استخراج هلیوم فرایندی پیچیده است که از اعماق زمین آغاز و با فناوریهای پیشرفته تکمیل میشود. 02146837072 – 09120253891
هلیوم یکی از عناصر شیمیایی با عدد اتمی ۲ و دومین عنصر سبک جدول تناوبی است که با نماد He شناخته میشود. این گاز بیرنگ، بیبو و غیرقابل اشتعال است و به دلیل ساختار اتمی پایدار، در دسته گازهای نجیب قرار میگیرد. آنچه هلیوم را از سایر گازهای صنعتی متمایز میکند، کمیاب بودن آن در جو زمین و منشأ خاص زمینشناسی آن است. برخلاف نیتروژن یا اکسیژن که مستقیماً از هوا قابل جداسازی هستند ، هلیوم بهصورت آزاد در جو زمین تجمع نمییابد؛ زیرا به دلیل جرم کم، بهراحتی از میدان گرانشی زمین فرار میکند.
منبع اصلی هلیوم در پوسته زمین، واپاشی رادیواکتیو عناصر سنگین مانند اورانیوم و توریم است. طی میلیونها سال، این فرایند واپاشی منجر به تولید اتمهای هلیوم میشود که درون ساختارهای سنگی به دام میافتند. در صورت وجود سازندهای زمینشناسی مناسب، این گاز به همراه گاز طبیعی در مخازن زیرزمینی تجمع پیدا میکند. بنابراین استخراج هلیوم در عمل به صنعت گاز طبیعی وابسته است و معمولاً بهعنوان محصول جانبی پالایش گاز طبیعی به دست میآید.
کشورهایی مانند ایالات متحده آمریکا، قطر و الجزایر از مهمترین تولیدکنندگان هلیوم در جهان به شمار میروند، زیرا دارای میادین گاز طبیعی با درصد قابلتوجهی هلیوم هستند.
مرحله نخست : شناسایی و ارزیابی مخازن حاوی هلیوم
استخراج هلیوم پیش از هر چیز مستلزم شناسایی مخازن گاز طبیعی است که حاوی درصد مناسبی از این عنصر باشند. معمولاً غلظت هلیوم در گاز طبیعی بین ۰٫۱ تا ۷ درصد متغیر است، اما از نظر اقتصادی، تنها مخازنی مقرونبهصرفه هستند که حداقل حدود ۰٫۳ درصد هلیوم داشته باشند.
در این مرحله، مطالعات زمینشناسی، لرزهنگاری و آنالیز نمونههای گاز انجام میشود. شرکتهای اکتشافی با حفاری چاههای آزمایشی، ترکیب گاز استخراجی را بررسی میکنند. در صورتی که نسبت هلیوم در گاز طبیعی به حد قابل قبول برسد، طراحی واحدهای جداسازی در برنامه توسعه میدان گازی قرار میگیرد.
نکته مهم این است که برخلاف بسیاری از گازهای صنعتی که میتوان آنها را بهطور مستقیم تولید کرد، تولید و استخراج هلیوم وابسته به وجود ذخایر طبیعی خاص است. به همین دلیل، منابع هلیوم در جهان محدود و راهبردی محسوب میشوند.
جداسازی هلیوم از گاز طبیعی؛ قلب فرآیند استخراج
پس از استخراج گاز طبیعی از مخزن زیرزمینی، فرآیند پالایش آغاز میشود. گاز طبیعی خام معمولاً شامل متان، اتان، پروپان، دیاکسید کربن، نیتروژن، سولفید هیدروژن و مقادیر کمی هلیوم است. برای دستیابی به هلیوم خالص، باید چندین مرحله جداسازی انجام گیرد.
مهمترین روش صنعتی برای استخراج هلیوم، فرآیند تقطیر برودتی (Cryogenic Distillation) است. در این روش، گاز طبیعی تا دماهای بسیار پایین سرد میشود. هر یک از اجزای گاز در دمای متفاوتی مایع میشوند. از آنجا که نقطه جوش هلیوم (حدود منفی ۲۶۹ درجه سانتیگراد) بسیار پایینتر از سایر گازهاست، در شرایط برودتی شدید، سایر ترکیبات مایع شده و جدا میشوند، در حالی که هلیوم در فاز گازی باقی میماند.
