Уважаемые посетители! На сайте проводятся технические работы. Некоторые страницы могут быть недоступны.
Уважаемые Дамы и Господа! 22.12.2017г. Наш офис и склад работает до 12:00
Просьба по всем вопросам писать на почту mail@mvif.ru
Уважаемые коллеги! 21.12.2018г. Наш офис и отгрузка товара работают до 11:30.
Просьба по всем вопросам писать на почту mail@mvif.ru

Подразделы:

Стабилизация состава водородосодержащих газовых смесей Трубопроводный транспорт промышленных газов Почему мы выбираем кованые баллоны из легированной стали? Насосные установки с пневматическим приводом Атмосферные испарители для сжиженного природного газа Безопасная и надежная эксплуатация криогенных насосов Компрессорные установки с пневматическим приводом Насосные и компрессорные установки с пневматическим приводом Веские причины для применения природного газа на транспорте Качество в простоте Интервью с директором компании "Мониторинг Вентиль и Фитинг" Современные криогенные насосные установки для наполнительных станций Целая вселенная решений Большое будущее малых криогенных сосудов Вес имеет значение Автоматизация для современных технологических процессов – как воздух для живых организмов Экранно-вакуумная изоляция – настоящее и будущее криогенной техники Криогенная революция по имени LNG ТС-34. Особенности и преимущества погружных центробежных криогенных насосов //GW №47, 2016// SEETRU - это безопасность //GW №47, 2016// Оборудование для хранения и применения водорода //GW №50, 2016// Криогеника и жизнь //GW №50, 2016// СКПГ. Преимущества и перспективы //GW №51, 2017// Криогенные поршневые насосы: насосов много - P2K один //GW №52, 2016// Безопасность людей - главная задача современной промышленности //GW №53, 2016// Почему под давлением? //GW №54, 2017// Углекислота, испарители и нагреватели //GW №56, 2017// Интервью главный инженер ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» («МВиФ») //GW №56, 2017// Как рассчитать стоимость владения газовыми баллонами? //GW №57, 2017// Seetru - это инновации! Интервью с господином Отто Варга, основателем компании Seetru //GW №57, 2017// Безопасность сварочных работ //GW №58, 2017// Давление под контролем //GW №59, 2017// Контроль чистоты технологических газов – основа качества готового продукта //GW №61, 2018// Криогенные клапаны с экранно-вакуумной изоляцией //GW №62, 2018// Регазификация СПГ//GW №63, 2018// Глубокая очистка газов //GW №64, 2018/ Вопросы безопасности при эксплуатации баллонов Интервью с директором по продажам компании Worthington Industries //GW №37, 2014// Сжиженные газы и емкости для них Особенности менеджмента качества при изготовлении криогенного и газового оборудования Динамические газовые смесители //GW №68, 2019/ Рампы разрядные для технических газов //GW №69, 2019/ Ключевые решения для LNG наполнительных станций Безопасность при работе с криогенными жидкостями //GW №71, 2019// Российский поезд на водороде – далекая мечта или близкая реальность? //GW №72, 2019// Seetru Limited. 70 лет на пути развития //GW №73, 2020// Новые горизонты хранения и транспортировки сжатых газов //GW №74, 2020// Осушка газов при высоком давлении //GW №75, 2020// RPB – самый распространенный поршневой криогенный насос для наполнительных станций //GW №76, 2020// «Холодная правда» о сжиженном природном газе //GW №77, 2020// Городской транспорт на водороде //GW №78, 2020// Роль газов в медицине //GW №79, 2021 Гелий. Оборудование для хранения, очистки и применения //GW №80, 2021

Гелий. Оборудование для хранения, очистки и применения //GW №80, 2021

Скачать статью (3,5 MБ)

>>> Гелий – бесцветный, без запаха, вкуса, нетоксичный, инертный, одноатомный газ, первый в группе благородных газов в периодической таблице, второй по весу и по распространенности элемент в Солнечной системе (20,8%).

Его точка кипения (T = 4,215 K для He4) наименьшая среди всех веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер – при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле.

Открытие гелия

mvif
Рис. 1. Астроном Пьер Жюль Жансен

Гелий открыли относительно недавно, в 1868 году. Его обнаружил в атмосфере Солнца французский астроном Пьер Жюль Жансен. Во время солнечного затмения при исследовании излучаемого Солнцем света методом спектроскопии (при этом излучаемый свет расщеплялся стеклянной призмой на линии различной окраски), Жансен обнаружил новую, ярко-желтую, ранее неизвестную линию, которую нельзя было приписать ни одному из уже открытых элементов.

mvif
Рис. 2. Спектроскоп для наблюдения солнечного спектра

Название произошло от греч. ἥλιος – «Солнце» (см. Гелиос). Любопытен тот факт, что в названии элемента было использовано характерное для металлов окончание «-ий» (на лат. «-um» – «Helium»), так как Локьер предполагал, что открытый им элемент является металлом. По аналогии с другими благородными газами логично было бы дать ему имя «гелион» («Helion»). В современной науке название «гелион» закрепилось за ядром лёгкого изотопа гелия – гелия-3.

