Helium

Latar Belakang

Helium adalah salah satu unsur kimia dasar. Dalam keadaan alaminya, helium adalah gas tidak berwarna yang dikenal karena kepadatannya yang rendah dan reaktivitas kimianya yang rendah. Ini mungkin paling dikenal sebagai pengganti hidrogen yang tidak mudah terbakar untuk memberikan daya angkat pada balon udara dan balon. Karena bersifat inert secara kimia, ia juga digunakan sebagai pelindung gas dalam pengelasan busur robotik dan sebagai atmosfer non-reaktif untuk menumbuhkan kristal silikon dan germanium yang digunakan untuk membuat perangkat semikonduktor elektronik. Helium cair sering digunakan untuk memberikan suhu yang sangat rendah yang diperlukan dalam aplikasi medis dan ilmiah tertentu, termasuk penelitian superkonduksi.

Meskipun helium adalah salah satu elemen paling melimpah di alam semesta, sebagian besar ada di luar atmosfer bumi. Helium tidak ditemukan sampai tahun 1868, ketika astronom Prancis Pierre Janssen dan astronom Inggris Sir Joseph Lockyer secara independen mempelajari gerhana Matahari. Menggunakan spektrometer, yang memisahkan cahaya menjadi pita warna yang berbeda tergantung pada elemen yang ada, mereka berdua mengamati pita cahaya kuning yang tidak dapat diidentifikasi dengan elemen apa pun yang diketahui. Berita tentang penemuan mereka sampai ke dunia ilmiah pada hari yang sama, dan kedua orang itu umumnya dikreditkan dengan penemuan itu. Lockyer menyarankan nama helium untuk elemen baru, yang berasal dari kata Yunani helios untuk matahari.

Pada tahun 1895, ahli kimia Inggris Sir William Ramsay menemukan bahwa cleveite, mineral uranium, mengandung helium. Ahli kimia Swedia P.T. Cleve dan Nils Langlet membuat penemuan serupa pada waktu yang hampir bersamaan. Ini adalah pertama kalinya helium telah diidentifikasi di Bumi. Pada tahun 1905, gas alam yang diambil dari sumur dekat Dexter, Kansas, ditemukan mengandung sebanyak 2% helium. Pengujian sumber gas alam lain di seluruh dunia menghasilkan konsentrasi helium yang sangat bervariasi, dengan konsentrasi tertinggi ditemukan di Amerika Serikat.

Selama awal 1900-an, pengembangan balon udara dan balon udara yang lebih ringan dari udara mengandalkan hampir seluruhnya pada hidrogen untuk memberikan daya angkat, meskipun sangat mudah terbakar. Selama Perang Dunia I, pemerintah Amerika Serikat menyadari bahwa helium yang tidak mudah terbakar lebih unggul daripada hidrogen dan menyatakannya sebagai bahan perang yang kritis. Produksi dikontrol dengan ketat, dan ekspor dibatasi. Pada tahun 1925, Amerika Serikat mengeluarkan Undang-Undang Konservasi Helium pertama yang melarang penjualan helium kepada pengguna non-pemerintah. Baru pada tahun 1937, ketika balon berisi hidrogen Hindenburg meledak saat mendarat di Lakehurst, New Jersey, pembatasan dicabut dan helium menggantikan hidrogen untuk kapal komersial yang lebih ringan dari udara.

Selama Perang Dunia II, helium kembali menjadi bahan perang yang kritis. Salah satu kegunaannya yang lebih tidak biasa adalah untuk memompa ban pada pesawat pengebom jarak jauh. Bobot helium yang lebih ringan memungkinkan pesawat untuk membawa 154 lb (70 kg) bahan bakar ekstra untuk jarak yang lebih jauh.

Setelah perang, permintaan helium tumbuh begitu cepat sehingga pemerintah memberlakukan Amandemen Undang-Undang Helium pada tahun 1960 untuk membeli dan menyimpan gas untuk penggunaan di masa mendatang. Pada tahun 1971, permintaan telah menurun dan program penyimpanan helium dibatalkan. Beberapa tahun kemudian, pemerintah mulai menyimpan helium lagi. Pada 1993, ada sekitar 35 miliar kaki kubik (1,0 miliar meter kubik) helium di gudang pemerintah.

