Гелий технически для чего и применение

измерительные приборы, аналитическая аппаратура, лабораторное оборудование, расходные материалы

В эпоху всеобщего увлечения водородом разного цвета, «Газпром» представил широкому кругу специалистов уникальную установку по извлечению гелия и производству гелиевого концентрата. Эта разработка может стать одной из самых успешных технологий на газовом рынке, которая позволит России в будущем стать лидером по производству гелия. Гелий – поистине уникальный газ без цвета, вкуса и запаха. Он не токсичен, не горюч, не взрывоопасен и феноменально химически пассивен. По распространенности во вселенной он занимает второе место после водорода. Этот газ впервые зафиксировали в короне Солнца в 1868 году, и только через 27 лет обнаружили в минералах Земли. Не зря один из первооткрывателей этого газа англичанин Норман Локьер присвоил ему название «гелий» (от древнегеческого ἥλιος — «солнце»). Гелий является лучшим проводником электричества среди газов и вторым проводником тепла после водорода.

Воспользуйтесь нашими услугами

Температура его кипения самая низкая из всех известных человечеству веществ равна минус 269 градусов Цельсия. Температуры плавления у этого газа нет вообще, поскольку жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает. Эти свойства делают гелий незаменимым газом в отдельных отраслях промышленности.

Гелий не горит, не взрывается, не оказывает токсического воздействия на организм человека и не загрязняет окружающую среду.

Гелий марки А и марка Б отличаются чистотой газа. Можно сказать, что гелий марки а – это первый сорт, а гелий марки Б – второй. Гелий марки А производится по более высоким требованиям, поэтому объемная доля чистого гелия составляет 99,995%. В случае с маркой “Б” это число ниже – 99,99%.

Так, современные эксперты называют цифру в 45,6 миллиарда метров кубических, притом что объемы производства перевалили за 110 миллионов еще в 2003 году.

Немного истории

Сегодня уже мало кто вспомнит, что открытие элемента произошло еще 18 августа 1868 года, когда известный французский ученый решил исследовать солнечную хромосферу в момент полного затмения звезды в одном из индийских городов. Примечательно, что всего лишь через 3 месяца такое же открытие было сделано в Англии, правда, тогда о его неактуальности еще никто не знал, ввиду более сложной корреспонденции научных данных.

В 1881 году итальянский вулканолог Луиджи Пальмери, исследовавший Везувий, также идентифицировал это вещество, поспешив сообщить о своей находке общественности

Но самое важное событие в области открытия гелия произошло 27 годами позже, когда он был впервые выявлен в недрах планеты. Тогда газ удалось добыть из такого распространенного минерала, как клевеит, и со временем именно он использовался учеными для того, чтобы установить величину его удельного веса и других физических параметров.

Со временем исследователи научились получать гелий в жидком виде, для чего впервые довелось применить процедуру дросселирования. В отличие от этого попытки добывать твердый гелий долгое время не увенчивались успехом. Ситуация изменилась только в 1926 году, когда вдобавок к охлаждению было применено и критическое понижение атмосферного давления до 35 атм, в результате чего удалось выделить кристаллическую решетку вещества.

Получение и применение

Удивительно, но, несмотря на свое внушительное распространение во всей Вселенной, гелий довольно редко встречается на Земле. Разной является и природа образования этого элемента на Земле и в космосе, так как в первом случае его выделение происходит за счет распада альфа-частиц тяжелых элементов. В итоге часть вещества проходит через земные породы, сливаясь с природным газом и демонстрируя концентрацию от 7 процентов от общего объема и выше.

В настоящее время месторождения, в которых наблюдаются большие залежи гелия, имеются на территории таких стран, как Индия, Бразилия, Россия и Танзания. Естественно, речь идет о гелийсодержащих газах, которые используются в промышленности для выведения чистого элемента или его производных. Для этого применяется процедура охлаждения посредством дросселирования, и в этом случае сложность разжижения элемента в значительной мере облегчает процесс.

