உலோகவியல் மற்றும் ஹீலியத்தின் (He) தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல்

இயற்கையான இருப்பு மற்றும் முக்கிய மூலங்கள்

ஹீலியம் (He) ஒரு மந்த வாயு ஆகும். இது உலோகங்களைப் போல பாரம்பரிய அர்த்தத்தில் இரசாயனச் சேர்மங்கள் அல்லது “தாதுக்களை” உருவாக்குவதில்லை. அதன் முதன்மை இயற்கையான ஆதாரம் இயற்கை எரிவாயு படிவங்கள் ஆகும், அங்கு இது ஹைட்ரோகார்பன்களுடன் சேர்ந்து சிக்கிய நிலையில் காணப்படுகிறது.

• தோற்றம்: புவியின் மேலோட்டில் கனமான கதிரியக்க தனிமங்களான யுரேனியம் மற்றும் தோரியம் ஐசோடோப்புகளின் ஆல்ஃபா சிதைவு (alpha decay) மூலம் ஹீலியம் தொடர்ந்து உருவாகிறது. இந்த ஆல்ஃபா துகள்கள் (ஹீலியம் அணுக்கருக்கள்) எலக்ட்ரான்களைப் பிடித்து நடுநிலை ஹீலியம் அணுக்களை உருவாக்குகின்றன. இவை புவியியல் பொறிகளில் நகர்ந்து குவிக்கப்படுகின்றன, பெரும்பாலும் இயற்கை எரிவாயுவுடன் தொடர்புடையவை.
• செறிவூட்டல்: இயற்கை எரிவாயுவில் ஹீலியத்தின் செறிவு கணிசமாக மாறுபடும். பொருளாதார ரீதியாக சாத்தியமான படிவங்களில் பொதுவாக கனஅளவின் அடிப்படையில் 0.3% முதல் 7% க்கும் அதிகமான ஹீலியம் இருக்கும். உலகின் முக்கிய இருப்புக்கள் அமெரிக்கா, கத்தார், அல்ஜீரியா மற்றும் ரஷ்யாவில் காணப்படுகின்றன.
• வளிமண்டல இருப்பு: ஹீலியம் புவியின் வளிமண்டலத்திலும் உள்ளது, ஆனால் மிகக் குறைந்த செறிவுகளில் (கனஅளவின் அடிப்படையில் தோராயமாக மில்லியன் டாலர்களில் 5.2 பாகங்கள்), வளிமண்டலத்தில் இருந்து அதை பிரித்தெடுப்பது பொருளாதார ரீதியாக சாத்தியமற்றது ஆக்குகிறது.

இயற்கை எரிவாயுவில் இருந்து ஹீலியத்தை செறிவூட்டுதல்

ஹீலியத்திற்கான “செறிவூட்டல்” செயல்முறையானது, இயற்கை எரிவாயுவின் முக்கிய கூறுகளான மீத்தேன் மற்றும் பிற கனமான ஹைட்ரோகார்பன்களில் இருந்து அதை பிரிப்பதாகும். இது முக்கியமாக குறைந்த வெப்ப நிலை பின்னக் காய்ச்சிவடித்தல் (cryogenic fractional distillation) மூலம் அடையப்படுகிறது.

குறைந்த வெப்ப நிலை பின்னக் காய்ச்சிவடித்தல் செயல்முறை

1. முன் சிகிச்சை: பச்சையான இயற்கை எரிவாயு முதலில் நீர் ஆவி (பனி உருவாவதைத் தடுக்க), கார்பன் டை ஆக்சைடு (குறைந்த வெப்ப நிலைகளில் திடமாகும்), மற்றும் சல்ஃபர் சேர்மங்கள் போன்ற அசுத்தங்களை நீக்க சுத்திகரிக்கப்படுகிறது. இது பொதுவாக மூலக்கூறு சல்லடைகள் (molecular sieves) அல்லது அமீன் ஸ்கிரப்பர்கள் (amine scrubbers) பயன்படுத்தி செய்யப்படுகிறது.
2. ஆரம்ப குளிரூட்டல் மற்றும் ஒடுக்கம்: முன் சிகிச்சை செய்யப்பட்ட இயற்கை எரிவாயு பின்னர் அதிக அழுத்தத்தின் கீழ் படிப்படியாக மிகக் குறைந்த வெப்ப நிலைகளுக்கு (பொதுவாக -100°C முதல் -170°C வரை) குளிர்விக்கப்படுகிறது.
   • கனமான ஹைட்ரோகார்பன்கள் (எ.கா., புரொப்பேன், பியூட்டேன்) அதிக வெப்பநிலைகளில் ஒடுங்கும்.
   • மீத்தேன் (முக்கிய கூறு, கொதிநிலை -161.5°C) குறைந்த வெப்பநிலைகளில் ஒடுங்கும்.
   • இந்த ஒடுங்கிய திரவங்கள் வெளியேற்றப்படுகின்றன, ஹீலியம் மற்றும் நைட்ரஜன் செறிவூட்டப்பட்ட ஒரு வாயு ஓட்டம், சில மீதமுள்ள மீத்தேன் மற்றும் மிகக் குறைந்த அசுத்தங்களுடன் இருக்கும். இந்த ஓட்டம் பெரும்பாலும் “கச்சா ஹீலியம்” என்று குறிப்பிடப்படுகிறது.
3. கச்சா ஹீலியம் உற்பத்தி: உருவாகும் கச்சா ஹீலியம் ஓட்டத்தில் பொதுவாக 50-70% ஹீலியம், 20-40% நைட்ரஜன் மற்றும் குறைந்த அளவிலான மீத்தேன், நியான் மற்றும் ஹைட்ரஜன் இருக்கும்.

