IN S T IT U T O P O L IT E C N IC O N A C IO N A L

Escuela Superior de Ingeniería Quimica

e Industrias Extractivas

S E M I N A R I O D E T I T U L A C I O N

"ELECTROQUIMICA Y CORROSION”“TEORIA DE LA OBTENCION OE HIDROGENO ELECTROLITICO”

TRA BA JO R EC EP C IO N A LQ u e para obtener el Título de

I N G E N I E R O Q U I M I C O I N D U S T R I A L

p r e s e n t a n

Archnndia Romero Sofía ira ce li Castañeda Andrade José Lnis Martínez Romano Jerónimo (Irtiz Lucas Honorio Rosas (inerrero José Ricardo

Orientador:

Dr. JOSE G O N Z A L E Z C A S T I L L O

México, D. F. Septiembre de 1987

TEORIA DE LA OBTENCION DE

HIDROGENO ELECTROLITICO

TEMARIO.

INDICE.

RESUMEN.

INTRODUCCION.

A GENERALIDADES.

II. METODOS DE OBTENCION.

III. PROCESO ELECTROLITICO PARA LA

OBTENCION DE HIDROGENO.

TV. CORROSION.

V. SEGURIDAD INDUSTRIAL.

CONCLUSIONES.

BIBLIOGRAFIA.

tnd:cc

Págs.

RESUMEN.

INTRODUCCION. .¿

I. GENERALIDADES. 4

1.1. Descripción del elemento Hidrógeno.

1.2. Propiedades físicas y química. g

I.Í. Usos. s

II. DIFERENTES METODOS DE OBTENCION. *2

III. PROCESO ELECTROLITICO PARA LA OBTENCION DE i.IDROGENO 17

111.1. Acondicionamiento del agua. 21

111.2. Rectificación de corriente. 30

111.3. Electrólisis. 38

II1.5. Almacenamiento.

a) Tanques.

b) Cilindros.

c) Bancos de cilindros.

d) Plataformas.

III.4. Operaciones subsecuentes.

a) Regulación de presión y compresión.

b) Secado y filtrado.

a) Descripción de la celda electrolítica.

b) Fenómenos electroquímicos.

c) Teoría de la obtención

38

47

52

69

69

70

73

73

73

7r.

78

IV. CORROSION 79

V. SEGURIDAD INDUSTRIAL. 88

CONCLUSIONES.

BIBLIOGRAFIA.

RESU, iEN

É .ravés de es*.e c ?¡,a t . ; algunos conocimiento, vtsicoS

para la obtención, i . ios 'industriales del elemento

hidrógeno en estado raí.'. II desarrollo del trabajo se ba

sa en conocí mi en eos o i «je _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

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, ca­

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

INTRODUCCION

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

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 del es muy diferente a la de los me­

tales alcalinos. Por eso el hidrógeno 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. Se cree que

el 90 % de la masa del sol esta formada por H2 Bien pudiera ser que el

H2 sea el elemento más abundante en el universo.

I. GENERALIDADES1 . 1 . DESCRIPCION DEL ELEMENTO HIDROGENO (H?)

5

En términos de números de átomos es posible que el H2 ^ea el 32 elemento

más abundante sobre la tierra, pero, debido a que es un elemento muy li­

gero, solamente ocupa el 9- lugar en términos de masa total en la corte­

za terrestre.

El K,muy '-aras veces se encuentra en la naturaleza en su estado elemen-

cal; en ocasiones hay indicios de l^en los gases de los volcanes y en

la atmósfera superior.

Aproximadamente 2/3 partes el cuerpo humano consiste de agua, lo que

significa que éste es más o menos el 10 % de H, en peso.

Es muy común el fi combinado en la hulla y el petróleo también se le

encuentra en algunos minerales, tales como la arcilla.

1 . 2 PROPIEDADES F I S I C AS Y QUIMICAS.

. PROPIEDADES K S I C h S DEL HIDROGENO.

"1 átomo de H cuya masa es de 1.00783 U.M.A. constituyen el 99.9844 %

del H natural, y este contiene también 0.0146 de isotopo llamado deu-

terio (H pesado) con masa 2.01408 y proporciones infinitas de tritio,

H hiperpesado, con masa de 3.01603 U.M.A. ver Fig. No. 1.

El HjSn condiciones normales de presión y temperatura es un gas íncolo

ro, insípido, no tóxico e inflamable.

Es muy difusible, es decir atraviesa con facilidad materiales porosos

algunos metales que se encuentran al rojo vivo. Debido a su poco peso

especifico tiene gran poder ascencional y además es buen conductor del

calor y de la corriente eléctrica.

Es soluble en unos 50 volúmenes de agua A 0 "C

. PROPIEDADES QUIMICAS DEL HIDROGENO.

Es un elemento fuertemente electropositivo, es decir durante el proce­

so electrolítico se dirige hacia el cátodo o polo negativo. Es un

combustible no un comburente ya que arde en el aire o en el oxígeno pu

ro con flama pálida no luminosa y con gran desprendimiento de calor

formando vapor de agua.

Elimina fácilmente el oxígeno de las substancias que lo contienen, r a ­

zón por la cual se dice que es un enérgico reductor.

En condiciones normales de presión y temperatura manifiesta poca e ner­

gía química, 'eaccionando únicamente con gran viveza con el flúor in­

cluso a temperaturas muy bajas (del orden de los -240 °C).

Presenta propiedades ácido básicas.

HIDROGENO1 E Y 1 P

DEUTERIO1E/1B Y 1N

E=ELECTRON

N

P= PROTON K!= NEUTRON

FIG. No. 1EL HIDROGENO Y SUS ISOTOPOS.

8

El hidrogeno se utilizó en otra época en grandes cantidades para inflar

globos, hoy se prefiere el helio ya que no es flamable.

En la actualidad el uso más importante del hidrógeno es la producción

de amoniaco sintético y de metano!.

Se usa en la hidrogenación de aceites y grasas, para producir manteca,

margarina, etc., también para la fabricación de jabones, pinturas, lu­

bricantes, etc.

Por la hidrogenación de hulla pueden obtenerse gasolina y uombustoleo,

sólo que éste procedimiento no puede competir con los productos o b te ni­

dos a partir del petróleo.

El hidrógeno se combina con el cloro para producir acido clorhídrico a

escala industrial.

En la industria metalúrgica el hidrógeno es usado como agente reductor

de óxidos y para prevenir la oxidación durante el tratamiento térmico

de algunos metales y/o en la producción de algunas aleaciones, el hidró

geno líquido esta siendo utilizado recientemente como combustibles en

misiles y cohetes especiales.

En un futuro podría ser usado como combustible para los medios de trans

portación terrestre, ya que reduce considerablemente la contaminación ya

que sólo proauce óxidos de nitrógeno.

El hidrógeno se usa como combustible en el soplete oxhídrico para soldar

y cortar algunos metales como el aluminio y el magnesio debido a que la

flama producida en este soplete llega a alcanzar temperaturas de Z200CC, aunque no es recomendable ya que es un elemento altamente explosivo, por

lo que se prefiere el acetileno.

1 . 3 USOS.

. USOS DEL HIDROGENO.

Esta flama también se util'za en diferentes trabajos durante la fabri

cación de cuarzo y vidrio.

También es utilizado como combustible en cromatografía de gases espec

ricamente en el detector de ionización de flama (que es un aditamento

del mismo el cual realiza el análisis cuantitativo).

Se utiliza como refrigerante en los grandes generadores eléctricos.

10

El hidrógeno se encuentra presente en 11.11 ' peso en el agua.

1L = 1kg, = lOOOg.

Whidrógeno = 1000 (0.1111) = 111.1 g.

Whidrógeno - 111.1 * 0.9998 = 111.07778 g.

Whidrógeno = 111.1 * 0.000146 = 0.0162206 g.

Wtritio = 111.1 * 0000054 = 0.005994 g.

Atg. Hidrógeno = 111.07778 g. = 110.20714 Atg. Hid-óreno.

1.0079 g/Atg.

Atg. Deuterio = O.Di62206g = 1.9874 x 1 0 ’ 'J Atg. T c

3.016 g/Atg

No. átomos de hidrógeno I 110.20714 * 5 . 0 2 3 x 1 0 ^ = 6 . 638xl025 átomos

No. átomos de Deuterio = 8.05392 x 10~J * 6.023 x 1023=4.85xl0¿ 1 átomos

No. átomos de Tritio » 1.9874 x 10’3 * 6.023 x 10""'=1.197x1021 átomos

DETERMINACION DEL NUMERO DE ATOMOS DE HIDROGENO EN 1L. d e HgO .

11

Propiedad No.Atónico Configuración Masa-t- Punto de Punto de Calor de Electrónica Atónica Fusión °C Ebullición Fusión

Elemento °C k£AL/M0L

H 1 Is1 1.0079 -259.2 -252.7 0.014

Hidrógeno

. A la tenperatura de ebullición,

t Temando cono base el carbono 12.

