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L’hélium existe en abondance dans l’Univers, en particulier dans le Soleil et l

L’hélium existe en abondance dans l’Univers, en particulier dans le Soleil et les étoiles. On le trouve également sur Terre et dans certaines poches de gaz naturel. C’est cette dernière source qui a ouvert la voie de la production industrielle. Lorsque l’hélium est refroidi au-dessous de 2,17 K, un changement de phase se produit et l’hélium normal se transforme en hélium superfluide aux propriétés étonnantes. (((((((((((((((L’hélium est une ressource rare utilisée dans de nombreuses applications, dont notamment l’imagerie par résonance magnétique (IRM), les scanners à résonance magnétique nucléaire, la fibre optique, la fabrication de semi-conducteurs, l’industrie spatiale ou encore la plongée en profondeur. C’est un produit de grande valeur. Grâce une technologie éprouvée et à des procédés qui ont fait leurs preuves au fil du temps, Air Liquide Engineering & Construction offre la possibilité à ses clients de récupérer et de liquéfier l’hélium présent dans le gaz naturel.))))))))))))) ((((sources industrielles))))))) ((((((((((((L’hélium est principalement récupéré à partir de gisements de gaz naturel ou de dioxyde de carbone pour lesquels trois situations peuvent se présenter : L’hélium est récupéré comme sous-produit lors de l’extraction du gaz naturel et du traitement de celui-ci. Pour être économiquement rentable, la teneur du gaz naturel doit être supérieure à 0,3 % d’hélium. C’est le cas du gisement de gaz naturel d’Hugoton Basin, entre les États du Texasu, de l’Oklahoma et du Kansas, aux États-Unis, découvert en 1927, qui a une teneur comprise entre 0,3 et 2,7 % d’hélium. L’hélium est directement récpéré de gisement gazeux, par exemple de dioxyde de carbone, si sa teneur est également supérieure à 0,3 %. C’est, par exemple, le cas du gisement de Riley Ridge, à La Barge, dans le Wyoming, aux États-Unis, découvert en 1962 par Mobil et exploité depuis 1986 par ExxonMobil, qui contient 66,5 % de dioxyde de carbone, 20,5 % de méthane, 7,4 % de diazote, 5 % de sulfure d’hydrogène, 0,6 % d’hélium. Le dioxyde de carbone extrait est réinjecté dans le gisement afin d’accroître la production de pétrole et de gaz naturel. L’hélium est récupéré lors de la liquéfaction du gaz naturel. Dans ce cas, le teneur du gaz naturel en hélium peut être plus faible, par exemple 0,04 % au Qatar. Des unités de récupération de l’hélium sont ainsi associées à des usines de liquéfaction de gaz naturel, en Algérie, au Qatar, en Australie. L’hélium peut aussi, marginalement, être récupéré à partir de l’air dans des unités de séparation des gaz de l’air. Lors de la distillation des gaz de l’air, il n’est pas condensé et se retrouve (avec le néon) au sommet de la colonne moyenne pression, avec le diazote (voir le chapitre dioxygène). Sa concentration dans ce gaz brut de néon et d’hélium est ddensation du néon, l’hélium restant gazeux. La production est de 1,4 m3 de He par heure dans une unité possédant une capacité de 2 000 t/jour de dioxygène. On peut considérer, dans ce cas, que l’hélium est un coproduie 24 %. La séparation du mélange est réalisée à basse température par cont de la production de néon.)))))))))))))))))))))))))))))) bréve histoir de l’hélium L’hélium constitue pratiquement un quart de la masse de la matière de l’Univers. Cependant, il ne fut découvert qu’en 1868, dans la chromosphère du Soleil, simultanément et indépendamment, par deux Américains : J.N. Lockyer et P.J. Jansen. Le nom hélium provient du mot grec « helios » qui signifie « soleil ». Quelques valeurs relatives à l’hélium sont rappelées dans le tableau 1. Quelque vingt-cinq ans plus tard, de l’hélium fut aussi trouvé, sur Terre, par W. Ramsay dans un minerai : la clévite qui contient de l’uranium, de l’yttrium, de l’erbium, du cérium et du thorium. C’est H.P. Cady qui, en 1905, montra que le gaz naturel produit par un puits du Kansas contenait 1,84 % d’hélium, ouvrant ainsi la voie de la production industrielle. L’hélium fut, après l’hydrogène, le dernier des gaz « permanents » à être liquéfié. La première liquéfaction fut réussie par Kamerlingh Onnes en mars 1908 dans le laboratoire de Leyde, Pays-Bas. La veille de la tentative, une réserve de 75 L d’air liquide est constituée. Le lendemain, dès 6 h 30, la liquéfaction d’hydrogène commence par la détente du gaz, préalablement refroidi à environ 80 K (– 193 C) à l’aide d’air liquide. À 13 h 30, 20 L d’hydrogène liquide sont produits (température d’ébullition à la pression atmosphérique : 20,4 K ou – 252,75 C). La liquéfaction de l’hélium peut alors commencer. L’hélium gazeux, comprimé à 100 bar (remarquons que la quantité d’hélium dont disposait Onnes était de 0,36 m3 !), est d’abord