MANUAL DE SELECCIÓN Y DISEÑO BÁSICO DE EQUIPOS PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

MANUAL DE SELECCIÓN Y DISEÑO BÁSICO DE EQUIPOS PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

MANUAL DE MANEJO, MINIMIZACIÓN Y TRATAMIENTO

MANUAL DE SELECCIÓN Y DISEÑO BÁSICO DE RESIDUOS INDUSTRIALES Y PELIGROSOS DE EQUIPOS PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

CAMIONES, S.A. DE C.V.

ELABORADO POR:

ELABORADO POR: Miguel Angel Cahuich López Quím. Miguel Angel Cahuich López

CATEDRÁTICO:

PARA: Dra. Maria Rosa Sauri Riancho Facultad de Ingenieria Universidad Autónoma de Yucatán

Mayo de 2010

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Mérida, Yucatán, Mayo 2010

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MANUAL DE SELECCIÓN Y DISEÑO BÁSICO DE EQUIPOS PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

CONTENIDO Página 1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 1.1

OBJETIVOS.............................................................................................................. 1

1.2

DEFINICIONES ........................................................................................................ 1

2

ES NECESARIA LA INSTALACIÓN DE UN ECC?......................................................... 2

3

MARCO NORMATÍVO APLICABLE ............................................................................... 4

4

CRITERIOS GENERALES DE SELECCIÓN DE UN ECC .............................................. 6

5

APLICACIÓN Y DISEÑO BÁSICO DE LAS UNIDADES ................................................ 8 5.1

CONTROL DE PARTICULAS ................................................................................... 8

5.1.1 CAMARAS DE SEDIMENTACIÓN ........................................................................ 9 5.1.2 SEPARADORES CICLONICOS .......................................................................... 12 5.1.3 COLECTORES HUMEDOS (WET SCRUBBERS) .............................................. 16 5.1.4 FILTROS DE TELA ............................................................................................. 20 5.1.5 PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS ......................................................... 24 5.2

CONTROL DE GASES ........................................................................................... 29

5.2.1 ABSORCIÓN....................................................................................................... 30 5.2.2 ADSORCIÓN ...................................................................................................... 34 5.2.3 BIORREACTORES ............................................................................................. 41 5.2.4 INCINERACIÓN O COMBUSTIÓN AUXILIAR .................................................... 45 5.2.5 CONTROL DE OXIDOS DE AZUFRE ................................................................. 45 5.2.6 CONTROL DE OXIDOS DE NITRÓGENO ......................................................... 45 6

BIBLIOGRAFIA BÁSICA CONSULTADA ..................................................................... 46

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Índice de tablas Página Tabla 1. NOMs que regulan las emisiones de contaminantes por fuentes fijas. ...................... 4 Tabla 2. Factores a considerar en el diseño de ECC. ............................................................. 6 Tabla 3. Fuentes de partículas en procesos industriales. ........................................................ 8 Tabla 4. Tipos de colectores húmedos .................................................................................. 16 Tabla 5. Descripción de colectores húmedos ........................................................................ 17 Tabla 6. Descripción de los filtros de tela según el método de limpieza utilizado .................. 21 Tabla 7. Velocidades de filtración según el sistema de limpieza ........................................... 23 Tabla 8. Velocidades de migración para la ecuación de Deutsch-Anderson. ........................ 28 Tabla 9. Tecnologías disponibles para el tratamiento de gases. ........................................... 29 Tabla 10. Características de algunos tipos de empaque ....................................................... 32 Tabla 11. Tipos de adsorbentes y los contaminantes gaseosos que remueven .................... 34 Tabla 12. Parámetros para Isotermas de Adsorción Seleccionadas ..................................... 40 Tabla 13. Descripción de los tipos de biorreactores .............................................................. 42 Tabla 13. Parámetros de operación de los diferentes biorreactores ...................................... 44

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Índice de figuras Página Figura 1. Diagrama de cámara de sedimentación ................................................................... 9 Figura 2. Velocidad de sedimentación de partículas esféricas en el aire............................... 11 Figura 3. Esquema de un ciclón (A) y un multiciclon (B) ....................................................... 12 Figura 4. Ciclón convencional a nivel industrial. .................................................................... 13 Figura 5. Relaciones geométricas de un ciclón convencional................................................ 14 Figura 6. Filtros de tela por limpieza por aire a contracorriente, a nivel industrial.................. 22 Figura 7. Esquema de un precipitador electrostático ............................................................. 24 Figura 8. Principios de operación de un precipitador electrostático ....................................... 25 Figura 9. Electrodo de descarga (A) y electrodo de precipitación (B). ................................... 26 Figura 10. Precipitador electrostático industrial en operación................................................ 27 Figura 11. Esquema básico de una torre empacada de absorción. ....................................... 30 Figura 12. Torre empacada de absorción a escala industrial. ............................................... 31 Figura 13. Diagrama de Sistema Adsorbedor de Carbón Activado ....................................... 35 Figura 14. Adsorbedor de carbón activado a nivel industrial ................................................. 36 Figura 15. Tipo de Isoterma de Adsorción para Adsorbatos Hipotéticos ............................... 39 Figura 16. Biofiltro (A), filtro biopercolador (B) y biolavador (C) a escala industrial. .............. 43

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INTRODUCCIÓN

Este manual pretende que el alumno de Maestría, adquiera los conocimientos necesarios para abordar la selección y el dimensionamiento básico de los equipos de control de la contaminación atmosférica, para su aplicación a nivel industrial, es decir, a nivel de fuentes fijas de emisión. Este manual sirve de apoyo para la asignatura Contaminación Atmosférica de la Maestría en Ingeniería Ambiental; tras estudiar en dicha materia la problemática de la contaminación del aire, sus impactos y los fenómenos de dispersión, es imprescindible el conocer las tecnologías de control de la contaminación atmosférica para que el ingeniero ambiental aborde de manera integral otro campo de trabajo en el cual se puede desarrollar. 1.1

OBJETIVOS

Los objetivos de este manual para con el lector son los siguientes:  Introducir la visión general de las estrategias para el control de la contaminación atmosférica; en este caso medidas correctoras consistentes en la instalación de equipos depuración.  Conocer los distintos tipos de equipos de depuración de contaminantes en emisiones de aire, sus principios de funcionamiento y campos de aplicación.  Conocer los principios básicos para dimensionar equipos de depuración aplicados al control de contaminantes partículados y contaminantes gaseosos. 1.2

DEFINICIONES

A continuación se describe el significado de los términos más importantes relacionados con el control de la contaminación atmosférica.  Contaminante atmosférico. Materia en cualquiera de sus estados físicos, que al interrelacionarse en o con la atmósfera, modifique su composición o estado natural.  Fuente fija. La instalación o conjunto de instalaciones pertenecientes a una sola persona física o moral, ubicadas en una polígono cerrado que tenga como finalidad desarrollar operaciones o procesos industriales, comerciales o de servicios o actividades que generen o puedan generar emisiones contaminantes a la atmósfera.  Emisión. Descarga directa o indirecta a la atmósfera de cualquier sustancia en cualquiera de sus estados físicos.  Control de la contaminación atmosférica. Aplicación de medidas o estrategias para la reducción de emisiones contaminantes a la atmósfera.  Calidad del aire. Concentraciones de contaminantes que permiten caracterizar el aire de una región con respecto a concentraciones de referencia, fijadas por el marco normativo con el propósito de preservar la salud y bienestar de la población. REVISIÓN 1

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ES NECESARIA LA INSTALACIÓN DE UN ECC?

