Ropa a plyn

Hélium: vedľajší produkt plynárenského priemyslu



Jedinečné vlastnosti hélia z neho robia ideálny plyn pre mnoho dôležitých aplikácií


Kvetina hélia: Väčšina ľudí počula, že sa hélium používa ako zdvíhací plyn pre meteorologické balóny, letáky a spoločenské balóny. Toto sú veľmi malé použitia hélia. Použitie, ktoré spotrebuje viac hélia ako ktorékoľvek iné, je ochladzovanie magnetov v prístrojoch MRI (zobrazovanie magnetickou rezonanciou) v zdravotníckych zariadeniach. Blimák Goodyear od Dereka Jensena.

Čo je to hélium?

Hélium je chemický prvok a bezfarebný, bez zápachu, bez chuti, inertný plyn. Má najmenší atómový polomer akéhokoľvek prvku a druhú najnižšiu atómovú hmotnosť. Je ľahší ako vzduch.

Väčšina ľudí vie, že hélium sa používa ako zdvíhací plyn v balónoch a párty balónoch, ale nemôžu pomenovať iný spôsob, ako sa používa. Použitie hélia číslo jedna je ako chladiaci plyn pre prístroje na zobrazovanie magnetickou rezonanciou (MRI) používané v lekárskych zariadeniach. Medzi ďalšie dôležité použitia hélia patrí: ochranný plyn pre zváranie, inertný plyn pre výrobu v kontrolovanej atmosfére, fugitívny plyn používaný na detekciu úniku a plyn s nízkou viskozitou pre tlakové dýchacie zmesi.

Odkiaľ pochádza hélium?

V zemskej atmosfére je len veľmi malé hélium. Je to taký ľahký prvok, že gravitácia Zeme ho nedokáže udržať. Keď je nekonečné hélium prítomné na zemskom povrchu, okamžite začne stúpať, až kým unikne z planéty. To je dôvod, prečo balóny na párty stúpajú!

Hélium, ktoré sa vyrába komerčne, sa získava zo zeme. Niektoré polia zemného plynu majú dostatok hélia zmiešaného s plynom, aby sa mohol ťažiť za ekonomickú cenu. Niekoľko polí v Spojených štátoch obsahuje viac ako 7% hélia. Spoločnosti, ktoré v týchto oblastiach ťažia zemný plyn, vyrábajú zemný plyn, spracúvajú ho a hélium odstraňujú ako vedľajší produkt.

Ložiská zemného plynu obsahujúce hélium: Model depozitu pre ložiská zemného plynu s obsahom hélia v Spojených štátoch. Hélium sa produkuje rozpadom uránu a tória v granitoidných skaloch. Uvoľnené hélium je vznášajúce sa a pohybuje sa smerom k povrchu v pórovitosti spojenej s poruchami suterénu. Hélium sa potom pohybuje nahor cez pórovitý sedimentárny povlak, až kým nie je zachytené zemným plynom pod lôžkami anhydritu alebo soli. Toto sú iba laterálne perzistentné typy hornín, ktoré sú schopné zachytiť a obsahovať malé, vznášajúce sa atómy hélia. Táto geologická situácia sa vyskytuje iba na niekoľkých miestach na svete, a preto sú bohaté akumulácie hélia zriedkavé.

Súvisiace: Nové použitie pevných diskov hélium

Prečo je hélium v ​​niektorých zemných plynoch?

Predpokladá sa, že väčšina hélia, ktoré sa odstraňuje zo zemného plynu, sa tvorí z rádioaktívneho rozkladu uránu a tória v granitoidných horninách zemskej kontinentálnej kôry. Ako veľmi ľahký plyn je vztlak a snaží sa pohybovať nahor, len čo sa vytvorí. Najbohatšie akumulácie hélia sa nachádzajú tam, kde existujú tri podmienky: 1) granitoidné základné horniny sú bohaté na urán a tórium; 2) suterénne horniny sú zlomené a zlomené, aby poskytli únikové cesty pre hélium; a 3) pórovité sedimentárne horniny nad chybami v suteréne sú uzavreté nepriepustným tesnením halitu alebo anhydritu. 1 Ak sú splnené všetky tieto tri podmienky, môže sa v pórovitej sedimentárnej hornine nahromadiť hélium.

