Скачать статью

Водород и гелий — самые распространенные элементы во Вселенной. Они образовались в первые секунды после большого взрыва при зарождении вселенной и играют ключевую роль в энергетике и машиностроении.

Водород составляет около 75% барионной материи и служит топливом для звезд. Гелий (24%) продолжает синтезироваться в результате термоядерных реакций синтеза внутри звезд и в результате ядерных реакций деления в ядрах планет.

На Земле эти газы находят широкое применение в криогенике, космонавтике, водородной энергетике, химической промышленности, металлургии и медицине.

Водород (H₂)

Открытие: Генри Кавендиш выделил водород в 1766 году, а Антуан Лавуазье дал ему название «рождающий воду».

Свойства: Водород — самый легкий газ и высоко реакционноспособный элемент.

Основной компонент звездного синтеза: Протон-протонный цикл.

Водород имеет три основных изотопа:

• Протий (H) — самый распространенный изотоп водорода, состоящий из одного протона и не имеющего нейтронов.
• Дейтерий (D или ²H) — стабильный изотоп с одним протоном и одним нейтроном, который встречается в природе в небольших количествах.
• Тритий (T или 3H) — радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12.32 лет, состоящий из одного протона и двух нейтронов.

Области приминения

• Энергетика: Водород — перспективный энергоноситель. Его используют в топливных элементах для генерации электричества, особенно в транспорте и стационарных установках. Чистота газа критически важна для сохранения катализаторов и эффективности систем.
• Космонавтика: Экологически чистое и эффективное ракетной топливо для пилотируемой космонавтики.
• Химия: В химической промышленности применяют в процессах гидрогенизации для производства аммиака и метанола. Высококачественные результаты требуют строгого контроля состава.
• Металлургия: Водород — эффективный восстановитель в сталеплавильных процессах. Он предотвращает образование вредных соединений, улучшая характеристики металлов.

Гелий (He)

Открытие: Гелий был обнаружен в спектре Солнца в 1868 году. На Земле его выделил Уильям Рамзай в 1895 году.

Свойства: Гелий — инертный газ с самой низкой температурой кипения.

Можно выделить два стабильных изотопа: гелий-3 и гелий-4.

Гелий-3. Температура кипения 3.19 К (-269,96 °C). Редкий изотоп, который содержит два протона и один нейтрон. Он обладает уникальными свойствами, такими как низкая вязкость и высокая теплопроводность.

Гелий-4. Температура кипения 4.22 К (-268,93 °C). Является самым распространенным изотопом гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Добыча

Гелий-4 — дефицитный ресурс, который выделяют из природного газа. Гелий-3 сверхдефицитный, так как его нарабатывают искусственно в ядерной промышленности как продукт ядерной реакции бета-распада трития в количестве всего около 20 кг в год. Содержание гелия-3 в природном газе

Области приминения

• Медицина: Гелий — незаменимый хладагент для сверхпроводящих магнитов в МРТ-аппаратах. Его стабильные параметры обеспечивают бесперебойную работу оборудования.
• Атомная энергетика: Гелий-4 используют как теплоноситель в ядерных реакторах из-за инертности и высокой теплопроводности. Это предотвращает коррозию и повышает безопасность, гелий-3 является перспективным и безопасным топливом для реакторов управляемого термоядерного синтеза.
• Аэрокосмическая и военная промышленность: применяют для продувки топливных баков ракет, создания дыхательных смесей для подводников и водолазов. Высокая чистота газа обеспечивает безопасность и эффективность процессов.
• Производство оптоволокна и полупроводников: используют в качестве инертного газа для предотвращения загрязнения продукции.
• Научные исследования: Гелий обеспечивает сверхнизкие температуры в установках типа Большого адронного коллайдера. Точные параметры среды необходимы для проведения прецизионных экспериментов.

Эффективное использование водорода и гелия требует многоступенчатой очистки, особенно в условиях жестких экологических стандартов.

Криоадсорбция — современный метод очистки водорода и гелия, активно развивающийся с середины XX века.

Принцип и этапы работы:

• Газ охлаждают до криогенных температур. При этом кинетическая энергия молекул примесей, таких как кислород, азот, влага, окись углерода, метан снижается, и они легче захватываются активными центрами поверхности адсорбента.
• Газ пропускают через неподвижный зернистый слой адсорбента. Примеси задерживаются на активной развитой поверхности гранул адсорбента.
• Адсорбент регенерируют, повышая температуру и снижая давление. Это позволяет удалить захваченные примеси и восстановить адсорбционную способность материала.

Эффективность криоадсорбционной очистки во многом зависит от правильного выбора адсорбента. Он должен обладать высокой удельной поверхностью и селективностью к примесям.

Основные типы адсорбентов:

• Активированный уголь: Пористый материал с большой удельной поверхностью. Он эффективно захватывает органические молекулы и некоторые неорганические примеси. Это доступный и экономичный адсорбент, широко применяемый в различных процессах очистки. При криогенной очистке газов чаще всего применяют именно активированные угли.
• Цеолиты: Кристаллические алюмосиликаты с регулярной пористой структурой. Высокая селективность позволяет им захватывать определенные молекулы. Цеолиты используются в нефтехимической промышленности и для разделения газов.
• Активная окись алюминия: Универсальный адсорбент, который находит применение в различных отраслях, благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам
• Силикагель: Гель на основе двуокиси кремния эффективно адсорбирует влагу и другие примеси.

Выбор адсорбента зависит от нескольких факторов:

• Тип примесей: Разные адсорбенты обладают различной селективностью.
• Температурные условия: Адсорбенты должны сохранять свои свойства при низких температурах.
• Экономичность: Стоимость адсорбента и температура его регенерация — важные параметры.
• Стабильность и долговечность: Адсорбенты должны выдерживать многократные циклы обработки.

