Helium

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Hintergrund

Helium ist eines der grundlegenden chemischen Elemente. In seinem natürlichen Zustand ist Helium ein farbloses Gas, das für seine geringe Dichte und geringe chemische Reaktivität bekannt ist. Es ist wahrscheinlich am besten als nicht brennbarer Ersatz für Wasserstoff bekannt, um den Auftrieb in Luftschiffen und Ballons bereitzustellen. Da es chemisch inert ist, wird es auch als Gasschutz beim Roboter-Lichtbogenschweißen und als nicht-reaktive Atmosphäre zum Wachsen von Silizium- und Germaniumkristallen verwendet, die zur Herstellung elektronischer Halbleiterbauelemente verwendet werden. Flüssiges Helium wird häufig verwendet, um die extrem niedrigen Temperaturen bereitzustellen, die in bestimmten medizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen, einschließlich der Supraleitungsforschung, erforderlich sind.

Obwohl Helium eines der am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum ist, existiert das meiste davon außerhalb der Erdatmosphäre. Helium wurde erst 1868 entdeckt, als der französische Astronom Pierre Janssen und der englische Astronom Sir Joseph Lockyer unabhängig voneinander eine Sonnenfinsternis untersuchten. Mit Spektrometern, die Licht in Abhängigkeit von den vorhandenen Elementen in verschiedene Farbbänder aufteilen, beobachteten beide eine gelbe Lichtbande, die mit keinem bekannten Element identifiziert werden konnte. Die Nachricht von ihren Erkenntnissen erreichte die wissenschaftliche Welt am selben Tag, und beiden Männern wird die Entdeckung im Allgemeinen zugeschrieben. Lockyer schlug den Namen Helium für das neue Element vor, abgeleitet vom griechischen Wort helios für die Sonne.

1895 fand der englische Chemiker Sir William Ramsay, dass Cleveit, ein Uranmineral, Helium enthält. Schwedische Chemiker P.T. Cleve und Nils Langlet machten ungefähr zur gleichen Zeit eine ähnliche Entdeckung. Dies war das erste Mal, dass Helium auf der Erde identifiziert wurde. Im Jahr 1905 wurde festgestellt, dass Erdgas, das aus einer Quelle in der Nähe von Dexter, Kansas, entnommen wurde, bis zu 2 % Helium enthielt. Tests anderer Erdgasquellen auf der ganzen Welt ergaben sehr unterschiedliche Konzentrationen von Helium, wobei die höchsten Konzentrationen in den Vereinigten Staaten gefunden wurden.

In den frühen 1900er Jahren stützte sich die Entwicklung von Luftschiffen und Luftschiffen, die leichter als Luft waren, fast vollständig auf Wasserstoff, um Auftrieb zu erzeugen, obwohl er hochentzündlich war. Während des Ersten Weltkriegs erkannte die US-Regierung, dass nicht brennbares Helium Wasserstoff überlegen war und erklärte es zu einem kritischen Kriegsmaterial. Die Produktion wurde streng kontrolliert und der Export eingeschränkt. 1925 erließen die Vereinigten Staaten den ersten Helium Conservation Act, der den Verkauf von Helium an nichtstaatliche Verbraucher verbot. Erst 1937, als das mit Wasserstoff gefüllte Luftschiff Hindenburg bei der Landung in Lakehurst, New Jersey, explodierte, wurden die Beschränkungen aufgehoben und Helium ersetzte Wasserstoff für kommerzielle Leichter-als-Luft-Schiffe.

Im Zweiten Weltkrieg wurde Helium wieder zu einem kritischen Kriegsmaterial. Eine seiner ungewöhnlicheren Verwendungen war das Aufpumpen der Reifen von Langstreckenbombern. Das geringere Gewicht von Helium ermöglichte es dem Flugzeug, 70 kg zusätzlichen Treibstoff für eine größere Reichweite zu transportieren.

Nach dem Krieg wuchs die Nachfrage nach Helium so schnell, dass die Regierung 1960 die Helium Act Amendments auferlegte, um das Gas für die zukünftige Verwendung zu kaufen und zu lagern. 1971 hatte sich die Nachfrage abgeflacht und das Heliumspeicherprogramm wurde eingestellt. Einige Jahre später begann die Regierung wieder mit der Lagerung von Helium. Im Jahr 1993 befanden sich in staatlichen Lagern ungefähr 35 Milliarden Kubikfuß (1,0 Milliarden Kubikmeter) Helium.

Heute befinden sich die meisten heliumhaltigen Erdgasquellen in den Vereinigten Staaten. Kanada, Polen und einige andere Länder haben ebenfalls bedeutende Quellen.

