浅谈氦氖稀有气体

张穗华;陈艳珊

【摘 要】主要介绍了稀有气体氦氖的性质、生产方法及应用,重点介绍了其作为潜水呼吸气的应用.

【期刊名称】《低温与特气》 【年(卷),期】2019(037)004 【总页数】4页(P1-4)

【关键词】氖;氦;稀有气体;潜水呼吸气 【作 者】张穗华;陈艳珊

【作者单位】广东华特气体股份有限公司,广东 佛山528241;广东华特气体股份有限公司,广东 佛山528241 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ117

稀有气体是元素周期表上的零族元素，主要包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn，放射性)。上述稀有气体相继被完全发现，主要功绩应归于Ramsay，他荣获1904年Nobel化学奖。随着工业生产和科学技术的发展，稀有气体越来越广泛地应用在工业、医学、尖端科学技术以至日常生活里。

氦(He)，为稀有气体的一种，在室温和大气压下，氦是无色、无臭、无味的气体，是最轻的零族气体，唯一不能在标准大气压下固化的物质。在干燥空气中，氦的体

积含量约为5.24×10-6，天然气中氦含量较高，根据不同气田，一般为0.05%～2%，最高可达7%[1]2108-2158。

氖(Ne)，为稀有气体的一种，在室温和常压下，氖是无色、无臭、无味的气体，化学性质很稳定。在干燥空气中，氖的体积含量为18.21×10-6，整个大气层中，氖的总储量为633.5×108 t，空气是目前工业生产氖的唯一原料[2]2159-2177。 1 氦和氖的生产方法

1.1 氦的主要生产方法[1]2108-2158

1. 天然气分离法：工业上，主要以含有氦的天然气为原料，反复进行液化分馏，然后利用活性炭进行吸附提纯，得到纯氦。

天然气组成比较复杂，包括有甲烷、重烃、水蒸气、二氧化碳、硫化氢以及其它含硫化合物、氮、少量氩和痕量的氖、氢和氦等，一般经过三个基本工艺步骤提取纯氦：

1)天然气预净化：目的在于脱除含硫化合物、二氧化碳和水分。

2)粗氦的制取：氦浓缩制粗氦，通过热交换器和分离器，未液化的为粗氦，导入精馏塔，塔顶得到70%浓度的粗氦。

3)氦的精制：在高压低温下，分离大部分氮和氩，通过活性炭吸附所有非氦气体，获得99.997%以上的氦。

2. 空分装置副产氦：大型空气低温分离装置中，通常可以副产纯氦。通过粗氖氦混合气的提取、纯氖氦混合气的制备和氖氦分离制备纯氦。

3. 合成氨法：在合成氨中，从尾气经分离提纯可得氦。以含氦天然气为原料的合成氨装置中，由于氦是惰性气体，不参与化学反应，因此在合成循环气中逐步得到浓缩，为了维持一定的惰性组分浓度，必须排放一部分循环气，这就是驰放气。驰放气中氦含量一般比天然气中的高10倍左右，从合成氨驰放气中提氦的关键在于脱除大量的氢。

1.2 氖的主要生产方法[2]2159-2177 空气是目前工业上生产氖的唯一原料。

空分装置副产氖：通过粗氖氦混合气的提取、纯氖氦混合气的制备和氖氦分离制备纯氖。

从上述生产方法得知，氦和氖均可通过空分装置获得。氖、氦提取设备的工作原理如下：从空气分离精馏塔的下塔顶部冷凝蒸发器的氖、氦浓集区抽取原料气，氦氖气体的沸点分别为-268.9℃和-246.05℃，在大型空气分离设备中属于不凝气体，因此必须及时抽取馏分，导入粗氦氖塔进行进一步提纯。国内的空分设备一般都针对于氧、氮、氩等常规气体的分离，对于有高经济附加值的稀有气体，目前，国内仅有宝钢、首钢、邯钢、武钢等少量钢铁厂旗下的气体公司具备制取稀有气体的能力[2]。通过空分装置可获得高纯氦和氩气体，常规方法粗氦氖浓度低，充瓶运输量较大，费用较高，获得高浓度的粗氦氖气能耗高。

专利201210061205.1[3]提出一种氖氦分离提纯方法，工艺如下：氖氦混合气体进入液氮换热器中冷却至70～85 K；进入液氖换热器冷却至25～35 K，然后进入气液分离器进行气液分离，分离后的气相为粗氦，液相为粗氖；将所述粗氖经过第二减压阀减压至0.15～0.20 MPa，进入纯氖塔中分离后，塔底的纯液氖复热气化后加压充瓶；将所述粗氦进入热交换器中冷却至60～70 K，并经低温吸附器除去杂质气体后，获得纯氦气，复热后加压充瓶。