На выходе удается получить смесь, состоящую не только из гелия, но и из водорода и неона, после чего производится очистка. В итоге доля сырого гелия будет составлять около 70−90 процентов от общего объема. После финишной фильтрации продукт, который, как известно, не может гореть, а следовательно, и не представляет никакой угрозы, транспортируясь в металлических баллонах, изготовленных в соответствии с ГОСТ 949–73 . Если же стоит вопрос о перевозке сжиженного газа, то в ход идут специальные сосуды марки СТГ-10 и СТГ-25.

Из минералов

Гелий может быть получен из некоторых радиоактивных минералов. К этой категории горных пород относятся:

• Клевеит,
• Фергюсонит,
• Монацит.

Производство гелия из минералов осуществляется, если концентрация газа составляет более 1см3 в одном грамме руды. Для того, чтобы извлечь газ из горной породы её нагревают до 1000ºС. При такой температуре гелий выделяется вместе с углекислым газом, который затем удаляют с помощью едкого натрия. В результате очистки получается очень чистый газ, который можно сразу использовать.

Применение в науке и промышленности

Получают гелий в промышленном масштабе из природного газа. В этом случае, концентрация инертного вещества составляет 0,1%, что при больших объёмах переработки позволяет получить необходимое количество этого вещества.

Свойства гелия

Особенностью этого газа является его неспособность приобрести твёрдое состояние. Газ остаётся жидким даже при температуре абсолютного нуля (-271ºС).

Этот относительно редкий газ обладает следующими свойствами:

• Небольшой вес.
• Низкая температура кипения.
• Не вступает в реакцию с другими веществами.
• Не имеет цвета, запаха и вкуса.
• При определённых условиях обладает сверхтекучестью.

Гелий находится на втором, после водорода, месте по лёгкости. Этот газ легче воздуха в 7,26 раза. Также этот элемент обладает очень низкой температурой кипения, которая составляет -268,94ºС. Сверхтекучесть наблюдается у гелия при температуре -271ºС. В этом состоянии жидкое вещество полностью утрачивает вязкость и способно без трения проникать сквозь мельчайшие трещины.

Гелий не имеет запаха, цвета и вкуса, является безопасным для здоровья человека. Кроме этого газ является негорючим, т. к. не вступает в химические реакции с другими веществами, что значительно облегчает доставку газовых баллонов.

Требования и нормы к физико-химическим показателям гелия газообразного

*Объемная доля гелия дана в пересчете на сухое вещество

Гелий газообразный высокой чистоты ТУ 0271-001-45905715-02 с изм

Гелий газообразный перевозят в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, с вентилями КВБ-53М или аналогичными, и специализированных контейнерах, предназначенных для перевозки гелия, всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта.

Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах типа СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объемом 25 и 40 литров соответственно. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении. Могут перевозиться железнодорожным, автомобильным и другими видами транспорта в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта.

Технические характеристики

Основной проблемой производства товарного гелия является то, что на Земле он содержится в основном в природных газах, причем в незначительных количествах: в тысячных, сотых и очень редко – в десятых долях процента. По примерным оценкам, мировые запасы гелия составляют порядка 40 млрд кубометров. В России сосредоточено около 34% этих запасов, при этом основная доля всех отечественных ресурсов гелия приходится на месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока. Второе место по запасам гелия занимает Катар (21-25%), третье и четвертое места делят США (18%) и Алжир (17%).

Тот факт, что гелий является лишь примесью в природных газах, добываемых в качестве энергоресурсов, и определяет двойственность процессов производства гелия. Масштабное развитие цифровых технологий только начинается, а вот месторождения газа, обладающие серьезными запасами гелия, уже разрабатываются. Волей не волей, производство гелия превышает текущий спрос на него. В результате, часть гелия отправляют сразу на переработку, а другую часть – в виде концентрата закачивают в специальные хранилища.

От акваланга до адронного коллайдера

Гелий используется в атомной промышленности, в космических технологиях, в производстве деталей мобильных телефонов, полупроводников, жидкокристаллических экранов, оптических волокон, вычислительной и измерительной техники, для охлаждения ядерных реакторов и в других областях.

