Equipos de Control de Emisiones
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EQUIPOS DE CONTROL DE
EMISIONES
CONTAMINANTES
ATMOSFÉRICAS PARA
PROCESOS INDUSTRIALES.
EMISIÓN.
La descarga directa o indirecta a la atmósfera de toda
sustancia en cualquiera de sus estados físicos o de
energía.
SELECCIÓN DEL
EQUIPO DE CONTROL.
Factores que influyen en la
selección.
Técnico.
Características del proceso.
Características del
contaminante.
Características de la corriente
gaseosa.
Económico.
Costo de capital.
Costo de operación.
Tiempo de vida del equipo.
Características del proceso.
Grado de colección requerida
Cumplir con normatividad
Cumplir con normas internas
Caída de presión
Requerimiento del espacio.
Requerimiento de servicios auxiliares.
Mantenimiento.
Generación de residuos.
Medidas de seguridad
Materias de construcción.
Equipo auxiliar
Características del contaminante.
Tamaño de partículas.
Composición química.
Densidad.
Propiedades ópticas.
Toxicidad.
Reactividad/explosividad
Corrosividad.
Propiedades eléctricas
Concentración
Características de la corriente
gaseosa
Flujo
Velocidad
Temperatura
Presión
Humedad
Temperatura de rocio
Composición química
Toxicidad
Flamabilidad
Conductividad
•No emplean agua para separa r los contaminantes, utilizan la gravedad, fuerzas centrífuga, electrostática o filtración para la separación. Cámaras de sedimentación, los ciclones, colectores que emplean filtros de bolsas y los precipitadores electrostáticos
Vía seca
•La remoción se realiza por intercepción directa, inercia y difusión de los contaminantes a agua que se emplea en el sistema de control. Los equipos son cámaras de aspersión, burbujeadores, lecho empacado y venturis Vía húmeda
•Gases y vapores de compuestos orgánicos volátiles se pueden adsorber sobre la superficie del material adsorbente, el compuesto es retenido físicamente eliminándolo de la corriente gaseosa. Adsorción
•Utilizado para la disposición de gas residual industrial. Es un método de disposición final donde los compuestos combustibles contenidos en el gas residual son convertidos en vez ce colectados
Incineración
EQUIPOS DE CONTROL DE CONTAMINANTES
Colectores mecánicos.
Filtración en seco.
Precipitadores
electrostáticos.
Lavadores.
Eliminadores de niebla.
Filtros Colectores
Cámaras de sedimentación.
Ciclones
Colectores de polvo
Precipitadores electrostáticos
Flujo tapón.
Concentración uniforme.
Velocidad terminal.
Región de Stokes.
No hay resuspensión.
Partículas esféricas.
No existe interacción entre partículas.
VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN.
Vt Velocidad de sedimentación (m/s).
ρp Densidad de la partícula (kg/m3 ).
ρg Densidad del gas (kg/m3 ).
g Constante de gravedad 9.806 (m/s2 ).
dp Diámetro de la partícula (m).
CD Coeficiente de retardo (adimensional).
Debido a que las velocidades son bajas y se tiene un número de
Reynolds bajo (NRe < 1) se encontrará en la región de Stokes y como
ρp >> ρg entonces la ecuación quedaría de la siguiente manera
La velocidad de diseño se calcula:
Considerando que el tiempo requerido para
que una partícula de diámetro dp recorra una
distancia vertical H y se separe de la corriente
gaseosa, deberá ser menor o igual al tiempo
en recorrer la distancia L.
Las dimensiones de la cámara se calculan:
Las dimensiones del equipo de
sedimentación tendrán la siguiente relación
Q: flujo volumétrico, V: velocidad del flujo
CÁMARAS DE SEDIMENTACIÓN
• Remoción de PM al reducir la velocidad del gas,
permitiendo que el polvo se asiente por la acción de la
gravedad.
• Partículas mayores a 50 µm.
• Eficiencia para partículas de 10 µm es 10%.
