"ELECTROQUIMICA Y CORROSION” “TEORIA DE LA OBTENCION

IN S TITU TO
P O LIT EC N IC O
Escuela Superior
e
de
N A CIO N A L
Ingeniería Q u i m i c a
Industrias Extractivas
SEMINARIO
DE
TITULACION
"ELECTROQUIMICA Y CORROSION”
“TEORIA DE LA OBTENCION OE HIDROGENO ELECTROLITICO”
TRABAJO
Que
para
INGENIERO
R ECEP CIO N A L
obtener
QUIMICO
el Título
de
INDUSTRIAL
p r e s e n t a n
Archnndia Romero Sofía iraceli
Castañeda Andrade José Lnis
Martínez Romano Jerónimo
(Irtiz Lucas Honorio
Rosas (inerrero José Ricardo
Orientador:
Dr.
JOSE
GONZALEZ
CASTILLO
México, D. F. S e p t i e m b r e
de 1987
TEORIA DE LA OBTENCION DE
HIDROGENO ELECTROLITICO
TEMARIO.
INDICE.
RESUMEN.
INTRODUCCION.
A
II.
III.
GENERALIDADES.
METODOS DE OBTENCION.
PROCESO ELECTROLITICO PARA LA
OBTENCION DE HIDROGENO.
TV.
V.
CORROSION.
SEGURIDAD INDUSTRIAL.
CONCLUSIONES.
BIBLIOGRAFIA.
tnd :cc
Págs.
RESUMEN.
I.
INTRODUCCION.
¿
.
GENERALIDADES.
4
1.1. Descripción del elemento Hidrógeno.
II.
III.
1.2. Propiedades físicas y química.
g
I.Í. Usos.
s
DIFERENTES METODOS DE OBTENCION.
PROCESO ELECTROLITICO PARA LA OBTENCION DE i.IDROGENO
17
111.1. Acondicionamiento del agua.
21
111.2. Rectificación de corriente.
30
111.3. Electrólisis.
III.4.
II1.5.
IV.
V.
*2
38
a) Descripción de la celda electrolítica.
38
b) Fenómenos electroquímicos.
47
c) Teoría de la obtención
52
Operaciones subsecuentes.
69
a) Regulación de presión y compresión.
69
b) Secado y filtrado.
70
Almacenamiento.
73
a) Tanques.
73
b) Cilindros.
73
c) Bancos de cilindros.
7r.
d) Plataformas.
78
CORROSION
SEGURIDAD INDUSTRIAL.
CONCLUSIONES.
BIBLIOGRAFIA.
79
88
RESU, iEN
É .ravés de es*.e c ?¡,a t .
;
para la obtención,
ios 'industriales del elemento
i
.
hidrógeno en estado raí.'.
sa en conocí mi en eos o i«je
algunos conocimiento, vtsicoS
II desarrollo del trabajo se ba
_os aplicados en la electróli
sis del agua pura para i => oo's-ación del hidrógeno y del oxí­
geno
gasesos.
Primero, se da una información general del hidrógeno que com­
prende. su historia, propiedades físicas y químicas, y usos
orincipales.
En seguida se mencionan algunos de los diferen­
tes métodos de obtención del hidrógeno.
Se describe el proceso electrolítico para la obtencion de1
hidrógeno en estado gaseoso, de una manera S'rnle.
Se des­
criben cada una de las etapas que forman dicho proceso ta­
les cono, el acondicionamiento del agua o materia purria, la
rectificación de corriente; la electrólisis; las operaciones
subsecuentes; y se mencionan brevemente los diferentes tipos
de recipientes para su almacenamiento en estado gaseoso.
En otro capí.ulo se mencionan algunos de los diferentes ti­
pos de corrosión y en base a ellos se pretende suponer el
lugar o zonas donde se pueda presentar el fenómeno de corro­
sión dando las posibles protecciones contra este mal.
2
INTRODUCCION
En base a los resultados
favorecidos de
una rapida investigación y
de cuanta y que información se tiene respecto al elemento hidrógeno,
se pretende introducir a la literatura técnica, más conocimientos de
estudio de este elemento.
Conocimientos que al ser consultados necesi
tan como todo trabajo consultar siempre la bibliografía que se mencio­
na.
Por lo anterior, se considera que la importancia que tiene el trabajo
es, dar a conocer algunos de los principios básicos para la obtención
de hidrógeno, mediante el proceso electrolítico del agua, dada su
importancia para usos industriales.
También dar a conocer el proceso electrolítico para la obtención del
hidrógeno gas, mencionando y analizando en forma sencilla cada una de
las etapas de este proceso, así como cada uno de los equipos que par­
ticipan en él.
De esta manera, al
revisar éste trabajo, se tendrá
una información más clara de como se obtiene esté gas.
Ahora bien, con esta información se podrá realizar la estimación
simple de un anteproyecto de la instalación de una planta generadora
de hidrógeno, considerando en este caso: materia prima a utilizar, c a ­
lidad y cantidad de producto generado, la maquinaria, equipo, herrami­
entas e instalaciones a utilizar y montar.
Por otra parte, se considera como factor primordial: cuál será el nú­
mero y preparación del personal con que se puede contar para la opera­
ción de este tipo de plantas, ya que en torno a ellos gira el buen fun
cionamiento de toda la planta en general, incluyendo métodos operati­
vos, administrativos, de seguridad, normas, políticas, estados de ins­
talaciones, rendimiento de las máquinas y equipo, y duración de estos
mismos
3
Se pretende exponer en forma breve los riesgos a los que se está expu­
esto en el manejo y almacenam1ento del hidrógeno gas, proponiendo cier
tas medidas generales de seguridad.
Por ultimo se pretende determinar los posibles lugares donde se presen
te la corrosión en los recipientes de su almacenamiento, sugiriendo la
protección más adecuada para este fenómeno.
Esto es, debido a que co­
mo el hidrógeno gas que se almacena a altas presiones, presenta un pe­
ligro para cuando éste escape por alguna fuga y se convierta en una
zona de alto riesgo.
4
I. GENERALIDADES
1 . 1.
DESCRIPCION DEL ELEMENTO HIDROGENO ( H ?)
El hidrógeno se obtuvo por primera vez por el suizo Paracelso (Borabastus
Von Hohensheim), en el siglo XVI, tratando el hierro con ácido sulfúrico,
conocido como aceite vitriolo en esa época.
Posteriormente Van Helmont en 1609 descubrió que era combustible pero no
comburente.
Henry Cavendish lo aisló por vez primera en 1766 y señaló algunas de sus
propiedades especificas demostrando que al arder en el aire forma agua
en estado gaseoso el cual condensaba por enfriamiento.
Estudiando lo
anterior Lavoisier en 1783 lo llamó hidrógeno que significa "generador
de agua;l: genos, generación, idor; agua.
El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica, cuyo símbolo
es H2
El H2 tiene solo un electrón se asemeja a los metales alcalinos, pero
debido a que este electrón no esta cubriendo una capa estable sino que
esta fuera del núcleo, la química deles muy diferente
tales alcalinos.
Por eso el hidrógeno
a la de los
me­
en su estado cristalino no es un
metal sino un sólido molécular, en el cual un enlace covalente mantiene
unidos a los 2 átomos, en el estado de
vapor los metales
alcalinos for­
man también moléculas del tipo Na,, .
Debido a que el núcleo del átomo de H2 ssta formado por una sola partí­
cula elemental, el protón, el l-^ desempeña una función muy singular en
la química nuclear y en la química cósmica del universo.
el 90 % de la masa del sol esta formada por H2
H2 sea el elemento más abundante en el universo.
Se cree que
Bien pudiera ser que el
5
En t é r m i n o s de nú me r o s de át om os es p o s i b l e qu e el H2 ^ea el
m á s a b u n d a n t e s o b r e la tierra,
gero,
s o l a m e n t e o c u p a el
9-
pero,
32 elemento
d e b i d o a que es un e l e m e n t o m u y l i ­
lu ga r en t é r m i n o s de m a s a total
en la c o r t e ­
za te rr es tr e.
El
K , m u y '-aras v e c e s se e n c u e n t r a en la n a t u r a l e z a en su e s t a d o e l e m e n -
cal; en o c a s i o n e s
ha y in d i c i o s de l^ en
los ga se s de los vo l c a n e s y en
la a t m ó s f e r a su pe ri or .
A p r o x i m a d a m e n t e 2 / 3 part es el c u e r p o h u m a n o c o n s i s t e de agua,
lo que
s i g n i f i c a qu e é s t e es má s o me no s el 10 % de H, en peso.
Es m u y c o m ú n el fi c o m b i n a d o en la h u l l a y el p e t r ó l e o t a m b i é n se le
e n c u e n t r a en a l g u n o s m i n e r a l e s ,
t a le s c o m o la ar ci ll a.
1.2
PROPIEDADES F I S I C AS Y QUIMICAS.
. P R O P I E D A D E S K S I C h S DEL HIDRO GEN O.
"1 á t om o de H c u y a m a s a es de 1. 00 78 3 U.M.A.
del
constituyen
H natural, y es t e c o n t i e n e ta m b i é n 0 . 01 46
terio
(H pe sa do ) co n m a s a 2 . 0 1 4 0 8 y p r o p o r c i o n e s
H hiperpesado,
co n m a s a de 3. 0 1 6 0 3 U.M.A.
el 9 9 . 9 8 4 4 %
de i s o t o p o
ll am ad o de u-
i n f i n i t a s de
ver Fig.
No.
tritio,
1.
El Hj Sn c o n d i c i o n e s n o r m a l e s de pr e s i ó n y t e m p e r a t u r a es un ga s ín co lo
ro,
in sípi do ,
no t ó x i c o e infl am ab le .
Es mu y di fu s i b l e ,
es d e c i r a t r a v i e s a con f a c i l i d a d m a t e r i a l e s
al gu n o s m e t a l e s qu e se e n c u e n t r a n al ro jo
e s p e c i f i c o t i e n e g r a n p o d e r as ce nc io na l
vivo. D e b i d o a
y además
poro so s
su po co pe so
es bu en c o n d u c t o r del
c a l o r y de la c o r r i e n t e e l éc tr ic a.
Es so lu b l e en unos 50 v o l ú m e n e s de ag ua
A 0 "C
. P R O P I E D A D E S Q U I M I C A S DEL HIDR OG EN O.
Es un e l e m e n t o f u e r t e m e n t e e l e c t r o p o s i t i v o ,
so e l e c t r o l í t i c o
es d e c i r d u r a n t e el p r o c e ­
se d i r i g e h a ci a el c á t o d o o p o l o n e g a t i v o .
c o m b u s t i b l e no un c o m b u r e n t e y a q u e ar de en el
ro co n f l am a
Es un
a i r e o en el o x í g e n o pu
p á l i d a no l u m i n o s a y co n gran d e s p r e n d i m i e n t o d e calor
f o r m a n d o v a p o r de agua.
E l i m i n a f á c i l m e n t e el o x í g e n o de las s u b s t a n c i a s qu e lo c o n t i e n e n ,
zón por la cual
ra­
se d i c e que es un e n é r g i c o re d u c t o r .
En c o n d i c i o n e s n o r m a l e s de pr e s i ó n y t e m p e r a t u r a m a n i f i e s t a p o c a e n e r ­
g í a qu ím ic a,
' e a c c i o n a n d o ú n i c a m e n t e co n gran v i v e z a co n el f l ú o r i n ­
c l u s o a t e m p e r a t u r a s m u y ba ja s
Presenta propiedades
(del or de n de los
ác id o bá sicas.
-2 40 °C).
HIDROGENO
1 E Y 1P
DEUTERIO
1E/1B Y 1N
E=ELECTRO N
N
P= PROTON K!= NEUTRON
FIG. No. 1
EL HIDROGENO Y SUS ISOTOPOS.
8
1.3
USOS.
. USOS DEL HIDROGENO.
El
h i d r o g e n o se u t i l i z ó en o t r a é p o c a en g r a n d e s c a n t i d a d e s para i n f l a r
gl ob os ,
ho y se p r e f i e r e el
En la a c t u a l i d a d el
he li o y a q u e no es fl amab le .
uso más i m p o r t a n t e del
h i d r ó g e n o es
la p r o d u c c i ó n
de a m o n i a c o s i n t é t i c o y de me ta no !.
Se us a en la h i d r o g e n a c i ó n de ac ei t e s y gras as ,
margarina,
etc.,
bricantes,
etc.
pa ra p r o d u c i r ma nt ec a,
t a m b i é n p a r a la f a b r i c a c i ó n de j a bo ne s,
pi nt ur as ,
lu­
Por la h i d r o g e n a c i ó n de h u l l a p u e d e n o b t e n e r s e g a s o l i n a y u o m b u s t o l e o ,
só lo que é s t e p r o c e d i m i e n t o no p u e d e c o m p e t i r co n
dos a p a r t i r del
El
los p r o d u c t o s o b t e n i ­
pe tr ól eo .
h i d r ó g e n o se c o m b i n a con el c l o r o p a r a p r o d u c i r ac id o c l o r h í d r i c o a
escala indu st ri al.
En la i n d u s t r i a m e t a l ú r g i c a el h i d r ó g e n o es u s ad o c o m o a g e n t e r e d u c t o r
de ó x i d o s y p a r a p r e v e n i r la o x i d a c i ó n d u r a n t e el
de al gu n o s m e t a l e s y / o en la p r o d u c c i ó n de a l g u n a s
tratamiento térmico
al ea c i o n e s ,
el
hidró
ge n o l í q u i d o es ta s i en do u t i l i z a d o r e c i e n t e m e n t e c o m o c o m b u s t i b l e s en
misiles
y c o h e t e s e s pe ci al es .
En un f u t u r o p o d r í a ser u s ad o c o m o c o m b u s t i b l e p a r a los m e d i o s de t r a n s
p o r t a c i ó n t e r r e s t r e , y a qu e r e d u c e c o n s i d e r a b l e m e n t e la c o n t a m i n a c i ó n
ya
q u e só lo p r o a u c e ó x i d o s de n i tr óg en o.
El
h i d r ó g e n o se us a c o m o c o m b u s t i b l e en el s o p l e t e o x h í d r i c o pa ra s o l d a r
y c o r t a r a l g u n o s m e t a l e s c o m o el
a l u m i n i o y el m a g n e s i o d e b i d o a q u e
f l a m a p r o d u c i d a en es te s o p l e t e l l eg a a a l c a n z a r t e m p e r a t u r a s de
a u n q u e no es r e c o m e n d a b l e y a que es un e l e m e n t o a l t a m e n t e e x p l o s i v o ,
lo qu e se p r e f i e r e el
acet il en o.
la
Z200CC,
por
E s t a f l a m a ta mb i é n
se u t i l ' z a en d i f e r e n t e s
trabajos durante
la fabri
c a c i ó n de c u a r z o y vidrio.
T a m b i é n es u t i l i z a d o co m o c o m b u s t i b l e en c r o m a t o g r a f í a de ga se s es pe c
r i c a m e n t e en el d e t e c t o r de io ni z a c i ó n de f l a m a
del m i s m o el cual
r e a l i z a el
(que es un a d i t a m e n t o
a n ál is is c u a n t i t a t i v o ) .
Se u t i l i z a c o m o r e f r i g e r a n t e en los g r a n d e s g e n e r a d o r e s e l éc tr ic os .
10
DETERMINACION DEL NUMERO DE ATOMOS DE HIDROGENO EN 1L. d e HgO .
El
h i d r ó g e n o se e n c u e n t r a p r e s e n t e en
1L = 1kg,
W h i d r ó g e n o = 10 00
Whidrógeno
W h i d r ó g e n o = 111.1
W t r i t i o = 111.1
Atg.
' pe so en el agua.
= lOOOg.
(0.1111)
- 111.1 *
11.11
= 111.1
g.
0 . 9 9 9 8 = 1 1 1 . 0 7 7 7 8 g.
* 0 . 0 0 0 1 4 6 = 0 . 0 1 6 2 2 0 6 g.
* 0 0 0 0 0 5 4 = 0 . 0 0 5 9 9 4 g.
H i d r ó g e n o = 1 1 1 . 0 7 7 7 8 g.
= 1 1 0 . 2 0 7 1 4 Atg.
Hi d- ó r e n o .
1. 00 79 g/Atg.
Atg. D e u t e r i o
= O.Di62206g
=
1. 98 74 x 1 0 ’ '
J Atg. T
c
3 . 0 1 6 g/At g
No.
á t om os de h i d r ó g e n o I 1 1 0 . 2 0 7 1 4 * 5 . 0 2 3 x 1 0 ^ = 6 . 6 3 8 x l 0 25 át om os
No.
á t om os de D e u t e r i o = 8 . 0 5 3 9 2 x 1 0 ~ J * 6 . 0 2 3 x 1 0 2 3 = 4 . 8 5 x l 0 ¿ 1 á t om os
No.
át om os de T r i t i o » 1 . 9 8 7 4 x 1 0 ’ 3 * 6 . 0 2 3 x 10""'=1.197x10 21 á t o m o s
11
Propiedad No.Atónico
Configuración
Electrónica
Masa-t- Punto de
Atónica Fusión °C
Elemento
H
1
Is1
1.0079 -259.2
Punto de Calor de
Ebullición Fusión
°C
k£AL/M0L
Calor de
Vaporización
•
-252.7
0.014
0.108
Energía
Radio
Calor
Hidrógeno
. A la tenperatura de ebullición,
t Temando cono base el carbono 12.
Propiedad
Densidad
* Electrone-
g/ral
fatividad
Radio
Volunen
Covaleni.e A° Atómco A°
ELementO
H
0.0808
2.1
0.32
Primaria ae
Iímco
Específico
Ionización
A°
CAl/g°C
31.3
2.08
3.45
14.1
Hidrógeno
* Respecto a la del agua.
