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UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA
SEDE CONCEPCIN
REY BALDUINO DE BLGICA
PROCESOS DE OBTENCIN Y APLICACIONESDEL HIDRGENO
TRABAJO PARA OPTAR AL TTULO PROFESIONAL DE TCNICO UNIVERSITARIO
EN QUMICA, MENCIN QUMICA INDUSTRIAL
Alumna: Jimena Andrea Torres Contreras.
Profesor Gua: Ren Schmidt Uribe.
2009
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Doy gracias y dedico mi trabajo a un Ser muy importante en mi vida, a Dios.
Se lo dedico porque puso ante m un gran y difcil, pero superable desafo.
Por darme las ganas de seguir aprendiendo da a da, no solo de mis conceptos buenos, sino que
tambin de mis errores.
Por hacer que creyera en mis capacidades, fortalezas y conocimientos.
Por darme una familia preciosa. A mis padres Miguel y Adela y mi hermana Graciela por sercomprensivos, buenos y porque siempre confiaron en m, por su cario y ayuda incondicional. A mis tos
Sylvia, Laura, Jos, Washington, Ermo, Darwin y Pilar por su preocupacin y cario hacia mi persona,
que en mis momentos de debilidad, supieron tenderme sus manos y acogerme en sus brazos y que con
sus dulces palabras de aliento hicieron que recapacitara en mi conducta, pensamiento y actuar errneo
o desesperado. A mis ms queridos primos Orieta, Daniel, ngela, Carla, Valentn, Paulette y Alexander
porque fueron testigos y cmplices de mi gran esfuerzo y perseverancia.
Por darme la oportunidad de convivir con compaeros, que pasado los das,
con mucho cario, confianza y apoyo mutuo, nos transformamos en amigos.
Pero por sobre todas la cosas, le agradezco a Dios por darle larga vida a los pilares de mi familia, mis
abuelos Dionisio y Clara, porque me pudieron ver salir de la Universidad como una Profesional.
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Resumen
El Hidrgeno es el tercer elemento ms abundante en la Tierra, despus del Oxgeno y
Silicio. Una de sus caractersticas principales es su propiedad anftera. Esta propiedad es la
que le permite desempear un papel fundamental en la qumica, debido a la gran cantidad de
compuestos que puede formar.
La importancia de las propiedades del Hidrgeno, tanto las fsicas (punto de fusin,
densidad, etc.), como qumicas (estado de oxidacin, reactividad, etc.), han permitido que sea
parte fundamental en estudios y en diversos procesos industriales en los que se puede obtener
compuestos con este gas. Adems, es un elemento que se caracteriza por tener tres istopos, lo
que le da an, un valor agregado al momento de emplearlo en una mayor diversidad de
procesos.
Este gas lo encontramos en una gran diversidad de compuestos que contienen a este
elemento como molcula. En la unin con elementos electronegativos, participa como protn,
formando con elementos halgenos molculas como los cidos, generando hidruros con
elementos alcalinos, compuestos covalentes con elementos representativos y metlicos. Otros
compuestos en que participa son los hidrxidos, hidratos e hidrocarburos, que sin duda son los
ms abundantes en la Tierra y esenciales en el desarrollo industrial.
Su obtencin se puede efectuar a niveles industriales como de laboratorio. Hay
diferentes procesos para obtener este gas, pero los ms relevantes son la electrolisis del agua,
reformado de hidrocarburos, reaccin de metales con cidos y la formacin de gas de sntesis.
Entre los procesos con mayor ventaja es la electrolisis, con la cual se obtiene hidrgeno de alta
pureza. Por el contrario, el proceso de reformado y el de gas de sntesis generan emisiones de
dixido de carbono; y mediante la reaccin de metales con cidos, el volumen obtenido de este
gas es muy pequeo.
Existen procesos industriales en el que al hidrgeno se le dan varias aplicaciones.
Dentro de los productos de estos procesos, encontramos el amonaco, que se utiliza para
fabricar fertilizantes y explosivos. El metanol se emplea como anticongelante y combustible;
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los aldehdos se utiliza para la fabricacin de plsticos y pinturas; y por ltimo, en la industria
alimenticia, la margarina (grasa slida comestible) se emplea slo con fines comestibles.
Por otra parte, la cantidad de gases contaminantes en la atmsfera ha ido en aumento
en los ltimos aos. Una solucin a este problema, es reemplazar los combustibles fsiles y
sus derivados por el hidrgeno, ya que el nico producto de su combustin es agua, se disipa
con facilidad en la atmsfera y se puede utilizar como recurso energtico. Por estas razones, se
ha incrementado su volumen de obtencin en el mundo y, adems de su valor econmico
disminuye a medida que pasa el tiempo.
Recientemente se ha estado utilizando, como una alternativa eficiente para reducir los
niveles de contaminacin, las pilas de combustible en reemplazo a los motoresconvencionales. Estas pilas no emiten gases invernadero, ya que todo el hidrgeno empleado
es transformado en energa elctrica. Se distinguen seis tipos de pilas distintas, que difieren en
algunos elementos del sistema tales como el reactivo, temperatura interna del sistema y
electrolito utilizado, pero el funcionamiento es el mismo en todas.
El hidrgeno que se obtiene mundialmente, se ha almacenado en grandes unidades
industriales. Puede guardarse en depsitos subterrneos o en tanques de alta presin. El reto
ms importante es entregar una capacidad suficiente de almacenamiento en aplicaciones para
automviles, de manera que proporcione un tiempo aceptable de conduccin y exija un
espacio apropiado de almacenamiento. Es posible conseguir que el almacenamiento
tradicional, como los cilindros de gas comprimido y los tanques de gas licuado, sea ms
resistente, ligero y barato. Tambin se estn desarrollando tecnologas novedosas, como la
absorcin de hidrgeno empleando hidruros metlicos y nanotubos de carbono.
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ndice
Introduccin 1
Objetivos 3
Captulo I: El Hidrgeno
1.1 Hidrgeno molecular 4
1.2 Descubrimiento del hidrgeno 5
1.3 Istopos 6
1.3.1 Protio 6
1.3.2 Deuterio 6
1.3.3 Tritio 7
Captulo II: Compuestos con Hidrgeno
2.1 Hidruros binarios 8
2.1.1 Hidruros inicos 8
2.1.2 Hidruros covalentes o moleculares 9
2.1.3 Hidruros intersticiales o metlicos 9
2.2 Hidrxidos o sales 10
2.3 cidos 11
2.4 Hidratos 13
2.5 Hidrocarburos 14
2.5.1 Hidrocarburos alifticos 14
2.5.2 Hidrocarburos aromticos 16
Captulo III: Procesos de Obtencin de Hidrgeno 3.1 Electrolisis de agua 18
3.2 Reformado de hidrocarburos 19
3.2.1 Reformado con vapor de agua 20
3.2.2 Oxidacin parcial 21
3.2.3 Reformado autotrmico 22
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3.3 Reaccin de metales con cidos 22
3.4 Gas de sntesis 23
Captulo IV: Procesos de Aplicaciones de Hidrgeno
4.1 Sntesis de amonaco: Proceso Haber- Bosch 26
4.2 Proceso de sntesis de metanol 27
4.3 Hidrodesulfurizacin 29
4.4 Proceso de hidroformilacin de olefinas: Proceso Oxo 31
4.5 Hidrogenacin de Aceites insaturados para producir grasas
slidas comestible 32
4.5.1 Hidrogenacin completa 34
4.5.2 Hidrogenacin parcial 35
Captulo V: Mercado del Hidrgeno
5.2 Balance energtico 37
5.1 Ventajas al utilizar hidrgeno como energa 36
5.3 Economa del Hidrgeno 39
Captulo VI: Pilas de Hidrgeno
6.1.1 Efecto invernadero 42
6.1 Contaminacin atmosfrica 41
6.1.2 Calentamiento global 44
6.2 Invencin de la pila de hidrgeno 46
6.3 Pilas de hidrgeno 47
6.4 Tipos de pilas de hidrgeno: Segn electrolito empleado 48
6.4.1 Pilas de membrana de intercambio protnico (PEMFC) 48
6.4.2 Pilas de combustin de electrolito alcalino (AFC) 50
6.4.3 Pilas de cido fosfrico (PAFC) 51
6.4.4 Pilas de carbonatos fundidos (MCFC) 52
6.4.5 Pilas de xidos slidos (SOFC) 53
6.4.6 Pilas de metanol directo (DMFC) 55
6.5 Tipos de pilas de hidrgeno: Segn temperatura de funcionamiento 56
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6.5.1 Pilas de hidrgeno de alta temperatura 56
6.5.2 Pilas de hidrgeno de baja temperatura 56
6.6 Consideraciones para una celda de combustin 57
6.7 Ventajas de las celdas de combustin 57
6.8 Desventajas de las celdas de combustin 58
Captulo VII: Almacenamiento de Hidrgeno
7.1 Contenido energtico 60
7.2 Hidrgeno gaseoso o comprimido 62
7.3 Hidrgeno lquido en estanques criognicos 62
7.4 Hidrgeno en estanque de hidrgeno criognico 62
7.5 Combinacin qumica: Hidruros metlicos 637.5.1 Proceso de adsorcin 63
7.5.2 Proceso de desorcin 63
7.6 Slidos porosos: Nanoestructuras de carbono 64
7.6.1 Nanotubos de carbono 64
Conclusin 66
Bibliografa 67
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Introduccin
Desde hace miles de millones de aos, el hidrgeno ha sido parte fundamental en la
evolucin del Universo.
Se dice que, antes de la Gran Explosin, el universo estuvo concentrado en un solo
punto de densidad y presin infinitas y por causas que se desconocen, aquel punto explot,
expandiendo y liberando toda la energa en el transcurso de los quince mil millones de aos
que aproximadamente cuenta el universo. Se afirma que, en los primeros cien segundos de
vida, los protones y neutrones se uniran para formar ncleos de hidrgeno, deuterio, helio y
litio, entre otros.
Por esta razn, se asevera que el hidrgeno es el elemento ms abundante del universo,
constituyendo ms del setenta y cinco por ciento en masa, y noventa por ciento en nmeros de
tomos en los compuestos en que participa. Este elemento se encuentra en abundancia en las
estrellas y los planetas gaseosos gigantes.
A pesar de ser tan abundante, en la Tierra no se encuentra en estado natural, sino que
formando un sinnmeros de compuestos, como el agua, hidrocarburos, entre otros. Aunque,
hace millones de aos atrs, si se encontraba. Esto se debe a que en condiciones naturales, la
velocidad promedio del hidrgeno es superior a once kilmetros/segundos, que es la velocidad
de escape de la Tierra.
Por no tener hidrgeno en forma natural, el hombre ha propuesto mtodos para su
obtencin, ya sea a nivel de industria o de laboratorio, siendo el sector industrial el ms
importante, ya que cada vez es mayor la produccin y consumo de este gas.
