Produkcja i zastosowania helu.pdf

Technologie kriogeniczne

Konspekt do wykładu

Maciej Chorowski

Produkcja i zastosowania helu

1. Wstęp

Hel należy do grupy gazów szlachetnych, chemicznie biernych, nietworzących związków z

innymi pierwiastkami i jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we

wszechświecie. Odkrycie helu nastąpiło w trakcie badań spektrograficznych promieniowania

słonecznego stąd nazwa tego pierwiastka pochodzi od greckiego boga słońca – Heliosa. Hel

występuje w bardzo małych ilościach w atmosferze ziemskiej, jego stężenie w powietrzu jest

niższe od 0,001%. Przy obecnie dostępnych technologiach odzysk helu z powietrza nie jest

opłacalny.

W znacznie większych stężeniach hel występuje w złożach gazu ziemnego, szczególnie tych

zasobnych w azot. Obecność helu w atmosferze ziemskiej i gazie ziemnym jest efektem

rozpadu radioaktywnego metali ciężkich (uranu, toru), powstały gaz przenika przez skorupę

ziemska do atmosfery lub zostaje złapany w pułapki przez nieprzepuszczalne formacje skalne

i przedostaje się do gazu ziemnego.

Występowanie złóż helonośnych jest wypadkową jednoczesnego działania kilku czynników

takich jak: stężenie pierwiastków promieniotwórczych, długotrwałość procesu akumulacji

produktów rozpadu oraz skuteczność izolacji warstw, w której następuje akumulacja helu.

Stężenie helu w gazie ziemnym waha się od setnych części procenta do kilku procent, przy

czym opłacalną granicą odzysku helu jest stężenie 0.2%.

W przyrodzie występują dwa stabilne izotopy helu - 4He oraz 3He, przy czy udział izotopu

helu 3 w pozyskiwanym z gazu ziemnego helu 4 jest rzędu 0,1 ppm. Praktycznie cały Hel 3

jest uzyskiwany w wyniku rozpadu litu bombardowanego neutronami. Hel 3 jest stosowany

do uzyskiwania temperatur znacznie niższych od 1 K w chłodziarkach rozcieńczalnikowych

oraz w chłodziarkach wykorzystujących efekt Pomerańczuka. W zastosowaniach

technicznych 3He praktycznie nie występuje. W dalszym ciągu tego wykładu przez hel

będziemy rozumieć izotop 4He.

2. Własności helu i jego wykorzystanie w technice

Hel i wodór pojedynczo otwierają układ okresowy pierwiastków. Pomimo znacznie niższej

ceny i pewnych podobieństw wynikających z bardzo małych liczb masowych obu

pierwiastków stosowanie wodoru jest ograniczone jego palnością i wybuchowością. Jedną z

najważniejszych pod względem zastosowań w technice własności helu jest jego bardzo niska

temperatura skraplania pod ciśnieniem normalnym (4,2 K), najniższa ze wszystkich znanych

substancji (temperatura wrzenia wodoru pod ciśnieniem normalnym wynosi 20,4 K i jest zbyt

wysoka, aby mógł on być wykorzystywany do kriostatowania nadprzewodników

niskotemperaturowych). Ponadto hel nie zestala się nawet przy temperaturach dążących do

zera bezwzględnego, pod warunkiem, że nie jest poddany działaniu wysokich ciśnień

(powyżej 2,5 MPa). Zapobiega to pojawianiu się fazy stałej w helowych instalacjach

kriogenicznych mogącej zablokować przepływ kriogenu. Stąd najwięcej helu wykorzystuje

się w instalacjach kriogenicznych służących do kriostatowania maszyn i urządzeń

wykonanych z nadprzewodników, szczególnie magnesów wykorzystywanych w tomografach

MRI. Ponieważ obecnie jedynym nadprzewodnikiem wykorzystywanym na skalę

przemysłową do produkcji magnesów nadprzewodzących jest stop NbTi o temperaturze

krytycznej 9,6 K, wyeliminowanie helu z układów chłodzenia magnesów MRI nie jest

praktycznie możliwe. Podejmowane próby skonstruowania magnesów chłodzonych

bezpośrednio przez przewodzenie ciepła chłodziarkami Gifforda-McMahona lub rurami

pulsacyjnymi bez konieczności zalania helem cewki magnesu mają obecnie charakter jedynie

eksperymentalny. Jak już wspomnaino temperatura wrzenia wodoru pod ciśnieniem

normalnym wynosi 20,4 K i jest zbyt wysoka do ziębienia nadprzewodników

niskotemperaturowych.

