Как из природного газа добывают гелий. Гелий газ
Гелий технический - применение в науке и промышленности
Гелий (He) обладает второй после водорода распространенностью во Вселенной. Благодаря отличным свойствам гелий технический сегодня используется во многих сферах нашей жизнедеятельности.
Свойства газа
Несмотря на большое распространение за пределами нашей планеты, непосредственно на Земле данный химический элемент встречается не так часто. Наибольшая его концентрация находится в природном газе, откуда, собственно, и добывается технический гелий.
В обычных условиях это инертный газ с самой низкой точкой кипения среди всех веществ. Как и большинство технических газов, не имеет цвета, вкуса и запаха. В этом плане он близок по свойствам с аргоном, но отличается от другого газа – ацетилена, который обладает ярким запахом, к тому же еще и взрывоопасен. Кстати, об ацетилене можно прочитать в статье: растворенный ацетилен для резки и сварки металлов.
Добывают He способом глубокого охлаждения из гелийсодержащих природных газов. Процесс осуществляется в несколько стадий. Сначала отделяется углекислота и другие углеводороды, в результате чего получается так называемый сырой гелий с примесями водорода и неона. Окончательная очистка происходит с применением жидкого азота и адсорбцией оставшихся примесей на активированном угле.
На рисунке изображена схема устройства по добыче гелия из природного газа
Где применяется гелий технический
Сегодня многие отрасли не могут обойтись без данного газа. Он применяется в магнитных томографах, микроэлектронике, науке, медицине, для охлаждения ядерных реакторов, наполнения воздушных шаров и во многих других сферах. Поскольку в силу своей негорючести гелий абсолютно безопасен, им заполняют воздухоплавающие суда, такие как аэростаты и дирижабли.
Благодаря инертным свойствам, He часто применяют в металлургии во время сварки цветных металлов в качестве защитного газа. В этой области его основным «конкурентом» считается аргон, который, как отмечалось выше, имеет похожие свойства. При этом гелий технический обладает более высоким потенциалом ионизации и высокой проводимостью тепла. Поэтому, обеспечивается широкий профиль шва и более высокое тепловложение, чем при аргоне. В свою очередь, технический аргон имеет свои преимущества, о которых читайте в статье: газ аргон – химические свойства и сфера применения.
Так выглядит сварочный шов при использовании в качестве защитного газа гелия
Основные марки
Существует несколько марок технического He, которые отличаются объемной долей данного элемента и областью применения.
- Газообразный технический (99,8%). Долю 0,2% занимают примеси азота, водорода, кислорода и аргона. Наиболее часто используется в индустрии развлечений при заполнении воздушных шаров.
- Марка Б (99,990%). Содержит небольшое количество примесей водорода, кислорода, аргона, азота и неона. Применяется для заполнения криогенных устройств и систем.
- Марка А (99,995%). Используется для заполнения тепловыделяющих компонентов ядерных реакторов для обеспечения оптимального теплосъема.
- Марка 4,6 (99,996). Разработана в соответствии с требованиями к чистоте газов производителей лазеров.
- Марка 5,5 (99,9995%). Сверхчистый He получил распространение в тех областях, где необходимо полное отсутствие примесей воздуха, поскольку они могут негативно повлиять на технологические процессы.
- Марка 6,0 (99,9999%). Применяется в лазерных технологиях, хроматографии, то есть там, где критически важно отсутствие любых примесей.
- Марка 7,0 (99,999990%). Объемная доля примесей составляет не более 0,00001%, что позволяет ее использовать в сверхточных и требовательных к чистоте газов разработках.
- Жидкий. Данное вещество в жидком состоянии нашло применение в сфере высоких технологий. Это связано с тем, что при температуре жидкого He сверхпроводники проводят электричество без дополнительного нагрева, создавая мощнейшие магнитные поля. Используется в ядерных магнитно-резонансных исследованиях.
Таблица с содержанием других газов в марках А и Б
Транспортировка и хранение
Газ хранится и перевозится в стальных баллонах коричневого цвета, которые оснащены правой резьбой. Чаще всего используют гелиевые емкости объемом 10 и 40 литров. При транспортировке баллоны помещаются в специализированные контейнеры. В случае соблюдения основных правил перевозку гелиевых баллонов можно осуществлять любым видом транспорта.
Приобрести газообразный гелий по доступной цене и заказать удобную доставку баллонов можно в компании «Промтехгаз», которая отличается высоким качеством предоставляемой продукции.
Если вы интересуетесь другими техническими газами, то больше информации можете найти здесь.
xn--80affkvlgiu5a.xn--p1ai
Как из природного газа добывают гелий
Гелий — инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Благодаря своим уникальным свойствам это вещество широко используется в различных областях науки и техники.
