헬륨

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배경

헬륨은 기본 화학 원소 중 하나입니다. 자연 상태에서 헬륨은 밀도가 낮고 화학 반응성이 낮은 것으로 알려진 무색 기체입니다. 소형 연식 비행선과 풍선에 양력을 제공하기 위해 수소를 대체하는 불연성 물질로 가장 잘 알려져 있습니다. 화학적으로 불활성이기 때문에 로봇 아크 용접에서 가스 실드로 사용되며 전자 반도체 장치를 만드는 데 사용되는 실리콘 및 게르마늄 결정 성장을 위한 비반응성 분위기로도 사용됩니다. 액체 헬륨은 초전도 연구를 포함하여 특정 의료 및 과학 응용 분야에 필요한 극도로 낮은 온도를 제공하는 데 종종 사용됩니다.

헬륨은 우주에서 가장 풍부한 원소 중 하나이지만 대부분은 지구 대기권 밖에 존재합니다. 헬륨은 프랑스 천문학자 피에르 얀센(Pierre Janssen)과 영국 천문학자 조셉 로키어 경(Sir Joseph Lockyer)이 개별적으로 태양의 일식을 연구하던 1868년까지 발견되지 않았습니다. 존재하는 요소에 따라 빛을 다른 색상 밴드로 분리하는 분광기를 사용하여 두 사람 모두 알려진 요소로는 식별할 수 없는 노란색 빛 밴드를 관찰했습니다. 그들의 발견에 대한 소식은 같은 날 과학계에 전해졌으며 일반적으로 두 사람이 발견에 기여했습니다. Lockyer는 그리스 단어 helios 에서 파생된 새로운 원소에 대해 헬륨이라는 이름을 제안했습니다. 태양을 위해.

1895년 영국의 화학자 윌리엄 램지 경은 우라늄 광물인 클레베이트에 헬륨이 포함되어 있음을 발견했습니다. 스웨덴의 화학자 P.T. Cleve와 Nils Langlet은 거의 동시에 비슷한 발견을 했습니다. 헬륨이 지구에서 확인된 것은 이번이 처음입니다. 1905년에 캔자스 주 덱스터 근처의 한 우물에서 채취한 천연 가스에 2%의 헬륨이 포함되어 있는 것으로 밝혀졌습니다. 전 세계의 다른 천연 가스 공급원에 대한 테스트에서 헬륨의 농도가 매우 다양했으며 미국에서 가장 높은 농도가 발견되었습니다.

1900년대 초반, 공기보다 가벼운 소형 연식 비행선과 비행선의 개발은 가연성이 매우 높지만 양력을 제공하기 위해 거의 전적으로 수소에 의존했습니다. 제1차 세계 대전 중에 미국 정부는 불연성 헬륨이 수소보다 우수하다는 사실을 깨닫고 중요한 전쟁 물질로 선언했습니다. 생산은 엄격하게 통제되었고 수출은 축소되었습니다. 1925년 미국은 비정부 사용자에게 헬륨을 판매하는 것을 금지하는 최초의 헬륨 보존법을 통과시켰습니다. 1937년이 되어서야 수소가 채워진 비행선 Hindenburg가 뉴저지주 레이크허스트에 착륙하는 동안 폭발하면서 제한이 해제되고 상업용 공기보다 가벼운 선박의 수소가 헬륨으로 대체되었습니다.

제2차 세계 대전 중에 헬륨은 다시 중요한 전쟁 물질이 되었습니다. 더 특이한 용도 중 하나는 장거리 폭격기의 타이어를 팽창시키는 것이었습니다. 더 가벼운 무게의 헬륨 덕분에 비행기는 70kg(154lb)의 추가 연료를 더 많이 실을 수 있었습니다.

전쟁이 끝난 후 헬륨에 대한 수요가 급격히 증가하여 정부는 1960년에 헬륨법 수정안을 부과하여 향후 사용을 위해 가스를 구매하고 저장했습니다. 1971년까지 수요가 줄어들었고 헬륨 저장 프로그램이 취소되었습니다. 몇 년 후, 정부는 헬륨을 다시 저장하기 시작했습니다. 1993년 기준으로 정부 저장고에는 약 350억 입방피트(10억 입방미터)의 헬륨이 있었습니다.