En primer lugar, es necesario indicar que el hidrgeno, a diferencia del carbn o el
petrleo, no es un recurso natural, no se puede obtener de la naturaleza por tareas de minera o
extraccin, como es el caso de los recursos fsiles en general. El hidrgeno, es un portador de
energa (como electricidad), y es necesario producirlo a partir de otras materia primas (agua,
biomasa, recursos fsiles, etc.), y para transformar estas materias en hidrgeno, es preciso
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utilizar procesos en las que se consume alguna fuente de energa primaria (nuclear, renovable
o fsil). Lo que est surgiendo en este momento, es la utilizacin de hidrgeno como nuevo
vector energtico que permite un desarrollo compatible con respecto al ambiente.
Se requiere de un nuevo rgimen de energa cuya naturaleza y caractersticas difierandel consumo de los hidrocarburos. Las caractersticas ms importantes que debe cumplir una
nueva fuente de energa son: generacin nula de emisiones, disponibilidad y utilizable con alta
eficiencia. En base a lo anterior, todo apunta que se est generando un cambio en el sistema
energtico, el hidrgeno como generador de energa limpia, est formando parte de la nueva
matriz energtica del mundo.
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Objetivos
1. Objetivos Generales:
Investigar, analizar y comprender los distintos procesos de obtencin y aplicaciones
del hidrgeno.
Conocer la importancia del hidrgeno como una fuente alternativa de energa, como un
mecanismo de reduccin de la concentracin de gases contaminantes que afectan a la
atmsfera terrestre.
2. Objetivos Especficos:
Conocer qu es el hidrgeno como elemento qumico y su comportamiento como gas.
Informar los distintos tipos de compuestos que puede formar con los dems elementos
qumicos.
Conocer algunos procesos de obtencin del hidrgeno y sus aplicaciones en la
actualidad.
Mencionar la aplicacin del Hidrogeno, en especial los tipos y funcionamiento de las
pilas de hidrgeno.
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CAPTULO I
EL HIDRGENO
El Hidrgeno es un elemento qumico representado por el smbolo H, de nmero
atmico 1 y configuracin electrnica 1s1. Es el elemento ms abundante en el Universo, y el
tercero de la Tierra, despus el oxgeno (O) y del silicio (Si). Es un elemento anftero, ya que
generalmente, se incluye en el grupo IA porque puede perder un electrn s y volverse un in
positivo (protn, H+), igual que los elementos de ese grupo y tambin, se anota en el VIIA,
porque puede adquirir un electrn y convertirse en un in negativo (hidruro, H-
), como lo
hacen los halgenos.
El Hidrgeno puede formar compuestos con la mayora de los elementos y est
presente en el agua, hidruros, hidrxidos, cidos, hidratos y en los compuestos orgnicos.
Desempea un papel fundamental en la qumica cido- base, en las que muchas reacciones
conllevan el intercambio de protones entre molculas solubles.
Puesto que es el nico tomo neutro, la ecuacin de Schrdinger puede ser resuelta
analticamente. Para este elemento, el estudio de la energa y del enlace del tomo hidrgeno,
ha sido fundamental para el desarrollo de la Mecnica Cuntica [A].
1.1 HIDRGENO MOLECULAR
El hidrgeno natural en estado gaseoso, es una molcula formada por dos tomos de
hidrgeno en condiciones normales de temperatura y presin. Es altamente inflamable,
incoloro, inodoro e inspido, los sentidos humanos no pueden detectar una fuga de hidrgeno.
En la prctica industrial y durante 40 aos de uso, se han empleado sensores electrnicos que
actan mucho ms rpido y de mejor manera ante una fuga. No es txico ni venenoso no
contamina el agua, ni el aire. Con masa atmica de 1,00797 u y una densidad de 0,071 g/cm3
es el elemento ms ligero y abundante en la naturaleza, constituyendo aproximadamente, el
75% de la materia del universo. Tiene un punto de ebullicin de tan slo -252,88 C (20,27 K)
y un punto de fusin de -259,13 C (14,02 K). A muy baja presin, el hidrgeno tiende a
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existir en tomos individuales, simplemente porque es muy baja la probabilidad de que se
combinen.
Para que se produzca una explosin de este gas, se debe encontrar en presencia de un
oxidante como el oxgeno puro en concentraciones de al menos 10 a 14 % de aire. Las flamas
que llega a producir son de poca intensidad luminosa, casi invisibles al ojo humano, su
combustin solo produce calor y agua, solo la flama esta caliente no su alrededor, por lo que el
riesgo de producir fuegos secundarios es menor [B].
Es muy poco soluble en agua, 1 litro de sta a 0 C y 1 atmsfera slo disuelve 21,5
mililitros de H2
gaseoso. La solubilidad disminuye al aumentar la temperatura, y aumenta al
aumentar la presin del gas [7].
Desempea una funcin importante en los procesos industriales. Aproximadamente, el
95 % del hidrgeno se produce en plantas, donde se utiliza, por ejemplo, en la sntesis de
amoniaco. En escala industrial, se prepara, mediante reaccin entre propano y vapor de agua
en presencia de un catalizador.
1.2 DESCUBRIMIENTO DEL HIDRGENO
Fue descrito por primera vez por T. Von Hohenheim, que lo obtuvo artificialmente
mezclando metales con cidos fuertes. Pero, Von Hohenheim no era consciente de que el gas
inflamable generado en estas reacciones qumicas era un nuevo elemento qumico [A]. En
1671, Robert Boyle redescubri y describi la reaccin que se produca entre limaduras de
hierro y cidos diluidos, y que generaba hidrgeno gaseoso.
En 1766, Henry Cavendish, fue el primero en reconocer el hidrgeno gaseoso como
una sustancia discreta identificando el gas producido en la reaccin metal- cido como aire
inflamable y descubriendo que la combustin del gas generaba agua. Tradicionalmente, se
considera a Cavendish el descubridor de este elemento.
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En 1788, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de Hidrgeno (delgriego ,
, agua y -, generador), cuando comprob, junto a Laplace, el
descubrimiento de Cavendish de que la combustin del gas generaba agua.
1.3 ISTOPOS
Los istopos son tomos que tienen el mismo nmero atmico (nmero de protones en
el ncleo de cada tomo de ese elemento (Z)), pero diferente nmero de masa (nmero total de
protones y neutrones presentes en el ncleo de un tomo de un elemento (A)). El Hidrgeno
posee tres istopos naturales que se denotan como 1H, 2H y 3H. Otros istopos altamente
inestables (del 4H al 7
H), han sido sintetizados en laboratorio [A], pero nunca observados en la
naturaleza.
1.3.1 Protio 1
H
Es el istopo ms comn del hidrgeno con una abundancia de ms del 99,98%.
Debido a que el ncleo de este istopo est formado por un solo protn, se le ha bautizado con
este nombre.
1.3.2 Deuterio 2
H (D)
Su ncleo contiene un protn y un neutrn. El deuterio, representa al 0,0026% o el
0,0184% (segn sea en fraccin molar o en fraccin atmica) [A] del hidrgeno presente en la
Tierra. Es un istopo no radiactivo y no representa un riesgo significativo de toxicidad. Es
tambin, un potencial combustible para la fusin nuclear con fines comerciales. El agua
enriquecida con molculas que incluyen deuterio en lugar de hidrgeno 1H se denomina AGUA
PESADA D2
O. sta se utiliza como moderador de neutrones y refrigerante en reactores
nucleares.
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1.3.3 Tritio 3
H (T)
Contiene un protn y dos neutrones en su ncleo. Es un gas incoloro e inodoro, ms
liviano que le aire. Posee en perodo de semidesintegracin de 12,33 aos [A]. Es radiactivo,
desintegrndose en 32He a travs de unaemisin (1.2). Pequeas cantidades
de tritio se encuentran en la naturaleza por efecto de la interaccin de los rayos csmicos con
los gases atmosfricos [A]. Segn esta reaccin de carcter nuclear, el tritio se forma de la
siguiente manera (1.1):
de rayos dbil
REACCIN DE FORMACIN: 147N +1
0n 12
6C +3
1
REACCIN SEMIDESINTEGRACIN:
T (1.1)3
1T 3
2He +0
-1
(1.2)
Como muestra la tabla 1.1, las diferencias de las masas atmicas entre los tres istopos
ocasionan diferencias en las propiedades fsicas de los istopos en su forma molecular.
Propiedades Protio Deuterio TritioPeso atmico (u) 1,00797 2,01355 3,01605
Abundancia Relativa (%) 99,98 0,015 10-17
Spin nuclear 1/2 1 1/2
Punto de fusin 14,02 18,73 20,62Punto de ebullicin 20,27 23,67 25,04
Energa Disociacin. KJ/mol 435,9 443,4 469,9
Tabla 1.1. Algunas propiedades fsicas de los istopos del hidrgeno.
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CAPTULO II
COMPUESTOS CON HIDRGENO
A pesar de que el H2
no es reactivo en condiciones normales, forma una cantidad de
compuestos con la mayora de los elementos qumicos. Por ejemplo, se conocen miles
compuestos hidrocarbonados, pero no se generan por reaccin directa con el carbono.
Adems, el hidrgeno puede formar compuestos con los elementos electronegativos,
tales como los halgenos o los calcgenos (grupo 16 (VI A) de la tabla peridica), en estos
compuestos, el hidrgeno adquiere carga parcial positiva. Cuando se encuentra unido al flor,
oxgeno y nitrgeno, el hidrgeno puede participar en una modalidad de enlace no covalente
llamados PUENTE DE HIDRGENO, fundamental para estabilidad de molculas biolgicas.
Una clasificacin de compuestos con hidrgeno es la siguiente:
2.1 HIDRUROS BINARIOS
Son compuestos formados por tomos de hidrgeno y otro elemento, pudiendo ser
metal o no metal [B]. De acuerdo con su estructura y propiedades, existen tres tipos hidruros:
2.1.1 Hidruros inicos
Se forman cuando el hidrgeno molecular se combina de manera directa con cualquier
metal alcalino, con los alcalinotrreos o con algunos de los elementos ms electropositivos de
los lantnidos y actnidos. Todos lo hidruros inicos son slidos que tienen los puntos defusin altos (600 C), caractersticos de los compuestos inicos. Se obtienen normalmente a
temperaturas entre los 150 a 700 C
2 Li(s)+ H2(g) 2 LiH(s)
Ca
(2.1)
(s)+ H2(g) CaH2(s) (2.2)
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En estos compuestos, el anin es el in hidruro H-
, es una base de Brnsted muy fuerte,
que acepta con facilidad un protn de un donador de protones como el agua:
H+(ac)+ H2O(l) OH-(ac)+ H2(g) (2.3)
Debido a su alta reactividad con el agua, los hidruros inicos se utilizan con frecuencia
para eliminar huellas de agua de los solventes orgnicos.