Propiedad Densidad * Electrone- Radio Volunen Energía Radio

g/ral fatividad Covaleni.e A° Atómco A° Primaria ae Iímco

ELementO Ionización A°

H 0.0808 2.1 0.32 14.1 31.3 2.08

Hidrógeno

* Respecto a la del agua.

Proiedad Conductividad VAlencia Densidad Densidad Solubilidad Presión

térmica V g/rnl g/ml En agua Crítica

Elemento Cal/cm2/on/°C/s ^ 0 (1:50) o ATM

H 0.004 + 1 0.070 0.0709 50 12.80

Hidrógeno

V Ala tenperatura arrbiente.

A Al estado gaseoso con respecto al aire.

O Al estado líquido y sólido con respecto al aire.

□ A 0" C

Calor de Vaporización

•

0.108

Calor

Específico

CAl/g°C

3.45

Temperatura

Crítica

°C

-240

12

I. METODOS DE OBTENCION.

Algunos de los métodos industriales para la obtención de hidrógeno se

mencionan a continuación, y el utilizado depende de diferentes factores

tales como: Volumen producido o consumido, el uso al que se le destine,

la pureza deseada en el producto, materia prima disponible, costos de

operación, etc. .

Los métodos son.

1) Mediante la acción de Hierro al rojo vivo sobre el vapor sobreca­

lentado, en el cual el Hierro reduce al vapor desprendiendo Hidró­

geno como producto, acompañado de la formación de óxido de Hierro,

o de Fierro. Esta reacción se representa a continuación.

La reacción se efectúa entre 770 y 104Ü°C, es reversible y exotér­

mica. Es decir.

2) Otra fiante de obtención del Hidrógeno es mediante la reacción del

vapor con el coke o cal incandescente utilizado mucho en la antigüedad

Este método se emplea muy poco en la actualidad y se obtiene monó-

x ^ o de carbono como subproducto como se muestra en la reacción

siguiente:

Fe + H2O FeO + H? (g) AH9o o °C ='3611 Cal/Mol

3FeO + H20 F e 3°4 + H 2{g ) H900°C =-15167 Cal/Mol

C + h2o CO(g)

+ H.2 (g)-28 Kcal/mol

cal or

Es„a mezcla de gases se utiliza en algunas industrias como comb us­

tible con el nombre de "Gas de Agua".

13

A continuación se presentan los datos de los materiales y acceso-3

rios para producir 1000 pies de Hidrógeno.

. Coke (kg) para producir

el gas de agua. 29.5 - 38.5 (dependerán de la pureza

del Í U .

. Vapor de agua (kg) 227 - 272

. Agua de refrigeración

líquida (lit). 3785

. Corriente eléctrica KWH. 2.0

. Mineral de Fierro, Catali

zador y compuestos quími­

cos. kg. 8.0

. Combustible (Kcal) gas o

petróleo. 7560

3) El Hidrógeno es frecuentemente obtenido como subproducto por descompo­

sición térmica de Hidrocarburos, los cuales alimentan a otros procesos

para obtener otros productos más valiosos.

Lo que se efectúa es el proceso denominado pirólisis, como en el caso

de la descomposición del metano a altas temperaturas produciendo Hidró

geno y negro de Carbón. La temperatura a la cual se calienta el Hi­

drocarburo es de 900°C, obteniéndose gases calientes de los cuales el

70 % son de H . Este se lava con agua y aceite, se purifica elimi­

nándole el Carbón presente con un lavado de Nitrógeno líquido.

14

4) El gas natural también se suele utiliza como materia p-ima en la pr o­

ducción de Hidrógeno, reaccionando el gas en presencia de un ca taliza­

dor, como por ejemplo e 1 Acetato de Sodio y el Hidróxido de Sodio o

Cal sodada.

La base de este método es la reacción catalítica del vapor de agua con

los Hidrocarburos, siendo las reacciones:

Cn '2 ^+2 + n ^ 2^ ------------- + 0xlc'acl°n incompleta.

+ ^*2^-------- n<'®' + ^ n + l ' |LÍ? Bi*i4ación completa.

Así, Cn H0 , cuando n=l, será- CH. Metano 2n+2 4

Cn H0 „ cuando n=2, será: C„H, Etano 2n+2 2 6

Cn H2n+2 cuando n=3, será: CjHg Propano

Cn H„ , cuando n=4, será: C. H,n Butano 2n4-? 4 10

5) El Hidrógeno con alta pureza se produce a través de la disociación delo

Amoniaco con temperaturas de 870 a 1000 C y una presión de operación 2

de 1.4 kg/cm , resulta económico el proceso cuando se tiene una produc

ción hasta de 600 m 3/día. En la cual - el 25 f corresponde al Nitróge;

no (N ^ ) y el 75 § al Hidrógeno. La reacción que ocurre es:

2NH3 ---------- N2 + 3H2

6) Pequeñas cantidades de Hidrogeno con baja pureza se obtienen de la

reacción del Ferrosilicio o Virutas de Aluminio con Hidróxido de so­

dio, como se muestra en la reacción:

2A1 + 6NaOH ---- 2Na3A103 + 3H2

15

El Hidrógeno obtenido de esta manera se llega a utilizar solamente pa­

ra el inflado de globos y balones.

o7) Mediante la reacción del Metanol y agua a una temperatura de 260 C den

tro de un convertidor catalítico de acero al Carbón, se obtiene también

Hidrógeno y Dióxido de Carbono.

La reacción que se lleva a cabo es:

C H 3-0H + H20,v) -------------- 3H2 + C02

Se necesitan aproximadamente 67 litros de Metanol y 54 litros de agua

para producir una mezcla de gases con un contenido de 100 m 3 de Hidró-3

geno y 62.5 m de gas Ca r b o m co .

La composición del gas es aproximadamente como sigue:

componente % Mol = % '

Hidrógeno (H,,) 98. 38

Monóxido de Carbono (CO) 0..81

Dióxido de Carbono (co2 ) 0.,19

Metano (CH^) 0.,62

Total 100..00

Este método no tiene g^an aplicación debido al alto costo del Metanol.

8) Por medio de procesos termoquimicos es posible también generar Hidrógs;

no. Estos procesos requieren de altas temperaturas superiores a los

2500 C, para lograr la disociación molecular del agua en sus componen­

tes gaseosos. Debido al grado de temperaturas, se seleccionan los ma

feriales de equ’po de proceso así como los catalizado-es adecuados pa­

ra disminuir y controlar la temperatura.

Ib

9) Por electrólisis del agua, es actualmente el método industrial estandar

para la generación de Hidrogeno. Básicamente, se basa en la disocia­

ción del agua por efecto de la corriente eléctrica. La reacción es:

2H20 -------- 2H2 + 02

17

Este proceso toma sus bases en la importancia que tiene el Hidrógeno re

ferente a sus usos industriales y a la necesidad de requerir Hidrógeno

de un elevado grado de pureza.

La electrólisis del agua ayuda a su obtención aprovechando sus componeii

tes en la descomposición al paso de la corriente eléctrica directa, pa­

ra ello se utiliza como eletrólito una solución alcalina formada por h^

dróxido de potasio KOH y agua, HgO.

Faraday en sus experimentos observó que los productos de la descomposi­

ción de los electrólitos se presentaban únicamente cerca de los electro

dos, asi mismo descubrió que por el efecto de la ionización de las sus­

tancias electrolíticas, se separaban en el interior de esas partículas

atómicas cargadas ele'ctncamente y que al estar en solución conducen la

corriente eléctrica denominando a estas partículas como iones.

Po" lo tanto concluimos que un electrólito es un buen conductor de la

electricidad teniendo la facilidad de ionizarse por el paso de la misma.

En tanto que la electrólisis es la descomposición química producida por

una corriente eléctrica.

El principio general para la obtención del Hidrógeno se representa en

la figura 2.

El método de obtención que se describe a continuación se divide en las

siguientes eiapas para su mejor comprensión las cuales se describen en

la figura 3.

1.- Acondicionamiento del agua de alimentación.

2.- Rectificación de corriente.

3.- Electrólisis.

a) Descripción de la Celda electrolítica.

III. PROCESO ELECTROLITICO PARA LA OBTENCION DE HIDROGENO

18

b) Fenómenos electroquímicos.

c) Teoría de la obtencion.

4.- Operaciones subsecuentes.

a) Regulación de presión y compresión.

b) Secado y filtrado.

5.- Almacenamiento.

a) Tanques.

b) Cilindros

c) Bancos de cilindros.

d) Plataformas.

19

FlG. 2S I S T E M A E L E C T R O L I T I C O

21

En este proceso de obtención de Hidrogeno la materia prima principal es

el agua, la cual, es requerida en grandes volúmenes y con característi­

cas muy específicas.