Житель Солнца
Впервые гелий был открыт в атмосфере Солнца. Это произошло в 1868 году благодаря исследованиям французского астронома Пьера Жюля Жансена и английского астронома Джозефа Нормана Локьера.
Во время солнечного затмения, при исследовании излучаемого Солнцем света методом спектроскопии (при этом излучаемый свет расщеплялся стеклянной призмой на линии различной окраски), они обнаружили новую, ярко-желтую, ранее неизвестную линию, которую нельзя было приписать ни одному из уже существующих элементов.
Второй после водорода
По распространенности гелий — второй после водорода элемент во Вселенной. Но на Земле этого вещества относительно немного. Впервые он был выделен на нашей планете в 1895 году шотландским химиком Уильямом Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита.
Гелий, в основном, извлекается из природного газа. В России он производится только на одном заводе — Оренбургском гелиевом заводе, входящем в состав ООО «Газпром добыча Оренбург».
Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение относится к «бедным» по содержанию гелия месторождениям — объемная доля этого вещества в газе составляет до 0,055%. В «богатых» месторождениях содержится более 0,5% гелия, в рядовых — 0,1–0,5%. Все месторождения с содержанием гелия менее 0,1% причисляются к «бедным».
Запасы и производство
Мировые запасы гелия составляют порядка 41 млрд кубометров. Основные запасы сосредоточены в Катаре, Алжире, США и России. В мире производится около 175 млн кубометров гелия в год. Крупнейшим производителем этого продукта являются США. В России пока производится лишь около 5 млн кубометров гелия в год. Это связано с тем, что основные запасы этого вещества сосредоточены в месторождениях Восточной Сибири и Дальнего Востока, которые еще достаточно плохо освоены. Между тем содержание гелия в этих месторождениях очень высокое — 0,2–0,8%.
Выделение гелия из газа происходит в два этапа
На первом этапе в процессе низкотемпературной конденсации получается гелиевый концентрат — в этом продукте объемная доля полезного вещества составляет уже не менее 80%.
В дальнейшем гелиевый концентрат очищается от примесей — метана, азота, водорода, неона, аргона.
На большом воздушном шаре...
Гелий применяется для лечения заболеваний органов дыхания — бронхиальной астмы и других болезней. Воздух, обогащенный гелием, имеет гораздо меньшую плотность, поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным.
Известно влияние гелия на изменение голоса: если вдохнуть небольшое количество этого вещества, голосовые связки сжимаются, в результате чего человек начинает разговаривать как персонаж мультфильма.
Гелий — уникальный продукт. Он обладает низкой температурой кипения (-268,94`С), высокой теплопроводностью и электропроводностью. Благодаря своим свойствам он находит широкое применение в различных областях промышленности — в авиационной, ракетно-космической, электронной, атомной промышленности, медицине.
Гелий применяется для приготовления дыхательных смесей, в том числе для атмосферы обитаемых космических аппаратов, для глубоководного погружения, а также для лечения астмы, для наполнения дирижаблей и воздушных шариков. Он нетоксичен, поэтому вдыхание гелия в небольших количествах вместе с воздухом совершенно безвредно.
Уникальные свойства этого вещества находят применение также в металлургии — для создания защитной среды при сварке металлов, в атомной энергетике — в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов.
Дефицита не избежать
Эксперты прогнозируют, что потребление гелия в мире будет расти. По оценкам ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к 2030 году потребление этого вещества может достичь 238–312 млн кубометров, а его производство к этому времени будет составлять лишь 213–238 млн кубометров. То есть в мире возникнет дефицит гелия. Для покрытия дефицита потребуется значительное увеличение его производства.
В России новые крупные центры по производству гелия в будущем могут быть созданы на базе Чаяндинского и Ковыктинского и других месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока. Таким образом, в будущем у нашей страны есть все шансы стать крупным мировым производителем гелия и поставщиком этого вещества на мировой рынок.
Что такое попутный нефтяной газ
Попутный нефтяной газ, или ПНГ — это газ, растворенный в нефти. Добывается попутный нефтяной газ при добыче нефти, то есть он, по сути, является сопутствующим продуктом. Но и сам по себе ПНГ — это ценное сырье для дальнейшей переработки.
Что такое сжиженные углеводородные газы
Сжиженные углеводородные газы (СУГ) получают из попутного нефтяного газа. Это чистые газы или специальные смеси, которые могут быть использованы для отопления домов, в качестве автомобильного топлива, а также производства нефтехимической продукции.
www.gazprominfo.ru
Гелий: как его добывают и где применяют - О гелие - Каталог статей
Гелий – это инертный газ без цвета и запаха, химический элемент, внесенный в периодическую систему. Первое упоминание о гелии относят к 1868 году. Тогда исследователи Пьер Жюль Жансен и Джозеф Норман Локьер наблюдали за солнечным затмением и проводили спектроскопию лучей. При разделении солнечных лучшей на элементы разного цвета они заметили светло-желтый элемент, до этого неизвестный физикам. Позже выяснилось, что это и был гелий.
