Helium: Υποπροϊόν φυσικού αερίου με μοναδικές ιδιότητες και χρήσεις

Περιεχόμενο

• Τι είναι το Helium;
• Από πού προέρχεται το Ηλύσιο;
• Γιατί είναι το Ηέλιο σε Μερικό Φυσικό Αέριο;
• Πού είναι το φυσικό αέριο πλούσιο σε ηλίθιο;
• Χρήσεις του Ηλίου
• Απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού
• Ανυψωτικό Αέριο
• Καθαρισμός αερίου
• Ελεγχόμενη Βιομηχανία Ατμόσφαιρας
• Ανίχνευση διαρροών
• Μίγματα αναπνοής
• Αέρια συγκόλλησης
• Helium: ένας μη ανανεώσιμος πόρος
• Ηλίθια γλουτια και έλλειψη ηλίου

Χρώμα του ηλίου: Οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν ακούσει ότι το ήλιο χρησιμοποιείται ως ανυψωτικό αέριο για αερόστατα, μπαλόνια και μπαλόνια για πάρτι. Αυτές είναι πολύ ήσσονος σημασίας χρήσεις ηλίου. Η χρήση που καταναλώνει περισσότερο ήλιο από οποιοδήποτε άλλο, ψύχει τους μαγνήτες σε μηχανές MRI (μαγνητικής τομογραφίας) σε ιατρικές εγκαταστάσεις. Goodyear φωτογραφία από Derek Jensen.

Τι είναι το Helium;

Το ήλιο είναι ένα χημικό στοιχείο και ένα άχρωμο, άοσμο, άγευστο αδρανές αέριο. Έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα οποιουδήποτε στοιχείου και το δεύτερο χαμηλότερο ατομικό βάρος. Είναι ελαφρύτερο από τον αέρα.

Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν ότι το ήλιο χρησιμοποιείται ως ανυψωτικό αέριο σε αερόστατα και μπαλόνια, αλλά δεν μπορούν να ονομάσουν άλλο τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιείται. Η πρώτη χρήση ηλίου είναι ως ψυκτικό αέριο για μηχανές απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) που χρησιμοποιούνται σε ιατρικές εγκαταστάσεις. Άλλες σημαντικές χρήσεις ηλίου περιλαμβάνουν: ένα προστατευτικό αέριο για συγκόλληση, ένα αδρανές αέριο για την παραγωγή ελεγχόμενης ατμόσφαιρας, ένα ανεξέλεγκτο αέριο που χρησιμοποιείται για ανίχνευση διαρροών και ένα αέριο χαμηλού ιξώδους για μίγματα αναπνευστικής πίεσης υπό πίεση.

Από πού προέρχεται το Ηλύσιο;

Πολύ μικρό ήλιο υπάρχει στην ατμόσφαιρα της Γης. Είναι ένα τόσο ελαφρύ στοιχείο που η βαρύτητα της Γης δεν μπορεί να την κρατήσει. Όταν είναι παρόν στην επιφάνεια της Γης, το ανεμπόδιστο ήλιο αρχίζει αμέσως να αυξάνεται μέχρι να διαφύγει από τον πλανήτη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπαίνουν μπαλόνια πάρτι!

Το ήλιο που παράγεται στο εμπόριο λαμβάνεται από το έδαφος. Ορισμένα πεδία φυσικού αερίου έχουν αρκετό ήλιο που αναμιγνύεται με το αέριο που μπορεί να εξαχθεί με οικονομικό κόστος. Ορισμένα πεδία στις Ηνωμένες Πολιτείες περιέχουν πάνω από 7% ήλιο κατ 'όγκο. Οι εταιρείες που ασχολούνται με το φυσικό αέριο σε αυτές τις περιοχές παράγουν φυσικό αέριο, επεξεργάζονται και αφαιρούν το ήλιο ως υποπροϊόν.

Χημικά αποθέματα φυσικού αερίου: Μοντέλο κατάθεσης για πεδία φυσικού αερίου που φέρουν ήλιο στις Ηνωμένες Πολιτείες. Το ηλίθιο παράγεται από τη διάσπαση του ουρανίου και του θορίου σε κοκκοειδή υπόγεια πετρώματα. Το απελευθερωμένο ήλιο είναι ανθεκτικό και κινείται προς την επιφάνεια σε πορώδες που σχετίζεται με σφάλματα του υπογείου. Το ήλιο μετακινείται έπειτα προς τα πάνω μέσω πορώδους ιζηματογενούς κάλυψης μέχρι να παγιδευτεί με φυσικό αέριο κάτω από κλίνες ανυδρίτη ή αλάτι. Αυτοί είναι οι μόνοι πλευρικά-επίμονοι τύποι βράχων που είναι σε θέση να παγιδεύουν και να περιέχουν τα μικροσκοπικά, γεμάτα από τον ήλιο άτομα. Αυτή η γεωλογική κατάσταση εμφανίζεται μόνο σε λίγες τοποθεσίες στον κόσμο και είναι γιατί οι πλούσιες συσσωρεύσεις ηλίου είναι σπάνιες.

