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EQUIPOS DE CONTROL DE EMISIONES ATMOSFERICAS

Cada día que pasa, van mejorando las regulaciones ambientales en todo ámbito alrededor del mundo. Por un lado, se ha mejorado la percepción de realizar medidas mitigadoras que colaboren con el medioambiente y el entorno y, por otro, también se ha avanzado en las regulaciones en las áreas de trabajo internas de las empresas, que van en directa relación con la calidad de vida y salud de las personas. En general existen varios tipos de contaminantes en el aire, pero podríamos agruparlos en tres grandes conjuntos.

Olores Gases Material Particulado

En esta ocasión he querido explicar de un punto de vista conceptual los procesos y componentes que componen los sistemas de GT o MP, en donde todos tienen los mismos elementos, cambiando sólo el tipo de filtro utilizado y la forma de filtrar. El abatimiento del material particulado, gases y olores en las industrias es una necesidad imperiosa para mejorar la calidad del aire. Este post ofrece una visión total acerca de las funciones, ventajas y limitaciones de los sistemas que involucran sistemas de ventilación y filtración. Es conocido que los sistemas de filtración constituyen tecnologías relevantes en lo que se refiere a descontaminación y preservación del medio ambiente. Esta es una verdad prácticamente absoluta. Dentro de toda la gama de filtros que se ofrecen en el mercado, por tratarse de una solución tradicional y eficiente en términos de retención del material particulado, los filtros de manga ocupan un lugar preferente, siendo un poco más dispersos los equipos para abatir gases. Lo anterior obedece básicamente a que el material particulado no se subdivide en componentes, es decir, tratándose de MP sólo importa el tamaño de la partícula, sin embargo, los gases tienen diferentes tipos de tratamientos o formas de abatir, absorber o adsorber los contaminantes dependiendo de cuál es el tipo especifico, llámese SOx, NOx, COV, NH3, H2S, etc.

Sistemas de control de emisiones

En general existen dos problemas básicos a resolver en cualquier sistema de control de emisiones:

 Por una parte se necesita extraer los contaminantes generados en un lugar específico (fuente)

 Y por otro, separar los contaminantes del flujo de aire para evacuar este último al medioambiente con el mínimo de impurezas o dentro de los parámetros permitidos por las legislaciones particulares de cada geografía. Es importante aclarar que no existen sistemas con una eficiencia del 100%, por lo que en cualquier proceso siempre se generarán contaminantes, ya sea en los lugares de trabajo o hacia el medioambiente. En el esquema siguiente podemos ver de forma muy simple la problemática del control de emisiones:

Emisión

La emisión corresponde al proceso industrial que produce una generación de polvo debido básicamente a la arquitectura del proceso en particular. Las emisiones son generadas en una fuente, la cual puede ser un punto de trabajo, una chimenea que arroja gases combustionados a la atmosfera, procesos de molienda, carga y descarga de materiales granulados o en polvo, procesos de soldadura, emisiones gaseosas en equipos de plantas depuradoras, procesos de fundición y en general cualquier proceso que permita a los contaminantes en reposo romper su inercia para ser proyectado a un estado de suspensión. El control de la fuente, que está relacionada con la proyección de contaminantes hacia la atmosfera que rodea el punto de emisión, es un ítem muy relevante en el diseño de sistemas de control de emisiones, primero porque un mal control de esta parte, hace que el sistema no solucione el problema de fondo que es extraer los contaminantes desde los puntos de trabajo y, por ende, exista emisión no controlada hacia el medioambiente o la atmosfera en los lugares de trabajo. Las emisiones de MP, Gases y olores se genera en prácticamente todos los procesos industriales donde exista transporte de materiales, variación de tamaño de producto sólido, en el 100% de las instalaciones de PTAS o Tratamiento y secado de lodos y muchos otros procesos industriales como Plantas de Chancado, Carga de Camiones, Plantas de Cemento, Plantas de Secado, Plantas de Alimentos, Plantas de Tabaco, etc.

Recolección

La recolección se puede definir como la solución de ingeniería para encapsular las fuentes, controlar las emisiones y extraer de forma controlada éstas hacia un lugar especifico. Predominantemente en este punto, es muy importante el diseño de encerramientos adecuados y geometría de campanas de succión; para lograr una buena eficiencia y eficacia se hace necesario trabajar con velocidades de captura adecuadas y ángulos de arrastre dentro de las campanas que eviten al máximo las perdidas de presión dinámica en la boca de éstas. Los encerramientos deben diseñarse de acuerdo a cada proceso en particular y debe evitarse interferir en lo posible con el flujo productivo normal sin un sistema de control de emisiones; existen encerramientos fijos, móviles, flexibles o rígidos. Los materiales de construcción dependerán siempre de los datos del proceso y la fuente que se requiere controlar, tales como: temperatura, humedad ambiente, corrosividad, abrasividad, etc.