Proiedad
Conductividad
térmica
Elemento
VAlencia
V
Cal/cm2/on/°C/s
H
0.004
+ 1
Densidad
Densidad
g/rnl
g/ml
^
0
0.070
0.0709
Hidrógeno
V
A l a tenperatura arrbiente.
A
Al estado gaseoso con respecto al aire.
O
Al estado líquido y sólido con respecto al aire.
□
A
0" C
Solubilidad
Presión
Temperatura
En agua
Crítica
Crítica
(1:50) o
ATM
50
12.80
°C
-240
12
I. METODOS DE OBTENCION.
A l g u n o s de los m é t o d o s
i n d u s t r i a l e s p a r a la o b t e n c i ó n de h i d r ó g e n o se
m e n c i o n a n a c o n t i n u a c i ó n , y el u t i l i z a d o d e p e n d e de d i f e r e n t e s fa c t o r e s
ta le s como:
Vo lu me n p r o d u c i d o o co ns u m i d o ,
la p u r e z a d e s e a d a en el
op e r a c i ó n ,
etc.
el uso al que se le de st in e,
pr o d u c t o , m a t e r i a p r i m a d i s p o n i b l e ,
c o st os de
.
Los m é t o d o s son.
1)
Mediante
la a c ci ón de H i e r r o al ro jo vi vo s o br e el
lent ad o,
en el cual
ge no c o m o p r o d uc to ,
o de Fi er ro .
Fe +
a c o m p a ñ a d o de la f o r m a c i ó n de ó x i d o de Hi er ro ,
E s t a r e a c c i ó n se r e p r e s e n t a a c o n t i n u a c i ó n .
H2O
FeO
+
H ? (g)
La re a c c i ó n se e f e c t ú a e n t r e 77 0 y
mica.
A H 9 o o °C = ' 3611
104Ü°C,
Ca l/ Mo l
es r e v e r s i b l e y e x o t é r ­
Es decir.
3FeO
2)
vapor sobreca­
el H i e r r o r e du ce al v a p o r d e s p r e n d i e n d o H i d r ó ­
+
H20
F e 3°4 + H 2{g )
Ot ra f i a n t e de o b t e n c i ó n del
va po r co n el c o k e o cal
H 9 0 0 ° C = - 1 5 1 6 7 Cal/Mol
H i d r ó g e n o es m e d i a n t e
la r e a c c i ó n del
i n c a n d e s c e n t e u t i l i z a d o m u c h o en la a n t i g ü e d a d
Es t e m é t o d o se e m p l e a m u y po co en la a c t u a l i d a d y se o b t i e n e m o n ó x^o
de c a r b o n o c o m o s u b p r o d u c t o c o m o se m u e s t r a en la r e a c c i ó n
si gu ie nt e:
C
+
CO
h 2o
cal or
(g)
+ H.
2 (g )
E s „ a m e z c l a de ga se s se u t i l i z a en al gu na s
t i b l e con el n o m b r e de "Gas d e Agua".
- 2 8 Kc al /m ol
industrias como c o m b u s ­
13
A c o n t i n u a c i ó n se p r e s e n t a n
rios pa ra p r o d u c i r 10 00 pi es
. Co ke
los d a to s de los m a t e r i a l e s y ac c e s o -
3
de Hi dr óg en o.
(kg) pa ra p r o d u c i r
el gas de agua.
29 .5 - 38 .5
(d ep e n d e r á n de la p u r e z a
del Í U .
. V a po r de ag ua
(kg)
22 7 - 272
. A g u a de r e f r i g e r a c i ó n
l í q u i d a (lit).
37 85
. C o r r i e n t e e l é c t r i c a KWH.
. Mi ne ra l
de Fierro ,
2. 0
Catali
zador y compuestos q u í m i ­
cos.
kg.
. Combustible
8.0
(Kcal) ga s o
pe t r ól eo .
3)
75 60
El H i d r ó g e n o es f r e c u e n t e m e n t e o b t e n i d o c o m o s u b p r o d u c t o p o r d e s c o m p o ­
s i c i ó n t é r m i c a de H i d r o c a r b u r o s ,
los c u al es a l i m e n t a n a o t r o s p r o c e s o s
pa r a o b t e n e r ot ro s p r o d u c t o s más va li os os .
Lo q u e se e f e c t ú a es el p r o c e s o d e n o m i n a d o p i r ó l i s i s ,
d e la d e s c o m p o s i c i ó n del m e t a n o a al ta s t e m p e r a t u r a s
g e n o y n e g r o de Carb ón.
d r o c a r b u r o es de 900°C,
70
%
son de H ^ .
La t e m p e r a t u r a a la cual
c o m o en el ca s o
p r o d u c i e n d o H i dr ó
se c a l i e n t a el
Hi­
o b t e n i é n d o s e gases c a l i e n t e s de los c u al es el
Es te se l a v a c o n ag ua y aceite ,
se p u r i f i c a e l i m i ­
n á n d o l e el C a rb ón p r e s e n t e co n un lava do de N i t r ó g e n o
lí quido.
14
4) El gas natural
ta mb i é n se s u el e ut il i z a
d u c c i ó n de Hi dr óg en o,
r e a c c i o n a n d o el
c o m o m a t e r i a p - i m a en la p r o ­
gas en p r e s e n c i a de un c a t a l i z a ­
dor, c o m o por e j e m p l o e 1 A c e t a t o de Sodi o y el H i d r ó x i d o de S o d i o o
Cal so da da .
La ba se de e s t e m é t o d o es
los H i d r o c a r b u r o s ,
Cn
'^2^+2
+ n ^ 2 ^ ------------- +
+
Así,
la r e a c c i ó n c a t a l í t i c a del
0 xlc'a c l ° n in co mp le ta .
^ * 2 ^ -------- n<'®' + ^ n + l '
|LÍ? Bi*i4ación co m p l e t a .
Cn H 0
, c u a n d o n=l,
2n +2
será-
CH. M e ta no
4
Cn H 0
„ c u a n d o n=2,
2n+2
será:
C„H,
2 6
2 n + 2 c u a n d o n=3,
será:
C j H g Pr op an o
Cn H„
, c u a n d o n=4,
2 n 4-?
será:
C. H , n B u t a n o
4
10
Cn H
v a p o r de a g u a con
si en do las r e ac ci on es :
Etano
5) El H i d r ó g e n o co n al ta p u r e z a se p r o d u c e a t r a v é s de la d i s o c i a c i ó n del
o
A m o n i a c o co n t e m p e r a t u r a s de 87 0 a 10 00 C y una p r e s i ó n de o p e r a c i ó n
2
de 1.4 k g / c m , re su l t a e c o n ó m i c o el
ci ó n ha st a de 6 0 0 m 3 /día.
no
(N ^ ) y el
En la cual - el
75 § al Hi dr óg en o.
2 N H 3 ----------
p r o c e s o c u a n d o se t i e n e una p r o d u c
25 f c o r r e s p o n d e al Nitróge;
La r e a c c i ó n qu e o c u r r e es:
N 2+ 3 H 2
6) P e q u e ñ a s c a n t i d a d e s de H i d r o g e n o con ba ja p u r e z a se o b t i e n e n de la
r e a c c i ó n del F e r r o s i l i c i o o Vi ru t a s de A l u m i n i o co n H i d r ó x i d o de
dio, c o m o se m u e s t r a en la re ac ci ón :
2A1 + 6NaOH ----
2Na3A103 + 3H2
so­
15
El H i d r ó g e n o o b t e n i d o de e s t a m a n e r a se l l eg a a u t i l i z a r s o l a m e n t e p a ­
ra el
i n f l a d o de gl ob os y balones.
o
7)
M e d i a n t e la r e a c c i ó n del Me ta no l y ag ua a un a t e m p e r a t u r a de 2 6 0 C den
tr o de un c o n v e r t i d o r c a t a l í t i c o de acer o al Ca rb ó n ,
se ob ti e n e t a m b i é n
H i d r ó g e n o y D i ó x i d o de Carb on o.
La r e a c c i ó n qu e se ll ev a a ca b o es:
C H 3 -0 H + H 2 0 , v)
--------------
3H2 + C 0 2
Se n e c e s i t a n a p r o x i m a d a m e n t e 67 litros de M e t a n o l y 54 li tr os de agua
p a r a p r o d u c i r un a m e z c l a de gase s c o n un c o n t e n i d o de 1 0 0 m 3 de Hi dr ó3
g e n o y 62 . 5 m
d e gas C a r b o m c o .
La c o m p o s i c i ó n del
gas es a p r o x i m a d a m e n t e c o m o sigue:
% Mol
componente
Hidrógeno
D i ó x i d o de Ca rb o n o
Metano
% '
98. 38
(H,,)
M o n ó x i d o de Ca rb o n o
=
(CO)
0..81
(co2 )
0.,19
0.,62
(CH^)
100..00
Total
E s t e m é t o d o no t i e n e g^ an a p l i c a c i ó n d e bi do al
8)
Por m e d i o de p r o c e s o s t e r m o q u i m i c o s
no.
al to c o s t o del M e ta no l.
es p o s i b l e t a m b i é n g e n e r a r Hidrógs;
Esto s p r o c e s o s r e q u i e r e n de altas t e m p e r a t u r a s
s u p e r i o r e s a los
25 0 0 C, p a r a l o g r a r la d i s o c i a c i ó n m o l e c u l a r del
ag ua en su s c o m p o n e n ­
te s ga se os os .
se s e l e c c i o n a n los ma
D e b i d o al g r ad o de t e m p e r a t u r a s ,
f e r i a l e s de e q u ’po de p r o c e s o así c o m o los c a t a l i z a d o - e s
ra d i s m i n u i r y c o n t r o l a r la t e m p e r at ur a.
adecuados pa­
Ib
9)
Por e l e c t r ó l i s i s del
pa ra
ci ón
agua, es a c t u a l m e n t e el m é t o d o
la g e n e r a c i ó n de Hi dr og en o.
del
B á s i c a me nt e,
2H2 + 02
estandar
se b a s a en la d i s o c i a ­
ag ua po r e f e c t o de la c o r r i e n t e e l é c t r i c a .
2H20 --------
in du st ri al
La r e a c c i ó n es:
17
III.
PROCESO ELECTROLITICO PARA LA OBTENCION DE HIDROGENO
Es t e p r o c e s o t o m a sus b a s e s en la i m p o r t a n c i a q u e t i e n e el H i d r ó g e n o re
f e r e n t e a sus usos i n d u s t r i a l e s y a la ne c e s i d a d de r e q u e r i r H i d r ó g e n o
d e un e l e v a d o g r a d o de pu reza.
La e l e c t r ó l i s i s del
ag ua a y u d a a su o b t e n c i ó n a p r o v e c h a n d o sus componeii
te s en la d e s c o m p o s i c i ó n al
pa so de la c o r r i e n t e e l é c t r i c a di r e c t a ,
pa­
ra el lo se u t i l i z a co m o e l e t r ó l i t o un a s o lu ci ón a l c a l i n a f o r m a d a po r h ^
d r ó x i d o de p o t a s i o KO H y agua,
HgO.
F a r a d a y en sus e x p e r i m e n t o s o b s e r v ó qu e los p r o d u c t o s de la d e s c o m p o s i ­
c i ó n de los e l e c t r ó l i t o s se p r e s e n t a b a n ú n i c a m e n t e c e r c a de los e l e c t r o
dos,
asi m i s m o d e s c u b r i ó qu e por el e f e c t o de la i o n i z a c i ó n d e las s u s ­
tancias electrolíticas,
se s e p a r a b a n en el i n t e r i o r de es as p a r t í c u l a s
at ó m i c a s c a r g a d a s e l e ' c t n c a m e n t e y q u e al e s t a r en s o l u c i ó n c o n d u c e n
la
c o r r i e n t e e l é c t r i c a d e n o m i n a n d o a e s t a s p a r t í c u l a s c o m o iones.
Po" lo t a n t o c o n c l u i m o s que un e l e c t r ó l i t o es un bu en c o n d u c t o r de la
e l e c t r i c i d a d t e n i e n d o la f a c i l i d a d de i o n i z a r s e po r el pa so d e la m i sm a.
En t a nt o que la e l e c t r ó l i s i s es la d e s c o m p o s i c i ó n q u í m i c a p r o d u c i d a por
u n a c o r r i e n t e el éc tr ic a.
El p r i n c i p i o genera l
p a r a la o b t e n c i ó n del H i d r ó g e n o se r e p r e s e n t a en
la f i g u r a 2.
El m é t o d o de o b t e n c i ó n qu e se d e s c r i b e a c o n t i n u a c i ó n se d i v i d e en las
s i g u i e n t e s e i ap as pa ra su m e j o r c o m p r e n s i ó n
las c u a l e s se d e s c r i b e n en
la f i g u r a 3.
1.- A c o n d i c i o n a m i e n t o del
ag ua de a l i m e n ta ci ón .
2.- R e c t i f i c a c i ó n de c o rr ie nt e.
3.- El e c t r ó l i s i s .
a)
D e s c r i p c i ó n de la C e l d a e l e c t r o l í t i c a .
18
b) F e n ó m e n o s el ec t r o q u í m i c o s .
c) T e o r í a de la ob te nc io n.
4.- O p e r a c i o n e s s u bs ec ue nt es .
a) R e g u l a c i ó n de pr e s i ó n y co mp r e s i ó n .
b) S e c a d o y fi ltra do .
5.- A l m a c e n a m i e n t o .
a) Ta nq ue s.
b) C i l i n d r o s
c) B a n c o s de ci li nd ro s.
d)
P l a t a f or ma s.
19
FlG. 2
SISTEMA
ELECTROLITICO
21
III.
1
ACONDICIONAMIENTO DE AGUA.
En e s t e p r o c e s o de o b t e n c i ó n de H i d r o g e n o
la m a t e r i a p r i m a pri nci pa l
el
v o l ú m e n e s y con c a r a c t e r í s t i ­
agua,
la cual,
es r e q u e r i d a en gr an de s
es
c a s m u y es pe c í f i c a s .
El
ag ua a u t i l i z a r de be es ta r l i b r e de m a t e r i a en s u s p e n s i ó n ,
t i p o de m i n e r a l e s d i s u e l t o s en e l l a y en ge ne ra l
de c u a l q u i e r
de to do
im pureza.
A n t e s de h a ce r us o de c u a l q u i e r t i p o de ag ua h a y q u e s o m e t e r l a a un t r a
t a n n e n t o prev io ,
o r i g e n del
p a r a s e l e c c i o n a r el ma s a d e c u a d o se d e b e c o n s i d e r a r el
agua.
T o m a n d o en c u e n t a qu e la c a n t i d a d de ag ua r e q u e r i d a
es c o n s i d e r a b l e , es lógi co p e n s a r q u e es ta p r o v e n g a de un po zo pr ofun do ,
en genera l
se es ta b l e c e ,
que esta s
agua s son cl ar a s ,
frías,
sin color,
má s d u r a s qu e el a g u a de la s u p e r f i c i e de la r e g i ó n en la cuál
cu e n t r a n .
t r a v é s del
To do es to se de be a que
se e n ­
la f o r m a c i ó n de es to s p o zo s es a
ag ua de ll uv ia q u e c a e s o b r e la s u p e r f i c i e de la t i e r r a y se
va f i l t r a n d o en el
su el o e n c o n t r á n d o s e con m u c h a s s u b s t a n c i a s or g á n i c a s
e i n o r g á n i c a s de las cu al es al gu n a s son di s u e l v a s p o r el ag ua c a us an do
la a l c a l i n i d a d y la dureza.
Las i m p u r e z a s m á s c o m u n e s que se e n c u e n t r a n son:
Ca
(HCOj)
B i c a r b o n a t o de calcio .
Ca S O ^ S u l f a t o de calcio .
Mg
(HCOj)
B i c a r b o n a t o de ma g n e s i o .
Mg SO ^ S u l f a t o de ma gn es io .
Na
(HCOg)
B i c a r b o n a t o de Sodio.
Na SO ^ S u l f a t o de Sodio.
Si 02 Silicio
Ca CO ^ Ca r b o n a t o de Calcio.
Ca C 1 2 C l o r u r o de Ca lc io
Mg CO , C a - b o n a t o de m a g n e s i o
Mg Cl ^ Cío uro de ma gnes io .
Na C1 C l o r u r o de Sodio.
H., C 0 3 Ar id o ca rb ón ic o.
0^ Oxigeno.
CO y CO ^ M o n ó x i d o de c a r b o n o y d i ó x i d o de ca rb on o.
22
Del
g r u p o de n a t e r ' a en s u s p e n s i ó n
ri a vegetal
y residuos
se e n c u en tr an ,
lodos,
i n d u s t ri al es sobr e todo.
Los fi ne s p e r s e g u i d o s con el
t r a t a m i e n t o de ag ua es e l i m i n a r
r i a l e s s o lu bl es y en s u s p e n s i ó n c o n t e n i d a s en ella.
pr i n c pá lmen te ,
los m a t e ­
E s t o es n e ce sa ri o,
p o r q u e las c e l d a s e l e c t r o l í t i c a s s ó l o d e b e n o p e r a r co n
ag ua de al ta pure za ,
e v i t a r i n c r u s t a c i o n e s en r e c i p i e n t e s y tu be rí as ,
pa ra pr o t e g e r c o n t r a la c o r r o s i ó n en los eq ui po s del
El
ar en as , m a t e ­
si st e m a de a c o n d i c i o n a m i e n t o
pr oc es o.
es ta c o m p u e s t o po r las s i g u i e n t e s e t a ­
pas
a)
E l i m i n a c i ó n de la m a t e r i a en sus pen si ón .