Σχετιζομαι με: Μια νέα χρήση του σκληρού δίσκου του ηλίου

Γιατί είναι το Ηέλιο σε Μερικό Φυσικό Αέριο;

Το μεγαλύτερο μέρος του ηλίου που απομακρύνεται από το φυσικό αέριο πιστεύεται ότι σχηματίζεται από ραδιενεργό διάσπαση ουρανίου και θορίου σε γρανιτοειδή βράχια της ηπειρωτικής κρούστας της Γης. Ως πολύ ελαφρύ αέριο, είναι πλούσιο και επιδιώκει να κινηθεί προς τα πάνω μόλις σχηματίζεται. Οι πλουσιότερες συσσωρεύσεις ηλίου ανευρίσκονται όπου υπάρχουν τρεις συνθήκες: 1) οι βράχοι των βασικών ορυκτών είναι πλούσιοι σε ουράνιο και θόριο. 2) τα πετρώματα του υπογείου θραύονται και προσβάλλονται για να παρέχουν διαδρομές διαφυγής για το ήλιο. και 3) τα πορώδη ιζηματογενή πετρώματα πάνω από τα ελαττώματα του υπογείου καλύπτονται από μια αδιαπέραστη σφράγιση halite ή ανυδρίτη. Όταν πληρούνται και οι τρεις αυτές συνθήκες, το ήλιο μπορεί να συσσωρευτεί στο στρώμα πορώδους ιζηματογενούς βράχου.

Το ήλιο έχει τη μικρότερη ατομική ακτίνα οποιουδήποτε στοιχείου, περίπου 0,2 νανόμετρα. Έτσι, όταν σχηματίζεται και αρχίζει να κινείται προς τα πάνω, μπορεί να χωρέσει μέσα από πολύ μικρούς χώρους πόρων μέσα στους βράχους. Ο Halite και ο ανυδρίτης είναι τα μόνα ιζηματογενή πετρώματα που μπορούν να εμποδίσουν την ανοδική μετατόπιση των ατόμων του ηλίου. Οι φλοιοί που έχουν τους χώρους των πόρων τους συνδεδεμένους με άφθονα οργανικά υλικά (kerogen) χρησιμεύουν μερικές φορές ως λιγότερο αποτελεσματικό φράγμα.

Χημικά αποθέματα φυσικού αερίου: Χάρτης που δείχνει τα πεδία φυσικού αερίου που χρησιμεύουν ως σημαντικές πηγές ηλίου στις Ηνωμένες Πολιτείες. Το φυσικό αέριο που παράγεται από αυτά τα πεδία περιέχει μεταξύ 0,3% και άνω του 7% ηλίου. Το ήλιο αφαιρείται από το αέριο για εμπορική πώληση. Εικόνα χρησιμοποιώντας δεδομένα τοποθεσίας από την Γεωλογική Έρευνα Ηνωμένων Πολιτειών.

Πού είναι το φυσικό αέριο πλούσιο σε ηλίθιο;

Το μεγαλύτερο μέρος του μη επεξεργασμένου φυσικού αερίου περιέχει τουλάχιστον ίχνη ηλίου. Πολύ λίγα πεδία φυσικού αερίου περιέχουν αρκετά για να δικαιολογήσουν μια διαδικασία ανάκτησης του ήλιου. Μια πηγή φυσικού αερίου πρέπει να περιέχει τουλάχιστον 0,3% ήλιο για να θεωρηθεί ως πιθανή πηγή ηλίου.