Современные исследования направлены на разработку новых адсорбентов с улучшенными характеристиками. Одним из перспективных направлений является использование наноматериалов. Они могут обладать высокой удельной поверхностью и уникальными свойствами.

В текущих условиях особое значение приобретают промышленные криоадсорбционные установки для глубокой очистки водорода и гелия (рис. 1), позволяющие реализовать преимущества современных адсорбентов в реальных технологических процессах.

Рис. 1. Криоадсорбционная установка очистки водорода и гелия
Техническкие характеристики:
• производительность по гелию 7.5 нм3/час, по водороду 10 нм³/час;
• максимальное давление на входе 400 бар;
• максимальное давление на выходе 200 бар;
• объёмная доля кислорода в очищенном газе менее 0,00001% (0.1 ppm);
• точка росы в очищенном газе менее минус 90°С

Установка предназначена для глубокой очистки водорода или гелия от микропримесей (кислорода, азота, углекислоты и влаги) перед заправкой в баллоны с рабочим давлением до 200 бар. Компоненты установки размещены на мобильной раме с размерами не более 1500х1200х1800. Установка оснащена колесами и ручками, позволяющими перемещать ее вручную

Разработкой и изготовлением таких установок занимается компания ООО «МВиФ». Основные компоненты установок ООО «МВиФ»:

• Криоадсорбционный модуль с теплообменным и адсорбционным оборудованием. Рабочее давление 400 бар. Криостат для жидкого азота с экранно-вакуумной изоляцией и динамическим вакуумом, который поддерживает вакуумная система установки. Криостат заправляется жидким азотом вручную или автоматизировано, а уровень азота в нем контролируется индикатором. Криостат работает без избыточного давления.
• Комплект ручной запорно-регулирующей арматуры для подключения источника гелия или водорода с давлением до 400 бар. Два регулятора давления: один снижает давление до 200 бар для заправки баллонов, другой — до 3 бар для аналитических целей. После криоадсорбционного модуля используются клапаны и регуляторы с электрохимическим полированием, VCR фитинги и соединения под орбитальную сварку.
• Электрический нагреватель для регенерации адсорбционного оборудования.
• Вакуумная система со спиральным вакуумным насосом для подготовки коммуникаций, трубопроводов и баллонов перед заправкой. Насос также используется для периодической термо-вакуумной регенерации адсорбента. С его помощью вакуумируются трубопроводы и аппараты установки. Давление в системе при вакуумировании составляет 5∙10-2 мбар.
• Датчики давления, вакуума, расхода очищаемой среды и манометры.
• Датчик влажности с диапазоном измерения до -100°C, который устанавливается в линии заправки 200 бар.
• Барьеры искрозащиты для работы с водородом в общепромышленных помещениях.
• Шкаф электропитания и управления вакуумным насосом и электрическим нагревателем в общепромышленном исполнении.
• Промышленный контроллер для сбора и архивирования показаний датчиков, а также панель оператора для управления процессом очистки.
• Автоматика по отключению подачи гелия при достижении заранее заданного значения давления или по аварийным сигналам.

Компания ООО «МВиФ» внедряет автоматизированные системы управления процессами. Это повышает точность и стабильность работы криоадсорбционных установок. Датчики и алгоритмы позволяют оптимизировать параметры процесса в режиме реального времени.

При работе с гелием-3, ввиду его редкости и высокой стоимости, часто возникает вопрос о его последующим сборе и рекуперации. В любых научных установках рабочие среды неизбежно загрязняются атмосферными примесями и влагой, которые попадают в рабочие среды с внутренней поверхности оборудования и через разъемные соединения. На рисунке 2 представлены специальные сосуды для хранения и транспортировки гелия-3. Рабочее давление 150 бар, объем 1000 мл. Стоимость разовой заправки этих четырех сосудов гелием-3 настолько велика, что затраты на установку рекуперации гелия-3 окупаются буквально за неделю. По заключениям наших покупателей чистота гелий-3 оказывается после регенерации даже выше чем исходный продукт.

Рис. 2. Сосуды для стабильного изотопа гелий-3

Для рекуперации и очистки гелия-3 компания MV&F предлагает специальную криоадсорбционную установку (рис. 3), которая включает:

• криоадсорбционный модуль;
• дожимающий компрессор;
• вакуумные насосы и баллоны для накопления компримированного очищенного продукта.

Наша установка сконструирована так, чтобы минимизировать потери гелия-3.

Рис. 3. Установка очистки и рекуперации гелия-3

В условиях ужесточения требований к чистоте газов и росту интереса к водородной энергетике и криогенным технологиям, правильно спроектированная криоадсорбционная установка становится критически важным элементом инфраструктуры.

Компания ООО «МВиФ» специализируется на проектировании и изготовлении криоадсорбционных установок очистки для водорода и гелия.

Мы предлагаем:

• установки глубокой очистки газов перед заправкой баллонов;
• комплексы для очистки и рекуперации гелия‑3 в научных и высокотехнологичных установках;
• решения, адаптированные под конкретные задачи заказчика (требуемый расход, давление, уровень чистоты)

ООО "МВиФ" — ваш надежный партнер в мире чистых технологий. Мы предлагаем каталитические, хемосорбционные, адсорбционные и химические установки глубокой очистки аргона, гелия, водорода, кислорода и азота. Широкий диапазон давлений от 3 до 450 бар, широкий диапазон расходов от картриджей финишной очистки до крупных промышленных установок большой производительности. Наши решения отличаются инновационными технологиями, экологической ответственностью и индивидуальным подходом к каждому клиенту.

АВТОР СТАТЬИ
Рыбалко Алексей, начальник отдела продаж ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)