氦

背景

氦是基本的化学元素之一。在自然状态下，氦气是一种无色气体，以其低密度和低化学反应性而闻名。它可能是最著名的氢的不可燃替代品，可以在飞艇和气球中提供升力。因为它是化学惰性的，它也被用作机器人电弧焊中的气体保护层，以及用于生长用于制造电子半导体器件的硅和锗晶体的非反应性气氛。液氦通常用于提供某些医学和科学应用（包括超导研究）所需的极低温度。

尽管氦是宇宙中最丰富的元素之一，但其中大部分存在于地球大气层之外。直到 1868 年，法国天文学家皮埃尔·詹森和英国天文学家约瑟夫·洛克耶爵士独立研究日食时，氦才被发现。使用光谱仪，根据存在的元素将光分成不同的色带，他们都观察到了无法用任何已知元素识别的黄光带。他们的发现的消息在同一天传到了科学界，两人都被普遍认为是这一发现。 Lockyer 建议将新元素命名为 helium，源自希腊语 helios 为了太阳。

1895 年，英国化学家威廉·拉姆齐爵士发现了一种铀矿物 Cleveite，其中含有氦。瑞典化学家 P.T. Cleve 和 Nils Langlet 大约在同一时间做出了类似的发现。这是第一次在地球上发现氦。 1905 年，从堪萨斯州德克斯特附近的一口井中提取的天然气被发现含有多达 2% 的氦。对世界各地其他天然气来源的测试产生了差异很大的氦浓度，在美国发现的浓度最高。

在 1900 年代初期，轻于空气的飞艇和飞艇的发展几乎完全依靠氢气来提供升力，尽管它高度易燃。第一次世界大战期间，美国政府意识到不可燃的氦气优于氢气，并宣布其为重要的战争材料。生产受到严格控制，出口受到限制。 1925 年，美国通过了第一部氦气保护法案，禁止向非政府用户出售氦气。直到 1937 年，当充满氢气的飞船兴登堡号在新泽西州莱克赫斯特着陆时发生爆炸时，限制才被解除，氦气取代了商业轻于空气的船舶的氢气。

二战期间，氦气再次成为重要的战争物资。它更不寻常的用途之一是为远程轰炸机的轮胎充气。氦气的重量更轻，使飞机能够携带 154 磅（70 公斤）的额外燃料，以扩大航程。

战后，对氦气的需求增长如此之快，以至于政府于 1960 年实施了氦气法修正案，以购买和储存这种气体以备将来使用。到 1971 年，需求趋于平稳，氦储存计划被取消。几年后，政府再次开始储存氦气。截至 1993 年，政府储存的氦气约有 350 亿立方英尺（10 亿立方米）。

今天，大多数含氦天然气资源都在美国境内。加拿大、波兰和其他一些国家也有重要来源。

原材料

氦是由铀和钍等重元素的放射性衰变在地下产生的。这些元素的部分辐射由 α 粒子组成，它们形成氦原子核。部分氦气到达地表并进入大气层，在那里迅速上升并逃逸到太空。其余的被困在不透水的岩石层下，并与在那里形成的天然气混合。在各种天然气矿床中发现的氦含量从几乎为零到高达 4% 的体积不等。只有大约十分之一的工作天然气田的氦气浓度大于 0.4%，在经济上可行。

氦气也可以通过液化空气和分离组分气体来生产。这种方法的生产成本高，空气中氦气的含量很低。虽然这种方法常用于生产其他气体，如氮气和氧气，但很少用于生产氦气。

制造
过程

氦气通常作为天然气加工的副产品生产。天然气含有甲烷和其他碳氢化合物，它们是天然气燃烧时的主要热能来源。大多数天然气矿床还含有少量的氮气、水蒸气、二氧化碳、氦气和其他不燃物质，这些物质会降低气体的潜在热能。为了生产具有可接受水平的热能的天然气，必须去除这些杂质。这个过程称为升级。

有几种方法可用于升级天然气。当气体中的氦含量超过约 0.4%（体积）时，通常使用低温蒸馏方法来回收氦含量。从天然气中分离出氦气后，将对其进行进一步精炼，使其纯度达到 99.99+%，以供商业使用。

以下是提取和处理氦气的典型操作序列。

预处理

由于该方法使用极冷的低温段作为过程的一部分，因此必须首先在预处理过程中从天然气中去除所有可能凝固的杂质，例如水蒸气、二氧化碳和某些重烃，以防止它们凝固堵塞低温管道。

1 将天然气加压至约 800 psi（5.5 MPa 或 54 atm）。然后它流入洗涤器，在那里它受到单乙醇胺喷雾，吸收二氧化碳并将其带走。
2 气流通过分子筛，分子筛从气流中分离出较大的水蒸气分子，同时让较小的气体分子通过。水被反冲出筛网并被去除。
3 当气体通过活性炭床时，气流中的任何重质烃都会被收集在活性炭床的表面上。定期对活性炭进行充电。气流现在主要包含甲烷和氮气，还有少量氦气、氢气和氖气。