专利201310331944.2[4]提出一种氖氦分离提取系统及工艺，通过管道依次连通的混合物收集输出单元、净化除氢单元、浓缩冷凝单元、吸附净化单元、氖获取单元和氦获取单元，其中，所述浓缩冷凝单元和吸附净化单元设于一绝热外壳中，其提取工艺包括净化除氢、浓缩冷凝、吸附净化、纯氖提取、纯氦提取等步骤。 专利201610528196.0[5]提出一种由氖氦混合气生产纯氖的装置及其方法，包括冷箱、第一氮吸附器、第二氮吸附器、真空泵、氦气压缩机、氦膨胀机、氦膨胀机

制动端、液氖杜瓦、液氖泵和空浴式气化器，其中冷箱中设置有第一气液分离器、第二气液分离器、第一板翅式换热器、第二板翅式换热器、第三气液分离器、精馏塔、氦膨胀机和真空液氮换热器；第一氮吸附器、第二氮吸附器、真空泵、氦气压缩机、氦膨胀机制动端、液氖杜瓦、液氖泵和空浴式气化器均设置在冷箱的外部。该装置通过将吸附器放在冷箱之外，避免了在冷态下的加温再生过程，避免了冷箱中的剧烈的工况变化，从而极大地改善了冷箱的热应力设计，也避免了因为重复的加温再生而可能导致的泄漏。

专利201110277151.8[6]提出一种高纯液氖的提取方法，将原料气加压并冷却，采用低温冷凝法和吸附法脱除原料气中的氮和氧等杂质后获得氖氦混合气，氖氦混合气继续被冷却并采用低温精馏法使氖、氦分离，获得高纯液氖。

专利201620418814.1[7]提出一种保证氦氖气体连续纯化的系统包括氖氦精制装置和用于控制氖氦精制装置运作的DSC集散控制系统。氖氦精制装置由加氧除氢系统、干燥吸附除水系统、低温液化除氮系统和分子筛吸附系统构成，分子筛吸附系统包括分子筛吸附器，氖氦混合气经低温液化除氮后经过气体管道进入分子筛吸附器进行吸附除氮。有效保证吸附除氮后续氖氦分离模块精馏中氖气的连续供应和后续流程混合气浓度的正常比例，从而实现氖氦气体的连续纯化生产。 2 氦氖气体的应用

氦气广泛应用于军工、科研、石化、制冷、医疗、半导体、管道检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等。

1. 保护气：利用氦气不活泼的化学性质，氦气常用于金属焊接和金属加工的保护气。

2. 分析载气：气相色谱分析中氦气常作为载气，保证了检测的准确性，氦气还应用于真空检漏，如氦质谱检漏仪等。

3. 低温冷源：利用液氦的-268.9℃的低沸点和其化学惰性，单位质量的热容量高

等特点，液氦可以用于超低温冷却。

4. 电光源气：与其他稀有气体按不同比例混合，用于霓虹灯填充气。

5. 电子工业气体：高纯氦气在半导体器件的生产中用作保护气及传热介质，还用作掺杂气的稀释气和载气。

6. 生理和医疗气：氦氧混合气用于深海潜水作业、宇航飞行及作为人工空气用于医疗应用。

氦气可用作核反应堆的冷媒气体、聚变能源、在火箭和空间飞行用于输送液氢、液氧等液体推进剂的加压气体、还可以用于填充气球等。 氖气用于氖灯充气、放电管、高压指示灯、发光信号装置等。 1. 霓虹灯及作为电子工业的填充介质(例如高压氖灯、计数管等)； 2. 激光技术，做视发光指示灯、电压调节，以及激光混合气成份； 3. 氖氧混合气代替氦氧气用于呼吸； 4. 低温冷却剂、标准气、特种混合气等。 3 氦氖气体在潜水气中的应用

水下高气压环境有许多不利于人类适应的特性，如高压气体的密度、黏度、溶解度、扩散性和热传导性等。潜水时人体需要呼吸与环境压力相等的压缩空气或高压人工混合气。 3.1 压缩空气

压缩空气是潜水中应用最广泛的潜水呼吸用气。压缩空气一般通过空气压缩机直接取周围环境空气压缩产生，经除油、清洁过滤后可提供给潜水员呼吸[8]。采用普通压缩空气供氧，氮作为氧的稀释剂，存在氮麻醉和减压病两个缺陷，限制了空气潜水的深度和潜水时间。 3.2 氦氧混合气