De ac ue rd o
a las c a r a c t e r í s t i c a s de la m a t e r i a en s u s p e n s i ó n ex is
ten di v e r s o s m é t o d o s p a r a e l i m i n a r l a ta le s co m o la s e d i m e n t a c i ó n ,
la c o a g u l a c o n y / o f ’ l t r a c ó n .
En es te c a s o s ó l o se e m p l e a la
f ' lt ra ci ón .
La f i l t r a c i ó n es el
p r o c e s o dé ha ce - pasa>~ un l í q u i d o qu e c o n t i e ­
nen m a t e r i a i n s o l u b l e en s u s p e n s i ó n a t r av és de un med-’o po ro so
ap ro pi ad o,
de
tal m a n e r a qu e pu ed a e l i m i n a r s e d i c h a ma t e r i a .
La f i l t r a c i ó n se u t i l i z a en el t r a t a m i e n t o de ag ua
pa ra e l i m i n a r o r e d u c i r
turb id ez .
En al gu no s
industriales
tanto los só li do s en s u s p e n s i ó n co m o la
ca so s el
ag ua c r u d a se s o m e t e a un P t r a t a -
m i e n t o p r ev io que p r o d u c e una p r e c i p i t a c i ó n de s u b s t a n c i a s i n d e ­
se ables.
El f i lt ro c o n v e n c i o n a l
co ve rtical
u t i l i z a d o c o n s ' s t e de un t a n q u e c i l i n d r i ­
de ac er o q u e c o n t i e n e una ca m a de p a r t í c u l a s
que fo rm an el m e d i o f i l t r a n t e p u di én do ser e s t a de C a r b ó n
do o C a rb ón a n t r a c í t i c o con c a r a c t e r í s t i c a s t a l e s c o m o
y es ta r li br e de e s c a m a s
largas o d e l g ad as ,
finas
activa­
limpieza
prefiriéndose cual­
q u ie ra de e s to s m e d i o s f i l t r a n t e s sobre la a r e n a p a r a m u c h o s
fi lt r o s i n d u s t r i a l e s d e b ^ o
a oue no añ ad en S i l i c i o
a las
aguas
23
al c a l i n a s s o m e t i d a s
retrolavados
a f i l t r a c i ó n y d e b i d o a su b a j a d e n s i d a d los
a contracorrienten
re s u l t a n
mas e c o n o m i c o s .
Es te m e d i o f i l t r a n t e e s t á sope -tado so br e ot .a s p a r t í c u l a s de m a ­
y o r ta ma ño ,
g r a v a fina.
El filt ro ,
es de f u n c i o n a m i e n t o po r g r a v ed ad ,
al cual
es deci r,
hacemos referencia
el a g u a q u e se ha de
f i K r a r c i r c u l a en s e n t i d o d e s c e n d e n t e a trav és del m e d i o fi lt ra n
te p a ^ a sa li r po r la p a rt e in ferior y d i r i g i r s e al d e s m i n e r a l i z a dor.
La f i g u r a No.
b)
4 es un a r e p r e s e n t a c i ó n de un f i l t r o qu e se usa.
D e sm in er al i zador.
El p r o c e d i m i e n t o de d e s m i n e r a l i z a c i ó n es el má s e c o n ó m i c o para ob te
ne r ag ua s de e x t r e m a pu re za ,
a u n q u e pa ra a l g u n a s a p l i c a c i o n e s se
c o m p l e m e n t a con ot ro s pr oc es os .
Es te t r a t a m i e n t o el im in a,
sal en f o r m a
prácticamente,
en su t o t a l i d a d cu a l q u i e r
iónica d i s u e l t a en el agua a ser tr a t a d a .
En es te p r o c e s o un so lo r e c i p i e n t e c o n t i e n e un a m e z c l a de re si na s
pa ra a m o n e s y ca t i o n e s ,
ll a m a d a s
ze ol it as o r g á n i c a s c a m b i a d o r a s de
a m o n e s y cationes respectivamente.
Z e o l i t a s o r g á n i c a s c a m b i a d o r a s de ca tion es .
Los c a r b o n e s m i n e r a l e s , e s p e c i a l m e n t e los a n t r a c í t i c o s ,
c a r b o x i l i c o s y de ot r a índole.
ta con ácid o s u l f ú r i c o
(Cl-SOjH)
C u a n d o un a a n t r a c i t a o h u l l a se tr a
(H ^ S O ^ ) f u m a n t e o á c i d o c l o r o s u l f ó m c o
o á c id os s u l f o m c o s
(R-SOgH),
estos radicales
bi ad or es de io ne s de a l t a c a p a c i d a d y pu ed en
d r ó g e n o por los iones
al ser t r a ­
rotnDen sus m a l l a s p r o d u c i e n d o ácidos
tados co n a g e n t e s s u l f o n a n t e s
sodio,
ca lc io ,
s u b s t i t u i r el
so n c a m ­
ion h i ­
m a g n e s i o u o t r o s ca tion es .
24
Figura
4,
Fi lt ro .
25
Los r a d i c a l e s q u e t i e n e n m a y o r p o d e r de í r t e r c a n o i o l o m e o
sulfomcos
c u an do o p e r a n d i r e c t a m e n t e p a _a s u b s t i t u i r los
son los
iones h i ­
d r ó g e n o po r los ione s d i v a l e n t e s o t r i v a l e n t e s
E s t a s re s i n a s p u ed en r e g e n e r a r s e c u a n d o se han a g o t a d o su pode r
cambiador mediante soluciones
a c id as m i n e r a l e s t a l e s c o m o HCl.
La o p e r a c i ó n de es ta s r e s i n a s se e f e c t ú a por s i mp le p e r c l o r a c i ó n
h a s t a un lí mi te en el cual y a no se ef ectual
caz,
el a b l a n d a m i e n t o e f i ­
en cu yo ca so d e b e n r e g e n e r a r s e .
Las r e a c c i o n e s qu e se e f e c t ú a n son:
2R-S03H +
Ca + + ---------
Ca ( R S 0 3 '2
r 2H+
2R-S0,H +
Mg + + ---------
Mg
+ 2 H 1'
2R-S03H +
Na +
R - S 0 3 Na + h +
---------
( R S 0 3 >2
R e a c c i o n e s de r e g e n e ra ci ón .
Ca
(R S03 )2 + HCl
----------
2 RS03H + CaCI2
Mg
(R S03 )2 + HCl
----------
2 R S 0 3H + MgCl 2
R 5 0 3 Na + HCl
-----------
R - S 0 3 + NaCI
Z e o l i t a s o r g á n i c a s c a m b i a d o r a s de a m o n e s .
A c t u a l m e n t e se han f a b r i c a d o una s e r i e de r e s i n a s s i n t é t i c a s qu e
son c a m b i a d o r a s de an io n e s c a p a c e s de c o m b i n a r s e con
y aún de n e u t r a l i z a r los á c id os libr es .
g r up os am í g e n o s
los a m o n e s
Esta s r e s i n a s c o n t i e n e n
(-ÑU,,) o g r up os b á s i c o s de a m on io c u a t e r n a r i o s y
su c a p a c i d a d c a m b i a d o r a se d e b e a la d i s o c i a c i ó n de las b a s e s de
la r e si na a l k i l a m o m o
Es ta s re s i n a s
ti en en
a l c a l i n a o neutra.
C R - N H ^ - O H ).
la p r o p i e d a d de f i j a r los a m o n e s
en so l u c i ó n
26
Las reacciones que se llegan a cabo son
(R es N)
-OH - R-OH ---------
Se p u ed en r e g e n e r a r es ta s
(Res -N)
- OR * H 2 0
ze o l i t a s con s o l u c i o n e s d i l u i d a s de NaOH.
(R es N> - C1 + NaOH ---------
(R es N)
- OH + NaCI
T a m b i é n se pu ed en i n t e r c a m b i a r si li ca to s.
2(R es - N) - OH + W u i t O j
--------
(R es - N)2 Si03 + 2 NaOH
El e q u i p o qu e se e m p l e a pa ra la d e s m i n e r a l i z a c i ó n del
c o n s t i t u i d o p o r un ta nq ue ci 1 í n d n c o
co n h u l e o algú n ot ro m a te ri al
agua esta
de lá minas de a c er o r e c u b i e r t o
r e s i s t e n t e al ácido.
En la p a r t e
i n f e r i o r t i e n e un f o n d o de l á mi na de a c er o p e r f o r a d a p r o t e g i d a ,
ta mb ié n,
c o n t r a el a t a q u e de los á c id os y ál ca li s,
e n c u e n t r a un lecho de m a te ri al
c i t i c o o m a te ri al
po r ú l t i m o se
i n e r t e que p u e a e ser C a r b ó n antr a-
ce rá mi co .
Con el o b j e t o de t e n e r u n i d a d c o m p a c t a pa ra e f e c t u a r la d e s m i n e r a l i z a c i ó n en un solo t a n q u e se c o l o c a un a m e z c l a de un le ch o de r e ­
si n a c a m b i a d o r a de c a t i o n e s y un le ch o de r e s i n a c a m b i a d o r a de a n i £
nes.
del
El ag ua se i n t r o d u c e y po r s i m p l e p e r c o l a c i ó n
Ic j
cationes
ag ua son s u b s t i t u i d o s por los ione s h i d r ó g e n o d e la r e s i n a ca-
t i ó m c a y los a m o n e s
la r e s i n a a m ó n i c a .
ginal
son r e e m p l a z a d o s por los io ne s h i d r ó x i l o s de
El p r o d u c t o final
será la s u m a del
agua o r i­
más el agua p r o d u c i d a po r la c o m b i n a c i ó n de io ne s h i d r ó x i l o
e hidrógeno,
o b t e n i é n d o s e asi el
ag ua de al ta pure za .
C u a n d o las re si na s se han ag ot ad o,
tanciadel
lo cual
ag ua es m e n o r de 300 0 0 0 ohms,
se o b s e r v a c u a n d o la conduc
se r e t r o l a v a el l e c h o
d i f e r e n c i a de d e n s i d a d e s p r o d u c e un a bi en d e f i n i d a s e p a r a c i ó n
las dos capa s,
el
y la
en
de r e si na s, c o n un e s t r a t o r e l a t i v a m e n t e e s t r e c h o en
qu e o c ur re algo de me zc la ,
al g u n o s ta nq u e s c u e n t a n co n m i r i l l a s
a t r a v é s de las que el o p e r a d o r p u e d e o b s e r v a r es t e f e n ó m e n o .
pu és de la se pa r a c i ó n
Des­
se i n t r o d u c e n las s o l u c i o n e s r e g e n e r a d o r a s .
27
Entonces
se e n j u a g a el
le ch o y se m e z c l a n
i n y e c c i ó n de ai re al f o n d o del
El
d i a g r a m a No.
las r e s i n a s m e d i a n t e
tanq ue .
5 e j e m p l i f i c a lo ante s
expues to .
OÍ L^V<VDG
euTe*J>A» r>c a *
f
tUT^Aj>^
* 6 i U A TSt^K.T7VD.A»
SOSA. ^ A W C A
¿ AJUliA.
e.'ES'MA-d
VvE^O^-W^?.
Fig. No. 5
Croquis diagramático de un desmineralizador de lecho mezclado
durante varias etapas de operación, retrolavado y regeneración.
ro
CO
29
CODIFICACION.
1 .- O p e r a c i o n N o r m a l .
2.- R e t r o l a v a d o ,
no'tese la e s t r a t i f i c a c i ó n de las r e si na s.
3.- R e g e n e r a c i ó n
s o l u c i ó n de sosa c á u s c i c a al
g u i d a po r s o l u c i o n a c i d a al
lecho a m ó n i c o
se­
le ch o c a t i ó m c ó .
4. - M e z c l a d o de lech os de r e si na pa ra v o l v e r a o p e r a c i ó n no rm al .
30
I I I . 2.
RECTIFICACION DE CORRIENTE.
Pa ra la o p e r a c i ó n y f u n c i o n a m i e n t o de las c e l d a s e l e c t r o l í t i c a s es
n e c e s a r i o el s u m i n i s t r o de c o r r i e n t e c o n t i n u a a las rrrsmas.
de m e n c i o n a r la e t a p a de r e c t i f i c a c i ó n
Antes
señal á r en os b r e v e m e n t e
t i p o s y c a r a c t e r í s t i c a s de la c o m e n t e
los
e l éc tr ic a.
E n t e n d e r e m o s po r c o r r i e n t e e l é c t r i c a o e l e c t r i c i d a d c o m o el fl uj o
de e l e c t r o n e s que se t i e n e a t r a v é s de un c o n d u c t o r e l é c t r i c o ,
n i é n d o s e do s t i p o s de la m i sm a:
corriente continua o directa
C u a n d o la C.A.
La c o r r i e n t e a l t e r n a
(C.C.
(C.A.) y
o C.D.).
pa sa por un ci r c u i t o ,
la e l e c t r i c i d a d f l u y e pr im e r o
en una d i re cc ió n, y de sp u é s de un c o - t o i n t e r v a l o ae ti em po ,
f l u j o se h a c e en la d i r e c c i ó n op u e s t a .
El
c i r c j i t o de C.A. c o n 60 c i c l o s c o m l e t o s
m á x i m o en una di re cc ió n,
En un
por s e g u n d o o sea qu e un
f o c o se p r e n a e 60 ve ce s y 60 v e c e s e s t a ap ag ad o,
D u r a n t e ca da ciclc,
el
n ú m e r o de c a m b i o s o i n ­
v e r s i o n e s por se g u n d o es lo qu e be c o n o c e c o m o fr ec u e n c i a .
bios.
te­
la
es d e c i r 120 c a m ­
la c o r r i e n t e a u m e n t a d e s d e 0 na si a un
d e s p u é s d i s m i n u y e ha st a 0 v o l v i e n d o a a u ­
m e n t a r h a s t a el m i s m o m á x i m o pe ro en la ot ra d i r e c c i ó n .
La v a r i a ­
c i ó n de c o r r i e n t e con r e s p e c t o al t i e m p o se e x p r e s a g r á f i c a m e n t e
c o m o un s i n u s o i d e en el cual
cicl o.
Fig.
No.
6
Por el co nt r a r i o ,
signo,
dos o n d a s s u c e s i v a s r e p r e s e n t a n un
en la C.C.
se t i e n e to do el t i e m p o el m i s m o
un fo co que usa c o r r i e n t e di r e c t a ,
q u e no se t i e n e ci cl aj e.
¿n la Fig.
estará siempre prendido ya
Su r e p r e s e n t a c i ó n e s q u e m á t i c a se m u e s t r a
7
Pa r a e n t e n d e r d e m a n e r a c l a r a las c o n s e c u e n c i a s de la a c c i ó n d e la
c o r r i e n t e e l é c t r i c a so br e una so l u c i ó n ,
es i n d i s p e n s a b l e h a c e r un
a n á l i s i s de los ca so s más f r e c u e n t e s qu e se dan en la r e a l i d a d con
el fin de u b i c a r c a d a uno de los f e n ó m e n o s en p a r t i c u l a r y c o n s t a ­
tar,
al m i s m o ti em po ,
que d i c h a a c c i ó n va más al lá de u n a s i m p l e dj_
31
60 CICLOS x SEG
EN MEXICO
FIO No 6 • — REPRESENTACION DE LA CORRIENTE ALTERNA
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
E
S 1 Q 1 E
FI .
'
7 — REPRESENTACION DE LA CORRIENTE CONTINUA
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
E S
I Q I
E
33
s o c i a c i ó n del
te.
si s t e n a q u í m i c o en c u e s ti ón ,
por e f e c t o de la c o m e n
En estas c o n d i c i o n e s e x i s t e n dos caso s de p a r t i c u l a r
ínteres
qu e son:
a) A p l i c a c i ó n de C.D.
a un po tenc ia l
b) A p l i c a c i ó n de C.A.
(5 0- 60 H ), en las m i s m a s c o n d i c i o n e s del
su pe ri or al de la so lu ci ón .
ca so an teri or .
a) En e s t e caso,
se s u p o n e que la so l u c i ó n va a r e c i b i r un vo lt a j e
c a o a z de d i s o c i a r la s o l u c i ó n e l e c t r o l í t i c a .
qu e en es ta s c o n d i c i o n e s
c i r c ui to ,
A h o r a bien,
para
sea p o s i b l e el fl uj o e l é c t r i c o en el
es n e c e s a r i o qu e la c o r r i e n t e
"pase" por
la so lu ci ón ,
lo qu e e x i g e a la ve z la p r e s e n c i a d e nt ro de la s o l u ci ón ,
l e m e n t o s p o r t a d o r e s de c a ^ g a e l é c t r i c a ll a m a d o s iones,
de e-
es decir,
de v e r d a d e r o s a c e p t o r e s de e l e c t r o n e s en el c á t o d o y do n a d o r e s
de e l e c t r o n e s en el
ánod o,
actuando simultáneamente,
con la c a ­
r a c t e r í s t i c a de qu e el f e n ó m e n o de c o n d u c c i ó n e l é c t r i c a en esta s
condiciones,
da luga r a c a m b i o s f i s i c o q u í m i c o s en la so l u c i ó n ta
les c o m o en c o n c e n t r a c i ó n ,
Sin em ba rg o,
pH, r e s i s t e n c i a e l é c t r i c a ,
aún c u a n d o e s t e f e n ó m e n o es casi
etc.
instantáneo,
en
r e a l i d a d p r e s e n t a un a s e r i e de e t a p a s s u c e s i v a s qu e d e f i n e n el
p r o c e s o en cu es ti ón .
Así pues,
al ap la ca r el v o l t a j e de C.D.
en
las c i r c u n s t a n c i a s p r op ue st as :
- Los iones en s o l u ci ón ,
s o l v a t a d o s y las m o l é c u l a s
po la re s,
se o r i e n t a n po r a t r a c c i ó n e l e c t r o s t á t i c a c o m o c o n s e c u e n c i a
de los p o t e n c i a l e s a d q u i r i d o s por los e l e c t r o d o s .