Благодаря низкой температуре кипения и уникальной сверхтекучести гелий активно применяется в криогенных системах. Порядка 28% мирового спроса на «солнечный» газ приходится на сферу производства и эксплуатации медицинской техники, где жидкий гелий используется для охлаждения сверхпроводящих магнитов в аппарате МРТ.

Гелий применяют в охладительной системе синхрофазотронов, в том числе построенном в городе Дубна. Но высшей ступенью стало применение этого газа в многоступенчатой охладительной системе ускорителя Большого андроннного коллайдера, созданного в рамках проекта CERN недалеко от Женевы. Работа коллайдера требует поддержки температуры в минус 271,25 градуса Цельсия, что под силу обеспечить только гелию.

Еще 18% мирового потребления гелия приходится на разные виды сварочных работ, 15% – на сферу электроники, в том числе для охлаждения во время производства экранов гаджетов и при создании оптического волокна. Сверхтекучесть гелия позволяет использовать этот газ для поиска утечек в трубопроводах и котлах, а его легкость — для закачки в баллоны для метеозондов и аэростатов. Кроме того, гелий используется в геологии для определения глубоких разломов, изучения глубинных недр Земли и поиска геотермальных источников.

Отдельной областью применения является создание дыхательных смесей для глубоководного погружения водолазов. Российские ученные на основе этого опыта сейчас разрабатывают методики применения газовых смесей с гелием для лечения от коронавирусной инфекции.

«Вышеперечисленные области использования относятся к гелию-4. Однако в составе гелия-4 содержится в миллионных долях его изотоп – гелий-3, имеющий стратегическое значение для науки и техники с учетом его способности вступать в реакции термоядерного синтеза практически без радиоактивного излучения. Это дает основание рассматривать гелий-3 как топливо термоядерных реакторов, за которыми будущее энергетики. Анализ областей использования гелия показывает, что с учетом уникальности свойств в ряде областей гелий невозможно заменить другими веществами»,  – отмечает в своей работе один из разработчиков мембранной установки по извлечению гелиевого концентрата заместитель начальника Центра предпроектных исследований Саратовского филиала «Газпром проектирование» Наталья Кисленко.

Как был открыт Гелий

Открытие такого химического элемента как гелий произошло 18 августа 1868 года в Индии. Французский астроном Жуль Янссен, во время полного солнечного затмения в Гунтуре, заметил ярко-желтую линию исходящую от солнца. Во время изучения хромосферы солнца астроном выяснил, что длинна волны составляет 587.49 нм. Ученый изначально принял эту линию за ионы натрия. 20 октября, того же 1868 года, английский астроном Норман Локьер так же выделил эту линию в спектре излучения Солнца, но в отличии от Янссена, он предположил что эта линия вызвана каким-то элементом на Солнце, которого не существует на Земле. Норман Локьер и Эдвард Франкленд назвали этот неизвестный элемент греческим словом солнце( helios ).

В 1881 году итальянский физик Луиджи Пальмиери обнаружил Гелий на Земле изучав вещества после извержения Везувия. 26 марта 1895 года шотландский химик Уильям Рамсей впервые искуственно выделил гелий обработав минеральный клевеит минеральными кислотами. В этом же году два Шведских ученых Теодор Клив и Абрахам Ланглет смогли собрать достаточное количество газа, чтобы точно определить его атомный вес. В 1908 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес впервые провел сжиживание гелия. Удалось ему это благодаря понижению температуры до -5 кельвинов или -278 °С. В 1926 году ученику Оннеса Виллему Хендрику Кисому удалось отвердить 1 см3 гелия под высоким давлением. Затем русский физик Петр Леонидович Капица благодаря исследования изотопа гелия-4 ввел понятие сверхтекучести. Сверхтекучесть – представляет собой состояние при котором вещество почти не имеет вязкости. Ему удалось выявить это при температуре гелия близкой к 0 по Кельвину.

Читайте: Водород как химический элемент таблицы Менделеева

Применение гелия не ограничивается только наполнением воздушных шариков. Этот газ широко применяется в науке и промышленности.