Несмотря на то, что гелий занимает второе место по количеству во вселенной после водорода, на Земле он встречается нечасто. Только в 1895 году ученым из Шотландии удалось выделить это вещество из клевеита – природного минерала.
Месторождения гелия
Сегодня гелий добывают в недрах земли, выделяя его из природного газа. В России его добычей занимается завод по обработке газа в Оренбурге. Природный газ, с которым работают на заводе, содержит всего 0,055% гелия, что считается очень небольшим показателем. Газы, богатые гелием – это газы, в которых его содержание составляет не менее 0,5%. Если природный газ содержит от 0,1 до 0,5% гелия, его называют родовым гелиевым месторождением.
В общей сложности на Земле насчитывается более 40 миллиардов кубометров гелия. Больше всего богаты на гелий Китай, Россия, США, Алжир, Катар. Ежегодно по всему миру добывается около 175 миллионов кубических метров гелия. Российские месторождения добывают всего 5 млн кубометров. В Сибири и на Дальнем Востоке обнаружены богатые месторождения этого газа, однако на сегодня его добыча там не налажена.
Как получают гелий из природного газа
Процесс получения гелия состоит из двух этапов. Вначале природный газ охлаждают, после чего происходит конденсация и выделяется гелиевый концентрат – вещество, которое на 80% состоит из гелия. После этого полученное вещество очищают от примесей (водорода, аргона, метана, азота). Для очищения используются различные методы.
Где применяется гелий
Этот инертный газ отлично проводит электричество и тепло, поэтому широко применяется во многих сферах – в ракетостроении, авиации, атомной промышленности, медицине. Он намного легче воздуха, поэтому его используют также в воздухоплавании и подводных погружениях.
Этот газ входит в состав дыхательных смесей – он не токсичен, его можно вдыхать без вреда для здоровья.
Совсем недавно ученые открыли еще одну область применения гелия – в атомной индустрии. Гелий используется как теплопроводник для атомных реакторов. В металлургии этот газ используют как защитное вещество при сварочных работах.
Запасы гелия на Земле
По оценкам экспертов, чтобы удовлетворить такие большие потребности в гелии, к 2030 году ежегодно будет требоваться 238-312 миллионов кубометров. К этому времени объем добычи возрастет всего лишь до 213-238 млн. кубических метров за год, поэтому ожидается некоторая нехватка гелия в производственных сферах. Выход из этой ситуации один – повышать количество добываемого гелия. В России уже сегодня строятся новые предприятия по его добыче – преимущественно в регионах Сибири.
Способы получение гелия | Сварка и сварщик
Существует три основных источника получения гелия:
- из гелийсодержащих природных газов
- из минералов
- из воздуха
Получение гелия из природного газа
Основным способом получения гелия является метод фракционной конденсации из природных гелийсодержащих газов, т.е. методом глубокого охлаждения. Причем используется его характерное свойство - наиболее низкая по сравнению с известными веществами температура кипения. Это позволяет конденсировать все сопутствующие гелию газы, прежде всего метан и азот. Процесс осуществляется обычно в две стадии:
- выделение так называемого сырого гелия (концентрата, содержащего 70-90% He)
- очистка с получением технически чистого гелия.
На рисунке ниже приведена одна из схем установки для извлечения гелия из природного газа.
Схема установки для извлечения гелия из природного газа
Газ сжимается до 25 атмосфер и под этим давлением поступает в установку. Очистка от углекислого газа (CO2) и частичная осушка газа производятся в скрубберах, которые орошаются раствором, содержащим 10-20% моноэтаноламина, 70-80% диэтиленгликоля и 5-10% воды. После скрубберов в газе остается 0,003-0,008% углекислоты CO2, а точка росы не превышает 5°С. Дальнейшая осушка осуществляется в адсорберах с силикагелем, где достигается температура точки росы -45°С.
Под давлением около 20 атмосфер чистый сухой газ поступает в предварительный теплообменник 1, где охлаждается до -28° С обратными газовыми потоками. При этом происходит конденсация тяжелых углеводородов, которые отделяются в сепараторе 2. В аммиачном холодильнике 3 газ охлаждается до -45°С, конденсат отделяется в сепараторе 4. В основном теплообменнике 5 температура газа снижается до -110°С, в результате чего конденсируется значительная часть метана. Паро-жидкостная смесь (около 20% жидкости) дросселируется до давления 12 атмосфер в первый противоточный конденсатор 6, на выходе из которого паро-газовая смесь обогащается гелием до 3%. Образовавшийся в трубках конденсат стекает в отпарную секцию, на тарелках которой из жидкости удаляется растворенный в ней гелий, присоединяющийся к паро-газовому потоку.
