در طی چند دهه اخیر نیاز به گاز هلیم در صنایع مختلف رو به افزایش است درحالیکه غلظت این گاز در ترکیب درصد گاز طبیعی بسیار اندک است، لذا روش جداسازی آن باید به گونه ای باشد که توانایی بازیابی هلیم با درصد خلوص بالایی را داشته باشد. امروزه با گسترش فرآیند غشایی و مقرون به صرفه بودن آن از لحاظ انرژی و هزینه، روش جداسازی غشایی برای بازیابی هلیم نسبت به دیگر روشهای صنعتی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله ابتدا غشاهای پلیمری، فرایندهای غشایی و روشهای بهبود غشاهای پلیمری شرح داده شده، مزایا و معایب آنها ارائه شده و با یکدیگر مقایسه میشوند. در ادامه به روشهای صنعتی بازیابی هلیم و نیز پژوهشه ای انجام شده در این زمینه پرداخته و از جنبه های مختلف مورد ارزیابی قرار میگیرند. هدف از این مقاله، گسترش دانش و افزایش اطلاعات علمی و فنی در زمینه جداسازی گاز هلیم و روشهای آزمایشگاهی، پیشرفتهای علمی و روشهای صنعتی آن است.

ویژگی های گاز هلیم

گاز هلیم به عنوان سبک ترین گاز پس از گاز هیدروژن، یک گاز نجیب با چگالی پایین است. از دیگر ویژگی های این گاز به نفوذپذیری بالا و انتقال حرارت خوب آن میتوان اشاره کرد که باعث شده تا این گاز در صنایع گوناگون کاربرد وسیعی داشته باشد. هلیم، گاز منحصر به فردی بوده که کاربردهای وسیعی در زمینه های علمی، صنعتی و پزشکی داشته که دلیل آن به پایین بودن دمای جوش هلیم، خنثی و غیراشتعال بودن و اندازه کوچک مولکول بر میگردد. اگرچه هوا نیز حاوی گاز هلیم است اما غلظت پایین این گاز در هوا اقتصادی بودن استخراج آن را از این طریق زیر سوال میبرد.

اگرچه هلیم دومین عنصر فراوان در کیهان است اما در روی زمین بسیار کمیاب بوده بطوری که غلظت آن در مخازن گاز طبیعی تقریبا حدود 005/0الی 8/0 %میرسد. به همین دلیل گاز هلیم به عنوان یک گاز ارزشمند شناخته شده که امروزه قیمت آن رو به افزایش است.

بررسیهای انجام شده در این زمینه نشان داده است که بیشترین دارنده و مصرف کننده گاز هلیم، آمریکا بوده که 21 %از ذخایر هلیم را دارا است و 71 %از کل هلیم جهان را تولید میکند. همچنین 79 %باقیمانده هلیم در کشورهای دیگر توزیع شده است. اما این کشورها تنها قادرند در حدود 29 %آن را تولید نمایند که همین امر باعث ارزشمند شدن بازیابی و استخراج گاز هلیم از گاز طبیعی شده است. علاوه براین، به دلیل غلظت پایین هلیم در گاز طبیعی نوع غشای انتخابی باید به گونهای باشد که گزینشپذیری در حدود 1000 داشته باشد.

پژوهشها نشان داده است که استخراج گاز هلیم از مخازن، شامل 3 مرحله بوده که عبارتند از:

  • حذف ناخالصیهایی مانندکربندیاکسید، آب، هیدروژن سولفید از گاز توسط فرایندهای جذب و جذب سطحی ویا دیگر فرایندهای استخراج.
  • استخراج هیدروکربنها با وزن مولکولی زیاد
  • فرآیندهای برودتی برای حذف بیشترین مقدار از گاز متان.

بنابراین گاز تولیدی غنی از هلیم بوده و شامل50 تا 70 %هلیم است. همچنین ترکیبات دیگری نظیر نئون، آرگون، نیتروژن و هیدروژن نیز در آن وجود دارد. در نهایت برای خالص سازی هلیم از جذب توسط زغال چوب فعال در دمای نیتروژن مایع و فشار باال استفاده میشود که با این کار خلوص هلیم به 99/9999 %خواهد رسید. همچنین برای افزایش خلوص به جز روش جذب از فرایند جذب فشار نوسان نیز استفاده می شود که خلوص به 99/99 %خواهد رسید.

امروزه فرآیند جداسازی غشایی، کاربردهای فراوانی را در صنایع مختلف از جمله نفت، گاز و پتروشیمی یافته است. از مزایای تکنولوژی غشائی میتوان به مصرف انرژی کمتر، انجام جداسازی بدون نیاز به مصرف مواد شیمیایی، انجام جداسازی در دمای محیط، حجم و وزن کم تجهیزات جداسازی، نصب و عملیات ساده، حداقل نیاز به کنترل، بازرسی و تعمیر و نگهداری، سهولت دستیابی و امکان استفاده از فازهای جداشده، انعطافپذیری باالی فرآیند اشاره کرد.

همچنین فرایند غشایی برای جداسازی هلیم نیز در سال 1970 توسط شولز و همکارانش مطرح شد که از نظر صرف انرژی و زمان نسبت به دیگر فرایندهای خالصسازی مقرون به صرفهتر بود. به همین دلیل فرایند جداسازی غشایی جایگزینی مناسب برای این روش به شمار میرود. در همین راستا در این پژوهش عملکرد غشاها برای جداسازی گاز هلیم از گاز طبیعی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. با توجه به اینکه برای جداسازی هلیم از گاز طبیعی از غشاهای پلیمری استفاده می شود لذا در ادامه این نوع از غشاها مورد بررسی قرار گرفته اند.

فرایند جداسازی غشایی برای بازیابی هلیم

فرایند جداسازی غشایی جدیدترین روشی است که امروزه برای بازیابی هلیم مورد توجه صنایع مختلف قرار گرفته است. این فرایند به دلیل مصرف انرژی کمتر، انجام جداسازی بدون نیاز به مصرف مواد شیمیایی، انجام جداسازی در دمای محیط، حجم و وزن کم تجهیزات جداسازی، نصب و عملیات ساده، حداقل نیاز به کنترل، بازرسی و تعمیر و نگهداری، سهولت دستیابی و امکان استفاده از فازهای جداشده، انعطافپذیری باالی فرآیند، بهترین و به صرفه ترین روش توسعه چشمگیری یافته و به یکی از عملیات واحدهای مهم تبدیل شده است. این فرایند را میتوان به عنوان مکملی برای جذب سطحی و تقطیر دما پایین در نظر گرفت.

تکنولوژی جداسازی گازی، چندین سال است که توسعه چشمگیری یافته و به یکی از عملیات واحد مهم تبدیل شده است. این فرایند به عنوان مکملی برای جذب سطحی و تقطیر دما پایین مورد استفاده قرار میگیرد. عمر غشاها در فرایند جداسازی گازها در صورت عبور خوراک تمیز بیش از 10 سال بوده و مصرف کم انرژی بر ای جداسازی، سادگی فرایند، حجم و وزن کم تجهیزات از مزایای این تکنولوژی است که در مناطق دور افتاده که امکان حضور تمام وقت نیروی انسانی وجود ندارد، میتوان بدون نیاز به حضور انسان و یا با حداقل نیروی انسانی بر عملکرد فرایند نظارت کرد.

در فرایندهای جداسازی گازها با استفاده از غشاهای متخلخل، اندازه و توزیع اندازه حفرات و نوع گازها و اندازه مولکولی آن ها، پارامترهای اساسی در تعیین مکانیزم انتقال مولکولهای گاز از میان غشا محسوب میشوند. از مکانیزمهای انتقال مولکولهای گاز از میان غشاهای متخلخل میتوان به مکانیزم جریان ویسکوز، نفوذ نودسون، جریانگذرا و غربال مولکولی اشاره نمود. مکانیزم حاکم در غشاهای غیرمتخلخل در جداسازی گازها، مکانیزم حلالیت-نفوذ است. مکانیزمهای حلالیت یا جذب عبارتند از: مدل جذب النگمور، مدل جذب هنری، مدل جذب ایدهآل و مدل جذب واقعی و مکانیزمهای نفوذ شامل معادلات استفان-ماکسول است.

مقالات مرتبط:

نیتروژن را چگونه از گاز طبیعی استخراج میکنند؟