محتويات
الهيليوم
الهيليوم هو أحد الغازات النبيلة “الخاملة”. إنه عديم اللون والمذاق والرائحة. كثافته منخفضة للغاية وله تفاعل ضئيل مع العناصر القريبة حتى عند تعرضه للحرارة. تتميز بدرجة غليان منخفضة جدًا تصل إلى -269 درجة مئوية، وموصليةها عالية لكل من الكهرباء والحرارة. . تم اكتشافه لأول مرة في الغلاف الجوي المحيط للشمس في عام 1868 م من قبل علماء الفلك بيري جول وجوزيف نورمان، وكان ذلك أثناء دراستهم للكسوف الشمسي في ذلك العام ورصدهم لأشعة الشمس باستخدام التحليل الطيفي ؛ عندما يتم وضع منشور مقابل الإشعاع الشمسي، يتحلل الإشعاع الوارد إلى ألوان متعددة.
لاحظ العالمان في ذلك اليوم وجود خط أصفر فاتح غير مألوف لا يمكن إنتاجه من أي من العناصر المعروفة في ذلك الوقت، ومن هذه الملاحظة وجد أن هناك عنصرًا جديدًا تم الاتفاق على تسميته بالهيليوم ويشكل هذا العنصر سحابة حول الشمس، وبعد ذلك استمر البحث عن جوهرها. رصده ليبين أنه ثاني أكثر العناصر انتشارًا في الفضاء الخارجي بعد غاز الهيدروجين، وانتشاره يسبق الأكسجين، ولكنه داخل الغلاف الجوي للأرض من العناصر النادرة جدًا والسبب بسبب كثافته المنخفضة التي تجعله. يرتفع إلى الأعلى ويخترق الغلاف الجوي إلى الفضاء الخارجي.
يتكون الهيليوم في باطن الأرض
يتكون الهيليوم تحت الأرض من الانشطار الإشعاعي للعناصر الثقيلة مثل اليورانيوم والثوريوم. عندما تنشطر هذه العناصر، يتم إنتاج عنصر ألفا، وهو نواة ذرة الهيليوم. تنجح بعض هذه الذرات في شق طريقها نحو الغلاف الجوي والاندماج مع الهواء ولكن بنسب صغيرة. داخل الفخاخ في الصخور غير المنفذة والمختلطة بالغاز الطبيعي المتكون هناك، تتراوح كمية الهيليوم التي يمكن العثور عليها في حقول الغاز الطبيعي من 0-4٪، وسجل عدد قليل فقط نسبة مئوية أعلى من 4٪.
يقدر الاحتياطي العالمي من الهيليوم بحوالي 41 مليار متر مكعب، وأكبر احتياطياته في دول قطر والجزائر وروسيا والولايات المتحدة الأمريكية، بينما يقدر معدل الإنتاج العالمي السنوي بنحو 175 مليون مكعب. متر، مع العلم أن أكبر منتج للهيليوم هي الولايات المتحدة.
التطبيقات الصناعية للهيليوم
تتعدد تطبيقات غاز الهليوم، وتمتد إلى علم الفلك والإلكترونيات والصناعة النووية والطيران والرعاية الصحية، بما في ذلك
- تطير المناطيد (المناطيد) وترفعها عالياً في الهواء.
- يستخدم في علاج وعلاج أزمة الجهاز التنفسي ومساعدة المريض على استنشاق كمية أكبر من الأكسجين بسبب وزنه الخفيف وقلة كثافته. وجوده في الهواء الذي يستنشقه المريض يسرع ويساعد في عملية التنفس.
- مختلطة في أجهزة التنفس المستخدمة في الغوص والمركبات الفضائية ؛ يزيد من سرعة تدفق الأكسجين من الاسطوانات.
- يتم استخدامه كعامل مساعد في عمليات اللحام التي يجب إجراؤها في جو معزول عن الهواء.
- يستخدم في الصناعات النووية كوسيلة لنقل الحرارة بكفاءة عالية.
إنتاج الهيليوم لاستخدامه في التطبيقات الصناعية
هناك طريقتان لإنتاج الهيليوم
- يتم تجميع الهيليوم عن طريق تسييل الهواء وفصل عناصره، تمامًا كما يحدث لإنتاج الأكسجين والنيتروجين، ولكن نظرًا لانخفاض تركيز غاز الهيليوم في الهواء، تعتبر هذه العملية غير اقتصادية.
- استخراج الهيليوم من الغاز الطبيعي ؛ إنها الطريقة الأكثر شيوعًا والتطبيق على نطاق واسع.
انتاج غاز الهليوم من الغاز الطبيعي
عملية إنتاج الهيليوم عملية معقدة وتتطلب تقنية عالية ومعدات خاصة. بشكل عام، هناك مرحلتان من عملية عزل الهيليوم عن الغاز الطبيعي
- المرحلة الأولى هي عملية تكثيف الغاز المستخرج من الأرض عند درجات حرارة منخفضة. ينتج مخرجان، الأول منهما مركبات الغاز الطبيعي الهيدروكربوني، والثاني هو مركز غاز الهيليوم، وتقدر نسبة الهيليوم في هذا المركز بحوالي 80٪.
- المرحلة الثانية هي عملية تنقية مركز الهليوم من الشوائب الممثلة بالميثان والنيتروجين والهيدروجين والنيون والأرجون وغيرها.
تفاصيل عملية استخلاص الهيليوم من مركزه
العلاج الأولي
في هذه العملية يتم فصل غاز أول أكسيد الكربون وبخار الماء.