Το 2010, όλο το φυσικό αέριο που υποβλήθηκε σε επεξεργασία για ήλιο στις Ηνωμένες Πολιτείες προήλθε από χωράφια στο Κολοράντο, Κάνσας, Οκλαχόμα, Τέξας, Γιούτα και Ουαϊόμινγκ όπως φαίνεται στον συνοδευτικό χάρτη. Το πεδίο Hugoton στην Οκλαχόμα, το Κάνσας και το Τέξας. το πεδίο Panoma στο Κάνσας. το πεδίο Keyes στην Οκλαχόμα. το Panhandle West και το Cliffside Fields στο Τέξας και το Riley Ridge Field στο Wyoming αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής ηλίου στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Κατά το 2010, οι Ηνωμένες Πολιτείες παρήγαγαν 128 εκατομμύρια κυβικά μέτρα ηλίου. Από το ποσό αυτό, 53 εκατομμύρια κυβικά μέτρα ηλίου εξήχθησαν από φυσικό αέριο και 75 εκατομμύρια κυβικά μέτρα αποσύρθηκαν από το Εθνικό Αποθετήριο Ελλείων. Άλλες χώρες με γνωστά ποσά παραγωγής ήταν: Αλγερία (18 mcm), Κατάρ (13 mcm), Ρωσία (6 mcm) και Πολωνία (3 mcm). Ο Καναδάς και η Κίνα παρήγαγαν μικρές αλλά μη αναφερόμενες ποσότητες ηλίου.

Χέλιο σε μηχανές MRI: Η πρώτη χρήση ηλίου είναι η ψύξη των μαγνητών στις μηχανές απεικόνισης μαγνητικής τομογραφίας (magnetic resonance imaging) που χρησιμοποιούνται για τη διάγνωση ασθενειών και τραυματισμών σε ιατρικές εγκαταστάσεις.

Μια νέα χρήση για το Helium: Ο πρώτος σκληρός δίσκος που έχει σφραγιστεί με ήλιο κατασκευάστηκε το 2013. Το ηλιοειδές επιτρέπει στον οδηγό να χρησιμοποιεί λιγότερη ενέργεια, να παράγει λιγότερη θερμότητα, να κάνει λιγότερο θόρυβο, να καταλαμβάνει λιγότερο χώρο, να κρατά περισσότερα δεδομένα και να παράγει λιγότερες δονήσεις από έναν κανονικό σκληρό δίσκο. Μάθε περισσότερα.

Χρήσεις του Ηλίου

Το χέλι έχει πολλές ιδιότητες που το καθιστούν εξαιρετικά κατάλληλο για ορισμένες χρήσεις. Σε μερικές από αυτές τις χρήσεις, το ήλιο είναι το καλύτερο δυνατό αέριο που χρησιμοποιείται και σε λίγες περιπτώσεις δεν υπάρχει επαρκές υποκατάστατο του ηλίου. Διάφορες χρήσεις ηλίου μαζί με τις ιδιότητες που την καθιστούν κατάλληλες για τη χρήση περιγράφονται παρακάτω.

Απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού

Η πρώτη χρήση ηλίου είναι στις μηχανές απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού που χρησιμοποιούνται στις ιατρικές εγκαταστάσεις για την εκτίμηση των τραυματισμών και τη διάγνωση ασθενειών. Αυτά τα μηχανήματα χρησιμοποιούν ένα μαγνητικό πεδίο που παράγεται από έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη. Αυτοί οι μαγνήτες παράγουν μια τεράστια ποσότητα θερμότητας. Το υγρό ήλιο είναι η ψυκτική ουσία της επιλογής για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας αυτών των μαγνητών. Επειδή το ήλιο έχει τη δεύτερη χαμηλότερη ειδική θερμότητα οποιουδήποτε αερίου και το χαμηλότερο σημείο βρασμού / τήξης οποιουδήποτε στοιχείου, δεν υπάρχει προβλεπόμενο υποκατάστατο του ηλίου σε αυτή τη πολύ σημαντική χρήση.

Ανυψωτικό Αέριο

Το ήλιο έχει το δεύτερο χαμηλότερο ατομικό βάρος οποιουδήποτε στοιχείου. Μόνο το υδρογόνο έχει χαμηλότερο ατομικό βάρος. Ως αέριο ελαφρύτερο από το αέριο, το ήλιο χρησιμοποιήθηκε ως "αέριο ανύψωσης" για αερόπλοια και μπαλόνια. Τα αερόστατα, τα διώρυγα, τα αερόστατα, τα αερόστατα, τα αερόστατα και άλλα σκάφη ελαφρύτερα από το αεροπλάνο χρησιμοποιούν το ήλιο ως ανυψωτικό αέριο. Είναι πολύ πιο ασφαλές από το υδρογόνο επειδή δεν είναι εύφλεκτο. Αυτή ήταν η πιο σημαντική κατηγορία χρήσης ηλίου μέχρι το τέλος του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου. Πολύ χαμηλότερες ποσότητες ηλίου χρησιμοποιούνται τώρα ως αέριο ανύψωσης.

