Obtencion De Hidrogeno

Obtención de hidrogeno:

Los gases industriales desempeñan funciones muy variadas y esenciales dentro de la economía mundial; algunos gases son materia prima para la manufactura de otros productos; particularmente en el caso del oxigeno, nitrógeno e hidrogeno. El nitrógeno conserva el sabor de alimentos empacados al reducir la acción química que causa que las grasas enlatadas se vuelvan rancias. Algunos gases son medicamentos esenciales, el oxigeno y el helio. Sin embargo, muchos de estos gases, sus líquidos y sus sólidos tienen una aplicación común al crear frío, al absorber calor durante la evaporación, al realizar trabajo ó al fundirse.

El hidrogeno ha sido durante mucho tiempo una materia prima gaseosa, importante para la industria química y el petróleo. El empleo mas importante del hidrogeno es la síntesis del amoniaco, la utilización del hidrogeno esta aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del petróleo como el rompimiento por hidrogeno (hydrocracking), y en el tratamiento con hidrogeno para eliminar el azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrogeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. Grandes cantidades de hidrogeno se emplean como combustibles de cohetes, en combinación con oxigeno ó fluor, y como propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear.

El hidrogeno (H2) tiene un peso molecular de 2,016, el gas tiene una densidad de 0,071gr/L a 0 ºC y 1 atm. El hidrogeno es la sustancia mas inflamable de todas las que se conocen, es mas soluble en disolvente orgánicos que en agua. La absorción del hidrogeno en le acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos químicos.

A temperaturas ordinarias el hidrogeno es una sustancia poco reactiva y aunque generalmente es diatómico, el hidrogeno molecular (H2) se disocia a altas temperaturas en átomos libres.

El hidrogeno se vende como gas ó liquido. El hidrogeno liquido es el mas rentable que el gaseoso.

Producción de hidrogeno:

El hidrogeno se deriva casi exclusivamente de los materiales carbonáceos, primordialmente en hidrocarburos, y/o del agua. Estos materiales se descomponen por medio de la aplicación de la energía, que puede ser eléctrica, química ó térmica.

Se pueden aplicar muy diversos métodos para preparar hidrogeno gaseoso y la elección del método depende de factores como la cantidad de hidrogeno deseado, la pureza requería y la disponibilidad y costo de la materia prima. Entre los métodos se encuentran:

1. La electrolisis del agua.

2. La reformación por vapor de los hidrocarburos.

3. La disociación térmica del gas natural.

Existen otros procesos menos utilizados como la oxidación parcial de hidrocarburos, el vapor-hierro del gas de agua y del gas pobre.

Método electrolítico:

El proceso produce hidrogeno de alta pureza y consiste en pasar corriente discontinua a través de una solución acuosa de un álcali, y asi se descompone el agua de acuerdo con la siguiente reacción.

2H2O(L) 2H2(g) + O2 ΔH reacción: 569 KS.

El voltaje o tensión teórica de descomposición para esta electrolisis de 1,23 voltios a temperatura ambiente, sin embargo, debido a la sobre tensión del hidrogeno sobre los electrodos y también la resistencia de la celda misma, con frecuencia se requieren potenciales de 2,0 a 2,25 voltios.

Una celda comercial típica que electroliza una solución de NaOH al 15% (hidróxido de sodio), emplea un cátodo de hierro y un ánodo de hierro recubierto de níquel, tiene un diafragma de asbesto que separa los compartimiento de los electrodos, y opera a temperatura entre 60 y 70 ºC. La mayor parte de los tipos de celdas producen alrededor de 56 litros (74,5 litros teóricos) de hidrogeno y la mitad de oxigeno.

El gas tiene cerca de 99,7% de pureza y es adecuado, inclusive, para hidrogenación de aceites comestibles.