Hel jest jedyną substancja o temperaturze wrzenia niższej od temperatury wrzenia wodoru. Ze

względu na niepalność jest idealnym materiałem do płukania instalacji wodorowych, zarówno

przed jak i po użyciu. Głównym użytkownikiem helu w celu płukania instalacji wodorowych

są agencje kosmiczne NASA oraz Arienspace, które eksploatują statki z paliwem w postaci

ciekłego wodoru. Zwróćmy uwagę, że użycie w tym samym celu czystego azotu lub argonu

powszechnie stosowanych do płukania instalacji gazowych, spowodowałoby powstanie

zestalonych gazów blokujących przepływ w płukanych przewodach.

Hel jest drugim po wodorze gazem pod względem ciężaru właściwego. Gęstość helu stanowi

około 15% gęstości powietrza przy tej samej temperaturze. Oznacza to, że hel może być z

powodzeniem stosowany jako gaz nośny wykorzystywany w balonach, sterowcach, balonach

reklamowych i zabawkach. Przewaga helu nad wodorem, początkowo wykorzystywanym do

tych samych celów wynika z niepalności helu i bezpieczeństwa jego stosowania.

Cząsteczka helu jest najmniejsza ze wszystkich znanych molekuł, co decyduje o jego

szerokim wykorzystywaniu w wykrywaczach nieszczelności. Hel przenika przez najmniejsze

szczeliny umożliwiając kontrolę szczelności urządzeń próżniowych, ciśnieniowych,

elektronicznych. Konsekwencją bardzo małych rozmiarów molekuł helu jest ich

przenikalność przez membrany wykonane z lateksu. Konsekwencją jest stosunkowo krótki

czas napełnienia helem balonów-zabawek, z których hel ucieka do atmosfery.

Hel jest w każdych warunkach chemicznie obojętny. Hel w zasadzie nigdy nie tworzy

trwałych związków. Dzięki temu jest idealnym gazem w chromatografii gazowej i procesie

wytwarzania półprzewodników, które wymagają absolutnie inertnych atmosfer. Zwróćmy

uwagę, że własności takich nie posiada znacznie tańszy i łatwiej dostępny azot, który w

odpowiednio wysokich temperaturach tworzy tlenki azotu.

Hel charakteryzuje się wysokim ciepłem właściwym oraz dużym przewodnictwem cieplnym,

co czyni z niego doskonały gaz w procesach wymiany ciepła i wyrównywania temperatury.

Jednym z głównych zastosowań gazowego helu wykorzystujących jego własności cieplne jest

szybkie chłodzenie włókien światłowodowych w trakcie ich wyciągania z wlewka szklanego.

Hel jest również wykorzystywany jako czynnik pośredniczący w wymianie ciepła w

niektórych typach reaktorów jądrowych, gdzie istotny jest również brak jego radioaktywnych

izotopów.

Hel charakteryzuje się najwyższym potencjałem jonizacyjnym ze wszystkich atomów, co

czyni go szczególnie użytecznym w spawaniu łukiem elektrycznym takich materiałów jak

tytan, magnez oraz stopy aluminium stosowane w lotnictwie i budowie statków.

Rozpuszczalność helu w wodzie, a więc również w krwi, jest znikoma. Dzięki temu

oddychanie mieszanką helowo-tlenową będącą pod podwyższonym w stosunku do

atmosferycznego ciśnieniem nie prowadzi do choroby kesonowej. Mieszanki takie są

stosowane przez nurków przebywających na dużych głębokościach.

Prędkość dźwięku w helu przekracza około trzykrotnie prędkość dźwięku w powietrzu.

