Aplicaciones del hidrógeno El hidrógeno es una molécula muy importante que se emplea convencionalmente en un gran número de aplicaciones y usos en sectores tan diversos como la industria química, refino, metalúrgica, vidrio o electrónica, entre otros.
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Hidrógeno en la Industria Química.
El hidrógeno es un compuesto de gran interés para la industria química, participando en reacciones de adición en procesos de hidrogenación o como agente reductor en procesos de reducción. A continuación continuación se citan algunos de los procesos más importantes en los que participa:
1.
Síntesis de amoniaco: El amoniaco se obtiene por la reacción catalítica entre nitrógeno e hidrógeno.
N2 + 3H2
2NH3
2.
Proc Proces esos os de Refin Refiner ería ía:: Los Los proc proces esos os de hidr hidrog ogen enac ació ión n en refinería tienen como objetivo principal la obtención de fracciones ligeras de crudo a partir de fracciones pesadas, aumentando su contenido en hidrógeno y disminuyendo su peso molecular. De forma simultánea pueden eliminarse elementos indeseados como azufre, nitrógeno y metales.
3.
Tratam ratamien iento to de carbón carbón:: Median Mediante te el tratam tratamien iento to de carbó carbón n en presencia presencia de hidrógeno hidrógeno,, en diferentes diferentes condicion condiciones es de presión, presión, temperatura, pueden obtenerse productos líquidos y/o gaseosos media mediante nte difere diferente ntes s proces procesos os (hidro (hidrogen genaci ación, ón, hidrop hidropiro irolis lisis, is, y gasificación hidrogenante).
4.
Apro Aprove vech cha amien miento to del del Gas Gas de Sínt Síntes esis is:: La prod produc ucci ción ón de hidrógeno a partir de hidrocarburos conduce a una mezcla de gases gases forma formada da princi principal palmen mente te por hidróg hidrógeno eno y monóx monóxido ido de carbono. Esta mezcla de gases se denomina Gas de Síntesis debi debido do a su empl empleo eo en proc proces esos os de sínt síntes esis is de prod produc ucto tos s químicos especiales, como por ejemplo la síntesis de metanol,
síntesis Fisher-Tropsch, Fisher-Tropsch, hidroformilación de olefinas (síntesis oxo) y síntesis de metano y etileno, entre otras.
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5.
Síntesis orgánica: En química orgánica el hidrógeno participa en un gran número de procesos de hidrogenación o reducción para la obtención de productos químicos e intermedios.
6.
Síntesis inorgánica: El hidrógeno es imprescindible en procesos de impor importan tancia cia comerc comercial ial como como por ejempl ejemplo o la produc producció ción n de ácido clorhídrico, peróxido de hidrógeno, hidroxilaminas, etc.
Hidrógeno en la Industria Metalúrgica. En la indust industria ria siderú siderúrgi rgica, ca, el minera minerall de hierro hierro puede puede ser reduci reducido do emple empleand ando o coque coque o un gas que conten contenga ga hidróg hidrógeno eno,, monóx monóxido ido de carb carbon ono, o, o mezc mezcla las s de ésto éstos. s. Este Este gas gas redu reduct ctor or pued puede e obte obtene ners rse e mediante reformado con vapor de agua o oxidación parcial de combustib combustibles les fósiles. fósiles. Además, Además, en la industria industria metalúrgic metalúrgica, a, el hidrógeno hidrógeno se emplea como agente reductor y en procesos de producción de otros metales no-férricos (como por ejemplo cobre, níquel, cobalto, molibdeno, uranio, etc.).
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Otros usos. Además Además de los usos usos indust industria riales les del del hidróg hidrógeno eno menci menciona onados dos en los apartados anteriores, que son los de mayor volumen de utilización, cabe citar los siguientes:
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Combustible aeroespacial: Además de servir como suministro de energía para los ordenadores y sistemas de soporte en el espacio, obteniendo agua como “subproducto”. Llam lamas de alta lta tem tempera peratu tura ra:: La combust bustió ión n de una mezcla zcla estequiom estequiométrica étrica de hidrógeno hidrógeno y oxígeno oxígeno conduce conduce a temperatu temperaturas ras de llama comprendidas entre 3000 y 3500 K, las cuales pueden ser usadas para corte y soldadura en la industria del metal, crecimiento de cristales sintéticos, producción de cuarzo, etc. Plasma de hidrógeno: El elevado contenido calorífico de un plasma de hidrógeno puede ser utilizado en algunos procesos de producción. Procesamiento de metales: Es habitual añadir diferentes proporciones de hidr hidróg ógen eno o a las las corri corrien ente tes s gase gaseos osas as empl emplea eada das s en dife difere rent ntes es procesos de corte y soldadura, tratamientos superficiales (atomización) y tratamientos en atmósferas especiales (templado, sinterización, fusión, flotación de vidrio, etc.). Produc Producció ción n de semico semicondu nducto ctores res:: Para Para produc producir ir semico semicondu nducto ctores res dopado dopados s se depos deposita itan n en una matriz matriz de silici silicio o canti cantidad dades es traza traza de
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elementos (Si, As, Ge, etc.), en forma de hidruros, mezclados con una corriente de hidrógeno de elevada pureza. Tratamiento Tratamiento de agua: Los contenidos demasiado elevados de nitratos en aguas guas pota otables bles pueden eden ser redu reduci cid dos por desnit snitri rifi fica cac ción ión en birreactores, en los que las bacterias emplean el hidrógeno como fuente de energía. Otros Otros usos: usos: El hidr hidróg ógen eno o se empl emplea ea tam también bién para para aum aumenta entarr la temperatu temperatura ra de transición transición de aleacione aleaciones s supercond superconducto uctoras, ras, así como como gas porta portador dor y combus combustib tible le en cromat cromatogr ografí afía a gaseo gaseosa. sa. El hidróg hidrógeno eno líquid líquido o se usa como como refrig refrigera erante nte,, por por ejempl ejemplo o para para enfria enfriarr metal metales es superconductores a temperaturas inferiores a las de t ransición.