• Velocidad del gas en el equipo de 3m/s y de preferencia 0.3
m/s.
CICLONES Y MULTICICLÓN
• Remoción de partículas mediante las
fuerzas de inercia y centrífuga.
• Utilizados principalmente para partículas
mayores a 10 µm de diámetro
aerodinámico
• Ciclones de alta eficiencia para
partículas de 2.5 µm
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN
• Flujo de 1,000 - 25,000 cfm
• Temperatura hasta 540 °C (1000 °F)
• Carga: 2.3 - 230 g/m3 (1 -100 gr/ft3)
• Caída de presión 3 - 6 inH2O
• Los ciclones trabajan más eficientemente con
cargas de contaminantes más altas, siempre y
cuando no se obstruyan.
Donde:
D diámetro del ciclón (ft)
Q flujo volumétrico (ft3/s)
ρ densidad del fluido (lb/ ft3 )
ρP densidad de partícula (lb/ ft3 )
μ viscosidad del fluido (lb/ ft s)
Consideraciones.
Densidad de partícula en el intervalo de 1g/ cm3 a
2.5g/ cm3.
Velocidad de entrada al equipo entre 50 y 90 (ft/s).
Ref. Licht, op.cit.
Donde:
ΔP es la caída de presión (in C.A).
ρ densidad del fluido (lb/ ft3 ).
UT velocidad de entrada (ft/s)
NH factor dependiente de la geometría del equipo
termino Descripción
.
Alta eficiencia Propósitos
generales.
Stairmand Swif
t Lapple Swift P&W
D Diámetro del
cuerpo 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
a Altura de la
entrada 0.5 0.44 0.5 0.5 0.583
b Ancho de la
entrada 0.2 0.21 0.25 0.25 0.208
s Largo ducto de
salida 0.5 0.5 0.625 0.6 0.583
De Diámetro de
salida 0.5 0.4 0.5 0.5 0.5
h Altura de cilindro 1.5 1.4 2.0 1.75 1.333
H Altura total 4.0 3. 4.0 3.75 3.17
B Diámetro tolva 0.375 0.4 0.25 0.4 0.5
NH 6.40 9.24 8.0 8.0 7.76
superficie 3.67 3.57 3.78 3.65 3.20
La eficiencia de remoción de los ciclones varia en función del
tamaño de partícula y el diseño
Incrementa Disminuye
• El tamaño y/o densidad de
la partícula
• La velocidad de entrada
• La longitud del cuerpo del
ciclón
• El numero de vueltas al
interior del ciclón
• La relación ds/D
• La carga de polvo
• La viscosidad del gas
• El diámetro del cuerpo
• El diámetro de salida
• El área de entrada de gas
• La densidad del gas
Las eficiencias de los ciclones pueden ser:
• Partículas grandes de 70 a 90%
• Partículas de 10µm de 30 a 90%
• Partículas de 2.5 µm de 0a 40%
Los multiciclones logran eficiencias de hasta el 95% para
partículas de 5 µm
COLECTORES
DE
POLVO
COLECTORES DE POLVO
• El gas a tratar se pasa a
través de una tela de
tejido apretado o de
fieltro causando que las
partículas en el gas sea
recolectada en la tela por
tamizado y por otros
mecanismos.
• La eficiencia de
recolección varia del 95
al 99.9%
EFICIENCIA
Como resultado de los mecanismos de limpieza
utilizados en los filtros de tela, su eficiencia de
recolección cambia constantemente.
Cada ciclo de limpieza remueve al menos parte de
la plasta de polvo y afloja las partículas que
permanecen en el filtro.
Cuando se reinicia la filtración, la capacidad de
filtrado ha sido disminuida, porque se ha perdido
parte de la capa de polvo y las partículas sueltas
son forzadas a través del filtro por el flujo del gas.
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN
• Flujo de 100 - 100,000 cfm
• Temperatura Max 260 °C (picos 290 °C)
• Carga 0.1 - 10 gr/ft3 (Max 100 gr/ft3)
• La humedad y los compuestos corrosivos
se deben considerar en el diseño.