Pozwala to na wytwarzanie powłok metalowych poprzez napylanie proszków metali z dużymi

prędkościami przez strumień helu pod wysokim ciśnieniem.

Ponadto hel przejawia unikalną własność zwaną nadciekłością, jeżeli jego temperatura jest

niższa od 2,17 K. Nadciekłość wynika z przyjęcia przez atomy helu, które są bozonami

podstawowych stanów energetycznych i jest efektem kwantowym obserwowanym w skali

makroskopowej. Hel nadciekły jest pozbawiony tarcia i może przenosić duże strumienie

ciepła przy znikomych gradientach temperatury. Nadciekły hel znalazł zastosowanie w

ziębieniu nadprzewodzących magnesów akceleratorów cząstek i tokamaków.

W tabeli 1 zestawiono istotne ze względów zastosowań technicznych własności helu i

odpowiadające im aplikacje.

Własność helu

Zastosowanie

Najniższa temperatura wrzenia ze wszystkich

substancji, nie zestala się pod ciśnieniem

atmosferycznym nawet przy temperaturze

dążącej do zera bezwzględnego

Kriostatowanie nadprzewodników

niskotemperaturowych, w tym magnesów

stosowanych w detektorach NMR

Płukanie helem instalacji wykorzystujących

ciekły wodór

Pierwiastek o najmniejszym po wodorze

ciężarze właściwym

Czynnik nośny dla balonów i sterowców

Pierwiastek o najmniejszej molekule

Wykrywanie nieszczelności

Chemicznie obojętny

Atmosfery ochronne w produkcji

półprzewodników

Duży współczynnik przewodzenia ciepła

Chłodzenie gazem, wyrównywanie

temperatury

Chłodzenie włókien światłowodów w trakcie

ich wytwarzania

Odporny na promieniowanie, brak

radioaktywnych izotopów

Czynnik pośredniczący w wymianie ciepła w

reaktorach wysokotemperaturowej fuzji

Wysoki potencjał jonizacyjny

Spawanie w łuku aluminium i innych metali

w atmosferze helu

Topienie plazmą tytanu i innych metali w

atmosferze helu

Bardzo mała rozpuszczalność w cieczach

Składnik mieszanek oddechowych przy

głębokim nurkowaniu

Duża prędkość dźwięku

Nanoszenie powłok na powierzchni metali

Nadciekły poniżej 2,17 K

Kriostatowanie wysokopolowych magnesów

oraz wnęk rezonansowych o wysokich

częstotliwościach, np. w akceleratorach

cząstek

3. Światowe zużycie i rynek helu

Światowe zużycie helu w roku 2002 wyniosło około 140 milionów normalnych m 3 , co

stanowi około 23200 ton. Na rysunku 1 pokazano rozkład zużycia helu pomiędzy

poszczególne zastosowania.

Nadprzewod

niki

28%

Inne

20% Półprzewodni

Balony i

Sterowce

16%

Światłowody

Spawanie

12%

Analityczne /

Wykrywanie

wycieków

12%

Rysunek 1. Podział światowego zużycia helu.

Nadprzewodniki

Największym odbiorcą helu są instalacje ziębienia nadprzewodników, zużywające około 28%

produkcji światowej, tzn. około 39 mln nm3 (około 6500 ton). Z tej ilości trzy czwarte helu

jest wykorzystywane do produkcji oraz w trakcie eksploatacji wykorzystywanych w

diagnostyce medycznej tomografów wykorzystujących zjawisko rezonansu magnetycznego –

urządzeń MRI. Pozostałe 25% helu wykorzystywanego do ziębienia niskotemperaturowych

nadprzewodnikach znajduje zastosowanie w akceleratorach cząstek, detektorach SQUID,

urządzeniach NMR, nadprzewodnikowych separatorach i wielu innych instalacjach. Pomimo

coraz bardziej skutecznych prób wykorzystywania nadprzewodników

wysokotemperaturowych w ciągu najbliższych lat ilość instalacji wykorzystujących

nadprzewodniki niskotemperaturowe będzie wzrastać.