2.1.2 Hidruros covalentes o moleculares
El tomo de hidrgeno se une de modo covalente a otro elemento no metal. Se
encuentran dos tipos de este hidruro:
Los que contienen unidades moleculares discretas, como CH 4y NH3
Los que tienen estructuras polimricas complejas, como (BeH
.
2)xy (AlH3)x
, donde
xes un nmero muy grande.
Figura 2.1. Sistema peridico en el que se destacan en verde los hidruros inicos y en azul los hidruros
covalentes.
2.1.3 Hidruros metlicos intersticiales
El hidrgeno molecular forma diversos hidruros con metales, como los alcalinos,
alcalinotrreos y los de transicin. Se denominan intersticiales, ya que los tomos de
hidrgeno ocupan los espacios de la red cristalina del metal. Muchos de estos hidruros poseen
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alta la conductividad elctrica. La densidad del hidruro metlico suele ser menor que la del
metal puro a causa de cambios estructurales en la red cristalina metlica y los compuestos casi
siempre son quebradizos [C]. Los hidruros de los metales alcalinos (grupo I), alcalinotrreos
(grupo II) y de algunos otros elementos del sistema peridico se forman directamente de los
elementos a temperaturas elevadas [B]. Otros son formados por intercambio del anin [D]. Su
produccin industrial est basada por calentamiento de los metales en corriente de hidrgeno.
Estos productos se utilizan como electrocatalizadores en reacciones qumicas especficas.
2K(s)+ H2(g) 2KH(s)
2Fe
(2.4)
(s)+ 3H2(g) 2FeH3(s)
(2.5)
Algunos ejemplos de estos hidruros son: NiH2
CrH
Hidruro de nquel (II)
3
FeH
Hidruro de cromo (III)
2
Hidruro ferroso
2.2 HIDRXIDOS O BASES
Una base se puede describir como una sustancia que libera iones hidroxilo (OH-
)cuando est disuelta en agua.
Na+(ac) + OH-(ac) NaOH(ac)
(2.6)
Algunas de estas bases ms comunes son:
KOH Hidrxido de potasio
Ba(OH)2
Hidrxido de bario
El amoniaco, tambin se clasifica como base. Debe hacerse notar que lo que se
requiere para que una sustancia se clasifique como base es que libere OH-cuando est disuelta
en agua, y no es necesario que contenga iones hidroxilos en su estructura [C]. Cuando el
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amoniaco se disuelve en agua, reacciona parcialmente con ella para formar iones amonio e
hidroxilos [3].
NH3(ac)+ H2O(l) NH4+
(ac)+ OH-(ac) (2.7)
Svante Arrhenius encabez la lista de investigadores de teoras para explicar mejor el
concepto de base (adems del concepto de cido). Ms tarde, Lewis extendi el concepto de
base, independizando este fenmeno del in OH-
. Luego, lo hicieron Brnsted y Lowry por
separado, ampliando la teora de Arrhenius.
Teora de S. Arrhenius: Define como base a una sustancia que produce iones hidrxido
(OH-
), en disolucin acuosa.
Teora de Lewis: En esta teora se define base a la especie qumica aceptor de un par de
electrones.
Teora de Brnsted- Lowry: Todas aquellas sustancias que son capaces de aceptar
protones son bases.
2.3 CIDOS
Un cido se puede describir como una sustancia que libera iones hidrgeno (H+
,
protones) cuando se disuelve en agua [3]. Las frmulas de los cidos contienen uno o ms
tomos de hidrgeno.
H+(ac)
+ HSO4
-
(ac) H
2SO
4(ac)H
(2.8)+
(ac)+ Cl-(ac) HCl(ac) (2.9)
Los aniones que cuyo nombre terminan en uro, forman cidos cuyo nombre terminan
en hdrico como muestra la tabla 2.1:
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Anin cido correspondiente
F- HF (cido fluorhdrico)(fluoruro)
Cl- HCl (cido clorhdrico)(cloruro)
Br- HBr (cido bromhdrico)(bromuro)
I- HI (cido yodhdrico)(yoduro)
S2- H(sulfuro) 2S (cido sulfhdrico)
Tabla 2.1. Algunos cidos inorgnicos sencillos.
En algunos casos se puede asignar dos nombres diferentes a la misma frmula qumica,
esto depende del estado fsico en que se encuentre el compuesto. En estado gaseoso o en
estado lquido puro, el HCl, es un compuesto molecular que recibe el nombre de cloruro de
hidrgeno. Cuando se encuentra disuelto en agua, sus molculas se separan en protones y en
cloruro, en esta forma, la sustancia se conoce como cido clorhdrico.
Los oxicidos, son cidos que contienen hidrgeno, oxgeno y otro elemento (el
elemento central). Las frmulas generalmente se escriben con el hidrgeno en primer lugar,
seguido por el elemento central y al final el oxgeno [3].
Algunos de estos oxicidos son:
H2CO3
H
cido carbnico
2SO4
HClO
cido sulfrico
3
cido clrico
A mediados del siglo XIX, Svante Arrhenius, comunic su teora de la disociacin
electroltica, y naci la teora de las reacciones cido - base. Aos posteriores, Lewis
desvincul el fenmeno del protn. En 1932, Brnsted y Lowry, cada uno por su cuenta,ampliaron la lgica teora de Arrhenius.
Teora de S. Arrhenius: Segn ella, un cido se define como una sustancia que contiene
hidrgeno y produce protones (H+
) en disolucin acuosa.
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Teora de Lewis: Un cido es una especie qumica donadora de un par de electrones.
Teora de Brnsted- Lowry: De acuerdo con esta teora, un cido se define como
donador de protones.
2.4 HIDRATOS
Son compuestos que tienen un nmero especfico de molculas de agua unidas a ellos.
Por ejemplo, se puede ver en la Figura 2.2, que el compuesto sulfatado de cobre, en su estado
normal, cada unidad de sulfato de cobre (II), tienen cinco molculas de agua asociadas a l,
CuSO4.5H2O (sulfato de cobre (II) pentahidratado) de color azul. Cuando las molculas de
agua se pierden por calentamiento, el compuesto resultante es CuSO4,
sulfato de cobre (II)
anhidro y su color cambia a blanco.
Figura 2.2. Cristales de Sulfato de Cobre pentahidratado (CuSO4.5H2
cristales de Sulfato de Cobre anhidro (CuSO
O) de color azul (izquierda);
4
) de color blanco.
Figura 2.3. Cristales de Cloruro de Cobalto II hexahidratado (CoCl2. 6 H2
O)
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Otros ejemplos de compuestos hidratados son:
BaCl2. 2H2
Sr(NO
O Cloruro de bario dihidratado
3)2.4H2
O Nitrato de estroncio tetrahidratado
2.5 HIDROCARBUROS
Son compuestos orgnicos formados nicamente por tomos de hidrgeno y carbono.
Son los compuestos ms simples y se pueden considerar como las principales sustancias de las
que derivan todos los compuestos orgnicos.
Los Hidrocarburos se clasifican en dos grandes grupos, los ALIFTICOS (cadena
abierta) y los AROMTICOS (cclico). En los compuestos de cadena abierta los tomos de
carbono estn unidos entre s formando una cadena lineal que puede tener una o ms
ramificaciones. En los compuestos cclicos, los tomos de carbono forman uno o ms anillos.
Los dos grupos se subdividen segn su comportamiento qumico en saturados o insaturados
[5].
2.5.1 Hidrocarburos alifticos
Estos compuestos se dividen en:
Alcanos o PARAFINAS: De frmula general CnH2n+2. Son hidrocarburos saturados de
cadena abierta. Cada carbono se une a otro mediante un enlace denominado ENLACE
SIMPLE covalente. Se conocen como hidrocarburos saturados porque contienen el
nmero mximos de tomos de hidrgeno que pueden unirse con la cantidad de tomos
de carbono presentes. Los primeros 4 miembros del grupo son gases a presin y
temperatura normales, los miembros intermedios son lquidos y los miembros mspesados son slidos. El alcano ms sencillo es el metano (CH4
), producido en la
descomposicin bacteriana anaerbica de la materia vegetal subacutica.
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Figura 2.4. Esquema de una molcula de iso- octano
Ciclanos: Son alcanos cuyos tomos de carbono se unen en anillos. Tienen la frmula
general CnH2n. El ciclano ms sencillo es el ciclopropano (C3H6
).
Figura 2.5. Esquemas de molculas de ciclopropano (izquierda) y ciclohexano (derecha).
Alquenos u OLEFINAS: Este grupo, est formado por hidrocarburos de cadena abierta en
los que existe un doble enlace entre dos tomos de carbono. La unin carbono-
carbono es a travs de DOBLE ENLACE. Tienen frmula general CnH2n. Al igual que losalcanos, los miembros ms bajos son gases, los intermedios son lquidos y los pesados
son slidos. Estos compuestos son qumicamente ms reactivos que los alcanos. El
alqueno ms sencillo es el etileno (C2H4
), en el que los tomos de carbono presentan
hibridacin spy el doble enlace est formado por un enlace sigma y un enlace pi.
Figura 2.6. Esquema de una molcula de propileno.
Alquinos: Los miembros del grupo de los alquinos contienen un TRIPLE ENLACEentre
dos tomos de carbono de la molcula. Tienen frmula general C nH2n-2. El ms sencillo
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es el etino, ms conocido como acetileno (C 2H2
). Son muy activos qumicamente y no
se presentan libres en la naturaleza.
Figura 2.7. Esquema en el que se muestra una molcula de propino
2.5.2 Hidrocarburos aromticos
El benceno es el primer compuesto de esta familia de hidrocarburos. Es incoloro,
inflamable y de olor agradable. Se obtiene del alquitrn de hulla. Es menos denso que en agua
y muy soluble en hidrocarburos.
El benceno es una molcula plana que presenta formas resonantes las que les confieren
gran estabilidad.
Figura 2.8. Formas resonantes de la molcula de benceno (izquierda),
Forma normalizada del benceno (derecha).
La serie aromtica se caracteriza por una gran estabilidad debido a las mltiples formas
resonantes que presenta. Muestra muy baja reactividad a las reacciones de hidrogenacin. Pero
an as, se puede llevar a cabo a temperaturas y presiones altas y con la ayuda de un
catalizador. De la reaccin entre el benceno e hidrgeno se producen ciclohexanos usando
catalizador de platino, como indica la ecuacin (2.10) [5].
(2.10)
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La reaccin ms comn de los halgenos con el benceno es una REACCIN DE
SUSTITUCIN, en la que un tomo o grupos de tomos reemplazan a un tomo o grupo de
tomos de una molcula, como se muestra en la ecuacin (2.11) [5].
(2.11)
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CAPTULO III
PROCESOS DE OBTENCIN DE HIDRGENO
En la prctica, puede se obtener hidrgeno de muchas maneras a partir de distintas
materias primas. Se estima que el 95% del hidrgeno que se produce se hace a partir de
combustibles fsiles.