Rohstoffe

Helium entsteht unter der Erde durch den radioaktiven Zerfall schwerer Elemente wie Uran und Thorium. Ein Teil der Strahlung dieser Elemente besteht aus Alphateilchen, die die Kerne von Heliumatomen bilden. Ein Teil dieses Heliums gelangt an die Oberfläche und gelangt in die Atmosphäre, wo es schnell aufsteigt und in den Weltraum entweicht. Der Rest wird unter undurchlässigen Gesteinsschichten eingeschlossen und vermischt sich mit den dort entstehenden Erdgasen. Die Menge an Helium, die in verschiedenen Erdgasvorkommen gefunden wird, variiert von fast null bis zu 4 Vol.-%. Nur etwa ein Zehntel der in Betrieb befindlichen Erdgasfelder weist wirtschaftlich vertretbare Heliumkonzentrationen von mehr als 0,4 % auf.

Helium kann auch durch Verflüssigung von Luft und Trennung der einzelnen Gase hergestellt werden. Die Herstellungskosten für dieses Verfahren sind hoch und der Heliumgehalt der Luft sehr gering. Obwohl diese Methode häufig zur Herstellung anderer Gase wie Stickstoff und Sauerstoff verwendet wird, wird sie selten zur Herstellung von Helium verwendet.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Helium wird normalerweise als Nebenprodukt bei der Erdgasverarbeitung hergestellt. Erdgas enthält Methan und andere Kohlenwasserstoffe, die bei der Verbrennung von Erdgas die Hauptquellen der Wärmeenergie sind. Die meisten Erdgasvorkommen enthalten auch kleinere Mengen an Stickstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid, Helium und anderen nicht brennbaren Materialien, die die potentielle Wärmeenergie des Gases senken. Um Erdgas mit akzeptabler Wärmeenergie zu produzieren, müssen diese Verunreinigungen entfernt werden. Dieser Vorgang wird als Upgrade bezeichnet.

Es gibt verschiedene Methoden, um Erdgas aufzuwerten. Wenn das Gas mehr als etwa 0,4 Vol.-% Helium enthält, wird oft ein kryogenes Destillationsverfahren verwendet, um den Heliumgehalt zurückzugewinnen. Nachdem das Helium aus dem Erdgas abgetrennt wurde, wird es einer weiteren Raffination unterzogen, um es für die kommerzielle Nutzung auf eine Reinheit von über 99,99 % zu bringen.

Hier ist ein typischer Arbeitsablauf zur Gewinnung und Verarbeitung von Helium.

Vorbehandlung

Da bei diesem Verfahren ein extrem kalter Kryobereich als Teil des Prozesses verwendet wird, müssen alle Verunreinigungen, die sich verfestigen könnten – wie Wasserdampf, Kohlendioxid und bestimmte schwere Kohlenwasserstoffe – zunächst in einem Vorbehandlungsprozess aus dem Erdgas entfernt werden, um zu verhindern, dass sie Verstopfen der kryogenen Rohrleitungen.

• 1 Das Erdgas wird auf etwa 800 psi (5,5 MPa oder 54 atm) unter Druck gesetzt. Anschließend fließt es in einen Wäscher, wo es einem Sprühnebel aus Monoethanolamin ausgesetzt wird, der das Kohlendioxid aufnimmt und abtransportiert.
• 2 Der Gasstrom passiert ein Molekularsieb, das die größeren Wasserdampfmoleküle aus dem Strom entfernt, während die kleineren Gasmoleküle durchgelassen werden. Das Wasser wird aus dem Sieb zurückgespült und entfernt.
• 3 Alle schweren Kohlenwasserstoffe im Gasstrom werden auf den Oberflächen eines Aktivkohlebetts gesammelt, wenn das Gas durch dieses hindurchströmt. In regelmäßigen Abständen wird die Aktivkohle nachgeladen. Der Gasstrom enthält jetzt hauptsächlich Methan und Stickstoff, mit geringen Mengen Helium, Wasserstoff und Neon.

