Hélio: Propriedades, Produção e Fornecimento Global

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Contexto

O hélio é o segundo elemento mais leve na tabela periódica e um dos gases quimicamente mais inertes. Sua baixa densidade e não inflamabilidade o tornam indispensável para aplicações aeroespaciais, desde elevar dirigíveis e balões até fornecer atmosfera segura para soldagem e crescimento de cristais na fabricação de semicondutores. Hélio líquido também é crítico em pesquisas que requerem temperaturas próximas ao zero absoluto, como experimentos de supercondutividade.

Embora o elemento seja abundante no universo, a atmosfera da Terra contém apenas quantidades vestigiais. O hélio foi identificado pela primeira vez em 1868 quando astrônomos Pierre Janssen e Sir Joseph Lockyer observaram uma linha espectral amarela não identificada durante um eclipse solar. Lockyer cunhou o nome "hélio" do grego helios (sol).

Em 1895, Sir William Ramsay extraiu hélio do mineral de urânio cleveita, confirmando sua existência terrestre. Poucos anos depois, gás natural de um poço perto de Dexter, Kansas, revelou concentrações de até 2%. Pesquisas mundiais mostraram níveis variados de hélio, com os Estados Unidos geralmente hospedando os depósitos mais ricos.

Artes leves do início do século XX dependiam quase exclusivamente de hidrogênio, apesar de sua inflamabilidade. Os EUA reconheceram a vantagem estratégica do hélio durante a Primeira Guerra Mundial, designando-o material crítico de guerra e restringindo exportações. A Lei de Conservação de Hélio de 1925 proibiu uso não governamental. Após o desastre do Hindenburg em 1937, regulamentações aliviaram, e o hélio substituiu o hidrogênio para dirigíveis comerciais.

Durante a Segunda Guerra Mundial, o hélio provou-se vital novamente; era usado para inflar pneus de bombardeiros de longo alcance, reduzindo peso da aeronave e estendendo alcance. Demanda pós-guerra disparou, levando às Emendas à Lei do Hélio de 1960 para estabelecer programa nacional de armazenamento. Em 1971, a produção estabilizou e o programa foi temporariamente suspenso, apenas para retomar depois. Em 1993, o armazenamento governamental atingiu aproximadamente 1 bilhão de metros cúbicos (35 bilhões de pés cúbicos).

Hoje, a maior parte dos campos de gás natural contendo hélio estão localizados nos Estados Unidos, com reservas notáveis também no Canadá e Polônia.

Matérias-Primas

O hélio origina-se no subsolo quando partículas alfa — produtos do decaimento radioativo de elementos pesados como urânio e tório — formam núcleos de hélio. Parte do hélio difunde para a superfície e escapa para o espaço, enquanto o restante fica preso sob camadas de rocha impermeáveis e mistura-se a reservatórios de gás natural. Concentrações de hélio variam de desprezíveis a até 4% em volume, mas apenas depósitos excedendo 0,4% são comercialmente viáveis.

O hélio também pode ser extraído por separação criogênica do ar, embora o processo seja custoso e produza recuperações muito baixas, tornando-o impraticável para produção em larga escala.

Processo de Fabricação

O hélio é primariamente recuperado como subproduto do processamento de gás natural. O gás contém metano e outros hidrocarbonetos, que fornecem o conteúdo energético do gás natural. Para atender especificações energéticas de mercado, impurezas — incluindo nitrogênio, vapor de água, dióxido de carbono e hélio — devem ser removidas em uma etapa de purificação.

Quando uma corrente de gás contém mais de ~0,4% de hélio, destilação criogênica é empregada para isolar o hélio. O hélio bruto resultante é refinado para atingir purezas comerciais acima de 99,99%.

Pré-tratamento

Como a coluna criogênica downstream opera em temperaturas extremamente baixas, todos os componentes que poderiam solidificar — vapor de água, CO₂, hidrocarbonetos pesados — devem ser removidos antes para evitar bloqueio de tubulações.

• 1. O gás natural é pressurizado a ~5,5 MPa (800 psi) e roteado através de um lavador de monoetanolamina para absorver CO₂.
• 2. Uma unidade de peneira molecular separa vapor de água, permitindo apenas moléculas menores passarem; a água é então retrolavada e removida.
• 3. Leitos de carvão ativado capturam hidrocarbonetos pesados; a corrente de gás é agora amplamente metano, nitrogênio e traços de hélio, hidrogênio e neônio.