- Los iones,
un a vez o r i e n t a d o s ,
c i d a d e s de d i f u si ón ,
se d e s p l a z a n s e g ú n sus v e l o ­
d i r i g i é n d o s e h a c i a los e l e c t r o d o s ,
de
ac ue r d o con las c o n d i c i o n e s dadas.
- En la te r c e r a et ap a,
1. Por una parte,
se p r e s e n t a n do s f e n ó m e n o s :
los ione s ro de an al e l e c t r o d o co n el
de i n t e r a c c o n a r con él, y
2.
Por o t r a parte,
c o m o c o n s e c u e n c i a de lo a n t e ri or :
fin
34
2.1.
Si
la v e l o c i d a d de d i f u s i ó n es n a y o r q u e la ve l o c i d a d de ó-
x i d o - r e d u c c i ó n en los el ec t r o d o s ,
ci ón de c a r g a s c o n t r a r i a s
d i f i c a n d o su p o t e n c i a l ,
se m a n i f i e s t a un a acumula^
a la p o l a r i d a d del
el ec tr od o,
mo­
f e n ó m e n o é s t e al q u e se d e n o m i n a po
la riza ci ón .
2.2.
Pe ro en ca mbio,
si
la v e l o c i d a d de d i f u s i ó n de los iones es
del o r de n de la v e l o c i d a d co n qu e é s t o s m t e r a c c i o n a n
el el ec t r o d o ,
entonces
con
s i m p l e m e n t e se ll ev an a c a b o los f e ­
nó me no s de ó x i d o - r e d u c c i ó n .
- Fi na l m e n t e ,
en la ú l t i m a et ap a,
co m o las ox i d a d a s t i e n d e n
ta nt o
las e s p e c i e s re d u c i d a s
a s e p a r a r s e de la i n t e r f a s e , el ec -
t r o d e p o s i t á n d o s e en el e l e c t r o d o ;
desprendiéndose mecánicamen­
te de él; e v o l u c i o n a n d o co m o ga se s o r e a c c i o n a n d o el e l e c t r o d o
mismo provocando
B).
C u a n d o el
la c o r r o s i ó n .
fe n ó m e n o d e s c r i t o a n t e r i o r m e n t e
se p r e s e n t a n las m i s m a s e t a p a s o casi
an te ri or ,
se l l ev a a c a b o con C.A.,
las m i s m a s e t a p a s del c a s o
d e p e n d i e n d o d e la f r e c u e n c i a de la c o r r i e n t e a l t e r n a uti^
1 izada.
Al ap l i c a r , po r e j em pl o,
f r e c u e n c i a de 60 Hz,
c u a t r o pr o c e s o s del
c o r r i e n t e de la " l í n e a de la c a l l e " , con u n a
a una solución electrolítica,
p r i m e r caso,
se m a n i f i e s t a n
los p r o d u c t o s o b t e n i d o s en los e l e c t r o d o s se h a l l a n m e z c l a d o s ,
a m b o s hay ox i d a c i ó n y r e d u c c i ó n en f o r m a a l te rn ad a.
a f r e c u e n c i a s ma yo re s,
los
con la ú n ic a d i f e r e n c i a de qu e a h o r a
pues en
V es to s u ce de aún
d e j a n d o de p r e s e n t a r s e la e t a p a de s e p a r a c i ó n
a
m e d i d a qu e la f r e c u e n c i a au me nt a.
Resumiendo,
los c a m b i o s de si gn o en
la C.A.
i n d i c a n q u e al t r a t a r de
h a c e r l a p a s a r por una s o l u c i ó n e l e c t r o l í t i c a ,
se t e n d r á el m o v i m i e n t o
de los iones en un se nt i d o y d e s p u é s en s e n t i d o c o n t r a r i o t r a y e n d o c o ­
m o c o n s e c u e n c i a qu e en los e l e c t r o d o s
se o b s e r v e un ch i s p o r r o t e o .
35
Efecto contrario
un e l e c t r ó l i t o ,
se o b s e r v a c u a n d o se e m p l e a C.D.,
los iones p r e s e n t e s
se d e s o l a z a r á n
al h a c e r l a pasa r por
s i e m p r e en un s e n t a ­
do y a qu e los e l e c t r o d o s no c a m b i a n de sign o y se o b t e n d r á un a r e d u c ­
c i ó n en el cá to do , y un a o x i d a c i ó n en el ánodo.
L e a n te s m e n c i o n a d o c o n f i r m a y e s t a b l e c e que en los f e n ó m e n o s electroli^
ticos
se d e b e r á us ar s i e m p r e C.D.
Co m o el us o de
la C.A. es v a s t o y c o m o > a se d i s c u t i ó q u e é s t a no es el
t i p o de c o r r i e n t e d e s e a d a pa ra el f u n c i o n a m i e n t o ae un a c e l d a electrolí_
ti ca ,
e n t o n c e s es
n e c e s a r i o e m p l e a r un d i s p o s i t i v o q u e nos
la C.A. en C.D., al e l e m e n t o que r e a l i z a
c e co n el n o mb re de r e c t i f i c a d o r .
transforme
la f u n c i ó n a n t e r i o r se le c o n o
Un r e c t i f i c a d o r de c o r r i e n t e c o n s i s ­
t e f u n d a m e n t a l m e n t e de las s i g u i e n t e s partes:
- Transformador principal:
El t r a n s f o r m a d o r es un m e d i o s e n c i l l o p a ­
r a c a m b i a 1" el v a lo r de un v o l t a j e al te rn o.
Si
un t r a n s f o r m a d o r re
c i b e e n e r g í a a ba jo v o l t a j e y la s u m i n i s t r a a v o l t a j e alto , se le
llama t r a n s f o r m a d o r e l e v ad or .
Si el t r a n s f o r m a d o r r e c i b e e n e r g í a
a un v o l t a j e d a d o y la s u m i n i s t r a a un v o l t a j e i n f e r i o r ,
S e le lia
m a t r a n s f o r m a d o r r e d u ct or .
Un t r a n s f o r m a d o r c o n s i s t e en d o s b o b i n a s a r r o l l a d a s en un n ú c l e o
de hierro .
Se le da e n e r g í a a un a de las bo b i n a s ,
m i e n t o primar io ,
m i en t o ,
l l a m a d a arrollia
y es s u m i n i s t r a d a a la c a r g a po r el o t r o a r r o l l a ­
l l a m a d o a r r o l l a m i e n t o se cu n d a r i o .
no t i e n e pa rt es mó v i l e s ,
Co m o un t r a n s f o r m a d o r
r e q u i e r e po ca a t e n c i ó n y sus g a s t o s de
m a n t e n i m i e n t o son re du c i d o s .
- E l e m e n t o s r e c t i f i c a d o r e s de c o r r i e n t e c o m p u e s t o p o r d i o d o s de S i ­
licio:
la C.A.
peciales
se p u ed e c o n v e r t i r en C.D. m e d i a n t e d i s p o s i t i v o s
l l am ad os r e c t i f i c a d o r e s ,
e£
los c u a l e s o f r e c e n u n a o p o s i c i ó n
m u y g r a n d e al f l u j o de c o r r i e n t e en una d i r e c c i ó n y u n a o p o s i c i ó n
m u y p e q u e ñ a al f l u j o d e c o r r i e n t e en la d i r e c c i ó n c o n t r a r i a .
lo tant o,
c u a n d o se a p l i c a una on d a s i nu so id al
és t e d e j a r á p a sa r u n a de las a l t e r n a c i o n e s ,
se qú n la fo rm a en q u e se c o n e c t e el
Po r
a un r e c t i f i c a d o r ,
p o s i t i v a o n e g a ti va ,
r e c t i f i c a d o r al c i r c u i t o m e d í -
36
dor.
En n i ng ún c a s o p a s a r á n
ambas alternaciones.
un r e c t 1f i c a d o r t r a n s f o r m a un a o n d a si nu so id al
nua.
Por lo tanto,
en una on da c o n t i ­
0 se a que, t o do s los r e c t i f i c a d o r e s d e b e n c o n t a r con una
t r ay ec to ri a unidireccional
p a r a la c o r r i e n t e e l é c t r i c a ;
a és to se
le ll am a c o n d u c c i ó n u n i l a t e r a l .
Los d i o d o s dan c o n d u c c i ó n u n i l a t e r a l y a qu e la c o r r i e n t e puede p a ­
sa r en só lo un a di re c c i ó n .
f i c a c i ó n de c o r r i e n t e p a r a
Particularmente,
en la e t a p a de r e c t i ­
la p r o d u c c i ó n de h i d r ó g e n o e l e c t r o l í t i ­
co se ha e n c o n t r a d o que el uso de los d i o d o s de s i l i c i o p r o p o r c i o ­
na r e s u l t a d o s
s a t i s f a c t o r i o s y a qu e s u m i n i s t r a los v o lt aj es p r o p i ­
ci os pa ra la o p e r a c i ó n e f i c i e n t e de la c e ld a e l e c t r o l í t i c a y los
c u a l e s pu ed en o s c i l a r e n t r e 35 y 70 0 volt s.
- S i s t e m a de e n f r i a m i e n t o con aire:
Co mo
su n o m b r e lo indica,
la
f u n c i ó n del s i s t e m a es la de s u m i n i s t r a r el e n f r i a m i e n t o a d ec ua do
a los eq u i p o s y d i s p o s i t i v o s que f o rm an pa rt e de la e t a p a de r e c ­
t i f i c a c i ó n de c o rr ie nt e,
en los mi sm os ,
así c o m o
la de d i s i p a r el c a l o r ge n e r a d o
que su rg e co m o c o n s e c u e n c i a del m a n e j o de gran ca]i
ti d a d de e n e r g í a e l é c t r i c a .
El s i s t e m a e s t a c o n f o r m a d o por venti
1 adores.
L a c o r r i e n t e c o n t i n u a t r a n s f o r m a d a en e s t e r e c t i f i c a d o r es c o n d u c i d a a
las c e l d a s e l e c t r o l í t i c a s m e d i a n t e
so le r a s de c o b r e l l am ad as c o m ú n m e n ­
te b a r r e r a s de d i s t r i b u c i ó n o bus,
c o m o se m u e s t r a en la Fig.
No. 8
.
■O
TANQUE DE SOLUCION DE KOH
x
F I G N 0 8 — ETAPA DE RECTIFICACION DE CORRIENTE
INSTITUTO
POLITECNICO NACIONAL
E s
1
a
1
E
38
III.
a)
3.
E_EC' RO l IS I S.
D E S C R I P C I O N DE; t é C E L D A E L E C T R O L I T I C A .
Michae l
F a r a d a y di o el
n o m b r e de e l e c t r ó l i t o al
es bu en c o n d u c t o r de la c o r r i e n t e el éc tr ic a,
es Le n o m b r e a la s u b s t a n c i a d i s u el ta .
sistema
lí qu id o que
a c t u a l m e n t e se ap li ca
L l am ó e l e c t r o d o s
d u c t o r e s m e t á l i c o s en c o n t a c t o c o n la so lu ci ón ,
qu e al
a los c o n ­
a a l i c a r l e la
c o r r i e n t e e l e c t r i c a la c o nd uc e.
Al
si st e m a f o r m a d o po r el
el ec t r o d o s ,
r e c i p i e n t e que c o n t i e n e la s o l u c i ó n y los
se le ll am a C U B A 0 C E L D A E L E C T R O L I T I C A .
Las p r i m e r a s c e l d a s e l e c t r o l í t i c a s fu er on
l l a m a d a s t i p o t a n q u e con
un ar r e g l o de e l e c t r o d o s u n i p o l a r co mo se i l u s t r a e s q u e m á t i c a m e n t e
en la Fig.
No. 9.
La p r i m e r a d e n o m i n a c i ó n se r e f i e r e a la form a
t í p i c a del
r e c i p i e n t e o de la p r op ia celda.
Cualquier electrodo
sin c o n s i d e r a r el n ú p e r o de los m i s m o s en la celd a,
r e a l i z a so la me n
te una fu nc ió n,
é s t e se c o m p o r t a en fo rm a ú n i c a c o m o á n o d o o co mo
cá to do ,
su c a r a c t e r í s t i c a
de aquí
un ipol ar .
Todos
los á n o d o s se co
n e c t a n j u nt os en p a r a l e l o así c o m o ta m b i é n los c á to do s.
Otra c l a s e de celd as ,
siglo,
las c u a l e s f u e r o n d e s a r r o l l a d a s
se c a r a c t e r i z a n po r un a r r e g l o bi po la r,
po f i l t r o - p r e n s a co m o se m u e s t r a en la Fig. No.
10.
los e l e c t r o d o s t r a n s f i e r e n la c o r r i e n t e de un o a el
ríe.
De a c u e r d o a lo visto,
a p r i n c i p i o s de
c o n un e n s a m b l e del t i ­
En e s t e s i s t e m a
s i g u i e n t e en la se
el a r r e g l o u n i p o l a r r e q u i e r e m u c h a s c o n e ­
xion es co n el c i r c u i t o e x t e r n o c o m o son los e l e c t r o d o s en p a r a le lo ;
en
las c e l d a s e l e c t r o l í t i c a s del t i p o b i p o l a r los e l e c t r o d o s e s t á n c o n e c ­
ta do s d i r e c t a m e n t e co n el p o s i t i v o y el n e g a t i v o de la b a r r a g u í a por
m e d i o de dos e l e c t r o d o s t e r m i n a l e s .
El c a m p o e l é c t r i c o po r c o n s i g u i e n t e ap l i c a d o a tr av és del
ga a los ca t i o n e s a m i g r a r d e n t r o del
la d i r e c c i ó n de la te rm in al
la te rm in al
s i s t e m a obli
es pa c i o e n t r e dos e l e c t r o d o s en
n e g a t i v a y a los a m o n e s
a desplazarse a
po si ti va .
Los do s e x t r e m o s m e t á l i c o s de c u a l q u i e r e l e c t r o d o p u e d e n a s u m i r s e c o m o
equipotenciales,
sin e m b a r g o la c a i d a óhrrnca a t r a v é s del
sor de la pl ac a es i n s i g n i f i c a n t e .
p e q u e ñ o es pe
39
FIG No9 - A R R E G L O DE UNA CELDA UNIPOLAR
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
E 51 Q I E
CABEZAL DE H0
CABEZAL DE 02
FIG No 1 0 -ARREÚLQ TIPICO DE UNA CELDA BIPOLAR
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
E
5 I G
I
E
41
La s u p e r f i c i e m e t á l i c a so br e la cual
se r c a t ó di ca ,
po r lo cual
se d e s c a r g a el h i d r ó g e n o llega a
la o ^ r a s u p e r f i c i e lleg a a ser a n ó d i c a y la
d e s c a r g a de o x í g e n o to ma lu ga r en esta.
De la m a n e r a an te ri or ,
q u i e r e l e c t r o d o ll ev a a c a b o un a f u n c i ó n bi po la r,
ae aquí
cual­
la d e n o m i n a ­
ci ón p r o p i a de la celda.
En to da s
po la r,
las c e ld as mo d e r n a s ,
t r á t e s e del t i p o u n i p o l a r o del
ti po b i ­
c u a l q u i e r s u p e r f i c i e a n ó d i c a es s e p a r a d a de la s u p e r f i c i e c a t ó ­
d i c a del
s i g u i e n t e e l e c t r o d o por m e d i o de un d i a f r a g m a p o ro so e l a b o r a ­
do u s u a l m e n t e de t e l a de a s b e s t o co n el cual
se p r e v e é la m e z c l a de!
h i d r ó g e n o con el ox ígeno.
>.n el
d i s p o s i t i v o un ip ol ar ,
qu e es el má s u s a d o en g a l v a n o p l a s t i a la
c o r r i e n t e que fl uy e en c a d a c e l d a d e p e n d e s i m p l e m e n t e de la r e s i s t e n ­
ci a total
te nc ia l
del
c i r c u i t o e x i s t e n t e en e s a c e l d a si em p r e y c u a n d o el p o ­
en los e l e c t r o d o s p e r m a n e z c a c o n s t a n t e ,
la c o r r i e n t e en una
c e l d a da d a es i n d e p e n d i e n t e de las ot ra s c e l d a s qu e se e n c u e n t r a n en
pa ra le lo .
¿n el c a s o de un s i s t e m a b i po la r,
la c o r r i e n t e no p a s a r á a m e n o s que
los á n od os de un a c e l d a es té n c o n e c t a d o s
a los c á t o d o s de la p r ó x i m a
ce ld a, y s o l a m e n t e el p r i m e r á n o d o y el ú l t i m o c á t o d o , t e s t a r á n c o n e c ­
t a do s a la f u en te de c o r r i e n t e c o n t i n u a .
La m i s m a c o r r i e n t e f l u y e a
t r a v é s de t o d a s las ce ld as y el v a l o r de es ta c o r r i e n t e e s t á d e t e r m i n a
do po r la su ma de las re s i s t e n c i a s .
Los m i s m o s p r i n c i p i o s m e n c i o n a d o s
o d i s p o s i c i ó n de las fuen te s,
a n t e r i o r m e n t e se ap li c a n al ar re gl o
tales como generadores,
o a c u m u l a d o r e s , y a sea en s e r i e o en pa ra le lo .
t e n c i a l e s se su ma n si e s t u v i e r a n c o n e c t a d o s en serie,
c a p a c i d a d e s de las c o r r i e n t e s
xi ón en para le lo .
rectificadores,
En es os caso s,
los p o ­
en t a nt o qu e las
son las que se su ma n en el c a s o de c o n e ­
42
La d e n s i d a d de c o r r i e n t e p e i m i s i b l e en c e ld as u n i p o l a r e s r a r a s oc as io -
9
nes e x c e d e
los 70 0 A m p s . ' m
, en c a mb io en c e l d a s b i p o l a r e s
de ser m a y o r de 15 00 A m p s . / m
2
.