Esta pregunta debe hacérsela el ingeniero ambiental previo emitir un dictamen o recomendación al responsable del departamento de medio ambiente de la fuente fija. Por tal razón el ingeniero ambiental debe estar preparado y conocer el marco normativo aplicable a la regulación de las emisiones por fuentes fijas; en la sección siguiente se hará una breve descripción de este marco normativo. La recomendación de la instalación de un equipo para el control de la contaminación atmosférica (ECC), debe de proceder como consecuencia directa de que las emisiones de determinados contaminantes por parte de la fuente fija en cuestión, rebasan los límites máximos permisibles establecidos en el marco normativo competente. Por otra parte, antes de empezar a formular la lista de opciones disponibles para el control de emisiones, es importante tener claro que las opciones no se limitan a aditamentos o dispositivos accesorios para controlar las emisiones. Cualquier técnica que reduzca la emisión es una opción válida, incluidos cambios en los insumos o materias primas, cambios en las condiciones del proceso, o la incorporación de un ECC. A continuación se ejemplifican estas opciones.  Materia prima. Las opciones de control para fuentes de combustión podrían incluir un cambio en el tipo de combustible. El uso de carbón y combustóleo bajos en azufre puede considerar una opción de control para las emisiones de SO 2. El uso de madera como combustible puede especificarse, en función de su contenido de humedad, como medio para controlar las emisiones de partículas. La combustión de gas natural puede reducir las emisiones de NOx, SO2 y partículas suspendidas. Las reducciones en la emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV) en las industrias del recubrimiento y las artes gráficas (impresión) pueden lograrse mediante el uso de solventes de bajo contenido de COV o incluso solventes a base de agua.  Condiciones del proceso. En el caso de muchos tipos de fuentes industriales, las emisiones pueden reducirse cuando se acepta y es posible aplicar limitaciones a la producción. En la industria del plástico pueden reducir las emisiones de COV si se modifican las temperaturas o las presiones a las que se realizan los procesos. Las prácticas en el lugar de trabajo, por ejemplo, mantener tapados los contenedores con líquidos volátiles, o el encendido o apagado de una turbina de gas. Limitar las horas de operación de determinados equipos —por ejemplo, de los generadores de energía eléctrica de emergencia— es un elemento esencial para demostrar una reducción en las emisiones en el largo plazo.  Equipo para el control de emisiones. Finalmente, luego de descartar las opciones anteriores para reducir las emisiones, sea por motivos económicos u operativos, habrá que tener en consideración la instalación de un ECC. REVISIÓN 1

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En cualquier caso, la sustitución del tipo de combustible utilizado y/o las posibles modificaciones al proceso, son campos de mayor incumbencia para los ingenieros químicos, ingenieros en energía y/o ingenieros industriales, de los cuales el ingeniero ambiental debe colaborar ya que este conoce y está preparado en la aplicación de la normatividad competente a las emisiones. Finalmente para el control de emisiones atmosféricas, el ingeniero ambiental es el responsable de jugar el papel más importante, apoyándose desde luego en otras áreas del conocimiento.

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MARCO NORMATÍVO APLICABLE

El marco nacional que regula las emisiones por parte de fuentes fijas se resume en el siguiente cuadro: Tabla 1. NOMs que regulan las emisiones de contaminantes por fuentes fijas. Clave Titulo de la NOM Contaminantes regulados NOM-039-SEMARNAT- Niveles máximos permisibles de Dióxido de azufre 1993 emisión a la atmósfera de bióxido y trióxido de azufre y neblinas de ácido sulfúrico, en plantas productoras de ácido sulfúrico. NOM-040-SEMARNAT- Protección ambiental-fabricación Dióxido de azufre 2002 de cemento hidráulico-niveles Óxidos de nitrógeno máximos de emisión a la Monóxido de carbono atmósfera. Acido clorhídrico Hidrocarburos totales de petróleo Partículas Metales pesados Dioxinas y furanos NOM-043-SEMARNAT- Niveles máximos permisibles de Partículas 1993 emisión a la atmósfera de partículas sólidas provenientes de fuentes fijas. NOM-046-SEMARNAT- Niveles máximos permisibles de Dióxido de azufre 1993 emisión a la atmósfera de Trióxido de azufre bióxido de azufre, neblinas de Acido sulfúrico trióxido de azufre y ácido sulfúrico, provenientes de procesos de producción de ácido dodecilbencensulfónico en fuentes fijas. NOM-075-SEMARNAT- Niveles máximos permisibles de Compuestos orgánicos 1995 emisión a la atmósfera de volátiles compuestos orgánicos volátiles provenientes del proceso de los separadores agua-aceite de las refinerías de petróleo.

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Clave NOM-085-SEMARNAT1994

NOM-097-SEMARNAT1995

NOM-105-SEMARNAT1996

NOM-121-SEMARNAT1997

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Titulo de la NOM Fuentes fijas que utilizan combustibles fósiles sólidos, líquidos o gaseosos o cualquiera de sus combinaciones. Niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera de humos, partículas suspendidas totales, bióxido de azufre y óxidos de nitrógeno. Requisitos y condiciones para la operación de los equipos de calentamiento indirecto por combustión, así como niveles máximos permisibles de emisión de bióxido de azufre en los equipos de calentamiento directo por combustión. Límites máximos permisibles de emisión a la atmósfera de material particulado y óxidos de nitrógeno en los procesos de fabricación de vidrio en el país. Niveles máximos permisibles de emisiones a la atmósfera de partículas sólidas totales y compuestos de azufre reducido total provenientes de los procesos de recuperación de químicos de las plantas de fabricación de celulosa. Límites máximos permisibles de emisión a la atmósfera de compuestos orgánicos volátiles (COVs) provenientes de las operaciones de recubrimiento de carrocerías nuevas en planta de automóviles, unidades de uso múltiple, de pasajeros y utilitarios; carga y camiones ligeros, así como el método para calcular sus emisiones.

Contaminantes regulados Dióxido de azufre Óxidos de nitrógeno Partículas

Óxidos de nitrógeno Partículas

Dióxido de azufre Partículas

Compuestos volátiles

orgánicos

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CRITERIOS GENERALES DE SELECCIÓN DE UN ECC

Previa la instalación de un ECC, se deben tener en cuenta los siguientes criterios: Tabla 2. Factores a considerar en el diseño de ECC. Factor Consideraciones General Eficacia de captura Normas Oficiales Mexicanas Coste inicial Tiempo de vida y valor residual Costes de operación y mantenimiento Requisitos de potencia Peso y requisitos de espacio Material de construcción Fiabilidad Garantías del equipo y del fabricante Gas portador Temperatura Presión Humedad Densidad Viscosidad Punto de rocío de materias condensables Corrosividad Inflamabilidad Toxicidad Proceso Caudal y velocidad del gas Concentración de contaminantes Variabilidad de caudales, temperatura, etc. Contaminante (particulado) Distribución de tamaños de partícula Forma de las partículas Tendencia a la aglomeración Corrosividad Abrasividad Tendencia higroscópica Pegajosidad Inflamabilidad REVISIÓN 1

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Factor

Contaminante (gaseoso)

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Consideraciones Toxicidad Resistividad eléctrica Reactividad Corrosividad Inflamabilidad Toxicidad Reactividad

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5 5.1

APLICACIÓN Y DISEÑO BÁSICO DE LAS UNIDADES CONTROL DE PARTICULAS

Los ECC para partículas se pueden clasificar en dos grandes grupos, según el mecanismo de funcionamiento: por vía seca o por vía húmeda. De los equipos por vía seca los más habituales son los ciclones, filtros de mangas y precipitadores electrostáticos. En cuanto a los sistemas vía húmeda cabe destacar los lavadores tipo columna, tipo ciclón y tipo venturi. Para la elección del ECC más adecuado el factor más importante es el tamaño de las partículas. El tamaño de la partícula viene, en gran medida, condicionado por el proceso en el que se genera. En la siguiente tabla se muestra una relación de los principales sectores industriales que contribuyen a la contaminación por partículas. Tabla 3. Fuentes de partículas en procesos industriales.

Fuente: Wark y Warner, 1999 En los siguientes puntos se especifica el diseño básico de ECC para control de partículas.

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CAMARAS DE SEDIMENTACIÓN

Descripción Se puede emplear la fuerza gravitacional para la remoción de partículas en cámaras de sedimentación cuando la velocidad de sedimentación sea mayor de 13 cm/seg. Se aplica para partículas mayores de 50 µm de diámetro, o para partículas de 10 µm si el material es razonablemente denso. Partículas más pequeñas requerirían excesivas distancias de flujo lo que conllevaría al aumento del volumen de las cámaras. Las cámaras de sedimentación forman parte del grupo de los llamados equipos de pretratamiento ya que, de forma general, suelen ser empleados para reducir la carga inicial de partículas de una corriente gaseosa eliminando de la misma las partículas de mayor tamaño así como las abrasivas En esencia una cámara de sedimentación es un recipiente con una entrada en un lado y una salida situada al lado contrario frontalmente o en la parte superior de la misma, generalmente de geometría rectangular su parte central, donde se permite a una corriente gaseosa expandirse de tal forma que la velocidad del gas dentro de la misma disminuye considerablemente permitiendo que la acción de la gravedad sedimente las partículas que esta arrastra. Existen dos tipos fundamentales de modelos constructivos: las cámaras de expansión y las cámaras de placas deflectoras o modelo de Howard.