El agua a utilizar debe estar libre de materia en suspensión, de todo

tipo de minerales disueltos en ella y en general de cualquier impureza.

Antes de hacer uso de cualquier tipo de agua hay que someterla a un tra

tannento previo, para seleccionar el mas adecuado se debe considerar el

origen del agua. Tomando en cuenta que la cantidad de agua requerida

es considerable, es lógico pensar que esta provenga de un pozo profundo,

en general se establece, que estas aguas son claras, frías, sin color,

más duras que el agua de la superficie de la región en la cuál se e n ­

cuentran. Todo esto se debe a que la formación de estos pozos es a

través del agua de lluvia que cae sobre la superficie de la tierra y se

va filtrando en el suelo encontrándose con muchas substancias orgánicas

e inorgánicas de las cuales algunas son disuelvas por el agua causando

la alcalinidad y la dureza.

Las impurezas más comunes que se encuentran son:

Ca (HCOj) Bicarbonato de calcio.

Ca SO^ Sulfato de calcio.

Mg (HCOj) Bicarbonato de magnesio.

Mg SO^ Sulfato de magnesio.

Na (HCOg) Bicarbonato de Sodio.

Na SO^ Sulfato de Sodio.

Si02 Silicio

Ca CO^ Carbonato de Calcio.

Ca C12 Cloruro de Calcio Mg CO, Ca-bonato de magnesio

Mg Cl^ Cío uro de magnesio.

Na C1 Cloruro de Sodio.

H., C03 Arido carbónico.

0^ Oxigeno.

CO y CO^ Monóxido de carbono y dióxido de carbono.

I I I . 1 ACONDICIONAMIENTO DE AGUA.

22

Del grupo de nater'a en suspensión se encuentran, lodos, arenas, ma te­

ria vegetal y residuos industriales sobre todo.

Los fines perseguidos con el tratamiento de agua es eliminar los mate­

riales solubles y en suspensión contenidas en ella. Esto es necesario,

princ pálmente, porque las celdas electrolíticas sólo deben operar con

agua de alta pureza, evitar incrustaciones en recipientes y tuberías,

para proteger contra la corrosión en los equipos del proceso.

El sistema de acondicionamiento esta compuesto por las siguientes e ta­

pas

a) Eliminación de la materia en suspensión.

De acuerdo a las características de la materia en suspensión exis

ten diversos métodos para eliminarla tales como la sedimentación,

la c o a g u l a c o n y/o f ’lt r a c ó n . En este caso sólo se emplea la

f'ltración.

La filtración es el proceso dé hace - pasa>~ un líquido que contie­

nen materia insoluble en suspensión a través de un med-’o poroso

apropiado, de tal manera que pueda eliminarse dicha materia.

La filtración se utiliza en el tratamiento de agua industriales

para eliminar o reducir tanto los sólidos en suspensión como la

turbidez. En algunos casos el agua cruda se somete a unPtrata-

miento previo que produce una precipitación de substancias inde­

seables.

El filtro convencional utilizado cons'ste de un tanque cilindri­

co vertical de acero que contiene una cama de partículas finas

que forman el medio filtrante pudiéndo ser esta de Carbón activa­

do o Carbón antracítico con características tales como limpieza

y estar libre de escamas largas o delgadas, prefiriéndose cual­

quiera de estos medios filtrantes sobre la arena para muchos

filtros industriales d e b ^ o a oue no añaden Silicio a las aguas

23

alcalinas sometidas a filtración y debido a su baja densidad los

retrolavados a contracorrienten resultan mas economicos.

Este medio filtrante está sope -tado sobre ot.as partículas de m a ­

yor tamaño, grava fina. El filtro, al cual hacemos referencia

es de funcionamiento por gravedad, es decir, el agua que se ha de

f i K r a r circula en sentido descendente a través del medio filtran

te pa^a salir por la parte inferior y dirigirse al desmineraliza-

d o r .

La figura No. 4 es una representación de un filtro que se usa.

b) Desmineral i zador.

El procedimiento de desmineralización es el más económico para obte

ner aguas de extrema pureza, aunque para algunas aplicaciones se

complementa con otros procesos.

Este tratamiento elimina, prácticamente, en su totalidad cualquier

sal en forma iónica disuelta en el agua a ser tratada.

En este proceso un solo recipiente contiene una mezcla de resinas

para a m o n e s y cationes, llamadas zeolitas orgánicas cambiadoras de

a m o n e s y cationes respectivamente.

Zeolitas orgánicas cambiadoras de cationes.

Los carbones minerales, especialmente los antracíticos, al ser tr a­

tados con agentes sulfonantes rotnDen sus mallas produciendo ácidos

carboxilicos y de otra índole. Cuando una antracita o hulla se tra

ta con ácido sulfúrico (H^SO^) fumante o ácido c l o r o s u l f ó m c o

(Cl-SOjH) o ácidos s u l f o m c o s (R-SOgH), estos radicales son cam­

biadores de iones de alta capacidad y pueden substituir el ion hi ­

drógeno por los iones sodio, calcio, magnesio u otros cationes.

24

Figura 4 , Filtro.

25

Los radicales que tienen mayor poder de írtercanoio l o m e o son los

s u l f o m c o s cuando operan directamente p a _a substituir los iones hi­

drógeno por los iones divalentes o trivalentes

Estas resinas pueden regenerarse cuando se han agotado su poder

cambiador mediante soluciones acidas minerales tales como HCl.

La operación de estas resinas se efectúa por simple percloración

hasta un límite en el cual ya no se efectual el ablandamiento efi­

caz, en cuyo caso deben regenerarse.

Las reacciones que se efectúan son:

2R-S03H + Ca + + --------- Ca (RS03 '2 r 2H+

2R-S0,H + Mg + + --------- Mg (RS03 >2 + 2 H 1'

2R-S03H + Na + --------- R-S03Na + h+

Reacciones de regeneración.

Ca (RS03 )2 + HCl ---------- 2 RS03H + CaCI2

Mg (RS03 )2 + HCl ---------- 2 RS03H + MgCl 2

R503 Na + HCl ----------- R-S03 + NaCI

Zeolitas orgánicas cambiadoras de a m o n e s .

Actualmente se han fabricado una serie de resinas sintéticas que

son cambiadoras de aniones capaces de combinarse con los a m o n e s

y aún de neutralizar los ácidos libres. Estas resinas contienen

grupos amígenos (-ÑU,,) o grupos básicos de amonio cuaternarios y

su capacidad cambiadora se debe a la disociación de las bases de

la resina a l k i l a m o m o CR-NH^-OH).

Estas resinas tienen la propiedad de fijar los a m o n e s en solución

alcalina o neutra.

26

(R es N) -OH - R-OH --------- (R es -N) - OR * H20

Se pueden regenerar estas zeolitas con soluciones diluidas de NaOH.

(R es N> - C1 + NaOH --------- (R es N) - OH + NaCI

También se pueden intercambiar silicatos.

2(R es - N) - OH + WuitOj -------- (R es - N)2 Si03 + 2 NaOH

El equipo que se emplea para la desmineralización del agua esta

constituido por un tanque ci 1 í n d n c o de láminas de acero recubierto

con hule o algún otro material resistente al ácido. En la parte

inferior tiene un fondo de lámina de acero perforada protegida,

también, contra el ataque de los ácidos y álcalis, por último se

encuentra un lecho de material inerte que pueae ser Carbón antra-

citico o material cerámico.

Con el objeto de tener unidad compacta para efectuar la desminera-

lización en un solo tanque se coloca una mezcla de un lecho de re­

sina cambiadora de cationes y un lecho de resina cambiadora de ani£

nes. El agua se introduce y por simple percolación Ic j cationes

del agua son substituidos por los iones hidrógeno de la resina ca-

t i ó m c a y los a m o n e s son reemplazados por los iones hidróxilos de

la resina am ón i c a . El producto final será la suma del agua ori­

ginal más el agua producida por la combinación de iones hidróxilo

e hidrógeno, obteniéndose asi el agua de alta pureza.

Cuando las resinas se han agotado, lo cual se observa cuando la conduc

tanciadel agua es menor de 300 000 ohms, se retrolava el lecho y la

diferencia de densidades produce una bien definida separación en

las dos capas, de resinas, con un estrato relativamente estrecho en

el que ocurre algo de mezcla, algunos tanques cuentan con mirillas

a través de las que el operador puede observar este fenómeno. Des­

pués de la separación se introducen las soluciones regeneradoras.

Las reacciones que se llegan a cabo son

27

Entonces se enjuaga el lecho y se mezclan las resinas mediante

inyección de aire al fondo del tanque.

El diagrama No. 5 ejemplifica lo antes expuesto.

euTe*J>A» r>c a*OÍ L V<VDG

f * 6 i U A TSt^K.T7VD.A»

tUT^Aj>^ SOSA. A W C A ¿ AJUliA.

e.'ES'MA-dV v E ^ O ^ - W ^ ? .