Hélium má najmenší atómový polomer akéhokoľvek prvku, asi 0,2 nanometra. Takže, keď sa formuje a začína sa pohybovať smerom nahor, môže zapadať do veľmi malých pórových priestorov v skalách. Halit a anhydrit sú jediné sedimentárne horniny, ktoré môžu blokovať migráciu atómov hélia smerom nahor. Bridlice, ktoré majú svoje pórovité priestory zapuzdrené bohatými organickými materiálmi (kerogén), niekedy slúžia ako menej účinná bariéra.

Ložiská zemného plynu obsahujúce hélium: Mapa znázorňujúca polia zemného plynu, ktoré slúžia ako dôležité zdroje hélia v Spojených štátoch. Zemný plyn vyrobený z týchto polí obsahuje od 0,3 do 7% hélia. Hélium sa z plynu odstráni na komerčný predaj. Obrázok pomocou údajov o polohe z geologického prieskumu Spojených štátov. 2

Kde je zemný plyn bohatý na hélium?

Väčšina nespracovaného zemného plynu obsahuje aspoň stopové množstvo hélia. Veľmi málo polí zemného plynu obsahuje dosť na to, aby bolo možné zdôvodniť proces obnovy hélia. Zdroj zemného plynu musí obsahovať najmenej 0,3% hélia, ktoré sa považuje za potenciálny zdroj hélia.

Svetové zdroje hélia
KrajinaMiliardy kubických metrov
Spojené štáty20.6
katar10.1
Alžírsko8.2
Rusko6.8
Kanada2.0
Čína1.1
Vyššie uvedené hodnoty sú odhadované zdroje hélia zo zhrnutí minerálnych komodít USGS. 3

V roku 2010 všetok zemný plyn spracovávaný na hélium v ​​Spojených štátoch prišiel z polí v Colorade, Kansase, Oklahome, Texase, Utahu a Wyomingu, ako je to znázornené na priloženej mape. Pole Hugoton v Oklahome, Kansase a Texase; Pole Panoma v Kansase; Pole Keyes v Oklahome; Panhandle West a Cliffside Fields v Texase a Riley Ridge Field vo Wyomingu zodpovedajú za väčšinu produkcie hélia v Spojených štátoch. 2

V priebehu roku 2010 USA vyrobili 128 miliónov kubických metrov hélia. Z tohto množstva bolo zo zemného plynu vyťažených 53 miliónov kubických metrov hélia a 75 miliónov kubických metrov bolo stiahnutých z národnej rezervy hélia. Ďalšími krajinami so známymi výrobnými množstvami boli: Alžírsko (18 mcm), Katar (13 mcm), Rusko (6 mcm) a Poľsko (3 mcm). Kanada a Čína vyrobili malé, ale neohlásené množstvo hélia. 3

Hélium v ​​MRI strojoch: Použitie hélia číslo jedna je ochladzovanie magnetov v zariadeniach MRI (zobrazovanie magnetickou rezonanciou) používaných na diagnostikovanie chorôb a zranení v zdravotníckych zariadeniach.

Nové využitie pre hélium: Prvý pevný disk hermeticky uzavretý bol vyrobený v roku 2013. Hélium umožňuje pohonu využívať menej energie, produkovať menej tepla, menej hluku, zaberať menej miesta, mať viac údajov a produkovať menej vibrácií ako štandardný pevný disk. Uč sa viac, fotografie

Použitie hélia

Hélium má množstvo vlastností, vďaka ktorým je mimoriadne vhodné na určité použitie. V niektorých z týchto použití je hélium najlepším možným plynom na použitie av niektorých nie je adekvátna náhrada za hélium. Ďalej je opísaných niekoľko použití hélia spolu s vlastnosťami, ktoré ho robia vhodným na použitie.

Magnetická rezonancia

Použitie hélia číslo jedna je v zobrazovacích prístrojoch magnetickej rezonancie používaných v lekárskych zariadeniach na hodnotenie zranení a diagnostikovania chorôb. Tieto stroje využívajú magnetické pole, ktoré vytvára supravodivý magnet. Tieto magnety produkujú obrovské množstvo tepla. Kvapalné hélium je chladiaca látka, ktorá sa volí na reguláciu teploty týchto magnetov. Pretože hélium má druhé najnižšie špecifické teplo akéhokoľvek plynu a najnižšiu teplotu varu / topenia ktoréhokoľvek prvku, pri tomto veľmi dôležitom použití sa nepredpokladá náhrada hélia.

