Hélio

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Antecedentes

O hélio é um dos elementos químicos básicos. Em seu estado natural, o hélio é um gás incolor conhecido por sua baixa densidade e baixa reatividade química. É provavelmente mais conhecido como um substituto não inflamável do hidrogênio para fornecer a sustentação em dirigíveis e balões. Por ser quimicamente inerte, também é usado como escudo de gás na soldagem a arco robótico e como uma atmosfera não reativa para o cultivo de cristais de silício e germânio usados ​​para fazer dispositivos semicondutores eletrônicos. O hélio líquido é freqüentemente usado para fornecer temperaturas extremamente baixas exigidas em certas aplicações médicas e científicas, incluindo pesquisas de supercondução.

Embora o hélio seja um dos elementos mais abundantes no universo, a maior parte dele existe fora da atmosfera da Terra. O hélio não foi descoberto até 1868, quando o astrônomo francês Pierre Janssen e o astrônomo inglês Sir Joseph Lockyer estudaram independentemente um eclipse solar. Usando espectrômetros, que separam a luz em diferentes faixas de cores dependendo dos elementos presentes, os dois observaram uma faixa de luz amarela que não pôde ser identificada com nenhum elemento conhecido. As notícias de suas descobertas chegaram ao mundo científico no mesmo dia, e os dois homens geralmente recebem os créditos pela descoberta. Lockyer sugeriu o nome de hélio para o novo elemento, derivado da palavra grega helios para o sol.

Em 1895, o químico inglês Sir William Ramsay descobriu que a cleveite, um mineral de urânio, continha hélio. Químicos suecos P.T. Cleve e Nils Langlet fizeram uma descoberta semelhante mais ou menos na mesma época. Esta foi a primeira vez que o hélio foi identificado na Terra. Em 1905, descobriu-se que o gás natural retirado de um poço próximo a Dexter, no Kansas, continha até 2% de hélio. Testes de outras fontes de gás natural ao redor do mundo produziram concentrações amplamente variadas de hélio, com as maiores concentrações sendo encontradas nos Estados Unidos.

Durante o início dos anos 1900, o desenvolvimento de dirigíveis e dirigíveis mais leves que o ar dependia quase inteiramente do hidrogênio para fornecer sustentação, embora fosse altamente inflamável. Durante a Primeira Guerra Mundial, o governo dos Estados Unidos percebeu que o hélio não inflamável era superior ao hidrogênio e o declarou um material de guerra crítico. A produção foi rigidamente controlada e as exportações reduzidas. Em 1925, os Estados Unidos aprovaram a primeira Lei de Conservação de Hélio que proibia a venda de hélio a usuários não governamentais. Não foi até 1937, quando o dirigível Hindenburg cheio de hidrogênio explodiu enquanto pousava em Lakehurst, New Jersey, que as restrições foram levantadas e hélio substituiu o hidrogênio para navios comerciais mais leves que o ar.

Durante a Segunda Guerra Mundial, o hélio se tornou um material de guerra crítico novamente. Um de seus usos mais incomuns era encher os pneus de aviões bombardeiros de longo alcance. O peso mais leve do hélio permitiu ao avião transportar 154 lb (70 kg) de combustível extra para um alcance estendido.

Após a guerra, a demanda por hélio cresceu tão rapidamente que o governo impôs as Emendas da Lei do Hélio em 1960 para comprar e armazenar o gás para uso futuro. Em 1971, a demanda havia se estabilizado e o programa de armazenamento de hélio foi cancelado. Alguns anos depois, o governo voltou a armazenar hélio. Em 1993, havia cerca de 35 bilhões de pés cúbicos (1,0 bilhão de metros cúbicos) de hélio no armazenamento do governo.

Hoje, a maioria das fontes de gás natural contendo hélio estão nos Estados Unidos. Canadá, Polônia e alguns outros países também têm fontes significativas.

Matérias-primas

O hélio é gerado no subsolo pela decomposição radioativa de elementos pesados ​​como o urânio e o tório. Parte da radiação desses elementos consiste em partículas alfa, que formam os núcleos dos átomos de hélio. Parte desse hélio chega à superfície e entra na atmosfera, onde rapidamente sobe e escapa para o espaço. O resto fica preso sob camadas impermeáveis ​​de rocha e se mistura com os gases naturais que ali se formam. A quantidade de hélio encontrada em vários depósitos de gás natural varia de quase zero a até 4% em volume. Apenas cerca de um décimo dos campos de gás natural em funcionamento têm concentrações economicamente viáveis ​​de hélio maiores que 0,4%.

O hélio também pode ser produzido liquefazendo o ar e separando os gases componentes. Os custos de produção desse método são altos e a quantidade de hélio contida no ar é muito baixa. Embora esse método seja freqüentemente usado para produzir outros gases, como nitrogênio e oxigênio, raramente é usado para produzir hélio.