Наиболее часто гелий используется для:

• Охлаждения ядерных реакторов.
• Для производства чистых металлов.
• Производства лазеров.
• Заполнения газоразрядных трубок.
• Получения сверхнизких температур, в качестве хладагента.
• Наполнения метеорологических зондов.
• Использования в качестве смеси для дыхания при погружении с аквалангом.

Этот газ также используется в геологии для получения гелиевой съёмки, с помощью которой можно обнаружить глубинные разломы с поверхности Земли. По выделению газа также удаётся обнаружить геотермальные источники. В таких местах выделение гелия из земной поверхности значительно превышает норму.

Гелий может быть использован при сварке металлов в защитной среде газа. Этот элемент вытесняет кислород во время нагрева металла до высокой температуры, тем самым предотвращая последующее окисление и разрушение металлической поверхности.

Интересные свойства гелия

Начнем с того, что гелий не может вступать в химические реакции вовсе, а так же не имеет степеней окисления. Гелий – одноатомный газ, и имеет всего лишь один электронный уровень (оболочку), являясь крайне устойчивым газом, так как имеет полностью заполненный электронами первый уровень, что говорит о сильном воздействии ядра на электроны. Атомы гелия, не то, что не реагируют с другими веществами, более того, они не соединяются даже друг с другом.

Жидкий гелий имеет ряд абсолютно уникальных свойств. В 30 годах 20-го века, при еще меньших температурах было замечено крайне странное и невероятное явление – когда гелий охлаждается до температуры всего на 2 градуса превышающей абсолютный ноль, происходит его неожиданная трансформация. Поверхность жидкости становится абсолютно спокойной и гладкой, ни единого пузырька, ни малейшего бурления жидкости.  Жидкий гелий превращается в сверхтекучую жидкость. Такой гелий может забраться по стенкам и «сбежать» из сосуда, в котором он хранится, это происходит из за нулевой вязкости сжиженного газа. Он может стать фонтаном, обладающим нулевым трением, а значит, такой фонтан может течь бесконечно. Несмотря на все теории, ученые установили, что сжиженный гелий это непросто жидкость. Например, начиная с 2He, оказалось, что сжиженный газ состоит из двух взаимопроникающих жидкостей:  нормальной (вязкой) и сверхтекучей (нулевая вязкость) компоненты. Сверхтекучая компонента является идеальной и обладает нулевым трением, при протекании в любых сосудах и капиллярах.

Что же касается твердого гелия, то на данный момент, ученые проводят многочисленные опыты и эксперименты. Твердый 4He обладает квантовым эффектом, таким как кристаллизационная волна. Этот эффект основан на колебании границы раздела фаз в системе – «кристалл – жидкость». Достаточно немного качнуть такой гелий, и граница фаз между жидкостью и твердым веществом будет схожа с границей двух жидкостей!

Гелий используют для упаковки продуктов питания по технологии MAP (так называемая модифицированная газовая среда или регулируемая атмосфера).

Гелиевая среда защищает продукты от окисления, подавляет жизнедеятельность болезнетворных бактерий.

Гелий может быть использован в качестве пропеллента в аэрозолях малого объема.

Жидкий гелий применяют для охлаждения деталей аппаратов магнитно-резонансной томографии.

Газообразное вещество в качестве пропеллента используют в медицинских аэрозолях.

Смесь гелия и кислорода — эффективное средство для облегчения состояния при астме. Гелий обладает высокой проникающей способностью. Вдыхание подогретого газа:

• ускоряет транспорт кислорода, улучшает газообмен в легких;
• разжижает мокроту;
• восстанавливает кислотно-щелочной баланс;
• расслабляет гладкую мускулатуру, облегчая дыхание.

Лечебная смесь восстанавливает силы после тяжелых физических нагрузок, улучшает питание клеток, повышает сопротивляемость организма.

Гелиево-кислородная смесь хорошо зарекомендовала себя в терапии острых отравлений наркотическими и химическими веществами.

Лазер на основе гелия и неона — популярный атрибут современных медицинских и косметологических клиник. С его помощью ускоряют заживление ран, улучшают мозговое кровообращение, облегчают состояние при остеохондрозе. Гелий-неоновый лазер применяют для разрушения раковых клеток.