Жидкость дросселируется до 1,5 атмосфер в межтрубное пространство конденсатора, где служит хладагентом. Образовавшийся здесь пар выводится через теплообменники 5 и 1. Паро-газовая смесь, выходящая из конденсатора 6 и содержащая до 3% He, под давлением 12 атмосфер идет во второй противоточный конденсатор 7, состоящий из двух частей: в нижней части находится змеевиковый теплообменник, в трубках которого испаряется сдросселированная с 12 до 1,5 атмосфер кубовая жидкость, а в верхней части - прямотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого кипит азот при температуре -203°С и давлении 0,4 атмосферы. В результате конденсации компонентов газовой смеси в нижней части аппарата 7 газ обогащается гелием до 30-50%, а в верхней части - до 90-92%.
Сырой гелий такого состава под давлением 11-12 атмосфер поступает в теплообменники, где нагревается и выводится из установки. Так как в природном газе содержатся небольшие примеси водорода, то в сыром гелии концентрация водорода увеличивается до 4-5%. Удаление водорода производят каталитическим гидрированием с последующей осушкой газа в адсорберах с силикагелем. Сырой гелий сжимается до 150- 200 атмосфер мембранным компрессором 8, охлаждается в теплообменнике 9 и поступает в прямоточный змеевиковый конденсатор 10, охлаждаемый азотом, кипящим под вакуумом. Конденсат (жидкий азот) собирается в сепараторе 11 и периодически выводится, а несконденсировавшийся газ, содержащий примерно 98% He идет в адсорбер 12 с активированным углем, охлаждаемым жидким азотом. Гелий, выходящий из адсорбера, содержит примесей менее 0,05% и поступает в баллоны 13 в качестве продукта.
Особенно богаты гелием природные газы в США, что определяет широкое применение гелия для сварки в этой стране.
Получение гелия из минералов
Другим источником гелия являются некоторые радиоактивные минералы содержащие уран, торий и самарий:
- клевеит
- фергюсонит
- самарскит
- гадолинит
- монацит
- торианит
В частности монацитовые пески, крупное месторождение которых имеется в Траванкоре (Индия): монациты этого месторождения содержат около 1 см3 гелия в 1 г руды.
Для получения гелия из моноцита необходимо нагреть в закрытом сосуде моноцит до 1000°С. Гелий выделяется вместе с углекислым газом (CO2), который затем поглощался раствором едкого натрия (NaOH). Остаточный газ содержит 96,6% He. Дальнейшая очистка производится при 600°С на металлическом магнии для удаления азота, а затем при 580°С - на металлическом кальции для удаления оставшихся примесей. Продукционный газ содержит свыше 99,5% He. Из 1000 т монацитового песка можно получить около 80 м3 чистого гелия. Такой способ получения гелия не представляет технического и промышленного интереса..
Получение гелия из воздуха
В небольшом количестве гелий находится в воздухе, из которого он может быть получен в качестве побочного продукта при производстве кислорода и азота из воздуха, описанного в статье «Азот - безжизненный газ, который так необходим для жизни». В промышленных ректификационных колоннах для разделения воздуха над жидким азотом собирается остающаяся газообразной смесь неона и гелия. На рисунке ниже показан аппарат Клода, специально приспособленный для отделения такой смеси.
Аппарат Клода для выделения неона и гелия из воздуха
Газ, выходящий из аппарата через вентиль Д, охлаждается в змеевике S, который поливается жидким азотом из Т, чтобы сконденсировать остаточный азот. Если вентиль R немного открыть, получается смесь, содержащая очень мало азота. При таком методе промышленного получения гелия, кроме трудности, заключающейся в необходимости обработать большое количество воздуха, встречается еще дополнительное затруднение - необходимость отделения гелия от неона. Это отделение может быть выполнено с помощью жидкого водорода, в котором неон отвердевает, или с помощью адсорбции неона активированным углем, охлаждаемым жидким азотом.
Получение гелия из воздуха нецелесообразно вследствие его малого количества - 0,00046% объема или 0,00007% веса. Расчеты показывают, что стоимость одного кубометра гелия, добытого из воздуха, будет в тысячи раз больше, чем при добывании его из природных газов. Такая высокая стоимость, конечно, исключает возможность промышленного выделения гелия из воздуха.
Например: Чтобы добыть 1 кубометр гелия, нужно выделить 116 т азота.
weldering.com
Гелий – солнечный газ | Сварка и сварщик
Гелий получают из гелийсодержащих природных газов, минералов и воздуха (см. Способы получение гелия)
Впервые гелий был обнаружен во время солнечного затмения 1868 г. астрономы впервые применили спектроскопию для исследования атмосферы Солнца.
