Хелий: Страничен продукт от природен газ с уникални свойства и приложения

Съдържание

• Какво е хелий?
• Откъде идва хелият?
• Защо хелийът е в някакъв природен газ?
• Къде е природният газ богат на хелий?
• Използване на хелий
• Магнитен резонанс
• Повдигане на газ
• Пречистване на газ
• Контролирано производство на атмосфера
• Откриване на теч
• Дихателни смеси
• Заваръчен газ
• Хелий: невъзобновяем ресурс
• Хелийни глути и недостиг на хелий

Накрайник на хелий: Повечето хора са чували, че хелият се използва като повдигащ газ за метеорологични балони, неравности и парти балони. Това са много малки употреби на хелий. Употребата, която консумира повече хелий от която и да е друга, е охлаждането на магнитите в апаратите за ЯМР (магнитен резонанс) в медицински заведения. Снимка на Goodyear blimp от Дерек Дженсън.

Какво е хелий?

Хелият е химичен елемент и безцветен, без мирис, инертен газ. Той има най-малкия атомен радиус на всеки елемент и второто най-ниско атомно тегло. По-лек е от въздуха.

Повечето хора знаят, че хелият се използва като повдигащ газ в балони и балони за парти, но не могат да назоват друг начин, по който се използва. Използването на хелий номер едно е като охлаждащ газ за машини за магнитно-резонансно изображение (MRI), използвани в медицинските заведения. Други важни приложения на хелия включват: защитен газ за заваряване, инертен газ за производство на контролирана атмосфера, газ с беглец, използван за откриване на течове, и газ с нисък вискозитет за дихателни смеси под налягане.

Откъде идва хелият?

Много малко хелий присъства в земната атмосфера. Това е толкова лек елемент, че земната гравитация не може да го задържи. Когато присъства на повърхността на Земята, непречистеният хелий веднага започва да се издига, докато не избяга от планетата. Ето защо парти балоните се издигат!

Хелият, който се произвежда в търговската мрежа, се получава от земята. Някои полета за природен газ имат достатъчно хелий, смесен с газа, че той може да бъде извлечен с икономическа цена. Няколко полета в Съединените щати съдържат над 7% обем хелий. Компаниите, които пробиват природен газ в тези райони, произвеждат природния газ, преработват го и отстраняват хелия като страничен продукт.

Хелиеви залежи на природен газ: Модел на депозит за находища на природен газ, съдържащи хелий, в САЩ. Хелийът се получава при разпадането на уран и торий в гранитоидни скали на мазето. Освободеният хелий е плаващ и се придвижва към повърхността с порьозност, свързана с разломи на мазето. След това хелият се придвижва нагоре през порьозно утаечно покритие, докато се залови с природен газ под леглата от анхидрит или сол. Това са единствените странично устойчиви видове скали, които са в състояние да улавят и съдържат малките, плаващи хелиеви атоми. Тази геоложка ситуация се среща само на няколко места по света и затова богатите натрупвания на хелий са рядкост.

Свързани: Ново използване на хелий - твърди дискове

Защо хелийът е в някакъв природен газ?

Счита се, че по-голямата част от хелия, който се отделя от природния газ, се образува от радиоактивно разпад на уран и торий в гранитоидни скали на континенталната кора на Земята. Като много лек газ, той е плаващ и се стреми да се придвижи нагоре веднага щом се образува. Най-богатите натрупвания на хелий са открити, когато съществуват три условия: 1) гранитоидните мазеви скали са богати на уран и торий; 2) скалите на мазето са счупени и разрушени, за да осигурят евакуационни пътеки за хелия; и 3) порести утаечни скали над разломите на мазето са затворени с непромокаем печат от халит или анхидрит. Когато и трите от тези условия са изпълнени, хелият може да се натрупа в порести утаечен скален слой.

Хелият има най-малкия атомен радиус на всеки елемент, около 0,2 нанометра. Така че, когато се образува и започне да се движи нагоре, тя може да се побере през много малки порови пространства в скалите. Халитът и анхидритът са единствените утаени скали, които могат да блокират възходящата миграция на хелиевите атоми. Сините, които имат пространството на порите си запушени с изобилни органични материали (кероген), понякога служат като по-малко ефективна бариера.

Хелиеви залежи на природен газ: Карта, показваща находищата на природен газ, които служат като важни източници на хелий в Съединените щати. Природният газ, произведен от тези находища, съдържа между 0,3% до над 7% хелий. Хелият се отстранява от газа за търговска продажба. Изображение чрез използване на данни за местоположението от Геологическото проучване на Съединените щати.