В косметологии прибор используют для лечения угревой сыпи, рассасывания рубцов.

Уникальные свойства гелия нашли применение в различных технических сферах:

• космонавтике (смесь для атмосферы обитаемых космических станций);
• топливной системе ракет;
• машиностроении (сварка);
• низкотемпературной, термоядерной и ядерной энергетике;
• воздухоплавании: наполнение аэростатов, дирижаблей и подобных летательных аппаратов.

Во многих отраслях гелий невозможно заменить другими веществами.

Из природного газа

В промышленном масштабе этот элемент добывают из природного газа. К сожалению, не каждое газовое месторождение подходит для организации производства гелия. Получение гелия из природного газа только в том случае может считаться рентабельным, если его концентрация составляет более 0,055%. Выделение гелия из газовой смеси осуществляется в результате сильного охлаждения природного газа.

Процесс добычи осуществляется в два этапа:

• Получение концентрата.
• Очистка концентрата до получения технически чистого инертного газа.

Концентрат представляет собой смесь различных газов, в которой содержание гелия составляет около 70%. На заключительном этапе производится очистка газа от водорода и других примесей методом сжатия и охлаждения, а также пропускания жидкого гелия через адсорбер из активированного угля. После завершения операции газ можно заправлять в баллоны.

Из воздуха

В атмосферном воздухе содержание гелия очень мало, но в процессе добычи азота и кислорода этот газ образуется в качестве побочного продукта. Технологический процесс получения этих элементов основан на разнице температуры конденсации газа. После «выпаривания» азота и кислорода в специальных ректификационных колоннах, в ёмкости остаётся неон и гелий. Неон выделяется из смеси с помощью жидкого водорода, в котором этот газ затвердевает. Можно также отделить гелий активированным углем, который охлаждается жидким азотом.

Специально заниматься добычей гелия из воздуха экономически нецелесообразно. В сравнении с производством этого вещества из природного газа финансовые затраты возрастают в тысячи раз.

Воздушный шарик станет золотым

Таким образом, в будущем спрос на гелий будет только расти вслед за развитием новых высокотехнологичных отраслей промышленности. Подталкивать спрос на него будут всё более активное проведение медицинских исследований с помощью МРТ и коммерческое освоение космоса. По оценкам CREON Group, с 2016 по 2019 годы мировой спрос на гелий в космическом секторе вырос на 9%, а к 2024 году, он увеличится еще на 21%.

Не менее важным стимулом станет постоянное увеличение используемых людьми гаджетов. По данным экспертов, с 2016 по 2020 годы количество пользователей смартфонов в мире выросло с 3,7 миллиарда до 6,1 миллиарда человек. К 2024 году число мобильных устройств в мире достигнет 17,7 миллиарда штук.

Объем мирового производства и потребления гелия по разным оценкам до 2020г. составлял от 170-190 млн кубометров в год. Но уже в среднесрочной перспективе он может превысить 200 млн кубометров в год. По прогнозам Research and Markets, к 2025 году мировой рынок гелия достигнет 18,2 млрд долларов, увеличившись в среднем на 13%. Так что в скором времени простой шарик с гелием на детском утреннике станет по-настоящему золотым.

Три страны – три судьбы

Принцип выделения гелия из природного газа и закачки его в федеральное резервное хранилище впервые внедрили Соединенные Штаты Америки, которые уже около века являются главным потребителем и производителем гелия. До сих пор Соединенные Штаты обеспечивают около 50% поставок этого газа на мировой рынок. Между тем, еще десять лет назад их доля достигала 86%.

