Одним из самых распространённых химических элементов Вселенной является гелий, которому принадлежит почётное 2-ое место после водорода и возглавляет группу инертных газов в таблице Д.И. Менделеева.
Простое газообразное лёгкое бесцветное вещество не обладает запахом, вкусом, нетоксично, не горит, не взрывается, химически инертно, обладает электропроводимостью и теплопроводностью.
Открытие Не произошло во время изучения спектра солнечной короны. Француз Пьер Жансен и английский астроном Локер независимо друг от друга в девятнадцатом веке увидели в хромосфере ярко-жёлтую линию с длиной волны 587,56 нанометра. На земле солнечный элемент в 1895 году обнаружил шотландец Рамзай при разложении минерала клевеита.
Известны два природных и шесть искусственных радиоизотопов гелия. В звёздном мире Не образуется в процессе термоядерного синтеза из Н2. В земной коре он появляется после альфа-распада тяжёлых элементов (урана-238, тория, самария-147, висмута) и выходит наружу в качестве составляющей природного газа. При этом, чем древнее газоносные породы и чем больше радиоактивных элементов, тем выше процент гелия.
С годами учёные, инженеры разработали промышленный способ получения гелия из природного газа. Жидкое состояние получают путём сжижения газообразного вещества. Месторождения называют по проценту вхождения гелия. К богатым относятся с долей Не от 0.05% и выше, если ниже 0,05%, то это бедные. Основные запасы находятся в Катаре, США, России, Алжире. Гелийсодержащими считаются составы с концентрацией Не более 0.02 объёмного процента. Первый гелиевый завод был построен в годы Первой мировой войны в Америке в штате Канзас.
Применение гелия:
- создание инертной среды в металлообработке (дуговая, лазерная сварка, резка, выплавка чистых металлов), при производстве оптических волокон, полупроводников;
- проведение научных исследований, производственного контроля при помощи методов газовой хроматографии, рентгеновской спектроскопии;
- заполнение воздухоплавательных судов, метеорологических зондов, шаров ввиду низкой плотности;
- изготовление дыхательных смесей для подводного плавания, так как гелий хуже растворим в крови по сравнению с азотом и предотвращает возникновение кессонной болезни;
- использование в качестве самого низкотемпературного охлаждающего агента в криогенной технике, для атомных реакторов;
- хранение архивных исторических документов;
- упаковывание пищевых продуктов;
- заполнение газоразрядных трубок для наружной рекламы;
- наполнение межлинзового пространства телескопов;
- работа лазеров, ЯМР-томографов;
- изучение явления электрической сверхпроводимости;
- проверка герметичности технологических установок, ёмкостей.
Мировые запасы
Гелиевые ресурсы по подсчётам структур США, России, занимающихся оценкой открытых и разведываемых месторождений составляют около сорока шести миллиардов кубических метров. Основные запасы находятся в Катаре, России, США, Алжире. В гелийсодержащем природном газе на территории Соединённых Штатов Америки концентрация гелия составляет от 0.1 до 1.9;%, а российский ПГ содержит 0.035 ‒ 0.60%. Сырьевая база США, Голландии, Польши постепенно истощается, а в Восточной Сибири происходит прирост запасов гелия, как и в Алжире, Катаре. Восточно-Европейская и Сибирская платформы ‒ основные поставщики гелиевого сырья в России. 73% запасов приходится на свободный газ, 26% ‒ на газовые шапки, 0.4% ‒ на нефтеносные слои. Крупнейшие российские месторождения: Чаяндинское, Собинское, Астраханское, Оренбургское. Наиболее перспективное Ковыктинское (Иркутская область) содержащее четверть мировых запасов.
Производство
Мировое потребление Не ‒ около 170 ‒ 190 миллионов метров кубических, в долгосрочной перспективе может превысить и 200 млн м3. Львиная доля гелиевой промышленности по данным на 2020 год сосредоточена в США (74 млн м3), Катаре (45 млн м3) и в Алжире (14 млн м3). Российские производственные мощности составляют около 3%.
В России основным поставщиком гелия, извлекаемого из ПГ с содержанием 0.055%, является Оренбургский гелиевый завод. При общей мощности восемь миллионов кубометров объёмы выпуска сократились до 4 млн м3 из-за обеднённого сырья. Себестоимость продукта и затраты на производства напрямую зависят от концентрации элемента, поэтому российский гелий стоит примерно в десять раз дороже американского.
В 2021 году на базе месторождений в Иркутской области и Якутии Газпромом был запущен Амурский ГПЗ с планируемой мощностью 60 млн м3. Произошедшие аварии, взрывы на предприятиях снизили темпы освоения производства. В 2023 году на Ярактинском нефтегазоконденсатном месторождении открыт новый завод, пока работает в опытном режиме. На территории Среднеботуобинского месторождения компания ДББ планирует запустить пилотные производственные мощности в 2025 году. Крайне важный вопрос ‒ организация хранения и транспортировка извлечённого из ПГ продукта.
