeibaar helium worden meestal vervoerd in ongeventileerde containers onder druk. Als de zending zich binnen de continentale Verenigde Staten bevindt, is de verzendtijd meestal minder dan een week. In die gevallen wordt het vloeibare helium in grote, geïsoleerde tankopleggers geplaatst, getrokken door vrachtwagentrekkers. Het tanklichaam is opgebouwd uit twee schalen met een vacuümruimte tussen de binnen- en buitenschaal om warmteverlies te vertragen. In de vacuümruimte stoppen meerdere lagen reflecterende folie de warmtestroom van buitenaf verder. Voor langdurige verzendingen naar het buitenland wordt het helium in speciale verzendcontainers geplaatst. Naast een vacuümruimte voor isolatie hebben deze containers ook een tweede schaal gevuld met vloeibare stikstof om warmte van buitenaf op te nemen. Als warmte wordt geabsorbeerd, verdampt de vloeibare stikstof en wordt deze afgevoerd.

Kwaliteitscontrole

De Compressed Gas Association stelt indelingsnormen voor helium vast op basis van de hoeveelheid en het type aanwezige onzuiverheden. Commerciële heliumsoorten beginnen met klasse M, die 99,995% zuiver is en beperkte hoeveelheden water, methaan, zuurstof, stikstof, argon, neon en waterstof bevat. Andere hogere klassen zijn klasse N, klasse P en klasse G. Grade G is 99,9999% zuiver. Periodieke bemonstering en analyse van het eindproduct zorgt ervoor dat aan de zuiverheidsnormen wordt voldaan.

De Toekomst

In 1996 stelde de regering van de Verenigde Staten voor om het door de overheid gefinancierde opslagprogramma voor helium stop te zetten. Dit baart veel wetenschappers zorgen. Ze wijzen erop dat helium in wezen een afvalproduct is van de verwerking van aardgas, en zonder een opslagfaciliteit van de overheid zal het grootste deel van het helium eenvoudig in de atmosfeer worden afgevoerd, waar het de ruimte in zal ontsnappen en voor altijd verloren zal gaan. Sommige wetenschappers voorspellen dat als dit gebeurt, de bekende heliumreserves op aarde tegen het jaar 2015 kunnen zijn uitgeput.