Saat ini, sebagian besar sumber gas alam yang mengandung helium berada di Amerika Serikat. Kanada, Polandia, dan beberapa negara lain juga memiliki sumber yang signifikan.

Bahan Baku

Helium dihasilkan di bawah tanah oleh peluruhan radioaktif dari unsur-unsur berat seperti uranium dan thorium. Bagian dari radiasi dari unsur-unsur ini terdiri dari partikel alfa, yang membentuk inti atom helium. Beberapa helium ini menemukan jalannya ke permukaan dan memasuki atmosfer, di mana ia dengan cepat naik dan lepas ke luar angkasa. Sisanya terperangkap di bawah lapisan batuan yang kedap air dan bercampur dengan gas alam yang terbentuk di sana. Jumlah helium yang ditemukan di berbagai deposit gas alam bervariasi dari hampir nol hingga setinggi 4% berdasarkan volume. Hanya sekitar sepersepuluh dari ladang gas alam yang bekerja memiliki konsentrasi helium yang layak secara ekonomi lebih besar dari 0,4%.

Helium juga dapat diproduksi dengan mencairkan udara dan memisahkan komponen gas. Biaya produksi untuk metode ini tinggi, dan jumlah helium yang terkandung di udara sangat rendah. Meskipun metode ini sering digunakan untuk menghasilkan gas lain, seperti nitrogen dan oksigen, metode ini jarang digunakan untuk menghasilkan helium.

Manufaktur
Proses

Helium biasanya diproduksi sebagai produk sampingan dari pemrosesan gas alam. Gas alam mengandung metana dan hidrokarbon lainnya, yang merupakan sumber utama energi panas ketika gas alam dibakar. Sebagian besar deposit gas alam juga mengandung nitrogen, uap air, karbon dioksida, helium, dan bahan tidak mudah terbakar lainnya dalam jumlah yang lebih kecil, yang menurunkan energi panas potensial gas. Untuk menghasilkan gas alam dengan tingkat energi panas yang dapat diterima, pengotor ini harus dihilangkan. Proses ini disebut peningkatan.

Ada beberapa metode yang digunakan untuk mengupgrade gas alam. Ketika gas mengandung lebih dari sekitar 0,4% volume helium, metode distilasi kriogenik sering digunakan untuk memulihkan kandungan helium. Setelah helium dipisahkan dari gas alam, ia mengalami pemurnian lebih lanjut untuk mencapai kemurnian 99,99+% untuk penggunaan komersial.

Berikut adalah urutan operasi khas untuk mengekstraksi dan memproses helium.

Mengobati sebelumnya

Karena metode ini menggunakan bagian kriogenik yang sangat dingin sebagai bagian dari proses, semua pengotor yang mungkin membeku—seperti uap air, karbon dioksida, dan hidrokarbon berat tertentu—harus dihilangkan terlebih dahulu dari gas alam dalam proses pra-perlakuan untuk mencegahnya. menyumbat pipa kriogenik.

• 1 Gas alam bertekanan sekitar 800 psi (5,5 MPa atau 54 atm). Kemudian mengalir ke scrubber di mana ia dikenai semprotan monoethanolamine, yang menyerap karbon dioksida dan membawanya pergi.
• 2 Aliran gas melewati saringan molekuler, yang memisahkan molekul uap air yang lebih besar dari aliran sambil membiarkan molekul gas yang lebih kecil lewat. Air dibilas kembali dari saringan dan dibuang.
• 3 Setiap hidrokarbon berat dalam aliran gas dikumpulkan pada permukaan unggun karbon aktif saat gas melewatinya. Secara berkala karbon aktif diisi ulang. Aliran gas sekarang sebagian besar mengandung metana dan nitrogen, dengan sejumlah kecil helium, hidrogen, dan neon.