Separação

Destilação fracionada, frequentemente chamada de rejeição de nitrogênio, isola os componentes primários — metano e nitrogênio — antes que a corrente rica em hélio seja enviada para processamento criogênico. O procedimento é ilustrado no diagrama abaixo.

Todas as impurezas que poderiam solidificar e entupir a tubulação criogênica são removidas do gás natural em um processo de pré-tratamento. Após o pré-tratamento, os componentes do gás natural são separados em um processo chamado destilação fracionada.

• 4. Um trocador de calor de placa-aleleta resfria a corrente de entrada enquanto um contrafluxo de metano e nitrogênio muito frios aquece os gases.
• 5. O gás expande através de uma válvula, reduzindo pressão a ~1,0-2,5 MPa (145-360 psi). Expansão rápida resfria a mistura e inicia liquefação do metano.
• 6. O gás parcialmente líquido entra na coluna de alta pressão; à medida que sobe, o metano continua liquefazendo no fundo enquanto o nitrogênio sobe ao topo.
• 7. O metano líquido (metano bruto) é extraído, sub-resfriado, e passado através de uma segunda válvula de expansão a ~22 psi antes de entrar na coluna de baixa pressão. Aqui, a maior parte do nitrogênio é removida, resultando em líquido rico em metano com ≤4% de nitrogênio. O líquido é aquecido, evaporado e purificado para gás natural, enquanto o nitrogênio é ventilado ou reciclado.
• 8. Gases da coluna de alta pressão são resfriados em um condensador; o nitrogênio condensa como vapor, e o gás restante — hélio bruto — contém 50-70% de hélio, 1-3% de metano não liquefeito, pequenas quantidades de hidrogênio e neônio, e o balanço de nitrogênio.

Purificação

O hélio bruto passa por purificação em múltiplos estágios para atingir níveis de pureza comercial.

• 9. Resfriamento a –193 °C (–315 °F) condensa nitrogênio e metano, deixando ~90% de hélio.
• 10. Adição de ar introduz oxigênio; o gás é pré-aquecido, então passado sobre catalisador que reage hidrogênio com oxigênio para formar vapor de água, que é condensado e removido.
• 11. Uma unidade de adsorção por variação de pressão (PSA) captura contaminantes remanescentes. Milhares de partículas de micro-poros adsorvem nitrogênio, metano e água residual. Despressurização subsequente libera gases adsorvidos, deixando ~99,99% de hélio puro.

Distribuição

O hélio é enviado como gás à temperatura ambiente ou como líquido a temperaturas criogênicas. Hélio gasoso é armazenado em cilindros de aço forjado ou liga de alumínio a 6-41 MPa (900-6.000 psi). Hélio líquido a granel é transportado em recipientes isolados com capacidades até ~56.000 L (14.800 galões).

• 12. Para hélio líquido ou ultra-puro, um adsorvedor criogênico remove neônio residual e impurezas traço a –253 °C (–423 °F), atingindo ≥99,999% de pureza.
• 13. O gás então passa por trocadores de calor e expansores em um liquefator, atingindo –269 °C (–452 °F) para liquefazer.
• 14. Grandes remessas de hélio líquido usam reboques ou contêineres de dupla casca, isolados a vácuo. A casca interna contém hélio; a externa fornece isolamento, e em remessas internacionais uma casca secundária com nitrogênio líquido absorve calor, evaporando à medida que aquece.

Controle de Qualidade

A Associação de Gases Comprimidos classifica hélio por conteúdo de impurezas. Graus comerciais começam com M (99,995% puro) e progridem para N, P e G (99,9999% puro). Amostragem e análise regulares verificam conformidade com esses padrões.

O Futuro

Em 1996, o governo dos EUA propôs terminar o programa de armazenamento de hélio financiado pelo estado, gerando preocupação entre cientistas. O hélio é essencialmente subproduto do processamento de gás natural; sem armazenamento, grande parte seria ventilada na atmosfera e perdida. Alguns especialistas alertaram que reservas globais poderiam ser esgotadas até 2015 se o programa cessasse.