Unoszenie (balony, sterowce)

Drugim, co do skali obszarem zastosowań helu są urządzenia nośne, zarówno

wykorzystywane do przenoszenia nad powierzchnią ziemi nietypowych ładunków, jak i w

celach reklamy i zabawy. W samych tylko Stanach Zjednoczonych do napełniania balonów

reklamowych i rozrywkowych zużywa się około 20 milionów nm3 helu. Po dodaniu do tej

liczby ilości helu wykorzystywanego do napełniania statków powietrznych służących do

przenoszenia wielosettonowych nietypowych ładunków (np. elementów mostów, konstrukcji

stalowych), całkowite zużycie helu do celów unoszenia wynosi około 16% całkowitej

produkcji, co w skali globalnej stanowi ponad 22 mln nm3. Można przewidywać, że zużycie

helu w balonach i statkach powietrznych będzie stopniowo wzrastać.

Spawanie

W procesach spawania zużywa się około 12% całkowitej produkcji helu, co odpowiada około

17 mln nm3 gazu. Ze względu na wysoki potencjał jonizacji hel stanowi bardzo dobre

atmosfery ochronne, chociaż w tych zastosowaniach może być stosunkowo najłatwiej

zastąpiony przez inne gazy – np. mieszanki z udziałem argonu. Stąd nie przewiduje się

wzrostu zużycia helu w spawalnictwie, a raczej jego stabilizację.

Pomiary

Chromatografia gazowa oraz wykrywacze nieszczelności zużywają po około 6% całkowitej

produkcji helu. Ze względu na zaostrzające się normy kontroli jakości oraz ochrony

środowiska, zużycie helu w tych zastosowaniach będzie stopniowo wzrastać.

Produkcja światłowodów

Około 7% produkcji helu, co stanowi prawie 10 mln nm3, jest zużywane do chłodzenia

włókien szklanych w trakcie produkcji światłowodów. Ze względu na wzrost zastosowań

światłowodów, że można przewidywać stopniowy wzrost zużycia helu stosowanego do

produkcji światłowodów.

Produkcja nadprzewodników

Obecne zużycie helu w procesach produkcji nadprzewodników wynosi około 5%, czyli 7 mln

nm3 gazu. Ze względu na unikalną czystość helu w porównaniu z innymi gazami oraz jego

całkowitą obojętność chemiczną, przewiduje się znaczny wzrost zużycia tego pierwiastka w

przemyśle nadprzewodników w najbliższych latach.

Inne zastosowania

Inne obszary wykorzystywania helu to programy kosmiczne, nurkowanie na dużych

głębokościach (hel jest składnikiem mieszanek oddechowych), fizyka i technika niskich

temperatur, technika próżniowa oraz wiele innych. Zastosowanie te łącznie pochłaniają około

20% globalnej produkcji helu, co stanowi w przybliżeniu 28 milionów nm3 gazu.

Biorąc pod uwagę omówione obszary zastosowań helu oraz nowe technologie, które mogą

zacząć wykorzystywać hel, przewiduje się, że w ciągu najbliższych dziesięciu lat zużycie helu

będzie wzrastało o 5 do 6% rocznie. Nie wydaje się być to liczba wygórowana, jeżeli

porówna się ją ze wzrostem zużycia helu w ciągu ostatnich 30 lat wynoszącym około 8%

rocznie.

Na rysunku pokazano udział poszczególnych regionów świata w rynku helu. Największe

zużycie tego pierwiastka ma miejsce w Stanach Zjednoczonych – około 59% zużycia

globalnego. Druga w kolejności jest Europa z 21% zużywanego helu, następnie Japonia, Azja

i pozostałe kraje.

Japonia

Azja

Inne

Europa

21%

USA

59%

Rysunek 2. Zużycie helu.

Praktycznie cały produkowany obecnie hel wytwarzany jest z gazu ziemnego. Jak już

wspomniano, przy obecnie stosowanych technologiach odzysk helu z gazu ziemnego jest

opłacalny jeżeli jego zawartość przekracza 0,2%. Rozpoznane złoża gazu ziemnego z istotną

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: