چرا از گاز هلیوم به عنوان overhead در مخلوط های مایع استفاده میشود

چرا از گاز هلیوم به عنوان overhead در مخلوط های مایع استفاده میشود؟

هلیوم، این گاز سبک‌وزن و بی‌اثر، نه تنها برای پر کردن بادکنک‌های جشن تولد کاربرد دارد، بلکه در صنایع مختلف، به ویژه در مخازن نگهداری مایعات، نقش حیاتی ایفا می‌کند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای آن، استفاده به عنوان گاز “Overhead” (گاز پوششی) برای ایجاد و حفظ فشار در بالای سطح مایعات است. اما چرا هلیوم و نه گازی دیگر؟ بیایید به جزئیات این انتخاب هوشمندانه بپردازیم.

 

۱. بی‌اثر بودن (Inertness): برگ برنده هلیوم

 

مهم‌ترین ویژگی هلیوم که آن را برای این منظور بی‌نظیر می‌کند، خاصیت بی‌اثر بودن آن است. هلیوم یک گاز نجیب است، به این معنی که تمایل بسیار کمی به واکنش شیمیایی با مواد دیگر دارد. وقتی هلیوم بالای سطح مایعی مانند سوخت‌ها، مواد شیمیایی حساس، یا حتی مواد غذایی مایع قرار می‌گیرد، تضمین می‌شود که با آن‌ها وارد واکنش نمی‌شود و خواص شیمیایی، فیزیکی یا حتی طعم و بوی مایع را تغییر نمی‌دهد. این ویژگی برای حفظ خلوص و کیفیت محصول در طول نگهداری و انتقال بسیار حیاتی است.

 

۲. عدم حلالیت در مایعات (Low Solubility): جدایی برای پایداری

 

هلیوم حلالیت بسیار کمی در اکثر مایعات، به خصوص مایعات غیرقطبی (مانند هیدروکربن‌ها)، دارد. این یعنی، وقتی هلیوم بالای مایع قرار می‌گیرد، مقدار بسیار ناچیزی از آن در مایع حل می‌شود. این مسئله به چند دلیل اهمیت دارد:

 

حفظ فشار ثابت: اگر گاز پوششی به راحتی در مایع حل شود، فشار بالای مایع کاهش می‌یابد و برای حفظ فشار مطلوب باید به طور مداوم گاز بیشتری تزریق کرد که هم ناکارآمد و هم پرهزینه است.

جلوگیری از تغییر خواص مایع: حل شدن گاز در مایع می‌تواند خواص فیزیکی مایع (مانند چگالی یا ویسکوزیته) را تغییر دهد یا در فرآیندهای بعدی مشکل ایجاد کند.

بازیابی آسان: در برخی فرآیندها، ممکن است نیاز به جداسازی گاز پوششی از مایع باشد. حلالیت کم هلیوم، جداسازی آن را بسیار آسان‌تر می‌کند.

 

۳. چگالی پایین (Low Density): سبک‌وزن و کارآمد

 

هلیوم پس از هیدروژن، سبک‌ترین عنصر است. چگالی پایین آن باعث می‌شود که به راحتی در فضای بالای مایع انباشته شود و برای ایجاد فشار یکنواخت، به حجم کمتری از گاز نیاز باشد. همچنین، اگر نیاز به جابجایی مایع باشد، هلیوم به خوبی می‌تواند با کمترین مقاومت بر روی سطح مایع حرکت کند و فضای مورد نیاز را فراهم آورد.

 

۴. ایمنی (Safety): آتش‌زا نیست!

 

برخلاف بسیاری از گازهای دیگر که ممکن است در دماها و فشارهای بالا یا در صورت نشت، خطر آتش‌سوزی یا انفجار داشته باشند (مانند نیتروژن که اگرچه بی‌اثر است اما در دماهای بسیار بالا می‌تواند واکنش‌پذیر باشد)، هلیوم کاملاً غیرقابل اشتعال است. این ویژگی ایمنی فوق‌العاده‌ای را در کاربردهای صنعتی، به ویژه در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی و حتی داروسازی، فراهم می‌کند. استفاده از هلیوم به عنوان گاز پوششی، ریسک حوادث ناشی از واکنش‌پذیری یا اشتعال‌زایی را به حداقل می‌رساند.