24 октября 1868 г. Французская академия наук получила два сообщения - от Пьера Жюль Сезара Жансена (Pierre Jules Cesar Janssen) из Индии и от Джозефа Нормана Локьера (Joseph Norman Lockyer) из Лондона - об открытии ими в спектре солнечной короны новой ярко-желтой линии, которой впоследствии был присвоен символ D3. Совпадение двух независимых сообщений из разных концов мира свидетельствовало о возможности методами спектроскопии проникнуть в тайны солнечной атмосферы и других далеких звезд.
Вопрос о том, какому веществу отвечает линия D3, долго еще оставался открытым. Было лишь установлено, что в спектрах элементов, известных на нашей планете, пока не обнаружено спектральной линии, подобной ярко-желтой линии D3. Локьер ошибочно считал, что раскаленный газ, излучение которого дает таинственную линию D3, является модификацией водорода, не встречающейся на Земле.
В августе 1871 г. Кельвин заявил, что линия D3 до сих пор не идентифицирована с каким-либо земным элементом. Возможно, что она принадлежит новому веществу, которому Локьер и Жансен предложили дать название гелий (от греческого слова гелиос - солнце).
В 1895 г. Сэр Уильям Рамзай (Sir William Ramsay) изучал газ, выделенный им из минерала клевеита, и в гейслеровой трубке неожиданно обнаружил яркую желтую линию. Выдающийся спектроскопист того времени Уильям Крукс (William Crookes) определил длину волны новой линии (5874,9 А) и установил, что это линия D3, на этом основании Рамзай сообщил (23 марта 1895 г.) об открытии им гелия на Земле.Такова история открытия важнейшего представителя группы инертных газов - гелия, который сначала был обнаружен в солнечной атмосфере, а затем (через 27 лет) - на Земле.
Вскоре гелий был обнаружен в других минералах и горных породах, содержащих уран. Наличие гелия в земной коре позволило сделать вывод о его содержании в атмосфере, хотя многие ученые утверждали, что этот легкий газ, выделяющийся из земной коры, полностью уносится из атмосферы в космическое пространство. Вскоре Генрих Кайзер, а затем Зигберт Фридлендер (1896 г.), а также Эдвард Бэли в результате анализа первой выпаренной фракции жидкого воздуха доказали присутствие гелия в атмосфере.
В промышленности гелий применяют в меньших масштабах, чем аргон. Чаще всего его используют:
- хладагент – охлаждение сверхпроводящих магнитов в медицинских сканерах МРТ;
- металлургия – выплавка чистых металлов;
- подводно-спасательное дело – в составе дыхательных смесей;
- сварочное производство – защитный газ;
- в индустрии развлечений – заполнение шариков.
В связи с тем, что гелий примерно в 10 раз легче аргона, что понижает эффективность защиту сварочной ванны при сварке в нижнем положении, но способствует лучшей защите при сварке в потолочном положении, поэтому расход гелия при сварке увеличивается в 1,5-3 раза.
Применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.
Гелий становится предпочтительнее аргона при необходимости дополнительной защиты швов при сварке в потолочном положении. Особенно при сварке титановых сплавов и других химически активных металлов, поглощающих азот и кислород не только в расплавленном состоянии, но и в твердом при нагреве выше определенной температуры.
Однако не только защитные свойства аргона и гелия различны. Различными являются и характеристики дуги в этих газах. Так, при одинаковой силе тока напряжение дуги в гелии значительно выше, чем дуги в аргоне. Такая дуга имеет большую проплавляющую способность и менее концентрирована (создает иную форму проплавления, более равномерную, в то время как дуга в аргоне при сварке, например, титановых сплавов вольфрамовым электродом дает большое проплавление в центре и значительно меньшее по краям ванны). Перепад напряжения в столбе дуги в гелии больше, чем в аргоне, поэтому изменение длины дуги заметнее сказывается на напряжении и общей ее теплоэффективности (см. статью «Свойства сварочной дуги в инертных газах - аргоне и гелии»).
Форма шва и проплавление для различных защитных газов
В зависимости от применения аргона или гелия меняется и поверхностное натяжение на границе металл-газовая фаза. Так, для хромоникелевых сталей аустенитного класса поверхностное натяжение жидкого металла при сварке в гелии заметно меньше, чем в аргоне. Это сказывается и на формировании поверхности швов. Более плавные переходы от шва к основному металлу, при сварке в гелии, имеют место и для других металлов, в частности титановых сплавов и в ряде случаев оказывают влияние на некоторые характеристики работоспособности сварных соединений.
Стоимость гелия значительно выше, чем аргона, поэтому применяют его в основном при сварке химически чистых и активных материалов и сплавов, а также сплавов на основе алюминия и магния.