Entre los procesos en la produccin de hidrgenos estudiados actualmente, se destacan:
1. Electrolisis del agua
2.
Reformado de hidrocarburos
3. Reaccin de metal con cidos
4. Gas de sntesis
3.1 ELECTROLISIS DE AGUA
Electrolisis es la descomposicin del agua en sus elementos cuando se le aplica
corriente elctrica.
El agua contenida en un vaso en condiciones normales (1 atmsfera a 25 C) no se
descompone de manera espontnea para formar hidrgeno y oxgeno gaseoso porque el
cambio de energa libre estndar de la reaccin es una cantidad positiva muy grande.
Esta reaccin se puede inducir en una celda. Esta celda electroltica consta de un par de
electrodos hecho de un metal inerte, como el platino, sumergido en agua [3]. Cuando loselectrodos se conectan a la batera, no hay reaccin porque en el agua pura no hay una
cantidad suficiente de iones para que conduzcan la corriente elctrica. Si se aade una
disolucin de 0,1M de cido sulfrico (H2SO4
) la reaccin se producir con rapidez.
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Figura 3.1. Diagrama que muestra el proceso de electrolisis del agua.
REACCIN NODO: 2H2O(l) O2(g) + 4H+
(ac)+ 4e-
REACCIN CTODO: H
(3.1)+
(ac)+ e- H2(g)
REACCIN GLOBAL: 2H
(3.2)
2O(l) 2H2(g) + O2(g)
(3.3)
El hidrgeno gaseoso obtenido electrolticamente es puro, pero el costo de produccin
es elevado por el importante consumo elctrico que necesita.
3.2 REFORMADO DE HIDROCARBUROS
Es el proceso ms generalizado para la obtencin de hidrgeno. La reaccin tiene como
reactivo los hidrocarburos y el agua. Desde un punto de vista termodinmico, se pueden
clasificar en endotrmico y exotrmico. La primera, requiere el aporte de calor desde una
fuente externa, con vapor de agua; la segunda, liberan calor en la reaccin, siendo el caso de la
oxidacin parcial. En el reformado autotrmico se produce una combinacin de los dos
procesos, obtenindose un balance neto de calor nulo. Los procesos de reformado con vapor
de agua y reformado autotrmico, son adecuados para el reformado de hidrocarburos ligeros
como metano, propano, butano y naftas livianas. Mientras, que para la oxidacin parcial,
pueden aplicarse un rango ms amplio de hidrocarburos.
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3.2.1 Reformado con vapor de agua
Se aplica a con mayor frecuencia al gas natural, pero se utiliza este ltimo por su
disponibilidad y facilidad de manejo. Este proceso consiste en exponer al gas natural, con un
alto contenido de metano (CH4
), con vapor de agua a temperatura entre 700 a 900 C y presin
entre 15 a 31 atmsferas con nquel como catalizador.
Se obtiene como producto en esta reaccin qumica, un gas rico en hidrgeno y
monxido de carbono y otros gases, en una proporcin de 5:1:4[G].
CH4(g) + H2O(g)+ CALOR[Ni, 800 C] 3H2(g)+ CO(g) (3.4)
La reaccin (3.4), posee una entalpa de reaccin de 206.14 KJ/mol, por lo tanto es
endotrmica.
El monxido de carbono es un gas txico y por esta razn es eliminado, por
condensacin, por medio de las reacciones de intercambio de alta a baja temperatura (High
Temperature Shift y Low Temperature Shift) a 400 y 200 C respectivamente [H].
Producindose una mezcla gaseosa de hidrgeno, dixido de carbono y agua y restos de
monxido de carbono y metano.
Para aumentar el rendimiento y facilitar la separacin posterior, el monxido se oxida a
dixido de carbono. Para ello, la mezcla se enfra y se le inyecta vapor de agua de nuevo, esta
vez sobre un catalizador, xido de hierro III (Fe2O3
).
CO(g)+ H2O(g)[Fe2O3, 400 C] CO2(g)+ H2(g)
(3.5)
El gas que llega a la unidad de depuracin (absorcin) es rico en hidrgeno con
dixido de carbono, restos de agua, monxido de carbono y metano. Esta corriente gaseosa se
depura en un sistema separador de membranas o de absorcin llamado PSA (Pressure Swing
Absorption) [H]. Se puede realizar de dos maneras:
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Mtodos fsicos: Una opcin es enfriar la mezcla por debajo de la temperatura de
condensacin del dixido de carbono (-78 C) y la del hidrgeno es -253 C.
Econmicamente viable mediante un proceso en fro en planta.
Mtodos qumicos: El dixido de carbono es un xido cido que reacciona con una
disolucin de carbonato de potasio (K2CO3) para dar carbonato cido de potasio
(KHCO3
):
K2CO3(ac)+ CO2(g)+ H2O(l) 2KHCO3(ac)
(3.6)
La figura 3.2, indica el diagrama de flujo del proceso de reformado de hidrocarburo
con vapor de agua.
De este proceso, se puede obtener hidrgeno con un 99.999% de pureza.
3.2.2 Oxidacin parcial
Consiste en una oxidacin incompleta de hidrocarburos, donde solo se oxida el
carbono, hasta monxido de carbono, quedando libre el hidrgeno, segn la reaccin:
2CH4+ O2 2CO + 4H2
+ CALOR (3.7)
La entalpa de reaccin (ecuacin 3.7) es de -36 KJ/mol, siendo por tanto una reaccin
exotrmica, pudiendo as prescindir de quemadores externos para mantener la reaccin.
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El monxido de carbono formado se puede eliminar oxidndolo para formar dixido de
carbono o desplazndolo con agua, de la misma forma que en el reformado con vapor agua,
para obtener ms hidrgeno y nuevamente dixido de carbono.
3.2.3 Reformado autotrmico
Este proceso utiliza oxgeno y dixido de carbono o vapor en una reaccin con metano
para producir hidrgeno y monxido de carbono.
La reaccin tiene lugar en una sola cmara donde el metano se oxida parcialmente. La
reaccin es exotrmica debido a esta oxidacin. Cuando en el reformado autotrmico se utiliza
dixido de carbono, la relacin entre el hidrgeno y el monxido de carbono producida es 1:1
(ecuacin 3.8), pero cuando se utiliza vapor, la proporcin entre el hidrgeno y el monxido
de carbono es 3:1(ecuacin 3.9).
CH4(g)+ CO2(g) 2CO + 2H2(g)
CH
(3.8)
4(g)+ H2O(g)CO + 3H2(g)
(3.9)
3.3 REACCIN DE METALES CON CIDOS
Esta obtencin se realiza a escala de laboratorio. Para esto, se utiliza un equipo que
permite obtener pequeos volmenes de gases, denominado GENERADOR DE KIPP(figura 3.3).
Este equipo, consta de tres cilindros en serie. El material slido (el metal) se introduce en el
cilindro del medio y el cido en el superior. Un tubo se extiende del cilindro superior al
inferior. El cilindro central, tiene un tubo con una vlvula utilizada para la extraccin del gas
obtenido. Cuando est cerrada, la presin del gas en el cilindro central aumenta, empujando alcido de vuelta al cilindro superior hasta que deja de estar en contacto con el material slido y
la reaccin cesa.
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Figura 3.3. Generador de Kipp.
Si se agrega cido sulfrico diluido (H2SO4
) en el cilindro superior y zinc (Zn) en el
cilindro del medio [I]. La ecuacin (3.10) de esta reaccin, est dada por:
H2SO4(ac)+ Zn(s) ZnSO4(s)+ H2(g)
(3.10)
A medida que la reaccin se produce, puede observarse que la cantidad de Zn
disminuye y cuando la reaccin ha terminado, si se evapora el lquido restante, se obtienencristales blancos de sulfato de zinc (ZnSO 4
) [I].
Como tambin se puede realizar con cido clorhdrico, se tiene la siguiente ecuacin
(3.11) de la reaccin:
2HCl(ac)+ Zn(s) ZnCl2(s)+ H2(g) (3.11)
3.3 GAS DE SNTESIS
Actualmente se designa preferentemente gas de sntesis, a una mezcla de gases en la
que predominan el monxido de carbono (CO) e hidrgeno (H2) en proporciones variables y
que son adecuadas para sntesis especiales de productos qumicos. El proceso de obtencin de
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gas de sntesis se basa en la gasificacin del coque de hulla o de la destilacin de lignitos con
aire y vapor de agua [11]. El gas natural y las fracciones ligeras de petrleo son las ms
adecuadas para el gas de sntesis por su alto contenido de hidrgeno molecular.
Esta mezcla de gas se puede obtener segn el tipo de alimentacin que entra al reactor:
El proceso ms utilizado para la obtencin de este gas, es a partir de la combustin
parcial del gas natural (ecuacin 3.12) en presencia de vapor de agua, a 780 C y a 40
atmsferas de presin.
GAS NATURAL+ O2(g) + H2O(g) CO(g)+ CO2(g)+ H2(g) (3.12)
Si el gas natural tiene compuestos tiene compuestos azufrados se debe desulfurar antes
de alimentar el reactor.
A partir de combustin parcial de mezclas de hidrocarburos lquidos (ecuacin 3.13),
en presencia de agua.
MEZCLA DE HIDROCARBUROS LQUIDOS + O2(g) + H2O(g) CO(g)+ CO2(g)+ H2(g) (3.13)
A partir de combustin parcial de carbn (ecuacin 3.14), en presencia de agua.
CARBN+ O2(g) + H2O(g) CO(g)+ CO2(g)+ H2(g)
(3.14)
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Figura 3.4. Obtencin de Gas de Sntesis.
Reactor Cataltico
Generador deVapor de agua
Enfriamiento de Gasy Recuperacin de
Calor
Gas Natural
Agua
Gas deSntesis
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CAPTULO IV
PROCESOS APLICACIN DEL HIDRGENO
La molcula de hidrgeno es un elemento de gran inters en la Industria Qumica,
partiendo en reacciones de adicin en procesos de hidrogenacin o como agente reductor.
4.1 SNTESIS DE AMONACO: PROCESO DE HABER - BOSCH
La importancia de esta reaccin (ecuacin 4.1), radica en la facultad de producir
amonaco a nivel industrial.
El amonaco es una sustancia inorgnica, que a temperatura ambiente, es un gas
incoloro, de olor irritante, su punto de ebullicin es de -33,4 C. Se produce naturalmente por
descomposicin de la materia orgnica. Este compuesto es utilizado para fabricar abonos,
plsticos, explosivos, entre otros.
N2(g)+ 3H2(g) 2NH3(g)
(4.1)
Es una reaccin muy lenta a temperatura ambiente, porque tiene una elevada energa de
activacin, como consecuencia de la estabilidad de nitrgeno. Un catalizador disminuye la
energa de activacin, tanto para una reaccin directa como para la inversa. Para esto, es
necesario aumentar la temperatura y utilizar catalizadores heterogneos, tales como xido de
hierro (Fe2O3) (que se reduce a hierro elemental en ambiente de H2), xido de aluminio
(Al2O3) u xido de potasio (K2
O). Al mismo tiempo, se opera bajo condiciones de 200
atmsferas y a 300- 550 C de temperatura.