 

۵. کاربرد در دماهای پایین (Cryogenic Applications): دوست سرما!

 

هلیوم دارای پایین‌ترین نقطه جوش در بین تمام عناصر است (تقریباً ۲۶۹- درجه سانتی‌گراد). این ویژگی آن را به انتخابی عالی برای کاربرد در مخازن نگهداری مایعات برودتی (Cryogenic Liquids) مانند اکسیژن مایع، نیتروژن مایع، یا حتی خود هلیوم مایع تبدیل می‌کند. در این دماهای فوق‌العاده پایین، هلیوم همچنان به صورت گاز باقی می‌ماند و می‌تواند فشار مورد نیاز را فراهم کند، در حالی که بسیاری از گازهای دیگر در این دماها مایع یا حتی جامد می‌شوند.

به طور خلاصه، ترکیب منحصربه‌فرد ویژگی‌های هلیوم – بی‌اثر بودن، عدم حلالیت بالا در مایعات، چگالی پایین، ایمنی و کارایی در دماهای برودتی – آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای استفاده به عنوان گاز Overhead برای ایجاد و حفظ فشار در بالای سطح مایعات در طیف وسیعی از صنایع تبدیل کرده است. این گاز نجیب، با ویژگی‌های خاص خود، ضامن حفظ کیفیت، ایمنی و کارایی در فرآیندهای صنعتی پیچیده است.

بیایید به بررسی خود گاز هلیوم و مشخصات فنی آن بپردازیم. هلیوم یکی از عناصر جذاب و کارآمد در دنیای شیمی است و ویژگی‌های خاص آن در صنایع مختلف به کار می‌رود.

هلیوم: یک عنصر نجیب

۱. مشخصات کلی:

نماد شیمیایی: He

عدد اتمی: ۲

گروه: ۱۸ (گازهای نجیب)

جرم اتمی: ۴.0026 g/mol

 

۲. خصوصیات فیزیکی:

وضعیت: گاز

رنگ: بدون رنگ

بو: بی‌بو

طعم: بی‌طعم

 

ویژگی‌های شیمیایی هلیوم:

 

۳. بی‌اثر بودن:

هلیوم یک گاز نجیب است و تقریباً هیچ‌گونه تمایلی به واکنش‌های شیمیایی ندارد. این ویژگی آن را برای کاربردهایی که نیاز به حفظ خلوص مواد دارند، ایده‌آل می‌سازد.

۴. حلالیت:

هلیوم حلالیت پایینی در مایعات دارد. مثلاً در دما و فشار معمولی، مقدار بسیار ناچیزی از هلیوم در آب حل می‌شود.

 

کاربردهای گاز هلیوم:

۵. کاربردهای صنعتی:

فضا و پژوهش‌های فضایی: هلیوم به عنوان یک گاز محافظ در فضاپیماها و زیرساخت‌های فضایی استفاده می‌شود، به خصوص در محفظه‌های برودتی.

پزشکی: در MRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی) به عنوان یک گاز خنک‌کننده برای آهنرباهای فوق‌سرد استفاده می‌شود.

صنایع الکترونیک: در فرایندهای تولید تجهیزات الکترونیکی و نیمه‌رساناها، از هلیوم به عنوان گاز بی‌اثر برای جلوگیری از اشتعال و آلودگی استفاده می‌شود.

کاربردهای خنک‌کنندگی: در برودت و خنک‌کنندگی، هلیوم مایع برای سرد کردن سیستم‌های برودتی و تحت فشار استفاده می‌شود.

ایمنی:

هلیوم به عنوان یک گاز کاملاً غیرقابل اشتعال، ایمن محسوب می‌شود. با این حال، در شرایط خاصی ممکن است خطراتی مانند کمبود اکسیژن در فضای بسته به وجود آورد. به همین جهت هنگام استفاده از هلیوم در محیط‌های بسته، باید احتیاط‌های لازم رعایت شود.

هلیوم به خاطر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاص خود، یک عنصر کلیدی در تحقیقات علمی، فناوری، و صنایع مختلف است. از بی‌اثر بودن و عدم حلالیت در مایعات گرفته تا کاربردهای مختلف در پزشکی و الکترونیک، هلیوم به عنوان یکی از گازهای مفید و اساسی در دنیای مدرن به شمار می‌آید.