• Caída de presión de 3 - 6 inH20
TIPOS DE TELAS
Las condiciones de operación son factores
importantes para la selección de la tela.
Algunas telas (por ejemplo, poliolefinas,
de nylon, acrílicos, poliésteres), son útiles
solamente a temperaturas relativamente
bajas, de 95 a 150 °C (200 a 300 °F).
Para corrientes de gas residual
sucio a altas temperaturas, deben
utilizarse telas más estables
térmicamente, tales como la fibra
de vidrio, el Teflón o el Nomex
Es necesario determinar el periodo de operación de un colector de polvo
de la siguiente manera:
Donde:
V = velocidad, m/s
AT = área de filtrado m2
Q= flujo de gas, m3/s
A = área de la bolsa
Caída de Presión
ΔP caída de presión total,
kf =resistencia de la tela
Vf =velocidad de filtración
k2 =resistencia de la torta
Ci =concentración del material
t =tiempo de filtración entre
sacudimientos
RELACIÓN DE FILTRADO
• La R.F. es la capacidad de flujo que pude filtrar una
unidad de área de tela.
– Sacudimiento mecánico 2 -3 cfs/ft2
– Sacudimiento neumático 4 -5 cfs/ft2
• R. F. depende de flujo, carga, temperatura, operación y
distribución de tamaño de partícula.
La cual indica
Diversos factores intervienen en la selección del material filtrante
Factores en la selección del material
Factores del Material (Partículas)
• Finura y distribución de tamaño
•Forma de la partícula
•Tendencias de aglomeración
•Carga estática o tendencias a ésta
•Otras propiedades físicas (adhesión, sublimación,
delicadeza, etc)
•Propiedades químicas (cristalización, polimerización,
reactividad, etc.)
Factores del Sistema
• Constituyentes del gas
• Carga
• Limitaciones del medio filtrante
• Humedad
• Presión diferencial deseada
• Turbulencia
• Origen del polvo
Factor Tipo
A Material
Generalmente se utiliza operación a
temp. Ambiente, con polvo de un
tamaño promedio de 10 a 50 micras
y una carga de 10g/ft3 de polvo de
desecho.
B Aplicación Clasifica las aplicaciones o usos más
comunes
C Temperatura
Se requiere más área filtrante a
medida que aumenta la
temperatura
D Finura Depende del tamaño del polvo
E Carga de polvo Es el rendimiento de un colector de
sacudimiento neumático.
RELACIÓN DE FILTRADO
PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS
PRINCIPIO
Un PE es un dispositivo para el control de partículas que
utiliza fuerzas eléctricas para movilizar las partículas
encauzadas dentro de una corriente de emisión hacia las
superficies de recolección.
EFICIENCIA
• Las eficiencias típicas de equipos nuevos varían entre 99 y 99,9%.
• El factor más importante es el tamaño.
• Al incrementar la fuerza del campo se incrementa la eficiencia.
• De la resistividad, composición química del gas y partícula, temperatura y distribución de tamaño de partícula.
PRETRATAMIENTO • Cuando gran parte del cargamento de contaminantes consiste en
partículas relativamente grandes se pueden utilizar recolectores
mecánicos, tales como los ciclones o las torres lavadoras, para
reducir la carga sobre el PE, especialmente a concentraciones
altas de entrada.
• A veces se utiliza equipo para acondicionamiento de gases para
mejorar el funcionamiento de los PE al cambiar la resistividad del
polvo como parte integral del diseño original
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN • Flujo de 1000 a 100,000 cfm
• Hasta los 700°C
• Carga de 0.5 a 5 gr/cf
• Eficiencia máxima con resistividades
entre 5 x 103 y 2x1010 ohm-cm.
• La menor eficiencia se tiene para
partículas entre .1 a 1µm
P resistividad
De constante dieléctrica
Ec fuerza de campo de carga
Ep fuerza de colección de campo
dp y kc dan la longitud de onda
COLECTORES VÍA HÚMEDA
Lavadores de gases (burbujeadores,
aspersores, lecho empacado)
Venturi
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
Remoción de
contaminantes del aire
por interceptación
directa, por inercia y
difusión.