Добыча гелия

На нашей планете нет месторождений гелия, а содержание гелия в воздухе всего 0,00052%, поэтому получать его на воздухоразделительных установках не рентабельно. Гелий извлекают из природного газа путем низкотемпературной ректификации: природный газ охлаждают до температуры порядка -185°С, он превращается в жидкость, а в газовой фазе остаются гелий и азот.

В настоящее время известно несколько мест добычи гелия: США (штаты Вайоминг и Техас), Катар, Алжир. В России гелий производится только в одном месте – на Оренбургском гелиевом заводе. Планируется запуск Амурского ГПЗ. Обнаружены огромные запасы гелия в Танзании. В России потенциально будут разрабатываться месторождения в Якутии (Чаяндинское месторождение), на Юге Сибири (Иркутская область и Красноярский край) и Дальнем Востоке России.

mvif
Рис. 3. Карта содержания гелия по России

«Богатым» считается месторождение, где доля гелия в природном газе более 0,5%. Для сравнения: содержание гелия природном газе в Оренбургском месторождении всего 0,055%, а в месторождении в Танзании – до 10%.

Транспортировка

Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны коричневого цвета. Для перевозки можно использовать все виды транспорта при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.

Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды Дьюара объёмами 10, 25, 40, 250 и 500 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Гелий в сжиженном виде транспортируется в специальных полуприцепах и ISO-контейнерах.



Применение гелия

После открытия гелий применялся в основном в научно-исследовательских целях. Первый толчок к промышленному производству гелия был дан в эпоху дирижаблестроения в Первую Мировую войну. Более активно стал использоваться гелий в промышленности после 40-х годов XX века. Дирижабли изначально работали на водороде, который в последующем заменили на гелий.

mvif
Рис. 4. Устройство дирижабля

Газ в жёстких дирижаблях находился внутри жёсткого каркаса в баллонах из газонепроницаемой материи.

Эра дирижаблей начала клониться к закату после катастрофы цеппелина «Гинденбург», в 1937 году. Катастрофы бы не произошло, если бы тогда вместо водорода использовали гелий, но, к несчастью, его производство было несоизмеримо дорогим по сравнению с водородом.

Гелий – уникальный продукт. Он обладает низкой температурой кипения (-268,94°С), высокой теплопроводностью и электропроводностью. Благодаря своим свойствам он нашел широкое применение в различных областях промышленности – в авиационной, ракетно-космической, электронной, атомной и медицине.

Широко используется инертность гелия. Проведение сварки в гелиево-аргоновой среде позволяет сваривать детали в доли миллиметра толщиной. Высокий потенциал ионизации гелия позволяет сварочной дуге гореть в его атмосфере с вдвое большим напряжением, чем в атмосфере аргона. В результате увеличивается скорость сварки.

В газовой хроматографии гелий применяется в качестве газа-носителя.

В атомной энергетике особенно ценна устойчивость гелия к различным радиационным излучениям и его высокая теплопроводность. Он используется для заполнения тепловыделяющих компонентов ядерных реакторов для обеспечения оптимального теплосъема.

В медицине гелий применяется для лечения заболеваний органов дыхания – бронхиальной астмы и других болезней. Кислородно-гелиевая смесь – гелиокс – используется для дыхания при подводных погружениях, так как растворимость гелия в тканях существенно меньше растворимости азота. Такая смесь используется по этой причине при лечении кессонной болезни.

Еще несколько областей использования газообразного гелия:

    Поиск и устранение течей. В этой области гелий используется благодаря своей высокой проникающей способности и тому, что минимальные количества гелия удается зафиксировать с помощью гелиевых течеискателей масс-спектрометров.
  • Лазерная техника. Газовые гелий-неоновые лазеры используются в голографии, а ранее использовались в магазинных сканерах штрих-кодов.

Жидкий гелий

mvif
Рис. 5. Фазовая диаграмма гелия-4

Фазовый переход в гелии хорошо заметен, он проявляется в том, что кипение прекращается, жидкость становится совершено прозрачной. Испарение гелия, конечно, продолжается, но оно идёт исключительно с поверхности. Различие в поведении объясняется необычайно высокой теплопроводностью сверхтекучей фазы (во много миллионов раз выше, чем у Не I). При этом вязкость нормальной фазы остаётся практически неизменной, что следует из измерений вязкости методом колеблющегося диска. С увеличением давления температура перехода смещается в область более низких температур. Линия разграничения этих фаз называется λ-линией.

