Helio

Antecedentes

El helio es uno de los elementos químicos básicos. En su estado natural, el helio es un gas incoloro conocido por su baja densidad y baja reactividad química. Probablemente sea más conocido como un sustituto no inflamable del hidrógeno para proporcionar el sustento en globos y dirigibles. Debido a que es químicamente inerte, también se utiliza como protección de gas en la soldadura por arco robótico y como atmósfera no reactiva para el crecimiento de cristales de silicio y germanio que se utilizan para fabricar dispositivos semiconductores electrónicos. El helio líquido se usa a menudo para proporcionar las temperaturas extremadamente bajas requeridas en ciertas aplicaciones médicas y científicas, incluida la investigación de superconducción.

Aunque el helio es uno de los elementos más abundantes del universo, la mayor parte existe fuera de la atmósfera terrestre. El helio no se descubrió hasta 1868, cuando el astrónomo francés Pierre Janssen y el astrónomo inglés Sir Joseph Lockyer estaban estudiando de forma independiente un eclipse de sol. Usando espectrómetros, que separan la luz en diferentes bandas de color según los elementos presentes, ambos observaron una banda de luz amarilla que no pudo identificarse con ningún elemento conocido. Las noticias de sus hallazgos llegaron al mundo científico el mismo día, y a ambos hombres generalmente se les atribuye el descubrimiento. Lockyer sugirió el nombre helio para el nuevo elemento, derivado de la palabra griega helios para el sol.

En 1895, el químico inglés Sir William Ramsay descubrió que la cleveita, un mineral de uranio, contenía helio. Los químicos suecos P.T. Cleve y Nils Langlet hicieron un descubrimiento similar casi al mismo tiempo. Esta fue la primera vez que se identificó helio en la Tierra. En 1905, se descubrió que el gas natural extraído de un pozo cerca de Dexter, Kansas, contenía hasta un 2% de helio. Las pruebas de otras fuentes de gas natural en todo el mundo arrojaron concentraciones de helio muy variables, y las concentraciones más altas se encontraron en los Estados Unidos.

A principios de la década de 1900, el desarrollo de dirigibles y dirigibles más ligeros que el aire se basó casi por completo en el hidrógeno para proporcionar sustentación, a pesar de que era altamente inflamable. Durante la Primera Guerra Mundial, el gobierno de los Estados Unidos se dio cuenta de que el helio no inflamable era superior al hidrógeno y lo declaró un material de guerra crítico. La producción se controló estrictamente y se redujeron las exportaciones. En 1925, Estados Unidos aprobó la primera Ley de conservación de helio que prohibió la venta de helio a usuarios no gubernamentales. No fue hasta 1937, cuando el dirigible Hindenburg lleno de hidrógeno explotó mientras aterrizaba en Lakehurst, Nueva Jersey, que se levantaron las restricciones y el helio reemplazó al hidrógeno por los barcos comerciales más ligeros que el aire.

Durante la Segunda Guerra Mundial, el helio volvió a convertirse en un material de guerra fundamental. Uno de sus usos más inusuales fue inflar los neumáticos en aviones bombarderos de largo alcance. El peso más ligero del helio permitió que el avión transportara 154 libras (70 kg) de combustible adicional para un rango extendido.

Después de la guerra, la demanda de helio creció tan rápidamente que el gobierno impuso las Enmiendas a la Ley de Helio en 1960 para comprar y almacenar el gas para uso futuro. En 1971, la demanda se había estabilizado y se canceló el programa de almacenamiento de helio. Unos años más tarde, el gobierno volvió a almacenar helio. En 1993, había alrededor de 35 mil millones de pies cúbicos (1.0 mil millones de metros cúbicos) de helio en el almacenamiento del gobierno.

Hoy en día, la mayoría de las fuentes de gas natural que contienen helio se encuentran dentro de los Estados Unidos. Canadá, Polonia y algunos otros países también tienen fuentes importantes.

Materias primas

El helio se genera bajo tierra por la desintegración radiactiva de elementos pesados ​​como el uranio y el torio. Parte de la radiación de estos elementos consiste en partículas alfa, que forman los núcleos de los átomos de helio. Parte de este helio llega a la superficie y entra a la atmósfera, donde se eleva rápidamente y se escapa al espacio. El resto queda atrapado bajo capas impermeables de roca y se mezcla con los gases naturales que allí se forman. La cantidad de helio que se encuentra en varios depósitos de gas natural varía desde casi cero hasta un 4% en volumen. Solo alrededor de una décima parte de los campos de gas natural en funcionamiento tienen concentraciones económicamente viables de helio superiores al 0,4%.

El helio también se puede producir licuando el aire y separando los gases componentes. Los costos de producción de este método son altos y la cantidad de helio contenida en el aire es muy baja. Aunque este método se usa a menudo para producir otros gases, como nitrógeno y oxígeno, rara vez se usa para producir helio.