Como líquido lavador
pueden utilizarse agua,
aceite, solución alcalina o
agua ozonizada
LAVADORES
de cámara por aspersión
Ciclónicos húmedos
Venturi
Son utilizados para la eliminación de:
• Polvos
• Nieblas
• Vapores y olores
También como neutralización de gases
tóxicos
Lavador venturi
Calvert y col. Establecieron un modelo donde
consideraron que toda la pérdida de energía de la
corriente del gas se emplea para acelerar las
gotas del líquido hasta la velocidad del gas en la
garganta del venturi.
Donde:
Q= máximo caudal volumétrico del aire (m/s)
A= área de la garganta (m2)
ΔP= caída de presión a través del venturi (mmH20
ρsat = densidad del gas en la saturación (Kg/m3)
C= factor de corrección de Cunningham, cte para separadores
venturi con sección convergente de 30° y divergente de 10° a 12°
y ρg 1kg/m3
Venturi (Colectores húmedos)
k = Coeficiente de correlación (m3 gas/ m3 liquido) = 5.2 x 10 -6
v = Velocidad del gas en la garganta del venturi (m/s)
Ρg= densidad del gas (Kg/m3)
L/G= relación liquido a gas
ADSORBEDORES DE GASES
• El contaminante es adsorbido en la superficie de un gránulo, perla o material adsorbente.
• El material es retenido físicamente la energía de adhesión no es muy alta y puede ser liberado (desorbido) fácilmente mediante calor o al vacío.
UNAM-Facultad de Química
ADSORCIÓN POR CICLOS
UNAM-Facultad de Química
Aplicaciones de la adsorción en Ingeniería
Ambiental
En la industria alimentaria:
Decoloración en la industria azucarera
Decoloración de aceites en la refinación
En Ingeniería Ambiental:
Desulfuración del gas natural (eliminación del H2S)
Eliminación de agua de efluentes gaseosos (secado)
Eliminación de olores e impurezas desagradables de gases
industriales como el dióxido de carbono o del aire
Recuperación de compuestos orgánicos volátiles (acetona) de
corrientes gaseosas
Procesos de potabilización de aguas:
- Control de sabor y olor
- Eliminación de microcontaminantes
- Eliminación de exceso de desinfectante (cloro, ozono)
Depuración de aguas residuales: tratamiento terciario
UNAM-Facultad de Química
Equipos de adsorción
UNAM-Facultad de Química
Modelos isotermas de adsorción
Diseño de un
proceso de
adsorción
Selección del
adsorbente
Transferencia de
materia
Capacidad de adsorción de soluto que
tiene el sólido
El fluido que contiene el soluto o adsorbato se hace pasar por
el sólido adsorbente a T cte y se mide la concentración de
adsorbato a la salida
ISOTERMA DE ADSORCIÓN
Relación de equilibrio entre la concentración de adsorbato en la fase
fluida y la concentración en las partículas de adsorbente a una
temperatura determinada
ADSORBENTES UTILIZADOS
• Carbón activado - se activa mediante la pirolisis del carbón mineral, madera, cáscara de coco, viruta, etc. para eliminar todo material volátil.
• Zeolita - es una estructura cristalina de aluminosilicato que posee poros de tamaño uniforme
• Polímeros adsorbentes
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN
• Reducen las concentraciones de COV de 400 -2,000 a 50
ppm.
• Temperatura de desorción de 121 a 177 °C
• Se alcanza la saturación cuando se encuentra una
elevación notable en la concentración del efluente.
• Tiempo de operación
UNAM-Facultad de Química
ABSORCIÓN DE GASES
Absorción de gases: proceso para separar uno o más componentes (el
soluto) de una fase gaseosa por medio de una fase líquida donde los
componentes a eliminar son solubles (los restantes componentes son
insolubles). Se produce una transferencia de materia entre dos fases
inmiscibles.
