Noticias 2007

Múnich 11 de abril 2007

Un sistema que convence

Recuperación de helio: un sistema a medida y totalmente impermeable

Una compañía dedicada con éxito durante más de 60 años a la técnica de sistemas de alta presión para aire respirable, aire industrial y gases técnicos, lleva años involucrada de forma intensiva en el proceso de compresión de helio. Como resultado, laboratorios de universidades e institutos de todo el mundo reciben de la compañía sistemas completos de recuperación de helio: hechos a medida y totalmente impermeables. El sistema propuesto se compone de los equipos compresores de gas, burbujas de acumulación, procesadores y elementos de almacenamiento.

Circuito: licuación del helio, recuperación y reabastecimiento

El helio líquido como medio refrigerante desempeña un papel cada vez más importante en las ciencias en términos de investigación, y en la utilización de aparatos altamente sensibles. Sin embargo, sólo pueden obtenerse cantidades limitadas del preciado helio como recurso por medio de la extracción de gas natural, y, por esta razón, se trabaja para tratar el helio en circuitos cerrados: los equipos de licuación enfrían el helio a una temperatura de -269 ºC hasta convertirlo en gas licuado. Con este líquido criogénico se manejan aparatos tales como superimanes (p.ej. en tomografía de resonancia magnético-nuclear) o sensores altamente sensibles con bajo ruido. El helio de escape se recoge y comprime, y el proceso de licuación tiene lugar de nuevo.

Propiedades y extracción

El helio es, después del hidrógeno, el elemento más ligero; inerte químicamente, posee una alta difusividad y tiene el punto de ebullición más bajo de todos los gases en -269 ºC (4,2 Kelvin). Debido a su baja densidad, el helio es muy ligero y es muy apropiado para usarse como gas inerte en globos dirigibles, por ejemplo. Un litro de helio líquido pesa unos 30 g y alcanza los 730 l de gas cuando se calienta a temperatura ambiente.

Al contrario que muchos gases industriales, que se extraen directamente del aire por medio de la destilación, en el caso del helio esto no es posible. El helio sólo se extrae de forma rentable de fuentes de gas natural ricas en helio (más de 2%), las cuales no son muy frecuentes. Hoy en día sólo hay cuatro fuentes de relevancia en todo el mundo, en Wyoming/EEUU, Orenburg/Rusia, Sonatrach/Argelia y una más pequeña en Polonia.

El helio se separa del resto por medio de la destilación de gas; se almacena a presión ambiente y del mismo modo se transporta posteriormente como líquido poco voluminoso en contenedores especiales (aprox. 40 000 l) de aislamiento total por vacío. Una vez en los centros de distribución locales, el helio se decanta en pequeños recipientes para su distribución al cliente final. El precio de un litro de helio líquido varía en la actualidad entre 7 y 10 euros.

Campos de aplicación

El helio en estado gaseoso se utiliza, como ya se ha mencionado, en la navegación aérea; también como gas protector en diversos procesos (química, metalurgia, producción con semiconductor); como gas de prueba para medición de fugas (en equipos de aire acondicionado e industria del automóvil, entre otros); en buceo como mezcla de inmersión y también como medio refrigerante inerte para aplicaciones maquinarias especiales.

El helio en estado líquido se utiliza casi exclusivamente como agente refrigerante para mantener en estado óptimo algunas características materiales a temperatura baja. Como resultado de la transición entre el estado conductivo normal al estado superconductivo, se pueden generar imanes muy potentes y con ellos, campos magnéticos enormes (p.ej. tomografía de resonancia magnético-nuclear). También, al reducir la temperatura, el ruido electrónico disminuye de tal manera que la relación señal - ruido puede mejorar considerablemente a temperaturas bajas (detectores refrigerados por helio).

Equipo de licuación de helio

Equipo de compresión de helio con ejecución impermeable, recolector de condensado y almacenamiento de alta presión. Volumen de producción de gas 720 l/min

La Universidad de Constanza, en Alemania, lleva trabajando desde hace casi 30 años en su propia planta de licuación para la extracción del posterior helio. La producción anual de más de 70 000 l de helio líquido da soporte a 42 experimentos y equipos asociados en el campo de las ciencias naturales. Junto a las aplicaciones en física se encuentran también equipos de las áreas de química, biología y psicología. Alrededor de 100 personas trabajan directamente en experimentos con helio líquido.