Частично поставки идут за счёт нового производства, а частично – за счёт извлечения гелия из хранилища Клиффсайд, которое было создано в 19 километрах от города Амарилло, штат Техас, еще в 1925 году. Максимальный объем хранилища достигал порядка 1 млрд кубометров газа. В начале XX века хранилище обеспечивало поставки благородного газа для дирижаблей, в 1950 годах гелий стали использовать как охлаждающую жидкость при производстве оружия, затем этот газ нашел применение в бурно развивающихся космических технологиях. С 1990-ых годов предпринималось несколько попыток продажи запасов гелия либо приватизации хранилища Клиффсайд, но все они заканчивались появлением дефицита и резким ростом цен на «солнечный» газ. В итоге в 2013 году был принят специальный акт The Helium Stewardship Act, который продлил срок службы хранилища Клиффсайд. Документ также установил, что как только объемы гелия в хранилище снизятся с 300 млн кубометров до 100 млн кубометров, продажи гелия будут осуществляться только федеральным потребителям.

При этом США сокращают собственное потребление благородного газа, находя ему более дешевые заменители. К примеру, на производстве оптоволоконных кабелей вместо гелия можно использовать аргон и азот. Аргон также используют вместо гелия в сварке, водород – при обнаружении утечек (хотя очевидно, что водород более опасный в использовании газ), азот и водород – в хроматографии.

Катар, крупнейший производитель сжиженного природного газа, стал заниматься продажами гелия скорее для получения дополнительных доходов от побочного продукта. Концентрация гелия на катарских месторождениях не превышает 0,1% мольн. Но при производстве СПГ метан переходит в жидкое состояние примерно при минус 162 градусах Цельсия. После этого остаётся «мусорный» концентрат из гелия, водорода, кислорода и других газов. Объем гелия даже в этом замороженном коктейле небольшой, но он стоит в 20-30 раз дороже метана. Полученный гелий доставляется через Саудовскую Аравию в Дубаи в гелиевые логистические центры компаний Linde, Air Liquide и Iwatani. Сейчас доля Катара на мировом рынке, по разным оценкам, составляет от 21 до 25%.

Третье место по объемам поставок гелия на мировой рынок занимает Алжир. В этой стране сосредоточено 17% всех мировых запасов «солнечного» газа. Основной объём гелия извлекается из газа гигантского месторождения Хасси-Рмель (содержание гелия – 0,17%). Практически весь извлекаемый гелий идет во Францию, которая не столько потребляет благородный газ сама, сколько реэкспортирует его в другие страны. При этом объемы производства гелия в Алжире практически не растут, и к 2030 году не превысят 32 млн кубометров в год

Плотность гелия, его теплоемкость и теплопроводность

Теплофизические свойства гелия He в газообразном состоянии в зависимости от температуры и давления. Теплофизические свойства и плотность гелия в таблице даны при температуре от 0 до 1000°С и давлении от 1 до 100 атмосфер.

Следует отметить, что такие свойства гелия, как температуропроводность и кинематическая вязкость существенно зависят от температуры, увеличивая свои значения на порядок при нагревании на 1000 градусов. При увеличении давления эти свойства гелия уменьшают свои значения, при этом существенно возрастает плотность гелия.

При нормальных условиях плотность гелия равна 0,173 кг/м3 (при температуре 0°С и нормальном атмосферном давлении). С увеличением давления гелия, его плотность увеличивается пропорционально, например при 10 атм. плотность гелия составит уже величину 1,719 кг/м3 (при этой же температуре). При дальнейшем сжатии этого газа до 100 атм. плотность гелия станет равной 16,45 кг/м3. Таким образом, имеет место почти стократное увеличении плотности гелия относительно первоначального значения (при атмосферном давлении).

Как известно, самой низкой плотностью обладает такой газ, как водород, а гелий занимает второе место среди газов по величине плотности. Гелий считается наиболее оптимальным газом для заполнения аэростатов, применяемых в воздухоплавании, поскольку в отличие от водорода, он не создает с воздухом взрывоопасную смесь.

Так как плотность гелия значительно меньше воздуха, то при одинаковых температурах шары и аэростаты, наполненные гелием, имеют хорошую подъемную силу. Достаточно малая плотность гелия позволяет создавать беспилотные высотные аэростаты для погодных и научных исследований.

В таблице даны следующие свойства гелия:

• плотность гелия γ, кг/м3;
• удельная теплоемкость Ср, кДж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·град);
• динамическая вязкость μ, Па·с;
• температуропроводность a, м2/с;
• кинематическая вязкость ν, м2/с;
• число Прандтля Pr.