O processo de fabricação

O hélio é geralmente produzido como um subproduto do processamento de gás natural. O gás natural contém metano e outros hidrocarbonetos, que são as principais fontes de energia térmica quando o gás natural é queimado. A maioria dos depósitos de gás natural também contém quantidades menores de nitrogênio, vapor d'água, dióxido de carbono, hélio e outros materiais não combustíveis, que reduzem a energia térmica potencial do gás. Para produzir gás natural com um nível aceitável de energia térmica, essas impurezas devem ser removidas. Este processo é denominado atualização.

Existem vários métodos usados ​​para atualizar o gás natural. Quando o gás contém mais do que cerca de 0,4% de hélio por volume, um método de destilação criogênica é freqüentemente usado para recuperar o conteúdo de hélio. Depois que o hélio é separado do gás natural, ele passa por um refino adicional para chegar a 99,99 +% de pureza para uso comercial.

Aqui está uma sequência típica de operações para extrair e processar hélio.

Pré-tratamento

Como este método utiliza uma seção criogênica extremamente fria como parte do processo, todas as impurezas que podem solidificar - como vapor de água, dióxido de carbono e certos hidrocarbonetos pesados ​​- devem primeiro ser removidas do gás natural em um processo de pré-tratamento para impedi-los de conectar a tubulação criogênica.

• 1 O gás natural é pressurizado a cerca de 800 psi (5,5 MPa ou 54 atm). Em seguida, ele flui para um purificador, onde é submetido a um spray de monoetanolamina, que absorve o dióxido de carbono e o leva embora.
• 2 O fluxo de gás passa por uma peneira molecular, que separa as moléculas maiores de vapor de água do fluxo, enquanto deixa as moléculas menores de gás passarem. A água é lavada da peneira e removida.
• 3 Quaisquer hidrocarbonetos pesados ​​no fluxo de gás são coletados nas superfícies de um leito de carvão ativado conforme o gás passa por ele. Periodicamente, o carvão ativado é recarregado. O fluxo de gás agora contém principalmente metano e nitrogênio, com pequenas quantidades de hélio, hidrogênio e neon.

Separando

O gás natural é separado em seus componentes principais por meio de um processo de destilação conhecido como destilação fracionada. Às vezes, esse nome é abreviado para fracionamento, e as estruturas verticais usadas para realizar essa separação são chamadas de colunas de fracionamento. No processo de destilação fracionada, o nitrogênio e o metano são separados em duas etapas, formando uma mistura de gases contendo um alto percentual de hélio. Em cada estágio, o nível de concentração, ou fração, de cada componente é aumentado até que a separação seja completa. No gás natural Todas as impurezas que podem 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 denominado destilação fracionada. indústria, esse processo às vezes é chamado de rejeição de nitrogênio, uma vez que sua função principal é remover quantidades excessivas de nitrogênio do gás natural.

• 4 O fluxo de gás passa por um lado de um trocador de calor de aletas de placas, enquanto o metano muito frio e o nitrogênio da seção criogênica passam pelo outro lado. O fluxo de gás que entra é resfriado, enquanto o metano e o nitrogênio são aquecidos.
• 5 O fluxo de gás então passa por uma válvula de expansão, que permite que o gás se expanda rapidamente enquanto a pressão cai para cerca de 145-360 psi (1,0-2,5 MPa ou 10-25 atm). Essa rápida expansão resfria o fluxo de gás até o ponto em que o metano começa a se liquefazer.
• 6 O fluxo de gás - agora parte líquido e parte gás - entra na base da coluna de fracionamento de alta pressão. À medida que o gás sobe pelos defletores internos da coluna, ele perde calor adicional. O metano continua a se liquefazer, formando uma mistura rica em metano na parte inferior da coluna, enquanto a maior parte do nitrogênio e outros gases fluem para o topo.
• 7 A mistura de metano líquido, chamada de metano bruto, é retirada da parte inferior da coluna de alta pressão e é resfriada posteriormente no sub-resfriador bruto. Em seguida, ele passa por uma segunda válvula de expansão, que diminui a pressão para cerca de 22 psi (150 kPa ou 1,5 atm) antes de entrar na coluna de fracionamento de baixa pressão. À medida que o metano líquido desce pela coluna, a maior parte do nitrogênio restante é separada, deixando um líquido que não é mais do que cerca de 4% de nitrogênio e o restante é metano. Este líquido é bombeado, aquecido e evaporado para se tornar um gás natural atualizado. O nitrogênio gasoso é canalizado para fora do topo da coluna de baixa pressão e é ventilado ou capturado para processamento posterior.
• 8 Enquanto isso, os gases do topo da coluna de alta pressão são resfriados em um Uma vez separado do gás natural, o hélio bruto é purificado em um processo de vários estágios envolvendo vários métodos de separação dependendo da pureza do hélio bruto e da aplicação pretendida do produto final. condensador. Muito do nitrogênio se condensa em vapor e é alimentado no topo da coluna de baixa pressão. O gás restante é chamado de hélio bruto. Ele contém cerca de 50-70% de hélio, 1-3% de metano não-líquido, pequenas quantidades de hidrogênio e neon e o restante de nitrogênio.