El paso inicial en este proceso implica la disociacin del nitrgeno y del hidrgeno
gaseoso (N2y H2respectivamente) en la superficie del metal. Las especies disociadas no son
tomos libres porque estn unidas a la superficie del metal. Las dos molculas se comportan
de diferente manera en el plano del catalizador, el hidrgeno gaseoso se disocia en hidrgeno
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atmico a una temperatura de -196 C y las molculas de nitrgeno se disocian
aproximadamente a los 500 C [J]. Luego, los tomos de hidrgeno y nitrgeno se combinan
con rapidez a altas temperaturas para producir las deseadas molculas de amonaco.
Figura 4.1. Diagrama de flujo del proceso de Produccin de amonaco Haber- Bosch.
4.2 PROCESO DE SNTESIS DE METANOL
Metanol, tambin conocido como alcohol metlico, es el alcohol ms sencillo. Es un
lquido ligero, incoloro, inflamable y txico, que se emplea como anticongelante, disolvente y
combustible. Es un compuesto orgnico muy polar, en consecuencia, es soluble en agua.
Actualmente, todo el metanol que se produce mundialmente se sintetiza mediante un
proceso cataltico a partir de monxido de carbono e hidrgeno (gas de sntesis).
CO(g)+ 2H2(g) CH3
Esta reaccin (ecuacin 4.2), emplea altas temperaturas que varan desde los 300 a 400
C, presiones desde las 200 a 300 atmsferas. Se utiliza xido de zinc (ZnO) u xido de cromo
III (Cr
OH (4.2)
2O3
) como catalizadores [K].
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El reactor de Lurgi (Lurgi Corporation & Imperial Industries Ltd. (ICI)), es un reactor
tubular, cuyos tubos estn rellenos de catalizador y enfriados exteriormente con agua en
ebullicin. ste consta de dos etapas:
Reformado
:En el caso de que la alimentacin sea gas natural, para eliminar al azufre,
se desulfura antes de alimentar el reactor.
El gas de sntesis ms el metano residual que sale del primer reactor, se mezcla con la
otra mitad de la alimentacin, previamente desulfurizada. Esta mezcla de gases entra en el
segundo reactor, el cual est alimentado por oxgeno (O 2
) que proviene de una planta de
obtencin de oxgeno a partir de aire. Producindose a 950 C:
CH4+ CO(g)+ CO2(g)+ O2(g) CO(g)+ 2CO2(g)+ 2H2(g)
(4.3)
En caso de que la alimentacin sea lquida o carbn, sta es parcialmente oxidada por
O2y vapor de agua a 1400 a 1500 C y entre 55 a 60 atmsferas. El gas formado consiste en
H2, CO, CH4, H2S y carbn libre [K]. Esta mezcla pasa a otro reactor donde se adiciona gas
de sntesis eliminndose el carbn libre y el H2
S.
El gas de sntesis se precalienta y se comprime de 70 a 100 atmsferas. Luego alimenta
al reactor de sntesis de metanol junto con gas de circulacin.
Destilado
: El alcohol metlico en estado gaseoso que sale del reactor debe estar
purificado. Para ello, primero pasa por un intercambiador de calor que reduce su
temperatura, condensndose. ste se separa por medio de un separador, del cual salen
los gases que se condicionan y se recirculan. El metanol en estado lquido que sale del
separador, alimenta una columna de destilacin alimentada, a la vez, con vapor de agua
a presin baja. De esta columna, sale el metanol en condiciones normalizadas.
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Figura 4.2. Diagrama de flujo del proceso de produccin de metanol mediante
Proceso de Lurgi.
4.3 HIDRODESULFURIZACIN
Este proceso qumico se utiliza en refineras de petrleo, el propsito de eliminar el
azufre es reducir el dixido de azufre (SO2
) que resulten del uso de los combustibles de
vehculos, para ello se retira los compuestos azufrados contenidos en la carga de esta planta a
travs del paso por un reactor que tiene dos etapas, la primera con catalizador a base de nquel-
molibdeno y la otra con catalizador a base de cobalto- molibdeno en presencia de hidrgeno,
el azufre baja de 3.000 ppm a 100 ppm. La temperatura de operacin del reactor est entre 300
C a 400 C y entre 30 a 130 atmsferas de presin.
La primera etapa, constituye el diez por ciento del total del catalizador, es del tipo
nquel- molibdeno y su funcin es saturar las diolefinas y olefinas (ecuacin 4.4) presentes en
la carga como una forma de proteger la segunda cama de catalizador. La segunda etapa, est
constituida por catalizador a base de cobalto- molibdeno que elimina los mercaptanos,
sulfuros, y otros compuestos azufrados (ecuacin 4.5) o nitrificados (ecuacin 4.6), formando
con el hidrgeno cido sulfhdrico (H2S) y amonaco (NH3), respectivamente. Por el tope de
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un separador, salen los gases ricos en hidrgeno (H2
), sulfuro de hidrgeno y gases de
hidrocarburos, los que luego de enfriarse, entran a un separador fro, donde se separa el
hidrgeno del diesel.
REACCIN SATURACIN DE OLEFINAS: C5H10+ H2 C5H12
REACCIN ELIMINACIN AZUFRE: C
(4.4)
2H5SH + H2 C2H6+ H2
REACCIN ELIMINACIN NITRGENO: C
S (4.5)
5H5N + 5H2 C5H12+ NH3
REACCIN EN REACTOR CON AMINA: RNH
(4.6)
2+ H2S RNH4
S + CALOR (4.7)
Figura 4.3. Diagrama de flujo del proceso de Hidrodesulfurizacin.
Los procesos de hidrodesulfurizacin industriales incluyen instalaciones para la
captura y la eliminacin del sulfuro de hidrgeno (H2
S). En las refineras de petrleo, el
sulfuro de hidrgeno es posteriormente convertido en azufre elemental como subproducto. De
hecho, la gran mayora de las 64 millones de toneladas mtricas de azufre producido en todo el
mundo en 2005 fue de azufre derivado de las refineras y otras plantas procesadoras de
hidrocarburos [L].
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4.4 PROCESO DE HIDROFORMILACIN DE OLEFINAS: PROCESO OXO
Las olefinas o alquenos son compuestos que presenta al menos un doble enlace
carbono- carbono.
El Proceso Oxo fue descubierto en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial, y
fue la primera aplicacin industrial de una catlisis mediante un complejo de metal de
transicin.
El fundamento de esta reaccin se descubri cuando se hizo reaccionar etileno con
monxido de carbono (CO) e hidrgeno (H2
) a presiones y temperaturas elevadas y con
catalizadores que formaba un aldehdo, compuesto que contienen el grupo CHO y alcoholescon grupo funcional OH.
(4.8)
El catalizador oxo clsico es el octacarbonildicobalto [Co2(CO)8
], que se obtiene por
reaccin entre cobalto metlico y monxido de carbono.
Los aldehdos, adems, pueden reducirse fcilmente a alcoholes primarios mediante
una hidrogenacin cataltica. A menudo, el proceso oxo se realiza de manera tal que el proceso
de la reduccin se verifica segn van formndose los aldehdos para dar directamente los
alcoholes.
El grupo CHO se llama FORMILO, por lo que el proceso se denomina
hidroformilacin. Como en otros procesos de adicin, puede suceder con dos orientaciones, y
si la estructura lo permite, puede generar dos productos [5]. Por ejemplo, el propileno puede
dar un aldehdo de cadena recta y uno de cadena ramificada:
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Ecuacin que muestra a la molcula de propileno reaccionando con monxido de
carbono + hidrgeno gaseoso, produciendo n- butiraldehdo, denominado tambin, n-
butanol.
CH3CH==CH2+ CO + H2[Co2(CO)8] CH3CH2CH2
CHO (4.9)
Ecuacin de la reaccin entre propileno reaccionando monxido de carbono ms
hidrgeno gaseoso, dando como producto isobutiraldehdo o isobutanal.
CH3CH==CH2+ CO + H2[Co2(CO)8] CH3CHCH3
CHO
(4.10)
La importancia de este proceso, es obtener aldehdo que se puedan utilizar en la
sntesis de:
Fabricacin de melamina y baquelita (formaldehdo)
Plsticos
Solventes
Pinturas, entre otros.
4.5 HIDROGENACIN DE ACEITES VEGETALES INSATURADOS PARA PRODUCIR
GRASAS SLIDAS COMESTIBLES
La hidrogenacin es un proceso en el cual, los aceites vegetales se transforman en
grasas slidas mediante la adicin de hidrgeno junto con la accin de un catalizador (nquel,
platino o paladio soportado en una base de slice), los enlaces dobles se van saturando, y por lo
tanto, disminuyen, se forma una sustancia con punto de fusin ms alto. El caroteno, laclorofila y otros pigmentos se alteran durante la hidrogenacin, por lo que el aceite pierde el
color amarillento o rojizo que stos le confieren cuando crudo, y queda incoloro o amarillo
plido [6].
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[cat]
CH2=CH2+ H2 CH3CH3
(4.11)
La reaccin se puede llevar a cabo a partir de los 110 C. Por ser una reaccin
exotrmica, hace aumentar la temperatura del aceite que no debe superar los 210 C, ya que se
podran formar subproductos nocivos como hidrocarburos aromticos policclicos.
En cuanto a la presin, el aumento de sta hace subir la velocidad de reaccin. Se
trabaja a aproximadamente 4,9 atmsfera [M].
La fabricacin de las grasas hidrogenadas conlleva una serie de etapas, las cuales son:
1.
Refinado:En este proceso, el aceite con lleva una serie de objetivos:
Eliminar los cidos grasos libres, los que provocan el deterioro del producto final por
hidrlisis. Para su eliminacin se realiza por neutralizacin con leja sdica o por
destilacin.
Eliminar los fosfolpidos. Se produce el aglomerado de los mismos aadiendo un cido
dbil, que despus se pueden arrastrar fcilmente con agua.
Eliminar los componentes voltiles, los que generan mal olor y sabor. Se realizamediante destilacin al vaco y arrastre con vapor.
Eliminar otros contaminantes, como metales o pigmentos, mediante la adicin de
decolorantes y/o carbn activo.
2.
Endurecimiento:Consiste en alterar el punto de fusin de aceite para obtener grasas
slidas. El endurecimiento se consigue por hidrogenacin, en la que se satura total o
parcialmente el aceite, en una autoclave, a altas temperaturas, presiones y en presencia
de catalizador, hasta conseguir un determinado ndice de yodo. El producto de este
proceso se llama MANTECA HIDROGENADA[M].
ndice de yodo: Es una escala utilizada para definir el grado de instauracin de
un compuesto orgnico que contiene doble o triples enlaces. Representa la
cantidad de yodo que absorbe dicho compuesto del halgeno en presencia de
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catalizador contenido en el reactivo de Wijs, que contiene triyoduro 0,1N en
ambiente cido con cido actico.
