Helium: Et biprodukt af naturgas med unikke egenskaber og anvendelser

Indhold

• Hvad er Helium?
• Hvor kommer Helium fra?
• Hvorfor er Helium i nogle naturgas?
• Hvor er naturgas rig på helium?
• Anvendelser af Helium
• MR scanning
• Løft gas
• Rensning af gas
• Produktion af kontrolleret atmosfære
• Lækagedetektion
• Åndedræt blandinger
• Svejsegas
• Helium: En ikke-vedvarende ressource
• Heliumgluts og heliummangel

Helium blimp: De fleste har hørt om helium, der bruges som løftegas til vejrballoner, blimps og festballoner. Dette er meget mindre anvendelser af helium. Brugen, der bruger mere helium end nogen anden, er at køle magneterne i MRI-maskiner (magnetisk resonansafbildning) i medicinske faciliteter. Goodyear blimp foto af Derek Jensen.

Hvad er Helium?

Helium er et kemisk element og en farveløs, lugtfri, smagløs inert gas. Det har den mindste atomradius for ethvert element og den næst laveste atomvægt. Det er lettere end luft.

De fleste mennesker ved, at helium bruges som en løftegas i blimps og festballoner, men de kan ikke nævne en anden måde, hvorpå den bruges. Den første brug af helium er som en kølegas til MRI-maskiner, der bruges i medicinske faciliteter. Andre vigtige anvendelser af helium indbefatter: en beskyttelsesgas til svejsning, en inert gas til fremstilling af kontrolleret atmosfære, en flygtig gas, der anvendes til detektion af lækage, og en lavviskositetsgas til trykholdende åndedrætsblandinger.

Hvor kommer Helium fra?

Meget lidt helium er til stede i jordens atmosfære. Det er et så let element, at jordens tyngdekraft ikke kan holde det. Når den er til stede på jordoverfladen, begynder ukonfineret helium straks at stige, indtil den slipper ud af planeten. Det er derfor, festballoner stiger!

Heliumet, der produceres kommercielt, opnås fra jorden. Nogle naturgasfelter har nok helium blandet med gassen til at den kan udvindes til en økonomisk pris. Et par felter i USA indeholder over 7 volumenprocent helium. Virksomheder, der borer efter naturgas i disse områder producerer naturgassen, forarbejder den og fjerner helium som et biprodukt.

Heliumbærende naturgasaflejringer: Indskudsmodel til helium-bærende naturgasfelter i USA. Helium produceres ved henfald af uran og thorium i granitoid kælderarter. Den frigjorte helium er flydende og bevæger sig mod overfladen i porøsitet forbundet med kælderfejl. Helium bevæger sig derefter opad gennem porøs sedimentær dækning, indtil den fanges med naturgas under bed af anhydrit eller salt. Dette er de eneste sideværts vedvarende klippetyper, der er i stand til at fælde og indeholde de små, flydende heliumatomer. Denne geologiske situation forekommer kun nogle få steder i verden, og derfor er rige heliumophopninger sjældne.

Relaterede: En ny brug af Helium - harddiske

Hvorfor er Helium i nogle naturgas?

Det meste af det helium, der fjernes fra naturgas, antages at dannes fra radioaktivt forfald af uran og thorium i granitoidsten i jordens kontinentale skorpe. Som en meget let gas er den flydende og søger at bevæge sig opad, så snart den dannes. De rigeste heliumakkumuleringer findes, hvor der findes tre forhold: 1) granitoid kælderarter er rige på uran og thorium; 2) kælderbergarterne er brudt og forkert for at tilvejebringe flugtveje for helium; og 3) porøse sedimentære klipper over kælderfejlene er lukket af en uigennemtrængelig tætning af halit eller anhydrit. Når alle disse tre betingelser er opfyldt, kan helium muligvis ophobes i det porøse sedimentære klippelag.

Helium har den mindste atomradius for ethvert element, ca. 0,2 nanometer. Så når det dannes og begynder at bevæge sig opad, kan det passe gennem meget små porerum i klipperne. Halit og anhydrit er de eneste sedimentære klipper, der kan blokere opadgående vandring af heliumatomer. Skifer, der har deres porepladser tilsluttet rigelige organiske materialer (kerogen) tjener undertiden som en mindre effektiv barriere.

Heliumbærende naturgasaflejringer: Kort, der viser naturgasfelterne, der tjener som vigtige kilder til helium i USA. Naturgassen produceret fra disse felter indeholder mellem 0,3% og over 7% helium. Heliumet fjernes fra gassen til kommercielt salg. Billede ved hjælp af lokaliseringsdata fra USAs geologiske undersøgelse.