Purificador

O hélio bruto deve ser posteriormente purificado para remover a maioria dos outros materiais. Normalmente, trata-se de um processo de vários estágios, envolvendo vários métodos de separação diferentes, dependendo da pureza do hélio bruto e da aplicação pretendida do produto final.

• 9 O hélio bruto é primeiro resfriado a cerca de -315 ° F (-193 ° C). Nessa temperatura, a maior parte do nitrogênio e do metano se condensam em um líquido e são drenados. A mistura de gás restante é agora cerca de 90% de hélio puro.
• 10 O ar é adicionado à mistura de gás para fornecer oxigênio. O gás é aquecido em um pré-aquecedor e então passa por um catalisador, o que faz com que a maior parte do hidrogênio na mistura reaja com o oxigênio do ar e forme vapor d'água. O gás é então resfriado e o vapor d'água condensa e é drenado.
• 11 A mistura de gás entra em uma unidade de adsorção com oscilação de pressão (PSA) que consiste em vários vasos de adsorção operando em paralelo. Dentro de cada recipiente existem milhares de partículas cheias de poros minúsculos. À medida que a mistura gasosa passa por essas partículas sob pressão, certos gases ficam presos nos poros das partículas. A pressão é então diminuída e o fluxo de gás é revertido para purgar os gases presos. Este ciclo é repetido após alguns segundos ou minutos, dependendo do tamanho dos vasos e da concentração dos gases. Este método remove a maior parte do vapor d'água, nitrogênio e metano restantes da mistura de gases. O hélio é agora cerca de 99,99% puro.

Distribuindo

O hélio é distribuído como gás em temperaturas normais ou como líquido em temperaturas muito baixas. O hélio gasoso é distribuído em cilindros de aço forjado ou liga de alumínio a pressões na faixa de 900-6.000 psi (6-41 MPa ou 60-410 atm). Grandes quantidades de hélio líquido são distribuídas em recipientes isolados com capacidades de até cerca de 14.800 galões (56.000 litros).

• 12 Se o hélio tiver que ser liquefeito, ou se uma pureza superior for necessária, o néon e quaisquer vestígios de impurezas são removidos passando o gás sobre um leito de carvão ativado em um O hélio é distribuído como gás em temperaturas normais ou como líquido em temperaturas muito baixas. adsorvedor criogênico operando a cerca de -423 ° F (-253 ° C). Níveis de pureza de 99,999% ou mais podem ser alcançados com esta etapa final.
• 13 O hélio é então canalizado para o liquidificador, onde passa por uma série de trocadores de calor e expansores. À medida que é progressivamente resfriado e expandido, sua temperatura cai para cerca de -452 ° F (-269 ° C) e se liquefaz.
• 14 Grandes quantidades de hélio líquido geralmente são enviadas em contêineres pressurizados sem ventilação. Se a remessa for dentro dos Estados Unidos continentais, o tempo de remessa geralmente é de menos de uma semana. Nesses casos, o hélio líquido é colocado em grandes reboques-tanque isolados, puxados por caminhões-tratores. O corpo do tanque é construído com dois invólucros com um espaço de vácuo entre o invólucro interno e externo para retardar a perda de calor. Dentro do espaço de vácuo, várias camadas de folha refletiva interrompem ainda mais o fluxo de calor do lado de fora. Para remessas prolongadas para o exterior, o hélio é colocado em contêineres especiais. Além de um espaço de vácuo para fornecer isolamento, esses recipientes também têm uma segunda concha cheia de nitrogênio líquido para absorver o calor do exterior. Conforme o calor é absorvido, o nitrogênio líquido evapora e é liberado.

Controle de qualidade

A Compressed Gas Association estabelece padrões de classificação para o hélio com base na quantidade e no tipo de impurezas presentes. Os graus comerciais de hélio começam com o grau M, que é 99,995% puro e contém quantidades limitadas de água, metano, oxigênio, nitrogênio, argônio, néon e hidrogênio. Outros graus superiores incluem grau N, grau P e grau G. O grau G é 99,9999% puro. A amostragem e análise periódicas do produto final garantem que os padrões de pureza sejam atendidos.

O Futuro

Em 1996, o governo dos Estados Unidos propôs que o programa de armazenamento de hélio financiado pelo governo fosse interrompido. Isso preocupou muitos cientistas. Eles ressaltam que o hélio é essencialmente um resíduo do processamento de gás natural e, sem uma instalação de armazenamento do governo, a maior parte do hélio simplesmente será liberado para a atmosfera, de onde escapará para o espaço e se perderá para sempre. Alguns cientistas prevêem que, se isso acontecer, as reservas conhecidas de hélio na Terra podem estar esgotadas até o ano de 2015.