Особенности технологии очистки гелия с использованием катализаторов: современные подходы и перспективы



Введение

Гелий — уникальный и ценный газ, широко используемый в научных исследованиях, медицине, а также промышленности. Однако в некоторых случаях его необходимо очищать от примесей, таких как водород и метан, которые могут негативно повлиять на его свойства и использование. Очистка гелия требует применение катализаторов, которые эффективно удаляют нежелательные компоненты. В данной статье мы рассмотрим использование реактора, а также ключевые аспекты выбора катализатора для этого процесса.

Природа примесей

Перед выбором катализатора важно понять природу примесей.

Водород (Н2) — это двухатомный газ без цвета, запаха и вкуса. В смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен.

Рис. 1

Метан (СН4) простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха. Малорастворим в воде, почти в два раза легче воздуха. Газ нетоксичен, но при высокой концентрации в воздухе обладает слабым наркотическим действием (ПДК 7000 мг/м3) ^[8] и относится к четвёртому классу токсичности.

Рис. 2

Водород и метан могут присутствовать в гелии в различных источниках, включая промышленное производство, где гелий может быть выделен из природных газов, содержащих эти углеводороды. Удаление этих газов критически важно для сохранения чистоты.

Примеси этих элементов в гелии могут вызывать разные проблемы, включая:

— Понижение теплопроводности в медицинских и электронных приложениях;

— Негативное воздействие на характеристики в процессе криогенной техники;

— Уменьшение эффективности в научных экспериментах.

Особенности очистки гелия

В процессах глубокой очистки газов от водорода и метана высокое значение имеет стоимость катализатора, которая в свою очередь зависит от стоимости исходного сырья и технологии его получения. Часто для приготовления катализаторов используют драгоценные и редкие металлы платиновой группы.

В настоящее время имеется множество разработок по синтезированию катализаторов без использования платины или палладия. В ряде случаев такие катализаторы по активности и другим показателям не уступают катализаторам, в состав которых входят драгоценные металлы.

Кроме того, учитывая небольшие объемы потребления алюмоплатинового катализатора, в частности для Гелиевого завода, данный вопрос становиться еще более актуальным, поскольку реализация в малых объемах данного катализатора для фирм производителя не является экономически целесообразным. И в будущем имеется вероятность невозможности приобрести катализатор на основе платины либо палладия в столь малых объемах, который закупает гелиевый завод для собственных нужд.

Что такое реактор и каковы закономерности его работы?

Если брать во внимание усредненное понимание слова «реактор», то стоит описать данное физико-химическое понятие, как устройство, действие которого основано на преображении элементов с одного состояния в другое, при условии, когда внутри реактора происходят различные типы реакций, а они могут быть физическими, химическими или даже биологическими. Такая градация зависит от материи, на базе которой будет продуцироваться необходимая энергия (Рисунок 3).

Рис. 3

Очистку гелиевого концентрата от водорода и органических веществ традиционно проводят окислением с помощью активной окиси меди (79 % окиси меди, 1 % окиси железа и 20 % каолина). Процесс является периодическим. Установка (блок) включает рекуперативные теплообменники, обеспечивающие подогрев газа перед реакторами и охлаждение после них, подогреватели для нагрева газа до температуры начала реакции (400–450 °С) и реакторы с активной окисью меди. Реакция окисления идет с выделением тепла. Продуктами окисления являются вода и диоксид углерода (в случае присутствия в газе углеводородов).

2Н2 + О2  2Н2О + Q;

СН4 + 2О2  СО2 + 2Н2О + Q.

Достоинством этого метода является то, что степень очистки не зависит от колебаний концентрации водорода в сырье, недостатками — периодичность процесса, низкая механическая прочность катализатора, что обусловливает его частую замену (Рисунок 4).

Рис. 4

Подбор катализатора, обладающего свойствами не ниже алюмоплатинового и алюмопалладиевого катализаторов, обеспечивающий стабильность работы и высокую скорость окисления водорода и метана, в условиях естественной конвекции.

По результатам было выявлено шесть типов перспективных катализаторов, обладающие различными свойствами.

Данные катализаторы были разработаны различными учеными и подвергались испытаниям в сравнении с аллюмоплатиновыми либо алюмополладиевыми катализаторами.

Рис. 5

На основании расчета было определено:

1. Объем катализатора АП-56 (АП-64), необходимый для очистки гелиевого концентрата от примесей водорода — 4 %об. и метана-1 %об. с степенью очистки 99,9999 составляет 0,040м ³ .
2. При сравнении относительной эффективности перспективных катализаторов выявлено два, наиболее эффективных катализатора — Тип 5 и Тип 6. Необходимые объемы для очистки равны и составляют 0,20, м ³ .
3. Для внедрения катализатора взамен алюмоплатинового типа АП-56 (АП-64) рекомендуется использовать катализатор Тип-6, поскольку драгоценные металлы в его составе отсутствуют.
4. Следовательно, для выполнения расчета экономической эффективности необходимо использовать стоимость катализатора Тип-6 на основе нанокомпозита ZrO ₂ -Al ₂ O ₃ .

Подходы к оптимизации катализаторов

1. Наноструктурированные катализаторы: Совершенствование конструкции катализаторов, включая использование наноразмерных материалов, может значительно увеличить активную поверхность, что улучшает кинетику реакции. Наночастицы, такие как никелевые или кобальтовые, могут иметь более высокую каталитическую активность по сравнению с их традиционными аналогами.
2. Модификация поверхности : Изменение химического состава и текстуры поверхности катализаторов также может значительно повысить их эффективность. Например, добавление поддерживающих материалов, таких как оксиды алюминия или кремния, может улучшить распределение активных центров и предотвратить агломерацию частиц.
3. Бифункциональные катализаторы: Разработка катализаторов обладающих двумя функциями (например, отведение углерода и производство водорода) может привести к созданию более эффективных и экономически выгодных процессов. Использование биокатализаторов или катализаторов, состоящих из различных металлов в одной матрице, представляет собой интересную область для исследований.

Перспективы исследования и инновации

Будущее очистки гелия от водорода и метана, скорее всего, будет связано с дальнейшими инновациями в области катализаторов новых технологий. Фокус на устойчивом развитии будет активировать спрос на более чистые и эффективные процессы, основанные на передовых материалах, такие как нанотрубки и интерметаллические соединения.

В заключение, выбор подходящего катализатора для удаления водорода из смеси с метаном в процессе очистки гелия является сложной задачей, но с учетом продолжающихся исследований и инноваций в этой области, можно ожидать значительного прогресса в эффективности и устойчивости технологий. Данное направление исследования не только поможет в эффективном извлечении газа, но и внесет вклад в развитии технологий, служащих для защиты окружающей среды и экономии ресурсов.

Заключение

Очистка гелия от водорода и метана с помощью реакторов с катализаторами представляет собой эффективный метод, способствующий получению высококачественного гелия для различных применений. Подбор оптимальных катализаторов и условий реакций, а также контроль процесса очистки позволяет не только улучшить качество гелия, но и сделать процесс более экономически целесообразным. Будущее исследований в этой области может сосредоточиться на разработке новых катализаторов и более устойчивых к условиям эксплуатации технологий, что открывает перспективы для дальнейшего применения высококачественного гелия в чувствительных областях промышленности и науки.