हीलियम का कमर्शियल रूप से निर्माण कैसे किया जाता है?

वाणिज्यिक हीलियम उत्पादन एक बहु-चरणीय प्रक्रिया है। हीलियम को अन्य गैसों से अलग करने के लिए, इसे प्राकृतिक गैस से निकाला जाना चाहिए। इसे प्रदूषकों को हटाने के लिए संसाधित किया जाना चाहिए और फिर गैस को द्रवीभूत करने के लिए क्रायोजेनिक तकनीक का उपयोग करके निकाला जाना चाहिए। यह कठोर प्रक्रिया कई उद्योगों के लिए उच्च गुणवत्ता वाली हीलियम निर्माण सुनिश्चित करती है।

परिचय

हीलियम हमारे ब्रह्मांड में हाइड्रोजन गैस के बाद दूसरी सबसे प्रचुर मात्रा में पाई जाने वाली गैस है। हालांकि, गैस क्रोमैटोग्राफी जैसे अनुप्रयोगों में उपयोग की जाने वाली विशिष्ट प्रकार की हीलियम गैस प्राकृतिक गैस से ली जाती है।

यह घटते संसाधनों का मुद्दा है, जो हीलियम गैस की कमी का कारण बनता है।

हीलियम, विविध अनुप्रयोगों वाली एक उल्लेखनीय गैस है, जो कई उद्योगों में महत्वपूर्ण है। क्या आपने कभी सोचा है कि इस मूल्यवान संसाधन का व्यावसायिक रूप से निर्माण कैसे किया जाता है?

हमसे जुड़ें, क्योंकि हम विनिर्माण पेचीदगियों को उजागर करते हैं और विभिन्न उद्योगों में हीलियम के महत्व का पता लगाते हैं।

क्या आप जानते हैं?

जब एक गुब्बारे को हीलियम से भरकर छोड़ा जाता है, तो यह लगभग 33,000 फीट (10 किमी) की ऊँचाई तक उठेगा। 

हीलियम पृथ्वी पर कहाँ पाया जाता है?

हीलियम गैस अंतरिक्ष में प्रचुर मात्रा में है क्योंकि यह तारों के अंदर संलयन प्रतिक्रियाओं का उपोत्पाद है। लेकिन विभिन्न आवश्यक अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए पृथ्वी पर पाई जाने वाली हीलियम गैस की मात्रा सीमित है।

हीलियम-4, एक विशेष प्रकार की हीलियम गैस, रेडियोधर्मी क्षय और यूरेनियम और थोरियम जैसे तत्वों के विघटन के माध्यम से प्राकृतिक रूप से भूमिगत रूप से मौजूद है।

हमारे लिए सौभाग्य की बात है कि हीलियम-4 का कुछ हिस्सा फंस जाता है और पृथ्वी की सतह के नीचे की परतों में मौजूद प्राकृतिक गैस से मिल जाता है।

इसके बाद, हीलियम -4 को छोड़ने के लिए कुएं खोदे जाते हैं, जिसे बाद में धरती से निकाला जाता है।

हीलियम के प्राकृतिक निष्कर्षण की समस्या 

प्राकृतिक गैस में अलग-अलग मात्रा में हीलियम गैस होती है, जो मात्रा के हिसाब से 1% से 4% तक होती है। हीलियम गैस की सीमित मात्रा को ध्यान में रखते हुए, दुनिया भर में हीलियम की बढ़ती मांग के कारण आपूर्ति श्रृंखला कमजोर है।

चूंकि महत्वपूर्ण हीलियम गैस सांद्रता वाले कई प्राकृतिक गैस भंडार नहीं हैं, इसलिए इन भंडारों से हीलियम निकालना महंगा होने की संभावना है। यह कम मात्रा में गैस के उत्पादन के कारण है।

प्राकृतिक गैस का उन्नयन कई तरीकों से किया जा सकता है। हीलियम सामग्री को क्रायोजेनिक आसवन तकनीक का उपयोग करके निकाला जाता है जब गैस में आयतन के हिसाब से 0.4% से अधिक हीलियम होता है।

प्राकृतिक गैस से निकाले जाने के बाद हीलियम को व्यावसायिक रूप से उपयोग करने से पहले 99.9% की शुद्धता के लिए फिर से परिष्कृत किया जाता है।

हीलियम निकालने और प्रसंस्करण के लिए कदम

नीचे हीलियम निकालने और प्रसंस्करण के लिए विशिष्ट कदम हैं: 