A

B

Figura 1. Diagrama de cámara de sedimentación tipo expansión (A) y con placas deflectoras o modelo Howard (B). REVISIÓN 1

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Aplicaciones A pesar de su baja eficiencia, las cámaras de sedimentación se han empleado ampliamente en el pasado. Las industrias de refinamiento de metales han empleado cámaras de sedimentación para separar las partículas grandes de las corrientes gaseosas tales como trióxido de arsénico de los minerales. Las plantas térmicas han empleado cámaras de sedimentación para separar partículas grandes no quemadas para reincorporar la corriente de gas a la caldera. También son útiles en aquellas industrias en las que se requiere enfriar la corriente gaseosa antes de un tratamiento mediante filtros. Estos equipos han sido reemplazados, para la mayoría de las aplicaciones, por los ciclones debido a las menores necesidades de espacio y la mayor eficiencia de colección. Ventajas e inconvenientes del empleo de estos dispositivos Ventajas: 1. Equipos de bajo coste 2. Muy bajo coste energético 3. .Pocas partes móviles, y por tanto menor necesidad de mantenimiento. 4. Excelente fiabilidad 5. Baja caída de presión a través de la cámara 6. Dispositivo no sujeto a abrasiones debido a la baja velocidad del gas 7. Provee un enfriamiento adicional a la corriente gaseosa Desventajas: 1. Eficiencias de colección relativamente bajas. 2. Incapaz de trabajar con materiales gomosos 3. Alto requerimiento espacial 4. Las bandejas en el modelo Howard pueden deformarse durante condiciones de trabajo que involucren altas temperaturas. Diseño Ejemplo: Determínese la longitud de un colector (L), del que se requiere una eficiencia del 90% al colectar partículas de 50 µm de diámetro y una densidad de 2 g/cm3. La velocidad del flujo del gas es de 0.5 m/s y tiene una altura de 3m. Solución: L= nHV / 50Vt L = 18 m REVISIÓN 1

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Donde n= eficiencia de remoción deseada H = Altura de la cámara V = Velocidad del flujo de gas Vt = Velocidad de sedimentación de las partículas

Velocidad de sedimentación cm/seg

Vt puede ser calculado a partir del diámetro y densidad de las partículas de acuerdo a la siguiente grafica.

Figura 2. Velocidad de sedimentación de partículas esféricas en el aire REVISIÓN 1

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SEPARADORES CICLONICOS

Descripción Los ciclones se utilizan como pretratamiento de efluentes gaseosos para reducir la cantidad de polvo. Desde el punto de vista de ECC, los ciclones por si mismos no suelen ser adecuados para cumplir la normativa de emisiones, pero pueden ser indispensables para adecuar la corriente a tratar (eliminación de abrasivos, disminución de carga, etc.) para el buen funcionamiento de otros equipos como los filtros de mangas o los precipitadores electrostáticos. A través de la rápida rotación del flujo de aire, las partículas son desplazadas por acción de la fuerza centrífuga hacia las paredes del ciclón, lo que permite que las partículas más pesadas se desprendan del flujo de aire siendo impulsadas hacia la pared donde se juntan entre sí y forman aglomerados que sedimentan y son eliminados por el punto de salida inferior del ciclón. En la base del ciclón, el gas se vuelve moviéndose en espiral hacia arriba y saliendo por la parte superior del equipo. En ocasiones se utiliza una configuración de multiciclón, que consiste en un conjunto de ciclones de pequeño diámetro y elevada altura funcionando en paralelo.

A

B

Figura 3. Esquema de un ciclón (A) y un multiciclon (B) REVISIÓN 1

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El diámetro de las partículas que se pueden remover debe de ser igual o mayor a 10 µm. No obstante, se diseñan ciclones de alta eficacia con aplicaciones para la eliminación de PM10 y PM2.5. Si la corriente a tratar contiene partículas de tamaño superior a 200 μm, otros dispositivos como las cámaras de sedimentación podrían resultar más eficaces ya que presentan menos problemas de abrasión. Aplicaciones Los ciclones son usados extensivamente después de las operaciones de secado por atomización en las industrias alimenticias y químicas, y después de las operaciones de molienda y calcinación en las industrias químicas y de procesamiento de minerales para colectar material útil. En las industrias metalúrgicas férreas y no férreas, los ciclones son a menudo utilizados como primer paso para el control de partículas. Las industrias de generación de energía eléctrica y de producción de madera comúnmente usan multiciclones (previo a scrubbers húmedos o filtros de tela) para colectar partículas finas (PM 2.5).

Figura 4. Ciclón convencional a nivel industrial. Ventajas e inconvenientes del empleo de estos dispositivos Las ventajas de los ciclones incluyen las siguientes: 1. Bajos costos de capital. 2. Falta de partes móviles, por lo tanto, pocos requerimientos de mantenimiento y bajos costos de operación.

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3. Caída de presión relativamente baja, comparada con la cantidad de partículas removidas. 4. Las limitaciones de temperatura y presión dependen únicamente de los materiales de construcción. 5. Colección y disposición en seco. 6. Requisitos espaciales relativamente pequeños. Las desventajas son: 1. Eficiencias de recolección de partículas suspendidas totales relativamente bajas, particularmente para partículas menores de 10 μm. 2. No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes. 3. Las unidades de alta eficiencia pueden tener altas caídas de presión. Diseño Las relaciones geométricas de un ciclón convencional se establecen en la siguiente figura:

Figura 5. Relaciones geométricas de un ciclón convencional

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Establecidas las dimensiones geométricas se puede determinar, de forma aproximada, el número de vueltas efectivas (Ne) como:

Para un diseño convencional, el número de vueltas efectivas es de 6. El número de vueltas efectivas se puede relacionar con la eficacia del equipo. La eficacia de remoción se puede determinar, según el modelo de Rossin, Rammler e Intelmann,

Donde n es la eficacia, Ne es el número de vueltas efectivas, ρp la densidad de las partículas, dp el diámetro de las partículas, Vg la velocidad del gas, Wi anchura de la entrada, H altura de la entrada del gas y μ la viscosidad del gas. Otro parámetro de interés en el diseño de ciclones es el diámetro de corte (d pc) que proporciona una medida del tamaño de partículas capturadas y el tamaño que pasa por el colector. El diámetro de corte se define como el tamaño de las partículas que son recogidas con una eficacia del 50%. Es una característica del equipo colector y de las condiciones de operación

Con base en este ultimo principio, la eficiencia de remoción también puede calcularse de acuerdo a la siguiente ecuación:

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COLECTORES HUMEDOS (WET SCRUBBERS)

Descripción Dentro de esta clasificación, un líquido atomizado, generalmente agua, el usado para capturar partículas o para incrementar el tamaño de los aerosoles, ya que el incremento de su tamaño facilita su separación del efluente gaseoso. El grupo de los colectores húmedos, o también conocidos en la literatura especializada como “wet scrubbers”, puede remover de manera efectiva partículas finas en el rango de 0.1 – 20 µm. Los colectores húmedos poseen características únicas que todos los ECC; desde que las partículas son capturadas por el líquido, su re-suspensión es evitada, y con esto su recolección es más fácil. Asimismo los colectores húmedos también pueden ser utilizados para enfriar un efluente gaseoso a alta temperatura. Su principal desventaja es el manejo de los lodos generados. Existen varios dispositivos dentro del grupo de colectores húmedos, los cuales se describen en la siguiente tabla: Tabla 4. Tipos de colectores húmedos Tipo de colector húmedo Caída de presión (Pa) Torres de aspersión Ciclones húmedos Lavadores venturi

125-375 500-2500 2500-18000

Diámetro mínimo de partículas colectadas (µm) 10 2-6 0.5-1

Para la captura de las partículas finas, grandes cantidades de energía deben ser dirigidas hacia el efluente gaseoso. Existen dos maneras de hacerlo: 1. Incrementando la presión del efluente gaseoso 2. Atomizando grandes cantidades de agua La eficiencia de colección puede ser inesperadamente potenciada en los colectores húmedos a través de métodos que causen en crecimiento del tamaño de las partículas. El crecimiento de las partículas puede lograrse por: 1. Bajas temperaturas que puedan ocasionar la condensación 2. Incrementando la velocidad de flujo del efluente gaseosos; con esto se incrementa la turbulencia 3. Gradientes de temperatura en los pasajes estrechos del colector que incrementarían la difusión de las partículas dentro del líquido. REVISIÓN 1

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Tabla 5. Descripción de colectores húmedos Tipo de Descripción colector húmedo Torre de aspersión

Ciclón húmedo

Lavador venturi

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Diagrama

El gas contaminado fluye hacia arriba y las partículas chocan con las gotas del líquido producidas por boquillas apropiadas situadas a través del paso del efluente gaseoso; el agua se aspersiona y la partícula es capturada por choque de inercia o difusión. El punto crítico de su operación es el tamaño de las gotas de agua. Pueden instalarse mamparas para potenciar el choque y recogida de las partículas.