Καθαρό αέριο: Το Ηλίιο χρησιμοποιείται από τη NASA και το Υπουργείο Άμυνας για να καθαρίσει το υγρό οξυγόνο και το υγρό υδρογόνο από τις δεξαμενές καυσίμων και τα συστήματα μεταφοράς καυσίμων των πυραυλοκινητήρων. Το ήλιο είναι αδρανές και έχει μια θερμοκρασία κατάψυξης που είναι τόσο χαμηλή που παραμένει ένα αέριο μέσω της διαδικασίας καθαρισμού. Μια ροή ηλίου σε αυτά τα συστήματα έχει χρησιμοποιηθεί ακόμη και σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης για την κατάσβεση πυρκαγιών. Εικόνα από τη NASA.

Μίγματα αναπνοής από έλαμο: Το Ηλίιο χρησιμοποιείται για την παρασκευή αναπνευστικών μιγμάτων αερίων για καταδύσεις σε βαθιά νερά. Το ήλιο είναι αδρανές και έχει χαμηλό ιξώδες υπό πίεση που επιτρέπει ευκολότερη αναπνοή. Εικόνα από την NOAA.

Καθαρισμός αερίου

Το ήλιο έχει το χαμηλότερο σημείο τήξης και βρασμού οποιουδήποτε αερίου. Λιώνει και βράζει σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Επειδή παραμένει αέριο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αέριο καθαρισμού για δεξαμενές καυσίμου και συστήματα παροχής καυσίμων που γεμίζουν με πολύ κρύα υγρά όπως υγρό υδρογόνο και υγρό οξυγόνο. Επειδή είναι αδρανές και έχει χαμηλή θερμοκρασία κατάψυξης, μπορεί να μετατοπίσει αυτά τα καύσιμα με ασφάλεια χωρίς να παγώσει. Μεγάλες ποσότητες ηλίου χρησιμοποιούνται από τη NASA και το Υπουργείο Άμυνας για την εκτόξευση πυραυλικών συστημάτων πρόωσης.

Ελεγχόμενη Βιομηχανία Ατμόσφαιρας

Το ήλιο είναι αδρανές αέριο. Το μόνο αέριο με χαμηλότερη αντιδραστικότητα είναι το νέον. Αυτή η χαμηλή αντιδραστικότητα καθιστά το ήλιο πολύτιμο αέριο για χρήση στις διεργασίες κατασκευής και επισκευής όταν απαιτείται αδρανής ατμόσφαιρα. Το ηλίθιο έχει επίσης τη δεύτερη χαμηλότερη πυκνότητα οποιουδήποτε αερίου μαζί με πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Αυτές οι ιδιότητες αερίου ηλίου καθιστούν την ατμόσφαιρα επιλογής για πολλές μεταλλουργικές διεργασίες, αναπτύσσοντας τέλειους κρυστάλλους σε χημικούς ατμούς, κατασκευάζοντας οπτικές ίνες και άλλες χρήσεις.

Ανίχνευση διαρροών

Το Ηλί έχει πολύ χαμηλό ιξώδες, υψηλό συντελεστή διάχυσης και το μικρότερο άτομο οποιουδήποτε στοιχείου. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το ήλιο πολύ δύσκολο να περιοριστεί. Εάν ένα σύστημα έχει διαρροή, το ήλιο θα διαφύγει. Ως εκ τούτου, το αέριο του ήλιου χρησιμοποιείται για τη δοκιμή συστημάτων υψηλού κενού, συστημάτων καυσίμων και άλλων περιοχών για διαρροές.

Μίγματα αναπνοής

Το χέλιο και άλλα αδρανή αέρια χρησιμοποιούνται για την παρασκευή αναπνευστικών μιγμάτων για καταδύσεις σε βαθιά νερά και για ιατρικές θεραπείες. Το χέλιο χρησιμοποιείται εδώ επειδή είναι αδρανές, έχει πολύ χαμηλό ιξώδες και είναι ευκολότερο να αναπνέει υπό πίεση από οποιοδήποτε άλλο αέριο.

Αέρια συγκόλλησης

Το ήλιο χρησιμοποιείται ως προστατευτική ατμόσφαιρα κατά τη συγκόλληση. Μια ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου προστατεύει τα θερμά μέταλλα από την οξείδωση και άλλες αντιδράσεις που μπορεί να συμβούν γρήγορα σε υψηλές θερμοκρασίες.

Χρήσεις ηλίου: Σχετικές ποσότητες ηλίου που καταναλώθηκαν από διάφορες χρήσεις στις Ηνωμένες Πολιτείες κατά τη διάρκεια του 2011. Γράφημα χρησιμοποιώντας δεδομένα από το USGS.