Чаще всего гелий используют для образования инертных газовых смесей. Обладая большей плотностью, чем гелий, такие смеси лучше защищают металл сварочной ванны от воздуха и увеличивают производительность сварки в целом. В смеси в полной мере реализуются преимущества обоих газов:
- аргон - обеспечивает стабильность горения дуги;
- гелий - обеспечивает высокую степень проплавления.
Методы определения доли примесей и условий поставки гелия регламентируются ГОСТ 20461. Транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах при давлении 15 МПа или в сжиженном состоянии при давлении менее 0,2 МПа.
Баллоны с гелием окрашены в коричневый цвет с надписью белыми буквами «ГЕЛИЙ». Баллоны должны соответствовать требованиям ГОСТ 949.
Коэффициенты перевода объема и массы гелия при Т=15°С и Р=0,1 МПа
0,167 | 1 | 1,336 |
0,125 | 0,749 | 1 |
1 | 5,988 | 8,000 |
Коэффициенты перевода объема и массы гелия при Т=0°С и Р=0,1 МПа
0,178 | 1 | 1,425 |
0,125 | 0,702 | 1 |
1 | 5,618 | 8,000 |
Газ в баллоне
Гелий | 40 | 1,002 | 6,0 |
Давление гелия в баллоне при различной температуре окружающей среды
-40 | 12,2 |
-30 | 12,7 |
-20 | 13,2 |
-10 | 13,7 |
0 | 14,3 |
+10 | 14,7 |
+20 | 15,3 |
+30 | 15,8 |
weldering.com
Гелий | Наука | FANDOM powered by Wikia
| Атомный номер | 2 |
| Внешний вид | инертный газ без цвета, вкуса и запаха |
| Атомная масса(молярная масса) | 4,002602 а. е. м. (г/моль) |
| Радиус атома | n/a пм |
| Энергия ионизации(первый электрон) | 2361,3(24,47) кДж/моль (эВ) |
| Электронная конфигурация | 1s2 |
| Ковалентный радиус | n/a пм |
| Радиус иона | 93 пм |
| Электроотрицательность(по Полингу) | 4,5 |
| Электродный потенциал | 0 |
| Степени окисления | 0 |
| Плотность | 0,147 (при -270 °C) г/см³ |
| Удельная теплоёмкость | 5,188 Дж/(K·моль) |
| Теплопроводность | 0,152 Вт/(м·K) |
| Температура плавления | 0,95 (при 2,5 МПа) K |
| Теплота плавления | n/a кДж/моль |
| Температура кипения | 4,216 K |
| Теплота испарения | 0,08 кДж/моль |
| Молярный объём | 31,8 см³/моль |
| Структура решётки | гексагональная |
| Период решётки | 3,570 Å |
| Отношение c/a | 1,633 |
| Температура Дебая | n/a K |
Ге́лий (He) — 2 элемент периодической системы элементов, газ.
Гелий — практически инертный химический элемент. Возглавляет группу инертных газов в периодической таблице. Нетоксичен, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (T = 4,216 K) наименьшая среди всех элементов; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле. Экстремальные условия также необходимы для создания немногочисленных химических соединений гелия, все они нестабильны при стандартных температуре и давлении. Природный гелий состоит из двух стабильных изотопов: 4He (изотопная распространённость — 99,99986 %) и гораздо более редкого 3He (0,00014 %; содержание гелия-3 в разных природных источниках может варьировать в довольно широких пределах). Известны ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов гелия.
Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной и лёгкости (после водорода). Однако на Земле гелий редок. Практически весь гелий Вселенной образовался в первые несколько минут после Большого Взрыва, во время первичного нуклеосинтеза. В современной Вселенной почти весь новый гелий образуется в результате термоядерного синтеза из водорода в недрах звёзд. На Земле он образуется в результате альфа-распада тяжёлых элементов (альфа-частицы, излучаемые при альфа-распаде — это ядра гелия-4). Часть гелия, возникшего при альфа-распаде и просачивающегося сквозь породы земной коры, захватывается природным газом, концентрация гелия в котором может достигать 7 % от объёма. Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения — так называемой фракционной перегонкой (см. Фракционная дистилляция в статье Дистилляция).
Открытие гелия началось с 1868 года, когда при наблюдении солнечного затмения два астронома — француз П. Ж. Жансен и англичанин Д. Н. Локьер — независимо друг от друга обнаружили в спектре солнечной короны жёлтую линию (она получила название D3-линии), которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. В 1871 году Локьер объяснил её происхождение присутствием на Солнце нового элемента. В 1895 году англичанин У. Рамзай выделил из природной радиоактивной руды клевеита газ, в спектре которого присутствовала та же D3-линия.
Происхождение названия Править
Локьер дал гелию имя, отражающее историю его открытия (от греч. Ήλιο (Helio) — солнце). Поскольку Локьер полагал, что обнаруженный элемент — металл, он использовал в латинском названии элемента окончание «-ium» (соответствует русскому окончанию «-ий»), которое обычно употребляется в названии металлов. Таким образом, гелий задолго до своего открытия на Земле получил имя, которое окончанием отличает его от названий остальных инертных газов.