Son semejantes a los s ciclones secos con el añadido de unos inyectores mediante los cuales se pulveriza el líquido lavado. La unión del movimiento helicoidal del gas y el liquido inyectado proyecta las gotitas de agua sucia sobre las paredes que resbalando a lo largo de ellas llegan al fondo. El consumo es de 1-12 L / por 10 m3 del efluente gaseoso.

Utilizan el efecto venturi para conseguir una buena dispersión del agua en la corriente de gas y de esta manera aumentar las posibilidades de impacto de las partículas en suspensión con las gotas de agua; el venturi es un canal que converge en un estrechamiento y diverge después al diámetro original. En la zona de convergencia el gas es acelerado de forma que en la garganta alcanza grandes velocidades (50-180 m/s). En la garganta el gas se pone en contacto con el agua, que se introduce por pequeños orificios distribuidos en la pared. El gas a elevada velocidad atomiza el líquido inyectado y acelera las gotas produciéndose el impacto de las gotas con las partículas finas.

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Aplicaciones Se emplean para el control de las emisiones de partículas de calentadores industriales y/o comerciales que utilizan carbón, madera o combustóleo. Han sido utilizados para el control de las emisiones de la industria química, de producción de madera, blanqueado de papel, manufactura de asfalto, aluminio, plomo y acero. También han sido empleados con éxito para el control de las emisiones de los incineradores de residuos sólidos municipales. Típicamente los colectores húmedos son empleados cuando una alta eficiencia de remoción es necesaria. Ventajas e inconvenientes del empleo de estos dispositivos Ventajas: 1. Elevadas eficacias de captación 2. Costes de inversión bajos 3. Diseño compacto, robusto y sencillo 4. Capacidad de retener simultáneamente gases y partículas (especialmente materiales viscosos) 5. Capacidad de manejar corrientes de gases a elevada temperatura y alta humedad Desventajas 1. Pérdida de carga y necesidades energéticas elevadas 2. La opacidad y el arrastre de gotas puede ser problemática 3. Problemas de corrosión 4. Generación de un efluente líquido que puede necesitar tratamiento Diseño A pesar de que uno o más mecanismos colectores se pueden usar dentro de la variedad de los equipos colectores húmedos, el principal requerimiento de cualquiera de estos dispositivos es la manera de iniciar el impacto o intercepción de una partícula por una gota. Una manera de establecer la eficiencia de esta relación, es con el parámetro denominado número de impactación (NI), tal como se describe en la siguiente ecuación: NI = xs / dD Es la relación adimencional entre la distancia de detención xs y el diámetro de la gota dD. De lo anterior se puede deducir que la remoción de partículas está determinada por el número de impactación, siendo a su vez este en función del tamaño de gota.

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La distancia de detención puede estimarse con la siguiente ecuación: xs = Vp,0 * dp2 * ρp /18 µg Donde: Vp,0 = Es la velocidad de las partículas (velocidad del efluente gaseoso) dp = Diámetro físico de las partículas ρp = Densidad de las partículas µg = Viscosidad del gas La eficiencia total de remoción del colector húmedo ŋo, puede ser estimada de acuerdo a la siguiente expresión: ŋo = 1 – exp( - NI )

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FILTROS DE TELA

Descripción Los filtros de tela, también conocidos en la literatura especializada como “filtros de mangas” o “fabric filters”, son estructuras metálicas cerradas en cuyo interior se disponen elementos filtrantes textiles en posición vertical. Según el diseño pueden adoptar formas tubulares, y se denominan mangas, o formas rectangulares, y se denominan bolsas. Se montan sobre una cámara que acaba en su parte inferior en una tolva de recogida de partículas. El aire cargado de sólidos es forzado a pasar a través del textil, sobre el que se forma una capa de polvo. La filtración se produce como resultado de la formación de una capa de polvo primaria en la superficie de las mangas y una acumulación de partículas de polvo en el interior del material filtrante. Una vez formada la capa primaria, la penetración se hace muy baja y la filtración se produce por tamizado (filtración superficial). El proceso de filtración continúa hasta que la caída de presión se hace tan importante que requiere la limpieza del sistema. Los filtros de tela son instalaciones de limpieza de partículas altamente eficaces. Se obtienen eficacias por encima del 99% para partículas mayores de 10 μm, pudiendo superar el 99.99%. Para partículas de 0.5 μm alcanzan eficacias del 99% y se obtienen eficacias aceptables para partículas de hasta 0.01 μm. Las cargas de sólidos típicas varían entre 0.23 y 23 g/m3. Las dimensiones típicas pueden ser de 0.15-0.3 m de diámetro y 6-10 m de longitud, oscilando el número de mangas por compartimento entre 40-700. Cada filtro de tela tiene sus propias características. Inicialmente, se utilizaban fibras naturales de algodón o lana, que han sido reemplazadas por fibras químicas. La selección del tipo de fibra a utilizar viene condicionada por una serie de factores entre los que destacan:       

Temperatura Composición química del gas Características físico-químicas de las partículas Humedad Resistencia mecánica Propiedades de filtración de las mangas Método de limpieza

Existen tres tipos de filtros de mangas atendiendo al método de limpieza utilizado (tabla 6): por vibración, por aire en contracorriente, y por impulsos de aire a presión (pulse jet). En ocasiones, se combinan dos de estos mecanismos de limpieza en un mismo equipo. En la tabla 6 se describen algunas especificaciones de cada uno de estos equipos que utilizan el principio de filtración. REVISIÓN 1

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Tabla 6. Descripción de los filtros de tela según el método de limpieza utilizado Tipo de filtro Descripción Diagrama de tela Filtro de tela - El filtro de tela más viejo de todos. limpieza por El mecanismo de limpieza consiste vibración en detener el flujo del efluente gaseoso, y una posterior agitación (Shaker fabric para remover la capa de polvo filter) acumulada. Como se muestra en el diagrama de al lado, la limpieza se logra mediante el movimiento del marco superior (por un motor eléctrico) que sostiene las bolsas, típicamente hacia atrás y adelante.

Filtro de tela limpieza por aire a contracorriente

Este mecanismo implica impulsar suavemente hacia atrás el efluente gaseoso a través de las bolsas para sacar la torta de polvo. Su principal ventaja consiste en que (Reverse air bolsas de grandes dimensiones cleaning fabric pueden ser limpiadas filter) eficientemente con este mecanismo. Otra desventaja es que el tiempo de vida útil de las bolsas puede prolongarse considerablemente.

Filtro de tela limpieza por impulsos de aire a presión

Un chorro de aire a alta presión (70 – 100 psi) es usado para deformar y remover la torta de polvo. El pulso de aire tiene una duración muy corta de entre 100 a 200 (Pulse jet mseg. Existe una variación de este fabric filter) mecanismo en la cual en lugar de utilizar aire a alta presión, se utiliza a un valor bajo de 7 – 14 psi. Para esto las bolsas son estiradas durante la limpieza, para facilitar la remoción de la torta de polvo; así mismo la duración del pulso de aire es mayor.

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Aplicaciones Los filtros de tela pueden ser utilizados de manera efectiva en diferentes aplicaciones; en cualquier proceso en el que sean generadas partículas los filtros de tela pueden ser utilizados como sistemas de tratamiento. Son más comúnmente utilizados en los calentadores industriales que utilizan carbón, procesamiento primario y secundario de metales (cobre, zinc, aluminio, hierro, acero), producción de minerales (cemento, limpieza de carbón) y fabricación de asfalto.