Для He II характерна сверхтекучесть – способность протекать без трения через узкие (диаметром менее 100 нм) капилляры и щели. Относительное содержание He II растет с понижением температуры и достигает 100 % при абсолютном температурном нуле – с этим были связаны попытки получения сверхнизких температур путём пропускания жидкого гелия через очень тонкий капилляр, через который пройдет только сверхтекучая компонента. Однако, за счёт того, что при близких к абсолютному нулю температурах теплоёмкость также стремится к нулю, добиться существенных результатов не удалось – за счёт неизбежного нагрева от стенок капилляра и излучения.

Свойством сверхтекучести и достигается аномально высокая теплопроводность жидкого гелия. Теплопередача идёт не благодаря теплопроводности, а за счёт конвекции сверхтекучей компоненты в противоток нормальной, которая переносит тепло (сверхтекучая компонента не может переносить тепло). Это свойство открыто в 1938 году Петром Леонидовичем Капицей.

mvif
Рис. 6. Петр Капица – выдающийся ученый-физик

«Гелия в промежуточном состоянии между этими двумя в природе не существует: либо он при абсолютном нуле, либо он в другом состоянии, нормальном. Гелий в сверхтекучем состоянии не может давить на заслонку, и вообще сверхтекучая жидкость не может производить никакого давления, так как это жидкость, вязкость которой равняется нулю, – мы её динамическими методами обнаружить не можем». П. Л. Капица.

С помощью жидкого гелия созданы и все шире распространяются во всем мире уникальные приборы – магнитные томографы для диагностики в медицине путем сканирования внутренних органов, с высоким разрешением. При работе мощных сверхпроводящих магнитных катушек, создающих постоянное магнитное поле магнитно-резонансного томографа (МРТ), выделяется значительное количество тепла. Жидкий гелий используется в качестве хладагента встроенной системы охлаждения магнита, так как является самой холодной из всех известных жидкостей. Испаряясь, гелий компенсирует внутреннее выделение тепла и обеспечивает температурную стабильность сверхпроводника. При температуре жидкого гелия сверхпроводящие материалы легко передают электричество без нагревания и создают очень мощные магнитные поля.

mvif
Рис. 7. Устройство томографа

В Большом адронном коллайдере для управления потоком протонов так же используются сверхпроводящие магниты, температура работы которых 1,9 К. Для их работы требуется до 0,5 тонны жидкого гелия в сутки. По объему используемого гелия Большой адронный коллайдер является крупнейшей криогенной установкой в мире.

mvif
Рис. 8. Большой адронный коллайдер

Трубопроводы, транспортирующие жидкий гелий должны быть изолированы для уменьшения теплопритоков к жидкости от окружающей среды. Экранно-вакуумная изоляция позволяет уменьшить теплопритоки в 10 раз по сравнению с изоляцией на основе аэрогеля или вспененного синтетического каучука.

Компания «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F) разрабатывает и производит большой спектр оборудования, работающего с газообразным и жидким гелием, например, трубопроводы и металлорукава с экранно-вакуумной изоляцией, предназначенные, в том числе, и для транспортировки жидкого гелия.

mvif
Рис. 9. Металлорукав MV&F с экранно-вакуумной изоляций для жидкого гелия

mvif
Рис. 10. Байонетное соединение MV&F с экранно-вакуумной изоляций для жидкого гелия

Для работы с редким изотопом гелия – гелием-3 конструкторами ООО «МВиФ» была разработана установка криоадсорбционной очистки гелия. Установка позволяет проводить рекуперацию и глубокую очистку гелия для его последующего многократного применения.

mvif
Рис. 11. Установка криоадсорбционной очистки гелия-3

ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» предлагает промышленные газовые щиты для гелия и лабораторные щиты на базе фильтров финишной очистки для удаления из гелия паров воды, кислорода и углеводородов до 99,9999%.

mvif
Рис. 12. Щит с фильтром финишной очистки

Компанией ООО «МВиФ» для «Объединенного института ядерных исследований» (ОИЯИ), г. Дубна реализован сложный проект по снабжению гелием и водородом установки, которая позволит синтезировать и изучать новые сверхтяжелые элементы периодической таблицы Менделеева.

Камера сепаратора заполняется газом (водородом или гелием) под давлением около 1.3 мбар (1 торр). Для обеспечения работоспособности установки необходимо поддерживать давление и состав газа. Камера сепаратора отделяется от трубы циклотрона, по которой летят бомбардирующие ядра к сепаратору, вращающимся входным окном 1,5-2 мкм. При этом в ионопроводе должен сохраняться вакуум ниже 10-6 Торр. Откачиваемый газ направляется в специальную вентиляцию для удержания и обезвреживания радиоактивных продуктов ядерных взаимодействий.

