MXPA01000035A - Mejoras en proceso de obtencion de hidrogeno. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema para la obtencion de gases por metodos electroliticos, en el que la tuberia que recibe el hidrogeno gaseoso desde el fondo de la instalacion donde se encuentran los electrodos, mantiene en su interior el gas hidrogeno o presion mayor que la presion atmosferica, y esta tuberia se conecta en su parte superior o salida, con una turbina y dicha turbina esta acoplada mecanicamente a un generador de energia electrica de corriente directa y dicho generador esta conectado electricamente a los electrodos que estan sumergidos en el mar. Ademas, el sistema tiene los medios necesarios para desconectar los electrodos de la fuente de corriente electrica externa y conectarlos al generador de energia electrica.

Description

MEJORAS EN PROCESO DE OBTENCIÓN DE HIDROGENO CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN La presente invención está relacionada de manera general con los procesos industriales de obtención de gases y más particularmente con los procesos para la obtención de gas hidrógeno por medios electrolíticos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Actualmente uno de los procesos de obtención de hidrógeno mediante electrólisis, consiste en la descomposición de agua dentro de un recipiente, mediante el paso de una corriente eléctrica unidireccional (corriente directa), usando un par de electrodos, y en algunas ocasiones utilizando una membrana entre los electrodos para evitar la mezcla de los gases obtenidos. Este proceso es ampliamente conocido y su principal desventaja es que el costo del proceso es alto, por el alto costo de la electricidad, además del fenómeno de la polarización que del alto grado de pureza.

Tomando en cuenta las desventajas del arte anterior, el inventor de la presente solicitud, efectuó una multiplicidad de estudios, pruebas y experimentos, que lo llevaron a proporcionar una mejora al proceso de obtención de gases por medios electrolíticos, novedosa, que a todas luces es de suma importancia en la parte de la ingeniería en donde queda comprendida la invención. Por todo lo anterior, el inventor de la presente solicitud, investigó varias alternativas de las cuales una se consideró como la más atractiva desde los puntos de vista técnico y económico, consistentes en una mejora al sistema de obtención de gases por métodos electrolíticos, que consiste en aplicar el mismo fenómeno de la electrólisis, es decir el paso de una corriente eléctrica directa a través de electrodos, que se encuentran sumergidos en el mar a una gran profundidad, es decir, a través de una solución de cloruro de sodio, bajo una gran presión. Al momento de descomponer el agua de mar por el paso de la corriente eléctrica, se forma hidrógeno gaseoso en forma de pequeñas burbujas; estas burbujas, por el principio denominado de Arquímedes, ejercen un empuje hacia arriba proporcional al volumen del líquido desalojado; estas burbujas se reciben en un tubo que puede ser abierto total o parcialmente en su parte inferior y que se extiende desde la ubicación de los electrodos hacia arriba hasta la superficie del mar, y que sirve para conducir estas burbujas hasta esta superficie; este gas obtenido sube por el tubo y al tener cerrado el tubo en la parte superior se obtiene una presión en el gas, ejercida por el agua desplazada por este mismo gas, y conforme acumula mas hidrógeno gaseoso, desplaza mayor volumen de agua de mar hacia abajo, aumentando la presión en el tubo; esta presión se aprovecha para generar movimiento ya sea de una turbina o de cualquier otra máquina conocida, que está acoplada mecánicamente a un generador de electricidad, de tal manera que se genera electricidad que servirá para alimentar a los electrodos que seguirán descomponiendo por electrólisis el agua de mar. Dicho generador de electricidad puede ser de corriente directa que puede aplicarse directamente a los electrodos, o puede ser de corriente alterna que posteriormente se rectifica para alimentarse a dichos electrodos. Un beneficio de este sistema es que entre los electrodos no se presenta el fenómeno de la polarización que pudiera disminuir la producción de hidrógeno, debido a que los electrodos están libres dentro de un medio abierto donde hay corriente de agua que cambia constantemente el agua bajo el efecto de la electrólisis. El principio en que se basa la mejora es que la cantidad del elemento que se obtiene por electrólisis (en este caso el hidrógeno) depende de la masa molar del elemento y de la cantidad de electricidad (Ampere-hora) que circula por el compuesto (en este caso el agua de mar), y no depende de la presión a la que está sujeto ei material a descomponer, de tal manera que si se descompone un material para obtener un gas a una determinada profundidad del mar estas pequeñas burbujas tienen la posibilidad de realizar un trabajo ya que sufren el empuje del agua y viajan hasta la superficie y mientras más profundo estén los electrodos, mas trabajo podrán desarrollar, La ventaja de este proceso es que con el aprovechamiento de la energía que se puede obtener del gas que sube a la superficie del mar, se puede disminuir el costo total de obtención de hidrógeno mediante electrólisis.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN Es objetivo principal de la presente invención, el de proporcionar un sistema mejorado para la obtención de gases por medio de electrólisis, de manera tal que el gas obtenido pueda realizar un trabajo mecánico capaz de ser transformado en energía eléctrica que se retroalimenta al dispositivo electrolítico, aumentando la eficiencia del sistema y produciendo un ahorro en los costos de operación del proceso.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para una mejor comprensión de la presente invención, se describe con base en cinco modalidades preferidas que se ilustran en los dibujos anexos, y en los cuales: La figura 1, es un diagrama convencional de la primera modalidad de la presente invención y donde se muestran los componentes principales del sistema. La figura 1 B, es un diagrama convencional de la segunda modalidad de la presente invención.