Figura 6. Filtros de tela por limpieza por aire a contracorriente, a nivel industrial. Ventajas e inconvenientes del empleo de estos dispositivos Ventajas:  Alta eficacia de recolección en un amplio intervalo de tamaños de partículas  Elevada flexibilidad de diseño por la disponibilidad de distintos medios filtrantes y sistemas de limpieza  Amplio intervalo de capacidades de tratamiento: desde 3 m3/min hasta 140,000 m3/min  Caídas de presión y requisitos de potencia razonables  El material se recupera en seco para usos posteriores o eliminación final  Posibilidad de recirculación del aire filtrado Desventajas:  Requisitos de espacio  Posibilidad de incendio o explosión por chispas en las proximidades del filtro  Necesidades de mantenimiento (reposición de las mangas); incapacidad para manejar materiales húmedos por problemas de limpieza de las mangas

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Diseño El dimensionamiento de un filtro de mangas se realiza a partir del criterio de diseño de la velocidad de filtración o lo que es lo mismo, de la relación aire/tela. En estos equipos se define la velocidad de filtración como el caudal de gas que atraviesa el filtro por unidad de superficie. El valor de este parámetro de diseño se establece por experiencia y, junto con el caudal de gases a tratar, define la superficie filtrante a emplear. En general, los fabricantes de estos equipos indican unos valores de velocidad de filtración óptima en los intervalos mostrados en la tabla siguiente: Tabla 7. Velocidades de filtración según el sistema de limpieza Tipo de filtro por sistema de limpieza Velocidad de filtración (m3/min/m2) Vibración 0.30 – 0.80 Aire a contracorriente 0.30 – 0.90 Chorro de aire a presión 1.45 – 2.00 La eficacia no es un factor determinante en el diseño de los filtros de mangas. El rendimiento de los filtros no depende de la concentración de partículas a la entrada. En cambio sí es importante tener en cuenta la pérdida de carga de los filtros de mangas durante su operación, ya que ésta determina la frecuencia con que deben realizarse los ciclos de limpieza. La perdida de carga se define como la caída de presión a través de los filtros, debida a la acumulación de la torta de polvo sobre la tela, lo cual aunque aumenta la eficiencia de remoción, aumenta también la resistencia al flujo y por tanto es necesaria una mayor cantidad de energía para impulsar el efluente gaseoso por el filtro. Para un filtro nuevo, la caída de presión será la suma de la pérdida provocada por el propio filtro y la ocasionada por las partículas conforme se van depositando. Sin embargo, los filtros experimentan un proceso de acondicionamiento conforme se van limpiando periódicamente. La caída de presión al acabar la limpieza del filtro va aumentando en cada ciclo hasta alcanzar un valor residual constante, ΔPR. Una vez el filtro está acondicionado, la caída de presión al final de cada ciclo de filtración, ΔPT es la suma de ΔPR y de la caída de presión en la torta, ΔPC, creciente con el tiempo, y se puede expresar como: ΔPT = ΔPR + ΔPC = K1 Vf + K2 ω Vf donde Vf (m/s) es la velocidad de filtración, ω la carga de polvo sobre el filtro (kg/m2) y K1 (N s/m3) y K2 (s-1) son coeficientes de resistencia de la manga acondicionada y el polvo, respectivamente. Los valores de K1 y K2 suelen estar entre intervalos de 12000-120000 N s/m3 y 130000-700000 s-1, respectivamente.

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PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

Descripción En este tipo de separadores, se utilizan campos eléctricos para separar a las partículas del gas. Para ello se aplica un campo eléctrico al gas sucio para que las partículas se carguen (se ioniza el gas y los pequeños iones se pegan a las partículas). Este gas se hace pasar a continuación a través de unas placas colectoras cargadas, con cargas de signo opuesto, para que atraigan a las partículas y queden adheridas a las placas. Estos separadores tienen múltiples ventajas: Pueden manejar grandes volúmenes de gases, con una alta eficiencia de colección, incluso para partículas submicrométricas y posibilidad de trabajar con gases a alta temperatura y húmedos. La pérdida de carga no es muy grande.

Figura 7. Esquema de un precipitador electrostático

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Los principales elementos que integran un precipitador electrostático son (figura anterior):  Zona de tratamiento: electrodos de emisión, electrodos de precipitación y los sistemas complementarios entre los que se incluyen las conducciones de entrada y salida de gas, las placas perforadas para la distribución del gas, los dispositivos de limpieza del electrodo de precipitación, la tolva de recogida de partículas, etc.  Sistema de fuente eléctrica de alto voltaje: transformador, rectificador y dispositivos de control.  Estructura (soportes, aisladores, marcos, etc.) y elementos auxiliares como el ventilador y los dispositivos para el vaciado de la tolva. El principio básico de la operación es el siguiente: Los gases sucios pasan a través de un campo eléctrico de polaridades opuestas. El precipitador consta de dos sistemas de electrodos: el electrodo de emisión (o de descarga) y el de precipitación. El electrodo de emisión está unido al polo negativo de un rectificador de alto voltaje (20 – 100 kV), mientras que el electrodo de precipitación está conectado eléctricamente a tierra, cerrando el circuito.

Figura 8. Principios de operación de un precipitador electrostático El polvo depositado en las placas se elimina por vía seca mediante sacudidas periódicas o por vibración de las placas colectoras. La capa de polvo cae de las placas en pedazos grandes. La mayoría de los precipitadores tienen controles de sacudido, de acuerdo a la concentración de polvo en el gas a fin de evitar la reintroducción de polvo. El polvo se recoge en las tolvas. REVISIÓN 1

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A B

Figura 9. Electrodo de descarga (A) y electrodo de precipitación (B). También se puede efectuar la limpieza por vía húmeda mediante la pulverización de agua sobre las placas colectoras de forma continua o intermitente. A estos precipitadores se les denomina “precipitadores electrostáticos húmedos” o “wet electrostatic precipitator”. Están especialmente indicados para el control de nieblas ácidas, polvos explosivos o de elevada resistividad. Este sistema de limpieza minimiza la reintroducción de partículas frente a los sistemas de sacudida. Por contra, es necesario gestionar adecuadamente las aguas de lavado. Además, los equipos vía húmeda presentan una limitación en la temperatura de operación (80-90 ºC). Aplicaciones Aproximadamente el 80% de todos los precipitadores electrostáticos son utilizados en la industria de generación de energía eléctrica. Son usados también en la industria de blanqueamiento de papel, producción de cemento y otros minerales, e industrias de procesamiento de metales no-férreos. Se ha observado que es especialmente eficaz para la recolección de metales pesados (a excepción del mercurio, ya que una porción significativa de este se encuentra en forma de mercurio elemental - fase vapor)

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Figura 10. Precipitador electrostático industrial en operación Ventajas e inconvenientes del empleo de estos dispositivos Ventajas:  Elevada eficacia de recolección (mayor 99.9%) en partículas de todos los tamaños, incluyendo submicrones  Elevada versatilidad: funcionamiento eficaz en casi todos los procesos industriales  Pequeña pérdida de presión. Reducida potencia del ventilador.  Caída de presión constante y funcionamiento variable  Adaptabilidad: tolera fluctuaciones en las condiciones de operación, incluso temperatura extrema  Recolección del polvo en su estado original  Mantenimiento normal de las partes internas durante paradas programadas.  Mantenimiento exterior regular pero no frecuente.  Elevada durabilidad. Efectos de abrasión insignificantes.  Consumo de energía de 20 – 60 kW/100.000 pies3 de gas Desventajas:  Pueden no operar a la eficacia de su diseño original  Operación compleja. Personal especializado.  Inversión elevada  Eficacia altamente dependiente de las propiedades de la corriente a tratar  Diseño complejo

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Diseño La probabilidad de que una partícula cargada sometida a la acción de un intenso campo eléctrico sea captada por el electrodo colector viene dada, en primera aproximación, por la fórmula de Deutsch-Anderson:

Donde n es la eficacia de recolección del precipitador; A es el área de recolección efectiva (m2); Q es el caudal de gas a través del precipitador (m3/s), K cuyo valor oscila entre 0.4 y 0.6, y ω la velocidad de migración de las partículas (m/s). La velocidad de migración de partículas es:

donde p = 3D/(D+2) siendo D es la constante dieléctrica de la partícula. Los valores de p oscilan entre 1.5 y 2.4 para la mayoría de polvos. Є0 es la permitividad (8.854×10-12 C / V m), Ec es el campo eléctrico aplicado (V/m) para cargar las partículas, Ep es el campo eléctrico en que se recolectan las partículas (V/m) y dp el diámetro de las partículas (m). μg es la viscosidad del gas (kg/m seg), Kc es el factor de corrección de Cunningham (aplicable a partículas menores de 5 μm). Otro método alternativo de identificar las velocidades de migración, es mediante el uso de tablas según el tipo de contaminante, como la que se presenta a continuación. Tabla 8. Velocidades de migración para la ecuación de Deutsch-Anderson.