Los en s a m b l e s u n i p o l a r e s
in cl us o pu e
re qu ie re n,
por u n i d a d de c a p a c i d a d de p r od uc ci ón , m u c h o m a y o r e s p a c i o q u e la co ns
t r u c c i ó n bi po la -.
tas c a p a c i d a d e s ,
Por lo tanto,
en todas las p l a n t a s m o d e r n a s con a l ­
t a le s c o m o las r e q u e r i d a s p a r a la p r o d u c c i ó n
acó y f e r t i l i z a n t e s
de amonj^
se p r e f i e r e la c e l d a ti po b i po la r.
Con r e s p e c t o a las v e n t a j a s y d e s v e n t a j a s de las c e l d a s m o n o p o l a - e s y
b i po l a r e s ,
és ta s
se r e s u m e n en la tabl a No.
1,
Las v e n t a j a s de una
c e l d a u n i p o l a r p u e d e n r e d u c i r s e a el hech o de qu e es un s i m p l e ta nque,
r u go so ,
t i e n e p o ca s pa rt es , y po r lo t a nt o es fácil
mantenimiento.
ci ón simp le ,
lares.
El
Las d e s v e n t a j a s
su c o n s t r u c c i ó n y
pu ed en ser r e s u m i d a s en u n a d e c l a r a ­
su r e l a t i v o alto v o l t a j e c o m p a r a d o al de las c e l d a s b i p o ­
al to v o l t a j e m e n c i o n a d o es el r e s u l t a d o de los c a m i n o s p r o ­
l o ng ad os de c o r r i e n t e de las t e r m i n a l e s por e n c i m a del
c e l d a a los e l e c t r o d o s , y del
gr an vaci o
t a n q u e de la
nue e x i s t e e n t r e los mi smos.
Las v e n t a j a s de una c e l d a b i p o l a r e s e n c i a l m e n t e d e t e r m i n a n
desventaja
de un a c e l d a un ip ol ar .
Las ce ld as b i p o l a r e s
po r su r e l a t i v o b a j o v o l t a j e por un id ad de ce ld a,
trayendo como co ns e­
c u e n c i a un b a j o p o d e r de c o n s u m o s po r u n id ad de gas
c o n s t a n t e d e n s i d a d de c o r r i e n t e alta.
la m a y o r
se ad v i e r t e n
p r o d u c i d o , y un a
Los b a j o s v o l t a j e s p r o d u c i d o s
en e s t e t i p o de c e l d a son d e b i d o ú n i c a m e n t e a s e n d e r o s m u y c o rt os de
c o r r i e n t e en los e l e c t r o d o s , y a la f a c i l i d a d co n la cu al
m i t a r o e s t r e c h a r el va ci o e n t r e el ec tr od os .
c e l d a son d e b i d o a la r e l a t i v a c o m p l e j i d a d del
de las p a rt es maqu in ad as ,
se lo gr a l i ­
Las d e s v e n t a j a s
si s t e m a ,
n u m e r o s a s junt as o e m p a q u e s ,
de la
la p r e c i s i ó n
bombas y fi l­
tros, y un as c o m p l e j a s t é c n i c a s de f a b r i c a c i ó n y m a n t e n i m i e n t o .
Los r e s u l t a d o s a t r a v é s de la h i s t o r i a de las v e n t a j a s y d e s v e n t a j a s
ante s m e n c i o n a d a s
h i c i e r o n que to da s las ce ld as e l e c t r o l í t i c a s
ti va s f u e r a n de la v a r i e d a d del
años r e c i e n t e s
t a n q u e simple.
primi­
Sin e m b a r g o , c o m o en
se han i n c r e m e n t a d o los c o st os en ge ne r a l y
las m o d e r ­
nas t e c n o l o g í a s t i e n d e n t a m b i é n a su d e s a r r o l l o en d e t r i m e n t o de los
43
c o s t o s mi sm o s ,
particularmente
las te cn o l o g í a s
del
pl á s t i c o ,
las ce ld as
b i p o l a r e s e s t á n r e e m p l a z a n d o p a u l a t i n a m e n t e a la m a y o r í a de las c e ld as
unipolares.
To da s
las c e l d a s c o m e r c i a l e s son a ñ o r a del
us an pa ra su c o n s t r u c c i ó n
q u e p u ed en ser de níquel
t e m p e r a t u r d de 5 0 - 9 0 °C.
acero,
ac er o
en KO H del
El
in ox id ab le ,
gí a del
70 -8 0
ti po bi po la r y
án od os y cá t o d o s
25 -3 5 ' y o p e r a n en un rango de
h i d r ó g e n o e l e c t r o l í t i c o es ge n e r a d o con
u n a d e n s i d a d de c o r r i e n t e de 1 0 0 - 3 0 0 m A / c m
1. 9- 2 . 2 Volts.
co n
2
a un v o l t a j e de celd a de
Lo a n t e r i o r c o r r e s p o n d e a una e f i c i e n c i a total
de e n e r ­
% ...
TABLA
No.
1
C O M P A R A C I O N DE C E L D A S U N I P O L A R E S Y B I P O L A R E S H I D R O G E N O - O X I G E N O
UNIPOLAR
BIPOLAR
VENTAJAS
- D i s e ñ o simple.
-
-
Pa rt es r e l a t i v a m e n t e bara ta s.
T é c n i c a s si mp l e s de f a b r i c a c i ó n
Poca s s u p e r f i c i e s e m pa ca da s.
C e ld as i n d i v i d u a l e s pa ra su f á ­
cil ch eq ue o.
C e ld as s e p a r a d a s p a r a su m a n t e ­
n i mien to .
I n t e r r u p c i ó n m í n i m a a la pr od uc
ci ón p o r p r o b l e m a s de m a n t e m - mi en to .
No r e q u i e r e de b o m b a s o fi ltros.
C i r c u l a c i ó n a s c e n d e n t e in te rn a
de gas.
- B a jo s v o l t a j e s po r unid ad de
celda.
- A l t a s d e n s i d a d e s de co rr ie nt e.
- Gr an r e d u c c i ó n de la b a r r e r a
de d i s t r i b u c i ó n e n t r e celdas .
- C o st os del r e c t i f i c a d o r más
f á c i 1 de o p t i m i z a r .
- P u ed e o p e r a r r e a l m e n t e a al ta s
p r e s i o n e s y t e m p e r at ur as .
- La p r e s i ó n de o p e r a c i ó n e l i m i ­
na c o m p r e s o r e s .
- R e q u i e r e m e n o s p a rt es de r e p u ­
esto.
- La p r o d u c c i ó n en m a s a de c e l ­
da s de c o m p o n e n t e s pl á s t i c o s
p u e d e r e s u l t a r en bajo s c o s ­
tos de capí t a l .
- P o t e nc ia l p a r a o p er ar a d e n s i ­
d a de s de c o r r i e n t e m u y altas.
44
DESVENTAJAS
- D i f i c u l t a d pa ra l o gr ar es p a c i o s
e n t r e e l ec tr od os .
- B a r r a de d i s t r i b u c i ó n de gran
pe so e n t r e celdas.
- P r e s i o n e s y t e m p e r a t u r a s de la
c e l d a l i m i t a d a s po r el d i se ño
m e c á ni co .
- C u a l q u i e r c e l d a r e q u i e r e la at e n c i ó n de un o p e r a d o r pa ra s u ­
p e r v i s a r la t e m p e r a t u r a , nivel
del e l e c t r ó l i t o y p u r e z a del
gas.
- A c u m u l a c i ó n d e nt ro de la ce ld a
de s e d i m e n t o s y p r o d u c t o s de
corrosión.
- Sofi st ic ad a fabricación y r e ­
q u e r i m i e n t o de t é cn ic as de di
seño.
- C o r r i e n t e s p a r á s i t a s por ba ja
ja e f i c i e n c i a de corr ie nt e.
- n e c e s i d a d de b o m b e o ex terno,
f i l t r a c i ó n , y en fr ia mi en to .
- P r o l o n g a d a i n t e r r u p c i ó n de la
p r o d u c c i ó n p o r pr ob le ma s de
mantenimiento.
- Pa ra r e p a r a r un a c e l d a u n i t a ­
ri a es n e c e s a r i o d e s m a n t e l a r
el e l e c t r o l i z a d o r * por c o m p l e
to.
~
* El t é r m i n o e l e c t r o l i z a d o r in cl u y e la c e l d a e l e c t r o l í t i c a y el e n fr ia
dor-condensador.
De a c u e r d o al r e s u l t a d o o b t e n i d o po r una i n v e s t i g a c i ó n
vers as
h e c h a en las d i ­
i n d u s t r i a s d e d i c a d a s a la p r o d u c c i ó n de h i d r ó g e n o e l e c t r o l í t i c o
i n s t a l a d a s en Méxi co ,
é s t e nos m o s t r ó qu e la c e l d a de m a y o r uso en el
país es la c o n o c i d a co mo la c e l d a St uart,
denominación
t o m a d a en honor
de su i n v e n t o r A. Th. Stuart.
Una c e l d a S t u a r t c o n s t a g e n e r a l m e n t e de un t a n q u e de a c e r o c o n ba jo co n
t e n i d o de carb ón ,
ri or del
de f o r m a r e c t a n g u l a r y t o t a l m e n t e s e ll ad o.
t a n q u e llev a d e p o s i t a d a una c a p a de ní qu el
El i n t e ­
de un e s p e s o r a p r o ­
x i ma do de 0. 0 5 mm. y qu e t i e n e c o m o f u n c i ó n la de p r o p o r c i o n a r l e una
p r o t e c c i ó n ad ic io na l
c o n t r a la c o r r o s i ó n y a la ve z a s e g u r a r l e una l a r ­
ga vi d a de o p er ac ió n.
La c e l d a d e s c a n s a so br e c u a t r o e m p a q u e s de a s b e s t o y é s t o s se m o nt an so
bre a i s l a d o r e s
de p o r c e l a n a los que en c o n j u n t o e v i t a r á n el o s c i l a m i e n -
to de la c e l d a
y a m o r t i g u a r á n c u a l q u i e r ti po de e s f u e r z o a la q u e
s o m e t i d a la mism a.
que de a s b e s t o
ri or del
Pl ac as de
sea
ac er o de be n ser i n s t a l a d a s e n t r e el
empa­
c o l o c a d o so br e el a i s l a d o r de p o r c e l a n a y la p a r t e
infe­
t a n q u e pa ra d i s t r i b u i r el pe so de la celd a.
45
Es n e c e s a r i o m a n t e n e r una t e m p e r a t u r a de o p e r a c i o n en el in t e r i o r de la
c e l d a d e n t r o de un r a n g o de 60 -7 0 °C pa ra e v i t a r una s o b r e p re si ón ,
para
m a n t e n e r la t e m p e r a t u r a d e s e a d a el t a n q u e c u e n t a con una c h a q u e t a l o c a ­
l i z a d a en su p a r t e fron ta l
a la q u e se le s u m i n i s t r a ag ua de e n f r i a m i e n
to.
La ce ld a Stuart ,
tiene también medios
Hg y 0^ qu e se es tá n ge ne r a n d o ,
de re co l e c c i ó n .
Así mi sm o,
por los c u al es c o l e c t a los ga se s
los q u e c o n s i s t e n de p e q u e ñ a s cá ma r a s
se t i en en p r e v i s t a s dos t u b e r í a s de ve nt eo ,
u n a c o n e c t a d a al c o m p a r t i m i e n t o de H,, y
la o t r a al c o m p a r t i m i e n t o de 0^
a t r av és de los qu e p o d r á se r a l i v i a d a c u a l q u i e r p r e s i ó n in t e r n a ex ce si
va g e n e r a d a po r el b l o q u e o de las c á m a r a s c o l e c t o r a s de los gases de la
celda.
El e x t r e m o m á s ba jo de c a d a t u b o de v e n t e o c a e ab aj o del nivel
del e l e c t r ó l i t o .
T a n t o las c á m a r a s c o l e c t o r a s ,
así c o m o los t u bo s de
v e nt eo es tá n s o p o r t a d o s por la c u b i e r t a o t a p a de la celda,
la que t i e ­
ne c o m o m e d i d a de p r o t e c c i ó n un r e c u b r i m i e n t o d e ní qu el .
C o n f o r m e t r a n s c u r r e la e l e c t r ó l i s i s , e x i s t e c i e r t a pé rd i d a de electróli_
to que se t r a d u c e en un a b a j a del nivel
del mism o.
Lo a n t e r i o r pu ed e
tr ae r co m o c o n s e c u e n c i a qu e en los t u b o s de v e n t e o h a y a e s c a p e de gas
o qu e la ce ld a t i e n d a a a u m e n t a r su t e m p e r a t u r a .
D e n t r o del
si st em a
e l e c t r o l í t i c o se d e b e t e n e r p r e v i s o un d e p ó s i t o de p o t a s a ca u s t i c a ,
con la f i n a l i d a d de a l i m e n t a r a la c e l d a c u a n d o su nivel
d e b a j o de un p u n t o y a e s t a b l e c i d o .
P a r a s u m i n i s t r a r el
c e s a r i o d e s d e el d e p ó s i t o c o r r e s p o n d i e n t e a la celd a,
sar s o l a m e n t e c o n e x i o n e s de h i e r r o ma l e a b l e ,
bos de p l á s t i c o f l e x ib le ,
d e s c i e n d a po r
electrólito n e ­
se r e c o m i e n d a u-
a c er o fo rj ad o,
hule o t u ­
en n i ng ún ca s o se d e b e e m p l e a r cobr e,
o t u b e r í a g a l v a n i z a d a con el
fin de e v it ar el
b r on ce
a t a q u e q u í m i c o de la p o ­
ta s a c a ú s t i c a s o b r e é s t o s m a t e r i a l e s .
Con r e s p e c t o al ag ua desrrnneralizada, é s t a se to ma del
p e c t i v o y se a g re ga al s i s t e m a en f o r m a
vel
d e n t r o del
t a n q u e m e d i a n t e un fl o t a d o r .
en e x c e s o de lí quido,
recipiente re s ­
a u t o m á t i c a c o n t r o l á n d o s e el n i ­
Si
la c e l d a es a l i m e n t a d a
e s t e p u e d e e x t r a e r s e por s i fó n d e s d e el
flotador
46
antes mencionado.
Si la celda esta en todo caso más llena o vacía se
encontrarán dificultades cuando se aplique la energía, esto ocasionará
sobreflujo y escurrí miento del liquido.
Bajo ninguna condición deberá
aplicarse energía a una celda sin electrólito ya que se formará una
mezcla de gases explosivos.
En la construcción de los electrodos de la celda se usa comúnmente ace
ro de alta conductividad, como consideración del material del ánodo,
el níquel se distingue por generar un bajo sobrevoltaje de oxígeno, además tiene las ventajas adicionales de ser pasivado fácilmente, así
como la de poder resistir el ataque químico del oxígeno.
Consecuente­
mente, el acero recubierto de níquel se usa umversalmente para ésta
apiicación.
Los cátodos pueden ser tratados especialmente para crear una mayor su­
perficie activa y disminuir el sobrevoltaje del hidrógeno.
El efecto
anterior se puede lograr mediante el empleo de cátodos de fierro e in­
cluso se puede hacer uso de acero recubierto con níquel.
Cabe hacer notar, que el comportamiento del fierro y del níquel en con
tacto con soluciones alcalinas, a temperaturas y concentraciones como
las aplicadas normalmente en la electrólisis del agua, es muy satisfa£
ton o.
Alrededor de cualquier ánodo se encuentra dispuesto un diafragma de
tela de asbesto el cual evita la mezcla de los gases, y guía el oxí­
geno producido a la cámara recolectora correspondiente soportada con­
venientemente por la cubierta de la celda.
El hidrógeno generado as­
ciende entre el cátodo y el diafragma hacia el elemento de recolección
destinado para ello.
Es importante señalar que los diafragmas que no
están en operación, deben mantenerse húmedos ya que si se permite que
los diafragmas se sequen llegarán a ser quebradizos y se romperán fá­
cilmente.
47
En cualquier celda Stuart, los electrodos se suspenden a través de la
cubierta del tanque, pero a la vez se encuentran aislados del mismo.
Lo anterior debe hacerse con el afán de evitar cortos circuitos entre
la celda y los electrodos así como también eliminar posibles fugas de
corriente.
Como un colofón a lo ya expuesto, podemos decir que la celda trabajan­
do en buenas condiciones deberá ser capaz de operar por mucho tiempo
sin una reparación mayor.
b) FENOMENOS ELECTROQUIMICOS QUE SE PRESENTAN EN LA OBTENCION DE HIDROGENO.
Antes de tratar de definir algunos fenómenos que pueden presentarse
en la electrólisis del agua, es necesario entendí" el significado de
fuerza electromotriz.
La F.E.M., puede decirse,
.i? es el potencial
que tienc.3 a hacer circular la corriente eléctrica a través de un me­
dio conductor.
Durante el paso de la co'riente por cualquier celda electrolítica pue­
den determinarse los potenciales de electrodo.
Nernst propuso la teo­
ría de que la magnitud del potencial de un electrodo es función de la
presión de disolución electrolítica del metal y de la presión osmóti­
ca de los iones del metal en disolución.
Una definición del potencial de electrodo se refiere a la diferencia
de potencial entre el material del electrodo y una solución del ion
en equilibrio.
La diferencia de potencial a su vez origina una ten­
dencia de la corriente a circular del punto de potencial más elevado
al de potencial más bajo.
Los potenciales de electrodo deducidos termodinámicamente son apli­
cables a pilas en condiciones de reversibilidad y por lo tanto, única-
48
mente valdran pa>'a corrientes débales.