Conducción

Los conductos son los encargados de llevar el material desde el punto de control de la fuente, hasta el punto donde se controlarán las emisiones (sistema de filtración). Existen

dos tipos de conducción de material a través de conductos: alta velocidad y baja velocidad, que dependerán del tipo de contaminante y la conceptualización que realice el Ingeniero de Proyectos respectivo:

 ALTA VELOCIDAD: son los sistemas tradicionales y más comúnmente utilizados en la industria. Las velocidades de transporte en los conductos varía entre los 14 m/s a los 27 m/s, dependiendo del tipo de material a transportar y se deben considerar datos como granulometría, abrasividad, peso especifico, contenido de humedad, propiedades higroscópicas, contenido de ácidos, existencia de material particulado o gases, etc. Estos sistemas se caracterizan por una geometría de diseño bastante flexible, puesto que no tiene muchas restricciones de espacio y posiciones del ducto, se utiliza en la mayoría de las instalaciones estándares de control de emisiones con presencia de MP. En caso de sistemas para control de Material particulado tiene algunas desventajas relacionadas, en primer lugar, con que con velocidades cercanas a los 19 m/s o mayores y con condiciones de abrasividad severa del producto transportado, se generan desgastes en codos, transiciones y campanas, que requieren recambios periódicos o utilización de materiales bimetálicos que resistan la abrasión. En segundo lugar, si los sistemas tienen ritmos de operación discontinuos, el polvo que está siendo transportado, en el momento de parar el sistema, queda depositado al fondo de los ductos, lo que disminuye aún mas el área de transporte, aumentando la velocidad y agravando el primer problema de abrasividad. Por lo general, este polvo depositado en el fondo del conducto no es removido al volver a poner en marcha el sistema, puesto que la inercia de la masa de partículas es mayor a la energía cinética del flujo de aire a estas velocidades.

 BAJA VELOCIDAD: Este tipo de instalaciones es menos frecuente, utiliza velocidades de transporte en los conductos que varían entre los 9 m/s a los 12 m/s. Como en la mayoría de los sistemas de extracción existen partículas arrastradas con una masa mayor que tienden a decantar a medida que pierden su energía cinética, es necesario en estos sistemas un diseño con conductos en posiciones que permitan decantar al polvo hacia la fuente o hacia el equipo de control. Esto se logra con conductos en posición semi-vertical a determinados ángulos que permiten que este fenómeno se lleve a efecto. En general, este tipo de sistemas producen muy poco o nulo desgaste en transiciones y codos, sin embargo la principal desventaja son los espacios

requeridos en altura, lo cual acota su utilización a algunas compañías mineras, o grandes industrias cementeras.

Filtración

El segundo problema que se debe solucionar es cómo evacuar la masa de aire al medioambiente sin contaminantes, y es aquí donde entra en juego el equipo encargado del filtrado (entiéndase por filtrado, la separación mecánica o química de los contaminantes del flujo de aire) para convertirlo en aire limpio. Si bien es cierto existen muchos equipos que permiten el abatimiento de contaminantes dentro de un flujo de gases, podemos mencionar los más utilizados y más eficientes dependiendo de la aplicación: 1. Material Particulado

    

Filtro de Mangas

   

Lavadores húmedos

Filtro de Cartridge Precipitador electroestático Precipitador hidroestatico

Equipos Lavadores 2. Gases Lavadores semisecos Sistemas de adsorción

Biofiltros 3. Olores (COV)

 Biofiltros  Torres de absorción química Acida  Torres de absorción química basica

Evacuación Si bien es cierto que es el ventilador el que evacua desde el equipo de filtración hacia el medioambiente, como equipo tiene tanta importancia como el propio filtro, pues es el que induce al sistema la energía necesaria para transportar el flujo de aire y contaminantes, desde la fuente en el punto de emisión, hasta el medioambiente en una chimenea de descarga. Debe permitir vencer las perdidas de carga debido a encerramientos, campanas, conductos y filtro. El objetivo fundamental de este equipo es producir el movimiento de la masa de aire a través del sistema y equipo filtrante. De ahí que resulte importante la selección del modelo adecuado. Se debe tener en cuenta las condiciones de caudal y pérdidas por presión que necesitan los conductos y el equipo filtrante, así como las condiciones de operación, humedad, temperatura, altitud de las instalaciones, entre otras. Los ventiladores pueden clasificarse en tres grandes grupos: axiales, centrífugos y mixtos. Sin embargo para el caso de instalaciones típicas de tratamiento de emisiones se utilizan mayoritariamente los centrífugos, debido a su amplia gama de presiones de trabajo disponibles.