La figura 1 C, es un diagrama convencional de la tercera modalidad de la presente invención.

La figura 2, es un diagrama convencional de la cuarta modalidad de la presente invención.

La figura 3, es un diagrama convencional de la quinta modalidad de la presente invención.

La figura 4, es un diagrama convencional de la sexta modalidad de la presente invención.

La figura 5, es un diagrama convencional de la séptima modalidad de la presente invención.

MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN MODALIDAD I En referencia a la figura 1 , el proceso se inicia de la siguiente forma: la fuente de energía 8 es utilizada temporalmente para el arranque del proceso, y puede ser un sistema de rectificación que convierta la energía eléctrica de corriente alterna comercial en corriente directa, o cualquier otro tipo de fuente conocida de corriente directa. Cuando esta fuente de energía 8 se activa, se alimentan los electrodos 1 y la; con esta corriente directa se inicia la electrólisis del agua de mar que en su mayor proporción corresponde a una solución de cloruro de sodio; como efecto de la electrólisis en el electrodo positivo se empieza a formar pequeñas burbujas de cloro gaseoso 7, y en el electrodo negativo, burbujas de hidrógeno gaseoso 6, conforme a las reacciones siguientes: 2C1- (gas) CL2 (gas) + 2e- electrodo positivo 2 H2O (liquido) + 2e- H2 (gas) + 2OH- (liquido) electrodo negativo 2CL-(gas) + 2H2O (líquido) H2 (gas) + CL2 (gas) + 2OH- (líquido) Estas burbujas de H2 tienden a subir, y lo hacen por los tubos 3 y 2 respectivamente. En este caso, el tubo 2, con burbujas de hidrógeno (H2) gaseoso, tiene cerrada la válvula 9, y el gas se va acumulando en la parte superior, desplazando el agua de mar que originalmente ocupaba dicho tubo; cuanto más profunda es la ubicación de los electrodos 1 y ÍA, más presión habrá en los tubos. Una vez que la presión es suficiente para hacer operar la turbina 12, se abre la válvula 9, y la presión del gas hidrógeno (H2) mueve la turbina 12, que al girar, hace a su vez girar el generador 4, que de esta manera empieza a generar electricidad en corriente directa, que se transmite a los electrodos 1 y 1 A; ya habiéndose iniciado la operación, puede desconectarse la fuente de energía 8 mediante el interruptor 18, y el sistema se automantiene operando siempre y cuando la distancia 10 que existe entre los electrodos y la superficie del mar sea suficientemente grande. Para detener el sistema solo es necesario cerrar la válvula 9 y esto obligará a detenerse a la turbina 12. A la salida 5 de la turbina 12, se obtiene el producto final que es hidrógeno gaseoso (H2) con una muy alta pureza. Como un subproducto de este proceso, a la salida 11 del tubo 3, se tiene gas cloro.