refroidi par l’air liquide, puis par de l’hydrogène liquide à environ 14 K (-259 C) bouillant sous une pression de 0,1 bar, et enfin, détendu jusqu’à la pression atmosphérique. À 18 h 30, alors que la réserve d’hydrogène liquide est sur point de s’épuiser, l’hélium liquide est aperçu grâce à un éclairage par le bas du cryostat en verre ! impuretés contenues dans l’hélium Avant sa liquéfaction, l’hélium doit être débarrassé des impuretés qu’il contient afin qu’elles ne provoquent pas de bouchage des installations en se solidifiant au cours du refroidissement. Les principales impuretés contenues dans l’hélium dépendent de la provenance de celui-ci : -lorsque l’hélium a été extrait du gaz naturel, les impuretés qu’il contient sont essentiellement de l’eau, de l’azote, des hydrocarbures, du néon et de l’hydrogène ; -lorsque l’hélium à liquéfier provient de la récupération de vapeurs issues d’hélium liquide vaporisé dans des laboratoires, les impuretés qu’il contient sont alors principalement l’eau et les gaz de l’air. Si l’hélium a été recomprimé à haute pression à l’aide de compresseurs lubrifiés, il peut aussi contenir des hydrocarbures, de l’anhydride carbonique et du monoxyde de carbone, les deux derniers résultant d’une combinaison des hydrocarbures avec l’oxygène due à la température élevée atteinte pendant la phase de compression. Dessiccation La dessiccation est la première des opérations d’épuration. Le processus de compression, qui est le premier que subit l’hélium, est mis à profit pour séparer la majeure partie de l’eau. La dessiccation finale est généralement effectuée par adsorption à la température ambiante sur un adsorbant adéquat. Elle peut aussi, mais plus rarement, être effectuée par condensation et solidification à basse température. Centres de reliquéfaction Un centre de reliquéfaction est généralement situé dans un laboratoire et est souvent chargé d’alimenter un groupe de laboratoires voisins. Il est organisé autour d’un liquéfacteur relié à un réservoir de stockage fixe d’hélium liquide de 500 à 10000 L. L’hélium liquide est transféré par différence de pression (0,1 bar) vers les réservoirs mobiles. Au cours du transfert d’hélium liquide entre le réservoir fixe et un réservoir mobile, la vapeur saturée déplacée par le liquide est renvoyée vers le circuit de récupération à la température ambiante. Seul le gaz est récupéré, son enthalpie est perdue. Il n’est donc possible de récupérer, au maximum, que 85 % de l’hélium disponible dans le réservoir fixe. Cette valeur est encore réduite par la quantité de liquide vaporisée pour mettre en froid les éléments de canalisations de transfert. Lors de l’évaluation de la capacité d’un liquéfacteur en vue de son acquisition, il faut tenir compte de ce phénomène. La mesure des quantités d’hélium distribuées sous forme liquide est délicate. Le responsable d’exploitation du centre de reliquéfaction doit « facturer » ses « clients » des quantités délivrées et doit déduire les quantités restituées au retour du réservoir mobile. En effet, un réservoir « vide », c’est-à-dire dans lequel il n’y a plus d’hélium liquide, mais qui est encore froid contient environ un sixième de « matière hélium ». Cette quantité varie rapidement avec la température du réservoir pour devenir négligeable vers 100 K. La seule méthode acceptable est la pesée des réservoirs mobiles à la sortie du centre de reliquéfaction et au retour. Il faut faire attention aux caractéristiques demandées à l’instrument de pesage, car la masse d’hélium est faible par rapport à celle du réservoir. D l’hélium liquide livré dans des conteneurs ISO La chaerge d’alimentation pour cette technologie peut être du gaz naturel ou de l’hélium brut sous forme gazeuse provenant des unités de gaz naturel liquéfié (GNL) ou des unités de rejet d’azote. Le processus initial, en trois étapes, implique une unité cryogénique de condensation partielle pour la purification, un système d’extraction d’hydrogène et une unité d’adsorption modulée en pression. Durant ce processus, l’hélium gazeux pur est séparé des autres composants tels qu’azote, méthane, hydrogène, argon, oxygène, eau et CO2. Atteignant une pureté de plus de 99,995 %, l’hélium est ensuite liquéfié pour stockage à des températures avoisinant -270°C. En vue de le refroidir et de le liquéfier, un cycle d’hélium est utilisé en parallèle de turbines cryogéniques équipées d’un échangeur de chaleur cryogénique optimisé. Air Liquide Engineering & Construction a développé une technologie propriétaire pour ces turbines, qui, en s’appuyant sur la pression statique, fournit une fiabilité et une efficacité accrues. Cette unité a été conçue avec des aires de chargement de manière à ce que l’hélium puisse être directement transféré dans des conteneurs uploads/Industriel/ raport.pdf