A
Fase Y Fase X
z
xA
yA
yA
yAi
xAi
xA
Interfase
Ejemplo: eliminación de amoníaco a partir de una mezcla de amoníaco
y aire por medio de agua líquida. Posteriormente se recupera el soluto
del líquido por destilación u otra técnica y el líquido absorbente se
puede desechar o reutilizar.
UNAM-Facultad de Química
APLICACIONES DE LA ABSORCIÓN DE
GASES Recuperar productos de corrientes gaseosas con fines de
producción
Control de emisiones de contaminantes a la atmósfera,
reteniendo las sustancias contaminantes (compuestos de
azufre, clorados y fluorados)
Recuperación de gases ácidos como H2S, mercaptanos y
CO2 con disoluciones de aminas
Producción industrial de disoluciones ácidas o básicas en
agua (ácidos clorhídrico, sulfúrico y nítrico o hidróxido
amónico)
Eliminación de SO2 de gases de combustión con disoluciones
acuosas de hidróxido de sodio
Eliminación de óxidos de nitrógeno con disoluciones de
agentes oxidantes
UNAM-Facultad de Química
Equipos en los que se produce la
adsorción/desorción de gases
Columnas
empacadas
Columnas de
platos
UNAM-Facultad de Química
Columnas empacadas
Entrada
de gas
Salida
de gas
Entrada
de
líquido
Salida de
líquido
Relleno
montura Berl
montura Intalox
anillo Raschig
anillo Pall
El empaque
proporciona
una extensa
área de
contacto entre
las faese
UNAM-Facultad de Química
Selección
del
disolvente
Solubilidad
Volatilidad
Otras consideracio
nes
Corrosividad y costo
Viscosidad
UNAM-Facultad de Química
Selección del disolvente
Solubilidad Debe ser elevada, aumentando la
efectividad de absorción diminuyendo
la cantidad necesaria del solvente
Volatilidad
El solvente debe tener una presión de
vapor baja, debido a que el gas saliente
en la operación de absorción esta
saturado con el disolvente y puede
perderse gran cantidad
Viscosidad
Debe ser baja para favorecer la
absorción y además mejorar las
características de inundación en las
torres de absorción y mejorar la
transferencia de calor
UNAM-Facultad de Química
Corrosividad
y costo
Debe ser poco corrosivo para evitar
desgaste
Económico para que las pérdidas no
resulten costosas
Otras
consideraciones
El solvente deberá ser no tóxico, no
inflamable, quimicamente estable
y tener un alto punto de
congelación
Selección del disolvente
UNAM-Facultad de Química
DISEÑO DE UNA COLUMNA EMPACADA
Se debe conseguir el máximo de transferencia de componentes con
el mínimo consumo de energía y de tamaño de columna, es decir,
con el mínimo costo.
Diseñar una
columna de
absorción
Calcular la altura del
relleno para lograr la
separación deseada
Datos de diseño que son conocidos
normalmente:
Condiciones de operación de la
columna: PT y T
Composición de las corrientes de
entrada
Composición del gas a la salida
Diámetro de la
columna
Caudales de las dos
fases
Tipo de relleno.
Otros parámetros de diseño:
UNAM-Facultad de Química
P1
Y1
y1
G1
G2 P2
Y2
y2
X1
x1 L1
L2
X2
x2
P
T
T
Ls Gs
1
2
LS (mol C/s m2)
GS (mol B/s m2)
Y (mol A/mol B)
X (mol A/mol C)
Se va a estudiar el caso de absorción, en estado estacionario, de
un soluto A desde una mezcla gaseosa con B mediante un
absorbente líquido C
DISEÑO DE UNA COLUMNA EMPACADA
S
LL = L (1-x) =
1+XS
GG = G (1-y) =
1+Y
X x
x = X =1+X 1-x
T T
Y P y Py = = Y = =
1+Y P 1-y P -P
L y G: caudales de líquido y
gas (mol/s m2)
x e y: fracciones molares de
líquido y gas
UNAM-Facultad de Química
CÁLCULO DE LA ALTURA DEL
EMPAQUE Punto de vista macroscópico: Determinar el número de etapas o
platos teóricos, NPT, y disponer de la altura equivalente a un piso
teórico, AEPT.