Trennen

Erdgas wird durch einen Destillationsprozess, der als fraktionierte Destillation bekannt ist, in seine Hauptkomponenten getrennt. Manchmal wird dieser Name zu Fraktionierung abgekürzt, und die vertikalen Strukturen, die zur Durchführung dieser Trennung verwendet werden, werden Fraktionierungssäulen genannt. Bei der fraktionierten Destillation werden Stickstoff und Methan in zwei Stufen getrennt, wobei ein Gasgemisch mit hohem Heliumanteil zurückbleibt. In jeder Stufe wird die Konzentration oder Fraktion jeder Komponente erhöht, bis die Trennung abgeschlossen ist. Im Erdgas Alle Verunreinigungen, die sich verfestigen und die Kryoleitungen verstopfen könnten, werden in einem Vorbehandlungsprozess aus dem Erdgas entfernt . Nach der Vorbehandlung werden die Erdgaskomponenten in einem Prozess namens fraktionierte Destillation getrennt. In der Industrie wird dieser Prozess manchmal als Stickstoffabweisung bezeichnet, da seine Hauptfunktion darin besteht, überschüssige Stickstoffmengen aus dem Erdgas zu entfernen.

• 4 Der Gasstrom passiert eine Seite eines Plattenwärmetauschers, während sehr kaltes Methan und Stickstoff aus dem kryogenen Abschnitt die andere Seite passieren. Der einströmende Gasstrom wird gekühlt, während Methan und Stickstoff erwärmt werden.
• 5 Der Gasstrom strömt dann durch ein Expansionsventil, das eine schnelle Expansion des Gases ermöglicht, während der Druck auf etwa 145-360 psi (1,0-2,5 MPa oder 10-25 atm) abfällt. Diese schnelle Expansion kühlt den Gasstrom bis zu dem Punkt ab, an dem sich das Methan zu verflüssigen beginnt.
• 6 Der Gasstrom – jetzt teils flüssig und teils gasförmig – tritt in den Boden der Hochdruckfraktionierungskolonne ein. Während sich das Gas durch die internen Leitbleche in der Kolonne nach oben bewegt, verliert es zusätzliche Wärme. Das Methan verflüssigt sich weiter und bildet im Sumpf der Kolonne ein methanreiches Gemisch, während der größte Teil des Stickstoffs und anderer Gase nach oben strömt.
• 7 Das flüssige Methangemisch, Rohmethan genannt, wird aus dem Sumpf der Hochdrucksäule abgezogen und im Rohölunterkühler weiter abgekühlt. Es passiert dann ein zweites Expansionsventil, das den Druck auf etwa 22 psi (150 kPa oder 1,5 atm) senkt, bevor es in die Niederdruck-Fraktionierungssäule eintritt. Während das flüssige Methan die Kolonne hinunterarbeitet, wird der größte Teil des verbleibenden Stickstoffs abgetrennt, so dass eine Flüssigkeit übrig bleibt, die nicht mehr als etwa 4% Stickstoff und als Rest Methan enthält. Diese Flüssigkeit wird abgepumpt, erwärmt und verdampft, um zu veredeltem Erdgas zu werden. Der gasförmige Stickstoff wird am Kopf der Niederdrucksäule abgeführt und entweder abgelassen oder zur Weiterverarbeitung aufgefangen.
• 8 Währenddessen werden die Gase vom Kopf der Hochdrucksäule in a . abgekühlt Nach der Trennung vom Erdgas wird das Rohhelium in einem mehrstufigen Prozess mit mehreren verschiedenen Trennverfahren je nach Reinheit des Rohheliums und Verwendungszweck des Endprodukts. Kondensator. Ein Großteil des Stickstoffs kondensiert zu Dampf und wird am Kopf der Niederdrucksäule zugeführt. Das verbleibende Gas wird Rohhelium genannt. Es enthält ca. 50-70 % Helium, 1-3 % unverflüssigtes Methan, geringe Mengen Wasserstoff und Neon und den Rest Stickstoff.

Reinigen

Rohes Helium muss weiter gereinigt werden, um die meisten anderen Materialien zu entfernen. Dies ist in der Regel ein mehrstufiger Prozess, der je nach Reinheit des Rohheliums und der beabsichtigten Anwendung des Endprodukts mehrere unterschiedliche Trennverfahren umfasst.

• 9 Das Rohhelium wird zuerst auf etwa -315° F (-193° C) abgekühlt. Bei dieser Temperatur kondensiert der größte Teil des Stickstoffs und des Methans zu einer Flüssigkeit und wird abgeleitet. Das verbleibende Gasgemisch besteht nun zu ca. 90 % aus reinem Helium.
• 10 Luft wird dem Gasgemisch hinzugefügt, um Sauerstoff bereitzustellen. Das Gas wird in einem Vorwärmer erwärmt und dann über einen Katalysator geleitet, wodurch der größte Teil des Wasserstoffs im Gemisch mit dem Sauerstoff der Luft reagiert und Wasserdampf bildet. Anschließend wird das Gas abgekühlt, der Wasserdampf kondensiert und abgelassen.
• 11 Das Gasgemisch tritt in eine Druckwechseladsorptionsanlage (PSA) ein, die aus mehreren parallel arbeitenden Adsorptionsbehältern besteht. In jedem Gefäß befinden sich Tausende von Partikeln, die mit winzigen Poren gefüllt sind. Wenn das Gasgemisch diese Partikel unter Druck durchdringt, werden bestimmte Gase in den Partikelporen eingeschlossen. Der Druck wird dann verringert und der Gasstrom umgekehrt, um die eingeschlossenen Gase zu spülen. Dieser Zyklus wird je nach Gefäßgröße und Gaskonzentration nach wenigen Sekunden oder wenigen Minuten wiederholt. Dieses Verfahren entfernt den größten Teil des verbleibenden Wasserdampfs, Stickstoffs und Methans aus dem Gasgemisch. Das Helium ist jetzt zu etwa 99,99% rein.

