Gás de petróleo

Hélio: um subproduto da indústria de gás natural



As propriedades exclusivas do hélio fazem dele o gás perfeito para muitas aplicações importantes


Dirigível de hélio: A maioria das pessoas já ouviu falar em hélio sendo usado como gás de elevação para balões meteorológicos, balões e balões de festa. Estes são usos muito menores de hélio. O uso que consome mais hélio do que qualquer outro é o resfriamento dos ímãs nas máquinas de ressonância magnética nas instalações médicas. Foto do dirigível da Goodyear por Derek Jensen.

O que é o hélio?

O hélio é um elemento químico e um gás inerte incolor, inodoro, insípido e insípido. Possui o menor raio atômico de qualquer elemento e o segundo menor peso atômico. É mais leve que o ar.

A maioria das pessoas sabe que o hélio é usado como gás de elevação em balões e balões de festa, mas não pode nomear outra maneira pela qual é usado. O uso número um de hélio é como gás de resfriamento para máquinas de ressonância magnética (RM) usadas em instalações médicas. Outros usos importantes do hélio incluem: um gás protetor para soldagem, um gás inerte para a fabricação de atmosfera controlada, um gás fugitivo usado para detecção de vazamentos e um gás de baixa viscosidade para misturas respiratórias pressurizadas.

De onde vem o hélio?

Muito pouco hélio está presente na atmosfera da Terra. É um elemento tão leve que a gravidade da Terra não pode sustentá-lo. Quando presente na superfície da Terra, o hélio não confinado começa imediatamente a subir até escapar do planeta. É por isso que balões de festa se erguem!

O hélio produzido comercialmente é obtido do solo. Alguns campos de gás natural têm hélio suficiente misturado com o gás que pode ser extraído a um custo econômico. Alguns campos nos Estados Unidos contêm mais de 7% de hélio por volume. As empresas que perfuram gás natural nessas áreas produzem o gás natural, processam e removem o hélio como subproduto.

Depósitos de gás natural com hélio: Modelo de depósito para campos de gás natural com hélio nos Estados Unidos. O hélio é produzido pela decomposição do urânio e do tório nas rochas granitóides do subsolo. O hélio liberado é flutuante e se move em direção à superfície em porosidade associada a falhas no porão. O hélio então se move para cima através de uma cobertura sedimentar porosa até ficar preso com gás natural sob leitos de anidrita ou sal. Estes são os únicos tipos de rochas com persistência lateral que são capazes de capturar e conter os minúsculos átomos de hélio flutuantes. Essa situação geológica ocorre apenas em alguns locais do mundo e é por isso que ricas acumulações de hélio são raras.

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Por que o hélio está presente em algum gás natural?

Pensa-se que a maior parte do hélio removido do gás natural se forme da decomposição radioativa do urânio e do tório em rochas granitóides da crosta continental da Terra. Como um gás muito leve, é flutuante e procura subir para cima assim que se formar. As acumulações mais ricas de hélio são encontradas onde existem três condições: 1) as rochas do subsolo granitóide são ricas em urânio e tório; 2) as rochas do porão estão fraturadas e com falhas para fornecer caminhos de fuga para o hélio; e 3) rochas sedimentares porosas acima das falhas do porão são tapadas por uma vedação impermeável de halita ou anidrita. 1 Quando todas essas três condições são atendidas, o hélio pode se acumular na camada porosa da rocha sedimentar.

O hélio tem o menor raio atômico de qualquer elemento, cerca de 0,2 nanômetros. Assim, quando se forma e começa a se mover para cima, pode se encaixar em espaços porosos muito pequenos dentro das rochas. Halita e anidrita são as únicas rochas sedimentares que podem bloquear a migração ascendente dos átomos de hélio. Os folhelhos que têm seus espaços porosos obstruídos com materiais orgânicos abundantes (querogênio) às vezes servem como uma barreira menos eficaz.

Depósitos de gás natural com hélio: Mapa mostrando os campos de gás natural que servem como importantes fontes de hélio nos Estados Unidos. O gás natural produzido a partir desses campos contém entre 0,3% e mais de 7% de hélio. O hélio é removido do gás para venda comercial. Imagem usando dados de localização do United States Geological Survey. 2

Onde está o gás natural rico em hélio?

A maioria dos gases naturais não processados ​​contém pelo menos quantidades vestigiais de hélio. Muito poucos campos de gás natural contêm o suficiente para justificar um processo de recuperação de hélio. Uma fonte de gás natural deve conter pelo menos 0,3% de hélio para ser considerada uma fonte potencial de hélio.

