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Hélium


Contexte

L'hélium est l'un des éléments chimiques de base. À l'état naturel, l'hélium est un gaz incolore connu pour sa faible densité et sa faible réactivité chimique. Il est probablement mieux connu comme un substitut ininflammable à l'hydrogène pour fournir l'ascenseur dans les dirigeables et les ballons. Parce qu'il est chimiquement inerte, il est également utilisé comme écran gazeux dans le soudage à l'arc robotisé et comme atmosphère non réactive pour la croissance des cristaux de silicium et de germanium utilisés pour fabriquer des dispositifs électroniques à semi-conducteurs. L'hélium liquide est souvent utilisé pour fournir les températures extrêmement basses requises dans certaines applications médicales et scientifiques, y compris la recherche sur la supraconduction.

Bien que l'hélium soit l'un des éléments les plus abondants dans l'univers, la majeure partie existe en dehors de l'atmosphère terrestre. L'hélium n'a été découvert qu'en 1868, lorsque l'astronome français Pierre Janssen et l'astronome anglais Sir Joseph Lockyer étudiaient indépendamment une éclipse de Soleil. À l'aide de spectromètres, qui séparent la lumière en différentes bandes de couleur selon les éléments présents, ils ont tous deux observé une bande de lumière jaune qui ne pouvait être identifiée à aucun élément connu. La nouvelle de leurs découvertes a atteint le monde scientifique le même jour, et les deux hommes sont généralement crédités de la découverte. Lockyer a suggéré le nom d'hélium pour le nouvel élément, dérivé du mot grec helios pour le soleil.

En 1895, le chimiste anglais Sir William Ramsay a découvert que la cleveite, un minéral d'uranium, contenait de l'hélium. Les chimistes suédois P.T. Cleve et Nils Langlet ont fait une découverte similaire à peu près au même moment. C'était la première fois que de l'hélium était identifié sur Terre. En 1905, le gaz naturel extrait d'un puits près de Dexter, au Kansas, contenait jusqu'à 2 % d'hélium. Les tests d'autres sources de gaz naturel dans le monde ont donné des concentrations d'hélium très variables, les concentrations les plus élevées se trouvant aux États-Unis.

Au début des années 1900, le développement de dirigeables et dirigeables plus légers que l'air reposait presque entièrement sur l'hydrogène pour assurer la portance, même s'il était hautement inflammable. Pendant la Première Guerre mondiale, le gouvernement des États-Unis s'est rendu compte que l'hélium ininflammable était supérieur à l'hydrogène et l'a déclaré un matériau de guerre critique. La production était étroitement contrôlée et les exportations réduites. En 1925, les États-Unis ont adopté la première loi sur la conservation de l'hélium qui interdisait la vente d'hélium aux utilisateurs non gouvernementaux. Ce n'est qu'en 1937, lorsque le dirigeable rempli d'hydrogène Hindenburg a explosé lors de son atterrissage à Lakehurst, New Jersey, que les restrictions ont été levées et que l'hélium a remplacé l'hydrogène pour les navires commerciaux plus légers que l'air.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, l'hélium est redevenu un matériau de guerre essentiel. L'une de ses utilisations les plus inhabituelles était de gonfler les pneus des bombardiers à long rayon d'action. Le poids plus léger de l'hélium a permis à l'avion de transporter 154 lb (70 kg) de carburant supplémentaire pour une autonomie prolongée.

Après la guerre, la demande d'hélium a augmenté si rapidement que le gouvernement a imposé les amendements à la loi sur l'hélium en 1960 pour acheter et stocker le gaz pour une utilisation future. En 1971, la demande s'était stabilisée et le programme de stockage d'hélium a été annulé. Quelques années plus tard, le gouvernement a recommencé à stocker de l'hélium. En 1993, il y avait environ 35 milliards de pieds cubes (1,0 milliard de mètres cubes) d'hélium dans le stockage du gouvernement.

Aujourd'hui, la majorité des sources de gaz naturel contenant de l'hélium se trouvent aux États-Unis. Le Canada, la Pologne et quelques autres pays ont également des sources importantes.

Matières premières

L'hélium est généré sous terre par la désintégration radioactive d'éléments lourds tels que l'uranium et le thorium. Une partie du rayonnement de ces éléments est constituée de particules alpha, qui forment les noyaux des atomes d'hélium. Une partie de cet hélium parvient à la surface et pénètre dans l'atmosphère, où il s'élève rapidement et s'échappe dans l'espace. Le reste se retrouve piégé sous des couches de roche imperméables et se mélange aux gaz naturels qui s'y forment. La quantité d'hélium trouvée dans divers gisements de gaz naturel varie de presque zéro à 4 % en volume. Environ un dixième seulement des gisements de gaz naturel en exploitation ont des concentrations d'hélium économiquement viables supérieures à 0,4 %.