Verteilen

Helium wird entweder als Gas bei normalen Temperaturen oder als Flüssigkeit bei sehr niedrigen Temperaturen verteilt. Gasförmiges Helium wird in Zylindern aus geschmiedetem Stahl oder einer Aluminiumlegierung bei Drücken im Bereich von 900-6.000 psi (6-41 MPa oder 60-410 atm) verteilt. Flüssiges Helium wird in großen Mengen in Isolierbehältern mit einem Fassungsvermögen von bis zu etwa 14.800 Gallonen (56.000 Liter) verteilt.

• 12 Wenn das Helium verflüssigt werden soll oder eine höhere Reinheit erforderlich ist, werden das Neon und alle Spuren von Verunreinigungen entfernt, indem das Gas über ein Aktivkohlebett in a . geleitet wird Helium wird entweder als Gas bei normalen Temperaturen oder als Flüssigkeit bei sehr niedrigen Temperaturen verteilt. kryogener Adsorber, der bei etwa –423 °F (-253 °C) arbeitet. Mit diesem letzten Schritt können Reinheitsgrade von 99,999 % oder besser erreicht werden.
• 13 Das Helium wird dann in den Verflüssiger geleitet, wo es durch eine Reihe von Wärmetauschern und Expandern fließt. Wenn es fortschreitend abgekühlt und expandiert wird, sinkt seine Temperatur auf etwa -452 ° F (-269 ° C) und es verflüssigt sich.
• 14 Große Mengen flüssiges Helium werden normalerweise in nicht belüfteten Druckbehältern transportiert. Wenn die Sendung innerhalb der kontinentalen Vereinigten Staaten erfolgt, beträgt die Versandzeit normalerweise weniger als eine Woche. In diesen Fällen wird das flüssige Helium in großen, isolierten Tankaufliegern platziert, die von Sattelzugmaschinen gezogen werden. Der Tankkörper besteht aus zwei Schalen mit einem Vakuumraum zwischen der inneren und äußeren Schale, um den Wärmeverlust zu verzögern. Innerhalb des Vakuumraums stoppen mehrere Schichten reflektierender Folie den Wärmefluss von außen weiter. Für längere Transporte nach Übersee wird das Helium in spezielle Versandbehälter gelegt. Neben einem Vakuumraum zur Isolierung verfügen diese Behälter auch über eine zweite Hülle, die mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist, um die Wärme von außen aufzunehmen. Bei der Aufnahme von Wärme verdampft der flüssige Stickstoff und wird abgelassen.

Qualitätskontrolle

Die Compressed Gas Association legt Klassifizierungsstandards für Helium basierend auf der Menge und Art der vorhandenen Verunreinigungen fest. Kommerzielle Heliumqualitäten beginnen mit Klasse M, die eine Reinheit von 99,995 % hat und begrenzte Mengen an Wasser, Methan, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon und Wasserstoff enthält. Andere höhere Qualitäten umfassen Klasse N, Klasse P und Klasse G. Klasse G ist zu 99,9999% rein. Regelmäßige Probenahmen und Analysen des Endprodukts stellen sicher, dass die Reinheitsstandards eingehalten werden.

Die Zukunft

1996 schlug die US-Regierung vor, das staatlich finanzierte Lagerprogramm für Helium einzustellen. Dies hat viele Wissenschaftler beunruhigt. Sie weisen darauf hin, dass Helium im Wesentlichen ein Abfallprodukt der Erdgasverarbeitung ist und ohne ein staatliches Lager das meiste Helium einfach in die Atmosphäre abgelassen wird, wo es in den Weltraum entweicht und für immer verloren geht. Einige Wissenschaftler sagen voraus, dass in diesem Fall die bekannten Heliumreserven auf der Erde bis zum Jahr 2015 erschöpft sein könnten.