Proceso de reformación de vapor hidrocarburo:

Este método consiste en la reacción catalítica de una mezcla de vapor e hidrocarburos a una temperatura elevada, para formar una mezcla de H2 y óxidos de carbono. Ocurren las siguientes reacciones generales:

CnHm + nH2O nCO + (m/2+n)H2………(1)

CO + H2O CO2 + H2……………………….(2)

Aunque las reacciones se muestran para el caso general en el que se alimente cualquier hidrocarburo, solo los hidrocarburos ligeros se han utilizado con éxito en la práctica comercial. El gas natural es el más común y el propano y butano (gas licuado de petróleo) se emplea con frecuencia. Con el empleo de uno catalizador adecuado nafta es también una materia prima empleada.

La primera reacción (1) es la de reformación, es sumamente exotérmica, y los moles de producto son más que los reactantes, por lo que la reacción se completa a altas temperaturas y baja presión normalmente se utiliza un exceso de vapor para evitar la formación de carbono y ayudar a forzar a la reacción para que se complete.

La segunda reacción (2) es la de sustitución de agua-gas. Es ligeramente exotérmica y se favorece por la baja temperatura, aunque no le afecta la presión. Un exceso de vapor también determina que la reacción se complete. A menudo se emplea un catalizador.

Las dos reacciones ocurren juntas en un horno de reformación de vapor a temperaturas entre 760 y 980 ºC. La composición del producto de vapor depende de la condición del proceso como: la temperatura, la presión y el vapor en exceso, los cuales determinan el equilibrio y la velocidad a través del lecho catalítico. El producto contiene aproximadamente 75% H2 8% de CO y 15% de CO2, el resto consiste en nitrógeno y metano (CH4) sin convertir.

Para la producción de H2 adicional, la reformación es seguida por una etapa separada de conversión con sustitución agua-gas.

Se agrega vapor y la temperatura se reduce entre 315 y 370 ºC para obtener condiciones de equilibrio favorables. En una sola etapa se convierte de 80% a 95% del CO residual a CO2 y H2.

Debido a que la reacción es exotérmica, la temperatura de l reactor aumenta; esto favorece la velocidad de reacción.

El proceso que se describe utiliza propano, ver figura 1, se detalla las siguientes secuencias:

1. Se vaporiza el propano por medio de vapor.

2. El vapor de propano se desulfuriza mediante el contacto con carbón activado para evitar la desactivación del catalizador.

3. El vapor de propano, libre de azufre, se mezcla con vapor es reformado en el reactor sobre un catalizador de níquel alrededor de 815ºC en tubos de aleación, dentro de un horno de combustión (para dar el calor necesario en esta reacción endotérmica). En esta etapa ya se obtiene H2, CO y CO2.

4. Para producir H2 adicional, los gases H2 CO y algo de CO2 se enfrían a 370 ºC por la adición de vapor, los gases se hacen pasar sobre un catalizador de oxido de hierro en el convertidor de CO a CO2, esta reacción se conoce como sustitución ó conversión agua gas.

5. Los gases se lavan con una solución de monoetanolamina en el absorbedor girbotol para extraer todo el CO2, en algunos casos se emplean mas etapas del paso 4 (convertidor de CO a CO2) y los gases son calentados y se pasan a través del convertidor de CO de la segunda etapa, también seguido por el absorbedor de CO2 de la segunda etapa.

La solución de monoetanolamina se regenera luego que cumpla su función por medio de vapor, ya que este extrae a CO2.

6. El gas H2 producto se enfría con agua a 38 ºC, sale, puro excepto por la

saturación con agua.

7. El H2 se purifica ya sea por proceso criogénico (enfriamiento) para condensar agua o por la adsorción de impurezas a través de un lecho.

Lecho de carbón activado Gases de Chimenea vapor

Conversión agua-gas

Vapor de agua H2

Alimentación CO

(Propano) CO2 Catalizador

(Azufré) C3H8 Oxido de Hierro

Punto de mezcla (815ºC) (370 ºC)

(Combustible) (Aire)

Desulfurado

H2, CO2

Purificación

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