分离

天然气通过称为分馏的蒸馏过程被分离为其主要成分。有时此名称缩写为分馏，用于执行此分离的垂直结构称为分馏柱。在分馏过程中，氮气和甲烷在两个阶段分离，留下含有高比例氦气的气体混合物。在每个阶段，每个组分的浓度或分数水平都会增加，直到分离完成。在天然气 在预处理过程中从天然气中去除所有可能固化和堵塞低温管道的杂质.预处理后，天然气组分在称为分馏的过程中分离。 在工业中，这个过程有时被称为脱氮，因为它的主要功能是从天然气中去除过量的氮。

4 气流通过板翅式换热器的一侧，而来自低温部分的非常冷的甲烷和氮气通过另一侧。进入的气流被冷却，而甲烷和氮气被加热。
5 然后气流通过一个膨胀阀，当压力下降到大约 145-360 psi（1.0-2.5 MPa 或 10-25 atm）时，该阀允许气体快速膨胀。这种快速膨胀将气流冷却到甲烷开始液化的程度。
6 气流——现在部分是液体和部分气体——进入高压分馏塔的底部。当气体向上通过塔内的挡板时，它会损失额外的热量。甲烷继续液化，在塔底形成富含甲烷的混合物，而大部分氮气和其他气体流向塔顶。
7 液态甲烷混合物，称为粗甲烷，从高压塔底部抽出，并在粗过冷器中进一步冷却。然后它通过第二个膨胀阀，在它进入低压分馏塔之前将压力降至约 22 psi（150 kPa 或 1.5 atm）。当液态甲烷沿着柱子向下移动时，大部分剩余的氮气被分离出来，留下不超过约 4% 的氮气和余量的甲烷的液体。这种液体被泵出、加热和蒸发，成为升级后的天然气。气态氮从低压塔的顶部通过管道排出，然后排放或捕获以供进一步处理。
8 同时，来自高压塔顶部的气体被冷却 从天然气中分离出来的粗氦气在一个涉及多个不同分离方法取决于粗氦的纯度和最终产品的预期应用。 冷凝器。大部分氮气冷凝成蒸气并被送入低压塔的顶部。剩余的气体称为粗氦。它包含大约 50-70% 的氦气、1-3% 的未液化甲烷、少量的氢气和氖气，以及余量的氮气。

净化

必须进一步纯化粗氦以去除大部分其他材料。这通常是一个多阶段过程，涉及几种不同的分离方法，具体取决于粗氦气的纯度和最终产品的预期应用。

9 粗氦首先被冷却到大约 -315° F (-193° C)。在此温度下，大部分氮气和甲烷凝结成液体并排出。剩余的气体混合物现在是大约 90% 的纯氦气。
10 向气体混合物中加入空气以提供氧气。气体在预热器中加热，然后通过催化剂，使混合物中的大部分氢气与空气中的氧气反应并形成水蒸气。然后气体冷却，水蒸气冷凝并排出。
11 气体混合物进入一个变压吸附 (PSA) 装置，该装置由多个并联运行的吸附容器组成。每个容器内都有数千个充满微小孔洞的颗粒。当气体混合物在压力下通过这些颗粒时，某些气体会被困在颗粒孔隙中。然后降低压力并且反向气流以清除捕获的气体。这个循环在几秒钟或几分钟后重复，具体取决于容器的大小和气体浓度。该方法从气体混合物中去除大部分剩余的水蒸气、氮气和甲烷。氦现在纯度约为 99.99%。

分发

氦气在常温下以气体形式分布，在极低温度下以液体形式分布。气态氦以 900-6,000 psi（6-41 MPa 或 60-410 atm）的压力分布在锻钢或铝合金气瓶中。大量的液氦分布在容量高达约 14,800 加仑（56,000 升）的绝缘容器中。

12 如果要液化氦气，或者需要更高的纯度，则将气体通过活性炭床，以去除氖气和任何痕量杂质。氦在常温下以气体形式分布，在极低温度下以液体形式分布。低温吸附器在大约 -423° F (-253° C) 下运行。这最后一步可以达到 99.999% 或更高的纯度水平。
13 然后将氦气通过管道输送到液化器中，在那里它通过一系列热交换器和膨胀器。随着它逐渐冷却和膨胀，其温度下降到大约 -452° F (-269° C) 并液化。
14 大量液氦通常装在不通风的加压容器中运输。如果货件在美国本土，运送时间通常不到一周。在这些情况下，液氦被放置在由卡车牵引车牵引的大型绝缘罐式拖车中。罐体由两个壳构成，内外壳之间有真空空间，以防止热量损失。在真空空间内，多层反射箔进一步阻止了来自外部的热流。对于海外扩展运输，氦气被放置在特殊的运输容器中。除了提供绝缘的真空空间外，这些容器还有一个充满液氮的第二个外壳，以从外部吸收热量。随着热量被吸收，液氮蒸发并排出。