Свойства и стратегическое значение гелия
Гелий представляет собой уникальный газ с исключительными физическими характеристиками: он обладает крайне низкой плотностью (0,1609 кг/м³ при нормальных условиях), кипит при температуре, близкой к абсолютному нулю (-268,94 °C), химически инертен и практически не растворяется в воде и углеводородах. Эти свойства делают его незаменимым стратегическим ресурсом. Гелий широко используется в криогенных системах, ядерной и космической отраслях (поглощая до половины мирового производства), при высокоточной сварке, в металлургии, хроматографии, светотехнике и медицине.
Источники и мировое производство
Промышленное извлечение гелия экономически целесообразно из природных газов, где его концентрация превышает 0,05-0,30% по объему, хотя некоторые месторождения содержат до 3%. Основными мировыми держателями запасов гелийсодержащих газов являются США (более 99% мировых запасов по данным 1969 года, сосредоточенных в Техасе), Россия и Канада. К 1980 году США производили около 135 млн м³ гелия в год на 12 заводах, создавая стратегические подземные хранилища. Конгресс США принял Гелиевый закон, предусматривающий накопление государственного резерва в 2,4 млрд м³ к 2000 году.
В Европе крупнейшее производство мощностью 9 млн м³ в год было создано в Оренбурге. Жидкий гелий транспортируется в криогенных контейнерах типа Дьюара объемом 40 м³. При регазификации из такого контейнера получают газообразный гелий различной чистоты: 99% (30% объема), 99,996% (65%) и 99,9999% (5%). Для долгосрочного хранения используются сложные многокорпусные криогенные резервуары полезной емкостью до 120 м³, один из которых также действует в Оренбурге. Создание запасов критически важно, так как альтернативный источник — извлечение гелия из воздуха, где его содержание не превышает 0,01%, — в будущем будет чрезвычайно дорогим.
Технологический процесс получения чистого гелия
Получение чистого гелия из подготовленного природного газа обычно включает три ключевые стадии:
- Получение сырого гелия концентрацией 80-90%.
- Концентрирование до чистоты 99,98%.
- Сжижение для транспортировки и хранения.
Сжижение гелия, как и других низкокипящих газов (водорода, кислорода, азота), происходит при криогенных температурах. Технология основана на комбинации каскадных холодильных циклов, методов дросселирования (расширения газа без совершения работы) и детандирования (расширения с отдачей внешней работы). Выбор оптимальной схемы определяется стоимостью компримирования газа и производства холода.
Пример технологической схемы
Рассмотрим упрощенную схему процесса (см. рис. 2.7). Подготовленный природный газ под давлением 3,2 МПа последовательно охлаждается:
- До -40 °C в пропановом холодильном цикле.
- До -104 °C в рекуперативных теплообменниках обратными потоками.
- До -153 °C путем дросселирования с последующей подачей в ректификационную колонну.
В колонне происходит разделение: снизу отводится жидкий метан с примесью азота (он используется как хладагент), а сверху — смесь гелия и азота. Температура в верхней части колонны (-191 °C) поддерживается испаряющимся жидким азотом. Далее смесь гелия и азота дополнительно охлаждается и разделяется в сепараторах, позволяя получить сырой гелий чистотой около 85% и чистый азот (99,5%). На этой стадии извлекается 95-96% гелия, первоначально содержавшегося в газе.
Очистка и сжижение
Сырой гелий подвергается глубокой очистке для удаления примесей водорода, азота и метана. Очистка от водорода часто проводится методом гидрирования на катализаторе с последующим осушением на адсорбентах (оксид алюминия, цеолиты). Затем очищенный газообразный гелий компримируется до 15-20 МПа, охлаждается до -207 °C, дросселируется и сепарируется. Газовая фаза после этого содержит около 99,5% гелия.
Финальная тонкая очистка проводится адсорбцией на активных углях или цеолитах при охлаждении азотом, что позволяет достичь чистоты 99,98%. Далее чистый газообразный гелий проходит каскадное охлаждение: сначала испаряющимся азотом, затем в детандере, и, наконец, в дроссельной ступени. В результате часть гелия конденсируется в жидкость.
Жидкий гелий проходит окончательную адсорбционную очистку от возможных остаточных примесей и заливается в криогенные сосуды Дьюара, контейнеры или специализированные хранилища.
Криогенное оборудование
Все низкотемпературное теплообменное оборудование установки размещается в специальной криогенной камере (кабине) многокорпусной конструкции. Камера заполнена изоляционным материалом (например, перлитом) и поддерживается под избыточным давлением азота для предотвращения конденсации влаги и попадания воздуха. Например, на одном из заводов такая камера имеет размеры 13×4 м в основании, высоту 36 м, объем около 2800 м³ и вмещает около 230 тонн оборудования.
