高纯氦气如何变成液氦

    氦气是最主要的工业气体品种之一，应用领域广泛。

    在半导体工业中，高纯氦气用作生长锗和硅晶体的保护气。某些混合气的底气、清洗、屏蔽和加压系统的惰性气体；气相色谱载气；在生产象钛和锫那样的活性金属时用作保护气；电弧焊接的保护气；在原子能反应堆中作为气体的冷却介质；充氦飞船，如美国海军司令部和空军司令部正在研究用装有预警系统的飞船来探测低空飞行的导弹；美国毒品管理局在美国南部边境地区设置了6只系留雷达的小型飞艇，用于探查毒品走私的情况；美国边防巡逻站计划利用小型飞艇来探查非法人境的外国人。美国航空和航天局正在利用充氦气球来采集南极洲上空的空气样品，以研究臭氧层遭到破坏的各种原因。充填于在寒冷气候中使用的荧光灯管；充填中子和气体温度计；设备、管路等的氦质谱检漏；与氧气混台用于医疗；在航天技术上，液氦加注系统的真空管路、贮槽、槽车以及火箭贮箱中的空气必须首先用高纯氮气置换，合格后用高纯氦气置换，分析合格后用高纯氦密封；还可用作卫星和火箭的挤压气源及姿态控制发动机用气源。


    液氦主要用于超导技术和磁共振成像(MRI)。超导粒子加速器要用液氦来冷却超导磁体。美国阿贡(Argonne)国家实验室正在研究用于军事和商业目的的磁流体推进系统，这种动力推进系统不使用运动部件。

    MRI在医疗上的应用价值很高，日本于1995年安犍了278套超导MRI，过去单机液氦年用量约400L。超导磁体庖储存系统能储存平时过多的电力，需要时可以为高峰用电提供电力。液氦在低温技术，同步加速器和回转加速器的研究与开发中应用前景广阔。

    天然气生产氦气的主要方法

    ♦ 扩散法 利用氦气所具有的高的热扩散性能，可将天然气中的氦气浓缩提取出来。所用的扩散元件通常为石英玻璃毛细管，管壁厚度为0．025～0．127 mm，内径与壁厚之比为3～7，操作温度在400～500。C，操作压力按具体操作条件可以在几十兆帕到数百兆帕范围内选用。经石英玻璃毛细管扩散提取的氦气纯度相当高，但因所采用的石英玻璃毛细管极细，制作不便，操作时又需要在高温和相当高的压差下进行，因此用扩散法规模化提氦尚存在许多限制。

    ♦ 膜渗透法 随着膜材料的发展，膜渗透法提氦展现出越来越好的应用前景。各种气体对膜具有一定的渗透性能，且各种气体的渗透性能各不相同，因而可以利用渗透法将天然气中的氦气提取出来。工业上应用的渗透膜应具有：渗透常数大，以保证产量并减少所需的膜面积；分离因子大，使流程简化；化学、机械和热的稳定性好，以保持长期的使用性能。膜材对天然气各组分渗透的选择性可用分离因子口"来表示。

    ♦ 吸附法 这种方法是根据天然气中各组分在固体吸附剂表面上吸附能力的差异而将其中的 氦气分离出来。限于吸附剂的吸附容量，吸附法一般适用于杂质含量小于1O 的粗氦精制中。近年来发展起来的变压吸附(PSA)即属于此类改进型。

    ♦ 吸收法 选用适当的吸收溶剂 ，在一定的条件下可将沸点比氦气高的天然气中的其余组分洗涤吸收除去而提取氦气。所用的吸收溶剂如液态氟烃、液态烷烃等。

    ♦ 低温冷凝法 本方法是目前各国从天然气中提取 氦气广泛采用的方法。通常由气源预处理净化、粗氦提取及氦气精制等工序构成。

    1、含氦天然气预处理净化
    含氦气源中的H S、CO。、水分，甚至汞等杂质在进入低温装置前须净化处理，以免在低温下使管道、阀门和设备产生堵塞、腐蚀和恶化工艺条件。常用的酸气脱除方法有：醇胺法、热钾碱法、砜胺法。提氦工艺对天然气中H。S、CO。残留量要求是：H2s≤4 ppm[1 ppm—M／22．4(mg／m。)，M 为分子量，下同]，CO。≤ 100 ppm。鉴于提氦效益考量，应优选有利于降低提氦成本的脱除方法。脱水工艺方法：天然气提氦一般选择分子筛来精脱水，脱水深度要求小于1 ppm，同时进一步吸附脱除残余酸性气体。脱汞工艺方法：HgSIV脱汞分子筛可以再生并循环使用，但设备和控制复杂；而浸硫活性炭不能循环使用，需定期更换，但设备和操作简单。

    2、粗氦提取
    天然气经二次冷凝后制得氦含量为6o ～7o的粗氦，冷凝所需冷量由常压液甲烷、常压液氮或负压液甲烷供给。一次冷凝要求无乙烷以上的馏分，二次冷凝要求甲烷含量小于1 。同时釜液液烃中的氦含量要小于10 ppm，以提高氦气回收率。

    3、氦气精制
    天然气中较难液化的氢随着氦气的提浓被浓缩在粗氦中，需要在精制前将其除去。工业上一般采用催化氧化脱氢法，储氢合金等脱氢工艺也在发展中。小于10 ppm 的残留氢在其后的高压冷凝吸附过程中与氮、少量的甲烷等其他杂质同时除去。冷源一般由常压液氮提供，可制得纯度99．99 以上的高纯氦气。其他精制法如洗涤吸收法， 甲烷、丙烷等天然气组分均可作为吸收剂。

    液氦最主要的用途是应用在低温超导技术上

    要说缺乏氦气最严重的后果，也无非是严重阻碍低温技术的应用，其中受到最大影响的就是低温超导技术了。现在已知所有的超导材料都要在-130℃以下的低温中才能表现出超导特性，其中应用最广泛的那几种（比如Nb3Sn）更是需要比液氢的沸点还低的转变温度，这时候只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。虽然我们完全可以用别的办法实现同样的低温，但都不如液氦实惠。显然，假如我们没有氦，低温超导技术的普及就会受到严重的阻碍；低温超导技术如果不能普及，医院就会用不起核磁共振成像仪（它需要超导材料制造强磁场）。

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