Zdvíhací plyn

Hélium má druhú najnižšiu atómovú hmotnosť ktoréhokoľvek prvku. Iba atóm vodíka má nižšiu atómovú hmotnosť. Ako plyn ľahší ako vzduch sa hélium používa ako „zdvíhací plyn“ pre vzducholode a balóny. Kalamáre, dirigibles, zeppeliny, protilietadlové balóny, meteorologické balóny a iné ľahšie ako vzduchové lietadlá používali ako zdvíhací plyn hélium. Je oveľa bezpečnejšie ako vodík, pretože nie je horľavý. Toto bola najdôležitejšia kategória použitia hélia do konca druhej svetovej vojny. Ako zdvíhací plyn sa teraz používa oveľa menšie množstvo hélia.

Čistiaci plyn: Hélium používa NASA a ministerstvo obrany na čistenie tekutého kyslíka a tekutého vodíka z palivových nádrží a systémov na dodávku paliva raketových motorov. Hélium je inertné a má teplotu tuhnutia, ktorá je tak nízka, že zostáva pri preplachovaní plynom. Prúd hélia do týchto systémov sa dokonca použil počas mimoriadnych udalostí na hasenie požiarov. Obrázok NASA.

Dýchacie zmesi hélia: Hélium sa používa na prípravu zmesí dýchacích plynov na hlboké potápanie. Hélium je inertné a má nízku viskozitu pod tlakom, čo umožňuje ľahšie dýchanie. Obrázok NOAA.

Čistiaci plyn

Hélium má najnižšiu teplotu topenia a varu akéhokoľvek plynu. Topí sa a varí pri teplotách blízkych absolútnej nule. Pretože zostáva plyn pri veľmi nízkych teplotách, môže sa použiť ako preplachovací plyn pre palivové nádrže a systémy prívodu paliva, ktoré sú naplnené veľmi studenými kvapalinami, ako je napríklad kvapalný vodík a kvapalný kyslík. Pretože je inertný a má nízku teplotu mrazu, môže bezpečne vytesniť tieto palivá bez zamrznutia. NASA a ministerstvo obrany používajú veľké množstvo hélia na čistenie pohonných systémov rakiet.

Výroba riadenej atmosféry

Hélium je inertný plyn. Jediným plynom s nižšou reaktivitou je neón. Táto nízka reaktivita robí hélium cenným plynom, ktorý sa používa pri výrobných a opravných procesoch, keď sa vyžaduje inertná atmosféra. Hélium má tiež druhú najnižšiu hustotu akéhokoľvek plynu spolu s veľmi vysokou tepelnou vodivosťou. Tieto vlastnosti plynného hélia z neho robia atmosféru voľby pre mnoho metalurgických procesov, pestovanie dokonalých kryštálov v chemických parách, výrobu optických vlákien a ďalšie použitie.

Detekcia netesností

Hélium má veľmi nízku viskozitu, vysoký difúzny koeficient a najmenší atóm ľubovoľného prvku. Vďaka týmto vlastnostiam je hélium veľmi ťažké udržať. Ak systém uniká, hélium unikne. Plynný hélium sa preto používa na testovanie únikov vysokotlakových systémov, palivových systémov a iných obalov.

Dýchacie zmesi

Hélium a ďalšie inertné plyny sa používajú na prípravu dýchacích zmesí na hlboké potápanie a na lekárske ošetrenie. Tu sa používa hélium, pretože je inertné, má veľmi nízku viskozitu a ľahšie dýcha pod tlakom ako ktorýkoľvek iný plyn.

Zvárací plyn

Pri zváraní sa ako ochranná atmosféra používa hélium. Atmosféra inertného plynu chráni horúce kovy pred oxidáciou a inými reakciami, ktoré sa môžu vyskytnúť rýchlo pri vysokých teplotách.

Použitie hélia: Relatívne množstvá hélia spotrebované rôznymi spôsobmi v Spojených štátoch v roku 2011. Graf pomocou údajov z USGS.

