Им. И. М. Губкина унц "газохимия" иох им. Н. Д. Зелинского ран ргу нефти и газа им. И. М. Губкина

3.3. Методы получения гелия из природных газов


Общая характеристика методов
Гелий - редкий по своим свойствам газ, откры­тый спектрально на Солнце (в 1868 г. Жансеном и Ло-Кьером), а затем на Земле (в 1895 г. Рамзаем). Концентрация гелия в природных газах невелика и колеблет­ся от 0,001 до 3,0% (об.). Средневзвешенная концентра­ция гелия в мировых запасах природного газа не превышает 0,04% (об.), а к 2020 г., по прогнозам, снизится до 0,02% (об.) Извлечение гелия считается экономически целесообразным, если его содержание в при­родном газе не менее 0,06 % об. (за рубежом принята норма - не менее 0,3 % об.).
Гелий – один из самых легких (после водорода) газов с плотностью 0,1785 кг/м³ при давле­нии 0,1 МПа и температуре О^оС. Он обладает низкой крити­ческой температурой (Ткр =-267,97^оС), высокой теплопроводностью и электропроводностью. Гелий плохо растворяется в воде и жидких углеводородах, химически инертен.
В природе существует два изотопа гелия – ³Не и ⁴Не, причем подавляющую долю составляет ⁴Не, образующийся в результате -распада радиоактивных элементов Земли. В сжиженном виде ⁴Не имеет плотность 125,1 кг/м³ и кипит при 4,44 К (-268,9 °С).
Указанные свойства обусловили широкое применение гелия в различных областях науки и техники:
-для создания инертной газовой защитной среды при сварке алюминия, меди, титана, магния, нержавеющей стали и других металлов;
-в хроматографических газоанализаторах;
-для заполнения наблюдательных и метеорологических ша­ров (по причине легкости);
-в атомных реакторах с газовым охлаждением как теплопро­водная среда, характеризующаяся высокой теплоемкостью, а также не подверженная воздействию радиации;
-совместно с кислородом для приготовления дыхательных смесей при лечении астмы и других заболеваний дыхательных путей;
-в кессонно-водолазных работах.
До 50% от общего количества жидкого и газообразного гелия потребляют предприятия и организации военно-промышленного комплекса.
Основное количество гелия получают сейчас из природных газов. При мировых запасах природного газа порядка 180-200 трлн м³ содержание гелия в них составляют 56-60 млрд м³. Ежегод­ное образование гелия в результате -распада оценивается как 25 млн м³, причем из них около 3 млн м³ (вследствие его низкой плотности) рассеивается в космос.
Ежегодная добыча гелия составляет около 1,2 млрд м³, из чего можно заключить, что с учетом незначительного прироста его образования запасы гелия на Земле обеспечат по­требности в нем в течение очень ограниченного срока – 50-60 лет.
Наиболее богатыми запасами гелийсодержащих природных газов располагают США, Россия, Алжир, Канада, Польша и Голландия. В России это Оренбургское и Астраханское место­рождения, а также Башкортостан, Иркутская область, Якутия и Красноярский край.
Производство гелия в мире, превышает его по­требление (отношение потребления к производству составляет в настоящее время около 80-85%). Избыток гелия закачивают в сжиженном виде в хранилища.
На экономику производства гелия оказывают влияние два основных фактора:
-концентрация гелия в исходном газе;
-комплексность переработки газового сырья (одновременное извлечение из газа сероводорода, азота, углекислого газа, эта­на, пропана, бутанов, сжиженного газа значительно повышает рентабельность процесса).
Традиционно в выделении гелия используют низкотемпературные (криогенные) методы: низкотемпературные конденсация, ректификация и ад­сорбция. Часто в современные поточные схемы производства гелия включают блоки селективной диффузии через мембраны.
Криогенные методы основаны на способности компонентов природного газа легко конденсироваться при низких темпера­турах. Они нашли промышленное применение, поскольку легко впи­сываются в систему комплексной переработки газа. Обычно большая часть пропана и практически все более тяжелые углеводороды конденсируются уже при охлаждении газа до минус 50^оС. Но для получения гелия высокой чистоты (99,995 %) требуется температура конденсации азота (минус 195,8 ^оС). Часто на криогенных установках получают гелий-сырец (гелиевый концентрат) с содержанием гелия 50-85 %. Для получения чистого гелия из сырца используются химичес­кие, адсорбционные и каталитические методы.
Чистый гелий получают из очищенного от примесей и глубо­ко осушенного природного газа обычно в три стадии - выделя­ют гелиевый концентрат, содержащий до 80 - 90% гелия, кон­центрируют его до 99,98% и затем ожижают для удобства тран­спортирования и хранения.