高純氦氣如何變成液氦

    氦氣是最主要的工業(yè)氣體品種之一，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

    在半導(dǎo)體工業(yè)中，高純氦氣用作生長鍺和硅晶體的保護氣。某些混合氣的底氣、清洗、屏蔽和加壓系統(tǒng)的惰性氣體；氣相色譜載氣；在生產(chǎn)象鈦和锫那樣的活性金屬時用作保護氣；電弧焊接的保護氣；在原子能反應(yīng)堆中作為氣體的冷卻介質(zhì)；充氦飛船，如美國海軍司令部和空軍司令部正在研究用裝有預(yù)警系統(tǒng)的飛船來探測低空飛行的導(dǎo)彈；美國毒品管理局在美國南部邊境地區(qū)設(shè)置了6只系留雷達的小型飛艇，用于探查毒品走私的情況；美國邊防巡邏站計劃利用小型飛艇來探查非法人境的外國人。美國航空和航天局正在利用充氦氣球來采集南極洲上空的空氣樣品，以研究臭氧層遭到破壞的各種原因。充填于在寒冷氣候中使用的熒光燈管；充填中子和氣體溫度計；設(shè)備、管路等的氦質(zhì)譜檢漏；與氧氣混臺用于醫(yī)療；在航天技術(shù)上，液氦加注系統(tǒng)的真空管路、貯槽、槽車以及火箭貯箱中的空氣必須首先用高純氮氣置換，合格后用高純氦氣置換，分析合格后用高純氦密封；還可用作衛(wèi)星和火箭的擠壓氣源及姿態(tài)控制發(fā)動機用氣源。


    液氦主要用于超導(dǎo)技術(shù)和磁共振成像(MRI)。超導(dǎo)粒子加速器要用液氦來冷卻超導(dǎo)磁體。美國阿貢(Argonne)國家實驗室正在研究用于軍事和商業(yè)目的的磁流體推進系統(tǒng)，這種動力推進系統(tǒng)不使用運動部件。

    MRI在醫(yī)療上的應(yīng)用價值很高，日本于1995年安犍了278套超導(dǎo)MRI，過去單機液氦年用量約400L。超導(dǎo)磁體庖儲存系統(tǒng)能儲存平時過多的電力，需要時可以為高峰用電提供電力。液氦在低溫技術(shù)，同步加速器和回轉(zhuǎn)加速器的研究與開發(fā)中應(yīng)用前景廣闊。

    天然氣生產(chǎn)氦氣的主要方法

    ♦ 擴散法 利用氦氣所具有的高的熱擴散性能，可將天然氣中的氦氣濃縮提取出來。所用的擴散元件通常為石英玻璃毛細管，管壁厚度為0．025～0．127 mm，內(nèi)徑與壁厚之比為3～7，操作溫度在400～500。C，操作壓力按具體操作條件可以在幾十兆帕到數(shù)百兆帕范圍內(nèi)選用。經(jīng)石英玻璃毛細管擴散提取的氦氣純度相當高，但因所采用的石英玻璃毛細管極細，制作不便，操作時又需要在高溫和相當高的壓差下進行，因此用擴散法規(guī)�；�提氦尚存在許多限制。

    ♦ 膜滲透法 隨著膜材料的發(fā)展，膜滲透法提氦展現(xiàn)出越來越好的應(yīng)用前景。各種氣體對膜具有一定的滲透性能，且各種氣體的滲透性能各不相同，因而可以利用滲透法將天然氣中的氦氣提取出來。工業(yè)上應(yīng)用的滲透膜應(yīng)具有：滲透常數(shù)大，以保證產(chǎn)量并減少所需的膜面積；分離因子大，使流程簡化；化學(xué)、機械和熱的穩(wěn)定性好，以保持長期的使用性能。膜材對天然氣各組分滲透的選擇性可用分離因子口"來表示。