Recursos mundiais de hélio
PaísBilhões de Metros Cúbicos
Estados Unidos20.6
Catar10.1
Argélia8.2
Rússia6.8
Canadá2.0
China1.1
Os valores acima são recursos estimados de hélio dos resumos de USGS Mineral Commodity. 3

Em 2010, todo o gás natural processado para hélio nos Estados Unidos veio de campos no Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah e Wyoming, conforme mostrado no mapa que o acompanha. O campo de Hugoton em Oklahoma, Kansas e Texas; o Campo de Panoma, no Kansas; o campo de Keyes em Oklahoma; os campos Panhandle West e Cliffside, no Texas, e o campo Riley Ridge, em Wyoming, são responsáveis ​​pela maior parte da produção de hélio nos Estados Unidos. 2

Durante 2010, os Estados Unidos produziram 128 milhões de metros cúbicos de hélio. Desse montante, 53 milhões de metros cúbicos de hélio foram extraídos do gás natural e 75 milhões de metros cúbicos foram retirados da Reserva Nacional de Hélio. Outros países com quantidades conhecidas de produção foram: Argélia (18 mcm), Catar (13 mcm), Rússia (6 mcm) e Polônia (3 mcm). O Canadá e a China produziram quantidades pequenas, mas não relatadas, de hélio. 3

Hélio em máquinas de ressonância magnética: O uso número um de hélio é o resfriamento dos ímãs nas máquinas de ressonância magnética usadas para diagnosticar doenças e lesões em instalações médicas.

Um novo uso do hélio: O primeiro disco rígido selado com hélio foi produzido em 2013. O hélio permite que o disco use menos energia, produza menos calor, faça menos ruído, ocupe menos espaço, mantenha mais dados e produza menos vibrações do que um disco rígido padrão. Saber mais. foto

Usos do hélio

O hélio possui várias propriedades que o tornam excepcionalmente adequado para certos usos. Em alguns desses usos, o hélio é o melhor gás possível e, em alguns casos, não há substituto adequado para o hélio. Vários usos do hélio, juntamente com as propriedades que o tornam adequado para o uso, são descritos abaixo.

Imagem de ressonância magnética

O uso número um de hélio está nas máquinas de ressonância magnética usadas em instalações médicas para avaliar lesões e diagnosticar doenças. Essas máquinas utilizam um campo magnético produzido por um ímã supercondutor. Esses ímãs geram uma quantidade enorme de calor. O hélio líquido é a substância de resfriamento escolhida para regular a temperatura desses ímãs. Como o hélio possui o segundo menor calor específico de qualquer gás e o menor ponto de ebulição / fusão de qualquer elemento, não há substituto previsto para o hélio nesse uso muito importante.

Gás de elevação

O hélio tem o segundo menor peso atômico de qualquer elemento. Somente o hidrogênio tem um peso atômico menor. Como um gás mais leve que o ar, o hélio tem sido usado como um "gás de elevação" para aeronaves e balões. Balões, dirigíveis, zepelins, balões antiaéreos, balões meteorológicos e outras embarcações mais leves que o ar usaram hélio como gás de elevação. É muito mais seguro que o hidrogênio, porque não é inflamável. Essa foi a categoria mais importante de uso de hélio até o final da Segunda Guerra Mundial. Quantidades muito mais baixas de hélio agora são usadas como gás de elevação.

Gás de purga: O hélio é usado pela NASA e pelo Departamento de Defesa para purgar oxigênio líquido e hidrogênio líquido de tanques de combustível e sistemas de fornecimento de combustível de motores de foguete. O hélio é inerte e tem uma temperatura de congelamento tão baixa que permanece um gás durante o processo de purga. Até um fluxo de hélio nesses sistemas foi usado durante emergências para extinguir incêndios. Imagem da NASA.

Misturas respiratórias de hélio: O hélio é usado para preparar misturas de gases respiratórios para mergulho em águas profundas. O hélio é inerte e apresenta baixa viscosidade sob pressão, o que facilita a respiração. Imagem de NOAA.

Gás de purga

O hélio possui o menor ponto de fusão e ebulição de qualquer gás. Derrete e ferve a temperaturas próximas ao zero absoluto. Como permanece um gás a temperaturas muito baixas, pode ser usado como gás de purga para tanques de combustível e sistemas de fornecimento de combustível que são preenchidos com líquidos muito frios, como hidrogênio líquido e oxigênio líquido. Por ser inerte e ter uma baixa temperatura de congelamento, ele pode substituir esses combustíveis com segurança sem congelar. Grandes quantidades de hélio são usadas pela NASA e pelo Departamento de Defesa para purgar sistemas de propulsão de foguetes.

Fabricação de Atmosfera Controlada

O hélio é um gás inerte. O único gás com menor reatividade é o néon. Essa baixa reatividade faz do hélio um gás valioso para uso em processos de fabricação e reparo quando é necessária uma atmosfera inerte. O hélio também possui a segunda menor densidade de qualquer gás, além de uma condutividade térmica muito alta. Essas propriedades do gás hélio fazem dele a atmosfera ideal para muitos processos metalúrgicos, produzindo cristais perfeitos em vapores químicos, fabricando fibras ópticas e outros usos.

Detecção de vazamento

O hélio tem uma viscosidade muito baixa, um alto coeficiente de difusão e o menor átomo de qualquer elemento. Essas características tornam o hélio muito difícil de conter. Se um sistema tiver um vazamento, o hélio escapará. Portanto, o gás hélio é usado para testar sistemas de alto vácuo, sistemas de combustível e outras contenções quanto a vazamentos.

