背景及概述^[1]

-元素符號(hào)He，原子序數(shù)2，原子量4.0026，外圍電子排布1s2，位于周期零族。單質(zhì)由單原子分子組成，是一種稀有氣體，無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)味。密度0.17847g/L，是氫以外密度最小的氣體。熔點(diǎn)-272.2℃，沸點(diǎn)-268.9℃。臨界溫度-267.9℃，臨界壓力227.98Pa(2.25大氣壓)。是最難液化的氣體。20℃時(shí)每L水中僅能溶13.8mL氣體，是最難溶于水的氣體。原子范氏半徑122pm。電離能2372kJ/mol，是化學(xué)性質(zhì)最不活潑的元素。不燃燒，不支持燃燒，基本上不與任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。1868年德國(guó)天文學(xué)家簡(jiǎn)孫用分光鏡發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光譜中有一條新的譜線(xiàn)，后經(jīng)英天文學(xué)家洛克耶爾據(jù)此斷定太陽(yáng)上有一種當(dāng)時(shí)地球上尚未發(fā)現(xiàn)的元素，命名為氦，拉丁文原意是“太陽(yáng)”。地球上的氦是放射性元素的衰變產(chǎn)物，放射出來(lái)的α粒子(即氦原子核或氦離子)在空氣中獲得兩個(gè)電子成為氦原子。在空氣中氦約占體積的5×10-4%，天然氣中含有較多的氦?？捎梢后w空氣中分餾氦氖混和氣中提取，也可以分餾含氦天然氣(液態(tài))獲得。

應(yīng)用^[2]

氦常用作保護(hù)氣體。鎂、鋁、鐵、鈦等金屬和合金鋼等在焊接時(shí)，用氦氣氛形成屏蔽，使金屬不被氧化或氫化，從而達(dá)到良好的焊接效果。在鈦、鋯等金屬冶煉和硅、鍺等半導(dǎo)體精煉時(shí)也用氦作保護(hù)氣體。但金屬中的氦會(huì)使材料壽命縮短。氦還用作原子能反應(yīng)堆和加速器的保護(hù)氣體。氬-氦混合氣體充入白熾燈內(nèi)，以增加燈泡亮度和使用壽命。氦是液氫溫度下唯一不液化的氣體，在航天器(如液氫燃料火箭)中用作液體推進(jìn)器的加壓氣體。用氦填充承載氣象儀器的高空氣球或飛艇，比用氫氣安全。液氦在低溫實(shí)驗(yàn)室用作冷卻劑，可獲得-270℃左右的超低溫。因氦在血液中溶解度小，所以與氧混合用于潛水和沉箱作業(yè)，代替空氣作為高壓呼吸氣體，可避免潛水病。氦氧混合氣密度為普通空氣的1/3，呼吸混合氣要比呼吸空氣容易，所以也用于治療氣喘病。氦也用于氣體激光器，在色譜分析中作為載氣(用氦氣流運(yùn)載待測(cè)試樣進(jìn)入氣相色譜儀)。

制備^[3-4]

工業(yè)上制法是將天然氣反復(fù)進(jìn)行液化；精餾，并用活性炭吸附除去氦以外的其他雜質(zhì)氣體進(jìn)行精制；此外，焙燒含氦的鈾礦石，分離氣體，利用化學(xué)方法除去水蒸氣、氫、二氧化碳等，可得到純氦。

1. 吸附法

這種方法是根據(jù)天然氣中各組分在固體吸附劑表面上吸附能力的差異而將其中的氦分離出來(lái)。限于吸附劑的吸附容量，吸附法一般適用于雜質(zhì)含量小于10%的粗氦精制中。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的變壓吸附(PSA)即屬于此類(lèi)改進(jìn)型。

2.吸收法

選用適當(dāng)?shù)奈杖軇?，在一定的條件下可將沸點(diǎn)比氦氣高的天然氣中的其余組分洗滌吸收除去而提取氦氣。所用的吸收溶劑如液態(tài)氟烴、液態(tài)烷烴等。圖1為從含氦天然氣中提取氦氣的一種吸收法流程簡(jiǎn)圖。該法一般適用于氦氣含量較高的場(chǎng)合，并且通常與PSA一起使用.