El
proceso de fabricación

El helio generalmente se produce como un subproducto del procesamiento del gas natural. El gas natural contiene metano y otros hidrocarburos, que son las principales fuentes de energía térmica cuando se quema gas natural. La mayoría de los depósitos de gas natural también contienen cantidades más pequeñas de nitrógeno, vapor de agua, dióxido de carbono, helio y otros materiales no combustibles, que reducen la energía térmica potencial del gas. Para producir gas natural con un nivel aceptable de energía térmica, estas impurezas deben eliminarse. Este proceso se llama actualización.

Hay varios métodos que se utilizan para mejorar el gas natural. Cuando el gas contiene más de aproximadamente 0,4% de helio en volumen, a menudo se usa un método de destilación criogénica para recuperar el contenido de helio. Una vez que el helio se ha separado del gas natural, se somete a un refinado adicional para llevarlo a una pureza superior al 99,99% para uso comercial.

A continuación se muestra una secuencia típica de operaciones para extraer y procesar helio.

Tratamiento previo

Debido a que este método utiliza una sección criogénica extremadamente fría como parte del proceso, todas las impurezas que puedan solidificarse, como el vapor de agua, el dióxido de carbono y ciertos hidrocarburos pesados, primero deben eliminarse del gas natural en un proceso de pretratamiento para evitar que se produzcan. taponando la tubería criogénica.

• 1 El gas natural se presuriza a aproximadamente 800 psi (5,5 MPa o 54 atm). Luego fluye a un depurador donde se somete a una pulverización de monoetanolamina, que absorbe el dióxido de carbono y se lo lleva.
• 2 La corriente de gas pasa a través de un tamiz molecular, que quita las moléculas de vapor de agua más grandes de la corriente mientras deja pasar las moléculas de gas más pequeñas. El agua se enjuaga del tamiz y se retira.
• 3 Todos los hidrocarburos pesados ​​en la corriente de gas se acumulan en las superficies de un lecho de carbón activado a medida que el gas pasa a través de él. Periódicamente se recarga el carbón activado. La corriente de gas ahora contiene principalmente metano y nitrógeno, con pequeñas cantidades de helio, hidrógeno y neón.

Separación

El gas natural se separa en sus componentes principales mediante un proceso de destilación conocido como destilación fraccionada. A veces, este nombre se abrevia a fraccionamiento, y las estructuras verticales utilizadas para realizar esta separación se denominan columnas de fraccionamiento. En el proceso de destilación fraccionada, el nitrógeno y el metano se separan en dos etapas, dejando una mezcla de gases que contiene un alto porcentaje de helio. En cada etapa se aumenta el nivel de concentración, o fracción, de cada componente hasta que se completa la separación. En el gas natural Todas las impurezas que puedan solidificar y obstruir la tubería criogénica se eliminan del gas natural en un proceso de pretratamiento. . Después del pretratamiento, los componentes del gas natural se separan en un proceso llamado destilación fraccionada. En la industria, este proceso a veces se denomina rechazo de nitrógeno, ya que su función principal es eliminar el exceso de nitrógeno del gas natural.

• 4 La corriente de gas pasa a través de un lado de un intercambiador de calor de aletas de placas, mientras que el metano y el nitrógeno muy fríos de la sección criogénica pasan por el otro lado. La corriente de gas entrante se enfría, mientras que el metano y el nitrógeno se calientan.
• 5 La corriente de gas luego pasa a través de una válvula de expansión, que permite que el gas se expanda rápidamente mientras la presión cae a aproximadamente 145-360 psi (1.0-2.5 MPa o 10-25 atm). Esta rápida expansión enfría la corriente de gas hasta el punto en que el metano comienza a licuarse.
• 6 La corriente de gas, ahora en parte líquido y en parte gas, entra en la base de la columna de fraccionamiento de alta presión. A medida que el gas asciende a través de los deflectores internos de la columna, pierde calor adicional. El metano continúa licuándose, formando una mezcla rica en metano en la parte inferior de la columna, mientras que la mayor parte del nitrógeno y otros gases fluyen hacia la parte superior.
• 7 La mezcla de metano líquido, llamado metano crudo, se extrae del fondo de la columna de alta presión y se enfría más en el subenfriador de crudo. Luego pasa a través de una segunda válvula de expansión, que baja la presión a aproximadamente 22 psi (150 kPa o 1,5 atm) antes de ingresar a la columna de fraccionamiento de baja presión. A medida que el metano líquido desciende por la columna, la mayor parte del nitrógeno restante se separa, dejando un líquido que no es más del 4% de nitrógeno y el resto es metano. Este líquido se bombea, se calienta y se evapora para convertirse en gas natural mejorado. El nitrógeno gaseoso se expulsa por tubería de la parte superior de la columna de baja presión y se ventila o se captura para su procesamiento posterior.
• 8 Mientras tanto, los gases de la parte superior de la columna de alta presión se enfrían en un Una vez separado del gas natural, el helio crudo se purifica en un proceso de múltiples etapas que involucra varios métodos de separación según la pureza del helio crudo y la aplicación prevista del producto final. condensador. Gran parte del nitrógeno se condensa en vapor y se introduce en la parte superior de la columna de baja presión. El gas restante se llama helio crudo. Contiene aproximadamente 50-70% de helio, 1-3% de metano no licuado, pequeñas cantidades de hidrógeno y neón, y el resto nitrógeno.