1. पूर्व उपचार

चूंकि यह तकनीक प्रक्रिया के दौरान गंभीर रूप से ठंडे क्रायोजेनिक सेक्शन का उपयोग करती है, इसलिए कोई भी दूषित पदार्थ जो जम सकता है - जैसे कि कार्बन डाइऑक्साइड, जल वाष्प, और बाध्य भारी हाइड्रोकार्बन - क्रायोजेनिक पाइपिंग को अवरुद्ध करने से बचने के लिए प्रीट्रीटमेंट में प्राकृतिक गैस से शुरू में समाप्त किया जाना चाहिए।

पूर्व-उपचार तकनीक की प्रक्रिया इस प्रकार है:

• प्राकृतिक गैस पर 54 एटीएम का दबाव लागू होता है। इसके बाद यह एक स्क्रबर में प्रवेश करता है, इसे मोनोएथेनॉल-अमाइन के जेट में उजागर करता है, जो कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ता है और हटा देता है।
   
• गैस की धारा एक आणविक छलनी के माध्यम से यात्रा करती है, जो बड़े जल वाष्प के अणुओं को प्रवाह से अलग करती है। यह छोटे गैस अणुओं के माध्यम से अनुमति देता है। पानी को छलनी से वापस बहा दिया जाता है और बाहर निकाल दिया जाता है।
   
• जैसे ही गैस सक्रिय कार्बन के एक बिस्तर पर बहती है, धारा में अवशिष्ट भारी हाइड्रोकार्बन इसकी सतहों पर जमा हो जाते हैं। सक्रिय कार्बन की नियमित रूप से भरपाई की जाती है। मीथेन और नाइट्रोजन अब हीलियम, हाइड्रोजन और नियॉन की ट्रेस मात्रा के साथ अधिकांश गैस प्रवाह बनाते हैं।

2. अलग करना

भिन्नात्मक आसवन तकनीक का उपयोग करते हुए प्राकृतिक गैस को इसके मुख्य घटकों में विभाजित किया जाता है। अलग करने के लिए उपयोग किए जाने वाले लंबवत स्तंभों को भिन्नात्मक स्तंभों के रूप में जाना जाता है और इस शब्द को अक्सर अंशांकन के लिए संक्षिप्त किया जाता है।

भिन्नात्मक आसवन के दौरान नाइट्रोजन और मीथेन को दो चरणों में एक दूसरे से अलग किया जाता है, जिससे हीलियम की एक महत्वपूर्ण मात्रा के साथ गैसों का मिश्रण निकलता है।

जब तक पृथक्करण प्रक्रिया पूरी नहीं हो जाती, तब तक प्रत्येक चरण में प्रत्येक घटक की सांद्रता का स्तर बढ़ाया जाता है।

यह प्रक्रिया, जो प्राकृतिक गैस से अतिरिक्त नाइट्रोजन को हटाती है, कभी-कभी प्राकृतिक गैस उद्योग में नाइट्रोजन अस्वीकृति के रूप में जानी जाती है।

पृथक्करण तकनीक का उपयोग करके नाइट्रोजन और मीथेन को अलग करने की प्रक्रिया इस प्रकार है:

• क्रायोजेनिक क्षेत्र से मीथेन और नाइट्रोजन एक तरफ से प्लेट-फिन हीट एक्सचेंजर में प्रवेश करते हैं, और दूसरी तरफ से गैस की धारा निकलती है।
  
  मीथेन और नाइट्रोजन को गर्म किया जाता है, प्रवेश करने वाली गैस धारा को ठंडा किया जाता है।
   
• एक विस्तार वाल्व से गुजरने के बाद, गैस की धारा को तेजी से विस्तार करने की अनुमति दी जाती है क्योंकि दबाव लगभग 10-25 एटीएम तक कम हो जाता है। यह विस्तार तेजी से गैस की धारा को ठंडा करता है, जिससे मीथेन द्रवीभूत हो जाती है।
   
• गैस की धारा - अब आंशिक रूप से तरल और आंशिक रूप से गैस - उच्च दबाव वाले प्रभाजन स्तंभ के तल में प्रवेश करती है। जब गैस कॉलम के भीतरी चक्करों के माध्यम से चढ़ती है तो अतिरिक्त गर्मी खो जाती है।
  
  मीथेन द्रवीभूत होना जारी रखता है, स्तंभ के तल पर एक मीथेन-समृद्ध संरचना का निर्माण करता है और नाइट्रोजन का बड़ा हिस्सा, अन्य गैसों के साथ, शीर्ष पर जाता है।
   
• क्रूड सब-कूलर में ठंडा होने से पहले तरल मीथेन का मिश्रण, जिसे क्रूड मीथेन के रूप में जाना जाता है, को उच्च दबाव वाले कॉलम के तल से बाहर पंप किया जाता है।
  