Cuando a tiavés de la sepai ación entre un electrodo y una disolu­
ción circula una corriente intensa, la diferencia de potencial en­
tre una y otra difiere del valor de equilibrio y a la diferencia en­
tre estos dos valores se le da el nombre de polarización
El principal fenómeno que se presenta durante
la electrólisis es la
polarización en los electrodos.
La polarización en un electrólito se presenta cuando en los electro­
dos se producen reacciones químicas en el curso de las cuales la su­
perficie de los mismos se cubre de sustancias que dificultan y pueden
llegar a ímnedir el paso de la corriente.
Las principales polarizaciones que se llegan a tener en este tipo de
procesos son las que a continuación se mencionan.
- Polarización química.
- Polarización por resistencia.
- Polarización por concentración.
La polarización química, se origina por la adherencia de gas en el
cátodo, presentándose principalmente en los depósitos electrolíticos de
metales.
En estos casos el ion hidrógeno por se más ligero que el
ión metálico llega con más facilidad al cátodo. Ver Fig. No. lia.
Se recomienda aumentar la temperatura
del electrolito para lograr un movimi
ento lomeo más fuerte y así poder evaporar el gas problema.
49
Polarización por resistencia- es aquella que nos oroduce un vacío lo'nico
al-rrededor de los electrodos. Ver Fig. 11b.
El sobrevoltaje aquí presentado
esta representado por la ecuación
siguiente:
Nr = IL
KS
Este tipo de resistencia la podemos
disminu’r reduciendo a la variable
"L" que representa la separación en
tre los electrodos, también se pue­
de a-.rieni.ar "s" el área óptima del electrodo y la conductividad espe­
cífica "k" se debe aumentar, aúnen.ando la concentración del electro­
lito o aumentando la temperatura del mismo.
te aumentada se
logra,
La intensidad de corrien­
orientando los iones.
Polarización por concentración: este tipo de polarización es la que se
presenta en la obtención de hidrógeno electrolítico.
Se origina por
una acumulación de caigas positivas en el cátodo y cargas negativas en
el ánodo Fig. No. 12.a
Formando una Delícula al lado de
cada electrodo en exceso, provocan­
do que el paso de los electrones
no logren la reducción requerida
Fig. 12.b
Lo que se presenta es una fuerza
electromotriz inversa originada por
el agotamiento de las sustancias
que intervienen en la electrólisis
a un ritmo más acelerado que por el
50
FIG 11. b
POLARIZACION
QUIMICA
POLARIZACION
POR R E S I S T E N C I A
PELI CULA E N
/IN TERFASE
SENO
DEL
ELECTROLITO
FIG.12 b
POLARIZACION
POR
CONCENTRACION
FORMACION
DE
PELICULA
LA
51
que son sustituidos o bien por una acumulación de los productos a una
velocidad mayor a la que sor atraídos.
La sobretensión presentada es =J aumento del valor del voltaje con res
pecto a su potencial normal.
Análisis de la polarización por concentración.
El exceso de cargas positivas acumuladas en este caso sobre el electro
do cato'dico in-dica que la cantidad de electrones que circulan no son
en la cantidad adecuada
iones H ‘ ahí presentes.
por lo tantono logran reducir las cargas de
La descargade un ion en el cátodo tendería a
reducir la concentración de los iones en la película que envuelve a dj
cho electrodo.
En consecuencia, el potencial de éste, tiende a acentuar su valor nega
tivo, originando la polarización catódica.
Aumentando el valor de la
densidad de corriente, la concentración de iones en la película que
rodea al cátodo tenderá
a disminuir.Este proceso será en parte com­
pensado por la difusión
de los ionesde la masa del electrolito a la
zona que rodea el cátodo.
Mediante agitación mecánica se logra dismi­
nuir el espesor de la película de iones H! formados en la interfase,
con este método se considera que el valor de la polarización por con­
centración es igual a cero.
En cuanto al ánodo, son válidas las cons'j_
deraciones anteriores, pero el potencial de electrodo acentúa su valopositivo.
En la práctica industrial, las polarizaciones pueden ser consideradas
como resistencias ohmica que forman parte del circuito, si éstas lle­
gan a ser demasiado grandes, puede
originar nuevos y nocivos procesos
en los electrodos.
Para abatir la polarización, se hace uso de sustancias orga'nicas o
inorgánicas que reaccionan con el agente productor del fenómeno tra­
yendo como consecuencia la despolarización de los electrodos.
52
Otra forma de disminuir la polarización, consiste en aplicarle al siste
ma electrolítico un sobre-voltaje.
El sobrevoltaje es el incremento
del valor del potencial de un electrodo, con respecto al potencial nor­
mal reversible.
El sobrevoltaje del hidrógeno está definido como la di_
ferencia de potencial entre un electrodo de hidrógeno en equilibrio y
un electrodo de hidrógeno sujeto a un flujo corriente cátodico en el
mismo electrólito.
Los factores que afectan el sobrevoltaje son la condición de la super­
ficie del electrodo, en las superficies rugosas o esponjosas el sobrevoltaje suele ser menor, la pureza del electrodo, el tiempo de la elec­
trólisis debido a que el sobrevoltaje máximo se alcanza únicamente en
un tiempo apreciable, la temperatura, las presiones ejercidas desde el
exterior del sistema y las cantidades de impurezas en el electrólito o
en la supenficie de separación electrodo, electrólito.
El sobrepoten-
cial nos indica los costos por uso de energía eléctrica.
En las industrias se presta gran atención a los contactos, con el fin
de eliminar resistencias ohmicas y a los materiales de los electrodos,
densidades de corriente, superficies de electrodos y demás factores re­
lacionados con éstos, a fin de mantener los sobrevoltajes tan bajos co­
mo sea posible.
Para diversos materiales de electrodos pueden precisar sobrevoltajes dj_
ferentes y podrá regularse el proceso electródico seleccionando adecua­
damente el material del electrodo y su sobrevoltaje.
c) TEORIA DE LA OBTENCION.
Antes de iniciar con el estudio de la teoría básica de obtención de
hidrógeno gas en forma más explícita, primero se mencionan algunos
conceptos técnicos fundamentales para una mayor comprensión del pro­
ceso electrólito, tales como: unidades eléctricas, leyes de
, disociación electrolítica, etc.
Faraday
53
UNIDADES ELECTRICAS
Fundamentalmente, la energía eléctrica es función de dos factores
la intensidad de la corriente, expresada en ampere y la diferencia
de potencial (tensión o voltaje) expresada en Vols.
De tal manera
que la magnitud de los cambios que ocurren en la cantidad total de
energía de un sistema queda determinada por estos dos factores, pe­
ro la posibilidad de producirse cualquier cambio se halla exclusiva­
mente bajo la influencia de la diferencia de potencial.
La unidad de intensidad de la corriente eléctrica, se llama Ampere
en recuerdo de A.M. Ampere (1775-1836), físico y químico francés.
Se define en el Ampere como la intensidad invariable de aquella co­
rriente que al pasar por una solución acuosa de AgNO^, nitrato de
plata, deposita la plata a razón de 0.0011180 gramos por segundo en
condiciones determinadas.
El Newton (N), es la fuerza que aplicada a una masa de un kilogramo
2
le comunica una aceleración de un metro por segundo (kgm/seg ),
El Joule (J), se define como el trabajo realizado por un cuerpo al
recorrer una distancia de un metro, cuando se le aplica una fuerza
de un Newton.
El Watt (W), se define como la potencia raquerida para realizar un
trabajo de un Joule en cada segundo.
La intensidad de corriente eléctrica (I) se define como la cantidad
de eléctricidad que circula por un conductor en unidad de tiempo.
Su unidad es, como ya se dijo antes, el Ampere (A) que es la inten­
sidad de una corriente que deje circular un Coulomb
en cada segundo.
La densidad de corriente se expresa por lo común en Ampere, o en múl_
tiplos o submúltiplos del Ampere, por una unidad de área, y es la
54
intensidad de la corriente total que fluye por un conductor, dividi­
da por el área de su sección recta.
Las unidades que más frecuente­
mente se emplean en electroquímica son Ampere por pie cuadrado o
Ampere por decímetro cuadrado.
La cantidad de electricidad (Q) se define como la eléctncidad pre­
sente en una carga eléctrica o la eléctricidad que circula por un
circuito que sea asiento de una corriente durante un tiempo deter­
minado.
Su
unidad es el Coulomb (C) o Ampere-Segundo.
En la ac­
tualidad el Coulomb es la cantidad de eléctncidad transportada en
un segundo a través de cualquier sección de un circuito por una co­
rriente de un Ampere de intensidad.
La resistencia eléctrica (R) es la cantidad análoga al rozamiento,
característica de un conductor, que determina la diferencia de po­
tencial requerida para mantener en dicho conductor, una corriente
de intensidad dada la unidad en el OHM.
La resistividad
(P ) es el cociente entre el gradiente de potencial
en un conductory la densidad de corriente en él creada; también es
la resistencia específica de una substancia numéricamente igual a la
resistencia de un material cúbico o de una substancia en cuestión,
es decir:
V=vol umen.
L
Su unidad es elohm x cm.
La conductancia
eléctrica, esla capacidad de conducir la corriente
eléctrica ya sea de un conductor o de una solución, y es el recipro­
co de la resistencia eléctrica, siendo su unidad el mho.
La conductancia electrolítica se refiere a la capacidad de las solu­
ciones para permitir el paso de la corriente eléctrica a través de
ellas.
Est3 , puede expresarse en tres formas, que son:
55
La conductancia específica, que es cuando la solución tiene una con­
centración específica sin tomar en cuenta el volumen.
Esta conduc­
tancia es el reciproco de la resistividad, siendo su unidad mho/cm
0
1/ohm x cm . Esto es
K
- J _ = L__
P
R A
La conductancia equivalente, es cuando la concentración de la solucióntien un comportamiento variable, ya que cambia el numero de iones
en ella presentes.
Es decir, en su volumen varía.
Su expresión es:
A = VK^, A
= 1000
k
N
DondeConductancia equivalente.
V - Volumen de solución.
K - Conductividad específica.
N = Normalidad determinada
gr. eq. ohms.
La conductancia a dilución infinita, se refiere a esa Capacidad de con­
ducir la corriente eléctrica, pero a una dilución infinita, con un gra­
do de ionización máximo.
Esto es:
A r
^
(La +
Lc>
Donde:
oí - girado de ionización.
1. y Le = Conductividad iónica del anión y del catión
A
en •
2
cm
ohm, greq.
Conductancaia a dilución infinita.
56
El Volt, es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos
(o entre dos superficies equipotenciales) de un conductor que trans
porta una corriente de intensidad constante de un Ampere, cuando en
tre dichos puntos se disipa una potencia de un Watt.
LEYES DE FARADAY.
Faraday, gran físico y químico inglés dió a conocer su descubnmien
to experimental de la electrólisis.
Descubrió las relaciones cuan­
titativas entre la cantidad de electricidad que pasa a -ravés de
una solución y la cantidad de materia liberada o precipitada en ca­
da uno de los conductores ó electrodos utilizados.
Faraday observó que aplicando una corriente de un amperio por según
do en una solución electrolítica de HCl manteniendo dicha corriente
durante 96494 segundos,
1,007 gr.
35,457 gr.
Estos pesos representan
se obtenían:
de hidrógeno en el cátodo.
de cloro en el ánodo.
un equivalente gramo de estoselementos que
es igual a la masa atómica del elemento dividida entre suvalencia.
Cuando la solución contería iones Ag+ en el cátodo (-) se deposi­
taba el equivalente gramo de la plata: 107.88 gr. 1 eq. gr=lN.
Cuando la valencia n=l .
Cuando se hace pasar un Ampere (A) por segundo O '
sp
^lene una
unidad llamada Coulomb (Q); Q=Axt, o sea, 96494 Coulombios deposi­
tan o desprenden el equivalentente gramo de: hidrógeno, cloro,
plata o cualquier otro elemento.
Miguel Faraday propuso dos leyes las cuales son.
57
1.- El peso de un ion liberado o depositado en un electrodo es pro­
porcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la
solucion.
2.- Las cantidades de sustancias liberadas o depositadas por una
cantidad de electricidad son proporcionales a sus pesos equiva
lentes.
Equivalente electroquímico, es la cantidad de sustancia que se de­
posita o libera cuando se hace pasar un Ampere por segundo por una
solucion electrolítica.
Se representa con Ee y es igual a:
p .A
í
= Equivalente químico
96494 Amp x seg.
Donde.
96494 Amp. x seg.
P.A. = Peso atomico.
n = Valencia.
Oxidación, es un fenómeno fisicoquímico en el que se manifiesta una
pérdida de electrones por parte de alguna o algunas sustancias invo
lucradas, por ejemplo:
Na°
- 1¿
Na+ o bien
Na° _______
Na+ + e
o también
NaCI _ _ _ _ _ _
Na+ +
Cl‘
así como
S + 0£
Cuando interviene el
oxigeno.
5b
Reducción.-
Es un fenómeno fisicoquimico en el que se manifiesta
una ganancia de electrones por parte de alguna o algunas sustancias
involucradas, y es el fenómeno inverso a la oxidación.
Por ejemplo, si se introduce un trozo de alambre de Cu limpio en
una solucion de AgNOj, inmediatamente se realizan y se observan
ambos fenómenos: la solución comienza acolorear de azul como con­
secuencia de la oxidación del cobre o perdida de electrones.
Así:
Cu°
--------
Cu+2acuoso
-
Z¿
En tanto que la plata se reduce en la superficie del Cu, donde los
iones Ag+ reciben los electrones
que necesitan para su reducción,
ele
(ganancia de eléctrones).
2 Ag+
s acuoso
* 2¡
2 Ag“
3
Y que no son, sino los que cede el Cu° en el momento mismo de oxi­
darse.
La teoría de obtención del hidrógeno gas eri el interior de la cel­
da electrolítica que se muestra en el diagrama es la siguiente:
59
Como el agua pura es muy poca conductora de la corriente eléctri­
ca, se le ag-ega una solución electi olítica de trdroxido de potasio
IKOH)) y agua, para mejorar la conductividad dentro de la celda.
Este mejoramiento se observa en la siguiente tabla-
CONDUCTIVIDAD Y PORCIENTO DE IONIZACION DE DIVERSAS
DISOLUCIONES AL 0.1 MOLARES
Solución
Electrólitos
ácido clorhídrico
ácido nítrico
-8
r¡ ácido sulfúrico
ácido acético
Fómul a
HCl
HNO3
H2SO4
CH3-CCOH
hidróxido de sodio NaOH
hidroxido <fe pctasio KOH
hidróxido ce aitnio NH4OH
cloruro de sodio NaCI
nitrato de potasio KNO3
sulfato de cobre CUSO4
W
¡ü
Conductividad
excelente
excelente
excelenLe
débil
90
90
90
1.3
excelente
excelente
débil
90
90
1.3
buena
buena
regular
AGUA
H2 O
muy débil
alcohol
azúcar
glicerina
CH3 -CH2-OH
no la conduce
no la conduce
no la conduce
Cli2 H2 2 0 ll
C3H5 (0H)3
% de ionización
85
85
40
0 .0 0 0 0 1
La reacción química se representa por medio de la ecuación iónica co­
mo sigue:
KOH
K+ + OH'
60
Se observa que la reacción está balanceada ele'ctncamente, al mismo
tiempo que se indica una reversibilidad, ya que posteriormente se re­
genera el hidróxido de potasio.
Al pasar la corriente continua a través del electrólito, que contiene
iones potasio (K+) llamadas cationes, iones oxidrilo (OH ) llamados
amones y moléculas de agua, las leyes fisicas de la atracción y re­
pulsión de las cargas eléctricas actúan, es decir, cargas de igual
signo se rechazan y cargas de signos contrarios se atraen.
El cátodo o polo negativo atrae a los catio'nes, esto es, a los iones
cargados positivamente (K+), y rechaza a los amones o iones con car­
ga negativa que son atraídos por el contrario, por el ánodo o polo po
sitivo, como se ilustra en la Fig. No. 13.
Los iones han conducido la corriente eléctrica en base a las fuerzas
eléctricas o de Coulomb, que se ejerce entre sí debido al choque eléc
trico de sus cargas y también a la distancia de separación entre ellos.
ver Fig. No. 13 .
Cuando los dos iones llegan a cada uno de los electrodos, se dice
que existe un voltaje o diferencia de potencial, debido a que han rea
1 izado cada
uno un trabajo para llegar a cada electrodo, así como és­
tos también, por tal motivo ocurre lo siguiente:
En el polo negativo o cátodo los iones potasio comienzan a acumularse
cerca de él, de tal manera que al suministro de la corriente eléctri­
ca, éste se reduce o se neutraliza.
K+
+
Té
----------
K°
Inmediatamente las moléculas de agua se ionizan dando como resultado:
iones hidrógeno e iones oxidrilo, los cuales reaccionan posten oríllen­
te, así:
2H20
2H+ + 20H
ionización del agua.
61
Fig. No. 13 . Representación de las fuerzas Coulombicas de repulsión.
Donde:
F = Fuerzas de repulsión y/o atracción en su caso,
r = Distancia de separación.
OH y K+ - Carga negativa y positiva respectivamente.
62
Los iones hidrógeno presentan la reacción de reducción al aceplar un
electrón,
les
dando como resultado átomos neutros dehidrógeno, los
secombinan para formarhidrógeno gas que escapa por uno
cabezales de la celda electrolítica.
así;
cua­
de los
La reacción mencionada es-
H+ +
le ----------
H°
H+ +
le
----------
H°
H° +
H°
----------
H2
gas
Lo que se esta obteniendo en este electrodo negativo o cátodo es hi­
drógeno molécular (H2 ) e iones oxidrilo, como se muestra en la si­
guiente reacción.