Si bien es cierto que los diferentes componentes tienen una importancia clara dentro del funcionamiento del sistema, no es raro encontrarse con comentarios de fallas en los equipos de filtración cuando el sistema no funciona adecuadamente. Y es que el funcionamiento, la eficiencia del sistema y lograr los resultados esperados está en directa relación con el diseño del sistema.

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Separadores húmedos

Contenidos: Introducción Tipos de separadores: - De baja energía - De media energía - De alta energía Parámetros que afectan al funcionamiento de una torre de limpieza. Características de las partículas Características del gas Pérdida de presión Velocidad del gas y sección de la garganta en el venturi Relación líquido-gas Tamaño de la gota Tiempo de residencia Modelado de una caja de aspersión: de flujo cruzado y a contraflujo.

Introducción: Una torre de limpieza húmeda es un dispositivo de control de la contaminación del aire que remueve material particulado y gases ácidos de las corrientes de gases residuales de fuentes fijas. Este apartado se centra en la eliminación de partículas sólidas. La separación se realiza por medio de una corriente liquida pulverizada (gotas), que es inyectada dentro de una cámara por donde circulan el gas contaminado.Las partículas se ven arrastradas por la corriente líquida hacia la parte inferior del equipo, que será posteriormente recogido y tratado. El contacto de las partículas con el medio líquido puede efectuarse de diversos modos, el equipo más común es el equipo tipo Venturi. La eficacia depende del grado de contacto e interacción que tengan las partículas con el líquido; es por ello que es muy importante la atomización del líquido y un adecuado tiempo de contacto. Los lavadores logran buenas eficiencias de captura para partículas de tamaño de 0.1 a 20 µm. Mecanismos de captación de partículas: Los contaminantes son removidos principalmente a través del impacto, difusión, intercepción y absorción del contaminante sobre pequeñas gotas de líquido, impactación centrífuga, efectos electrostáticos, etc. El impacto y la intercepción es el mecanismo de mayor importancia para partículas de mayor tamaño. Para partículas pequeñas predominará la difusión, la absorción y los efectos electrostáticos. Tipos de colectores húmedos: Hay tres tipos de colectores húmedos dependiendo de la cantidad de energía suministrada o utilizada en el sistema de limpieza. La eficiencia de remonición de partículas está directamente relacionada con la energía requerida por el separador húmedo: Colectores de baja energía. Son aquellos en los que el flujo de aire contaminado pasa por una niebla o cortina de agua. Son para atrapar partículas de más de 50 micras o para hacer reacciones químicas o térmicas con los contaminantes. Los más conocidos son las cajas de aspersión, en los que el flujo contaminado pasa por una cámara en la que se ponen en contacto el gas y el agua mediante la aspersión del líquido.

Lavadores de media energía. En ellos flujo de contaminantes pasa por una serie de mamparas con cortinas de agua o junto a las paredes húmedas de los lavadores, las partículas del contaminante se unen al agua y luego ésta es tratada para separarla de los contaminantes.

Separadores de alta energía. Son aquellos equipos que utilizan la energía para mezclar con gran eficiencia a las emisiones y el agua, los equipos más conocidos son los venturis de alta energía. Estos equipos logran capturar con 99% de eficiencia a partículas de 0.5 de micra. Para lograr estas eficiencias se llegan a tener caídas de presión hasta de 1000 mm de agua, lo que implica el uso de mucha potencia. En el separador de Venturi el gas contaminado circula por un tubo que tiene un estrechamiento, esta constricción hace que el flujo de gas se acelere cuando aumenta lapresión. El flujo de gas recibe un rocío de agua antes o durante la constricción en el tubo. La diferencia de velocidad y presión, y la turbulencia que resulta de la constricción hace que las partículas y el agua se mezclen y

combinen. La reducción de la velocidad en la sección expandida del cuello permite que las gotas de agua con partículas caigan del flujo de gas.