Hvor er naturgas rig på helium?

Mest uforarbejdet naturgas indeholder mindst spormængder helium. Meget få naturgasfelt indeholder nok til at retfærdiggøre en heliumudvindingsproces. En naturgasskilde skal indeholde mindst 0,3% helium for at blive betragtet som en potentiel heliumkilde.

I 2010 kom al den naturgas, der blev behandlet til helium i USA, fra felter i Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah og Wyoming, som vist på det medfølgende kort. Hugoton-feltet i Oklahoma, Kansas og Texas; Panoma Field i Kansas; Keyes-feltet i Oklahoma; Panhandle West og Cliffside Fields i Texas, og Riley Ridge Field i Wyoming tegner sig for det meste af heliumproduktionen i USA.

I løbet af 2010 producerede De Forenede Stater 128 millioner kubikmeter helium. Af dette beløb blev 53 millioner kubikmeter helium ekstraheret fra naturgas, og 75 millioner kubikmeter blev trukket tilbage fra National Helium Reserve. Andre lande med kendte produktionsmængder var: Algeriet (18 mcm), Qatar (13 mcm), Rusland (6 mcm) og Polen (3 mcm). Canada og Kina producerede små, men ikke rapporterede mængder helium.

Helium i MR-maskiner: Den første brug af helium er afkøling af magneterne i MRI-maskinerne (magnetisk resonansafbildning), der bruges til at diagnosticere sygdom og skader i medicinske faciliteter.

En ny anvendelse til Helium: Den første heliumforseglede harddisk blev produceret i 2013. Helium gør det muligt for drevet at bruge mindre energi, producere mindre varme, give mindre støj, optage mindre plads, besidde flere data og producere færre vibrationer end en standard harddisk. Lær mere.

Anvendelser af Helium

Helium har en række egenskaber, der gør det usædvanligt velegnet til visse anvendelser. I nogle af disse anvendelser er helium den bedst mulige gas at bruge, og i nogle få er der ingen passende erstatning for helium. Flere anvendelser af helium sammen med de egenskaber, der gør det egnet til brugen, er beskrevet nedenfor.

MR scanning

Den første brug af helium findes i de magnetiske resonansafbildningsmaskiner, der bruges i medicinske faciliteter til at vurdere skader og diagnosticere sygdom. Disse maskiner bruger et magnetfelt, der er produceret af en superledende magnet. Disse magneter genererer en enorm mængde varme. Flydende helium er det valgte kølestof til regulering af temperaturen på disse magneter. Da helium har den næst laveste specifikke varme af enhver gas og det laveste kogende / smeltepunkt for ethvert element, er der ingen forventet erstatning for helium i denne meget vigtige anvendelse.

Løft gas

Helium har den næst laveste atomvægt af ethvert element. Kun brint har en lavere atomvægt. Som en lettere luft end luft er helium blevet brugt som en "løftegas" til luftskibe og balloner. Blimps, dirigibles, zeppelins, luftfartøjsballoner, vejrballoner og andre lettere end luftfartøjer har alle brugt helium som løftegas. Det er meget mere sikkert end brint, fordi det ikke er brandfarligt. Dette var den vigtigste kategori af heliumbrug indtil slutningen af ​​2. verdenskrig. Meget lavere mængder helium bruges nu som løftegas.

Rensning af gas: Helium bruges af NASA og Department of Defense til at rense flydende ilt og flydende brint fra brændstoftanke og brændstofleveringssystemer til raketmotorer. Helium er inert og har en frysetemperatur, der er så lav, at den forbliver en gas gennem rensningsprocessen. En strøm af helium ind i disse systemer er endda blevet brugt under nødsituationer til at slukke brande. Billede af NASA.

Helium vejrtrækningsblandinger: Helium bruges til at fremstille åndedrætsblandinger til dybhavsdykning. Helium er inert og har en lav viskositet under tryk, der muliggør lettere vejrtrækning. Billede af NOAA.

Rensning af gas

Helium har den laveste smelte- og kogepunkt for enhver gas. Det smelter og koges ved temperaturer tæt på absolut nul. Fordi det forbliver en gas ved meget lave temperaturer, kan det bruges som en rensegas til brændstoftanke og brændstofleveringssystemer, der er fyldt med meget kolde væsker såsom flydende brint og flydende ilt. Fordi det er inert og har en lav frysetemperatur, kan det fortrænge disse brændstoffer sikkert uden at fryse. Store mængder helium bruges af NASA og Forsvarsministeriet til at rense raketfremdrivningssystemer.