Къде е природният газ богат на хелий?

Повечето необработен природен газ съдържа най-малко следи от хелий. Много малко полета за природен газ съдържат достатъчно, за да оправдаят процеса на възстановяване на хелий. Източник на природен газ трябва да съдържа най-малко 0,3% хелий, за да се счита за потенциален източник на хелий.

През 2010 г. целият природен газ, преработен за хелий в Съединените щати, идва от полета в Колорадо, Канзас, Оклахома, Тексас, Юта и Вайоминг, както е показано на придружаващата карта. Полето Хютон в Оклахома, Канзас и Тексас; полето Панома в Канзас; полето Кийс в Оклахома; Западните полета на Панхандъл и Клифсайд в Тексас и полето Райли Ридж в Уайоминг представляват по-голямата част от производството на хелий в Съединените щати.

През 2010 г. САЩ произвеждат 128 милиона кубически метра хелий. От тази сума 53 милиона кубически метра хелий са извлечени от природен газ, а 75 милиона кубически метра са изтеглени от Националния резерв на хелий. Други страни с известни производствени количества са: Алжир (18 mcm), Катар (13 mcm), Русия (6 mcm) и Полша (3 mcm). Канада и Китай произвеждат малки, но недекларирани количества хелий.

Хелий в ЯМР машини: Използването на хелий номер едно е охлаждането на магнитите в машините за ЯМР (магнитен резонанс), използвани за диагностициране на заболявания и наранявания в медицински заведения.

Нова употреба за хелий: Първият твърд диск с хелий е произведен през 2013 г. Хелият дава възможност на устройството да използва по-малко енергия, да произвежда по-малко топлина, да прави по-малко шум, да заема по-малко място, да държи повече данни и да произвежда по-малко вибрации от стандартния твърд диск. Научете повече.

Използване на хелий

Хелият има редица свойства, които го правят изключително подходящ за определени приложения. При някои от тези употреби хелият е най-добрият възможен газ за използване, а в някои от тях няма адекватен заместител на хелия. Няколко употреби на хелий, заедно със свойствата, които го правят подходящ за употреба, са описани по-долу.

Магнитен резонанс

Използването на хелий номер едно е в апаратите за магнитно резонансно изображение, използвани в медицинските заведения за оценка на наранявания и диагностициране на заболяване. Тези машини използват магнитно поле, което се произвежда от свръхпроводящ магнит. Тези магнити генерират огромно количество топлина. Течният хелий е охлаждащото вещество по избор за регулиране на температурата на тези магнити. Тъй като хелият има втората най-ниска специфична топлина на всеки газ и най-ниската точка на кипене / топене на всеки елемент, няма предвиден заместител на хелия при тази много важна употреба.

Повдигане на газ

Хелият има второто най-ниско атомно тегло на всеки елемент. Само водородът има по-ниско атомно тегло. Като по-лек от въздуха газ, хелият е използван като "повдигащ газ" за дирижабли и балони. Blimps, dirigibles, цепелини, зенитни балони, метеорологични балони и други по-леки от въздуха плавателни съдове са използвали хелия като газ за повдигане. Той е много по-безопасен от водорода, тъй като не е запалим. Това беше най-важната категория на употреба на хелий до края на Втората световна война. Много по-ниски количества хелий се използват като газ за повдигане.

Пречистване на газ: Хелият се използва от НАСА и Министерството на отбраната за пречистване на течен кислород и течен водород от резервоари за гориво и системи за подаване на гориво на ракетни двигатели. Хелият е инертен и има температура на замръзване, която е толкова ниска, че остава газ през процеса на продухване. Поток хелий в тези системи дори е бил използван по време на спешни случаи за гасене на пожари. Изображение на НАСА.

Хелиеви дихателни смеси: Хелият се използва за приготвяне на дихателни газови смеси за дълбоководно гмуркане. Хелият е инертен и има нисък вискозитет под налягане, което позволява по-лесно дишане. Изображение от NOAA.

Пречистване на газ

Хелият има най-ниската точка на топене и кипене на всеки газ. Топи се и кипи при температури, близки до абсолютната нула. Тъй като той остава газ при много ниски температури, той може да се използва като продухващ газ за резервоари за гориво и системи за подаване на гориво, които са пълни с много студени течности, като течен водород и течен кислород. Тъй като е инертен и има ниска температура на замръзване, той може да измести тези горива безопасно, без да замръзва. Големи количества хелий се използват от НАСА и Министерството на отбраната за продухване на ракетни задвижващи системи.