    ♦ 吸附法 這種方法是根據(jù)天然氣中各組分在固體吸附劑表面上吸附能力的差異而將其中的 氦氣分離出來。限于吸附劑的吸附容量，吸附法一般適用于雜質(zhì)含量小于1O 的粗氦精制中。近年來發(fā)展起來的變壓吸附(PSA)即屬于此類改進型。

    ♦ 吸收法 選用適當?shù)奈�收溶�?，在一定的條件下可將沸點比氦氣高的天然氣中的其余組分洗滌吸收除去而提取氦氣。所用的吸收溶劑如液態(tài)氟烴、液態(tài)烷烴等。

    ♦ 低溫冷凝法 本方法是目前各國從天然氣中提取 氦氣廣泛采用的方法。通常由氣源預(yù)處理凈化、粗氦提取及氦氣精制等工序構(gòu)成。

    1、含氦天然氣預(yù)處理凈化
    含氦氣源中的H S、CO。、水分，甚至汞等雜質(zhì)在進入低溫裝置前須凈化處理，以免在低溫下使管道、閥門和設(shè)備產(chǎn)生堵塞、腐蝕和惡化工藝條件。常用的酸氣脫除方法有：醇胺法、熱鉀堿法、砜胺法。提氦工藝對天然氣中H。S、CO。殘留量要求是：H2s≤4 ppm[1 ppm—M／22．4(mg／m。)，M 為分子量，下同]，CO�！� 100 ppm。鑒于提氦效益考量，應(yīng)優(yōu)選有利于降低提氦成本的脫除方法。脫水工藝方法：天然氣提氦一般選擇分子篩來精脫水，脫水深度要求小于1 ppm，同時進一步吸附脫除殘余酸性氣體。脫汞工藝方法：HgSIV脫汞分子篩可以再生并循環(huán)使用，但設(shè)備和控制復(fù)雜；而浸硫活性炭不能循環(huán)使用，需定期更換，但設(shè)備和操作簡單。

    2、粗氦提取
    天然氣經(jīng)二次冷凝后制得氦含量為6o ～7o的粗氦，冷凝所需冷量由常壓液甲烷、常壓液氮或負壓液甲烷供給。一次冷凝要求無乙烷以上的餾分，二次冷凝要求甲烷含量小于1 。同時釜液液烴中的氦含量要小于10 ppm，以提高氦氣回收率。

    3、氦氣精制
    天然氣中較難液化的氫隨著氦氣的提濃被濃縮在粗氦中，需要在精制前將其除去。工業(yè)上一般采用催化氧化脫氫法，儲氫合金等脫氫工藝也在發(fā)展中。小于10 ppm 的殘留氫在其后的高壓冷凝吸附過程中與氮、少量的甲烷等其他雜質(zhì)同時除去。冷源一般由常壓液氮提供，可制得純度99．99 以上的高純氦氣。其他精制法如洗滌吸收法， 甲烷、丙烷等天然氣組分均可作為吸收劑。

    液氦最主要的用途是應(yīng)用在低溫超導(dǎo)技術(shù)上

    要說缺乏氦氣最嚴重的后果，也無非是嚴重阻礙低溫技術(shù)的應(yīng)用，其中受到最大影響的就是低溫超導(dǎo)技術(shù)了。現(xiàn)在已知所有的超導(dǎo)材料都要在-130℃以下的低溫中才能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，其中應(yīng)用最廣泛的那幾種（比如Nb3Sn）更是需要比液氫的沸點還低的轉(zhuǎn)變溫度，這時候只有液氦能比較簡便地實現(xiàn)這樣的極低溫。雖然我們完全可以用別的辦法實現(xiàn)同樣的低溫，但都不如液氦實惠。顯然，假如我們沒有氦，低溫超導(dǎo)技術(shù)的普及就會受到嚴重的阻礙；低溫超導(dǎo)技術(shù)如果不能普及，醫(yī)院就會用不起核磁共振成像儀（它需要超導(dǎo)材料制造強磁場）。

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