Memisahkan

Gas alam dipisahkan menjadi komponen-komponen utamanya melalui proses distilasi yang dikenal sebagai distilasi fraksional. Kadang-kadang nama ini disingkat menjadi fraksinasi, dan struktur vertikal yang digunakan untuk melakukan pemisahan ini disebut kolom fraksinasi. Dalam proses distilasi fraksional, nitrogen dan metana dipisahkan dalam dua tahap, meninggalkan campuran gas yang mengandung persentase helium yang tinggi. Pada setiap tahap tingkat konsentrasi, atau fraksi, masing-masing komponen dinaikkan sampai pemisahan selesai. Dalam gas alam Semua kotoran yang mungkin mengeras dan menyumbat pipa kriogenik dikeluarkan dari gas alam dalam proses pretreatment . Setelah perlakuan awal, komponen gas alam dipisahkan dalam proses yang disebut distilasi fraksional. industri, proses ini kadang-kadang disebut penolakan nitrogen, karena fungsi utamanya adalah untuk menghilangkan kelebihan jumlah nitrogen dari gas alam.

• 4 Aliran gas melewati satu sisi penukar panas sirip piring sementara metana dan nitrogen yang sangat dingin dari bagian kriogenik melewati sisi lainnya. Aliran gas yang masuk didinginkan, sedangkan metana dan nitrogen dihangatkan.
• 5 Aliran gas kemudian melewati katup ekspansi, yang memungkinkan gas mengembang dengan cepat sementara tekanan turun menjadi sekitar 145-360 psi (1,0-2,5 MPa atau 10-25 atm). Ekspansi yang cepat ini mendinginkan aliran gas ke titik di mana metana mulai mencair.
• 6 Aliran gas—sekarang sebagian cair dan sebagian gas—masuk ke dasar kolom fraksinasi bertekanan tinggi. Saat gas naik melalui baffle internal di kolom, ia kehilangan panas tambahan. Metana terus mencair, membentuk campuran kaya metana di bagian bawah kolom sementara sebagian besar nitrogen dan gas lainnya mengalir ke atas.
• 7 Campuran metana cair, yang disebut metana mentah, ditarik keluar dari bagian bawah kolom bertekanan tinggi dan didinginkan lebih lanjut dalam subcooler mentah. Kemudian melewati katup ekspansi kedua, yang menurunkan tekanan menjadi sekitar 22 psi (150 kPa atau 1,5 atm) sebelum memasuki kolom fraksinasi tekanan rendah. Saat metana cair turun ke kolom, sebagian besar nitrogen yang tersisa dipisahkan, meninggalkan cairan yang tidak lebih dari sekitar 4% nitrogen dan metana yang seimbang. Cairan ini dipompa, dihangatkan, dan diuapkan untuk menjadi gas alam yang ditingkatkan. Gas nitrogen disalurkan dari bagian atas kolom bertekanan rendah dan dibuang atau ditangkap untuk diproses lebih lanjut.
• 8 Sementara itu, gas dari bagian atas kolom bertekanan tinggi didinginkan dalam a Setelah dipisahkan dari gas alam, helium mentah dimurnikan dalam proses multi-tahap yang melibatkan beberapa metode pemisahan tergantung pada kemurnian helium mentah dan aplikasi yang dimaksudkan dari produk akhir. kondensator. Sebagian besar nitrogen mengembun menjadi uap dan diumpankan ke bagian atas kolom bertekanan rendah. Gas yang tersisa disebut helium mentah. Ini mengandung sekitar 50-70% helium, 1-3% metana yang tidak dicairkan, sejumlah kecil hidrogen dan neon, dan keseimbangan nitrogen.

Memurnikan

Helium mentah harus dimurnikan lebih lanjut untuk menghilangkan sebagian besar bahan lainnya. Ini biasanya merupakan proses multi-tahap yang melibatkan beberapa metode pemisahan yang berbeda tergantung pada kemurnian helium mentah dan aplikasi yang dimaksudkan dari produk akhir.

• 9 Helium mentah didinginkan terlebih dahulu hingga sekitar -315 ° F (-193 ° C). Pada suhu ini, sebagian besar nitrogen dan metana mengembun menjadi cairan dan terkuras habis. Campuran gas yang tersisa sekarang sekitar 90% helium murni.
• 10 Udara ditambahkan ke campuran gas untuk menyediakan oksigen. Gas dipanaskan dalam preheater dan kemudian melewati katalis, yang menyebabkan sebagian besar hidrogen dalam campuran bereaksi dengan oksigen di udara dan membentuk uap air. Gas kemudian didinginkan, dan uap air mengembun dan dikeringkan.
• 11 Campuran gas memasuki unit adsorpsi ayunan tekanan (PSA) yang terdiri dari beberapa bejana adsorpsi yang beroperasi secara paralel. Di dalam setiap bejana terdapat ribuan partikel yang diisi dengan pori-pori kecil. Saat campuran gas melewati partikel-partikel ini di bawah tekanan, gas-gas tertentu terperangkap di dalam pori-pori partikel. Tekanan kemudian diturunkan dan aliran gas dibalik untuk membersihkan gas yang terperangkap. Siklus ini diulang setelah beberapa detik atau beberapa menit, tergantung pada ukuran pembuluh dan konsentrasi gas. Metode ini menghilangkan sebagian besar sisa uap air, nitrogen, dan metana dari campuran gas. Helium sekarang sekitar 99,99% murni.