Usos energéticos del hidrógeno
El hidróg hidrógeno eno puede puede quema quemarse rse direct directame amente nte para para la gener generaci ación ón de elect electric ricida idad d mediante turbinas de gas y ciclos combinados o directamente como combustible de motores. Las principales ventajas de este compuesto se centran en las elevadas eficacias que pueden alcanzarse y en que el único producto de su combustión es vapor de agua, estando exento de NOx, si se controla la temperatura para inhibir la reac reacci ción ón entr entre e el nitr nitróg ógen eno o y el oxíg oxígen eno o atmo atmosf sfér éric icos os,, y de CO2, CO2, evit evitan ando do la contribución al calentamiento global.
3.1 Combustión directa La combustión del hidrógeno con oxígeno puro conduce a la formación de vapor de agua puro:
2H2 + O2 ---2H2O
El principal inconveniente de esta reacción es la alta temperatura desarrollada en la zona de la llama, superior a 3.000ºC, lo que acarrea problemas con los materiales de los equipos y por la generación de NOx, como se comentó previa previamen mente. te. Para Para solven solventar tarlos los puede puede recurr recurrirs irse e a la inyec inyecció ción n de agua agua adicional, lo que permite ajustar la temperatura del vapor al valor deseado, pudiendo obtenerse vapor saturado o sobrecalentado. Otra Otra altern alternati ativa va es recurr recurrir ir al empleo empleo de catali catalizad zadore ores s basad basados os en platin platino o (combustión catalítica), consiguiendo que la reacción tenga lugar a menores temperaturas, desde ambiente hasta 500 ºC.
Los gases de combusti combustión ón producid producidos os pueden pueden llevarse llevarse directament directamente e a una turbina de gas o a un ciclo combinado de turbina de vapor/turbina de gas para la generación de electricidad.
3.2 Combustible de Motores Una de las aplicaciones tradicionales del hidrógeno ha sido como combustible de cohetes y transbordadores espaciales. Los programas espaciales son los mayo mayore res s cons consum umid idor ores es de hidr hidróg ógen eno o líqu líquid ido, o, habi habien endo do adqu adquir irid ido o gran gran experiencia en su manejo que puede ser la base de futuros desarrollos en otros campos. Las Las inve invest stig igac acio ione nes s actu actual ales es se está están n cent centra rand ndo o tant tanto o en moto motore res s de combustión externa (motores Stirling) o interna para vehículos de transporte terrestre, aéreo y marítimo. Según describe la American Stirling Company (ASC), en los motores Stirling, el hidrógeno se utiliza como el gas de trabajo que se mueve de la parte fría a la caliente del cilindro sellado. El uso de hidrógeno en motores de combustión interna es un campo que está recibiendo cada vez más interés. El hidrógeno es un excelente combustible, haciendo que los motores basados en este gas sean un 20 % más eficaces que los que emplean gasolina. Esta clara diferencia se debe a las características del hidrógeno:
1.
Su elevada difusividad facilita la formación de mezclas combustible-aire mucho más homogéneas que con cualquier otro combustible.
2.
Su amplio intervalo de inflamabilidad (4-75%) hace que sea capaz de arder en mezclas pobres. Con ello se consigue una mayor facilidad de arranque (también relacionada con su baja energía de ignición), que la combustión sea más completa y una mejor economía del combustible. Además, la temperatura final de combustión es menor, minimizando la formación de óxidos de nitrógeno.
3.
Su alta temperatura temperatura de auto-ign auto-ignició ición n permite permite mayores mayores relacion relaciones es de comp compre resi sión ón en los los pist piston ones es,, prop propor orci cion onan ando do mayo mayore res s efic eficac acia ias s térmicas.
El princ principa ipall incon inconven venie iente nte del hidróg hidrógen eno o es su baja baja densid densidad ad energé energétic tica a volumétrica (energía/volumen) (energía/volumen) que lleva a la necesidad de grandes tanques de almacenamiento y a que la mezcla estequiométrica aire/combustible en los cilindros del motor tenga un menor contenido energético, produciéndose una pérdida de potencia. Este factor también limita el contenido en hidrógeno en
dicha dicha mezcl mezcla, a, no permit permitien iendo do que que ésta ésta sea demas demasiad iado o pobre. pobre. El uso de técnicas avanzadas de inyección del combustible o de hidrógeno líquido podría ser una mejora para estos problemas.