Hélium: neobnoviteľný zdroj

Hélium je plyn, ktorý sa vyskytuje iba v prípade, keď dôjde k zhode pravdepodobných situácií. Aj keď sa v zemskej kôre neustále vytvára rádioaktívnym minerálnym rozkladom, jej miera prirodzenej výroby a akumulácie je tak pomalá, že sa musí považovať za neobnoviteľný zdroj.

Informácie o héliu
1 Hélium v ​​Novom Mexiku: Ronald F. Broadhead, New Mexico Geology, Úrad pre geológiu a nerastné zdroje v Novom Mexiku, Inštitút baníctva a technológie v Novom Mexiku, november 2005.
2 Hélium 2010: Joseph B. Peterson a Peter J. Madrid, Ročenka minerálov, Geologický prieskum Spojených štátov, január 2012.
3 Hélium 2012: Peter J. Madrid, Zhrnutia minerálnych komodít, Geologický prieskum Spojených štátov, január 2012.
4 Predaj národnej rezervy hélia: Výbor pre porozumenie dopadu predaja rezervy hélia, Národná rada pre výskum, Tlač národných akadémií, 2010.
5 Svedectvo o zákone o správaní hélia z roku 2013: Svedectvo pred Snemovňou reprezentantov pre energetiku a nerastné zdroje, Úrad vlády USA pre zodpovednosť, GAO-15-734T, 8. júla 2015.
6 Rýchlo rastúce ceny hélia môžu viesť k predaju balónom: Rachel Rodgers a Sharon Barricklow, článok v recenzii Decatur Herald-Review, február 2015.

Nedostatok hélia a nedostatok hélia

V roku 1925 Spojené štáty zriadili národnú rezervu hélia, ktorá slúži ako strategická dodávka hélia na použitie vo vzducholodí a na iné obranné účely. V tom čase krajina produkovala oveľa viac hélia, ako sa spotrebovalo. Po druhej svetovej vojne sa množstvo hélia použitého ako zdvíhací plyn znížilo, ale dopyt po héliu ako čistiacom plyne pri tankovaní raketových motorov a ako chladivo v zariadeniach na výrobu jadrových zbraní prudko stúpal. Stále sa však vyrábalo viac hélia, ako sa spotrebovalo.

V roku 1995 Kongres rozhodol, že národná rezerva hélium nie je nevyhnutná, a inicioval program predaja hélia v rámci zákona o privatizácii hélia z roku 1996. 4 Kongres umožňoval takmer dve desaťročia predaj hélia za obrovskú zľavu bezplatne. trhové ceny. Až 1/2 svetového dopytu po héliu sa uspokojil predajom z národnej rezervy hélia. V niektorých rokoch sa vyviezlo zo Spojených štátov do iných krajín viac hélia, ako sa spotrebovalo na domácom trhu. 2 Tí, ktorí si kúpili hélium od vlády, dostali fantastickú dohodu a tí, ktorí si kúpili hélium na voľnom trhu, zaplatili oveľa vyššiu cenu.

Dumping zásob rezerv hélia na trh natoľko znížil cenu hélia, že sa používal ako lacná náhrada za argón a ďalšie plyny, ktoré majú oveľa menej obmedzenú ponuku.

Keďže komerčná výroba hélia nebola odmenená alebo nadmerne využívaná, trh bol nedostatočne zásobovaný, keď sa v roku 2014 predaj národnej rezervy hélia nahradil aukčným systémom. V prvej aukcii dvaja uchádzači nakúpili celú ročnú alokáciu 93 miliónov kubických stôp hélia za viac ako dvojnásobok trhovej ceny za predchádzajúci rok. Po dražbe bolo predaných tým istým dvom dražiteľom ďalšia miliarda kubických stôp. 5

Od prvej aukcie cena hélia pokračovala v raste, pretože výroba nového hélia klesla zo spotreby. Zvýšenie ceny vyvolalo investície do nových závodov na spracovanie hélia. Hélium sa však môže vyrábať iba z polí na zemný plyn so soľou alebo anhydrátom ako pasca. Vyskytujú sa iba v niekoľkých častiach sveta.

Podľa súčasného zákona bude národná rezerva hélia vypredaná do roku 2021. Dúfajme, že zvyšujúce sa investície do zariadení na regeneráciu hélia budú postačovať na uspokojenie potrieb spotrebiteľov hélia, keď dôjde k odstráneniu tohto dôležitého zdroja hélia.