Misturas para respiração

O hélio e outros gases inertes são usados ​​para preparar misturas respiratórias para mergulho em águas profundas e tratamentos médicos. O hélio é usado aqui porque é inerte, tem uma viscosidade muito baixa e é mais fácil respirar sob pressão do que qualquer outro gás.

Gás de soldagem

O hélio é usado como uma atmosfera protetora durante a soldagem. Uma atmosfera de gás inerte protege os metais quentes da oxidação e de outras reações que podem ocorrer rapidamente em altas temperaturas.

Usos de hélio: Quantidades relativas de hélio consumidas por vários usos nos Estados Unidos durante 2011. Gráfico usando dados do USGS.

Hélio: um recurso não renovável

O hélio é um gás encontrado apenas onde ocorre uma coincidência de situações improváveis. Embora esteja sendo produzido continuamente por decaimento mineral radioativo na crosta terrestre, sua taxa de produção e acumulação natural é tão lenta que deve ser considerada um recurso não renovável.

Informação sobre Hélio
1 Hélio no Novo México: Ronald F. Broadhead, Geologia do Novo México, Departamento de Geologia e Recursos Minerais do Novo México, Instituto de Mineração e Tecnologia do Novo México, novembro de 2005.
2 Hélio 2010: Joseph B. Peterson e Peter J. Madrid, Anuário de Minerais, Estados Unidos Geological Survey, janeiro de 2012.
3 Hélio 2012: Peter J. Madrid, Resumos de commodities minerais, Estados Unidos Geological Survey, janeiro de 2012.
4 Venda da Reserva de Hélio da Nação: Comitê para a compreensão do impacto da venda da reserva de hélio, Conselho Nacional de Pesquisa, The National Academies Press, 2010.
5 Depoimento sobre a Lei de Administração de Hélio de 2013: Depoimento perante o Subcomitê de Energia e Recursos Minerais da Câmara dos Deputados, Escritório de Prestação de Contas do Governo dos Estados Unidos, GAO-15-734T, 8 de julho de 2015.
6 Preços em alta do hélio podem aumentar as vendas de balões: Rachel Rodgers e Sharon Barricklow, um artigo na Decatur Herald-Review, fevereiro de 2015.

Glúteos de hélio e escassez de hélio

Em 1925, os Estados Unidos estabeleceram a Reserva Nacional de Hélio para servir como suprimento estratégico de hélio para uso em aeronaves e para outros fins de defesa. Naquela época, o país produzia muito mais hélio do que estava sendo consumido. Após a Segunda Guerra Mundial, a quantidade de hélio usado como gás de elevação declinou, mas a demanda por hélio como gás de purga ao reabastecer motores de foguetes e como refrigerante nas instalações de armas nucleares aumentou. Ainda assim, mais hélio estava sendo produzido do que consumido.

Em 1995, o Congresso decidiu que a Reserva Nacional de Hélio não era essencial e iniciou um programa para vender o hélio como parte da Lei de Privatização do Hélio de 1996. 4 Por quase duas décadas, o Congresso permitiu que o hélio fosse vendido com um desconto enorme para o uso gratuito. preços de mercado. Até metade da demanda mundial de hélio estava sendo atendida por meio de vendas da Reserva Nacional de Hélio. Em alguns anos, mais hélio foi exportado dos Estados Unidos para outros países do que consumido internamente. 2 Aqueles que compraram hélio do governo fizeram um acordo fantástico, e aqueles que compraram hélio no mercado livre pagaram um preço muito mais alto.

O despejo de ações da Reserva Nacional de Hélio no mercado reduziu tanto o preço do hélio que estava sendo usado como um substituto barato para o argônio e outros gases que têm uma oferta muito menos limitada.

Como a produção comercial de hélio não foi recompensada ou muito utilizada, o mercado ficou insuficiente quando as vendas da Reserva Nacional de Hélio foram substituídas por um sistema de leilão em 2014. No primeiro leilão, dois licitantes compraram a alocação anual inteira de 93 milhões de pés cúbicos de hélio a mais do que o dobro do preço de mercado do ano anterior. Após o leilão, outros 1 bilhão de pés cúbicos foram vendidos para os mesmos dois concorrentes. 5

Desde o primeiro leilão, o preço do hélio continuou a subir porque a produção de novo hélio fica aquém do consumo. O aumento de preço provocou investimentos em novas plantas de processamento de hélio. No entanto, o hélio só pode ser produzido a partir de campos de gás natural com sal ou anidrato como uma armadilha. Isso ocorre apenas em algumas partes do mundo.

Segundo a lei atual, a Reserva Nacional de Hélio estará esgotada até 2021. Esperançosamente, o aumento do investimento em plantas de recuperação de hélio será adequado para atender às necessidades dos consumidores de hélio quando essa importante fonte de hélio desaparecer.