MODALIDAD II En referencia a la figura I B, por supuesto que los electrodos que están llevando a cabo el proceso electrolítico, pueden ser electrodos múltiples o pares de electrodos que permiten que ya iniciada la operación, se puedan desconectar parcialmente mediante los electrodos 18, 18 a, conforme la cantidad de energía que se está generando en el generador va aumentando y se va requiriendo menos energía de la fuente de energía 8.

MODALIDAD III Refiriéndose a la figura 1C, otra forma de reducir la energía que la fuente de energía 8 _ -i proporciona a los electrodos, cuando el generador 4 va aumentando la energía eléctrica generada, es la de usar un control de tiempo 19, mediante el cuál los ciclos de conexión y desconexión se varían, y de esta manera se disminuye la energía usada en el proceso y en consecuencia se reduce el costo del mismo.

MODALIDAD IV Ahora en relación con la figura 2, es claro que este mismo principio se puede utilizar si se construye el equipo como el que aquí se describe, donde se excava un pozo y se llena con agua salada, y en el fondo del pozo se colocan los electrodos que van a llevar a cabo la electrólisis. Este pozo se puede construir dentro de un lago salado o en su cercanía para aprovechar la presencia del agua salada. Estos electrodos 1, la y las tuberías 2 y 3, cumplen las mismas funciones descritas con anterioridad operando el aparato de igual forma como se describió anteriormente.

MODALIDAD V Con relación a la figura 3, otra forma de construir el equipo es similar a la descrita antes (ver figuras 1 y 2), donde en el pozo excavado 13 se introduce un recipiente 14 de cualquier material, y se llena este recipiente con agua que puede ser acidulada o en otras palabras que se le agrega un ácido como por ejemplo ácido sulfúrico (H2SO4) para hacer conductiva el agua y que como productos de la descomposición del agua se obtiene además de hidrógeno, oxígeno gaseoso y que permite que se aproveche también la presión de este último, para mover otra turbina 15 para mover un segundo generador 16 para generar mayor cantidad de energía y al mismo tiempo obtener oxígeno 17 de alta pureza.

MODALIDAD VI En relación con la figura 4, otra forma de utilizar este principio, es el caso de una estación submarina 18 donde los electrodos se pueden alimentar inicialmente de una batería de corriente directa 8 que inicia la descomposición del agua y donde la tubería 2 que transporta el gas hidrógeno lo conduce desde la ubicación de los electrodos hasta un lugar cercano a la estación, donde se encuentra la turbina 12 que por diferencia de presión va a moverse, ya que la presión en el interior de la estación submarina es aproximadamente la presión atmosférica, generando energía eléctrica de acuerdo al mismo principio mencionado anteriormente, y donde la diferencia es que el gas hidrógeno no necesariamente llega hasta la superficie del mar. La válvula 21 se opera antes de iniciar el proceso para purgar el sistema.

MODALIDAD VII Con relación a la figura 5 otra opción de construcción de equipo, consiste en que el Hidrógeno que sale del tubo 2 a presión se alimenta directamente a un recipiente contenedor 19 para su distribución y transporte. En relación con la figura 5.1, la construcción del equipo es similar a la descrita en la figura 5, pero se puede conectar a una tubería 20 para su envío al lugar de consumo, o se puede conectar a una tubería 20 para su envío al lugar de consumo.