CI = Corona invertida

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5.2

CONTROL DE GASES

Los ECC para tratamiento de gases contaminantes forman parte de procesos físicoquímicos: absorción, adsorción o combustión. Los contaminantes gaseosos pueden ser retirados del aire por medio de limpieza de gas (eliminación de gas disolviéndolo en un líquido), por absorción en un sólido o convirtiéndolos en otros gases menos dañinos. A veces ciertos polvos o sólidos granulados pueden absorber un contaminante del aire. El aire que necesita ser purificado se dirige a través de un sistema de carbón activo o a través de óxidos de metal. Después los gases pueden ser de nuevo liberados, calentando el absorbente. Algunos gases pueden ser destruidos a través del calor. Para la elección del ECC para tratamiento de gases más adecuado, se consideran como factores importantes: la corrosividad, inflamabilidad, toxicidad y reactividad. En la siguiente tabla se muestra de manera resumida, los principales sistemas de tratamiento de efluentes gaseosos disponibles, y sus ventajas y desventajas. Tabla 9. Tecnologías disponibles para el tratamiento de gases.

Fuente: Schifftner, 2002. En los siguientes puntos se especifica el diseño básico de ECC para control de gases que utilizan los principios de la absorción, adsorción e incineración térmica, ya que son los más referidos y estudiados en la literatura disponible. REVISIÓN 1

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ABSORCIÓN

Descripción Basan su funcionamiento en el hecho de que los gases residuales están compuestos de mezclas de sustancias en fase gaseosa, algunas de las cuales son solubles en fase líquida. En el proceso de absorción de un gas, el efluente gaseoso que contiene el contaminante a eliminar se pone en contacto con un líquido, que puede ser agua u otro disolvente, en el que el contaminante se disuelve. La transferencia de materia se realiza por el contacto del gas con el líquido en lavadores húmedos o en sistemas de absorción en seco. La absorción es una operación unitaria básica en ingeniería química, y denominada en el campo del control de la contaminación del aire como “scrubbing”. Así mismo a los equipos de control de contaminación atmosférica que emplean este principio se les conoce en la literatura como “wet scrubbers”. El proceso se acelera por grandes áreas superficiales de interface, turbulencia, y grandes coeficientes de difusión de masa. Esta tecnología es primariamente aplicable para la remoción de humos inorgánicos, vapores y gases (por ejemplo: ácido crómico, sulfuro de hidrógeno, amoniaco, cloruro de hidrógeno, fluoruro de hidrógeno y dióxido de azufre), así como también compuestos orgánicos volátiles. Por otra parte, al dispositivo comúnmente utilizado para absorción de gases se le denomina “torre empacada”.

Figura 11. Esquema básico de una torre empacada de absorción. REVISIÓN 1

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Aplicaciones La aplicabilidad de esta técnica es generalmente dependiente de los siguientes factores: disponibilidad suficiente de disolvente; eficiencia de remoción requerida; concentración del contaminante en el efluente gaseoso a tratar; y capacidad requerida para la disposición de los residuos de la torre. Las torres de absorción son generalmente utilizadas en la industria química, del aluminio, coque y ferroaleaciones, e industria alimenticia.

Figura 12. Torre empacada de absorción a escala industrial. Ventajas e inconvenientes del empleo de estos dispositivos Ventajas:  Presión de goteo relativamente baja  El material de relleno permite la operación en atmosferas altamente corrosivas  La altura y tipo del empaque pueden ser cambiados para mejorar la transferencia de masas sin la necesidad de adquirir nuevos equipos  Capital de inversión relativamente bajo  Poco requerimiento de espacio; es posible colectar PM10 REVISIÓN 1

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Desventajas:  La disposición del liquido residual puede ser un problema  Las partículas pueden causar taponamiento del medio  Costos de mantenimiento relativamente altos Diseño El flujo mínimo de líquido por sección de área transversal de la columna es:

Donde: MWR = razón mínima de mojadura con valor de 0,08 m2/h para los empaques estructurado de cuadrícula o de anillo mayor de 76,2 mm (3 pulgadas) y valor de 0,121 m 2/h para el resto de empaques. a = Área superficial del empaque ρL = densidad del liquido de lavado utilizado Tabla 10. Características de algunos tipos de empaque Tipo de Tamaño Peso aprox. Área Espacio Factor 3 empaque nominal por m , superficial vacío de 2 3 (%) empaque mm Pulg kg(densidad) aprox. m /m Anillos Rasching, cerámica

Anillos Rasching, acero

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6 13 16 25 38 51 76 89 13 25 38 51 76

0.25 0.50 0.625 1.0 1.5 2.0 3.0 3.5 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0

960 880 800 670 740 660 590 580 1 500 1 140 785 590 400

710 370 240 190 120 92 62 46 417 207 130 102 72

62 64 72 74 68 74 75 80 80 86 90 92 95

1680 640 270 160 95 65 36 25 222 137 82 57 32 32

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La altura de la columna (Z) está dada por la siguiente expresión en relación al coeficiente de transmisión de materia de la fase gas y la composición del gas (en esta fase podríamos usar las presiones parciales para el cálculo de NOG): Z = HOG NOG

También se puede expresar en función de los mismos parámetros del líquido de lavado: Z = HOL NOL

Donde: Gm y Lm = Flujo molar de gas o líquido por unidad de área de sección transversal a área interfacial por unidad de volumen P = presión total Ct = concentración molar total y1 y y2 = fracción molar del soluto en el gas en el fondo y en el tope de la columna respectivamente x1 y x2 = reacción molar del soluto en el liquido en el fondo y en el tope de la columna, respectivamente xe = concentración del liquido en equilibrio con la concentración del gas en cualquier punto ye = concentración del gas en equilibrio con la concentración del liquido en cualquier punto Para el cálculo de HOG y HOL usamos las siguientes expresiones, ya que las constantes KG y KL deben ser determinadas experimentalmente para cada caso, y para cada tamaño de columna.

Donde: m = pendiente de la línea de equilibrio Gm/Lm = pendiente de la línea de operación HG y HL = alturas de las unidades de transferencia de película del gas y del líquido, respectivamente. Hay distintas fórmulas empíricas para el cálculo de estos parámetros.

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ADSORCIÓN

Descripción Una alternativa a los sistemas de absorción por líquido lo constituye la adsorción de los contaminantes sobre sólidos. En los procesos de adsorción los gases, vapores y líquidos se retienen sobre una superficie sólida como consecuencia de reacciones químicas y/o fuerzas superficiales. Se produce una difusión desde la masa gaseosa hasta la superficie externa del sólido y de las moléculas del gas dentro de los poros de sólido seguida de la adsorción propiamente dicha de las moléculas del gas en la superficie del sólido. Al medio adsorbente sólido se le llama con frecuencia adsorbente, mientras que al gas o vapor adsorbido se le denomina adsorbato. Al dispositivo que utiliza este principio comúnmente se le denomina lecho de adsorción. Los sólidos más adecuados para la adsorción son los que presentan grandes relaciones superficie / volumen, es decir, aquellos que tienen una elevada porosidad y área superficial para facilitar el contacto sólido-gas: tierra de Fuller, bauxita, carbón activado, alúmina activada, tamices moleculares, etc. En la tabla 11 se presentan los adsorbentes y los tipos de gases que pueden remover. Periódicamente, es necesaria la sustitución o regeneración del adsorbente para que su actividad no descienda de determinados niveles. La adsorción se puede clasificar en dos tipos en función de las fuerzas responsables de la adhesión. La adsorción física suele ser resultado de fuerzas de Van der Waals, con lo que por naturaleza al ser la unión bastante débil la adsorción física puede ser reversible ya que la unión puede romperse por cambios en parámetros como la temperatura, presión o concentración. Por otro lado, la adsorción química es el resultado de la interacción química entre una molécula de adsorbato y la superficie del adsorbente, esto hace que este tipo de adsorción sea irreversible. Este último tipo de adsorción es de gran interés en catálisis, pero raramente se usa para separaciones Tabla 11. Tipos de adsorbentes y los contaminantes gaseosos que remueven

