Гелий обладает уникальными физико-химическими свойствами, среди которых наиболее значимы химическая инертность и самая низкая температура кипения среди всех элементов (–269 °C). Глобальный спрос на гелий неуклонно растёт, однако рынок сталкивается с серьёзными проблемами дефицита, вызванными ограниченностью ресурсов, сложностями рециклинга и уязвимостью цепочек поставок. Перебои с поставками, в частности эмбарго на экспорт гелия из Катара в 2017 году и остановка завода по обогащению сырого гелия Бюро по управлению землями США в 2021 году, усугублённая повреждением инфраструктуры комплекса «Амур» «Газпрома», привели к нескольким глобальным кризисам в области гелиевого снабжения [1].

В связи с этим исследование процессов очистки газообразного гелия приобретает особую актуальность. В промышленности наиболее распространённым и экономически эффективным источником получения гелия является природный газ. Однако содержание гелия в большинстве месторождений не превышает 0,1 мол, %, что делает его извлечение энергозатратным и дорогостоящим [3]. Существующие методы разделения делятся на три основные группы: низкотемпературные процессы, мембранное разделение и адсорбционные методы (включая короткоцикловую безнагревную адсорбцию, КБА).

Низкотемпературный процесс является наиболее зрелым и надёжным способом получения гелия, на его основе в настоящее время производится около 90 % гелия в мире [3]. Данный метод основан на различии температур кипения компонентов газовой смеси. Для сырья с содержанием гелия менее 0,1 мол, % объединение низкотемпературного процесса с производством сжиженного природного газа в сочетании с гибридными мембранными и адсорбционными технологиями позволяет достичь степени извлечения гелия свыше 95 % и чистоты продукта более 99,999 % [4].

Мембранное разделение представляет собой энергоэффективную альтернативу низкотемпературной дистилляции, поскольку не требует фазовых переходов и обладает модульностью конструкции. Однако возможности этого метода ограничены свойствами мембранных материалов, что затрудняет одновременное достижение высокой степени извлечения и высокой чистоты продукта. Полимерные мембраны, в частности полые волокна из полиимида, демонстрируют высокий потенциал для эффективного выделения гелия из природного газа в условиях высокого давления [1]. Современные исследования направлены на создание смешанно-матричных мембран на основе металлорганических каркасных структур, однако их применение сдерживается проблемами совместимости наполнителя с полимерной матрицей [3].

Адсорбционные методы, прежде всего короткоцикловая безнагревная адсорбция, играют важную роль на стадии окончательной очистки гелия в составе экстракционных систем. В исследовании, проведённом с использованием цеолита 5А, также чаще его обозначают как CaA5A (ТУ 2163–004–05766557–97) в пяти стадийном цикле КБА при высоком давлении, показано, что одностадийный процесс КБА позволяет обогатить гелий с 1 % в исходном потоке до 13 % в продукте при степени извлечения более 90 % [5]. При содержании гелия в исходной смеси 10 % достигается чистота гелия 95 % при степени извлечения 90 % [5].

Современные технологические решения всё чаще основываются на комбинировании различных методов, например, принимать гелий с очень низкой концентрацией (менее 10 % по объёму) и эффективно отделять нежелательные газы с получением гелия высокой чистоты (марки 5.0 с объёмной долей гелия не менее 99,999 %, и марки 6.0 с объёмной долей гелия не менее 99,9999 %) при степени извлечения более 90 % за счёт последовательного применения мембранного разделения и низкотемпературной адсорбции [2]. Другой перспективный подход предполагает объединение низкотемпературно-мембранного процесса с пост-расширительным циклом охлаждения на азоте [4].

Сведём основные характеристики методов очистки газообразного гелия в таблицу 1.

Таблица 1

Сравнительная характеристика методов очистки газообразного гелия

Проиллюстрируем эффективность гибридных схем на рис. 1.

Представленная гибридная установка предназначена для разделения и глубокой очистки газообразного гелия и неона. На первом этапе исходная смесь газов поступает в мембранный блок для предварительного разделения компонентов. Во втором этапе полученные потоки направляются в низкотемпературный блок с адсорберами и хладагентом для финальной очистки. В результате на выходе из системы получаются высокочистые продукты (99,999 %).

Рис. 1. Принципиальная схема гибридной установки очистки газообразного гелия (мембранное разделение + низкотемпературная адсорбция) [4]

Важным параметром при проектировании систем очистки является энергетическая эффективность. Для объединенного низкотемпературного процесса с многоступенчатым испарением и двухколонной дистилляцией общее энергопотребление системы составляет 815.26 МВт при производстве 115.8 кг/ч гелия, причём эксергетический КПД системы достигает 12.7 % [4]. Анализ показывает, что наибольшие потери эксергии происходят в испарительных ёмкостях, тогда как смесители и делители потоков характеризуются низкой эксергетической эффективностью [4].

Перспективы развития технологий очистки газообразного гелия связаны с повышением степени извлечения и экономической эффективности, особенно в области утилизации низко концентрированного гелия из различных источников.

Литература:

1. Jin D., Xiao G., Lu Z., Weh R., May E. F. Industrial advances in helium recovery and purification technologies: a review // Journal of Membrane Science. — 2025.
2. Wilson C., Morgan M., Maurisak M., Rampersaud C. Cryogenic purification of low purity helium with temperature swing adsorption and membrane separation // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. — 2026. — Vol. 1344. — P. 012069.
3. Tan J., Li X., Jing Y., Ji S., Liu W., Rong Z. Review of Technologies for Helium Extraction from Natural Gas // Industrial & Engineering Chemistry Research. — 2025.
4. A novel integrated process for high purity helium separation and purification from natural gas with poor helium content // Journal of Membrane Science. — 2025.
5. Simulation and experimental demonstration of helium purification from He/N₂ mixtures by pressure swing adsorption // Chemical Engineering Journal. — 2024.