Así descrita la invención en siete modalidades preferidas, se hará evidente para aquellos expertos en el arte, que pueden hacerse varios cambios y modificaciones de este invento, sin desviarse del espíritu y alcance de las reivindicaciones siguientes

Claims (8)

REIVINDICACIONES:

1.- Mejoras en equipo de obtención de hidrógeno mediante electrólisis, que está constituido por un par de electrodos que están alimentados por corriente directa que proviene de una fuente externa de corriente directa o fuente de corriente de corriente alterna que se rectifica, y dichos electrodos están sumergidos en una solución salina y una tubería o conducto que recibe el hidrógeno gaseoso recién formado en el proceso de electrólisis, estando caracterizada la novedad por que la solución salina es agua de mar, y por que los electrodos están sumergidos en el mar a una profundidad considerable, y por que la tubería que recibe el hidrógeno gaseoso desde el fondo de la instalación donde se encuentran los electrodos, mantiene en su interior el gas hidrógeno a presión mayor que la presión atmosférica, y por que esta tubería se conecta en su parte superior o salida, con una turbina y dicha turbina está acoplada mecánicamente a un generador de energía eléctrica de corriente directa y dicho generador está conectado eléctricamente a los electrodos que están sumergidos en el mar, y por que el sistema tiene los medios necesarios para conectar y desconectar los electrodos de la fuente de corriente eléctrica externa y también los medios necesarios para conectarlos y desconectarlos al generador de energía eléctrica.

2.- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno como el descrito en la reivindicación No 1, estando caracterizada la novedad en que el sistema tiene los medios necesarios para disminuir la energía que la fuente de corriente eléctrica externa provee a los electrodos, usando un control de tiempo que controla los ciclos de conexión y desconexión.

3.- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno como el descrito en la reivindicación No 1, estando caracterizada la novedad en que en lugar de un par de electrodos,usa varios pares de electrodos, y de que en lugar de que la fuente de corriente eléctrica externa esté conectada a los mismos electrodos a los que esta conectado el generador de energía eléctrica, se conecte a un par , o pares de electrodos diferentes, y que tiene los medios para conectar o desconectar los electrodos de la fuente de corriente eléctrica externa.

4.- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno como el descrito en la reivindicación No.l, estando caracterizada la novedad en que el generador de energía eléctrica es de corriente alterna y cuenta con un sistema de rectificación para convertirla en corriente directa para alimentar a los electrodos.

5.- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno como el que se describe en la reivindicación No.l, estando caracterizada la novedad en que en lugar de la turbina, la salida del tubo que contiene el gas hidrógeno a presión sirve para llenar directamente recipientes a presión con dicho gas, y no requiere el generador de energía eléctrica que está acoplado a la turbina, y que la energía eléctrica que se alimenta a los electrodos proviene de una fuente externa.

6.- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno como el que se describe en la reivindicación No. 1 , estando caracterizada la novedad en que en lugar de estar los electrodos y la tubería colocados en el mar, se encuentran sumergidos en una acumulación de agua salada como por ejemplo un lago salado.

7.- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno como el que se describe en la reivindicación No. 1, estando caracterizada la novedad en que en lugar de estar los electrodos y la tubería sumergidos en el mar, se encuentran sumergidos en un pozo o cavidad natural o artificial que está lleno con agua salada.

8.- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno como el que se describe en la reivindicación No.7, estando caracterizada la novedad en que en lugar de que la cavidad esté llena con agua salada, está llena con agua acidulada o acidificada, y que adicionalmente al hidrógeno se obtiene también oxígeno en forma gaseosa. 9,- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno como el que se describe en la reivindicación No.1 , estando caracterizada la novedad en que la forma de la tubería es tal que tiene su primer extremo que está conectado a los electrodos, en la parte profunda del mar, y la tubería se dirige hasta arriba hasta una altura determinada sobre su primer extremo que podría llegar incluso hasta la superficie del mar, y luego la trayectoria del tubo desciende hacia abajo, de tal manera que su segundo extremo pudiera llegar hasta la misma profundidad incluso que su primer extremo, que es donde se encuentra la turbina. 10.- Mejoras en equipo para obtención de hidrógeno, como el que se describe en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizadas porque el equipo puede ser usado en la obtención de otros gases industriales por métodos electrolíticos en condiciones semejantes.