Helium: ένας μη ανανεώσιμος πόρος

Το ήλιο είναι ένα αέριο που συναντάται μόνο όταν συμβαίνει μια σύμπτωση απίθανων καταστάσεων. Παρόλο που συνεχώς παράγεται από τη φθορά των ραδιενεργών ορυκτών στη γήινη κρούστα, ο ρυθμός φυσικής παραγωγής και συσσώρευσης είναι τόσο αργός που πρέπει να θεωρηθεί ως μη ανανεώσιμος πόρος.

Ηλίθια γλουτια και έλλειψη ηλίου

Το 1925 οι Ηνωμένες Πολιτείες δημιούργησαν το Εθνικό Αποθετήριο Helium για να χρησιμεύσουν ως στρατηγική προμήθεια ηλίου για χρήση σε αερόπλοια και για άλλους αμυντικούς σκοπούς. Την εποχή εκείνη η χώρα παράγει πολύ περισσότερο ήλιο από ό, τι καταναλώνεται. Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, η ποσότητα ηλίου που χρησιμοποιήθηκε ως ανυψωτικό αέριο μειώθηκε, αλλά η ζήτηση για ήλιο ως αέριο καθαρισμού κατά τον ανεφοδιασμό πυραυλοκινητήρων και ως ψυκτικό μέσο σε εγκαταστάσεις πυρηνικών όπλων αυξήθηκε. Ακόμα, παράγεται περισσότερο ήλιο από ό, τι καταναλώνεται.

Το 1995, το Κογκρέσο αποφάσισε ότι το Εθνικό Αποθετήριο Helium δεν ήταν απαραίτητο και ξεκίνησε πρόγραμμα πώλησης του ήλιου στο πλαίσιο του νόμου περί ιδιωτικοποίησης του Helium του 1996. Για σχεδόν δύο δεκαετίες το συνέδριο επέτρεψε να πωληθεί το ήλιο με μια τεράστια έκπτωση στην ελεύθερη αγορά τιμές. Έως το 1/2 της παγκόσμιας ζήτησης ηλίου ικανοποιούνταν μέσω πωλήσεων από το Εθνικό Αποθετήριο Helium. Σε μερικά χρόνια εξήχθη περισσότερο ηλιο από τις Ηνωμένες Πολιτείες σε άλλες χώρες από ό, τι καταναλώθηκε στην εγχώρια αγορά. Όσοι αγόρασαν ήλιο από την κυβέρνηση πήραν μια φανταστική συμφωνία και εκείνοι που αγόρασαν ήλιο στην ελεύθερη αγορά πλήρωσαν πολύ υψηλότερη τιμή.

Η απόρριψη του αποθέματος του εθνικού αποθέματος ερίου στην αγορά κατέθρεψε την τιμή του ηλίου τόσο πολύ ώστε να χρησιμοποιείται ως φθηνό υποκατάστατο αργού και άλλων αερίων που έχουν πολύ λιγότερη προσφορά.

Επειδή η εμπορική παραγωγή ήλιου δεν ανταμείφθηκε ή χρησιμοποιήθηκε σε μεγάλο βαθμό, η αγορά ήταν ανεπαρκής όταν οι πωλήσεις του Εθνικού Αποθετηρίου Ελλιπών αντικαταστάθηκαν από ένα σύστημα πλειστηριασμού το 2014. Στην πρώτη δημοπρασία, δύο υποψήφιοι αγόρασαν ολόκληρη την ετήσια κατανομή 93 εκατομμυρίων κυβικών ποδιών ηλίου σε περισσότερα διπλάσια από την τιμή αγοράς των προηγούμενων ετών. Μετά τη δημοπρασία, άλλα 1 δισεκατομμύριο κυβικά πόδια πωλήθηκαν στους ίδιους δύο υποψήφιους.

Από τον πρώτο πλειστηριασμό, η τιμή του ήλιου συνέχισε να αυξάνεται επειδή η παραγωγή νέου ήλιου υπολείπεται της κατανάλωσης. Η αύξηση των τιμών προκάλεσε επενδύσεις σε νέες μονάδες επεξεργασίας ηλίου. Ωστόσο, το ήλιο μπορεί να παραχθεί μόνο από πεδία φυσικού αερίου με αλάτι ή άνυδρη μορφή ως βράχο παγίδευσης. Αυτά εμφανίζονται μόνο σε μερικά μέρη του κόσμου.

Σύμφωνα με τον ισχύοντα νόμο, το Εθνικό Αποθετήριο Helium θα πωληθεί μέχρι το 2021. Ας ελπίσουμε ότι η αύξηση των επενδύσεων σε μονάδες ανάκτησης ηλίου θα είναι επαρκής για να καλύψει τις ανάγκες των καταναλωτών ήλιου όταν αυτή η σημαντική πηγή ηλίου έχει φύγει.