Helium: Eigenschappen, Productie en Mondiale Aanbod

Achtergrond

Helium is het tweederlichtste element in het periodieke systeem en een van de meest chemisch inerte gassen. De lage dichtheid en onbrandbaarheid maken het onmisbaar voor luchtvaarttoepassingen, van het optrekken van luchtballonnen en ballonnen tot het bieden van een veilige atmosfeer voor lassen en kristalgroei in halfgeleiderproductie. Vloeibaar helium is ook cruciaal in onderzoek dat temperaturen dicht bij absolute nul vereist, zoals supergeleidings experimenten.

Hoewel het element in het universum overvloedig is, bevat de aardse atmosfeer slechts sporen. Helium werd eerst geïdentificeerd in 1868 toen astronomen Pierre Janssen en Sir Joseph Lockyer een onbekende gele spectrale lijn observeerden tijdens een zonsverduistering. Lockyer bedacht de naam "helium" van het Griekse helios (zon).

In 1895 extraheerde Sir William Ramsay helium uit het uraniummineraal cleveiet, wat het aardse bestaan bevestigde. Enkele jaren later onthulde aardgas uit een put bij Dexter, Kansas, concentraties zo hoog als 2%. Wereldwijde enquêtes toonden variërende heliumniveaus, met de VS doorgaans de rijkste voorraden bezittend.

Vroeg 20e-eeuwse lichter-dan-lucht vaartuigen vertrouwden bijna uitsluitend op waterstof, ondanks de brandbaarheid. De VS erkenden het strategische voordeel van helium tijdens de Eerste Wereldoorlog, en maakten het een kritiek oorlogsmateriaal en beperkten export. De Helium Behoudswet van 1925 verbond niet-overheidsgebruik. Na de Hindenburg-ramp in 1937, verschoon de regels, en helium verving waterstof voor commerciële luchtvaartuigen.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog bewijste helium opnieuw vitaliteit; het werd gebruikt om de banden van langafstandsbommenwerpers op te blazen, wat vliegtuiggewicht verminderde en bereik verlengde. Na-oorlogse vraag piekte, wat de Helium Wet Wijzigingen van 1960 aanmoedigde om een nationaal opslagprogramma op te richten. In 1971 had de productie een plateau bereikt en het programma werd tijdelijk geschorst, om later te hervatten. In 1993 bereikte overheidsopslag ongeveer 35 miljard kubieke voet (1 miljard kubieke meter).

Vandaag ligten de meeste helium-dragende aardgasvelden in de VS, met opvallende reserves ook in Canada en Polen.

Grondstoffen

Helium ontstaat ondergronds wanneer alfadeeltjes - producten van radioactief verval van zware elementen zoals uranium en thorium - heliumkernen vormen. Een deel helium diffuseert naar het oppervlak en ontsnapt in de ruimte, terwijl de rest vastzit onder ondoorlatende rotslagen en mengt met aardgasreservoirs. Heliumconcentraties variëren van verwaarloosbaar tot zo hoog als 4% per volume, maar alleen voorraden boven 0,4% zijn commercieel haalbaar.

Helium kan ook geëxtraheerd worden door cryogene luchtscheiding, hoewel het proces kostenintensief is en zeer lage opbrengsten levert, wat het onpraktisch maakt voor grootschalige productie.

Het Productieproces

Helium wordt primair hersteld als een bijproduct van aardgasverwerking. Het gas bevat methaan en andere koolwaterstoffen, die de energiewaarde van aardgas leveren. Om aan marktenergiespecificaties te voldoen, moeten onzuiverheden - inclusief stikstof, waterdamp, koolstofdioxide en helium - in een upgradingsstap verwijderd worden.

Wanneer een gasstroom meer dan ~0,4% helium bevat, wordt cryogene distillatie toegepast om het helium te isoleren. De resulterende ruwe helium wordt verder verfijnd om commerciële zuiverheden boven 99,99% te bereiken.

Voorbehandeling

Omdat de downstream cryogene kolom bij extreme lage temperaturen werkt, moeten alle componenten die kunnen solidificeren - waterdamp, CO₂, zware koolwaterstoffen - van tevoren verwijderd worden om buisverstoppingen te voorkomen.

• 1. Het aardgas wordt geperssuriseerd tot ~800 psi (5,5 MPa) en gerouteerd door een monoethanolamine scrubber om CO₂ te absorberen.
• 2. Een moleculair-zeef eenheid scheidt waterdamp, waardoor alleen kleinere moleculen doorlaten; het water wordt dan teruggespoeld en verwijderd.
• 3. Geactiveerde koolstof bedden vangen zware koolwaterstoffen; de gasstroom is nu grotendeels methaan, stikstof, en sporen helium, waterstof en neon.