Purificante

El helio crudo debe purificarse más para eliminar la mayoría de los demás materiales. Este suele ser un proceso de varias etapas que implica varios métodos de separación diferentes según la pureza del helio crudo y la aplicación prevista del producto final.

• 9 El helio crudo se enfría primero a aproximadamente -315 ° F (-193 ° C). A esta temperatura, la mayor parte del nitrógeno y el metano se condensan en un líquido y se drenan. La mezcla de gas restante es ahora aproximadamente un 90% de helio puro.
• 10 Se agrega aire a la mezcla de gases para proporcionar oxígeno. El gas se calienta en un precalentador y luego pasa sobre un catalizador, lo que hace que la mayor parte del hidrógeno de la mezcla reaccione con el oxígeno del aire y forme vapor de agua. Luego, el gas se enfría y el vapor de agua se condensa y se drena.
• 11 La mezcla de gas entra en una unidad de adsorción por oscilación de presión (PSA) que consta de varios recipientes de adsorción que operan en paralelo. Dentro de cada recipiente hay miles de partículas llenas de poros diminutos. A medida que la mezcla de gases pasa a través de estas partículas bajo presión, ciertos gases quedan atrapados dentro de los poros de las partículas. A continuación, se reduce la presión y se invierte el flujo de gas para purgar los gases atrapados. Este ciclo se repite después de unos segundos o minutos, dependiendo del tamaño de los recipientes y la concentración de gases. Este método elimina la mayor parte del vapor de agua, el nitrógeno y el metano restantes de la mezcla de gases. El helio tiene ahora una pureza del 99,99%.

Distribución

El helio se distribuye como gas a temperaturas normales o como líquido a temperaturas muy bajas. El helio gaseoso se distribuye en cilindros de aleación de aluminio o acero forjado a presiones en el rango de 900-6,000 psi (6-41 MPa o 60-410 atm). Las cantidades a granel de helio líquido se distribuyen en contenedores aislados con capacidades de hasta aproximadamente 14,800 galones (56,000 litros).

• 12 Si se va a licuar el helio, o si se requiere una mayor pureza, el neón y cualquier rastro de impurezas se eliminan pasando el gas sobre un lecho de carbón activado en un El helio se distribuye como gas a temperaturas normales o como líquido a temperaturas muy bajas. adsorbedor criogénico funcionando a aproximadamente -423 ° F (-253 ° C). Con este paso final se pueden lograr niveles de pureza del 99,999% o más.
• 13 Luego, el helio se canaliza al licuador, donde pasa a través de una serie de intercambiadores de calor y expansores. A medida que se enfría y expande progresivamente, su temperatura desciende a aproximadamente -452 ° F (-269 ° C) y se licua.
• 14 Por lo general, se envían grandes cantidades de helio líquido en contenedores presurizados sin ventilación. Si el envío se realiza dentro de los Estados Unidos continentales, el tiempo de envío suele ser inferior a una semana. En esos casos, el helio líquido se coloca en grandes remolques cisterna aislados tirados por camiones tractores. El cuerpo del tanque está construido con dos carcasas con un espacio de vacío entre la carcasa interior y exterior para retardar la pérdida de calor. Dentro del espacio de vacío, múltiples capas de lámina reflectante detienen aún más el flujo de calor desde el exterior. Para envíos prolongados al extranjero, el helio se coloca en contenedores de envío especiales. Además de un espacio de vacío para proporcionar aislamiento, estos contenedores también tienen una segunda carcasa llena de nitrógeno líquido para absorber el calor del exterior. A medida que se absorbe el calor, el nitrógeno líquido se evapora y se ventila.

Control de calidad

La Asociación de Gas Comprimido establece estándares de clasificación para el helio según la cantidad y el tipo de impurezas presentes. Los grados comerciales de helio comienzan con el grado M, que tiene una pureza del 99,995% y contiene cantidades limitadas de agua, metano, oxígeno, nitrógeno, argón, neón e hidrógeno. Otros grados superiores incluyen el grado N, el grado P y el grado G. El grado G tiene una pureza del 99,9999%. El muestreo y análisis periódicos del producto final asegura que se cumplan los estándares de pureza.

El futuro

En 1996, el gobierno de los Estados Unidos propuso que se detuviera el programa de almacenamiento de helio financiado por el gobierno. Esto ha preocupado a muchos científicos. Señalan que el helio es esencialmente un producto de desecho del procesamiento del gas natural, y sin una instalación de almacenamiento del gobierno, la mayor parte del helio simplemente se ventilará a la atmósfera, donde escapará al espacio y se perderá para siempre. Algunos científicos predicen que si esto sucede, las reservas conocidas de helio en la Tierra podrían agotarse para el año 2015.