h = NPT · AEPT
P1
Y1
y1
G1
G2 P2
Y2
y2
X1
x1 L1
L2
X2
x2
P
T
T
Ls Gs
1
2
S 1 S 2 S 2 S 1G ·Y + L ·X = G ·Y + L ·X
Balance de materia (soluto, A)
S S1 2 2 1
S S
L LY = Y - ·X + ·X
G G
UNAM-Facultad de Química
Con la línea de operación en
el diagrama X-Y (LS,óptimo
varía entre 1.2 y 1.5 veces el
valor de LS,mínimo) el cálculo
del número de etapas o
platos teóricos, NPT, para la
separación deseada es
inmediato.
INCINERADORES
INCINERACIÓN
• Es uno de los métodos mejor conocidos de dispo-
sición de gas residual industrial. Contrario a la
adsorción con carbón, la incineración es un
método de disposición final en el que los
compuestos combustibles contenidos en el gas
residual son convertidos en vez de recolectados.
• La eficiencia varia del 98 al 99.9999%
PRINCIPIO (TÉRMICO)
La incineración, u oxidación termal, es el proceso de oxidar materiales combustibles elevando la temperatura del material por arriba de su punto de autoignición en la presencia de oxígeno, y manteniéndolo a alta temperatura por un tiempo suficiente para completar su combustión a bióxido de carbono y agua. Tanto el tiempo como la temperatura, la turbulencia (para mezclado), y la disponibilidad de oxígeno afectan la velocidad y la eficiencia del proceso de combustión.
PRINCIPIO (CATALÍTICA)
La incineración catalítica es similar a la térmico, la diferencia principal de que el gas, después de atravesar el área de la flama, pasa a través de un lecho de catalizador. El catalizador tiene el efecto de incrementar la velocidad de la reacción de oxidación, permitiendo al conversión a menores temperaturas de reacción que en las unidades de incineradores térmicos.
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN (TÉRMICA)
• Flujo de 500 a 5,000 scfm
• Temperatura de 980 a 1200 °C
• Carga: concentración < 25%LEI Límite de explosividad
inferior. Los incineradores termicos trabajan mejor a
concentraciones de 1,500 a 3,000 ppmv.
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN (CATALÍTICA)
• Flujo de 700 a 50,000 scfm
• Temperatura de 320 a 430 °C
• Carga: concentración < 25%LEI Límite de explosividad
inferior.
• Las características de la corriente de entrada pueden inhibir
a el catalizador.
EFICIENCIA
Las condiciones típicas de diseño necesarias para satisfacer un control de 98% o una concentración de salida del compuesto de 20 partes por millón por volumen (ppmv) son: una temperatura de 870°C (1600°F), un tiempo de residencia de 0.75 segundo, y un mezclado adecuado. Para las corrientes de COV halogenados, se recomienda una temperatura de combustión de 1100°C (2000°F), un tiempo de residencia de 1.0 segundo, y el uso de un depurador de gases ácidos en el ducto de salida.
INCINERADOR
UNAM-Facultad de Química
PROCESO DE ENDULZAMIENTO
Endulzamiento del gas: Remover los contaminantes ácidos (H2S) y CO2)
del gas húmedo amargo. <proceso de absorción selectiva mediante una
solución acuosa a base de una formulación de amina, el producto se le
conoce como “gas dulce”
Proceso
Girbotol
UNAM-Facultad de Química
Recuperación de azufre: El gas ácido (H2S + CO2) pasa por un reactor
térmico Y posteriormente a dos reactores catalíticos donde el H2S se
convierte en azufre elemental .
Combustión el
H2S es
convertido en
SO2, un gas
que es menos
contaminante
que el H2S