(வரைபட விளக்கம்): வெப்பப் பரிமாற்றிகள் மற்றும் விரிவு வால்வுகள் தொடர்ச்சியாக இயற்கை எரிவாயுவைக் குளிர்விப்பதாக கற்பனை செய்து பாருங்கள். அது குளிர்விக்கப்பட்டதும், வெவ்வேறு கூறுகள் தனித்தனி நிலைகளில் வரிசையாக ஒடுங்கி, திரவங்களாக அகற்றப்படுகின்றன. ஹீலியம் மற்றும் நைட்ரஜன் நிறைந்த எஞ்சிய வாயு கலவை அடுத்த கட்டத்திற்குச் செல்கிறது.

மேலும் பிரித்தெடுத்தல் மற்றும் “கச்சா உலோகமாகக் குறைத்தல்” ஒப்புமை

ஹீலியம் ஒரு தனிம வாயு என்பதால், “கச்சா உலோகமாகக் குறைத்தல்” என்ற படிநிலை இல்லை. மாறாக, இந்த கட்டம் கச்சா ஹீலியம் ஓட்டத்தில் உள்ள முக்கிய அசுத்தமான நைட்ரஜனில் இருந்து ஹீலியத்தை பிரிப்பதில் கவனம் செலுத்துகிறது. இதுவும் முக்கியமாக குறைந்த வெப்ப நிலை காய்ச்சிவடித்தல் (cryogenic distillation) அல்லது அழுத்த அலைவு உறிஞ்சுதல் (pressure swing adsorption (PSA)) மூலம் அடையப்படுகிறது.

குறைந்த வெப்ப நிலை காய்ச்சிவடித்தல் (நைட்ரஜன் நீக்கும் அலகு)

1. அதி குறைந்த வெப்ப நிலை குளிரூட்டல்: கச்சா ஹீலியம் கலவையானது இன்னும் குறைந்த வெப்பநிலைகளுக்கும் ( -190°C க்கும் கீழே) அதிக அழுத்தங்களுக்கும் குளிர்விக்கப்படுகிறது.
2. நைட்ரஜன் ஒடுக்கம்: இந்த வெப்பநிலைகளில், நைட்ரஜன் (கொதிநிலை -196°C) ஒரு திரவமாக ஒடுங்குகிறது, அதே நேரத்தில் ஹீலியம் (கொதிநிலை -269°C) வாயுவாகவே இருக்கும்.
3. பிரித்தெடுத்தல்: திரவ நைட்ரஜன் அகற்றப்படுகிறது, பொதுவாக 95-98% தூய்மையான ஒரு வாயு ஹீலியம் ஓட்டம் எஞ்சியுள்ளது. இந்த ஓட்டம் பெரும்பாலும் “தரம் A” ஹீலியம் என்று குறிப்பிடப்படுகிறது.

(வரைபட விளக்கம்): கச்சா ஹீலியம் கலவை நுழையும் ஒரு உயரமான காய்ச்சிவடித்தல் கோபுரத்தை காட்சிப்படுத்துங்கள். அது குளிர்விக்கப்படும்போது, திரவ நைட்ரஜன் கோபுரத்தின் அடிப்பகுதியில் சேகரமாகிறது, அதே நேரத்தில் வாயு ஹீலியம் உச்சிக்கு உயர்ந்து, அங்கு சேகரிக்கப்படுகிறது.