3.
Fabricacin de las grasas saturadas: La manteca pasa a la etapa de fabricacin de
margarinas donde se la adiciona leche, agua, aceites vegetales, emulgentes,
saborizantes, preservantes y sal comn, en una mezcla que es batida en fro hasta
obtenerMARGARINA.
4.6.1 Hidrogenacin completa
El objetivo final es la saturacin de todas las molculas de aceites, por lo que la
reaccin se alarga hasta que este objetivo se cumpla. El producto resultante es una grasa con
un ndice de yodo cercano a cero y un punto de fusin muy elevado. Por si misma, esta grasa
no es adecuada para el consumo, pero puede combinarse a otro proceso, como la
INTERESTERIFICACINpara lograr una curva de slidos adecuados para su consumo. La grasa
totalmente hidrogenada est formada nicamente por cidos grasos saturados, y por tanto, no
contienen cidos grasos trans.
Curva de slidos: Es la representacin del porcentaje de componentes slidosen una grasa frente a la temperatura. Para la confeccin de esta curva,
usualmente se mide por DILATOMETRA, el porcentaje de slidos a 10, 15, 20,
25, 30, 35 y 40 C de temperatura. Curvas simplificadas utilizan tan slo tres de
estas temperaturas. Propiedades como la plasticidad de una grasa pueden
observarse directamente en estos grficos, a travs de su pendiente.
Plasticidad: Es una propiedad fsica de la grasa que describe cuan suave,
plegable y moldeable es a una determinada temperatura.
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4.6.2 Hidrogenacin parcial
En este caso, la reaccin se corta al alcanzar la curva de slidos deseada. El ndice de
yodo final, es variable segn la aplicacin, pero suele estar entre 50 y 100. El producto final
contiene usualmente grandes cantidades de cidos grasos trans.
La hidrogenacin, no slo cambia las propiedades fsicas de las grasas, sino tambin,
las qumicas: una grasa hidrogenada es menos propensa a ponerse rancia, ya que los dobles
enlaces son los propensos a la actividad qumica [6]. La rancidez se debe a la presencia de
cidos y aldehdos voltiles de mal olor, sustancias que resultan del ataque por el oxgeno en
las molculas con doble enlace [5].
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CAPTULO V
MERCADO DEL HIDRGENO
Actualmente, y desde hace mucho tiempo, se ha estado utilizando para obtener energa
los combustibles fsiles (carbn, petrleo) y sus derivados y que por efecto de la combustin,
se ha acumulado una gran cantidad de contaminantes en la atmsfera.
En consecuencia, debido a la necesidad que se tiene en reducir el nivel de
contaminantes presentes en la atmsfera, ya que estos son los principales causantes de
problemas como el efecto invernadero y calentamiento global, surge la necesidad de buscar
nuevos mtodos que contribuyan al mejoramiento de estos problemas sin recurrir a
limitaciones en la produccin de energa, ya que esto implicara un retraso, tanto en el
desarrollo econmico, tecnolgico como investigativo.
El aporte del Hidrgeno como el combustible es sin duda la solucin a dichos
problemas debido a:
Puede ser utilizado como recurso energtico. Puede sustituir a los combustibles fsiles utilizados actualmente.
El nico producto de su combustin es el agua (H 2
O) y en consecuencia no es un
contaminante.
5.1 VENTAJAS AL UTILIZAR HIDRGENO COMO ENERGA
No produce contaminacin ni consume recursos naturales: El proveedor natural paraeste elemento es el agua, una vez utilizado, producto de la oxidacin se genera otra vez
agua. No hay productos secundarios ni txicos de ningn tipo que se genere en este
proceso.
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Seguridad: Los sistemas de hidrgeno tienen una historial de seguridad impresionante.
En muchos casos, el hidrgeno es ms seguro que el combustible que est actualmente
utilizando. Es importante hacer notar que en caso de fuga, por ser un gas muy liviano
se disipa rpidamente a la atmsfera.
5.2
En su relacin con el medio ambiente, el uso de combustibles fsiles, es uno de los
generadores de gases invernadero que se incorporan a la atmsfera causando el cambio
climtico.
BALANCE ENERGTICO
Para conocer cuales son las distintas fuentes de energa utilizadas por el hombre, serecurre al BALANCE ENERGTICO, ya sea en el mbito nacional como mundial, donde se
diferencia la participacin de cada una de ellas.
Las fuentes de energa son recursos o medios naturales capaces de producir algn tipo
de energa. Se clasifican en dos grandes grupos:
Fuentes primarias: Son recursos naturales disponibles en forma directa para su uso
energtico sin necesidad de someterlos a un proceso de transformacin.
o Fuentes renovables: Son la energa hidrulica, geotrmica, elica, solar y
biomasa, en que los perodos de formacin son de corto plazo y continuos.
o Fuentes no renovables: Son el petrleo crudo, gas natural, carbn mineral y
energa nuclear. El perodo de formacin es de muy largo plazo.
Fuentes secundarias: En este grupo se encuentra la electricidad, derivados del petrleo,
derivados del gas natural, derivados del carbn mineral y derivados de biomasa.
A nivel mundial, se consume cerca de 85 millones de barriles de crudo (34 por ciento
de la energa primaria total), casi 270 mil millones de pies cbicos de gas natural (21 por
ciento de ese total), adems, 12 millones de toneladas al da de carbn (23 por ciento).
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Se trata de los tres combustibles bsicos que cubren cerca de 80 por ciento del balance
energtico primario del mundo. Son, adems y por desgracia, fuentes de energas no
renovables y altamente contaminantes. Por otra parte el uranio utilizado en los reactores
nucleares para generar electricidad en el mundo representa seis por ciento de la energa
primaria del mundo, y se sabe de la polmica en torno a ste, sus riesgos de manejo y su
confinamiento posterior. Finalmente, el resto de los requerimientos actuales de energa, lo
representan las energas renovables encabezadas por la hidroelectricidad [N].
Fuente de
Energa
Electricidad
(36%)
Recursos/
Comercio (24%)
Industrial (22%) Transporte
(18%)
Petrleo 8% 29% 16% 47%
Carbn 69% 15% 16% Gas 36% 38% 24% 2%
Biomasa 10% 72% 14% 4%
Nuclear 100%
Hidro 100 %
Tabla 5.1. Resumen Balance Energtico Mundial 2005.
En la actualidad, se ha incrementado considerablemente las emisiones de dixido de
carbono, por la necesidad de consumir estas energas en forma excesiva que a diario
requerimos. En Chile, segn los estudios realizados por el Instituto Nacional de Estadsticas,
entre los aos 2002 y 2007, el consumo per cpita de energa elctrica de la poblacin
nacional se ha incrementado en un 51 por ciento. Los mayores crecimientos se han dado en la
Regin Metropolitana, que tuvo un aumento promedio por habitante de 570 KW/h en el 2002
a 659 KW/h en el 2007 [O]. A esta le sigue la zona norte del pas, pasando de 392 KW/h en
2002 a 495 KW/h en el 2007. En la zona centro, el consumo pas de 424 KW/h a 500 KW/h,
mientras que en la zona sur subi de 321KW/h a 417KW/h [O]. En cuanto a la generacin,
esta ha mostrado tambin una tendencia creciente. El ao 2003, la generacin bruta de los
Sistemas Interconectado del Norte Grande (SING), Interconectado Central (SIC), de Aysn, de
Magallanes y los autoproductores, alcanz a los 45.239 GW/h, mientras que en el 2007 esta
cifra lleg a los 57.222 GW/h.
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De aqu lo dramtico del balance energtico mundial y la urgencia no slo de sustituir
estos combustibles fsiles, sino tambin, buscar alternativas tecnolgicas y sociales para la
satisfaccin de los requerimientos de energa til en sus diversas formas: transporte de
personas y cargas, calefaccin e iluminacin, entre otras.
5.3 ECONOMA DEL HIDRGENO
En un modelo econmico con una mirada hacia el futuro, este gas, usado como
combustible tanto en transporte de pasajeros como de carga, hoy se est almacenando en
contenedores para su distribucin. ste se ha propuesto como reemplazo de la gasolina y
diesel utilizados actualmente en transporte, especialmente en automviles y camiones.
Esta propuesta tiene el propsito de disminuir el efecto invernadero generado por el
uso de combustibles fsiles en el transporte y en otras aplicaciones donde se libera dixido de
carbono a la atmsfera entre otros contaminantes.
Adems, el hidrgeno se puede utilizar como combustible en celdas de combustibles
(CAPTULO VI) o en motores de combustin interna.
En el ao 2004 se produjeron a nivel mundial cincuenta millones de toneladas mtricas
de hidrgeno industrial, conteniendo 200 GW de energa; la tasa de crecimiento es de
alrededor de un 10 por ciento por ao [P]. Debido a que el almacenamiento y transporte de
hidrgeno tiene un costo elevado, la mayor parte de la produccin en la actualidad se hace
localmente, y es utilizado generalmente por la misma industria. En 2005, el valor econmico
de todo el hidrgeno producido fue de aproximadamente US$135 mil millones por ao [P].
Segn elLaboratorio Nacional de Energa Renovable(NREL) de los Estados Unidos,
1 Kg de hidrgeno, equivale aproximadamente a un galn de gasolina, puede ser producido a
un costo que vara entre $5,55 a corto plazo y $2,27en largo plazo.
La empresa Global Hydrogen Inc., ha conseguido producir cada kilogramo de
hidrgeno comprimido como gas a un precio de $2,47.
http://globalhydrogeninc.com/http://globalhydrogeninc.com/ -
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Se estima que cuarenta millones de toneladas de hidrgeno sern necesarias
anualmente para abastecer energticamente a cien millones de vehculos que utilizan el
mecanismo de transformacin de pila de combustible, es decir, 13,33 KW/ao por vehculo.
Los datos de Cryogas International, comenta que la produccin mundial del hidrgeno
en el ao 2007 ascendi a doce billones de pies cbicos normalizados. De esta cifra, 1,7
billones corresponden lo que se denomina produccin mercantil de hidrgeno, esto es
hidrgeno producido por una compaa y vendido para el consumo de otra compaa distinta.
En otras palabras, el noventa por ciento de la produccin mundial est destinado al consumo
interno de la propia compaa que lo obtiene.
Pero, qu ocurrira en el caso hipottico de que todo ese hidrgeno se destinara aabastecer vehculos movidos por pila de combustible? Los doce billones de pies cbicos
estndar se multiplican por 0,03 y se obtendr el equivalente en metros cbicos normalizados,
0,03 es un factor que se obtiene de la conversin de pies cbicos a metros cbicos. El producto
de esta multiplicacin es 360 mil millones de Nm3. El metro cbico normalizado se mide en
condiciones de presin atmosfrica a nivel del mar y a 273,15 K (0 Centgrados) de
temperatura. 1,13 Nm3
de hidrgeno pesan 1 Kg. Por tanto, la produccin mundial de
hidrgeno de 2007, medida en peso, fue algo ms de 32.000 toneladas.
