Helio: Propiedades, Producción y Suministro Global

Antecedentes

El helio es el segundo elemento más ligero de la tabla periódica y uno de los gases químicamente más inertes. Su baja densidad y no inflamabilidad lo hacen indispensable para aplicaciones aeroespaciales, desde elevar dirigibles y globos hasta proporcionar atmósfera segura para soldadura y crecimiento de cristales en fabricación de semiconductores. El helio líquido es también crítico en investigación que requiere temperaturas cercanas al cero absoluto, como experimentos de superconductividad.

Aunque el elemento es abundante en el universo, la atmósfera terrestre contiene solo trazas. El helio se identificó primero en 1868 cuando los astrónomos Pierre Janssen y Sir Joseph Lockyer observaron una línea espectral amarilla no identificada durante un eclipse solar. Lockyer acuñó el nombre "helio" del griego helios (sol).

En 1895, Sir William Ramsay extrajo helio del mineral de uranio cleveita, confirmando su existencia terrestre. Unos años después, gas natural de un pozo cerca de Dexter, Kansas, reveló concentraciones de hasta 2 %. Estudios mundiales mostraron niveles variables, con EE. UU. albergando generalmente los yacimientos más ricos.

Las aeronaves ligeras de principios del siglo XX dependieron casi exclusivamente de hidrógeno, pese a su inflamabilidad. EE. UU. reconoció la ventaja estratégica del helio en la I Guerra Mundial, designándolo material crítico de guerra y restringiendo exportaciones. La Ley de Conservación de Helio de 1925 prohibió uso no gubernamental. Tras el desastre del Hindenburg en 1937, las regulaciones se flexibilizaron y el helio reemplazó al hidrógeno en dirigibles comerciales.

Durante la II Guerra Mundial, el helio volvió a ser vital; se usó para inflar neumáticos de bombarderos de largo alcance, reduciendo peso de la aeronave y extendiendo alcance. La demanda de posguerra se disparó, impulsando las Enmiendas a la Ley de Helio de 1960 para establecer un programa nacional de almacenamiento. Para 1971, la producción se estancó y el programa se suspendió temporalmente, para reanudarse luego. En 1993, el almacenamiento gubernamental alcanzó aproximadamente 35.000 millones de pies cúbicos (1.000 millones de metros cúbicos).

Hoy, la mayoría de yacimientos de gas natural con helio están en EE. UU., con reservas notables también en Canadá y Polonia.

Materias Primas

El helio se origina bajo tierra cuando partículas alfa —productos de desintegración radiactiva de elementos pesados como uranio y torio— forman núcleos de helio. Parte del helio difunde a la superficie y escapa al espacio, mientras que el resto queda atrapado bajo capas de roca impermeable y se mezcla con yacimientos de gas natural. Las concentraciones varían de insignificantes a hasta 4 % en volumen, pero solo yacimientos superando 0,4 % son comercialmente viables.

El helio también puede extraerse por separación criogénica de aire, aunque el proceso es costoso y rinde recuperaciones muy bajas, impráctico para producción a gran escala.

Proceso de Fabricación

El helio se recupera principalmente como subproducto del procesamiento de gas natural. El gas contiene metano e hidrocarburos que aportan el contenido energético. Para cumplir especificaciones energéticas de mercado, impurezas —incluyendo nitrógeno, vapor de agua, dióxido de carbono y helio— deben eliminarse en una etapa de refinación.

Cuando una corriente de gas contiene más de ~0,4 % helio, se emplea destilación criogénica para aislar el helio. El helio crudo resultante se refina para alcanzar purezas comerciales superiores al 99,99 %.

Pretratamiento

Como la columna criogénica downstream opera a temperaturas extremadamente bajas, todos los componentes que podrían solidificarse —vapor de agua, CO₂, hidrocarburos pesados— deben eliminarse antes para evitar obstrucción de tuberías.