2H20
+ 2e
H2
---------
+
20H'
La ganancia de un par de electrones del ion H+ es una reacción de
reducción y ésta tiene lugar en el cátodo.
De esta manera, se ha generado el hidrógeno gas, y en este mismo
instante, también los iones oxidrilos (OH ), que comienzan a acumu­
larse cerca del cátodo debido a la atracción electrostácica de los
iones potasio (K+), los cuales evitan su migración hacia el polo po­
sitivo o ánodo, logrando que los iones potasio reaccionen inmediata­
mente con los iones oxidrilo (OH ) y formen la potasa.
Esta es la
regeneración del hidróxido de potasio o potasa (KOH).
La reacción
es:
KH +
OH"
.....—
KOH
Mientras que hacia el polo positivo o ánodo se dirigen los iones oxi­
drilos que provienen de la ionización ael hidróxido de potasio.
Aquí
también ocurre una reacción pero en este caso es de oxidación ya que
se ceden los electrones o cargas negativas, esto es.
20H
20H°
+ ?¿
20H
20H°
+ 2e
63
Estas ecuaciones de las reacciones indican que precisamente el ion
oxidrilo pierde un electrón para quedarse en estado neutro sin carga.
Posteriormente reacciona generando el oxígeno, también en estado ga­
seoso de una alta pureza.
Todo esto se muestra en las siguientes reacciones.
40H~
donde:
y así
401,°
40H° + 4e
20H°
20H° =
2H0°
+
20H°
--------
2H20 +
02 gas
Observese que este par de electrones que se están cediendo pasan del
electrodo positivo hacia el negativo, de
ente eléctrica sea un ciclo cerrado.
ahí que e’paso de la corri­
Lo expuesto anteriormente se ilustra en las Figs. No. 14 y 15 .
El proceso „otal dela conducción en este sistema se resume en varias
etapas:
1. Un par de electrones son introducidos en el cátodo.
2. Un electrón pasadel cátodo a un ion potasio reduciéndolo.
3.
El otro electrónpasa también del cátodo a un ión hidrógeno del
agua ionizada por la presencia de potasio reducido, convirtiéndose
el ión en un átomo de hidrógeno.
4. La carga del electrón es transportada a través del líquido por el
movimiento de los iones.
5. Un ión oxidrilo cede un electrón adicional al ánodo, convirtiéndo­
se en átomo de oxígeno y después en molécula de oxígeno gaseoso.
6 . Un
electrón se dirige desde el ánodo hacia el rectificador de co­
rriente directa.
La electrólisis se observa en la Fig. No. 16
64
(Reducción)
Fig. No. 14.
CATODO
-*-»
-®
SUMINISTRO
DE
DE
C-D-
ANODO
(Oxidación)
Movimiento de iones positivos cationes y negativos anio'nes.
65
SUMINISTRO
Fig. No. 15. Generación de H,r y 02 gases y regeneración de KOH.
66
SUMINISTRO
Fig. No. 16.
Electrólisis del agua.
67
CONCLUSIONES DE LAS REACCIONES
KOH
-------aq
Cátodo
2H,0
¿
K + OH
2H+ + 20H*
k +0H"
2H+ + 2e"
--------
2H° — .....
Anodo
20H
-..... ---
0H° + OH0
Reacción total
H90
¿
2H°
H„
20H° + 2e
--------
H20 + 1/2 02
H„ + 1/2 09
C.D.
¿
¿
electrólito
La ecuación iónica total es:
2k+ t 20H
t 2H20 --- H2 +l/2O2+2k+j-0H
Y la ecuación molécular del electrólito combinado es-
2K OH + 2H20 ------- H2 + l/202 + 2K0H
68
PARAMETROS DE OPEACÍO:,
8¡
UNA CELDA ELECTROLITICA
TIPO DE CELDA:
TANQUE MONOPOLAR
Presión de Operación
Ai.nosférica
Temperatura de Operación
70°C
Electrólito
Densidad de Corriente, A/m
KOH al 28 %
2
1340
Voltaje en Celda, V:
1.90
Eficiencia de Corriente, %:
>99.9
Pureza del Oxígeno, %
99.7
Pureza del Hidrógeno, %
99.9
Consumo de Potencia,
4.9
DC-KWH/m" H, normal
3
NOTA: Corriente requerida para 1 m normal de hidrógeno®' 2393 A hr.
b9
Til . 4.
OPERA" ' ,ES SUBSECUENTES,
a) REGULACION DE PRESICN Y COMPRESION.
Los gases generados de mdiogeno y oxígeno de alta pureza fluyen a
través de sus colec
01 es
al sello de agua, que es un recipiente de a-
cero al carbón dividido en dos secciones una para cada gas.
En éstas
se contiene en su interior agua liquida no dura con un cierto nivel,
a .ravés de la cual pasa cada uno de los gases hidrogeno y oxígeno
sin mezclarse.
Las funciones principales del sello de agua son
mantener presiones
equilibradas en los cabezales de hidrógeno y oxígeno gases, prevenir
y evitar un flujo 'nverso de cualquiera de los dos gases, desde el
gasómetro cuando las celdas no están operando bien ó están sin ope­
ración.
El funcionamiento de este sello de agua se basa en el prin­
cipio de A"químedes el cual nos dice: "Que todo cuerpo sumergido en
unfluido recibe de éste un empuje vertical y hacia arriba, igual al
peso del fluido que desaloja".
Esto es, cuando los gases de hidróge­
no y oxígeno entran al sello de agua, ésta se opone con un empuje equivalente al agua que se derrama, y como este empuje es más débil,
los gases pasan fácilmente, no así cuando pretenden invertir el sentí
do de su flujo desde el gasómetro, ya que en ese momento actúan las
presiones de. el agua, del gas que proviene de la celda electrolítica
y la atmosfe'rica que empuja al agua.
A la salida del sello de agua el gas oxigeno se ventea hacia la at­
mósfera por medio de una válvula de compuerta que esta' abierta.
En
cuanto al gas mdrógenq, éste se envía directamente al gasómetro a
través de una válvula de compuerta, como se muestra enla Fig. 3 .
Las
válvulas que se Utilizan, también tienen la función de aliviar
cualquier exces'va presión interna en la celda electrolítica, gene­
rada por el bloque de la salida de los gases de ésta, lo que causa­
ría una mezcla de hidrógeno gas y oxígeno gas, dando como resultado
una explosión, de ahí la importancia que tiene el sello de agua y
las líneas de venteo.
70
El hidrógeno gas entra a1 gasómetro aonde se almacena a baja pres.ón
por unos instantes.
Este recipiente llamado gasonei.ro esta formado
por dos recipientes de acero
uno mayor con un aeterminado volumen
de agua que alcanza un nivel estandar y uno mas pequeño
cerrado her­
méticamente que se encuentra dentro del an^erio» en forma invertida
oara formai un cie're hidráulico y de esta manera evitar posibles fu­
gas del Hidrógeno a la atmósfera.
Lo que está ocurriendo es que cuando
el hidrógeno entra al recioiente invertido se almacena por unos ins­
tantes en él y lo empuja hacia arriba, pero en ese mismo instante hi­
drógeno gas sale por la otra línea al ser seccionado por el compresor
y de esta manera el recipiente baja empujando el agua la cual también
le aplica Ln empuje en sentido opuesto lográndose así, que tanto el
flujo de hidrógeno que entra con una presión es nivelado balanceado
con el flujo que sale del gas a una cierta presión.
El peso del re­
cipiente invertido mantiene una presión positiva del ?as i presión
que se genera en la celda electrolítica, más o menos constante con
la ayuda del sello de agua, para que el compresor succione este y lo
comprima.
El compresor es del tipo de desplazamiento positivo lubricado cor
aceite de varias etapas, en las cuales el hidrógeno gas se compr m_
en la primera etapa desde la presión inicial hasta una presión inter­
media. y debido a los efectos de compresión el gas incrementa su
temperatura, por lo cual es enfriado por medio de sistemas de enfria­
miento o intercambiadores de calor de agua a contracorriente del
de tubos y coraza, y de serpen'n.
ja con una mayor eficiencia.
ipo
Con esta medida el como, esor traba
En seguida se vuelve a comprimir el h -
drógeno gas en cada una de las etapas subsecuentes, aue tambiénruen ,an
con sus respectivos enfriadores, hasta una presión enere los 150 y 160
2
kg/cm
aproximadamente,
b) SECADO Y FILTRADO.
Al hidrógeno gas comprimido y enfriado se le elimina la humedad y pol­
vos que contiene, medí ante: separadores de humedad conectados en ser’e,
secadores de alumina y un filtro, como se muestra en la Fig. No. 3
71
Un separado»" de humedad es un recipien.e de acero de forma cilindrica
pero con sus dos extremos tenm nados' cóncavamente. En su inte>~ioi se
tiene provisto un tubo largo con una serie de perforaciones po~ conde
escapa el gas que entra al recipiente.
TamDien cuenta con una válvu­
la de drenado de agua condensada.
Los separadores de humedad reciben el gas comprimido y como su nombre
lo indica, tienen la función de separar la humedad contenida en el
gas, basándose en el siguiente ormcipio conocido comúnmente como de
choque:
En los gases comprimidos existen fuerzas de atracción y re
pulsión entre sus moléculas, por lo LantO, si se hace que un gas
comprimido cambie de velocidad bruscamente es decir, sufra una peque­
ña expansión, el gas efectúa un crabajo para vencer dichas fuerzas,
por lo que la energía indispensable para ello la obtiene consumiendo
parte de la ene'gía calorífica existente en el hidrógeno gas, lo que
se traduce en enfriamiento del mismo manifestándose físicamente como
agua condensada.
El gas al enerar al primer separador de humedad, pasa a través del tU
bo perforado como lo muestra la figjra anterior, oara producir med’an
te és.e, la expansión dentro del recipiente que lo contiene, con lo
cual se efectúa la separación por condensación de una parte de la hu­
medad contenida en el hidrógeno gas.
EstO se debe principalmente a
que el agua tiene una ,emperatura de condensación mayor que la del
hidrogeno, por lo que se condensa más pronto y fácilmente.
Lo que se menciona para un separador de humedad, también se lleva a
cabo en los dos siguientes separadores de humedad.
El hidrógeno se envía hacia los secadores de alÑnna para la elimina­
ción „otal de la humedad.
Los secadores de alúmina consisten básica­
mente de dos recipientes de acero interconcec.ados paralelamente y
provis os de un calentador eléctrico para la "egene~acion de la alú­
mina.
Este proceso de deshidratación de hid’ógeno gas, se efectúa
hacién­
dolo pasar a través de alúmina, la cual proouce la desh¡aratacion ael
gas nor medio del fenor.ieno conocido como adsorción.
La adsorcion se define como la eliminación
del agua por procedimien
tos físico^, sin que ocurra alguncambio en la comoos.ción Química
del agente adsorbente "ALUMINA".
La al urna es un a3ente adsorbente
granule formado por trihidraco de alumin'o, al que se ha hecho muy
poroso y desde luego muy adsorbente.
Es químicamente inerte, no
corrosivo, no tóxico y muy resistente al desgaste por razonamiento o
por abrasión.
La humedad existente en el gas hidrógeno queda retemdcenla estruc­
tura porosa, no en el inferior de la alúmina, hasta su saturación,
lo cual indica que su poder adsorbente va disminuyendo poco a poco.
Después de un tiempo de operación se afecta la facilidad que tiene
la alúmina para retener humedad ya que está totalmente saturada, pa­
ra lo cual se tiene previsto el sistema de regeneración que consis­
te en hacer circular nitrógeno caliente en sentido inverso al flujo
de hidrógeno gas. Se desprende toda la humedad retenida por la alú­
mina y queda seca. lis_a para entrar en servicio.
El hidrógeno gas seco, pasa a través del filtro para la retención de
los polvos que pudiera contener y ser enviado posteriormente al alma­
cenamiento previsto para su distribución.
73
III.5. ALMACEIvAMIETO.
El almacenamiento, embarque, traslado y distribución del hidrógeno
depende de su estado físico, ya sea en estados líquido o gaseoso.
Sin embargo, actualmente en México sólo se comercializa en estado
gaseoso, debido a que tiene un alto costo la producción y comer­
cialización del hidrógeno en estado líouido.
Los recipientes que se utilizan para el manejo de hidrógeno en es­
tado líquido son
tanques y en estado gaseoso se utilizan cilin­
dros, bancos de cilindros estacionarios y plataformas de cilindros
móvi1 es.
a) TANQUES.
Para el manejo de hidrógeno líquido se utilizan termos y tanques es­
peciales, los cuales normalmente son cilindricos soportados en forma
vertical, sin embargo aun se encuentra en servicio tanques esfencos,
de tal modo, que en aoibos casos se utilizan como recipientes esta­
cionarios en capacidades de 1,500 hasta 20,000 galones.
pientes son fabricados de
Los reci­
ccuerdo a los códigos y especificaciones
de los códigos. A9-1E (Ame< can Society of i.echamcal Engmeers), ANSI
(American National S.anda's Institute , CGA (Compressed Gas Asociatión), ICC (Interestate Commerce Comision), así como, 3A y 3AA D0T
(United States Departament of Transportation).
Los tanques están aislados, al vacío y disponen de válvulas de alivio
de presión para protegerlos por sobrepresiones según indica el códi­
go ASME.
b) CILINDROS.
En estado gaseoso el hidrógeno es usualmente comprimido mediare
compresores lubricados con aceite y almacenado dentro de cilindros y
bancos de cilindros.
74
No mal qente todos los cilindros Jienen una base cóncava, la cual per
mi te colocarlos en posición vertical y están rematados en un orificio
roscado en la parLe superior para recibir una válvula u otra cortexion
apropiada para el llenado o vaciado, la cual debe disponer de su ros
ca correspondiente.
Por el exterior de esta válvula o conexión, tie
ne una capucha, también roscada en la parte superior externa del ci­
lindro, proporcionándole una protección mecánica a la válvula o a la
conexión del cilindro.
La válvula del cilindro a su vez, dispone de un di seo de ruptura que
es un dispositivo de seguridad, el cual tiene la función de propor­
cionar al cilindro la oportunidad de liberar la presión interna en
caso de que éste accidentalmente eleve su temperatura y por secuen­
cia su presión.
Al igual que los tanques, los cilindros también son
fabricados de acuerdo a los códigos y especificaciones: ASME (Ameri­
can Society of Mechamcal Engineers), ANSI (American National Standars
Instnute), CGA (Compressed Gas Asociation), ICC (In.ers.ate Commerce
Comisión), asi como 3A y 3AA DOT (United States Depar„mont of Trans­
portation) .
Respecto a los cilindros DOT 3A, éstos son fabricados con acero al
carbón sin costura y se utilizan para presiones de servicio superio­
res a 10.56 kg/cm2 (150 lb/pulg') y hasta 1056.85 kg/cm‘ (15,000
p
lb/pulg ).
Pero en cuanto a los cilindros DOT 3AA, é= os son fabri­
cados también con aleaciones de acero sin costura y con tratamiento
térmicos especiales que les dan por resultado la misma resistencia a
la presión de los cilindros D0T-A pero con menor peso.
Todos los cilindros son probados hidrostáticamente durante su fabri­
cación y posteriormente cada 5 años son probados 1.66 veces la pre­
sión de servicio según establecen las normas DOT.
La CGA y la ANSI han adoptado una dimensión standard de 0.825 pulga­
das de diámetro y 14 hilos por pulgadas de rosca para conexiones de
válvulas de seguridad y conexiones enLre cilindros.
75
Es importante saber que todos los cilindros utilizados para almacena
miento disponen de identificaciones como muestra el cilindro de la
Fig. No. 17.
Donde:
DOT es 3A
2
2
La presión de servicio es de 2015 lb/pulg. (141.9kg/cin ).
El fabricante es la empresa XH
El usuario es CGA
El número de se'-ie es 452.
Estas mismas identificaciones pueden distr'buirse horizontalmente en
el cilindro y este caso aparecen así en la Fig. No. 18
Cuando aparece un signo "+" inmediatamente después de la fecha de
prueba, o después de las especificaciones 3A o 3AA, significa que
el cilindro puede soportar hasta un
10
% de exceso en la presión de
servicio.
c) BANCOS DE CILINDROS.
Los bancos de cilindros son arreglos mecánicos de cilindros los cua­
les en ambos extremos terminan en forma cónica con un orificio rosca
do que permite su interconexión mediante tuberías o bien la instala­
ción de válvulas de seguridad, discos de ruptura o conexiones al ser
vicio del cliente o la instrumentación necesaria, según sea requeri­
da.
Las dimensiones y número de cilindros varían según las necesidades
del cliente y de las capacidades del equipo de distribución más usua
y
les, que son del orden de 150,000 Dies cúbicos standar a 150 kg/cm ,
y estos bancos oueden ser operados de manera que el cliente obtenga
el producto en forma individual de cada cilindro o de varios de ellos simultáneamente.
Fig. No. 17
Identificación de Cilindros.
77
Fig. No. 18
Identificación de Cilindros.
78
Finalmente, los bancos de cilind os son fabricados e identificados,
de acuerdo a los códigos y especificación mencionados para cilindro.
d) PLATAFORMAS.
Las plataformas de cilindros remolcadas con un tractor, se utilizan
para surtir a los clientes de mayor cantidad de gas hidrógeno, el
cual se trasvasa directamente a los bancos de cilindros estaciona­
rios.
La capacidad usual de estas plataformas
cúbicos standar, a una presión de 2640 lb/pulg
de
2
126,000 pies
y una temperatura
de 70° F.
Estas plataformas están dotadas de válvulas de seguridad y discos
de ruptura, así como de un arreglo de cilindros, tuberías, cone­
xión de llenado, válvulas para carga y descarga da oaso, de instru
mentación y su manómetro.