Los parámetros que afectan el funcionamiento global de una torre de limpieza húmedas: No hay un método general para el diseño de un separador húmedo, habrá que ver los requerimientos del efluente y, mediante prueba y error, determinar el óptimo entre los costos, debidos sobre todo a la energía requerida, y la eficiencia de funcionamiento. Los cálculos de pérdida de presión y velocidad en la garganta están referidos exclusivamente a un separador de venturi. Mas adelante se valorará la eficiencia de una caja de aspersión, en la que el término de pérdida de presión es menos importante) Distribución de tamaño y carga de partículas. La eficiencia de un separador húmedo va a depender de forma directa de la distribución del tamaño de partícula. Los colectores húmedos van a tener una buena eficiencia para partículas grandes, de 5 a 10 µm con pérdidas de presión no muy elevadas. Para conseguir eficiencias elevadas en distribuciones de partícula menores, se requerirán de equipos de venturi con separador ciclónico, y altas pérdidas de presión. El aumento de la carga contaminante (mayor masa de partículas en el mismo volumen de aire) se compensará con una mayor relación líquido-gas para mantener la eficiencia de recolección. El instrumento que usualmente se usa para calcular la distribución del tamaño de partículas es el impactador en cascada, que separa las partículas por tamaños, pudiendo medirse posteriormente la masa de cada placa de impacto.

Donde: ηd = eficiencia de recolección total ηj = eficiencia fraccional para el rango de diámetro de partícula j mj = fracción masa para el rango de diámetro de partícula j j = el número de rangos de diámetros de partícula

Ptd = penetración total del dispositivo de colección recolección total

ηd = eficiencia de

Razón del flujo, temperatura y humedad del gas residual. Las características del efluente gaseoso contaminado influirán en el diseño del separador. A mayor flujo volumétrico de gas se necesitará un equipo más grande y un mayor volumen de líquido, el problema radica en que los separadores húmedos no operan a flujos volumétricos muy elevados, a diferencia de los filtros de mangas o los precipitadores electrostáticos que tienen mayor capacidad. La temperatura y humedad del gas residual de entrada van a determinar la evaporación de líquido, tendiendo a aumentar la relación líquido-gas con gases con poca humedad y alta temperatura, en ciertas ocasiones se deberá disponer de un equipo de acondicionamiento del gas de entrada, para disminuir la temperatura. Para calcular la necesidad de líquido en exceso para contrarrestar los efectos de la evaporación, debemos conocer y calcular algunos parámetros del gas residual a la entrada y la salida: El gas que pasa a través del separador sufre un proceso de enfriamiento adiabático, y a la salida se encuentra en el punto de saturación. Subíndices: m = mezcla de aire seco y vapor de agua a = aire seco wv = vapor de agua

Caudal másico de agua evaporada Caudal másico de agua a la salida Caudal másico de agua a la entrada

Caudal volumétrico de agua evaporada. Éste deberá ser el volumen excedente de líquido que se suministre al equipo a causa de la evaporación producida por las condiciones de entrada del gas residual. Densidad del agua

Razón de mezcla. La razón de mezcla a la salida se corresponde con una situación de saturación del aire, se puede calcular mediante el uso de un ábaco psicrométrico, de manera que, partiendo de las condiciones iniciales del gas residual suponemos un enfriamiento adiabático hasta la saturación, situándonos en el punto de humedad y temperatura final del gas.

Caudal másico Caudal volumétrico Peso molecular del gas Volumen de un mol de aire (22,4 l en condiciones normales). Para calcular los diferentes estados de volumen y temperatura, podemos usar la ecuación de gas ideal.

Relación de humedad (V/V)

Pérdida de presión. La velocidad relativa entre el gas y las gotas de líquido aumenta la eficiencia de recolección, pero a mayor velocidad mayor es la caída de presión en el sistema. En los separadores de venturi el aumento de la velocidad se consigue con el estrechamiento de la garganta.

ΔP = caída de presión a través del venturi (mmH2O) v = velocidad de garganta (m/s) ρg = densidad del gas (Kg/m3) L/G = relación líquido a gas (l/m3) k = factor de correlación para un diseño específico de torre de limpieza. Una de las ecuaciones más aceptadas para un separador de venturi es la de Calvert, con K=5,2*10-6

Pt Penetración de partículas Ci y Co = concentración (masa sólido/masa aire) de partículas