오늘날 대부분의 헬륨 함유 천연 가스 공급원은 미국 내에 있습니다. 캐나다, 폴란드 및 기타 몇몇 국가에도 상당한 출처가 있습니다.

원자재

헬륨은 우라늄과 토륨과 같은 무거운 원소의 방사성 붕괴에 의해 지하에서 생성됩니다. 이러한 요소에서 방출되는 방사선의 일부는 헬륨 원자의 핵을 형성하는 알파 입자로 구성됩니다. 이 헬륨 중 일부는 표면으로 이동하여 대기로 들어가고 빠르게 상승하여 우주로 탈출합니다. 나머지는 불침투성 암석층 아래에 ​​갇혀 그곳에서 형성되는 천연 가스와 혼합됩니다. 다양한 천연 가스 매장지에서 발견되는 헬륨의 양은 거의 0에서 최대 4%까지 다양합니다. 작업 중인 천연 가스전의 약 10분의 1만이 경제적으로 실행 가능한 헬륨 농도가 0.4% 이상입니다.

헬륨은 공기를 액화하고 구성 가스를 분리하여 생성할 수도 있습니다. 이 방법은 생산단가가 높고 공기 중에 포함된 헬륨의 양이 매우 적습니다. 이 방법은 질소 및 산소와 같은 다른 가스를 생성하는 데 자주 사용되지만 헬륨을 생성하는 데는 거의 사용되지 않습니다.

제조
프로세스

헬륨은 일반적으로 천연 가스 처리의 부산물로 생성됩니다. 천연 가스에는 천연 가스가 연소될 때 열 에너지의 주요 소스인 메탄 및 기타 탄화수소가 포함되어 있습니다. 대부분의 천연 가스 매장지는 또한 소량의 질소, 수증기, 이산화탄소, 헬륨 및 기타 불연성 물질을 포함하여 가스의 잠재적 열 에너지를 낮춥니다. 허용 가능한 수준의 열 에너지로 천연 가스를 생산하려면 이러한 불순물을 제거해야 합니다. 이 프로세스를 업그레이드라고 합니다.

천연 가스를 업그레이드하는 데 사용되는 몇 가지 방법이 있습니다. 가스에 부피 기준으로 약 0.4% 이상의 헬륨이 포함되어 있는 경우, 헬륨 함량을 회수하기 위해 극저온 증류 방법이 종종 사용됩니다. 헬륨이 천연 가스에서 분리되면 상업적 사용을 위해 순도 99.99%가 되도록 추가 정제를 거칩니다.

다음은 헬륨을 추출하고 처리하는 일반적인 작업 순서입니다.

전처리

이 방법은 공정의 일부로 극저온 극저온 섹션을 사용하기 때문에 고형화될 수 있는 모든 불순물(예:수증기, 이산화탄소 및 특정 중탄화수소)을 먼저 천연 가스에서 제거하여 극저온 배관을 막습니다.

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1 천연 가스는 약 800psi(5.5MPa 또는 54atm)로 가압됩니다. 그런 다음 스크러버로 흘러들어가 모노에탄올아민 스프레이를 받게 되며, 이 스프레이는 이산화탄소를 흡수하여 제거합니다.

2 가스 스트림은 분자체를 통과하여 스트림에서 더 큰 수증기 분자를 제거하고 더 작은 가스 분자는 통과시킵니다. 물은 체에서 역세척되어 제거됩니다.

3 가스 흐름의 중질 탄화수소는 가스가 통과할 때 활성탄 층 표면에 수집됩니다. 주기적으로 활성탄이 재충전됩니다. 현재 가스 흐름에는 소량의 헬륨, 수소 및 네온이 포함된 대부분의 메탄과 질소가 포함되어 있습니다.

