ヘリウム

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背景

ヘリウムは基本的な化学元素の1つです。自然の状態では、ヘリウムは密度が低く化学反応性が低いことで知られる無色のガスです。飛行船や気球の揚力を提供するための水素の不燃性代替物としておそらく最もよく知られています。化学的に不活性であるため、ロボットアーク溶接のガスシールドとして、また電子半導体デバイスの製造に使用されるシリコンおよびゲルマニウム結晶を成長させるための非反応性雰囲気としても使用されます。液体ヘリウムは、超伝導研究を含む特定の医学的および科学的用途で必要とされる非常に低い温度を提供するためによく使用されます。

ヘリウムは宇宙で最も豊富な元素の1つですが、そのほとんどは地球の大気圏外に存在します。ヘリウムは、フランスの天文学者ピエール・ジャンサンとイギリスの天文学者サー・ジョセフ・ロッキャーが独立して日食を研究していた1868年まで発見されませんでした。存在する元素に応じて光を異なる色の帯に分離する分光計を使用して、両方とも既知の元素では識別できない黄色の光の帯を観察しました。彼らの発見のニュースは同じ日に科学の世界に届きました、そして、両方の男性は一般に発見で信用されます。 Lockyerは、ギリシャ語の helios に由来する、新しい元素のヘリウムという名前を提案しました。 太陽のために。

1895年、英国の化学者ウィリアムラムゼー卿は、ウラン鉱物であるクレーベ石にヘリウムが含まれていることを発見しました。スウェーデンの化学者P.T.クリーブとニルス・ラングレはほぼ同時に同様の発見をしました。ヘリウムが地球上で確認されたのはこれが初めてでした。 1905年、カンザス州デクスター近郊の井戸から採取された天然ガスには、2％ものヘリウムが含まれていることが判明しました。世界中の他の天然ガス源のテストでは、ヘリウムの濃度が大きく異なり、米国で最も高い濃度が検出されました。

1900年代初頭、空気より軽い飛行船と飛行船の開発は、可燃性が高いにもかかわらず、ほぼ完全に水素に依存して揚力を提供していました。第一次世界大戦中、米国政府は不燃性ヘリウムが水素よりも優れていることに気づき、それを重要な戦争物質と宣言しました。生産は厳しく管理され、輸出は削減されました。 1925年、米国は非政府ユーザーへのヘリウムの販売を禁止する最初のヘリウム保護法を可決しました。ニュージャージー州レイクハーストに着陸した際に水素で満たされた飛行船のヒンデンブルク号が爆発したのは1937年で、規制が解除され、ヘリウムが空中より軽い商用船の水素に取って代わった。

第二次世界大戦中、ヘリウムは再び重要な戦争物質になりました。そのより珍しい使用法の1つは、長距離爆撃機のタイヤを膨らませることでした。ヘリウムの軽量化により、飛行機は154ポンド（70 kg）の追加燃料を長距離輸送することができました。

戦後、ヘリウムの需要は急速に伸びたため、政府は1960年にヘリウム法の改正を課し、将来の使用のためにガスを購入して保管しました。 1971年までに、需要は横ばいになり、ヘリウム貯蔵プログラムはキャンセルされました。数年後、政府は再びヘリウムの貯蔵を開始しました。 1993年の時点で、政府の貯蔵庫には約350億立方フィート（10億立方メートル）のヘリウムがありました。

今日、ヘリウムを含む天然ガス源の大部分は米国内にあります。カナダ、ポーランド、および他のいくつかの国にも重要な情報源があります。

原材料

ヘリウムは、ウランやトリウムなどの重元素の放射性崩壊によって地下で生成されます。これらの元素からの放射線の一部は、ヘリウム原子の核を形成するアルファ粒子で構成されています。このヘリウムの一部は表面に到達して大気圏に入り、そこで急速に上昇して宇宙に逃げます。残りは岩の不浸透性の層の下に閉じ込められ、そこで形成される天然ガスと混合します。さまざまな天然ガス鉱床に含まれるヘリウムの量は、ほぼゼロから最大4体積％までさまざまです。稼働中の天然ガス田の約10分の1だけが、経済的に実行可能なヘリウム濃度が0.4％を超えています。

ヘリウムは、空気を液化し、成分ガスを分離することによっても生成できます。この方法の製造コストは高く、空気に含まれるヘリウムの量は非常に少ないです。この方法は、窒素や酸素などの他のガスを生成するためによく使用されますが、ヘリウムを生成するために使用されることはめったにありません。

