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氦气制取技术详解

氦气制取技术详解

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  • Time of issue:2025-01-07 09:55
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(Summary description)氦气的制造主要有三种方法,包括从天然气分离、空气分离及放射性矿物衰变中提取。天然气分离法利用低温液化的原理,空分法则通过蒸馏分离气体,而放射性矿物衰变法则涉及到放射性元素的衰变产生氦气。尽管各种方法各有优劣,氦气的高纯度提取都离不开净化和分离技术的支持。

氦气制取技术详解

(Summary description)氦气的制造主要有三种方法,包括从天然气分离、空气分离及放射性矿物衰变中提取。天然气分离法利用低温液化的原理,空分法则通过蒸馏分离气体,而放射性矿物衰变法则涉及到放射性元素的衰变产生氦气。尽管各种方法各有优劣,氦气的高纯度提取都离不开净化和分离技术的支持。

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氦气制取技术详解

高纯氦气

制备氦气主要有以下几种方法:
1. 气体分离法
原理:天然气中含有一定量的氦。这种方法主要是基于低温液化过程中不同气体的沸点差异。氦的沸点很低(大概 - 在所有气体中,268.93℃是沸点最低的气体之一。其它沸点较高的气体(如甲烷、乙烷等),在逐渐冷却和液化天然气的过程中,先液化,氦仍保持气态,可分离。
步骤:
预处理:首先预处理天然气,包括去除硫化氢、二氧化碳和水分等杂质。这些杂质通常通过化学吸收、吸附或过滤来去除。例如,硫化氢被胺溶剂吸收,水被干燥剂(如分子筛)去除。
液化分离:预处理后的天然气冷却至低温。在这个过程中,天然气中的大部分成分会逐渐液化。一般通过多级冷却系统实现冷却过程,利用冷却循环逐渐降低温度。当温度降低到一定程度时,除氦以外的大部分气体都已经液化,未液化的氦可以收集。
纯化精制:分离的氦需要进一步纯化,以去除其中残留的少量其他气体成分。这可以通过吸附和低温蒸馏来完成。比如用活性炭吸附柱吸附氦中残留的少量杂质气体,提高氦的纯度。
2. 空分法
原理:空气中有约 0.00052% 氦。空气分离法是利用空气中不同成分的沸点,在低温下液化空气,然后通过蒸馏和其他方法分离氦。但由于空气中氦的含量很低,制造氦的成本相对较高。
步骤:
空气压缩和净化:首先,为了后续的液化过程,将空气压缩到一定程度。同时,净化空气,去除灰尘、水和二氧化碳等杂质。二氧化碳可以通过碱液吸收去除,水可以通过冷冻干燥或吸附干燥去除。
空气液化:通过热交换器和低温制冷剂对压缩净化后的空气进行热交换,冷却到接近其液化温度。接着,使用膨胀机和其它设备进一步冷却和液化空气。液化空气进入蒸馏塔。
蒸馏分离:在蒸馏塔中,各种气体根据不同气体的沸点差异,通过多次蒸发和部分凝结逐渐分离。氦在蒸馏塔的顶部是丰富的,因为沸点是最低的。但由于空气中氦含量低,需要复杂的多级蒸馏和净化才能获得高纯度氦。
3. 放射性矿物衰变法
原理:有些放射性矿物(如铀矿和铀矿)在衰变过程中会产生氦气。因为在衰变过程中,放射性元素会释放氦气。α粒子,α粒子实际上是氦 - 4这就是原子核α在粒子获得电子之后,氦原子就形成了。但是,这种方法产生的氦产量较低,受放射性物质管理的限制。
步骤:
矿物开采处理:首先开采含有放射性元素的矿物,然后进行破碎研磨,增加矿物表面积,方便后续氦提取过程。在处理过程中,应采取严格的辐射保护措施,防止放射性物质对人体和环境造成危害。
氦收集净化:处理后的矿石放入密封容器中,使氦自然产生和积累。氦需要通过吸附和过滤来净化,因为氦可能与矿石中的其他放射性衰变产物和杂质气体混合。但由于氦纯度低,产量有限,一般只用于一些特殊研究或小规模应用场景。

 

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