분리

천연 가스는 분별 증류로 알려진 증류 공정을 통해 주요 구성 요소로 분리됩니다. 때때로 이 이름은 fractionation으로 단축되며 이러한 분리를 수행하는 데 사용되는 수직 구조를 fractionating column이라고 합니다. 분별 증류 공정에서 질소와 메탄은 2단계로 분리되어 높은 비율의 헬륨을 포함하는 가스 혼합물을 남깁니다. 각 단계에서 각 성분의 농도 또는 분획 수준은 분리가 완료될 때까지 증가합니다. 천연가스에서 극저온 배관을 응고시키고 막을 수 있는 모든 불순물은 전처리 과정에서 천연 가스에서 제거됩니다. . 전처리 후 천연 가스 성분은 분별 증류라고 하는 공정에서 분리됩니다. 산업계에서 이 공정은 주요 기능이 천연 가스에서 과도한 양의 질소를 제거하는 것이기 때문에 때때로 질소 제거라고 합니다.

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4 가스 흐름은 플레이트 핀 열교환기의 한 쪽을 통과하는 반면 극저온 섹션의 매우 차가운 메탄과 질소는 다른 쪽을 통과합니다. 유입되는 가스 흐름은 냉각되고 메탄과 질소는 데워집니다.

5 가스 흐름은 압력이 약 145-360psi(1.0-2.5MPa 또는 10-25atm)로 떨어지는 동안 가스가 빠르게 팽창하도록 하는 팽창 밸브를 통과합니다. 이 급속한 팽창은 메탄이 액화되기 시작하는 지점까지 가스 흐름을 냉각시킵니다.

6 현재 일부는 액체이고 일부는 가스인 가스 흐름이 고압 분별 컬럼의 바닥으로 들어갑니다. 가스가 컬럼의 내부 배플을 통해 위로 올라가면서 추가 열을 잃습니다. 메탄은 계속해서 액화되어 컬럼의 바닥에 메탄이 ​​풍부한 혼합물을 형성하는 반면 대부분의 질소 및 기타 가스는 위쪽으로 흐릅니다.

7 조 메탄이라고 하는 액체 메탄 혼합물은 고압 컬럼의 바닥에서 빠져나와 조 과냉각기에서 추가로 냉각됩니다. 그런 다음 두 번째 팽창 밸브를 통과하여 압력을 약 22psi(150kPa 또는 1.5atm)로 낮추고 저압 분별 컬럼으로 들어갑니다. 액체 메탄이 컬럼을 따라 내려가면서 나머지 질소의 대부분이 분리되어 약 4% 이하의 질소와 나머지 메탄이 있는 액체를 남깁니다. 이 액체는 펌핑되고, 데워지고, 증발되어 업그레이드된 천연 가스가 됩니다. 기체 질소는 저압 컬럼의 상단에서 파이프로 배출되고 추가 처리를 위해 배출되거나 포획됩니다.

8 한편, 고압 칼럼 상단에서 나오는 가스는 일단 천연 가스에서 분리된 조 헬륨은 여러 단계를 포함하는 다단계 공정에서 정제됩니다. 미정제 헬륨의 순도와 최종 제품의 용도에 따라 분리 방법이 다릅니다. 콘덴서. 질소의 대부분은 증기로 응축되어 저압 컬럼의 상단으로 공급됩니다. 나머지 가스를 조 헬륨이라고 합니다. 그것은 약 50-70%의 헬륨, 1-3%의 비액화 메탄, 소량의 수소와 네온, 그리고 나머지 질소를 포함합니다.

정화

조 헬륨은 대부분의 다른 물질을 제거하기 위해 더 정제되어야 합니다. 이것은 일반적으로 조 헬륨의 순도와 최종 제품의 의도된 적용에 따라 여러 가지 다른 분리 방법을 포함하는 다단계 공정입니다.

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9 조 헬륨은 먼저 약 -193°C(-315°F)로 냉각됩니다. 이 온도에서 대부분의 질소와 메탄은 액체로 응축되어 배출됩니다. 나머지 가스 혼합물은 이제 약 90% 순수 헬륨입니다.

10 공기가 가스 혼합물에 첨가되어 산소를 제공합니다. 가스는 예열기에서 데워진 다음 촉매를 통과하여 혼합물의 대부분의 수소가 공기 중의 산소와 반응하여 수증기를 형성합니다. 그런 다음 가스가 냉각되고 수증기가 응축되어 배출됩니다.