• 1. El gas natural se presuriza a ~800 psi (5,5 MPa) y pasa por un lavador de monoetanolamina para absorber CO₂.
• 2. Una unidad de tamiz molecular separa vapor de agua, permitiendo paso solo a moléculas menores; el agua se retro-lava y elimina.
• 3. Camas de carbón activado capturan hidrocarburos pesados; la corriente de gas es ahora mayormente metano, nitrógeno y trazas de helio, hidrógeno y neón.

Separación

La destilación fraccionada, a menudo llamada rechazo de nitrógeno, aísla los componentes principales —metano y nitrógeno— antes de enviar la corriente rica en helio a procesamiento criogénico. El procedimiento se ilustra en el diagrama siguiente.

• 4. Un intercambiador de calor de placas y aletas enfría la corriente entrante mientras un contraflujo de metano y nitrógeno muy fríos calienta los gases.
• 5. El gas se expande a través de una válvula, reduciendo presión a ~145-360 psi (1,0-2,5 MPa). La expansión rápida enfría la mezcla y comienza licuefacción de metano.
• 6. El gas parcialmente líquido entra en la columna de alta presión; al ascender, el metano sigue licuándose en el fondo mientras el nitrógeno sube a la cima.
• 7. El metano líquido (metano crudo) se extrae, subenfría y pasa por segunda válvula de expansión a ~22 psi antes de entrar en la columna de baja presión. Aquí, la mayor parte del nitrógeno se elimina, produciendo líquido rico en metano con ≤4 % nitrógeno. El líquido se calienta, evapora y se refina a gas natural, mientras el nitrógeno se ventea o recicla.
• 8. Gases de la columna de alta presión se enfrían en un condensador; el nitrógeno condensa como vapor, y el gas restante —helio crudo— contiene 50-70 % helio, 1-3 % metano no licuado, pequeñas cantidades de hidrógeno y neón, y el resto nitrógeno.

Purificación

El helio crudo sufre purificación multi-etapa para alcanzar niveles de pureza comercial.

• 9. Enfriamiento a –315 °F (–193 °C) condensa nitrógeno y metano, dejando ~90 % helio.
• 10. Añadir aire introduce oxígeno; el gas se precalienta, luego pasa sobre catalizador que reacciona hidrógeno con oxígeno formando vapor de agua, que se condensa y elimina.
• 11. Una unidad de adsorción por oscilación de presión (PSA) captura contaminantes restantes. Miles de partículas de microporos adsorben nitrógeno, metano y agua residual. La despresurización subsiguiente libera gases adsorbidos, dejando ~99,99 % helio puro.

Distribución

El helio se envía como gas a temperatura ambiente o como líquido a temperaturas criogénicas. Helio gaseoso se almacena en cilindros de acero forjado o aleación de aluminio a 900-6.000 psi (6-41 MPa). Helio líquido a granel se transporta en contenedores aislados con capacidades hasta ~14.800 galones (56.000 L).

• 12. Para helio líquido o ultra-puro, un adsorber criogénico elimina neón residual e impurezas traza a –423 °F (–253 °C), alcanzando ≥99,999 % pureza.
• 13. El gas pasa entonces por intercambiadores de calor y expansores en un licuefactor, alcanzando –452 °F (–269 °C) para licuar.
• 14. Grandes envíos de helio líquido usan remolques o contenedores de doble carcasa, aislados al vacío. La carcasa interior contiene helio; la exterior aisla, y en envíos ultramarinos una carcasa secundaria con nitrógeno líquido absorbe calor, evaporándose al calentar.

Control de Calidad

La Asociación de Gases Comprimidos clasifica el helio por contenido de impurezas. Grados comerciales comienzan con M (99,995 % puro) y progresan a N, P y G (99,9999 % puro). Muestreo y análisis regulares verifican cumplimiento con estos estándares.

Futuro

En 1996, el gobierno de EE. UU. propuso terminar el programa de almacenamiento de helio financiado por el estado, generando preocupación entre científicos. El helio es esencialmente subproducto del procesamiento de gas natural; sin almacenamiento, gran parte se ventearía a la atmósfera y se perdería. Algunos expertos advirtieron que las reservas globales podrían agotarse para 2015 si el programa cesaba.