  कम दबाव वाले फ्रैक्शनेटिंग कॉलम में प्रवेश करने से पहले, यह पहले एक और विस्तार वाल्व के माध्यम से यात्रा करता है, जो दबाव को लगभग 1.5 एटीएम तक कम कर देता है। अधिकांश अवशिष्ट नाइट्रोजन अलग हो जाते हैं क्योंकि तरल मीथेन स्तंभ के नीचे चला जाता है। 
  
  उसकी पैदावार एक तरल है जिसमें 4% से थोड़ा अधिक नाइट्रोजन और शेष 86% मीथेन होता है। इस तरल को पम्पिंग ऑफ, वार्मिंग और वाष्पित करने से प्राकृतिक गैस में वृद्धि होती है।
  
  कम दबाव वाले स्तंभ के शीर्ष भाग को गैसीय नाइट्रोजन को छोड़ने के लिए पाइप किया जाता है, जो अतिरिक्त प्रसंस्करण के लिए या तो निकाल दिया जाता है या फंस जाता है।
   
• इस बीच, एक कंडेनसर उच्च दबाव वाले स्तंभ के शीर्ष से गैसों को ठंडा करता है। निम्न दाब स्तम्भ का ऊपरी भाग नाइट्रोजन के एक बड़े हिस्से से भर जाता है, जो वाष्प में संघनित हो जाता है।

अप्रयुक्त गैस को क्रूड हीलियम कहा जाता है। इसका लगभग 50-70% हीलियम है, 1-3% अद्वितीय मीथेन है, नियॉन और हाइड्रोजन के निशान हैं, और बाकी नाइट्रोजन है।

3. शुद्ध करना

अधिकांश अन्य घटकों को खत्म करने के लिए, कच्चे हीलियम को और परिष्कृत किया जाना चाहिए।

कच्चे हीलियम की शुद्धता और तैयार उत्पाद के इच्छित उपयोग को देखते हुए, यह आमतौर पर एक बहु-स्तरीय प्रक्रिया है जिसमें विभिन्न पृथक्करण तकनीकों को शामिल किया जाता है।

शुद्धिकरण तकनीक की प्रक्रिया इस प्रकार है:

• सबसे पहले कच्चे हीलियम को लगभग -193 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा किया जाता है। अधिकांश नाइट्रोजन और मीथेन इस तापमान पर एक तरल में संघनित होते हैं और बाहर निकल जाते हैं। अब लगभग 90% गैस मिश्रण शुद्ध हीलियम है।
   
• ऑक्सीजन जोड़ने के लिए, हवा को गैस मिश्रण में पेश किया जाता है। इस मिश्रण में अधिकांश हाइड्रोजन जल वाष्प उत्पन्न करने के लिए हवा में ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है।
  
  यह एक प्रीहीटर में गर्म होने और एक उत्प्रेरक के माध्यम से पारित होने के बाद होता है। गैस के ठंडा होने पर जलवाष्प संघनित होकर बाहर निकल जाता है।
   
• गैस मिश्रण एक दबाव स्विंग सोखना (PSA) इकाई में प्रवेश करता है जिसमें कई समानांतर-संचालित सोखना टैंक होते हैं। प्रत्येक बर्तन के अंदर सैकड़ों छोटे-छोटे छिद्रों से भरे कण होते हैं।
  
  दबाव में इन कणों के माध्यम से गैस मिश्रण प्रवाहित होने पर कुछ गैसें कण छिद्रों के भीतर फंस जाती हैं। फंसी हुई गैसों को छोड़ने के लिए हवा का दबाव कम हो जाता है और गैस का प्रवाह उल्टा हो जाता है।
  
  कंटेनरों के आकार और गैस की सघनता के आधार पर, यह चक्र कुछ सेकंड या मिनट के बाद जारी रहता है। यह तकनीक गैस मिश्रण से अधिकांश बचे हुए मीथेन, नाइट्रोजन और जल वाष्प को समाप्त कर देती है। इस बिंदु पर, हीलियम 99.99% शुद्ध है।

निष्कर्ष

गहरे में, यह यूरेनियम और थोरियम जैसी भारी धातुओं के रेडियोधर्मी विघटन के कारण हजारों साल पहले बनाया गया था। यह उठता है, गैस की जेब में फंस जाता है और गैस क्षेत्रों से निकाल दिया जाता है।

प्राकृतिक गैस में मौजूद हीलियम को तैयार करने में दो चरण शामिल होते हैं।

पहली प्रक्रिया कच्चे हीलियम को प्राकृतिक गैस की धारा से हटा रही है। इसमें आमतौर पर निष्कर्षण के बाद आयतन के अनुसार 50% और 70% के बीच हीलियम होता है।

दूसरे चरण में, विभिन्न वाणिज्यिक ग्रेडों में शुद्ध हीलियम बनाने के लिए अपरिष्कृत हीलियम को परिष्कृत किया जाता है।

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