Scheiden

Fractionele distillatie, vaak stikstof-rejectie genoemd, isoleert de primaire componenten - methaan en stikstof - voordat de helium-rijke stroom naar cryogene verwerking wordt gestuurd. De procedure is geïllustreerd in het onderstaande diagram.

• 4. Een plaat-fin warmtewisselaar koelt de binnenkomende stroom af terwijl een tegenstroom van erg koude methaan en stikstof de gassen opwarmen.
• 5. Het gas expandeert door een klep, de druk dalend tot ~145-360 psi (1,0-2,5 MPa). Snelle expansie koelt het mengsel en begint methaan verfluchting.
• 6. De deels vloeibare gas gaat de hoge-druk kolom binnen; naarmate het stijgt, verflucht methaan voort aan de bodem terwijl stikstof naar de top stijgt.
• 7. De vloeibare methaan (ruwe methaan) wordt geëxtraheerd, sub-gekoeld, en door een tweede expansieklep tot ~22 psi geleid voordat het de lage-druk kolom binnenkomt. Hier wordt de meeste stikstof verwijderd, wat een methaan-rijke vloeistof met ≤4% stikstof oplevert. De vloeistof wordt opgewarmd, verdampt, en geüpgraded tot aardgas, terwijl stikstof wordt afgelaten of gerecycled.
• 8. Gassen uit de hoge-druk kolom worden gekoeld in een condenser; stikstof condenseert als damp, en het overgebleven gas - ruwe helium - bevat 50-70% helium, 1-3% onverfluchte methaan, kleine hoeveelheden waterstof en neon, en de balans stikstof.

Verfijnen

Ruwe helium ondergaat een multi-fase zuivering om commerciële zuiverheidsniveaus te bereiken.

• 9. Afkoelen tot –315 °F (–193 °C) condenseert stikstof en methaan, wat ~90% helium overlaat.
• 10. Toevoegen van lucht introduceert zuurstof; het gas wordt voorverhit, dan over een katalysator geleid die waterstof met zuurstof reageert om waterdamp te vormen, die gecondenseerd en verwijderd wordt.
• 11. Een druk-swing adsorptie (PSA) eenheid vangt overige verontreinigingen. Duizenden micron-porde deeltjes adsorberen stikstof, methaan en residuëel water. Opvolgende deperssisurisering vrijmaakt de geadsorbeerde gassen, wat ~99,99% zuiver helium achterlaat.

Distributie

Helium wordt verzonden ofwel als gas bij kamertemperatuur of als vloeistof bij cryogene temperaturen. Gasvormig helium wordt opgeslagen in gesmede staal of aluminiumlegering cylinders bij 900-6.000 psi (6-41 MPa). Bulk vloeibaar helium wordt getransporteerd in geïsoleerde containers met capaciteiten tot ~14.800 gallon (56.000 L).

• 12. Voor vloeibare of ultra-zuivere helium, verwijdert een cryogene adsorber residueel neon en sporen onzuiverheden bij –423 °F (–253 °C), bereikend ≥99,999% zuiverheid.
• 13. Het gas passeert dan warmtewisselaars en expanders in een verfluchter, bereikend –452 °F (–269 °C) om te verfluchten.
• 14. Grote zendingen vloeibaar helium gebruiken dubbele-schil, vacuüm-geïsoleerde trailers of containers. De binnenste schil bevat helium; de buitenschil biedt isolatie, en bij overzeese zendingen absorbeert een secundaire schil met vloeibare stikstof warmte, verdampend naarmate het opwarmt.

Kwaliteitscontrole

De Compressed Gas Association gradeert helium op onzuiverheidsinhoud. Commerciële graden beginnen met M (99,995% zuiver) en lopen door naar N, P, en G (99,9999% zuiver). Regelmatige bemonstering en analyse verifiëren naleving van deze standaarden.

De Toekomst

In 1996 stelde de VS-overheid voor het door de staat gefinancierde heliumopslagprogramma te beëindigen, wat zorg wekte bij wetenschappers. Helium is essentieel een bijproduct van aardgasverwerking; zonder opslag zou het grotendeels in de atmosfeer geventileerd worden en verloren gaan. Sommige experts waarschuwden dat wereldwijde reserves door 2015 uitgeput kunnen zijn als het programma stopte.