Перспективы
Гелий достаточно редкое вещество и является невозобновляемым ресурсом. Подтверждённые запасы истощаются. Примерно треть разведанных приходится на нашу страну. При любом раскладе запасы его не бесконечны, поэтому ищут пути более эффективного его использования и поиск альтернативных вариантов замены.
Спрос на гелий продолжает расти в связи с развитием индустрии развлечений, криогеники, выпуском сверхпроводников, оптоволокна, жидкокристаллической техники, аппаратов МРТ, лазеров. Развитие гелиевой промышленности необходимо для проведения исследований атомной энергии и освоения космического пространства. Во многих отраслях гелий невозможно заменить другими веществами. Цены на него в течение последнего десятилетия постоянно растут, так в период с 2020 по 2022 газ подорожал на сорок процентов. В разрезе долгосрочных экономических интересов нашей страны, её безопасности необходимо изучение и открытие новых запасов, организация эффективного производства на базе разведанных месторождений с целью удовлетворения запросов собственного и международного рынка.

Криогенная технология извлечения гелия из природного газа
Разработка и применение принципов глубокого охлаждения неразрывно связано с развитием высокотехнологичных отраслей народного хозяйства. Основным сырьём для получения гелия служит природный газ. Существует два основных метода: низкотемпературное (фракционная дистилляция) и мембранное разделение газовой смеси. Крупномасштабное производство сконцентрировано на заводах США, работают также предприятия в Алжире, Польше, России.
В основу технологии извлечения гелия способом фракционной конденсации положено его отличительное свойство ‒ самая низкая для известных веществ температура кипения, которая составляет -268,9°C.
В состав ПГ, кроме извлекаемой гелиевой фракции, входят большие количества нужных для дальнейшего использования углеводородов, азота, прочих дополнений и вредные примеси (водород, кислород, диоксид углерода, вода, сероводород, неон, т.д.), являющиеся в данном случае загрязнителями.
Процесс извлечения гелия состоит из нескольких этапов.
- Предварительная стадия заключается в освобождении от влаги, очистке сырья.
- Выделяют полезные углеводородные продукты: метан, этан, прочие.
- Вырабатывают гелиевый концентрат с содержанием основного компонента в пределах от 70 до 80 процентов.
- Очищают концентрат от мешающих составляющих ПГ.
- Получают чистый гелий в жидком и газообразном виде.
Получение первичного концентрата гелия
Технология получения Не-сырца на заводе в Оренбурге включает несколько стадий.
- очистка ПГ от углекислого газа до остатка 0,003 ‒ 0,008%, освобождение от влаги силикагелем до точки росы -5°C;
- получение гелия-сырца в криогенном блоке; при снижении температуры до -28°C углеводороды (более или равно С5) конденсируются и направляются в деметанизатор, а газ охлаждается и сжижается; рекуперация холода происходит за счёт разделения газового потока на пять составляющих и последующего их объединения для сепарации;
- обогащение газовой смеси гелием осуществляется в несколько этапов.
Первая ступень
Сепарация приводит к содержанию С2Н6 до 12,7%, а Не до 0.06%, который в виде пара переходит в отпарную колонну.
Вторая ступень
Сжатый и охлаждённый газ тоже поступает в отпарную колонну. При этом происходит обогащение гелием до 0.55%. Из куба отводится фракция метана при давлении 3,7 МПа. Одна часть МФВД дополнительно охлаждается перед поступлением на сепарацию, затем соединяется с газовой фазой, а другая превращается в МФСД с давлением 1,6 МПа и выводится. Жидкость из сепаратора при температуре -80°C орошает деметанизатор.
Третья ступень
Из отпарной колонны отпаренный газ в конденсаторе охлаждается до -110°C, затем сжимается до 3,87 МПА и переходит во второй отпариватель, где объёмный процент гелия возрастает до 5.5.
Четвертая ступень
Вышедший из второго отпаривателя обогащённый газ направляется в третью колонну, где происходит охлаждение до -194°C. В итоге значительное количество примесей конденсируется, а обогащённый гелием до 85% газ отводится для последующего концентрирования. При этом МФВД через теплообменник с понижением давления удалятся из производственного цикла.
Этановая и широкая фракция лёгких углеводородов разделяются в колонне К-5, где дистиллятом выступает этан, который переходит в этанопровод. ШФЛУ в виде кубового остатка подвергается сжижению.
Для реализации полного технологического цикла необходим холод, которые получают путём дросселирования газа перед отпариванием, кубовых жидкостей, расширением фракций в турбодетандере, а также за счёт подачи азота.
Тонкая очистка гелия (получение гелиевого концентрата)
Из аппарата для предварительного концентрирования выходит смесь (состав в процентах: гелий примерно 85, водород от 0.5 до 2.5, метан 0.3) под давлением 2 МПа при температуре -189°C и переходит в сектор каталитической очистки. Перед этим она нагревается в теплообменниках до минус тридцати градусов Цельсия.
Перед поступлением в реактор происходит смешивание гелиевой смеси среднего и воздуха высокого давления (4 МПа). Воздух дозируется в газ до достижения соотношения Н2/О2 два к одному и подогревается до 200°C.