В настоящее время гелий выделяют из природных гелийсодержащих газов, пользуясь методом глубокого охлаждения (гелий сжижается труднее всех остальных газов). Месторождения таких газов имеются в России, США, Канаде, Китае, Алжире, Польше и Катаре. Гелий содержится также в некоторых минералах (монаците, торианите и других), при этом из 1 кг минерала при нагревании можно выделить до 10 л гелия.
Свойства в газовой фазе Править
Гелий —— наименее химически активный элемент восьмой группы (инертные газы) таблицы Менделеева. Многие соединения гелия существуют только в газовой фазе в виде так называемых эксимерных молекул, у которых устойчивы возбужденные электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He2, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или УФ излучения на смесь гелия газа и фтора (хлора)). При стандартных температуре и давлении гелий ведёт себя практически как идеальный газ. Фактически при всех условиях гелий моноатомный. Он обладает теплопроводностью большей, чем у других газов, кроме водорода, и его удельная теплоёмкость чрезвычайно высока. Гелий также менее растворим в воде, чем любой другой известный газ. Скорость его диффузии сквозь твёрдые материалы в три раза выше, чем у воздуха, и приблизительно на 65 % выше, чем у водорода. Примерный диаметр молекулы He2 — 0,20 нм. Коэффициент преломления гелия ближе к единице, чем у любого другого газа. Этот газ имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томсона при нормальной температуре среды, то есть он нагревается, когда ему дают возможность свободно увеличиваться в объёме. Только ниже температуры инверсии Джоуля-Томсона (приблизительно 40 К при нормальном давлении) он остывает во время свободного расширения. После охлаждения ниже этой температуры, гелий может быть превращён в жидкость при расширительном охлаждении. Такое охлаждение производится при помощи детандера.
Свойства конденсированных фаз Править
В 1908 году Х.Камерлинг-Оннес впервые смог получить жидкий гелий. Твёрдый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 К (В.Кеезом, 1926). Кеезом также открыл наличие фазового перехода гелия-IV при температуре 2,17K; назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость (явление сверхтекучести). В гелии-3 сверхтекучесть возникает лишь при температурах ниже 0,0026 К. Сверхтекучий гелий относится к классу так называемых квантовых жидкостей, макроскопическое поведение которых может быть описано только с помощью квантовой механики. В 2004 году появилось сообщение об открытии сверхтекучести твёрдого гелия, однако интерпретация этого явления не до конца понятна.
Гелий используют для создания инертной и защитной атмосферы при сварке, резке и плавке металлов, при перекачивании ракетного топлива, для наполнения дирижаблей и аэростатов, как компонент активной среды гелий-неоновых лазеров. Гелий-3 используется для наполнения газовых нейтронных детекторов, как рабочее тело гелиевых течеискателей. Жидкий гелий, самая холодная жидкость на Земле, — уникальный хладагент в экспериментальной физике, позволяющий использовать сверхнизкие температуры в научных исследованиях (например, при изучении электрической сверхпроводимости). Благодаря тому, что гелий очень плохо растворим в крови, его используют как составную часть газовой смеси, подаваемой для дыхания водолазам — замена азота воздуха на гелий предотвращает кессонную болезнь (при вдыхании обычного воздуха содержащийся в нём азот под повышенным давлением растворяется в крови, а при падении давления выделяется из неё в виде пузырьков, закупоривающих мелкие сосуды).
- Страница 0 - краткая статья
- Страница 1 - энциклопедическая статья
- Разное - на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
- Прошу вносить вашу информацию в «Гелий 1», чтобы сохранить ее
ru.science.wikia.com
Гелий, Гелий газообразный, Гелий газообразный, Гелий газообразный
Гелий - бесцветный одноатомный газ без запаха; он не вступает в реакции ни с одним химическим элементом, и его атомы не соединяются даже между собой. Наиболее распространенный изотоп 4He содержит в ядре два протона и два нейтрона, поэтому его массовое число равно 4. Более редкий изотоп 3He с одним нейтроном был открыт в 1939 Л. Альваресом и Р. Кернегом. Содержание 3He составляет 10 - 5 % гелия, находящегося в природном газе, добываемом из скважин. 3He получается в ядерных реакциях при распаде трития (3H - изотоп водорода). Гелий - необычное вещество, по свойствам он близок к состоянию идеального газа. Гелий – элемент необычный, и история его несколько загадочна и непонятна. Он был найден в атмосфере Солнца на 13 лет раньше, чем на Земле. Точнее говоря, в спектре солнечной короны была открыта ярко-желтая линия D, а что за ней скрывалось, стало достоверно известно лишь после того, как гелий извлекли из земных минералов, содержащих радиоактивные элементы.
