氦气介绍及工业应用

     高科技产业的不断建立和相应技术的发展, 使氦这种性能独特的物质越来越多地应用于科技和生产各个领域, 人们对这种物质也有了更多的了解。

氦和液氦

      氦元素的存在是由法国天文学家皮亚J. C. 詹森( Pierre J. C. Janssen) 于100多年前首先发现的。在1868年的一次日蚀期间, 他在研究太阳光谱时发现了一条新的光谱线, 从而确定了一种新的物质元素的存在并将其命名为“Helium”,中文译为“氦”。此后的研究表明, 氦是一种物性奇特的元素, 它的发现促进了世界科技的发展。自然界的氦实际上由原子质量数为3和4的两种稳定同位素所组成, 可分别写成氦3和氦4。

      大气中的含氦量很低, 约有百万分之五, 而氦3则更低, 不超过千万分之一, 虽说可利用空气液化技术可将氦分离出来, 但所花代价极大故不经济。而天然气中的含氦量远高于大气, 所以现时的商品氦均是采天然气中提取。从天然气中提取氦3也存在极大的技术难度, 直到五十年代初, 人们利用人工核反应技术才得到稍多一些氦3, 故极为昂贵。与氦4相比, 氦3的含量可说是微不足道, 故常用的商品氦和液氦可以认为就是氦4, 如无特别说明, 一般书籍或文献资料上所说的“氦”,泛指的就是氦4。

      氦是一种无色、无味的惰性气体。氦元素与任何其它已知的元素不起化合作用, 与其它各种气体比较, 其水溶性最低。在标准状态下, 氦的密度是0. 01785千克/ 立方米, 比重是0. 14( 空气= 1) , 单位重量仅次于氢元素( 氢的密度是0. 08988千克/ 立方米) 。氦液化后得到的液态氦, 与其它各种低温液体相比, 其正常沸点最低( 4. 2221K) 。对液氦本身的研究也发现其在一定的条件下与其它液体有着极不相同的奇异特性, 如流动性、超热导性及氦3与氦4相互渗透时产生吸热现象( 人们利用这个特性制成稀释致冷机用于1K 至毫K温区的低温研究工作) 等, 在此不作详述。

      自发现氦元素的存在至最终将其液化而获得液氦的过程长达40年, 这是因为氦是最难液化的物质, 它的临界温度和沸点是所有物质中最低的, 其节流转化温度也很低( 约50K) , 这表明, 要将氦液化, 就必须先将氦的温度降至50K 以下, 若要提高液化率, 还需将节流前的温度降至15K 或更低。此外, 液氦的汽化潜热值在各种低温液体中也是最低的, 故氦的液化工艺对绝热、换热等技术条件及材料性能要求较高。

      经多年不懈的努力, 随着各种技术和工艺条件的不断完善, 荷兰物理学家卡麦林翁内斯( Kamer ling h Onnes) 首先成功地将氦液化。这是继氧、氮、氕、氢等物质之后而最后被液化的物质, 其重大的意义在于人类在科学实践的进程中得到一种最接近绝对零度( 0 K , - 273. 15℃) 的低温冷源, 它是进行4. 2K 至接近绝对零度温区的极低温研究工作的首要条件。卡麦林翁内斯随之利用液氦低温条件开展某些材料的低温物性研究, 并于1911年发现了超导电性这一奇特的现象。从此, 作为物理学重要分支的低温物理学得到迅速的发展。

氦和液氦的应用

      世界各国的天然气资源中含氦量各不相同, 如我国一般只有千分之二, 而美国则得天独厚地高达千分之十六, 故美国在氦的生产和贮运、低温研究及低温技术等方面亦居世界先导地位, 同时也促进其综合科技水平的发展, 尤其是生产和贮运产业实现集约化, 生产成本低而售价低, 因而得到较为普遍的使用, 甚至中学的物理实验课也可用上液氦。

      美国至今仍是商品氦和液氦的主要出口国。除美国外, 许多国家( 包括我国) 的用氦单位, 尤其是用量较大的单位一般都设置回收系统, 使之能作循环利用而提高经济效益。

      由于我国天然气中的含氦量低, 故生产成本高, 售价昂贵, 严重地制约其在国民经济多个领域的应用及相应技术和生产的发展。改革开放后, 高科技产业不断地建立, 高科技设备不断引进, 使氦和液氦的需求量不断增大而导致进口量迅速增加, 售价下降, 随之也扩展了其应用范围。

      目前, 除了用于科研和核子工业等领域, 氦和液氦还用于超导电技术的应用方面, 如作核磁共振成像仪和波谱仪超导磁体的低温冷源及致冷机的工质。氦还用于特种金属的冶炼、合金材料的焊接保护、色谱分析、光学器件、示踪仪器、电子工业和特殊容器与部件的加压清洗用气、以及用作潜水呼吸气和氦质谱检漏的示踪气体等。随着我国经济的发展, 空中广告服务所用的氢气( 氢是极为危险的燃爆物质) 将会逐步地被氦所取代。

循环利用的技术问题

      相对而言, 氦还是一种售价较高的商品, 这是受自然资源的客观条件所决定的。对需要长期地使用较大量的液氦和氦的设备或系统来说, 如核磁共振成像仪和用于综合性空中服务的各种飞艇( 充氦量从几十至上万立方米) 设置回收系统是一种有利于提高经济的技术手段。然而, 回收氦的纯度一般只有90% ～99%, 要作循环利用必须予以再纯化。

     我国目前普遍采用的低、中压( 纯化压力低于30千克/ 平方厘米) 纯化系统存在能耗大、效率低及设备占用的场地大等不利因素, 使循环利用的经济效益下降。本文作者在参考国外的高压纯化技术和设备的应用基础上, 建成了一套高压纯化系统( 有关此系统的研制和使用情况将另作介绍) , 其低耗高效的良好性能, 使氦的循环利用的经济效益大为提高