製造
プロセス

ヘリウムは通常、天然ガス処理の副産物として生成されます。天然ガスには、天然ガスを燃焼させる際の主な熱エネルギー源であるメタンやその他の炭化水素が含まれています。ほとんどの天然ガス鉱床には、少量の窒素、水蒸気、二酸化炭素、ヘリウム、およびその他の不燃性物質も含まれているため、ガスの潜在的な熱エネルギーが低下します。許容レベルの熱エネルギーで天然ガスを生産するには、これらの不純物を除去する必要があります。このプロセスはアップグレードと呼ばれます。

天然ガスをアップグレードするために使用されるいくつかの方法があります。ガスに約0.4体積％以上のヘリウムが含まれている場合、ヘリウム含有量を回収するために極低温蒸留法がよく使用されます。ヘリウムが天然ガスから分離されると、さらに精製されて、商用利用のために99.99％以上の純度になります。

ヘリウムを抽出して処理するための一般的な一連の操作を次に示します。

前処理

この方法では、プロセスの一部として極低温セクションを使用するため、水蒸気、二酸化炭素、特定の重質炭化水素など、固化する可能性のあるすべての不純物を、前処理プロセスで天然ガスから最初に除去して、極低温配管を塞ぐ。

• 1天然ガスは約800psi（5.5MPaまたは54atm）に加圧されます。次に、それはスクラバーに流れ込み、そこで二酸化炭素を吸収して運び去るモノエタノールアミンのスプレーにさらされます。
• 2ガスストリームはモレキュラーシーブを通過します。モレキュラーシーブは、小さなガス分子を通過させながら、ストリームから大きな水蒸気分子を取り除きます。水はふるいから逆流し、除去されます。
• 3ガス流中の重質炭化水素は、ガスが通過するときに活性炭床の表面に集められます。定期的に活性炭が再充電されます。現在、ガス流には主にメタンと窒素が含まれており、少量のヘリウム、水素、ネオンが含まれています。

分離

天然ガスは、分別蒸留と呼ばれる蒸留プロセスによって主成分に分離されます。この名前は分別に短縮されることがあり、この分離を実行するために使用される垂直構造は分別カラムと呼ばれます。分別蒸留プロセスでは、窒素とメタンが2段階で分離され、ヘリウムを高い割合で含むガスの混合物が残ります。各段階で、分離が完了するまで、各成分の濃度またはフラクションのレベルが増加します。天然ガス中 極低温配管を固化させて詰まらせる可能性のあるすべての不純物は、前処理プロセスで天然ガスから除去されます。前処理後、天然ガス成分は分別蒸留と呼ばれるプロセスで分離されます。 業界では、このプロセスは、天然ガスから過剰な量の窒素を除去することが主な機能であるため、窒素除去と呼ばれることもあります。

• 4ガス流はプレートフィン熱交換器の一方の側を通過し、極低温セクションからの非常に冷たいメタンと窒素はもう一方の側を通過します。メタンと窒素が暖められている間、入ってくるガス流は冷却されます。
• 5次に、ガス流は膨張弁を通過します。これにより、圧力が約145〜360 psi（1.0〜2.5 MPaまたは10〜25 atm）に低下する間、ガスが急速に膨張します。この急速な膨張は、メタンが液化し始めるポイントまでガス流を冷却します。
• 6ガス流（一部は液体、一部はガス）は、高圧分留塔のベースに入ります。ガスがカラムの内部バッフルを通って上昇するにつれて、追加の熱が失われます。メタンは液化し続け、カラムの下部にメタンに富む混合物を形成しますが、窒素やその他のガスのほとんどは上部に流れます。
• 7粗メタンと呼ばれる液体メタン混合物は、高圧カラムの底から引き出され、粗サブクーラーでさらに冷却されます。次に、2番目の膨張弁を通過します。2番目の膨張弁は、圧力を約22 psi（150kPaまたは1.5atm）に下げてから、低圧分留塔に入ります。液体メタンがカラムを下って行くと、残りの窒素の大部分が分離され、約4％以下の窒素と残りのメタンの液体が残ります。この液体はポンプで排出され、暖められ、蒸発して、アップグレードされた天然ガスになります。ガス状窒素は低圧カラムの上部からパイプで排出され、さらに処理するためにベントまたは捕捉されます。
• 8一方、高圧塔の上部からのガスは、 天然ガスから分離されると、粗ヘリウムはいくつかの異なるプロセスを含む多段階プロセスで精製されます。粗ヘリウムの純度と最終製品の用途に応じた分離方法。 コンデンサー。窒素の多くは凝縮して蒸気になり、低圧カラムの上部に供給されます。残りのガスは粗ヘリウムと呼ばれます。これには、約50〜70％のヘリウム、1〜3％の非液化メタン、少量の水素とネオン、および残りの窒素が含まれています。