Fig. No. 5 Croquis diagramático de un desmineralizador de lecho mezclado

durante varias etapas de operación, retrolavado y regeneración.

roCO

29

CODIFICACION.

1 .- Operacion No rm al.

2.- Retrolavado, no'tese la estratificación de las resinas.

3.- Regeneración solución de sosa cáuscica al lecho a m ó n i c o se­

guida por solucion acida al lecho c a t i ó m c ó .

4.- Mezclado de lechos de resina para volver a operación normal.

30

Para la operación y funcionamiento de las celdas electrolíticas es

necesario el suministro de corriente continua a las rrrsmas. Antes

de mencionar la etapa de rectificación señal árenos brevemente los

tipos y características de la c o m e n t e eléctrica.

Entenderemos por corriente eléctrica o electricidad como el flujo

de electrones que se tiene a través de un conductor eléctrico, te­

niéndose dos tipos de la misma: La corriente alterna (C.A.) y la

corriente continua o directa (C.C. o C.D.).

Cuando la C.A. pasa por un circuito, la electricidad fluye primero

en una dirección, y después de un co-to intervalo ae tiempo, el

flujo se hace en la dirección opuesta. El número de cambios o in­

versiones por segundo es lo que be conoce como frecuencia. En un

circjito de C.A. con 60 ciclos c o m l e t o s por segundo o sea que un

foco se prenae 60 veces y 60 veces esta apagado, es decir 120 ca m­

bios. Durante cada ciclc, la corriente aumenta desde 0 nasia un

máximo en una dirección, después disminuye hasta 0 volviendo a au­

mentar hasta el mismo máximo pero en la otra dirección. La varia­

ción de corriente con respecto al tiempo se expresa gráficamente

como un sinusoide en el cual dos ondas sucesivas representan un

ciclo. Fig. No. 6

Por el contrario, en la C.C. se tiene todo el tiempo el mismo

signo, un foco que usa corriente directa, estará siempre prendido ya

que no se tiene ciclaje. Su representación esquemática se muestra

¿n la Fig. 7

Para entender de manera clara las consecuencias de la acción de la

corriente eléctrica sobre una solución, es indispensable hacer un

análisis de los casos más frecuentes que se dan en la realidad con

el fin de ubicar cada uno de los fenómenos en particular y consta­

tar, al mismo tiempo, que dicha acción va más allá de una simple dj_

I I I . 2 . RECTIFICACION DE CORRIENTE.

31

60 CICLOS x SEG EN MEXICO

FIO No 6 • — REPRESENTACION DE LA CORRIENTE ALTERNA

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALE S 1 Q 1 E

FI . ' 7 — REPRESENTACION DE LA CORRIENTE CONTINUA

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALE S I Q I E

33

sociación del sistena químico en cuestión, por efecto de la c o m e n

te. En estas condiciones existen dos casos de particular ínteres

que son:

a) Aplicación de C.D. a un potencial superior al de la solución.

b) Aplicación de C.A. (50-60 H ), en las mismas condiciones del

caso anterior.

a) En este caso, se supone que la solución va a recibir un voltaje

caoaz de disociar la solución electrolítica. Ahora bien, para

que en estas condiciones sea posible el flujo eléctrico en el

circuito, es necesario que la corriente "pase" por la solución,

lo que exige a la vez la presencia dentro de la solución, de e-

lementos portadores de ca^ga eléctrica llamados iones, es decir,

de verdaderos aceptores de electrones en el cátodo y donadores

de electrones en el ánodo, actuando simultáneamente, con la ca­

racterística de que el fenómeno de conducción eléctrica en estas

condiciones, da lugar a cambios fisicoquímicos en la solución ta

les como en concentración, pH, resistencia eléctrica, etc.

Sin embargo, aún cuando este fenómeno es casi instantáneo, en

realidad presenta una serie de etapas sucesivas que definen el

proceso en cuestión. Así pues, al aplacar el voltaje de C.D. en

las circunstancias propuestas:

- Los iones en solución, solvatados y las moléculas polares,

se orientan por atracción electrostática como consecuencia

de los potenciales adquiridos por los electrodos.

- Los iones, una vez orientados, se desplazan según sus velo­

cidades de difusión, dirigiéndose hacia los electrodos, de

acuerdo con las condiciones dadas.

- En la tercera etapa, se presentan dos fenómenos:

1. Por una parte, los iones rodean al electrodo con el fin

de i n te ra c c on a r con él, y

2. Por otra parte, como consecuencia de lo anterior:

34

2.1. Si la velocidad de difusión es nayor que la velocidad de ó-

xido-reducción en los electrodos, se manifiesta una acumula^

ción de cargas contrarias a la polaridad del electrodo, m o ­

dificando su potencial, fenómeno éste al que se denomina po

larización.

2.2. Pero en cambio, si la velocidad de difusión de los iones es

del orden de la velocidad con que éstos m t er ac c i on a n con

el electrodo, entonces simplemente se llevan a cabo los f e ­

nómenos de óxido-reducción.

- Finalmente, en la última etapa, tanto las especies reducidas

como las oxidadas tienden a separarse de la interfase, elec-

trodepositándose en el electrodo; desprendiéndose mecánicamen­

te de él; evolucionando como gases o reaccionando el electrodo

mismo provocando la corrosión.

B). Cuando el fenómeno descrito anteriormente se lleva a cabo con C.A.,

se presentan las mismas etapas o casi las mismas etapas del caso

anterior, dependiendo de la frecuencia de la corriente alterna uti^

1 izada.

Al aplicar, por ejemplo, corriente de la "línea de la calle", con una

frecuencia de 60 Hz, a una solución electrolítica, se manifiestan los

cuatro procesos del primer caso, con la única diferencia de que ahora

los productos obtenidos en los electrodos se hallan mezclados, pues en

ambos hay oxidación y reducción en forma alternada. V esto sucede aún

a frecuencias mayores, dejando de presentarse la etapa de separación a

medida que la frecuencia aumenta.

Resumiendo, los cambios de signo en la C.A. indican que al tratar de

hacerla pasar por una solución electrolítica, se tendrá el movimiento

de los iones en un sentido y después en sentido contrario trayendo c o ­

mo consecuencia que en los electrodos se observe un chisporroteo.

35

Efecto contrario se observa cuando se emplea C.D., al hacerla pasar por

un electrólito, los iones presentes se desolazarán siempre en un senta­

do ya que los electrodos no cambian de signo y se obtendrá una reduc­

ción en el cátodo, y una oxidación en el ánodo.

Le antes mencionado confirma y establece que en los fenómenos electroli^

ticos se deberá usar siempre C.D.

Como el uso de la C.A. es vasto y como >a se discutió que ésta no es el

tipo de corriente deseada para el funcionamiento ae una celda electrolí_

tica, entonces es necesario emplear un dispositivo que nos transforme

la C.A. en C.D., al elemento que realiza la función anterior se le cono

ce con el nombre de rectificador. Un rectificador de corriente consis­

te fundamentalmente de las siguientes partes:

- Transformador principal: El transformador es un medio sencillo pa­

ra cambia1" el valor de un voltaje alterno. Si un transformador re

cibe energía a bajo voltaje y la suministra a voltaje alto, se le

llama transformador elevador. Si el transformador recibe energía

a un voltaje dado y la suministra a un voltaje inferior, Se le lia

ma transformador reductor.

Un transformador consiste en dos bobinas arrolladas en un núcleo

de hierro. Se le da energía a una de las bobinas, llamada arrollia

miento primario, y es suministrada a la carga por el otro arrolla­

miento, llamado arrollamiento secundario. Como un transformador

no tiene partes móviles, requiere poca atención y sus gastos de

mantenimiento son reducidos.

- Elementos rectificadores de corriente compuesto por diodos de Si­

licio: la C.A. se puede convertir en C.D. mediante dispositivos e£

peciales llamados rectificadores, los cuales ofrecen una oposición

muy grande al flujo de corriente en una dirección y una oposición

muy pequeña al flujo de corriente en la dirección contraria. Por

lo tanto, cuando se aplica una onda sinusoidal a un rectificador,

éste dejará pasar una de las alternaciones, positiva o negativa,

seqún la forma en que se conecte el rectificador al circuito medí-

36

dor. En ningún caso pasarán ambas alternaciones. Por lo tanto,

un rect1ficador transforma una onda sinusoidal en una onda conti­

nua. 0 sea que, todos los rectificadores deben contar con una

trayectoria unidireccional para la corriente eléctrica; a ésto se

le llama conducción unilateral.

