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氦气制取全解析:三大方法大比拼  

氦气制取全解析:三大方法大比拼  

  • 分类:产品知识
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  • 来源:
  • 发布时间:2025-01-07 09:55
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【概要描述】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。

氦气制取全解析:三大方法大比拼  

【概要描述】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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氦气制取全解析:三大方法大比拼  
高纯氦气
氦气制备主要有以下几种方法:
1. 天然气分离法
原理:天然气中含有一定量的氦。该方法主要基于低温液化过程中不同气体的沸点差异。氦的沸点很低(大约 - 268.93℃是所有气体中沸点最低的气体之一。在逐渐冷却和液化天然气的过程中,其他沸点较高的气体(如甲烷、乙烷等)首先液化,氦仍然保持气态,可以分离。
步骤:
预处理:首先对天然气进行预处理,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,用胺溶剂吸收硫化氢,用干燥剂(如分子筛)去除水。
液化分离:预处理后的天然气冷却到低温。在这个过程中,天然气中的大部分成分会逐渐液化。冷却过程一般通过多级冷却系统实现,利用制冷循环逐渐降低温度。当温度降低到一定程度时,除氦外的大部分气体已经液化,未液化的氦可以收集。
纯化精制:分离的氦还需要进一步纯化,以去除其中残留的少量其他气体成分。这可以通过吸附、低温蒸馏等方法来完成。例如,利用活性炭吸附柱吸附氦中残留的少量杂质气体,以提高氦的纯度。
2. 空分法
原理:空气中含有约 0.00052% 氦。空分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。然而,由于空气中氦的含量非常低,制造氦的成本相对较高。
步骤:
空气压缩和净化:首先压缩空气,使其压力上升到一定程度,以便后续的液化过程。同时,净化空气,去除灰尘、水和二氧化碳等杂质。二氧化碳可通过碱液吸收去除,水可通过冷冻干燥或吸附干燥去除。
空气液化:压缩净化后的空气通过换热器与低温制冷剂进行热交换,冷却到接近其液化温度。然后,使用膨胀机和其他设备进一步冷却和液化空气。液化后的空气进入蒸馏塔。
蒸馏分离:在蒸馏塔中,根据不同气体的沸点差异,通过多次蒸发和部分冷凝的过程,逐渐分离各种气体。氦在蒸馏塔顶部富集,因为沸点最低。然而,由于空气中氦的含量很低,需要经过复杂的多级蒸馏和净化过程才能获得高纯度的氦。
3. 放射性矿物衰变法
原理:一些放射性矿物(如铀矿和铀矿)在衰变过程中会产生氦。这是因为放射性元素在衰变时会释放氦气。α粒子,α粒子实际上是氦 - 4 原子核。当这些α氦原子是在粒子获得电子后形成的。然而,这种方法产生的氦产量较低,并受到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石,然后破碎研磨,增加矿石表面积,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。
氦收集和净化:处理后的矿石放置在密封的容器中,使氦自然产生和积累。由于氦可能与矿石中的其他放射性衰变产物和杂质气体混合,氦需要通过吸附和过滤来净化。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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