Mendistribusikan

Helium didistribusikan baik sebagai gas pada suhu normal atau sebagai cairan pada suhu yang sangat rendah. Helium gas didistribusikan dalam baja tempa atau silinder paduan aluminium pada tekanan di kisaran 900-6.000 psi (6-41 MPa atau 60-410 atm). Sejumlah besar helium cair didistribusikan dalam wadah berinsulasi dengan kapasitas hingga sekitar 14.800 galon (56.000 liter).

• 12 Jika helium akan dicairkan, atau jika kemurnian yang lebih tinggi diperlukan, neon dan kotoran lainnya dihilangkan dengan melewatkan gas di atas unggun karbon aktif dalam Helium didistribusikan baik sebagai gas pada suhu normal atau sebagai cairan pada suhu yang sangat rendah. penyerap kriogenik yang beroperasi pada sekitar -423° F (-253° C). Tingkat kemurnian 99,999% atau lebih baik dapat dicapai dengan langkah terakhir ini.
• 13 Helium kemudian disalurkan ke liquefier, di mana ia melewati serangkaian penukar panas dan ekspander. Karena semakin didinginkan dan diperluas, suhunya turun menjadi sekitar -452° F (-269° C) dan mencair.
• 14 Helium cair dalam jumlah besar biasanya dikirim dalam wadah tanpa ventilasi dan bertekanan. Jika pengiriman dilakukan di wilayah daratan Amerika Serikat, waktu pengiriman biasanya kurang dari seminggu. Dalam kasus tersebut, helium cair ditempatkan di trailer tangki besar berinsulasi yang ditarik oleh traktor truk. Tubuh tangki dibangun dari dua cangkang dengan ruang vakum antara cangkang dalam dan luar untuk memperlambat kehilangan panas. Di dalam ruang vakum, beberapa lapisan foil reflektif selanjutnya menghentikan aliran panas dari luar. Untuk pengiriman yang diperpanjang ke luar negeri, helium ditempatkan dalam kontainer pengiriman khusus. Selain ruang vakum untuk memberikan insulasi, wadah ini juga memiliki cangkang kedua yang diisi dengan nitrogen cair untuk menyerap panas dari luar. Saat panas diserap, nitrogen cair mendidih dan dibuang.

Kontrol Kualitas

Compressed Gas Association menetapkan standar penilaian untuk helium berdasarkan jumlah dan jenis kotoran yang ada. Nilai helium komersial dimulai dengan kelas M, yang 99,995% murni dan mengandung air, metana, oksigen, nitrogen, argon, neon, dan hidrogen dalam jumlah terbatas. Nilai lebih tinggi lainnya termasuk kelas N, kelas P, dan kelas G. Grade G adalah 99,9999% murni. Pengambilan sampel dan analisis produk akhir secara berkala memastikan bahwa standar kemurnian terpenuhi.

Masa Depan

Pada tahun 1996, pemerintah Amerika Serikat mengusulkan agar program penyimpanan helium yang didanai pemerintah dihentikan. Hal ini membuat banyak ilmuwan khawatir. Mereka menunjukkan bahwa helium pada dasarnya adalah produk limbah dari pemrosesan gas alam, dan tanpa fasilitas penyimpanan pemerintah, sebagian besar helium hanya akan dibuang ke atmosfer, di mana ia akan lepas ke luar angkasa dan hilang selamanya. Beberapa ilmuwan memperkirakan bahwa jika ini terjadi, cadangan helium yang diketahui di Bumi mungkin akan habis pada tahun 2015.