Los diodos dan conducción unilateral ya que la corriente puede pa­

sar en sólo una dirección. Particularmente, en la etapa de recti­

ficación de corriente para la producción de hidrógeno electrolíti­

co se ha encontrado que el uso de los diodos de silicio proporcio­

na resultados satisfactorios ya que suministra los voltajes propi­

cios para la operación eficiente de la celda electrolítica y los

cuales pueden oscilar entre 35 y 700 volts.

- Sistema de enfriamiento con aire: Como su nombre lo indica, la

función del sistema es la de suministrar el enfriamiento adecuado

a los equipos y dispositivos que forman parte de la etapa de rec­

tificación de corriente, así como la de disipar el calor generado

en los mismos, que surge como consecuencia del manejo de gran ca]i

tidad de energía eléctrica. El sistema esta conformado por venti

1 adores.

La corriente continua transformada en este rectificador es conducida a

las celdas electrolíticas mediante soleras de cobre llamadas comúnmen­

te barreras de distribución o bus, como se muestra 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 NACIONALE s 1 a 1 E

38

a) DESCRIPCION DE; té CELDA ELECTROLITICA.

Michael Faraday dio el nombre de electrólito al sistema líquido que

es buen conductor de la corriente eléctrica, actualmente se aplica

esLe nombre a la substancia disuelta. Llamó electrodos a los con­

ductores metálicos en contacto con la solución, que al aalicarle la

corriente electrica la conduce.

Al sistema formado por el recipiente que contiene la solución y los

electrodos, se le llama CUBA 0 CELDA ELECTROLITICA.

Las primeras celdas electrolíticas fueron llamadas tipo tanque con

un arreglo de electrodos unipolar como se ilustra esquemáticamente

en la Fig. No. 9. La primera denominación se refiere a la forma

típica del recipiente o de la propia celda. Cualquier electrodo

sin considerar el núpero de los mismos en la celda, realiza solamen

te una función, éste se comporta en forma única como ánodo o como

cátodo, de aquí su característica unipolar. Todos los ánodos se co

nectan juntos en paralelo así como también los cátodos.

Otra clase de celdas, las cuales fueron desarrolladas a principios de

siglo, se caracterizan por un arreglo bipolar, con un ensamble del t i ­

po filtro-prensa como se muestra en la Fig. No. 10. En este sistema

los electrodos transfieren la corriente de uno a el siguiente en la se

ríe. De acuerdo a lo visto, el arreglo unipolar requiere muchas cone­

xiones con el circuito externo como son los electrodos en paralelo; en

las celdas electrolíticas del tipo bipolar los electrodos están conec­

tados directamente con el positivo y el negativo de la barra guía por

medio de dos electrodos terminales.

El campo eléctrico por consiguiente aplicado a través del sistema obli

ga a los cationes a migrar dentro del espacio entre dos electrodos en

la dirección de la terminal negativa y a los a m o n e s a desplazarse a

la terminal positiva.

Los dos extremos metálicos de cualquier electrodo pueden asumirse como

equipotenciales, sin embargo la caida óhrrnca a través del pequeño espe

sor de la placa es insignificante.

I I I . 3 . E_EC' ROl IS I S .

39

FIG N o 9 - A R R E G L O DE UNA CELDA UNIPOLAR

INSTI TUTO POLITECNICO NACIONAL

E 51 Q I E

CABEZAL DE H0 CABEZAL DE 02

FI G No 1 0 - A R R E Ú L Q TIPICO DE UNA CELDA BIPOLAR

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

E 5 I G I E

41

La superficie metálica sobre la cual se descarga el hidrógeno llega a

ser catódica, por lo cual la o^ra superficie llega a ser anódica y la

descarga de oxígeno toma lugar en esta. De la manera anterior, cual­

quier electrodo lleva a cabo una función bipolar, ae aquí la denomina­

ción propia de la celda.

En todas las celdas modernas, trátese del tipo unipolar o del tipo b i ­

polar, cualquier superficie anódica es separada de la superficie cató­

dica del siguiente electrodo por medio de un diafragma poroso elabora­

do usualmente de tela de asbesto con el cual se preveé la mezcla de!

hidrógeno con el oxígeno.

>.n el dispositivo unipolar, que es el más usado en galvanoplastia la

corriente que fluye en cada celda depende simplemente de la resisten­

cia total del circuito existente en esa celda siempre y cuando el po­

tencial en los electrodos permanezca constante, la corriente en una

celda dada es independiente de las otras celdas que se encuentran en

paralelo.

¿n el caso de un sistema bipolar, la corriente no pasará a menos que

los ánodos de una celda estén conectados a los cátodos de la próxima

celda, y solamente el primer ánodo y el último cátodo,testarán conec­

tados a la fuente de corriente continua. La misma corriente fluye a

través de todas las celdas y el valor de esta corriente está determina

do por la suma de las resistencias.

Los mismos principios mencionados anteriormente se aplican al arreglo

o disposición de las fuentes, tales como generadores, rectificadores,

o acumuladores, ya sea en serie o en paralelo. En esos casos, los po­

tenciales se suman si estuvieran conectados en serie, en tanto que las

capacidades de las corrientes son las que se suman en el caso de cone­

xión en paralelo.

42

La densidad de corriente peimisible en celdas unipolares raras ocasio-9

nes excede los 700 Amps.'m , en cambio en celdas bipolares incluso pue2

de ser mayor de 1500 Amps./m . Los ensambles unipolares requieren,

por unidad de capacidad de producción, mucho mayor espacio que la cons

trucción bipola-. Por lo tanto, en todas las plantas modernas con al­

tas capacidades, tales como las requeridas para la producción de amonj^

acó y fertilizantes se prefiere la celda tipo bipolar.

Con respecto a las ventajas y desventajas de las celdas monopola-es y

bipolares, éstas se resumen en la tabla No. 1, Las ventajas de una

celda unipolar pueden reducirse a el hecho de que es un simple tanque,

rugoso, tiene pocas partes, y por lo tanto es fácil su construcción y

mantenimiento. Las desventajas pueden ser resumidas en una declara­

ción simple, su relativo alto voltaje comparado al de las celdas bipo­

lares. El alto voltaje mencionado es el resultado de los caminos pro­

longados de corriente de las terminales por encima del tanque de la

celda a los electrodos, y del gran vacio nue existe entre los mismos.

Las ventajas de una celda bipolar esencialmente determinan la mayor

desventaja de una celda unipolar. Las celdas bipolares se advierten

por su relativo bajo voltaje por unidad de celda, trayendo como conse­

cuencia un bajo poder de consumos por unidad de gas producido, y una

constante densidad de corriente alta. Los bajos voltajes producidos

en este tipo de celda son debido únicamente a senderos muy cortos de

corriente en los electrodos, y a la facilidad con la cual se logra li­

mitar o estrechar el vacio entre electrodos. Las desventajas de la

celda son debido a la relativa complejidad del sistema, la precisión

de las partes maquinadas, numerosas juntas o empaques, bombas y fil­

tros, y unas complejas técnicas de fabricación y mantenimiento.

Los resultados a través de la historia de las ventajas y desventajas

antes mencionadas hicieron que todas las celdas electrolíticas primi­

tivas fueran de la variedad del tanque simple. Sin embargo, como en

años recientes se han incrementado los costos en general y las moder­

nas tecnologías tienden también a su desarrollo en detrimento de los

43

costos mismos, particularmente las tecnologías del plástico, las celdas

bipolares están reemplazando paulatinamente a la mayoría de las celdas

unipolares. Todas las celdas comerciales son añora del tipo bipolar y

usan para su construcción acero, acero inoxidable, con ánodos y cátodos

que pueden ser de níquel en KOH del 25-35 ' y operan en un rango de

temperaturd de 50-90 °C. El hidrógeno electrolítico es generado con2

una densidad de corriente de 100-300 mA/cm a un voltaje de celda de

1.9-2.2 Volts. Lo anterior corresponde a una eficiencia total de ener­

gía del 70-80 % ...

TABLA No. 1

COMPARACION DE CELDAS UNIPOLARES Y BIPOLARES HIDROGENO-OXIGENO

UNIPOLAR

VENTAJAS

- Diseño simple.

- Partes relativamente baratas.- Técnicas simples de fabricación- Pocas superficies empacadas.- Celdas individuales para su fá­

cil chequeo.- Celdas separadas para su mante­

nimiento.- Interrupción mínima a la produc

ción por problemas de m a n t e m - - miento.

- No requiere de bombas o filtros.- Circulación ascendente interna

de gas.

BIPOLAR

- Bajos voltajes por unidad de celda.

- Altas densidades de corriente.- Gran reducción de la barrera

de distribución entre celdas.- Costos del rectificador más

fáci1 de optimizar.- Puede operar realmente a altas

presiones y temperaturas.- La presión de operación elimi­

na compresores.- Requiere menos partes de re pu­

esto.- La producción en masa de c e l ­

das de componentes plásticos puede resultar en bajos cos­tos de capí t a l .

- Potencial para operar a densi­dades de corriente muy altas.