浄化

他のほとんどの物質を除去するには、粗ヘリウムをさらに精製する必要があります。これは通常、粗ヘリウムの純度と最終製品の用途に応じて、いくつかの異なる分離方法を含む多段階プロセスです。

• 9粗ヘリウムは、最初に約-315°F（-193°C）に冷却されます。この温度では、ほとんどの窒素とメタンが凝縮して液体になり、排出されます。残りのガス混合物は、約90％純粋なヘリウムになります。
• 10空気をガス混合物に加えて、酸素を供給します。ガスは予熱器で温められ、次に触媒を通過します。これにより、混合物中の水素の大部分が空気中の酸素と反応して水蒸気を形成します。その後、ガスは冷却され、水蒸気が凝縮して排出されます。
• 11混合ガスは、並列に動作する複数の吸着容器で構成される圧力スイング吸着（PSA）ユニットに入ります。各容器の中には、小さな細孔で満たされた何千もの粒子があります。ガス混合物が圧力下でこれらの粒子を通過すると、特定のガスが粒子の細孔内に閉じ込められます。次に、圧力を下げ、ガスの流れを逆にして、閉じ込められたガスをパージします。このサイクルは、容器のサイズとガスの濃度に応じて、数秒または数分後に繰り返されます。このメソッドは、ガス混合物から残りの水蒸気、窒素、およびメタンのほとんどを除去します。ヘリウムの純度は約99.99％になりました。

配布

ヘリウムは、常温では気体として、または非常に低温では液体として分布します。ガス状ヘリウムは、900〜6,000 psi（6〜41 MPaまたは60〜410 atm）の範囲の圧力で鍛鋼またはアルミニウム合金シリンダーに分配されます。大量の液体ヘリウムは、最大約14,800ガロン（56,000リットル）の容量を持つ断熱容器に入れて分配されます。

• 12ヘリウムを液化する場合、またはより高い純度が必要な場合は、ガスを活性炭床に通すことにより、ネオンと微量不純物を除去します。 ヘリウムは、常温では気体として、または非常に低温では液体として分布します。約-423°F（-253°C）で動作する極低温吸着装置。この最後のステップで、99.999％以上の純度レベルを達成できます。
• 13次に、ヘリウムは液化装置にパイプで送られ、そこで一連の熱交換器とエキスパンダーを通過します。それが徐々に冷却されて膨張するにつれて、その温度は約-452°F（-269°C）に下がり、液化します。
• 14通常、大量の液体ヘリウムは、通気孔のない加圧容器で出荷されます。出荷が米国本土内である場合、出荷時間は通常1週間未満です。そのような場合、液体ヘリウムは、トラックのトラクターによって引っ張られる大きな断熱タンクトレーラーに入れられます。タンク本体は、熱損失を遅らせるために内殻と外殻の間に真空スペースを備えた2つのシェルで構成されています。真空空間内では、反射フォイルの複数の層が外部からの熱の流れをさらに止めます。海外への長期輸送の場合、ヘリウムは特別な輸送コンテナに入れられます。断熱を提供するための真空スペースに加えて、これらのコンテナには、外部からの熱を吸収するために液体窒素で満たされた第2のシェルもあります。熱が吸収されると、液体窒素が沸騰して排出されます。

品質管理

圧縮ガス協会は、存在する不純物の量と種類に基づいて、ヘリウムの等級基準を確立しています。市販のヘリウムグレードは、純度99.995％で、水、メタン、酸素、窒素、アルゴン、ネオン、水素の量が限られているグレードMから始まります。他のより高いグレードには、グレードN、グレードP、およびグレードGが含まれます。グレードGの純度は99.9999％です。最終製品の定期的なサンプリングと分析により、純度の基準が満たされていることが保証されます。

未来

1996年、米国政府は、政府が資金提供したヘリウムの貯蔵プログラムを中止することを提案しました。これには多くの科学者が心配しています。彼らは、ヘリウムは本質的に天然ガス処理の廃棄物であり、政府の貯蔵施設がなければ、ほとんどのヘリウムは単に大気中に放出され、そこで宇宙に逃げ出し、永久に失われると指摘しています。一部の科学者は、これが発生した場合、地球上の既知のヘリウムの埋蔵量は2015年までに枯渇する可能性があると予測しています。