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100.

«Звезда по имени Солнце»

В СССР гелий использовался, в основном, в космических технологиях, поэтому он был внесен в список продуктов стратегического назначения и информация о нем была засекречена. Единственный завод по производству гелия – Оренбургский гелиевый завод – создавался на базе Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения. Запасы этого месторождения на данный момент истощены, а производство гелия на Оренбургском заводе не превышает 5 млн кубометров в год.

С запуском в эксплуатацию Чаяндинского и Ковыктинского месторождений газа в Восточной Сибири перед Россией открываются реальные перспективы стать новой звездой на мировом рынке «солнечного» газа. Содержание гелия в газе этих месторождений составляет от 0,2 до 0,8% мольн. С учетом объемов добычи природного газа на Чаянде и Ковыкте, объем извлечения гелия будет равен мировому уровню потребления, и составит порядка 180 млн кубометров в год.

«При любом прогнозном варианте более половины добытого с газом гелия, не будет востребовано мировым рынком в ближайшие годы. Но с учетом того, что второго шанса по открытию месторождений с высоким содержанием гелия в России может не быть, необходимо обеспечить сохранение этого ценного и уникального продукта», – отмечает Н.Кисленко.

Согласно технологическому решению, треть этого газа (60 млн кубометров в год) будет поставляться для дальнейшей переработки на Амурский газоперерабатывающий завод. В случае роста рыночной потребности завод может увеличить производство товарного гелия до 80 млн кубометров в год.

Остальные объемы в виде концентрата будут закачиваться в подземные хранилища в обособленных продуктивных пластах Чаяндинского месторождения. Такое хранилище сможет содержать свыше 5 млрд кубометров гелия в течение нескольких десятилетий. Это и позволит России долгое время оставаться мировым лидером производства благородного газа.

Революционная мембрана

Первая из трех очередей по производству гелия мощностью в 20 млн кубометров в год была запущена на Амурском ГПЗ в сентябре прошлого года. После вывода ГПЗ на полную производительность в 60 млн кубометров гелия, завод станет мировым лидером по производству «солнечного» газа. Произведенный в сентябре жидкий гелий был отгружен в страны азиатско-тихоокеанского региона через созданный крупнейший в мире гелиевый хаб. Изоконтейнеры, в которых перевозится жидкий гелий, позволяют поддерживать температуру до минус 269 градусов Цельсия, обеспечивающую сохранение гелия в жидком состоянии.

С учетом того, что на Амурском ГПЗ одновременно с гелием выделяется азот, было принято решение о применении традиционной криогенной технологии.

Между тем, газ Чаяндинского месторождения помимо гелия содержит высокий процент легких углеводородов С2+ , поэтому при получении гелиевого концентрата для хранения применяется уже принципиально иная – мембранная технология. Она менее капиталоемкая, более энергоэффективная и простая в эксплуатации. Мембранная установка дает возможность извлекать гелий в небольших объемах (менее 2% объема от исходного газа) в виде концентрата, то есть смеси гелия и метана. Одновременно эта технология позволяет получать целую гамму легких углеводородов, служащих сырьем для полимерной и химической продукции.

Принципом работы мембранных систем является разница в скорости проникновения компонентов газа через материал мембраны. Основной поток газа проходит мембрану байпасом практически без потерь давления. Целевые компоненты проходят через мембрану со значительными потерями давления. В данном случае потоком низкого давления является гелиевый концентрат, содержащий до 40% мольн. гелия в своем составе. В соответствии с разработанной технологией, доля гелиевого концентрата от объема сырьевого газа не превышает 2% При этом наличие примесей в виде углеводородов не оказывают негативного влияния на данный процесс. Гелиевый концентрат, выделенный с использованием 2-х ступенчатой схемы мембранного газоразделения, компримируется и направляется на закачку. Подготовленный газ, содержащий не более 0,05% мольн. гелия, смешивается с байпасным газом (не прошедшим через установку) и поступает на Амурский ГПЗ.