El sistema de la Universidad de Constanza incluye (convertidos) 5 500 l de helio líquido. Cada año es necesario rellenar unos 2 300 l para compensar las pérdidas, lo que significa que cada litro de helio líquido pasa por el proceso de licuación y extracción unas 30 veces antes de que el gas finalmente se escape por inevitables fugas.

Técnicamente es muy difícil y costoso licuar helio. Al contrario que con la separación de aire, donde la licuación se produce sólamente por descompresión del gas y refrigeración contracorriente, en la licuación del helio es necesario un enfriamiento previo por medio de una turbina, lo que supone una especial complejidad técnica del sistema. Por esta razón es mucho más económico contar con un equipo central de licuación y transportar posteriormente el líquido criogénico hasta el cliente final.

Los procesos de licuación de gas, además, requieren una gran cantidad de energía. La unidad de licuación instalada en Constanza tiene un rendimiento de 20 l de helio líquido a la hora. Se alimenta de un compresor con una presión de salida de 10 bar y tiene una capacidad de 800 Nm³/h, con un motor eléctrico de 90 kW.

Sin embargo, el proceso de licuación es sólo la mitad de la planta de helio; la otra mitad corresponde a la recuperación gas helio que se ha evaporado de los equipos y aparatos. Para ello, se ha instalado en todos los edificios una red de tuberías que transporta el gas helio desde los experimentos a la burbuja central de acumulación de gas. Cuando esta está llena, un sensor de control de nivel activa los compresores, que toman el gas, lo comprimen a 300 bar y lo almacenan en contenedores de alta presión. Es desde estos contenedores desde donde se abastece de nuevo la unidad de licuación, y de este modo se completa el circuito del helio.

Unidad de recuperación

Debido a su alta difusividad (diámetro atómico muy pequeño), el helio es capaz de penetrar por las ranuras más estrechas y poros, lo que conlleva pérdidas de gas en el sistema. Para minimizar esos escapes, las tuberías deben fabricarse adecuadamente. En Constanza, las tuberías están fabricadas en cobre y conectadas con racores soldados. En realidad las tuberías no tienen que soportar altas presiones, pero las fluctuaciones térmicas del transporte del helio producen una enorme carga (p.ej. cuando se evacua el gas criogénico). Los sistemas de recuperación, por su parte, están formados por tuberías de acero inoxidable soldados orbitalmente. También los compresores de alta presión presentan unos requisitos aún mayores a los compresores que operan con aire: además del grosor indispensable, los compresores de helio necesitan una mayor refrigeración, debido a la mayor capacidad térmica en comparación con el aire; y por esta razón también exigen una mayor calidad individual de sus componentes (p.ej. las válvulas).

Ingeniería fiable

La empresa BAUER KOMPRESSOREN lleva años trabajando en el campo de la compresión de helio. Todas las unidades de alta presión para la compresión de gas, desde el modelo Vertikus (con un volumen de producción de 80 l/min) hasta las grandes unidades (con volúmenes de 650 l/min), poseen un sistema cerrado impermeable a los gases y presentan un índice de fuga de menos de 1, 2 hasta 20 mbar l/s máximo. Los compresores de alta presión están controlados por el sistema de control de la burbuja de gas y dependen del nivel de llenado de la misma, activándose y desactivándose según corresponda.

Conclusión

Debido a la creciente demanda y a la limitada capacidad de extracción, los precios del helio siguen aumentando. Sin embargo, no hay alternativa real por el momento a la licuación de helio, salvo la licuación del hidrógeno con su elevado potencial de riesgo. En términos ecológicos esto significa que la fuente de helio debe utilizarse con mucha precaución. BAUER KOMPRESSOREN contribuye a esta acción con su línea de compresores de alta presión de la más alta calidad.

Autor:
Ludwig Kühlwein
Ingeniero de Proyectos, Ingeniería Industrial