使用高压氦氧混合气作为潜水气，氦气在血液里的溶解度明显小于氮，避免出现氮

麻醉的情况，保障潜水员安全，方便呼吸。由于氦气密度小，能更快的被人体吸收，也能比氮气更快的排出体外，因此能够缩短减压时间，减少减压病的发生，并能够增加潜水的深度。

但是氦作为潜水呼吸气也有自身的缺点。如氦会影响潜水员的语音，造成了潜水员与水面人员通话困难，另外，氦的热传导系数较高，使潜水员热散失加快，容易导致体温过低。 3.3 氖氧混合气

除氦气外，氖也可以用于配制深水作业用的呼吸混合气[2]2159-2177。生理学上，氖具有两种性质，对潜水员是明显有利的。氖具有较低的热导性，且在氖中的声速小于氦中的声速，这些特性会减少潜水员的热损失和声音失真。氖氧混合气由于有较低的密度和黏度，使压力易于释放，呼吸阻力减小，能有效地降低潜水员的体能消耗。氖没有像氮的麻醉作用，没有像氦造成语音改变和体温降低，也不会发生爆炸。氖作为潜水呼吸气的缺点是氖不容易大量获得，此外氖氧混合气适用于100～300 m深水作业，深水潜水时，氖的密度增大，容易造成呼吸受限。 3.4 氖氦氧混合气

为了克服各自的缺陷和不足，正在研究采用氖、氦、氧按不同比例配制深海潜水呼吸气的可能[2]2159-2177。

正如上面所描述，作为潜水气，氦气具有声音失真及高热传导的缺点，氖气则具有价格贵且深海潜水存在呼吸受阻的缺点，两者正好可以互补缺点，因此，采用氖氦氧按不同比例配制深海潜水呼吸气是一个可行的研究方向。且上述提到氖氦混合气属于大型空分的副产物，经过纯化后的氖氦混合气(氖含量75%，氦为25%)比高纯氦和高纯氖单质更加容易获得，价格相对也低很多。

国标对潜水呼吸用压缩空气气源质量提出了氧、二氧化碳、一氧化碳、水分、油雾与颗粒物和气味等六项指标[9]，而空分得到的纯氖氦混合气足以满足上述指标要

求。

在1974年，Tarrytown实验室对氖氦氧混合气作为潜水呼吸气做了相关研究[10]。研究提及的氖氦混合气是由72%～78%的氖和22%～28%的氦组成，用11名潜水员分两组进行了34次干室潜水试验，目的在于确定氖氦混合气和其它氖混合物替代氦气作为潜水气的可行性。针对热比较和语音清晰度进行比较试验。但最后研究并未给予很明确的结论。

由于纯氖氧混合气简单易得，价格具有优势，如果将氖氦氧混合气作为潜水的呼吸气获得成功，将是潜水气领域的一个重大突破，同时对粗氦氖混合气的应用也提出了新的使用方向。 4 结 论

氖、氦气属于稀有气体，提取难度较大，经济价值较高，随着科技快速发展，稀有气体被广泛地应用在医学、尖端科学技术以及日常生活里，同时，将有新用途被不断开发应用。

【相关文献】

[1] 中国工业气体工业协会. 中国气体大全：第三册[G]. 大连：大连理工大学出版社，2008. [2] 安红妍. 浅析国内氖、氦稀有气体发展现状及流程简介[J]. 科技风，2019(19): 115.

[3] 曹月丛，喻永贵，严寿鹏，等. 一种氖氦分离提纯方法：CN201210061205.1[P]. 2012-03-09. [4] 库兹涅佐夫·瓦切斯洛夫. 一种氖氦分离提取系统及工艺：CN201310331944.2[P]. 2013-08-01. [5] 李琦. 一种由氖氦混合气生产纯氖的装置及其方法：CN201610528196.0[P]. 2016-07-04. [6] 俞建，曹月丛，严寿鹏. 一种高纯液氖的提取方法：CN201110277151.8[P]. 2011-09-19. [7] 杨毅坤，李耀，李军，等. 一种保证氦氖气体连续纯化的系统：CN201620418814.1[P]. 2016-05-10.

[8] 马洪年，陈伯年. 论潜水呼吸气体的气源——写在《潜水呼吸气体》新国标实施一周年之际[C]//救捞专业委员会2003年学术交流会论文集, 2003. [9] GB 18435—2007 潜水呼吸气体及检测方法[S].

[10] HAMILTON R W JR, et al. Neon Decompression[R]. US: National Technical Information Service U.S. Department of Commerce, Dec 31 1974.