L'hélium peut également être produit en liquéfiant l'air et en séparant les gaz composants. Les coûts de production de cette méthode sont élevés et la quantité d'hélium contenue dans l'air est très faible. Bien que cette méthode soit souvent utilisée pour produire d'autres gaz, comme l'azote et l'oxygène, elle est rarement utilisée pour produire de l'hélium.

Le processus de fabrication

L'hélium est généralement produit comme sous-produit du traitement du gaz naturel. Le gaz naturel contient du méthane et d'autres hydrocarbures, qui sont les principales sources d'énergie thermique lors de la combustion du gaz naturel. La plupart des gisements de gaz naturel contiennent également de plus petites quantités d'azote, de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone, d'hélium et d'autres matériaux non combustibles, ce qui réduit l'énergie thermique potentielle du gaz. Afin de produire du gaz naturel avec un niveau d'énergie thermique acceptable, ces impuretés doivent être éliminées. Ce processus est appelé mise à niveau.

Il existe plusieurs méthodes pour valoriser le gaz naturel. Lorsque le gaz contient plus d'environ 0,4% d'hélium en volume, une méthode de distillation cryogénique est souvent utilisée afin de récupérer la teneur en hélium. Une fois l'hélium séparé du gaz naturel, il subit un raffinage supplémentaire pour l'amener à une pureté de 99,99+ % pour un usage commercial.

Voici une séquence typique d'opérations d'extraction et de traitement de l'hélium.

Prétraitement

Étant donné que cette méthode utilise une section cryogénique extrêmement froide dans le cadre du processus, toutes les impuretés qui pourraient se solidifier, telles que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et certains hydrocarbures lourds, doivent d'abord être éliminées du gaz naturel dans un processus de prétraitement pour les empêcher de bouchage de la tuyauterie cryogénique.

Séparer

Le gaz naturel est séparé en ses principaux composants par un processus de distillation connu sous le nom de distillation fractionnée. Parfois, ce nom est abrégé en fractionnement, et les structures verticales utilisées pour effectuer cette séparation sont appelées colonnes de fractionnement. Dans le processus de distillation fractionnée, l'azote et le méthane sont séparés en deux étapes, laissant un mélange de gaz contenant un pourcentage élevé d'hélium. A chaque étape, le niveau de concentration, ou fraction, de chaque composant est augmenté jusqu'à ce que la séparation soit complète. Dans le gaz naturel Toutes les impuretés qui pourraient se solidifier et obstruer la tuyauterie cryogénique sont éliminées du gaz naturel dans un processus de prétraitement . Après le prétraitement, les composants du gaz naturel sont séparés dans un processus appelé distillation fractionnée. l'industrie, ce processus est parfois appelé rejet d'azote, car sa fonction principale est d'éliminer les quantités excédentaires d'azote du gaz naturel.

Purifiant

L'hélium brut doit être encore purifié pour éliminer la plupart des autres matériaux. Il s'agit généralement d'un processus en plusieurs étapes impliquant plusieurs méthodes de séparation différentes en fonction de la pureté de l'hélium brut et de l'application prévue du produit final.

Distribution

L'hélium est distribué soit sous forme de gaz à température normale, soit sous forme liquide à très basse température. L'hélium gazeux est distribué dans des cylindres en acier forgé ou en alliage d'aluminium à des pressions comprises entre 900 et 6 000 psi (6-41 MPa ou 60-410 atm). Des quantités en vrac d'hélium liquide sont distribuées dans des conteneurs isolés d'une capacité allant jusqu'à environ 14 800 gallons (56 000 litres).

Contrôle qualité

La Compressed Gas Association établit des normes de classement pour l'hélium en fonction de la quantité et du type d'impuretés présentes. Les qualités d'hélium commerciales commencent par la qualité M, qui est pure à 99,995% et contient des quantités limitées d'eau, de méthane, d'oxygène, d'azote, d'argon, de néon et d'hydrogène. Les autres grades supérieurs incluent le grade N, le grade P et le grade G. Le grade G est pur à 99,9999%. L'échantillonnage et l'analyse périodiques du produit final garantissent que les normes de pureté sont respectées.

Le futur

En 1996, le gouvernement des États-Unis a proposé l'arrêt du programme de stockage d'hélium financé par le gouvernement. Cela inquiète de nombreux scientifiques. Ils soulignent que l'hélium est essentiellement un déchet du traitement du gaz naturel et que sans installation de stockage gouvernementale, la majeure partie de l'hélium sera simplement rejetée dans l'atmosphère, où il s'échappera dans l'espace et sera perdu à jamais. Certains scientifiques prédisent que si cela se produit, les réserves connues d'hélium sur Terre pourraient être épuisées d'ici 2015.


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