11 가스 혼합물은 병렬로 작동하는 여러 흡착 용기로 구성된 압력 변동 흡착(PSA) 장치로 들어갑니다. 각 용기 안에는 작은 구멍으로 채워진 수천 개의 입자가 있습니다. 가스 혼합물이 압력 하에서 이러한 입자를 통과할 때 특정 가스는 입자 기공 내에 갇히게 됩니다. 그런 다음 압력이 감소하고 가스 흐름이 역전되어 갇힌 가스를 제거합니다. 이 주기는 용기의 크기와 가스 농도에 따라 몇 초 또는 몇 분 후에 반복됩니다. 이 방법은 가스 혼합물에서 남아 있는 대부분의 수증기, 질소 및 메탄을 제거합니다. 헬륨은 이제 약 99.99% 순수합니다.

배포

헬륨은 상온에서 기체로, 매우 낮은 온도에서 액체로 분포됩니다. 기체 헬륨은 900-6,000psi(6-41MPa 또는 60-410atm) 범위의 압력에서 단조 강철 또는 알루미늄 합금 실린더에 배포됩니다. 대량의 액체 헬륨은 최대 약 14,800갤런(56,000리터) 용량의 단열 용기에 배포됩니다.

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12 헬륨이 액화되어야 하거나 더 높은 순도가 요구되는 경우 네온과 모든 미량 불순물은 가스를 활성탄층에 통과시켜 제거합니다. 헬륨은 상온에서 기체로, 매우 낮은 온도에서 액체로 분포합니다. 약 -423°F(-253°C)에서 작동하는 극저온 흡착기. 이 최종 단계를 통해 99.999% 이상의 순도 수준을 달성할 수 있습니다.

13 그런 다음 헬륨은 액화기로 파이프되어 일련의 열교환기와 팽창기를 통과합니다. 점차적으로 냉각되고 팽창함에 따라 온도는 약 -452°F(-269°C)로 떨어지고 액화됩니다.

14 많은 양의 액체 헬륨은 일반적으로 환기되지 않고 가압된 용기에 담겨 배송됩니다. 배송이 미국 본토 내인 경우 배송 시간은 일반적으로 일주일 미만입니다. 이러한 경우 액체 헬륨은 트럭 트랙터가 견인하는 대형 단열 탱크 트레일러에 배치됩니다. 탱크 본체는 열 손실을 지연시키기 위해 내부 및 외부 쉘 사이에 진공 공간이 있는 두 개의 쉘로 구성됩니다. 진공 공간 내에서 여러 층의 반사 호일이 외부로부터의 열 흐름을 더욱 차단합니다. 해외로 연장된 선적의 경우 헬륨은 특수 선적 컨테이너에 보관됩니다. 단열을 제공하는 진공 공간 외에도 이러한 용기에는 외부에서 열을 흡수하기 위해 액체 질소로 채워진 두 번째 쉘이 있습니다. 열이 흡수되면 액체 질소가 끓어 배출됩니다.

품질 관리

Compressed Gas Association은 존재하는 불순물의 양과 유형에 따라 헬륨에 대한 등급 표준을 설정합니다. 상업용 헬륨 등급은 99.995% 순수하고 제한된 양의 물, 메탄, 산소, 질소, 아르곤, 네온 및 수소를 포함하는 등급 M으로 시작합니다. 다른 더 높은 등급에는 등급 N, 등급 P 및 등급 G가 포함됩니다. 등급 G는 99.9999% 순도입니다. 최종 제품의 주기적인 샘플링 및 분석을 통해 순도 기준이 충족되는지 확인합니다.

미래

1996년에 미국 정부는 정부가 지원하는 헬륨 저장 프로그램을 중단할 것을 제안했습니다. 이것은 많은 과학자들을 걱정하게 합니다. 그들은 헬륨이 본질적으로 천연 가스 처리의 폐기물이며 정부 저장 시설이 없으면 대부분의 헬륨은 단순히 대기로 배출되어 우주로 빠져나가 영원히 사라질 것이라고 지적합니다. 일부 과학자들은 이런 일이 발생하면 알려진 지구상의 헬륨 매장량이 2015년까지 고갈될 것이라고 예측합니다.