بهطور کلی مراحل جداسازی بعد از استخراج شامل موارد زیر است:
حذف ناخالصیهایی مانند آب، دیاکسید کربن و سولفید هیدروژن
مایعسازی متان و سایر هیدروکربنها
جداسازی نیتروژن
تغلیظ هلیوم در جریان گاز باقیمانده
در پایان این مرحله، گازی با خلوص تقریبی ۵۰ تا ۷۰ درصد هلیوم به دست میآید که به آن «هلیوم خام» گفته میشود.
خالصسازی نهایی و دستیابی به گریدهای صنعتی
هلیوم خام برای استفاده در صنایع حساس کافی نیست. بسیاری از کاربردهای صنعتی و آزمایشگاهی نیازمند خلوصهای بسیار بالا، حتی تا ۹۹٫۹۹۹ درصد (گرید 5.0) هستند. بنابراین، مرحله خالصسازی نهایی اهمیت زیادی دارد زیرا در نهایت این استخراج با خالصی سازی هلیوم به بهره برداری میرسد .
در این بخش از فناوریهایی مانند جذب سطحی نوسانی فشار (PSA)، تقطیر تکمیلی و فیلترهای پیشرفته استفاده میشود. ناخالصیهای باقیمانده شامل نیتروژن، هیدروژن و ردپای گازهای نجیب دیگر حذف میشوند. کنترل سطح ناخالصیها بهویژه برای کاربردهایی مانند صنایع نیمههادی، جوشکاری دقیق و تجهیزات تصویربرداری پزشکی حیاتی است.
پس از رسیدن به خلوص مورد نظر، هلیوم در سیلندرهای فشار بالا ذخیره یا برای مایعسازی به واحدهای کرایوجنیک منتقل میشود.
مایعسازی هلیوم؛ فرآیندی پیچیده و پرهزینه
یکی از مهمترین کاربردهای هلیوم، استفاده بهصورت مایع در سیستمهای خنککننده فوقسرد است. برای مثال، در دستگاههای MRI که بر پایه ابررسانایی کار میکنند، از هلیوم مایع برای حفظ دمای بسیار پایین استفاده میشود.
مایعسازی هلیوم به دلیل نقطه جوش بسیار پایین آن، نیازمند فناوری پیشرفته و مصرف انرژی قابلتوجه است. در این فرآیند، هلیوم گازی طی چندین مرحله فشردهسازی، انبساط و تبادل حرارتی، به دمای نزدیک صفر مطلق میرسد و به مایع تبدیل میشود.
کارخانههای بزرگ مایعسازی معمولاً در نزدیکی منابع اصلی تولید قرار دارند تا هزینه انتقال گاز به حداقل برسد. نمونهای از توسعه گسترده این صنعت را میتوان در مجتمعهای عظیم گازی قطر مشاهده کرد که نقش مهمی در بازار جهانی هلیوم ایفا میکنند.
ذخیرهسازی و حملونقل
هلیوم گازی در سیلندرهای فولادی یا کامپوزیتی با فشار بالا ذخیره میشود. برای مقادیر زیاد، از مخازن تحت فشار یا تانکرهای مخصوص استفاده میشود. در صورت مایع بودن، هلیوم باید در مخازن عایقشده ویژه با حداقل انتقال حرارت نگهداری شود، زیرا حتی مقدار کمی گرما میتواند باعث تبخیر سریع آن گردد.
حملونقل هلیوم مایع معمولاً با کانتینرهای کرایوجنیک انجام میشود که به سیستمهای ایمنی و کنترل فشار مجهز هستند. مدیریت تبخیر و بازیابی گاز تبخیرشده از جنبههای مهم لجستیکی در این صنعت است.
بدون دیدگاه