அழுத்த அலைவு உறிஞ்சுதல் (PSA)

• செயல்முறை: PSA என்பது ஒரு குறைந்த வெப்ப நிலை இல்லாத மாற்று அல்லது துணை முறையாகும். இது அதிக அழுத்தத்தில் நைட்ரஜன் மற்றும் பிற அசுத்தங்களை தேர்ந்தெடுத்து உறிஞ்சும் நுண்துளை உறிஞ்சும் பொருட்களை (மூலக்கூறு சல்லடைகள் போன்றவை) பயன்படுத்துகிறது.
• வழிமுறை: கச்சா ஹீலியம் உறிஞ்சும் படுக்கைகள் வழியாக செலுத்தப்படுகிறது. நைட்ரஜன் உறிஞ்சப்படுகிறது, அதே நேரத்தில் ஹீலியம் வழியாகச் செல்கிறது. படுக்கைகள் நிறைவுற்றதும், அழுத்தம் குறைக்கப்பட்டு, நைட்ரஜன் நீக்கப்படுகிறது, மேலும் அடுத்த சுழற்சிக்காக உறிஞ்சி மீண்டும் உருவாக்கப்படுகிறது.
• பயன்பாடு: PSA 99.995% தூய்மையான ஹீலியத்தை உற்பத்தி செய்யப் பயன்படுத்தப்படலாம், ஆனால் இது பெரும்பாலும் குறைந்த தூய்மைத் தேவைகளுக்கு அல்லது இறுதி குறைந்த வெப்ப நிலை சுத்திகரிப்பிற்கு முன் ஒரு முன்-சுத்திகரிப்பு படியாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

செம்மையாக்கல் மற்றும் சுத்திகரிப்பு

பல மேம்பட்ட பயன்பாடுகளுக்குத் தேவையான மிக அதிக தூய்மையான ஹீலியத்தை (99.999% அல்லது அதற்கு மேல்) அடைய, மேலும் செம்மையாக்கும் படிகள் அவசியம்.

உறிஞ்சுதல் சுத்திகரிப்பு

1. குறைந்த வெப்ப நிலை உறிஞ்சுதல்: 95-98% தூய்மையான ஹீலியம் மிகக் குறைந்த வெப்பநிலைகளுக்கு (எ.கா., திரவ நைட்ரஜன் அல்லது திரவ ஹைட்ரஜன் வெப்பநிலைகள்) குளிர்விக்கப்பட்ட активиக்கப்பட்ட கரி அல்லது மூலக்கூறு சல்லடைகளின் படுக்கைகள் வழியாக செலுத்தப்படுகிறது.
2. அசுத்த நீக்கம்: இந்த குறைந்த வெப்ப நிலைகளில், நியான் (கொதிநிலை -246°C), ஹைட்ரஜன் (கொதிநிலை -252.9°C), மற்றும் மீதமுள்ள நைட்ரஜன் அல்லது மீத்தேன் தடயங்கள் போன்ற மீதமுள்ள அசுத்தங்கள் கரி/சல்லடை பரப்புகளில் உறிஞ்சப்படுகின்றன. ஹீலியம், அதன் மிகக் குறைந்த கொதிநிலையுடன், உறிஞ்சப்படாமல் கடந்து செல்கிறது.
3. விளைவு: இந்த செயல்முறை 99.999% (5N தரம்) மற்றும் 99.9999% (6N தரம்) க்கும் அதிகமான தூய்மைகளைக் கொண்ட ஹீலியத்தை வழங்க முடியும்.

(வரைபட விளக்கம்): உறிஞ்சும் பொருள்கள் நிரப்பப்பட்ட தொடர்ச்சியான கொள்கலன்களை கற்பனை செய்து பாருங்கள், அவை திரவ நைட்ரஜன் பாயும் ஒரு குளிரூட்டும் உறையால் சூழப்பட்டுள்ளன. அசுத்தமான ஹீலியம் ஒரு முனையில் நுழைகிறது, மற்றும் மிகத் தூய்மையான ஹீலியம் மறுமுனையில் வெளியேறுகிறது.

சவ்வுப் பிரிப்பு

• கொள்கை: சிறப்பு சவ்வுகள் அதன் சிறிய அணு அளவு மற்றும் அதிக பரவும் தன்மை காரணமாக ஹீலியத்தை மற்ற வாயுக்களை விட வேகமாகத் தேர்ந்தெடுத்து ஊடுருவ அனுமதிக்கின்றன.
• பயன்பாடு: மொத்த சுத்திகரிப்புக்கான முதன்மை முறை இல்லை என்றாலும், சவ்வு தொழில்நுட்பம் முன்-செறிவூட்டல் அல்லது தூய்மையை சரிசெய்வதற்குப் பயன்படுத்தப்படலாம், குறிப்பாக ஹைட்ரஜன் அல்லது நைட்ரஜனை நீக்க.

தூய்மை நிலைகளின் சுருக்கம்:

• கச்சா ஹீலியம்: 50-70% He (ஆரம்ப இயற்கை எரிவாயு சுத்திகரிப்பிலிருந்து).
• தரம் A ஹீலியம்: 95-98% He (நைட்ரஜன் நீக்கத்திற்குப் பிறகு).
• வணிக ஹீலியம்: பொதுவாக 99.995% He (மேலதிக குறைந்த வெப்ப நிலை உறிஞ்சுதல் சுத்திகரிப்பிற்குப் பிறகு).
• மிக அதிக தூய்மையான ஹீலியம்: 99.999% மற்றும் அதற்கு மேல் (சிறப்புப் பயன்பாடுகளுக்கு).