Первая экспериментальная мембранная установка по извлечению гелия была построена еще в 2013 году и проходила испытания на Ковыктинском газоконденсатном месторождении. Испытания были признаны успешными, и в марте 2020 года на Чаяндинском месторождении была введена в эксплуатацию уже первая промышленная мембранная установка. Она включает 2 ступени газоразделения и состоит из шести технологических линий, производительность каждой из которых достигает 5,32 млрд кубометров природного газа в год. Вывод мембранной установки на полную мощность ожидается в 2024г.

Установка мембранного выделения гелиевого концентрата является по-настоящему прорывной отечественной инновационной технологией, не имеющей аналогов в мировой практике. Успешное применение на Чаяндинском месторождении позволит масштабировать и расширить сферу ее применения на других месторождениях «Газпрома».

Но основная задача мембранной установки – превратить Россию в лидера по производству гелия именно тогда, когда «солнечный» газ будет наиболее востребованным.

Использование в промышленности гелия и радона

Гелий получают из природных газов, которые предварительно очищаются от примесей и влаги.

Сухой газ, проходя несколько этапов, охлаждается до такой температуры, когда все его компоненты конденсируются в жидкость, лишь гелий остается газообразным. Через верхнюю часть разделительного аппарата он выводится наружу. Налажено производство и жидкого гелия. Он играет большую роль в современной физике и криогенной технике.

В газообразном виде легкий и инертный гелий — идеальный наполнитель для дирижаблей. Благодаря налаженному промышленному получению гелия, идея дирижаблестроения в стране возрождается.

Находят применение и радиоактивные изотопы благородных газов. Радиоизотопы ксенон-133 используется для исследования спинного мозга и кровотока головного мозга. Прибор, регистрирующий радиоактивность, определяет локализацию изотопа ксенона и помогает ставить правильный диагноз.

Радон — радиоактивный газ, он дочерний элемент изотопа радия-226. Используя хорошую растворимость радона в воде, медицина поставила его на службу человека. Растворенный радон диффундирует через кожу и оказывает благотворительное воздействие на центральную нервную систему, а через нее и на другие органы человека. Поэтому широко распространено лечение радоновыми ваннами.

В геологии изотопом аргон-40 определяют абсолютный возраст горных пород по методу советского ученого Герлинга. В основе метода лежит процесс распада радиоактивного изотопа калия-40 с образованием основного изотопа аргона-40.

В электровакуумной промышленности используют свойство инертных газов светиться, если через них пропускать электрический разряд. Промышленность выпускает очень широкий ассортимент газоразрядных источников света.

На основе изучения благородных газов складывался ряд фундаментальных научных законов. Все отчетливее выявляется их значение в познании Земли и космоса.

Способы получения гелия

Купить газовый баллон с гелием или заправить пустую ёмкость в наши дни не составит большого труда. Несмотря на это стоимость этого газа довольно велика, ведь добыча гелия представляет собой очень непростой технологический процесс. Несмотря на то, что гелий является вторым по распространённости газом во вселенной после водорода, на Земле этот элемент входит в состав различных газовых смесей в очень незначительной концентрации.

Об элементе

Ге́лий — второй элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2. Расположен в 18-й группе (по старой классификации — главной подгруппе восьмой группы), первом периоде периодической системы. Возглавляет группу инертных газов в периодической системе. Обозначается символом He (лат. Helium).

Простое вещество гелий — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Гелий — один из наиболее распространённых элементов во Вселенной, он занимает второе место после водорода. Также гелий является вторым по лёгкости (после водорода) химическим веществом. Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ.

Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой.

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому учёному-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло.

Физические свойства

Гелий — практически инертный химический элемент.Простое вещество гелий — нетоксичное, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (T = 4,215 K для 4He) наименьшая среди всех веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при нормальных условиях.

Химические свойства

Гелий — наименее химически активный элемент 18-й группы (инертные газы) и вообще всей таблицы Менделеева. Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He+2, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором).Энергия связи молекулярного иона гелия He+2 составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние — 1,09 Å.Известно эксимерное химическое соединение гелия LiHe.