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Los adsorbedores pueden ser operados ya sea de modo intermitente o continuo. En la operación intermitente, los adsorbedores remueven durante un tiempo especificado (el “tiempo de adsorción”), el cual corresponde al tiempo durante el cual la fuente controlada está emitiendo. Después de que el adsorbedor y la fuente son apagados (durante la noche), la unidad comienza el ciclo de desorción durante el cual el gas capturado es removido del carbón. Este ciclo a la vez, consiste de tres pasos: (1) regeneración del adsorbedor por calentamiento, generalmente pasando vapor a través del lecho en dirección opuesta al flujo del gas;1(2) secado del lecho, con aire comprimido o con un ventilador; y (3) enfriamiento del lecho hasta su temperatura de operación por medio de un ventilador. (En la mayoría de los diseños, el mismo ventilador puede utilizarse por ambos, el secado y el enfriamiento del lecho). Al final del ciclo de desorción (el cual usualmente dura de 1 a 1½ horas), la unidad permanece en pausa hasta que la fuente arranca de nuevo. En la operación continua, un lecho de carbón regenerado está siempre disponible para la adsorción, de modo que la fuente controlada puede operar continuamente sin paros. Por ejemplo, pueden proporcionarse dos lechos de carbón: mientras uno está adsorbiendo el segundo está desorbiendo/en pausa. Como cada uno de los lechos debe ser lo suficientemente grande para manejar todo el flujo de gas mientras adsorbe, debe proporcionarse el doble del carbón que en un sistema intermitente manejando el mismo flujo.

Figura 13. Diagrama de Sistema Adsorbedor de Carbón Activado de Lecho Fijo de Dos Lechos, Continuamente Operado.

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El tamaño y el costo del sistema adsorbedor depende de primariamente de cinco parámetros: 1. El flujo volumétrico del gas portador pasando a través del (los) lecho(s) de carbón; 2. La cargas de masa de entrada y salida de contaminantes de la corriente de gas; 3. El tiempo de adsorción (por ejemplo, el tiempo que un lecho de carbón permanece en línea para adsorber contaminantes antes de ser sacado de línea para la desorción del lecho); 4. La capacidad de trabajo del adsorbedor en sistemas regenerativos o la capacidad de equilibrio en caso de sistemas no regenerativos. 5. La humedad de la corriente de gas, especialmente en el efecto de la humedad sobre la capacidad en relación a los halógenos. Aplicaciones La adsorción es una técnica especialmente útil en los casos en que: 1. El gas contaminante no es combustible o es difícil de quemar. 2. El contaminante es lo suficientemente valioso para justificar su recuperación. 3. El contaminante se encuentra en una concentración muy diluida en el sistema de escape. La adsorción también hace posible económicamente purificar gases que contienen solo pequeñas cantidades de contaminantes, los que resultan difíciles, sino imposibles de purificar por otros métodos.

Figura 14. Adsorbedor de carbón activado a nivel industrial REVISIÓN 1

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Ventajas e inconvenientes del empleo de estos dispositivos Ventajas:    

Permite la operación en atmosferas altamente corrosivas Capital de inversión relativamente bajo Poco requerimiento de espacio No se generan residuos efluentes

Desventajas:  Las partículas pueden causar taponamiento del medio  Costos de mantenimiento relativamente altos Diseño Determinando los Tiempos de Adsorción y de Desorción El perfil del ciclo es importante al determinar los requerimientos de carbón y del recipiente y al establecer los requerimientos de equipo auxiliar de desorción y de servicios. La relación entre tiempo de adsorción, tiempo de desorción y capacidad extra requerida puede ser generalizada.

Donde: Mc = cantidades de carbón requeridas para control continuo de una fuente McI= cantidades de carbón requeridas para control intermitente de una fuente f = factor de capacidad extra (sin dimensión) Mas adelanta se explicará cómo realizar el cálculo de estas variables. El factor, f, está relacionado con el número de lechos adsorbiendo (NA) y desorbiendo (ND) en un sistema continuo como sigue

Puede demostrarse que el número de lechos desorbiendo requeridos en un sistema continuo (ND) está relacionado con el tiempo de desorción (θD), el tiempo de adsorción (θA), y el número de lechos adsorbiendo, como sigue:

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Por ejemplo, para un tiempo de adsorción de ocho horas, en un sistema de siete lechos operado continuamente (seis adsorbiendo, uno desorbiendo), θD tendría que ser de 1.3 horas o menos. De otro modo, tendrían que agregarse lechos adicionales para proporcionar la suficiente capacidad extra durante la desorción. Estimación de los requerimientos de carbón El procedimiento práctico de estimación de carbón está basado en la “capacidad de trabajo”. (We). Esta es la diferencia por unidad de masa de carbón entre la cantidad de gases en el carbón al final del ciclo de adsorción y la cantidad remanente en el carbón al final del ciclo de desorción La capacidad de trabajo, junto con el tiempo de adsorción y la carga de contaminantes de entrada, es utilizada para calcular el requerimiento de carbón para un adsorbedor operado intermitentemente como sigue:

Donde: McI= cantidades de carbón requeridas para control intermitente de una fuente mvoc = Carga de contaminantes gaseosos de entrada (lb/h) Combinando ésta con la primer y segunda ecuaciones la sección anterior, se produce la ecuación general para la estimación de la carga total de carbón del sistema para un sistema operado continuamente:

Los valores para wc pueden obtenerse del conocimiento de las unidades operando. Si no hay valor disponible para wc para el gas (o mezcla de gases) en duda, la capacidad de trabajo puede ser estimada como 50% de la capacidad de equilibrio, como sigue

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Donde we(max) = la capacidad de equilibrio tomadas en la entrada del adsorbedor. El parámetro we(max) puede ser estimado a partir de isotermas de adsorción. En este sentido la isoterma de Freundlich es la comúnmente utilizada para el diseño industrial

donde we = adsortividad de equilibro (lb adsorbato/lb adsorbente) P = presión parcial del contaminante en la corriente del gas (psia) k, m = parámetros empíricos (ver tabla 12)

Figura 15. Tipo de Isoterma de Adsorción para Adsorbatos Hipotéticos La adsortividad de equilibro es la cantidad máxima de adsorbato que el carbón puede retener a una temperatura y presión parcial del contaminante dadas. En los sistemas de control reales donde no hay dos lechos operando en serie, sin embargo, nunca se permite a todo el lecho de carbón que alcance el equilibrio. REVISIÓN 1

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En la tabla 12 se muestran los parámetros de Freundlich resultantes para un número limitado de sustancias químicas. Los adsorbatos listados incluyen aromáticos (v.g. benceno, tolueno), alifáticos clorados (dicloroetano) y una cetona (acetona). Nótese que está listado un rango de presiones parciales para cada conjunto de parámetros, k y m. Tabla 12. Parámetros para Isotermas de Adsorción Seleccionadas