- يتم وضع الغاز (عن طريق الغاز الذي نعنيه هنا حتى نهاية المقالة مركز الهيليوم) تحت ضغط 5.5 ميجا باسكال، ويتم تمرير الغاز في عملية تنقية عن طريق تعريضه لهباء إيثانول أمين أحادي الإيثانول يمتص ويزيل أول أكسيد الكربون.
- يتم تمرير الغاز الناتج من خلال جهاز يشبه المنخل الناعم يعزل قطرات الماء عن المواد الأخرى ويدخل الماء في دورة من تلقاء نفسه.
عملية التقطير
عملية التقطير هي ما يجعل الغاز ينفصل إلى مكوناته الرئيسية. في هذه العملية، يتم فصل النيتروجين والميثان على مرحلتين منفصلتين، بحيث يحتوي الخليط المتبقي على تركيز عالٍ من الهيليوم. تسمى عملية فصل النيتروجين بطرد النيتروجين.
- تتضمن عملية التقطير تمرير الغاز عبر مبادل حراري يقوم بتبريده. ثم يتم تمرير الغاز عبر صمام التمدد الذي يسمح للغاز بالتمدد بسرعة ضد انخفاض الضغط إلى 1-2.5 ميجا باسكال ؛ يخفض هذا التمدد درجة حرارة الغاز إلى النقطة التي يتحول فيها الميثان إلى سائل.
- أصبح الغاز الآن قسمين أحدهما سائل والآخر في الحالة الغازية، ويصل إلى قاعدة برج التقطير عالي الضغط، ويمر عبر حواجز البرج لأعلى، ومع حركته يفقد المزيد الحرارة التي يستمر خلالها الميثان في التحول إلى سائل، لذلك يصبح الخليط في القاعدة ميثانًا عالي التركيز بينما تكون بقية محتويات الغاز في خط تصاعدي في البرج.
- يُسحب الميثان السائل من القاعدة عند ضغط عالٍ ويخرج ليتم تبريده في سائل تبريد ثانوي، ويمرر عبر صمام تمدد يخفض الضغط إلى حوالي 0.15 ميجا باسكال قبل تمرير الميثان إلى برج الضغط المنخفض، وبالتالي فإن بقايا النيتروجين في يرتفع المزيج السائل إلى الأعلى ويحول بقية الميثان إلى أسفل، ويتم ضخ هذا السائل وتسخينه وتبخيره ليصبح غاز ميثان نقي وعالي الجودة. أما بالنسبة لغاز النيتروجين، فيظل يرتفع من خلال الأنابيب، إما يتم إطلاقه في الهواء أو يتم تجميعه ليمر عبر عمليات التصنيع الأخرى، مما ينتج عنه غاز النيتروجين النقي.
- يتم تبريد باقي الغاز الموجود في برج الضغط العالي في مكثف يقوم بتكثيف النيتروجين عند هذه النقطة ويسحب إلى برج الضغط المنخفض والباقي عبارة عن الهيليوم الخام ؛ يحتوي على 50-70٪ هيليوم، 3٪ ميثان غير سائل، كميات ضئيلة من الهيدروجين والنيون، والباقي نيتروجين.
عملية تنقية
- يجب أن يمر الهيليوم بعمليات أخرى لتنقيته من الشوائب العالقة فيه، والتي يخضع خلالها الغاز لمجموعة من عمليات الفصل التي تعتمد في مجملها على درجة نقاء الهيليوم الخام المطلوب بالإضافة إلى التطبيق النهائي الذي سوف يذهب الهليوم المنتج.
- يبرد الهليوم الخام إلى حوالي 193 درجة مئوية تحت الصفر، حيث تكون درجة الحرارة معظم النيتروجين والميثان سائلين ويتم سحبهما، تاركين الخليط المتبقي 90٪ هيليوم.
- يضاف الهواء الخارجي إلى الخليط ليدخل الأكسجين، وترفع درجة حرارته ثم يمر على محفز يحفز الهيدروجين في الخليط على التفاعل مع الأكسجين لتكوين بخار الماء. يبرد الخليط ويتحول بخار الماء إلى سائل ويسحب للخارج.
يدخل خليط الغازات إلى برج الامتزاز بالضغط المتغير، والذي يتكون من عدة أوعية امتزاز تعمل بالتوازي، وفي كل وعاء آلاف المسام الجزيئية المحتوية على الكربون المنشط عندما يمر الغاز تحت الضغط في الأوعية، ويصل إلى تلك المسام ويمسك الكربون بداخلها. بعض جزيئات الغاز مع الكربون، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط، وتتكرر العملية بعد بضع ثوانٍ أو دقائق، اعتمادًا على حجم الوعاء وتركيز الغاز ؛ هذه الطريقة تزيل بقايا بخار الماء والنيتروجين والميثان من الغاز، والهيليوم موجود هنا بتركيز 99.99٪ صافي. بعد ذلك، يمر الهيليوم بعدة مراحل، بما في ذلك تقليل الضغط وتبادل الحرارة. في كل مرة تنخفض درجة حرارة الهيليوم وينخفض الضغط حتى تصل درجة حرارته إلى -296 درجة مئوية، وعندها فقط يتحول إلى سائل.
نقل وتوزيع غاز الهليوم
يتم توزيع الهيليوم إما في شكل غاز عند درجة حرارة عادية أو سائل عند درجة حرارة منخفضة. يتوزع السائل في اسطوانات من الالمنيوم او الحديد بضغط يتراوح بين 6-41 ميجا باسكال والخزانات منه معزولة بسعة 14.8 طن. وتجدر الإشارة إلى أنه لا يمكن تسييل الغاز إلا إذا كان نقاءه لا يقل عن 99.99٪.