También, las plataformas son fabricadas
de acuerdo a los códigos y especificaciones mencionadas para cilin­
dros, así como su identificación.
79
IV. CORROSION.
La palabra corrosión se deriva de la palabra latina "Correde" y se
traduce como la destrucr’ón lenta, etc. e irreversible de un metal
o una aleación metálica al reaccionar con su medio ambiente, debido
a la separación de un átomo del enrejado atómico al que pertenece.
La corrosión de un neta! es un proceso químico o electroquímico en
el cual los átomos de la superficie de un metal sólido reaccionan
cori una sustanria en contacto con la superficie expuesta.
El medio corrosivo es comunmente un líquido pero puede ser también
un gas o un sólido.
. FORMAS ESPECIFICAS DE CORROSION.
A continuación se describen los tipos más comunes de corrosión:
ATAQUE UNIFORME:
Sucede
cuando la superficie metálica expuesta se ve sometida a
reacciones químicas y electroquímicas y estas proceden uniformemente
sobre ese metal.
En ocasiones parece más bien, una corrosión loca­
lizada, tal vez por la forjación de una área anódica mucho mayor y
muchas áreas cacódicas alrededor.
Como ejemplo tenemos los tubos
abandonados, la varilla sin pintar,., etc.
ATAQUE ELECTROQUIMICO:
Corrosión producida por disolución química
Fe
Fe++J- 2e
CELDAS GALVANICAS:
Corrosión producida cuando se unen 2 metales con gran diferencia de
potencial (elementos con diferente posición en la serie electromo­
triz tabla 1)
Ejemplo: Fe - Cu en contacto con una pequeña canti­
dad de electrólito que funcione como conductor.
Este tipo de corrosión es debido a la formación de pares galvánicos.
80
CELDAS DE CONCE',BRACIO!,.
Este tipo de co'rosión ocurre cuando 2 oedazos de un mismo metal co
nectad^s eléctricamente se sumergen en
2
concentraciones diferentes
de oxígeno disuelto o de un electrólito.
La de mejor concentración se convierte en ánoao y de alta concentra
ción en cátodo, obteniéndose así los 4 factores que influyen en la
corrosión electroquímica, ver Fig. No. 19.
POR PICADURALa oicadira es una forma electroquímica de ataque en la que el meca
n'S'o básico implica la intervención de celdas galvánicas o de con­
centración y, a veces, de ambos tipos.
Es una forma de corrosión
localizada que da como -esultado pequeños orificios que pueden tras
pasar completamente a ce, .os miembros.
Se producen regularmente
en el aluminio y sus aleaciones, el cobre y sus aleaciones, el ace­
ro inoxidable y en las als;cciones de aUo contenido de níquel.
DESCINCADO:
Corrosión oroducida po-’ .a separación de 2n en acaque intergranular;
se aebe a los defectos metálicos en el enrejado atómico de ur ,,atal
esto provoca reacciones de corrosión en los límites del grano, el
cual poco a poco se separa de los demás granos y sí es<-o ocurre en
muchos granos del metal, este se desintegra, convirtiéndose en un
serio proble,ía de corrosión.
POR EFECTO DE TEMPERATURA:
Este tipo de corrosión involucra, con frecuencia, una oxidación o
una reacción con los productos de la combustión, en es,as condicio­
nes se oroduce la corrosión como un ataque quí'nice d'-eCtO.
La corrosión a elevadas temperaturas se acelera necrente el calenta
miento y el enfriamiento alternativo, debido a c.,e las películas
protectoras son quebradizas y porque se dilatan j contraen a ritmos
distintos que los metales que las soportan.
81
e"
(-)
IONES
■<+)
(-)ARER
METALICA
NEGATIVA
(+) A R E A
METALICA
POSITIVA
e'
ELECTRONES
I O N E S (ELECTROLITO.)
-FLUJO
1E N
A N O D O
DE
EL
CORRIENTE
CONDUCTOR
CATODO
c+)
(->
ELECTROLITO
OXIDACION'
REDUCCION
~^(1)
(1)F L U J O D E
IONES E N E L
ELECTROLITO,
F I G . No. 19.
CONDICIONES
DE
LA
CORROSION.
82
POR EROSION:
Es una combinación de erosión mecánica con uno de los mecanismos bá
s'icos de la corrosión.
Se debe al flujo turbulento de líquidos, so
bre lodo los que contienen sólidos en suspensión.
POR ESFUERZOS:
Se produce cuando en el metal actúan esfuerzos espáticos y superfi­
ciales de tensión en conbinación con un medio corrosivo.
Los es­
fuerzos pueden ser residuales, como resultado de etapas previas en
en la fábricación o el uso del metal.
Este tipo de corrosión es
f'-ccee,,temen te de nacuraleza intergranular y se diferencia de la
corros-,oí ■ntergranular porque las grietas de la corrosión con esJ;: vn en ángulo recto con la dirección del esfuerzo de tens ,:(
POR FATIGA:
Se debe a la acción de un r.iedio corrosivo, en combinación con es­
fuerzos variables, ocurre cuando un agente
corrosivo ataca la su­
pe 'f'.Cie metálica, produciendo incrementadores del esfuerzo que pro
vocc,
na falla por fa.iga.
Este tipo de corrosión se experimenta
ar, nos cables de las minas, en los tubos de perforación de pozos
petrolíferos, etc.
POR FRAGILIZACION ACUSTICA:
Es un asaque al acero, bajo la influencia de esfuerzos de tensión,
temperaturas elevadas e hidróxido de sodio.
Provoca fractura frá­
giles repentinas.
POR TENSION:
Cuando el enrejado atónico de un me:al o aleación se ve sometido a
una tensión sufre debilitamiento en los enlaces y esto hace que se
separe uno a varios átomos dando lugar a una corrosión general co­
nocida como corrosión por tensión.
83
BASES DE LA CORROSION ELECTROQUIMICA.
La corrosión electroquímica es causada por un flujo de electricidad
de un me>.al a otro, o de una parte de una superficie del metal a otra de la misma superficie donde las condiciones permiten el flujo
de electricidad.
Para que ocurra la corrosión e1ectroq"ímica se
debe tener un electróli.o, (-solución que conduce la electricidad-)
que contiene iones una región de la superficie metálica negativa,
una región de la superficie metálica positiva y un medio de conduc­
ción eléctrica entre las dos regiones anteriores (flujo de electro­
nes) ver Fig. 20 .
Las reacciones que se pueden llevar a cabo son:
4re ------
4Fe++ + 8 e
4 F e ------
302 + H 2G ---------
2 F e 2 0 3 .H 2 0
4F e ------
2 0 2 + 4 H 20I -----
4Fe(OH)2
4Fe (OH)^
2 Fe 2 0 3 .H 2 0 + 2 H 2 0
Durante la corrosión metálica la velocidad de oxidación es igual
a la velocidad de reducción.
Por lo que una reacción química, no
destructiva debe seguir simultáneamente en el cátodo,
tn muchos
casos el gas hidrógeno es producido en el cátodo.
CONDICIONES DE LA CORROSION.
Si existen H^O y 02 la corrosión ocurre normalmente en el hierro y
el aire.
. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE LA CORROSION.
Los siguientes la aceleran:
- Velocidad o acidez del H20
- Movimiento del metal.
- Aumento de temperatura o aereación.
84
- Presencia de cieña bacteria.
Los siguientes la retardan:
- Películas protectoras que absorban el oxígeno.
- Agua de alta alcalinidad.
- Por medio ael control de H^O y 0^.
METODOS ANTICORROSIVOS,
SELECCION DEL METAL:
De acuerdo a las condiciones de operación.
RECUBRIMIENTOS ORGANICOS:
Como pinturas, resinas, barnices, grasa, placas adhesivas de mate­
rial plástico y otros materiales, similares.
La protección se proporciona mediante la exclusión de la humedad el
aire y otros medios corrosivos.
RECUBRIMIENTOS INORGANICOS:
Como la cerámica, estos materiales resisten alcas temperaturas; son
duros y resistentes al desgaste pero frágiles por lo que se encuen­
tran sujetos -a daños causados por los choques térmicos.
RECUBRIMIENTOS METALICOS:
De Zn, Cu, Cr,..., etc.
se logra la protección debidoa que el re­
cubrimiento metálico es más resistente al efecto del medio ambiente
que el metal base.
RECUBRIMIENTOS CHAPEADOS DE ALTA CALIDAD:
Se utilizan para mejorar la resistencia ala corrosión por fatiga,
pero deben seleccionarse y aplicarse cuidadosótien,,;::.
85
ACCION DE INHIBIDORES:
Son productos químicos que, al añadirse a los medios corrosivos,
los vuelven inertes o que, cuando se aplican a la superficie de un
metal, reaccionan para producir pasivación.
ALGUNOS INHIBIDORES UTILIZADOS SON:
Aceites solubles, fosfato de sodio,
etc.
PROTECCION CATODICA:
Se logra cuando una estructura metálica que normalmente sería ata­
cada, se hace catódica, haciendo pasar por ella una corriente inver
sa, la cual puede provenir de un rectificador, un generador o una
celda galvánica.
ANODOS DE SACRIFICIO:
Es por medio de metales que se sacrifican a oxidar o corroer en lu­
gar del neral base.
Ejemplo: ánodos de magnesio o zinc.
EFECTO DEL HIDROGENO EN LOS METALES.
Los efectos de deterioro que produce el hidrógeno en los metales se
conocen cono fragilidad del hidrógeno.
des del mismo, tales como:
Esto se debe a las propieda
Coeficiente de difusión, Solubilidad,
Volumen Molar Parcial, Calor de Solución, ecc. en el rango de tempe
raairift de solución acuosa.
Los efec'cos pueden ser: Fisuras internas, cavidades o vacíos en los
metales, también afecta las propiedades mecánicas.
La fragilidad del hidrógeno se manifiesta como una disminución en
la ductilidad del metal o como una reducción en el porcencaje en
el área de cruce de la sección de fractura.
netración de H„an el metal.
EsuO se debe a la pe­
86
Para disminuí"" la frag’lidad del hidrógeno se puede recurrir a alea
ciones de Fe-Ni (40-60 ' peso de Ni) o de Cr - Fe, las cuales nos
permiten, trabajar con los metales sin temor a una fractura repentn
na.
87
CORROSION EN EL PROCESO.
Después de haber estudiado los tipos de corrosion, las condiciones
de la corrosión, y los factores que la aceleran, nos darnos cuen:a
que la corrosión se presenta en el proceso, principalmente en:
los
ánodos y en el gasómetro.
La corrosión que se presenca en los ánodos es localizada, ya que se
encuentra en lugares aislados, siendo muy marcada en dichos sitios.
Esta corrosión puede ser debida a una mala aplicación del recubri­
miento metálico, o a que dicho recubrimiento no sea el adecuado.
El gasómetro sufre un ataque severo debido a las características
de su funcionamiento, pues este consiste de
2
recipientes, uno de
ellos invertido sobre el otro y constantemen.e esta subiendo y ba­
jando en un medio acuoso; este continuo rozamiento aunado con el
agua provoca dicho ataque.
LA MANERA DE DISMINUIR LA CORROSION PUEDE SER:
En los ánoc^. es calcular las óptimas condiciones de aplicación del
recubrimiento, así como, estudiar cual es el mejor recubrimiento pji
-a el proceso.
Para el gasómetro diseñando uno de tal manera que sus materiales de
construcción sean más resisten.es, o aumentando el espesor del mis­
mo, así como recubrimientos orgánicos e inorgánicos (pinturas).
V. SEGURIDAD INDUSTRIAL.
La seguridad es el conjunto de actos encaminados al conocimiento de
los riesgos y sus efectos con el fin dedisminuir su posibilidad de
ocurrencia y prevenir la magnitud de sus consecuencias.
Debemos tener presente que en la obtención de un producto intervie­
nen un equipo numano y una estructura. Los riesgos que gravitan so
bre este conjunto indica las facetas deseguridades que necesita pa
ra protegerse de posibles daños principalmente del tipo físico-químicos y técnicos.
A continuación se enuncian algunas sugerencias referentes al manejo
del hidrógeno, considerando los posibles riesgos que este elemento
puede generar.
Para ello es importante conocer algunas de sus características.
Es extremadamente fl amabl e, con el oxígeno forma una reacción exotér
mica, provocando una reacción muy violenta aún sin presencia de fia
ma.
Se considera combustible debido a que arde con el aire o en el oxí­
geno puro, con flama pálida, no luminosa y por lo tanto no visible.
Otra característica importante de conocer es la formación de mez­
clas explosivas con el aire, presentando los siguientes límites de
flamabindad del 4 %, esto indica que el hidrógeno entrará en igni­
ción o explotará en el aire únicamente si la razón aire: hidrógeno
tiene las proporc.ones correctas, comprendidas den ro del rango an­
tes mencionado.
Los límites de ílamabilidad lo podemos representar en la gráfica de
la Fig. No. 20
89
CONC.
°/c
H2
__
TEMPERATURA
Fie. 2 d
EFECTOS DE LA TEMPERATURA SOBRE LOS LIMITES DE FLAMABILIDAD
DEL HIDROGENO GAS EN EL AIRE.
90
Como podemos apreciar en la gráfica, señala esquenaticamente las áreas en función de las variables indicadas, las cuales pueden resu]_
tar riesgosas.
Por ejemplo el límite infe-ior es en general el va­
lor más importante en relación con el control de fuego o explosión
por ser la situación de nesgo que inás probablemente se encontrará.
El punto de destello, indica la temperatura mínima a la cual se ge­
nera una mezcla igmcible con el aire.
Los peligros asociados con el manejo del hidrógeno son el fuego, la
explosión y la asfixia.
La capacidad del hidrógeno para formar mezclas flamables se debe a
lo siguiente.
- Este elemento se dispersa rápidamente a través de pequeñas
fisuras o abe> turas.
- La cantidad de ignición necesaria para una mezcla flamable
de este elemento es la misma que se necesita para producir
un fuego, aproximadamente
1.95 x 10 ^ calorías, este valor
lo puede contener el calor de una chispa, alguna carga está
tica,
6 uC.
En el manejo de equipo o instalaciones de hidrógeno.
El personal que labore deberá utilizar el equipo mínimo de protec­
ción personal que consiste en lo siguiente.
- Casco de proiección dieléctrico.
- Lentes de segundad con protección lateral.
- Zapatos de seguridad con casquillo de acero en la punta.
- Ropa de trabajo de algodón para que r,o produzca cargas estáticas.
- Guantes para protección de las manos de acuerdo al trabajo a
desarrnl1 ar.
- Fajilla para trabajos que impliquen movimiento de cilindros.
91
Para el manejo de cáusticos se recomienda utilizar equipo de prote£
ción personal a prueba de ácidos y protección respiratoria.
Instrucciones contra incendio:
Conociendo las características del hidrógeno, en caso de un incen­
dio con este elemento, la forma efectiva de combatirlo es cerrar el
flujo del gas si es posible o dejarlo arder hasta que se consuma
protegiendo los equipos
e instalaciones que puedan verse afectadas.
Las instalaciones deberán de disponer de un sistema hidráulico con­
tra incendio y un sistema hidráulico contra incendio y un sistema de
extinción a base de extintores tanto de bióxido de carbón o como de
polvo químico seco.
En la generación dt hidrógeno electrolítico se deben contemplar las
siguientes reglas generales de segundad.
- Se debe tener una adecuada ventilación, para reducir una po­
sible formación de mezclas flamables en caso de una fuga.
- Verificar la atmósfera existente en el área de trabajo por
cantidad de hidrógeno.
- El sistema eléctrico y alumbrado debe ser a prueba de explo­
sión.
- Deben existir señalamientos para información del personal, alusivos a los riesgos del hidrógeno tales como, "Peligro",
"Hidrógeno", "NO fumar", etc
- El equipo se debe purgar con gas inerte ames de introducirle
hidrógeno.
- Para trabajos en el área, utilizar herramienta antichispa.
- Se revsará el estado y operación de las válvulas de seguri­
dad, in erruptores de presión, alarmas, controles de tempe­
ratura para garantizar los rengos de operación.
92
- Todo equipo que contenga hidrógeno debe ser sellado incluyen­
do drenajes para evitar que el gas entre a lugares no protegí
dos.
Los dispositivos de venteos oara hidrógeno y oxigeno, su des­
carga debe realizarse sin peligro, se recomienda a una altura
exierior del techo.
COIICLUSIOIIES
Mediante el presente trabajo se estudiaron algunas bases teóri­
cas de la obtención de hidrógeno electrolítico, aplicadas a un
proceso considerado eficiente.
rrollo del trabajo:
Se consideraron para el desa­
Materia prima, Electrólito, Tipo de Celda
junto con sus elementos, etc.
Se reafirmó el amollo campo de aplicación industrial que tiene
el hidrogeno gas de muy alta pureza, ya que ofrece grandes ven­
tajas en comparación con otros métodos.
Se han propuesto algunos medios de prevención de la corrosión
que tienden a disminuir o evitar su formación durante la ope­
ración.
En este caso en particular, se recomienda que para controlar
este fenómeno en los electrodos e inferior de la celda, se de­
ben utilizar recubrimientos metálicos.
Por último, en base a las propiedades del hidrógeno, principal­
mente su nivel de explosividad y a la presión que es almacena­
do, es importante cener presente que este gas debe ser maneja­
do con mucho cuidado, de lo contrario se tendrán serias consecuenci as.
BIBLIOGRAFIA
- Enciclopedia Temática en color.
Ramón García - Peí ayo y G'-oss
Ediciones Soronsse
México, DJ., 1980
la. edición.
- Lecciones de Física.
Alejandro Félix, Juan de Oyarzabal y Mario Velasco.
C.E.C.S.A.
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14a. edición.
- Fundamentos de Fi sicoquímica.
Marón y Prutton.
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8 a.
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