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5.2.3 BIORREACTORES Descripción En ECC los biorreactores emplean a microorganismos para consumir contaminantes de una corriente de aire contaminado. Casi cualquier sustancia, con la ayuda de microorganismos, se degradara, dado el medio ambiente apropiado. Esto es especialmente cierto para los COVs. Sin embargo, ciertos microorganismos también pueden consumir compuestos inorgánicos, tales como el sulfuro de hidrógeno y los óxidos de nitrógeno. Dado que los biorreactores utilizan cultivos vivos, se ven afectados por muchas variables en su medio ambiente. A continuación se indican las variables y limitaciones que afectan el rendimiento de todos los biorreactores, independientemente del tipo de proceso.  Temperatura. Los microorganismos requieren un intervalo de temperatura óptimo de 30-41ºC, para poder realizar la degradación de los contaminantes. Cuando las emisiones provenientes de un proceso son demasiado calientes, los operadores con frecuencia hacen pasar las emisiones calientes a través de un humidificador que enfría los gases por medio del enfriamiento evaporativo. Éste es el método más económico disponible para enfriar las emisiones de 93 a 149°C, a temperaturas de menos de 41°C. Además del efecto de enfriamiento, este proceso también aumenta el contenido de humedad (humidifica la corriente de emisiones), un efecto colateral deseable  Humedad. La segunda variable más crítica es la humedad del lecho. Los microbios necesitan humedad para sobrevivir y la humedad crea la biopelícula que elimina (absorbe) contaminantes de una corriente de aire, de modo que puedan ser asimilados por los microbios. Los problemas de baja humedad pueden corregirse al hacer pasar las emisiones a través de un humidificado. El rango de humedad óptimo para los biorreactores es de 40 a 60 por ciento de agua.  Nutrientes. Los contaminantes proporcionan la fuente principal de alimento y energía, pero los microbios también requieren macronutrientes para sustentar su desarrollo. Por esta razón deben de abastecerse al medio nitrógeno, fosforo y potasio, principalmente.  Acidez. La mayoría de los biorreactores funciona mejor cuando el pH del lecho es cercano a 7, o neutro. Algunos contaminantes forman ácidos al descomponerse. Algunos ejemplos de estos compuestos son: sulfuro de hidrógeno, compuestos orgánicos de azufre, y halógenos (cloro, flúor, bromo y yodo). La producción de ácidos con el correr del tiempo disminuirá el pH y finalmente destruirá la población de microorganismos. Si un proceso emite contaminantes que producen ácidos, se deberá desarrollar un plan para neutralizar estos ácidos. Se conocen tres variantes de biorreactores: biofiltro, biofiltro percolador y biolavador. A continuación se describen los tipos de biorreactores utilizados para el control de la contaminación atmosférica. REVISIÓN 1

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Tabla 13. Descripción de los tipos de biorreactores Tipo de Descripción biorreactor Biofiltro

Diagrama

Es una caja rectangular que contiene un pleno encerrado en el fondo, un bastidor de soporte arriba del pleno, y varios cm de medio (lecho). Se utiliza para los medios del lecho: abono, corteza, tierra gruesa, grava o formas plásticas. El aire contaminado entra al filtro por medio de un conducto. A medida que fluyen las emisiones a través del lecho, los contaminantes son absorbidos por la humedad en el medio del lecho, entrando en contacto con los microorganismos.

Filtro bio- El efluente gaseoso es conducido a percolador la parte inferior del filtro biopercolador, atravesando desde abajo hacia la parte superior de este, por el medio de soporte que contiene la bipelicula humidificada constantemente por aspersores. Los contaminantes entran en contacto con los microorganismos y son degradados.

Biolavador

Se inunda el empaque de la torre con una fase líquida y se recoge el (Bioscrubber) efluente de descarga en un tanque de almacenamiento (sumidero) antes de volver a reciclarlo al biolavador. La inundación del lecho aumenta la capacidad de la fase líquida de absorber contaminantes. El sumidero sirve como depósito para la fase líquida y permite un tiempo de reacción adicional para que los microbios consuman los contaminantes. Los tiempos de reacción pueden durar una hora o más. Su operación se asemeja al sistema de lodos activados para el tratamiento de aguas residuales.

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Aplicaciones La biorreacción es una opción viable de bajo costo, para aquellas instalaciones que tengan emisiones en su mayoría de COVs (tradicionalmente se ha empleado para el tratamiento de olores); se pueden tratar los efluentes gaseosos que contengan:    

Alcoholes, aldehídos, cetonas, éteres, aminas, ácidos orgánicos Hidrocarburos aromáticos (benceno, tolueno, xileno, estireno), excepto naftaleno. Hidrocarburos halogenados (diclorometano, tricloroetano). Fenoles (cresol, fenol), sulfuro de hidrogeno, óxidos de azufre y nitrógeno, amoniaco.

Ha sido aplicado con éxito en:  Manufactura de tintas de impresión e industria electrónica.  Industria cigarrera.  Emisiones de plantas de tratamiento de aguas, rastros, recicladoras de huesos, etc.

A

B

C Figura 16. Biofiltro (A), filtro biopercolador (B) y biolavador (C) a escala industrial. REVISIÓN 1

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Ventajas e inconvenientes del empleo de estos dispositivos Como principal ventaja se tiene que esta tecnología es relativamente mucho más económica que otros equipos de tratamiento empleados para la remoción de compuestos orgánicos y olores. Por otra parte su principal desventaja es la complejidad de la operación. Así mismo, entre los tipos de biorreactores también se presentan ciertas ventajas y desventajas; esta son los siguientes:  Para el uso del biofiltro se requiere una humidificación previa del gas y superficie del terreno disponible.  Si el fluido gaseoso contiene partículas, biofiltro no es operante y se recomiendan biofiltro percolador y/o biolavador.  Si producto de la biodegradación del contaminante se producen compuestos de azufre o halógenos, el biofiltro percolador y/o biolavador son mejores opciones. Diseño Los diferentes tipos de biorreactores pueden ser comparados entre sí con base en el uso de los siguientes parámetros:      

Tiempo de residencia de gas en el biorreactor (s) Tasa de contacto superficial (m3 m-2 h-1) Carga de sólidos (g m-3 h-1) Carga volumétrica (m3 m-3 h-1) Capacidad de eliminación (g m-3 h-1) Eficiencia de remoción (%)

Con base en la descripción anterior, es posible utilizar los criterios de Van Groenestijn y Hesselink, así como los puntos descritos en el apartado de ventajas y desventajas y de aplicaciones, para determinar el equipo que sería adecuado para el tratamiento de las emisiones. Tabla 14. Parámetros de operación de los diferentes biorreactores

Fuente: Hans-Joachim y Josef W., 2004 REVISIÓN 1

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INCINERACIÓN O COMBUSTIÓN AUXILIAR

La combustión constituye un proceso apropiado para la eliminación de compuestos orgánicos transformándolos en dióxido de carbono y vapor de agua y también es válido para determinadas sustancias inorgánicas. La combustión puede ser espontánea o por procesos catalíticos. 5.2.5

CONTROL DE OXIDOS DE AZUFRE

La eliminación de SOx de los gases de combustión puede llevarse a cabo mediante la utilización de torres empacadas de absorción. Otro tipo de proceso de desulfuración de los gases de chimenea es la tecnología de la caliza húmeda, en el que se convierte el SO 2 de los gases de chimenea en yeso. 5.2.6

CONTROL DE OXIDOS DE NITRÓGENO

Entre las técnicas de tratamiento, la más utilizada, por su elevada eficacia y selectividad, es la reducción selectiva de los NOx, utilizando como agente reductor amoníaco o urea, en presencia de un catalizador apropiado. Este método se basa en reducir los NOx para la obtención de nitrógeno y agua como productos finales.

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BIBLIOGRAFIA BÁSICA CONSULTADA 1. Buelna Q.G. (2000). Propuesta de diseño y construcción de un sistema de lavado y purificado de gases de combustión, en planta piloto; método de absorción-adsorción. Universidad de Sonora. pp 34 – 62. 2. Comisión para la Cooperación Ambiental de América del Norte. (2005). Mejor tecnología disponible para el control de la contaminación atmosférica en América del Norte: directrices para el análisis y estudios de caso. Manchester, NH, EUA. pp 3 – 5. 3. Hans-Joachim J., Josef W. (2004). Environmental biotechnology concepts and applications. Wiley-VCH. pp. 260 – 267. 4. Schnelle B.K., Brown C.A. (2002). Air Pollution Control Technology Handbook. CRC Press. Washington D.C. pp 10.1 – 24.5. 5. Schifftner K.C. (2002). Air Pollution Control Equipment Selection Guide. Lewis Publishers. Washington D.C. pp 2.1 – 20.2. 6. United States Environmental Protection Agency (USEPA). (2004). Air Pollution Control Technology Fact Sheets. Recuperado: 25/6/2010. Disponible en: http://www.epa.gov/ttn/catc/products.html#software 7. Wark K., Warner C.F. (1999). Contaminación del aire, origen y control. Limusa Noriega – Editores. México D.F. pp 193 – 433.

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