Как образуется гелий
В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико — несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Большинство минералов с течением времени подвергается процессам выветривания, перекристаллизации и т.д., и гелий из них уходит. Высвободившиеся из кристаллических структур гелиевые пузырьки частично растворяются в подземных водах. Другая часть гелия через поры и трещины минералов выходит в атмосферу. Остальные молекулы газа попадают в подземные ловушки, в которых скапливаются в течение десятков, сотен миллионов лет. В качестве ловушек здесь выступают пласты рыхлых пород, пустоты которых заполняют газом. Ложем для таких газовых коллекторов обычно служат вода или нефть, а сверху их перекрывают газонепроницаемые толщи плотных пород.
Синтез гелия — начало жизни
Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам, 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только один процент. Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. Реакция синтеза гелия – основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле. В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1 % гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов. Охлаждение производят дросселированием в несколько стадий очищая его от CO2 и углеводородов. В результате получается смесь гелия, неона и водорода. Эту смесь, т.н. сырой гелий, (He - 70-90 % об.) очищают от водорода (4-5 %) с помощью CuO при 650—800 К. Окончательная очистка достигается охлаждением оставшейся смеси кипящим под вакуумом N2и адсорбцией примесей на активном угле в адсорберах, также охлаждаемых жидким N2. Производят гелий технической чистоты (99,80 % по объёму гелий) и высокой чистоты (99,985 %). В России газообразный гелий получают из природного и нефтяного газов. В настоящее время гелий извлекается на гелиевом заводе ООО «Газпром добыча Оренбург» в Оренбурге из газа с низким содержанием гелия (до 0,055 % об.), поэтому российский гелий имеет высокую себестоимость. Актуальной проблемой является освоение и комплексная переработка природных газов крупных месторождений Восточной Сибири с высоким содержанием гелия (0,15-1 % об.), что позволит намного снизить его себестоимость. По производству гелия лидируют США (140 млн м³ в год), затем — Алжир (16 млн м³). Россия занимает третье место в мире — 6 млн м³ в год. Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд м³. Крупные месторождения находятся в США (45 % от мировых ресурсов), далее идут Россия (32 %), Алжир (7 %), Канада (7 %) и Китай (4 %)
Транспортировка
Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать автотранспорт, воздушный и железнодорожный транспорт при соблюдении соответствующих правил перевозки газов. Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объёмом 10, 25 и 40 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.
Свойства гелия
Газообразный гелий – инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м3. Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий – низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз. Атом гелия (он же молекула) – прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия. Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики — меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.
Применение
- Уникальные свойства гелия широко используются в промышленности и народном хозяйстве
- в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов
- в пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939, в качестве пропеллента и упаковочного газа
- используется в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние)
- для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли)
- в дыхательных смесях для глубоководного погружения (Баллон для дайвинга)
- для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов для заполнения газоразрядных трубок
- в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов
- в качестве носителя в газовой хроматографии
- для поиска утечек в трубопроводах и котлах (Гелиевый течеискатель)
- как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах
- нуклид 3He активно используется в технике нейтронного рассеяния в качестве поляризатора и наполнителя для позиционно-чувствительных нейтронных детекторов
- нуклид 3He является перспективным топливом для термоядерной энергетики
- для изменения тембра голосовых связок (эффект повышенной тональности голоса) за счет различия плотности обычной воздушной смеси и гелия (аналогично гексафториду серы)
Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…
В 1918 г. впервые для наполнения оболочек дирижаблей был применен гелий. Это, естественно, был американский дирижабль под названием «С-7», произведенный фирмой «Гудиир». Позже гелий стал довольно широко использоваться на американских воздушных кораблях – например, на «ZR-1 Шенандоа». Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей. Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий. В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом. В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов. Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот. Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота — подобно шампанскому при открывании бутылки. Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге — к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно. При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой. «Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.
Еще не вечный, но уже безвредный
В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель, который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30–40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива. По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.
| Объёмная доля гелия, % не менее | 99,995 | 99,99 |
| Объёмная доля водорода, % не более | 0,0001 | 0,0025 |
| Объёмная доля азота, % не более | 0,0005 | 0,002 |
| Объёмная доля кислорода + аргона, % не более | 0,0001 | 0,0006 |
| Объёмная доля CO2 + CO, % не более | 0,0002 | 0,001 |
| Объёмная доля углеводородов, % не более | 0,0001 | 0,0005 |
| Объёмная доля неона, % не более | 0,004 | 0,009 |
| Объёмная доля водяных паров, % не более | 0,0005 | 0,002 |
По всем вопросам обращаться по телефону +7(3412) 311-005
www.techgazy.ru