Сотрудники компании «МВиФ» разработали и изготовили разрядные рампы, газовые щиты, динамические газовые смесители, автоматику для подачи и откачки водорода и гелия в вакуумную камеру установки для синтеза сверхтяжелых ядер.

mvif
Рис. 13. Щит подачи водорода и гелия в камеру сепаратора

mvif
Рис. 14. Промышленный щит для подачи гелия в технологическое оборудование

«Мониторинг Вентиль и Фитинг» серийно производит рампы разрядные гелиевые для лабораторий и разрядно-наполнительные рампы для производства газовых смесей на основе гелия. Техпроцесс использования разрядно-наполнительной рампы предусматривает вакуумирование коллекторов и присоединенных баллонов, наполнение баллонов газовой смесью гелиокс перепуском из разрядной ветви рампы и последующее перекачивание дожимающим бустером до давления 300 бар. Остаточное давление в баллонах разрядной ветви рампы – 10 бар.

mvif
Рис. 15. Рампа разрядно-наполнительная для наполнения малолитражных баллонов газовой смесью гелиокс

Для хранения и транспортировки газообразного гелия предлагаются облегченные гелиевые баллоны компании Worthington Industries на рабочее давление 200, 300 и 400 бар, а так же специалистами МВиФ изготавливаются моноблоки из этих баллонов на 8, 12 и 16 баллонов.

mvif
Рис. 16. Моноблоки для хранения гелия

Для испытания изделий электронной техники на герметичность с использованием гелия в ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» разработан изготавливается специальный испытательный стенд. Стенд снабжён вентилем напуска гелия, вентилем подключения масс-спектрометра, вентилем дренажа (откачки), предохранительным клапаном, мановакууметром, камерой избыточного давления со съёмной крышкой, куда загружаются испытуемые изделия. Стенд предназначен для испытания по ГОСТ 28210-89 «Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Испытание на герметичность». Испытание состоит в заполнении образца, предварительно очищенного и подвергнутого сушке, гелиево-азотной смесью путем выдержки его в камере с этой смесью под давлением. Гелий проникает во внутренние объемы образца. Через установленное время выкачивают газовую смесь. Гелий, исходящий из образца, поступает в масс-спектрометр и его количество измеряют. Измеренная скорость утечки гелия затем может быть преобразована в эквивалентную стандартную скорость утечки для того, чтобы иметь возможность сравнить образцы с аналогичными объемами, испытываемыми в различных условиях.

mvif
Рис. 17. Стенд для испытания на герметичность по ГОСТ 28210-89

В ООО «МВиФ» на постоянной основе изготавливаются испарители и электрические подогреватели жидкого гелия. Установка для газификации жидкого гелия представлена на рисунках 18 и 19. Установка состоит из секции стальных труб без оребрения Icerak, предназначенной для газификации основного количества жидкого гелия. Эта секция обладает хорошей способностью для самоочистки от инея. Далее параллельно установлены два классических испарителя из оребренной трубы из алюминиевого сплава. Входная зона кипения выполнена из восьмилучевой трубы, а зона догрева из двенадцатилучевой оребренной трубы. Гелий подается попеременно через один или другой испаритель по показаниям датчика температуры или по заданному заранее интервалу времени. Регулирование потока происходит в автоматическом режиме.

На выходе из испарителей установлен электрический нагреватель для догрева газа. После нагревателя установлен щит, который позволяет регулировать расход гелия, измерять давление и температуру.

mvif
Рис. 18

mvif
Рис. 19

mvif
Рис. 20

mvif
Рис. 21

Рис. 20,21. Испытания установки для газификации жидкого гелия

Помимо испытаний на прочность, плотность и герметичность были проверены масс-спектрометрическим контролем герметичности сварных швов и разъемных соединений методом щупа с использованием гелия.

Также была выполнена холодная опрессовка газификационной криогенной установки для гелия, в условиях максимально приближенных к реальным.

В качестве рабочей среды использовался жидкий азот. Отработаны все режимы и алгоритмы работы: автоматическое переключение между испарителями по временной уставке; по температуре на выходе; работа нагревателя. Учет расхода рабочей среды осуществляется при помощи кориолисова расходомера.

Все оборудование ООО «Мониторинг Вентиль и фитинг» проходит заводские испытания в соответствии с требованиями нормативно-технической документации и задачам заказчика.

mvif
Рис. 22

mvif
Рис. 22,23 Щит газовый для газообразного гелия

Если у вас есть вопросы по выбору, применению и обслуживанию оборудования для хранения, транспортировки, газификации или очистке гелия, обращайтесь к специалистам MV&F, которые всегда помогают как конечным потребителям технических и медицинских газов, так и проектным, монтажным организациям и газовым компаниям.

>>> АВТОР СТАТЬИ
Травкин Владимир, ведущий инженер ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)