Контролирано производство на атмосфера

Хелият е инертен газ. Единственият газ с по-ниска реактивност е неон. Тази ниска реактивност прави хелия ценен газ, който може да се използва при производствени и ремонтни процеси, когато е необходима инертна атмосфера. Хелият също има втората най-ниска плътност на всеки газ, заедно с много висока топлопроводимост. Тези свойства на хелиевия газ го превръщат в атмосфера на избор за много металургични процеси, отглеждане на перфектни кристали в химически пари, производство на оптични влакна и други приложения.

Откриване на теч

Хелият има много нисък вискозитет, висок коефициент на дифузия и най-малкия атом на всеки елемент. Тези характеристики правят хелия много трудно да се съдържа. Ако системата има теч, хелият ще излезе. Следователно хелиевият газ се използва за тестване на системи с висок вакуум, горивни системи и други ограничения за течове.

Дихателни смеси

Хелий и други инертни газове се използват за приготвяне на дихателни смеси за дълбоководно гмуркане и медицински процедури. Тук се използва хелий, тъй като е инертен, има много нисък вискозитет и по-лесно диша под налягане, отколкото всеки друг газ.

Заваръчен газ

Хелият се използва като защитна атмосфера при заваряване. Атмосферата на инертен газ предпазва горещите метали от окисляване и други реакции, които могат да възникнат бързо при високи температури.

Употреба на хелий: Относителни количества хелий, консумиран от различни употреби в Съединените щати през 2011 г. График чрез използване на данни от USGS.

Хелий: невъзобновяем ресурс

Хелият е газ, който се намира само там, където има съвпадение на малко вероятни ситуации. Въпреки че се произвежда непрекъснато чрез разпад на радиоактивни минерали в земната кора, темпът на естественото му производство и натрупване е толкова бавен, че трябва да се счита за невъзобновяем ресурс.

Хелийни глути и недостиг на хелий

През 1925 г. Съединените щати създават Националния резерв за хелий, който служи за стратегическо снабдяване с хелий за използване във въздушни кораби и за други отбранителни цели. По това време страната произвеждаше много повече хелий, отколкото се консумира. След Втората световна война количеството хелий, използван като газ за повдигане, намалява, но търсенето на хелий като продухващ газ при зареждане на ракетни двигатели и като охлаждаща течност в съоръженията за ядрени оръжия скочи. Все пак се произвежда повече хелий, отколкото се консумира.

През 1995 г. Конгресът реши, че националният резерв за хелий не е от съществено значение, и започна програма за продажба на хелия като част от Закона за приватизация на хелий от 1996 г. Почти две десетилетия Конгресът позволи на хелия да бъде продаден с огромна отстъпка на свободния пазар цени. До 1/2 от търсенето на хелий в света се задоволяваше чрез продажби от Националния резерв за хелий. В някои години повече хелий се изнасяше от Съединените щати в други страни, отколкото се консумира вътрешно. Тези, които закупиха хелий от правителството, получиха фантастична сделка, а тези, които закупиха хелий на свободния пазар, платиха много по-висока цена.

Изхвърлянето на запасите на Национален резерв на хелий на пазара понижи цената на хелия толкова много, че той се използва като евтин заместител на аргон и други газове, които имат много по-малко ограничено предлагане.

Тъй като търговското производство на хелий не е било възнаградено или използвано силно, пазарът не е бил достатъчен, когато продажбите на National Helium Reserve са заменени с тръжна система през 2014 г. На първия търг двама участници закупиха цялата годишна сума от 93 милиона кубически фута хелий в повече отколкото удвоете пазарната цена на предходните години. След търга още един милиард кубически фута беше продаден на същите двама кандидати.

От първия търг цената на хелия продължава да нараства, тъй като производството на нов хелий намалява с консумацията. Увеличението на цените предизвика инвестиции в нови инсталации за преработка на хелий. Въпреки това хелият може да се произвежда само от находища на природен газ със сол или анхидрат като капан. Те се срещат само в няколко части на света.

Съгласно действащото законодателство, националният резерв за хелий ще бъде разпродаден до 2021 г. Да се ​​надяваме, че нарастващата инвестиция в инсталации за възстановяване на хелий ще бъде адекватна за задоволяване нуждите на потребителите на хелий, когато този важен източник на хелий няма.