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CAPTULO VI
PILAS DE HIDRGENO
Las pilas de hidrgeno se denominan tambin, celdas o clulas de combustible. Es un
generador electroqumico que es alimentado con hidrgeno o metanol, es una alternativa
eficiente a los motores de combustin. Estas pilas no contaminan, ya que el hidrgeno es
transformado en electricidad y en calor.
Estas pilas pueden trabajar a diversas presiones, desde presin atmosfrica hasta 197
atmsferas, los procesos de altas presiones son ms eficientes, pero los equipos son ms
complejos y costosos. La eficiencia de una celda de combustible es aproximadamente del 65
por ciento, por lo que son necesarios entre 4,2 y 4,8 KW/h de energa para producir 1Nm3
de
hidrgeno. Utilizando electrolisis con altas temperaturas y altas presiones la eficiencia
incrementa entre un 85 a 90 por ciento. Un inconveniente fundamental que presentan estos
convertidores es su baja tensin, generalmente en torno a 1V. Para conseguir tensiones ms
altas deben unirse varias clulas en serie que constituyen una unidad de orden superior que se
ha dado en llamar stack.
La razn ms justificable de usar estos dispositivos, es disminuir la contaminacin
atmosfrica y su efecto.
6.1 CONTAMINACIN ATMOSFRICA
Los principales mecanismos de la contaminacin atmosfrica son los procesos
industriales que implican combustin que generan dixido de carbono (CO 2
), monxido decarbono (CO), xidos de nitrgeno (NOx), xidos de azufre (SOx), entre otros contaminantes.
En los ltimos aos, la cantidad de dixido de carbono en la atmsfera ha presentado
un aumento. Se ha pasado de unas 280 partes por milln (ppm) en la era preindustrial a unas
390 ppm en el ao 2009 [R], aun cuando su concentracin global en la atmsfera es de apenas
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0,039%. Se estima que dos tercios de las emisiones procedan de la quema de combustibles
fsiles (petrleo, gas y carbn) mientras que un tercio procede del cambio en la utilizacin del
suelo.
El grfico 6.1, representa las emisiones de dixido de carbono de distintos sectores en
el ao 2000. En total, en este ao se emiti aproximadamente 42 GT de este gas.
6.1.1 Efecto invernadero
Es un fenmeno en que los gases generados por la combustin son enviados a la
atmsfera, principalmente el dixido de carbono, xidos de nitrgeno, entre otros. Estos gases
permiten el paso de la energa solar, pero una vez reemitido por el suelo, estas emisiones de
gases no permiten el paso al espacio. Esto implica un calentamiento en el planeta.
Los gases de efecto invernadero ms importantes son el vapor de agua, que causa cercadel 36- 70%, dixido de carbono causa entre el 9- 26%, metano entre un 4- 9% y el ozono
entre un 3- 7%
La actividad humana, desde la Revolucin Industrial, ha aumentado la cantidad de
gases de efecto invernadero en la atmsfera, haciendo que aumente el forzamiento radiativo a
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partir del CO2, CH4, clorofluorocarbonos (CFC) y xido nitroso (N2O). Las concentraciones
de CO2y CH4
han aumentado en un 36 por ciento y 148 por ciento respectivamente, desde
mediados de 1700. La tabla 6.1, indica la comparacin de los niveles de concentracin de los
gases de efecto invernadero desde la era preindustrial hasta los niveles actuales.
Gas Nivel Preindustrial Nivel Actual
(ao 2005)
Aumento desde 1750
CO 280 ppm2 379 ppm 99 ppm
CH 715 ppb4 1774 ppb 1059 ppb
N2 270 ppbO 319 ppb 49 ppb
CFC 533 ppt 533 ppt
Los compuestos clorofluocarbonos han sido utilizados en una gran variedad de
procesos de manufactura y en forma de productos muy diversos como refrigerante, disolvente
en la industria electrnica, aerosol, entre otras. La sencilla razn por la que se usaba, es
porque no afectan a la salud humana, ya que los gases son totalmente inertes. No reaccionan
con ningn compuesto natural ni en nuestro cuerpo ni en la troposfera.
El mecanismo a travs del cual los CFC reaccionan con la capa de ozono, es una tpicareaccin fotoqumica cataltica. Al incidir la luz sobre la molcula de CFC, se libera un tomo
de cloro como un electrn libre (ecuacin 6.1), denominado radical cloro, que es reactivo y
tiene gran afinidad con el ozono (ecuacin 6.2), que rompe la molcula de ste ltimo,
produciendo monxido de cloro y oxgeno molecular.
REACCIN FORMACIN RADICAL: CCl3F + UV Cl.+ CCl2
REACCIN DESCOMPOSICIN OZONO:2Cl + 2O
F (6.1)
3 2ClO + 2O2 (6.2)
Se estima que un slo tomo de cloro destruye hasta 30.000 molculas de ozono. El
CFC permanece durante ms de cien aos en las capas ms altas de la atmsfera, donde se
encuentra el ozono.
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6.1.2 Calentamiento global
Es el aumento de la temperatura media del aire cerca de la superficie de la Tierra y los
ocanos desde mediados del siglo XX y su continuacin proyectada, como consecuencia del
aumento del dixido de carbono y de otros gases invernadero presentes en la atmsfera.
La figura 6.1, muestra el balance anual de energa de la Tierra, provocado por el efecto
invernadero, desarrollado por Trenberth, Fasullo y Kiehl de la NCAR en 2008. Se basa en
datos del periodo Marzo 2000 - Mayo 2004. La energa que recibe la superficie de la Tierra
recibe del Sol es 161 W/m2y del efecto invernadero de la Atmsfera 333 W/m2, lo que suma
un total de energa de 494 W/m2, como la superficie de la Tierra emite un total de 493 W/m2
(17 W/m2
de calor sensible, 80 W/m2
de calor latente de la evaporacin del agua y 396 W/m2
de energa infrarroja), supone una absorcin neta de calor de 0,9 W/m2
, que en el tiempo
actual est provocando el calentamiento de la Tierra [R].
Figura 6.1. Balance Energtico Mundial.
Del total de la luz que entra, cerca del 50 por ciento alcanza la superficie terrestre y es
absorbida en ella. Un 20 por ciento de esta luz, es absorbida por gases (UV por el ozono
estratosfrico y el oxgeno molecular, y el IR por el dixido de carbono y agua) y por gotas de
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agua en el aire, y el 30 por ciento se refleja en las nubes, hielo, arena y otros cuerpos
reflejantes, sin ser absorbida y regresa al espacio [R].
Los grficos 6.2, muestran las emisiones de gases invernadero que se producen
anualmente en la ltima dcada por sector.
Los grficos 6.3, representan el porcentaje de los tres principales gases invernadero por
sector (los colores mostrados en el grfico corresponden a los colores de los sectores
mencionados en el grfico 6.2).
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El transporte representa aproximadamente, la cuarta parte de la energa mundial de las
emisiones de dixido de carbono. Para lograr los cortes de emisiones de gases invernadero
para el ao 2050, el transporte debe desempear un papel importante. Con todos estos
antecedentes mostrados anteriormente, es que cientficos han propuesto una nueva tecnologa
eficiente de energa para alimentar los automviles y mviles. sta versin de tecnologa es
para ayudar al medio ambiente; es la energa eficiente que la tecnologa podra reemplazar los
motores de combustin en los automviles y las bateras en dispositivos mviles como
telfonos y computadoras porttiles. Por esta razn, han mencionado la opcin de utilizar las
pilas de combustibles.
El hidrgeno tiene el potencial de poner fin a la dependencia que el mundo tiene del
petrleo, reduciendo as, drsticamente las emisiones de dixido de carbono y mitigando losefectos del calentamiento global. Y dado que es tan abundante y existe en todas las partes del
mundo, todos los seres humanos dispondrn de energa.
6.2 INVENCIN DE LA PILA DE HIDRGENO
Sir William Robert Grove, desarroll los primeros prototipos de laboratorio de lo que
l llamaba BATERA DE GAS. En 1839 realiz sus primeros experimentos y en 1845 demostrdefinitivamente su sistema. Sin embargo, los principios bsicos del funcionamiento de esta
pila los descubri un poco antes (1838) el profesor suizo Christian Friedrich Schoenbien [S].
Como se ve en la figura, Grove, us cuatro celda electroqumicas grandes, cada una
compuesta por un electrodo con hidrgeno (H2) y oxgeno (O2) gaseoso separados por un
electrolito para producir energa elctrica. Comprob que la reaccin de oxidacin del
hidrgeno en el electrodo negativo combinada con la reduccin del oxgeno en el positivo,
generaba una corriente elctrica que se podra utilizar, a su vez, para generar hidrgeno y
oxgeno.
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Figura 6.2. Esquema de la primera Pila de Combustible, propuesta por Sir William Robert Grove en 1845.
6.3 PILAS DE HIDRGENO
Es un dispositivo electroqumico de conversin de energa similar a una batera, pero
se diferencia de sta ltima est diseada para permitir el reabastecimiento continuo de los
reactivos consumidos, es decir, produce electricidad, agua y calor de una fuente externa de
combustible y de oxgeno en contraposicin a la capacidad limitada de almacenamiento de
energa que posee una batera. Adems, los electrodos en una batera reaccionan y cambian
segn como est de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible, los
electrodos son catalticos y relativamente estables.
En el lado del nodo, el hidrgeno que llega al nodo catalizador se disocia en protones
y electrones. Los protones son conducidos a travs de la membrana (electrolito) al ctodo,
pero los electrones estn forzados a viajar por un circuito externo produciendo energa, ya que
la membrana est aislada elctricamente. En el catalizador del ctodo, las molculas de
oxgeno reaccionan con los electrones conducidos a travs del circuito externo y protones para
formar agua. En este ejemplo, el nico residuo es el vapor de agua o agua lquida. Es
importante mencionar que para los protones que pueden atravesar la membrana, esta debeestar hmeda, dado que la conductividad protnica de las membranas polimricas utilizadas en
este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humedecer
los gases previamente al ingreso de la pila.
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En los electrodos, tambin se pueden hallar electrocatalizadores, responsables de que
se produzca la reaccin redox de los electrodos. Suelen emplearse metales nobles, aunque
dependen del tipo de pila.
El electrolito es el medio encargado de transportar los iones de un electrodo a otro.
Debe ser de un material aislante con objetivo de obligar a los electrones a pasar al circuito
externo para extraer el trabajo elctrico de la pila. Adems sirve de separacin entre el
combustible (reactivos) y comburente (oxgeno) de modo que no ocurra una combustin, sino
una reaccin de oxidacin o reduccin en el electrodo correspondiente.