3.擴(kuò)散法

利用氦氣所具有的高的熱擴(kuò)散性能，可將天然氣中的氦氣濃縮提取出來(lái)。所用的擴(kuò)散元件通常為石英玻璃毛細(xì)管，管壁厚度為0.025～0.127mm，內(nèi)徑與壁厚之比為3～7，操作溫度在400～500℃，操作壓力按具體操作條件可以在幾十兆帕到數(shù)百兆帕范圍內(nèi)選用。經(jīng)石英玻璃毛細(xì)管擴(kuò)散提取的氦氣純度相當(dāng)高，但因所采用的石英玻璃毛細(xì)管極細(xì)，制作不便，操作時(shí)又需要在高溫和相當(dāng)高的壓差下進(jìn)行，因此用擴(kuò)散法規(guī)模化提氦尚存在許多限制。

4.膜滲透法

隨著膜材料的發(fā)展，膜滲透法提氦展現(xiàn)出越來(lái)越好的應(yīng)用前景。各種氣體對(duì)膜具有一定的滲透性能，且各種氣體的滲透性能各不相同，因而可以利用滲透法將天然氣中的氦氣提取出來(lái)。工業(yè)上應(yīng)用的滲透膜應(yīng)具有：滲透常數(shù)大，以保證產(chǎn)量并減少所需的膜面積；分離因子大，使流程簡(jiǎn)化；化學(xué)、機(jī)械和熱的穩(wěn)定性好，以保持長(zhǎng)期的使用性能。

5.低溫冷凝法

本方法是目前各國(guó)從天然氣中提取氦氣廣泛采用的方法。通常由氣源預(yù)處理凈化、粗氦提取及氦氣精制等工序構(gòu)成。

(1)含氦天然氣預(yù)處理凈化

含氦氣源中的H2S、CO2、水分，甚至汞等雜質(zhì)在進(jìn)入低溫裝置前須凈化處理，以免在低溫下使管道、閥門(mén)和設(shè)備產(chǎn)生堵塞、腐蝕和惡化工藝條件。常用的酸氣脫除方法有：醇胺法、熱鉀堿法、砜胺法。提氦工藝對(duì)天然氣中H2S、CO2殘留量要求是：H2S≤4ppm[1ppm=M/22.4(mg/m3)，M為分子量，下同]，CO2≤100ppm。鑒于提氦效益考量，應(yīng)優(yōu)選有利于降低提氦成本的脫除方法。

脫水工藝方法：天然氣提氦一般選擇分子篩來(lái)精脫水，脫水深度要求小于1ppm，同時(shí)進(jìn)一步吸附脫除殘余酸性氣體。

脫汞工藝方法：HgSIV脫汞分子篩可以再生并循環(huán)使用，但設(shè)備和控制復(fù)雜；而浸硫活性炭不能循環(huán)使用，需定期更換，但設(shè)備和操作簡(jiǎn)單。

(2)粗氦提取

天然氣經(jīng)二次冷凝后制得氦含量為60%～70%的粗氦，冷凝所需冷量由常壓液甲烷、常壓液氮或負(fù)壓液甲烷供給。一次冷凝要求無(wú)乙烷以上的餾分，二次冷凝要求甲烷含量小于1%。同時(shí)釜液液烴中的氦含量要小于10ppm，以提高氦氣回收率。

(3)氦氣精制

天然氣中較難液化的氫隨著氦氣的提濃被濃縮在粗氦中，需要在精制前將其除去。工業(yè)上一般采用催化氧化脫氫法，儲(chǔ)氫合金等脫氫工藝也在發(fā)展中。小于10ppm的殘留氫在其后的高壓冷凝吸附過(guò)程中與氮、少量的甲烷等其他雜質(zhì)同時(shí)除去。冷源一般由常壓液氮提供，可制得純度99.99%以上的氦氣。其他精制法如洗滌吸收法，甲烷、丙烷等天然氣組分均可作為吸收劑。

主要參考資料

[1] 中學(xué)教師實(shí)用化學(xué)辭

[2] 科學(xué)技術(shù)社會(huì)辭典·化學(xué)

[3] 實(shí)用精細(xì)化工辭

[4] 天然氣提取氦氣技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展