44

DESVENTAJAS

- Dificultad para lograr espacios entre electrodos.

- Barra de distribución de gran peso entre celdas.

- Presiones y temperaturas de la celda limitadas por el diseño mecánico.

- Cualquier celda requiere la a- tención de un operador para su­pervisar la temperatura, nivel del electrólito y pureza del g a s .

- Acumulación dentro de la celda de sedimentos y productos de corrosión.

* El término electrolizador incluye la celda electrolítica y el enfria

dor-condensador.

De acuerdo al resultado obtenido por una investigación hecha en las d i ­

versas industrias dedicadas a la producción de hidrógeno electrolítico

instaladas en México, éste nos mostró que la celda de mayor uso en el

país es la conocida como la celda Stuart, denominación tomada en honor

de su inventor A. Th. Stuart.

Una celda Stuart consta generalmente de un tanque de acero con bajo con

tenido de carbón, de forma rectangular y totalmente sellado. El inte­

rior del tanque lleva depositada una capa de níquel de un espesor apro­

ximado de 0.05 mm. y que tiene como función la de proporcionarle una

protección adicional contra la corrosión y a la vez asegurarle una lar­

ga vida de operación.

La celda descansa sobre cuatro empaques de asbesto y éstos se montan so

bre aisladores de porcelana los que en conjunto evitarán el oscilamien-

to de la celda y amortiguarán cualquier tipo de esfuerzo a la que sea

sometida la misma. Placas de acero deben ser instaladas entre el empa­

que de asbesto colocado sobre el aislador de porcelana y la parte infe­

rior del tanque para distribuir el peso de la celda.

- Sofisticada fabricación y re­querimiento de técnicas de di seño.

- Corrientes parásitas por baja ja eficiencia de corriente.

- necesidad de bombeo externo, filtración, y enfriamiento.

- Prolongada interrupción de la producción por problemas de mantenimiento.

- Para reparar una celda unita­ria es necesario desmantelar el electrolizador* por comple to. ~

45

Es necesario mantener una temperatura de operacion en el interior de la

celda dentro de un rango de 60-70 °C para evitar una sobrepresión, para

mantener la temperatura deseada el tanque cuenta con una chaqueta loca­

lizada en su parte frontal a la que se le suministra agua de enfriamien

to.

La celda Stuart, tiene también medios por los cuales colecta los gases

Hg y 0^ que se están generando, los que consisten de pequeñas cámaras

de recolección. Así mismo, se tienen previstas dos tuberías de venteo,

una conectada al compartimiento de H,, y la otra al compartimiento de 0^

a través de los que podrá ser aliviada cualquier presión interna excesi

va generada por el bloqueo de las cámaras colectoras de los gases de la

celda. El extremo más bajo de cada tubo de venteo cae abajo del nivel

del electrólito. Tanto las cámaras colectoras, así como los tubos de

venteo están soportados por la cubierta o tapa de la celda, la que ti e­

ne como medida de protección un recubrimiento de níquel.

Conforme transcurre la electrólisis, existe cierta pérdida de electróli_

to que se traduce en una baja del nivel del mismo. Lo anterior puede

traer como consecuencia que en los tubos de venteo haya escape de gas

o que la celda tienda a aumentar su temperatura. Dentro del sistema

electrolítico se debe tener previso un depósito de potasa caustica,

con la finalidad de alimentar a la celda cuando su nivel descienda por

debajo de un punto ya establecido. Para suministrar el electrólito n e ­

cesario desde el depósito correspondiente a la celda, se recomienda u-

sar solamente conexiones de hierro maleable, acero forjado, hule o t u ­

bos de plástico flexible, en ningún caso se debe emplear cobre, bronce

o tubería galvanizada con el fin de evitar el ataque químico de la p o ­

tasa caústica sobre éstos materiales.

Con respecto al agua desrrnneralizada, ésta se toma del recipiente res­

pectivo y se agrega al sistema en forma automática controlándose el n i ­

vel dentro del tanque mediante un flotador. Si la celda es alimentada

en exceso de líquido, este puede extraerse por sifón desde 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, a- demás tiene las ventajas adicionales de ser pasivado fácilmente, así como la de poder resistir el ataque químico del oxígeno. Consecuente­mente, el acero recubierto de níquel se usa umversalmente para ésta apiicación.

Los cátodos pueden ser tratados especialmente para crear una mayor su­perficie activa y disminuir el sobrevoltaje del hidrógeno. El efecto anterior se puede lograr mediante el empleo de cátodos de fierro e in­cluso 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 oxí­geno producido a la cámara recolectora correspondiente soportada con­venientemente por la cubierta de la celda. El hidrógeno generado as­ciende 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 fá­cilmente.

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 trabajan­do 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 presentarseen 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 me­dio conductor.

Durante el paso de la co'riente por cualquier celda electrolítica pue­den determinarse los potenciales de electrodo. Nernst propuso la teo­ría de que la magnitud del potencial de un electrodo es función de la presión de disolución electrolítica del metal y de la presión osmóti­ca 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 ten­dencia de la corriente a circular del punto de potencial más elevado al de potencial más bajo.

Los potenciales de electrodo deducidos termodinámicamente son apli­cables a pilas en condiciones de reversibilidad y por lo tanto, única-

48

Cuando a tiavés de la sepai ación entre un electrodo y una disolu­ción circula una corriente intensa, la diferencia de potencial en­tre una y otra difiere del valor de equilibrio y a la diferencia en­tre estos dos valores se le da el nombre de polarización

mente valdran pa>'a corrientes débales.

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 electro­dos se producen reacciones químicas en el curso de las cuales la su­perficie 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 e- vaporar 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 espe­cífica "k" se debe aumentar, aúnen.ando la concentración del electro­lito o aumentando la temperatura del mismo. La intensidad de corrien­te aumentada se logra, 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, provocan­do 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

P O L A R I Z A C I O N Q U I M I C A

P O L A R I Z A C I O N P OR

C O N C E N T R A C I O N

FIG 11. b

P O L A R I Z A C I O N POR R E S I S T E N C I A

PEL I CULA E N LA / I N T E R F A S E

S E N O D E L

E L E C T R O L I T O

FIG.12 b

F O R M A C I O N D E P E L I C U L A

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 por lo tanto no logran reducir las cargas deiones H‘ ahí presentes. La descarga de un ion en el cátodo tendería areducir 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 com­pensado por la difusión de los iones de la masa del electrolito a lazona que rodea el cátodo. Mediante agitación mecánica se logra dismi­nuir el espesor de la película de iones H! formados en la interfase, con este método se considera que el valor de la polarización por con­centración es igual a cero. En cuanto al ánodo, son válidas las cons'j_ deraciones anteriores, pero el potencial de electrodo acentúa su valo- positivo.

En la práctica industrial, las polarizaciones pueden ser consideradas como resistencias ohmica que forman parte del circuito, si éstas lle­gan 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 tra­yendo 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 nor­mal 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 super­ficie del electrodo, en las superficies rugosas o esponjosas el sobre- voltaje suele ser menor, la pureza del electrodo, el tiempo de la elec­trólisis 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 re­lacionados con éstos, a fin de mantener los sobrevoltajes tan bajos co­mo sea posible.

Para diversos materiales de electrodos pueden precisar sobrevoltajes dj_ ferentes y podrá regularse el proceso electródico seleccionando adecua­damente 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 pro­ceso electrólito, tales como: unidades eléctricas, leyes de Faraday , disociación electrolítica, etc.

53

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, pe­ro la posibilidad de producirse cualquier cambio se halla exclusiva­mente 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 co­rriente 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 kilogramo2le 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 inten­sidad 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

UNIDADES ELECTRICAS

54

intensidad de la corriente total que fluye por un conductor, dividi­da por el área de su sección recta. Las unidades que más frecuente­mente se emplean en electroquímica son Ampere por pie cuadrado o Ampere por decímetro cuadrado.

La cantidad de electricidad (Q) se define como la eléctncidad pre­sente en una carga eléctrica o la eléctricidad que circula por un circuito que sea asiento de una corriente durante un tiempo deter­minado. Su unidad es el Coulomb (C) o Ampere-Segundo. En la ac­tualidad el Coulomb es la cantidad de eléctncidad transportada en un segundo a través de cualquier sección de un circuito por una co­rriente de un Ampere de intensidad.

La resistencia eléctrica (R) es la cantidad análoga al rozamiento, característica de un conductor, que determina la diferencia de po­tencial 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 potencialen un conductor y la densidad de corriente en él creada; también esla 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 el ohm x cm.

La conductancia eléctrica, es la capacidad de conducir la corrienteeléctrica ya sea de un conductor o de una solución, y es el recipro­co de la resistencia eléctrica, siendo su unidad el mho.