Figura 6.3. Partes de una pila de hidrgeno.
6.4 TIPOS DE PILAS DE HIDRGENO: SEGN ELECTROLITO EMPLEADO
6.4.1 Pilas de membrana de intercambio protnico (PEMFC)
Se caracterizan por tener como electrolito una matriz polimrica conductora de
protones, siendo por tanto una pila de tipo cido. Esta membrana separa el lado del nodo del
lado del ctodo. Operan a bajas temperaturas entre 40 a 80 C, suficiente para mantener la
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humedad del electrolito. Aunque hace que la cintica de las reacciones electroqumicas sean
ms difciles. Debido a esto se utilizan electrocatalizadores, como el platino. Este es un
material ms activo para la oxidacin del hidrgeno y la reduccin del oxgeno, y adems
tiene alta sensibilidad qumica en las condiciones de reaccin.
Figura 6.4. Esquema de funcionamiento de una pila de membrana de intercambio protnico
REACCIN ANDICA: H2 2H+ + 2e-
REACCIN CATDICA: O
(6.3)
2+ 2H++ 2e- H2
REACCIN GLOBAL: H
O (6.4)
2+ O2 H2
O (6.5)
El electrodo de una PEMFC est formado por un electrocatalizador disperso sobre un
material soporte poroso, que a su vez es conductor electrnico.
La membrana (electrolito) debe tener alta sensibilidad, conductividad electrnica,estabilidad qumica y debe ser impermeable a los gases de reaccin. El material que rene
todas estas condiciones es Nafion, un polmero perfluorinado con cadenas laterales terminadas
con cido sulfnico y perfluorosulfnico.
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Resulta necesario que la membrana conserve un alto grado de humedad, lo que limita
su temperatura de trabajo a unos 80 grados centgrados. De hecho, la membrana es la que fija
el lmite superior de temperatura de funcionamiento de la pila. El nivel de humedad se logra
mediante la circulacin de agua a travs de la membrana.
A la unin de los dos electrodos, nodo y ctodo, con la membrana se le conoce como
ensamblaje membrana-electrodos (MEA, Membrane-Electrode Assembly). Este elemento se
fabrica mediante prensado en caliente de los componentes.
6.4.2 Pilas de combustible de electrolito alcalino (AFC)
Funcionan segn el fundamento de las pilas de combustibles bsicas o alcalinas, esto es
que la reaccin se produce por grupos hidroxilos, que son los que se trasladan por el
electrolito. La temperatura mnima de trabajo es de unos 60 C y la mxima de unos 100 C.
Esta pila produce energa a travs de una reaccin redox entre el hidrgeno y el oxgeno.
Figura 6.6. Esquema de funcionamiento de una pila de combustible electrolito alcalino.
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REACCIN ANDICA: H2+ 2OH- 2H2O + 2e
-
REACCIN CATDICA: O
(6.6)
2 + H2O + 4e- 2OH-
REACCIN GLOBAL: H
(6.7)
2+ O2 H2
O (6.8)
Siendo el potencial de equilibrio a concentraciones 1 M y presiones parciales de un
atmsfera de productos y reactivos E re v = 1,184 V.
Este tipo de pilas tiene el inconveniente de que el electrolito reacciona con cierta
facilidad con dixido de carbono, provocando prdidas de efectividad y precipitados que
aumentan las prdidas de las cargas.
Los electrodos suelen estar formados por una malla de nquel, relleno de una mezcla depolitetrafluoroetileno (PTFE) y un catalizador en base de polvo carbono.
Los grupos hidroxilos atraviesan la membrana para que la reaccin de produzca de
manera continua, al igual que la mitas de las molculas de agua generadas en la reaccin,
deben pasar por el pero en sentido inverso.
Debido a que el electrolito es atravesado por agua, debe ser de una solucin alcalina,
siendo el hidrxido de sodio o de potasio las ms empleadas, ya que son baratas, solubles y no
excesivamente corrosivas.
6.4.3 Pilas de cido fosfrico (PAFC)
En estas pilas, se producen reacciones similares que en las pilas de membrana, pero a
una temperatura entre los 175 y 200 C. Es la pila ms desarrollada, debido a que fue la
primera en ser descubierta.
La refrigeracin se lleva a cabo mediante unos tubos colocados cada cinco clulas. Se
pueden hacer por aire, agua presurizada o dielctricos.
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Figura 6.7. Esquema del funcionamiento de una pila de cido fosfrico.
REACCIN ANDICA: H2 2H++ 2e-
REACCIN CATDICA: O
(6.9)
2 + 2H++ 2e- H2
REACCIN GLOBAL: O
O (6.10)
2 + H2 H2
O (6.11)
El potencial de equilibrio es a concentraciones de 1 M y presiones parciales de un
atmsfera de productos y reactivos E rev = 1,184 V.
Adems, usan electrodos para la difusin el oxgeno y del hidrgeno, as como
catalizadores de platino o aleaciones de platino soportado sobre polvo de carbono.
El electrolito est compuesto por cido fosfrico, el nico cido inorgnico comn con
baja volatilidad y alta estabilidad y que es tolerante con la presencia de dixido de carbono
6.4.4 Pilas de carbonatos fundidos (MCFC)
Es una pila de alta temperatura que trabaja entre los 600 y 1.000 C. Actualmente se
encuentra en un estado de desarrollo comprendido entre las pilas de cido fosfrico y las de
xidos slidos.
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Su electrolito es una mezcla de carbonatos metlicos (litio y potasio o litio y sodio)
contenido en una matriz cermica porosa de xido de aluminio litio (LiAlO 2
). A altas
temperatura se forma una sal fundida con excelente propiedades conductoras para el paso de
los carbonatos.
Figura 6.8. Esquema de una pila de carbonatos fundidos.
REACCIN ANDICA: H2+ CO3-2 H2O + CO2+ 2e-
REACCIN CATDICA: O
(6.12)
2 + CO2+ 2e-
CO3-2
REACCIN GLOBAL: H
(6.13)
2+ O2 H2
O (6.14)
El potencial de equilibrio es a concentraciones 1 M y presiones parciales de un
atmsfera de productos y reactivos E rev = 1,184 V.
6.4.5 Pilas de xidos slidos (SOFC)
Dispositivo que usa un material cermico como electrolito debido a su elevada
temperatura de trabajo que va desde 800 hasta 1.100 C, lo que implica que es completamente
slido. Es por tanto la pila ms simple entre las de alta y baja temperatura. Las altas
temperaturas hacen que no se precisen metales preciosos como catalizadores. Algunas
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organizaciones que desarrollan este tipo de celdas de combustible tambin prevn el uso de
estas en vehculos motores. Una prueba de 100 KW est siendo terminada en Europa mientras
que dos pequeas unidades de 25 KW se encuentran ya en lnea en Japn [T].
Figura 6.9. Esquema de pila de xidos slidos
REACCIN ANDICA: H2 + O2-
H2O + 2e-
REACCIN CATDICA: O
(6.15)
2 + 2e- O2-
REACCIN GLOBAL: H
(6.16)
2+ O2 H2
O (6.17)
El electrolito debe ser un conductor inico en un amplio rango de presiones parciales
de oxgeno. No tiene que permitir la permeacin de oxgeno o combustible entre las dos caras,
y presentar una resistencia mecnica suficiente para constituir el material de la celda. El
material ms utilizado es la circonia estabilizada con itria (Zr2O3/Y2O3
).
El ctodo debe presentar una porosidad elevada al igual que el nodo para facilitar el
paso de gas hasta la interfase del electrolito, donde tiene lugar la reduccin del oxgeno,
mostrar una gran actividad cataltica para esa reaccin y ser estable en atmsfera oxidante.
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El nodo debe ser un conductor electrnico, qumicamente estable en atmsferas
reductoras. Debe ser un material poroso para facilitar el intercambio de combustible entre el
compartimento andico y la interfase nodo-electrolito, donde se produce la reaccin.
6.4.6 Pilas de metanol directo (DMFC)
Son una variante de las pilas PEMFC, en la que el combustible es metanol,
generalmente de 1 M. Tambin es una pila cida. Se cre este modelo, para utilizar cualquier
otro combustible, como gasolina, gas natural, etc., para no desarrollar una etapa previa de
reformacin para la obtencin de hidrgeno, pero un inconveniente importante es la emisin
de dixido de carbono, con lo que la reduccin de este gas respecto a un motor trmico
vendra dada por el incremente de eficiencia. Estas pilas s son ms eficaces a altas
temperaturas y presiones, pero estas condiciones acaban causando tantas prdidas en el
sistema completo que la ventaja se pierde [U]. Las que las reacciones que ocurren son:
Figura 6.10. Esquema del funcionamiento de una pila de metanol directo
REACCIN ANDICA: CH3OH + H2O CO2+ 6H++ 6e-
REACCIN CATDICA: 3/2O
(6.18)
2+ 6H++ 6e- 3H2
REACCIN GLOBAL: CH
O (6.19)
3OH + 3/2O2 CO2+ 3H2O (6.20)
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Al igual que las pilas de intercambio protnico, el electrolito utilizado es Nafin, ya
que sta tiene alta sensibilidad, conductividad electrnica, estabilidad qumica y debe ser
impermeable a los gases de reaccin.
El electrocatalizador lo constituyen partculas nanomtricas de platino. Hay especies
qumicas que se absorben especficamente sobre las partculas de platino impidiendo as el
transcurso de la reaccin electroqumica. Entre ellas destaca el monxido de carbono (CO),
que bloquea el electrocatalizador El monxido de carbono puede estar presente como
impureza en el hidrogeno obtenido tras un proceso de reformado, o puede formarse como
intermedio de la oxidacin del metanol en el nodo de una DMFC. Por esta razn, el platino se
alea con rutenio para ayudar as a la oxidacin completa del monxido de carbono.
6.5 TIPOS DE PILAS DE HIDRGENO: SEGN TEMPERATURA DE
FUNCIONAMIENTO
6.5.1 Pilas de combustible de baja temperatura
Funcionan con temperatura de membrana de aproximado 80 C. Si la temperatura
sobrepasa este valor, la clula de combustible se daa irreversiblemente. Por esta razn, los
prototipos con pilas combustibles de baja temperatura necesitan un sistema sofisticado y caro.
Slo la superficie de refrigeracin es aproximadamente tres veces mayor que la que se utiliza
en los motores diesel. El suministro de hidrgeno y gas permanecen constantemente
humedecidos, ya que de no ser as, la produccin de energa se detendra y perjudicara a la
clula. En este grupo se pueden encontrar las pilas de membrana de intercambio protnico, las
pilas alcalinas y pilas de metanol directo.
6.5.2 Pilas de combustible de alta temperatura
Puede alcanzar temperaturas de hasta 1100 C sin perder potencia, y todo ello sin
humedad. Los protones son intercambiadores mediante cido orto- fosfrico (H3PO4). Este
cido tiene buenas propiedades elec