Produktion af kontrolleret atmosfære

Helium er en inert gas. Den eneste gas med lavere reaktivitet er neon. Denne lave reaktivitet gør helium til en værdifuld gas til anvendelse i fremstillings- og reparationsprocesser, når der kræves en inert atmosfære. Helium har også den næst laveste densitet af enhver gas sammen med en meget høj varmeledningsevne. Disse egenskaber ved heliumgas gør det til den valgte atmosfære til mange metallurgiske processer, der dyrker perfekte krystaller i kemiske dampe, fremstiller optiske fibre og anden anvendelse.

Lækagedetektion

Helium har en meget lav viskositet, en høj diffusionskoefficient og det mindste atom i ethvert element. Disse egenskaber gør helium meget svært at indeholde. Hvis et system har en lækage, vil helium slippe ud. Heliumgas anvendes derfor til test af højvakuumanlæg, brændstofsystemer og andre indeslutninger til lækager.

Åndedræt blandinger

Helium og andre inerte gasser bruges til at forberede vejrtrækningsblandinger til dybhavsdykning og medicinsk behandling. Helium bruges her, fordi det er inert, har en meget lav viskositet og er lettere at trække vejret under tryk end nogen anden gas.

Svejsegas

Helium bruges som en beskyttende atmosfære ved svejsning. En inert gasatmosfære beskytter varme metaller mod oxidation og andre reaktioner, der kan forekomme hurtigt ved høje temperaturer.

Anvendelser af helium: Relative mængder helium, der forbruges af forskellige anvendelser i USA i løbet af 2011. Graf ved hjælp af data fra USGS.

Helium: En ikke-vedvarende ressource

Helium er en gas, der kun findes, hvor der sker en sammenfald af usandsynlige situationer. Selvom det kontinuerligt produceres ved radioaktivt mineralforfald i jordskorpen, er dens naturlige produktionshastighed og akkumulering så langsom, at det må betragtes som en ikke-vedvarende ressource.

Heliumgluts og heliummangel

I 1925 oprettede De Forenede Stater National Helium Reserve til at tjene som en strategisk forsyning af helium til brug i luftskibe og til andre forsvarsformål. På det tidspunkt producerede landet meget mere helium, end det blev forbrugt. Efter 2. verdenskrig faldt mængden af ​​helium, der blev brugt som løftegas, men efterspørgslen efter helium som rensningsgas, når brændstofpåfyldning af raketmotorer og som kølemiddel i atomvåbenanlæg steg. Stadig mere blev der produceret mere helium end forbrugt.

I 1995 besluttede kongressen, at National Helium Reserve ikke var væsentlig og indledte et program til salg af helium som en del af Helium-privatiseringsloven fra 1996. I næsten to årtier tillader Kongressen, at helium kunne sælges med en enorm rabat til det frie marked priser. Op til 1/2 af verdens efterspørgsel efter helium blev imødekommet gennem salg fra National Helium Reserve. I nogle år blev mere helium eksporteret ud af De Forenede Stater til andre lande end konsumeret indenlandske. De, der købte helium af regeringen, fik en fantastisk handel, og de, der købte helium på det frie marked betalte en meget højere pris.

Dumping af National Helium Reserve-aktien på markedet nedtrykte prisen på helium så meget, at det blev brugt som en billig erstatning for argon og andre gasser, der har en meget mindre begrænset forsyning.

Da kommerciel heliumproduktion ikke blev belønnet eller anvendt kraftigt, blev markedet underforsynet, da salget af National Helium Reserve blev erstattet af et auktionssystem i 2014. I den første auktion købte to budgivere hele den årlige tildeling af 93 millioner kubikmeter helium til mere end det dobbelte af de foregående års markedspris. Efter auktionen blev yderligere 1 milliard kubikfod solgt til de samme to budgivere.

Siden den første auktion fortsatte prisen på helium med at stige, fordi produktionen af ​​nyt helium mangler forbrug. Prisstigningen har udløst investeringer i nye heliumforarbejdningsanlæg. Helium kan imidlertid kun produceres fra naturgasfelter med salt eller anhydrat som fældeberg. Disse forekommer kun i nogle få dele af verden.

I henhold til gældende lov vil National Helium Reserve blive udsolgt i 2021. Forhåbentlig er de stigende investeringer i heliumgenvindingsanlæg tilstrækkelige til at imødekomme behovene hos heliumforbrugere, når den vigtige kilde til helium er væk.