La conductancia electrolítica se refiere a la capacidad de las solu­ciones 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 con­centración específica sin tomar en cuenta el volumen. Esta conduc­tancia 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 solu- cióntien 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

Donde-Conductancia 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 con­ducir la corriente eléctrica, pero a una dilución infinita, con un gra­do de ionización máximo. Esto es:

A r ^ (L a + L c >

Donde:oí - girado de ionización.1. y Le = Conductividad iónica del anión y del catión A 2en • 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 cuan­titativas entre la cantidad de electricidad que pasa a -ravés de una solución y la cantidad de materia liberada o precipitada en ca­da 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, se obtenían:

1,007 gr. de hidrógeno en el cátodo.35,457 gr. de cloro en el ánodo.

Estos pesos representan un equivalente gramo de estos elementos quees igual a la masa atómica del elemento dividida entre su valencia.Cuando la solución contería iones Ag+ en el cátodo (-) se deposi­taba 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 deposi­tan 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 pro­porcional 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 de­posita 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 químico96494 Amp x seg. 96494 Amp. x seg.

Donde. 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 comoS + 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 con­secuencia 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 ele (ganancia de eléctrones).iones Ag+ reciben los electrones que necesitan para su reducción,

2 Ag+ * 2¡ 2 Ag“s acuoso 3

Y que no son, sino los que cede el Cu° en el momento mismo de oxi­darse.

La teoría de obtención del hidrógeno gas eri el interior de la cel­da electrolítica que se muestra en el diagrama es la siguiente:

59

Como el agua pura es muy poca conductora de la corriente eléctri­ca, 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

Electrólitos Solución Fómul a Conductividad % de ionización

- 8

ácido clorhídrico HClácido nítrico

r¡ ácido sulfúrico ácido acético

HNO3H2SO4CH3-CCOH

excelente excelente excelenLe débil

9090901.3

hidróxido de sodio NaOH excelentehidroxido <fe pctasio KOH excelentehidróxido ce aitnio NH4OH débil

90901.3

cloruro de sodio NaCI nitrato de potasio KNO3 sulfato de cobre CUSO4

buenabuenaregular

858540

AGUA H2O muy débil 0 . 0 0 0 0 1

W¡ü

alcohol azúcar glicerina

CH3-CH2-OHCli2H2 2 0llC3H5(0H)3

no la conduce no la conduce no la conduce

La reacción química se representa por medio de la ecuación iónica co­mo 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 re­genera 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 re­pulsión 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 car­ga 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 e- llos. 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 és­tos 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 eléctri­ca, 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 oríllen­te, 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, dando como resultado átomos neutros de hidrógeno, los cua­les se combinan para formar hidrógeno gas que escapa por uno de loscabezales de la celda electrolítica. La reacción mencionada es-

H+ + le ---------- H°H+ + le ---------- H°

así; H° + H° ---------- H2 gas

Lo que se esta obteniendo en este electrodo negativo o cátodo es hi­drógeno molécular (H2) e iones oxidrilo, como se muestra en la si­guiente 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 acumu­larse cerca del cátodo debido a la atracción electrostácica de los iones potasio (K+), los cuales evitan su migración hacia el polo po­sitivo o ánodo, logrando que los iones potasio reaccionen inmediata­mente 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 oxi­drilos 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.

20H20H

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 ga­seoso de una alta pureza.

Todo esto se muestra en las siguientes reacciones.

40H~ 40H° + 4edonde: 401,° 20H° + 20H°y así 20H° = 2H0° -------- 2H20 + 02 gas

Observese que este par de electrones que se están cediendo pasan del electrodo positivo hacia el negativo, de ahí que e’paso de la corri­ente eléctrica sea un ciclo cerrado.

Lo expuesto anteriormente se ilustra en las Figs. No. 14 y 15 .

El proceso „otal de la conducción en este sistema se resume en variasetapas:

1. Un par de electrones son introducidos en el cátodo.2. Un electrón pasa del cátodo a un ion potasio reduciéndolo.3. El otro electrón pasa 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, convirtiéndo­se en átomo de oxígeno y después en molécula de oxígeno gaseoso.

6 . Un electrón se dirige desde el ánodo hacia el rectificador de co­rriente directa.

La electrólisis se observa en la Fig. No. 16

64

(Reducción)-*-» DE

C A T O D O -® C-D-SUMINISTRO

D E

A N O D O ( O x i d a c i ó n )

Fig. No. 14. Movimiento de iones positivos cationes y negativos anio'nes.

65

S U M I N I S T R O

Fig. No. 15. Generación de H,r y 02 gases y regeneración de KOH.

66

S U M I N I S T R O

Fig. No. 16. Electrólisis del agua.

67

CONCLUSIONES DE LAS REACCIONES

KOH -------- K + OHaq

Cátodo 2H,0 2H+ + 20H*¿ k +0H"

2H+ + 2e" -------- 2H°2H° — ..... H„

Anodo 20H -..... --- 20H° + 2e0H° + OH0 -------- H20 + 1/2 02

Reacción total H90 H„ + 1/2 09¿ C.D. ¿ ¿

electrólitoLa 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:

Presión de Operación Temperatura de Operación Electrólito

2Densidad de Corriente, A/m Voltaje en Celda, V:

Eficiencia de Corriente, %:Pureza del Oxígeno, %Pureza del Hidrógeno, %Consumo de Potencia,DC-KWH/m" H, normal

3NOTA: Corriente requerida para 1 m normal

TANQUE MONOPOLAR

Ai.nosférica 70°C

KOH al 28 %13401.90

>99.999.799.9

4.9

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 ope­ración. El funcionamiento de este sello de agua se basa en el prin­cipio 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 hidróge­no y oxígeno entran al sello de agua, ésta se opone con un empuje e- quivalente 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 at­mósfera por medio de una válvula de compuerta que esta' abierta. Encuanto al gas mdrógenq, éste se envía directamente al gasómetro através de una válvula de compuerta, como se muestra en la Fig. 3 .

Las válvulas que se Utilizan, también tienen la función de aliviar cualquier exces'va presión interna en la celda electrolítica, gene­rada por el bloque de la salida de los gases de ésta, lo que causa­ría 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 her­méticamente que se encuentra dentro del an erio» en forma invertida oara formai un cie're hidráulico y de esta manera evitar posibles fu­gas del Hidrógeno a la atmósfera. Lo que está ocurriendo es que cuando el hidrógeno entra al recioiente invertido se almacena por unos ins­tantes en él y lo empuja hacia arriba, pero en ese mismo instante hi­drógeno 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 re­cipiente 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 inter­media. y debido a los efectos de compresión el gas incrementa su temperatura, por lo cual es enfriado por medio de sistemas de enfria­miento o intercambiadores de calor de agua a contracorriente del ipo de tubos y coraza, y de serpen'n. Con esta medida el como, esor traba ja con una mayor eficiencia. En seguida se vuelve a comprimir el h - drógeno gas en cada una de las etapas subsecuentes, aue tambiénruen ,ancon sus respectivos enfriadores, hasta una presión enere los 150 y 160

2kg/cm aproximadamente, b) SECADO Y FILTRADO.Al hidrógeno gas comprimido y enfriado se le elimina la humedad y pol­vos 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 válvu­la 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 repulsión entre sus moléculas, por lo LantO, si se hace que un gas comprimido cambie de velocidad bruscamente es decir, sufra una peque­ña 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 hu­medad 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 elimina­ción „otal de la humedad. Los secadores de alúmina consisten básica­mente de dos recipientes de acero interconcec.ados paralelamente y provis os de un calentador eléctrico para la "egene~acion de la alú­mina.

Este proceso de deshidratación de hid’ógeno gas, se efectúa hacién­dolo 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 estruc­tura 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, pa­ra lo cual se tiene previsto el sistema de regeneración que consis­te en hacer circular nitrógeno caliente en sentido inverso al flujo de hidrógeno gas. Se desprende toda la humedad retenida por la alú­mina 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 alma­cenamiento previsto para su distribución.

73

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 comer­cialización del hidrógeno en estado líouido.

Los recipientes que se utilizan para el manejo de hidrógeno en es­tado líquido son tanques y en estado gaseoso se utilizan cilin­dros, bancos de cilindros estacionarios y plataformas de cilindros móvi1 es.

a) TANQUES.

Para el manejo de hidrógeno líquido se utilizan termos y tanques es­peciales, 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 esta­cionarios en capacidades de 1,500 hasta 20,000 galones. Los reci­pientes son fabricados de 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 Asocia-

tión), 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 códi­go 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.

III.5. ALMACEIvAMIETO.

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 orificioroscado en la parLe superior para recibir una válvula u otra cortexionapropiada para el llenado o vaciado, la cual debe disponer de su rosca correspondiente. Por el exterior de esta válvula o conexión, tiene una capucha, también roscada en la parte superior externa del ci­lindro, 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 propor­cionar al cilindro la oportunidad de liberar la presión interna en caso de que éste accidentalmente eleve su temperatura y por secuen­cia su presión. Al igual que los tanques, los cilindros también son fabricados de acuerdo a los códigos y especificaciones: ASME (Ameri­can 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 Trans­portation) .