В реакционной камере происходит окисление водорода и метана кислородом до образования воды и углекислого газа с выделением тепла. Условия протекания реакции: температура в пределах от 220 до 413°C, алюмоплатиновый катализатор с содержанием платины 0.64%. Очищенный от нежелательных примесей (Н2, СН4, катализаторная пыль) продукт СД охлаждается в холодильниках до 35°C. Влага из реактора сепарируется и поглощается цеолитом. Одновременно улавливается диоксид углерода и возможные масляные компрессорные выделения. Гелий дожимается до 19 МПа, температура доводится до -187оС°C, при этом конденсируется азот до полутора процентов в основном потоке после сепарации с последующей тонкой очисткой на активном угле. Гелий ВД затем освобождается от неона в углесодержащих адсорберах. Газ десорбции представляет собой гелий марки В. Из жидкой фазы выделяется гелиевый концентрат.
Мембранная технология извлечения гелия из природного газа
Многоступенчатый криогенный процесс конденсации и ректификации со сложным аппаратурным оформлением не всегда оказывается эффективным при выработке гелия. При его содержании в сырье ниже 0,05% требуются серьёзные затраты, приводящие к удорожанию конечного продукта. Встал вопрос: как получить гелий менее затратным способом. Альтернативой стала мембранная технология, которая базируется на разной скорости проникновения молекул разделяемых продуктов через фильтр-мембрану. При этом движение происходит за счёт разницы давлений на сторонах разделительной плёнки. Преимуществом данного метода является то, что Не селективен, легко проникает через большое число мембранных материалов. Кроме этого, к плюсам этого вида получения гелия относится:
- надёжная и простая эксплуатация с минимальной вероятностью поломок;
- стандартное давление газов, что упрощает работу и транспортировку;
- отсутствие необходимости использования расходников, агрессивных веществ;
- возможность оборудования такими технологическими установками удалённые объекты;
- целесообразность применения при среднем и высоком содержании двуокиси углерода в сырье; сочетание мембранного метода с абсорбционным/ дистилляционным для повышения результативности;
- экономное энергопотребление;
- возможность масштабирования благодаря модульности;
- низкие капитальные и эксплуатационные затраты.
Принцип действия мембранного аппарата: газообразный сырец под давлением поступает в газоразделительный модуль, где разделяется на ретентат, который отправляется на второй цикл фильтрации и пермеат, отфильтрованный гелий с более низким давлением. Технологическая схема предусматривает одну, две, три или четыре ступени в зависимости от поставленных целей и необходимой чистоты конечного продукта. Рассмотрим четырёхступенчатую схему поэтапно:
- после предварительной очистки от воды и кислых составляющих ПГ сжимается до 7 МПа, включает ретентат, поступающий со 2-ой ступени и приходит на первую, где концентрация в пермеате целевого компонента составляет около 20%, а ретентат отправляется потребителю;
- после второй ступени, где содержание Не повышается до 30%, осуществляется промежуточное освобождение адсорбцией от двуокиси углерода с помощью ПОО;
- процент гелия повышается до 99,5 после второй и третей ступени ГРМ, где газ очищается каталитическим гидрированием от водорода, осушается;
- после тонкой очистки гелия товарный продукт содержит 99,95% основного компонента.
Технологическая схема предусматривает размещение адсорбционного узла очистки от диоксида углерода после любой ступени мембранного каскада, если объёмный процент СО2 находится в пределах от 0,5 до 2,0. После каждого шага происходит компримирование газа до начального значения давления при помощи компрессоров.
Мембранная установка, работающая в промышленности, должна обладать следующими характеристиками:
- большая поверхностная площадь плотно упакованных мембран с высокой степенью селективности на единицу объёма аппарата, чаще устанавливают рулонные и половолоконные модули;
- технологичность при сборке, доступность для техобслуживания и проведения ремонтных работ;
- герметичность, низкое гидравлическое сопротивление;
- равномерность распределения газового потока.
Одно из главных условий эффективной работы мембранных аппаратов ‒ это подбор типа мембраны. Селективное извлечение гелия из бедных ПГ с выходом 99,99% обеспечивает кварцевое стекло. Однако изготовление аппаратуры с кварцевыми капиллярами для промышленности затруднено, кроме того, она является малопроизводительной. Полимерные мембраны (полиэфиримиды, блоксополимер с тетрафторэтиленом, другие) дают высокий коэффициент разделения гелия и метана, хотя менее селективны. Перспективны такие материалы как ацетат целлюлозы, поликарбонаты, полисульфоны.
Газообразный гелий транспортируют в стальных баллонах коричневого цвета, жидкий ‒ всосудах для транспортировки типа СТГ объёмом четыре, десять или двадцать пять литров.
Другие способы получения
- из минералов, в состав которых входит уран, торий, самарий (клевеит, фергюсонит, торианит, другие); для извлечения одного кубометра Не потребуется переработать 12.5 тонн монацитового песка, что экономически невыгодно;
- из воздуха выделение неоно-гелиевой смеси в аппарате Клода при получении кислорода и азота в ректификационных колоннах; так как содержание Не в воздухе составляет 0,00046 объёмных процента, то производство этим способом обойдётся в тысячи раз дороже по сравнению с добычей из ПГ.