Respecto a los cilindros DOT 3A, éstos son fabricados con acero al carbón sin costura y se utilizan para presiones de servicio superio­res a 10.56 kg/cm2 (150 lb/pulg') y hasta 1056.85 kg/cm‘ (15,000

plb/pulg ). Pero en cuanto a los cilindros DOT 3AA, é= os son fabri­cados 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 fabri­cación y posteriormente cada 5 años son probados 1.66 veces la pre­sión de servicio según establecen las normas DOT.

La CGA y la ANSI han adoptado una dimensión standard de 0.825 pulga­das 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 2La 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 cua­les en ambos extremos terminan en forma cónica con un orificio rosca do que permite su interconexión mediante tuberías o bien la instala­ción de válvulas de seguridad, discos de ruptura o conexiones al ser vicio del cliente o la instrumentación necesaria, según sea requeri­da.

Las dimensiones y número de cilindros varían según las necesidadesdel cliente y de las capacidades del equipo de distribución más usua

yles, 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 e- llos 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 estaciona­rios. La capacidad usual de estas plataformas de 126,000 pies

2cúbicos standar, a una presión de 2640 lb/pulg 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, cone­xión 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 cilin­dros, así como su identificación.

79

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 loca­lizada, 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 F e Fe++J- 2e

CELDAS GALVANICAS:Corrosión producida cuando se unen 2 metales con gran diferencia de potencial (elementos con diferente posición en la serie electromo­triz tabla 1) Ejemplo: Fe - Cu en contacto con una pequeña canti­dad de electrólito que funcione como conductor.Este tipo de corrosión es debido a la formación de pares galvánicos.

IV. CORROSION.

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 PICADURA-La oicadira es una forma electroquímica de ataque en la que el meca n'S'o básico implica la intervención de celdas galvánicas o de con­centración 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 ace­ro 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 condicio­nes 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"

I O N E S ■<+)( - ) A R E R M E T A L I C A N E G A T I V A (+) A R E A M E T A L I C A POSITIVA e' E L E C T R O N E S I O N E S ( E L E C T R O L I T O . )

A N O D O(->

OXIDA C I O N '

- F L U J O D E C O R R I E N T E 1 E N E L C O N D U C T O R

~^(1)

C A T O D Oc+)

E L E C T R O L I T O

R E D U C C I O N(1)F L U J O D E

I O N E S E N E L ELE C T R O L I T O ,

FIG. No. 19.C O N D I C I O N E S D E L A C O R R O S I O N .

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 superfi­ciales de tensión en conbinación con un medio corrosivo. Los es­fuerzos 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 es-

J;: vn en ángulo recto con la dirección del esfuerzo de ten-s ,:(

POR FATIGA:Se debe a la acción de un r.iedio corrosivo, en combinación con es­fuerzos variables, ocurre cuando un agente corrosivo ataca la su­pe '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 frá­giles 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 co­nocida como corrosión por tensión.

83

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 o- tra 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 conduc­ción eléctrica entre las dos regiones anteriores (flujo de electro­nes) ver Fig. 20 .

Las reacciones que se pueden llevar a cabo son:

4re ------ 4Fe++ + 8e

BASES DE LA CORROSION ELECTROQUIMICA.

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.

4Fe------4Fe------4Fe (OH)

302 + H2G

2 0 2 + 4H20

--------- 2 Fe 2 0 3 .H2 0

I ----- 4Fe(OH)22 Fe2 0 3 .H2 0 + 2 H 2 0

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 mate­rial 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 encuen­tran sujetos -a daños causados por los choques térmicos.

RECUBRIMIENTOS METALICOS:De Zn, Cu, Cr,..., etc. se logra la protección debido a que el re­cubrimiento metálico es más resistente al efecto del medio ambienteque el metal base.

RECUBRIMIENTOS CHAPEADOS DE ALTA CALIDAD:Se utilizan para mejorar la resistencia a la 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 ata­cada, 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 lu­gar 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. Esto se debe a las propieda des del mismo, tales como: 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. EsuO se debe a la pe­netración de H„an el metal.

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

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: losánodos 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 recubri­miento 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 ba­jando 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 mis­mo, así como recubrimientos orgánicos e inorgánicos (pinturas).

CORROSION EN EL PROCESO.

V. SEGURIDAD INDUSTRIAL.

La seguridad es el conjunto de actos encaminados al conocimiento delos riesgos y sus efectos con el fin de disminuir su posibilidad deocurrencia y prevenir la magnitud de sus consecuencias.

Debemos tener presente que en la obtención de un producto intervie­nen un equipo numano y una estructura. Los riesgos que gravitan sobre este conjunto indica las facetas de seguridades que necesita para protegerse de posibles daños principalmente del tipo físico-quí- micos 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 oxí­geno puro, con flama pálida, no luminosa y por lo tanto no visible.

Otra característica importante de conocer es la formación de mez­clas explosivas con el aire, presentando los siguientes límites de flamabindad del 4 %, esto indica que el hidrógeno entrará en igni­ción o explotará en el aire únicamente si la razón aire: hidrógeno tiene las proporc.ones correctas, comprendidas den ro del rango an­tes mencionado.

Los límites de ílamabilidad lo podemos representar en la gráfica de la Fig. No. 20

89

CONC.°/cH 2

__

TEMPERATURAFie. 2dEFECTOS DE LA TEMPERATURA SOBRE LOS LIMITES DE FLAMABILIDAD DEL HIDROGENO GAS EN EL AIRE.

90

Como podemos apreciar en la gráfica, señala esquenaticamente las á- reas en función de las variables indicadas, las cuales pueden resu]_ tar riesgosas. Por ejemplo el límite infe-ior es en general el va­lor 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 ge­nera 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, 6uC.

En el manejo de equipo o instalaciones de hidrógeno.

El personal que labore deberá utilizar el equipo mínimo de protec­ción 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 desarrnl1ar.

- 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 incen­dio 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 con­tra 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 po­sible 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 explo­sión.

- Deben existir señalamientos para información del personal, a-lusivos a los riesgos del hidrógeno tales como, "Peligro", "Hidrógeno", "NO fumar", etc

- El equipo se debe purgar con gas inerte ames de introducirlehidrógeno.

- 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 tempe­ratura para garantizar los rengos de operación.

92

- Todo equipo que contenga hidrógeno debe ser sellado incluyen­do drenajes para evitar que el gas entre a lugares no protegí dos.Los dispositivos de venteos oara hidrógeno y oxigeno, su des­carga debe realizarse sin peligro, se recomienda a una altura exierior del techo.

COIICLUSIOIIES

Mediante el presente trabajo se estudiaron algunas bases teóri­cas de la obtención de hidrógeno electrolítico, aplicadas a un proceso considerado eficiente. Se consideraron para el desa­rrollo del trabajo: Materia prima, Electrólito, Tipo de Celdajunto 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 ven­tajas 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 ope­ración.

En este caso en particular, se recomienda que para controlar este fenómeno en los electrodos e inferior de la celda, se de­ben utilizar recubrimientos metálicos.

Por último, en base a las propiedades del hidrógeno, principal­mente su nivel de explosividad y a la presión que es almacena­do, es importante cener presente que este gas debe ser maneja­do con mucho cuidado, de lo contrario se tendrán serias conse- cuenci as.

BIBLIOGRAFIA

- Enciclopedia Temática en color.Ramón García - Peí ayo y G'-oss Ediciones SoronsseMéxico, DJ., 1980 la. edición.

- Lecciones de Física.Alejandro Félix, Juan de Oyarzabal y Mario Velasco. C.E.C.S.A.México, D.F. 1980 14a. edición.

- Fundamentos de Fi sicoquímica.Marón y Prutton.Limusa.México, D.F. 1977 8a. edición.

- Química Inorgánica Moderna.María del Consuelo Alcántara Barbosa.ECLALSA.México, D.F. 1978

- Tesis Profesional No. 2207 Salvador Gómez Vázquez E.S.I.Q.I.E. I.P.N.México, D.F. 1976

- Enciclopedia de Química Industrial.Vol. 4 parte ITHORPE Edii..Labor.

- Comprehensive Treanse of Electrochermstry. Vol uiiien:1 The Double Layer.2 Elecurochemical Processing.3 Electrochemical Energy Conversión.4 Electrocheimcal material Sciencie. Editorial Plenum Press. 1981

Metcl Handbook.Volumen é surface Cleamng.Ninth Ediuon.

Enciclopedia of Chemical Tecnology Volumen 12 Kirck OthmerEditorial John Wiley y Sons 1978

Hid rógeno lonsVolumen One Hubert T.S. Britton Editorial Van Nostrand.