TEMA : Control de la Emisiones Industriales de Aire (Universidad del Per. DECANA DE AMRICA) FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

E. A. P. INGENIERA TEXTIL Y CONFECCIONES DOCENTE: Ing. Ana M. Medina Escudero unmsm.amme@gmail.com

I. INTRODUCCIN Las emisiones industriales de aire estn reguladas, con objeto de mantener una calidad aceptable del aire conforme a estndares nacionales e internacionales.

La industria cumple esos estndares utilizando tecnologas de reduccin de emisiones.

El diseo del equipo para la reduccin de emisiones de aire es una tarea difcil y compleja.

Se requiere conocimientos de las propiedades fsicas y qumica de la corriente de emisiones, adems de la comprensin de una amplia gama de equipos disponibles y de cmo operan.

Hay 3 opciones generales en cuanto a la reduccin de emisiones: Minimizacin de residuos (de materiales en bruto, de un producto o de un subproducto). Recuperacin y reciclaje Destruccin o vertido.

ii. CARACTERIZACION DE LAS CORRIENTES DE AIRE La purificacin de una corriente gaseosa implica la manipulacin de sus propiedades fsicas, qumicas y, a veces, biolgicas. Esto se debe a la gran variedad de opciones en equipos de reduccin de emisiones que existen hoy en da.

EJEMPLO: Los ciclones separan las partculas de un gas utilizando la diferencia entre las densidades.Las propiedades medibles mas importantes de una corriente incluyen: La composicin El caudal o velocidad de flujo La temperatura La presin Cicln

En base a esta informacin se puede reducir la lista para la eleccin del equipo de reduccin.

Para realizar la eleccin final, el resto de la informacin necesaria es: La variabilidad de la composicin, caudal, temperatura y presin de la corriente (es decir, durante la puesta en marcha y la parada). Las propiedades corrosivas de la corriente tanto en liquido como en gas.

3. La explosividad de la corriente. Esto es especialmente importante cuando se trata de COV (petrleo). Deben conocerse propiedades como punto de inflamacin, la temperatura de auto ignicin y la concentracin a la cual forma una mezcla explosiva con el aire, conocida como Limite Explosivo Inferior (LEL).

En relacin con cada componente de la corriente, puede ser necesaria la informacin siguiente, o parte de ella: Formula y masa molecular. Puntos de ebullicin y de congelacin. Solubilidad Propiedades de adsorcin y absorcin. Comportamiento qumico/reactividad. Calores de absorcin, de condensacin y de solucin. Distribucin del tamao de partcula y densidades de los slidos. Umbral de olores. Efectos en la salud. pH Curva de presin de vapor. Adsorcin

III. SELECCIN DE EQUIPO En la seleccin de equipo primero se considera el tipo de compuestos que se han de separar, que se pueden clasificar en tres grandes categoras:

COV, definidos como cualquier sustancia o mezcla orgnica que puede liberar vapor a la atmosfera y con potencial para causar efectos ambientales a bajos niveles atmosfricos (Chemical Industries Association (CIA), 1992). Compuestos inorgnicos. Materia particulada.

Los componentes de la corriente determinaran el tipo de equipo que se puede usar en cada aplicacin.

Los principales tipos de equipos en uso hoy en da son: Incineradores Torres de adsorcin Condensadores Filtros Lavadores Torres de absorcin Diversos dispositivos de recogida de partculas. Convertidor catalticoTorre de Absorcin

TABLA N 1: TECNOLOGIAS DE CONTROL DE EMISIONES DE AIRE

METODO VAPORES ORGANICOSVAPORES INORGANICOS MATERIA PARTICULADAIncineracin Adsorcin Condensacin Absorcin Filtracin ESP Lavadores

TABLA N 2: EFICIENCIAS DE SEPARACION DE COV

TECNOLOGA CONCENTRACIN A LA ENTRADA (ppm)EFICIENCIA (%)Condensacin > 5.000> 2.500> 50095+90+50+Absorcin > 5.000> 500> 200 99+95+90+Adsorcin > 5.000> 1.000> 20099+95+90+Incineracin trmica > 100 > 20 99+95+Incineracin cataltica > 100 > 5095+90+

TABLA N 3: TECNOLOGAS DE SEPARACIN GAS SLIDO

TECNOLOGATAMAO DE PARTCULA APLICABLE (m)EFICIENCIA Cmara de Sedimentacin por gravedad > 150 95% en partculas > 300 mCicln > 1080% en partculas < 20 mTorre de Rociado > 3 98% en particulas > 5 mFiltro > 0.595-99% en particulas < 5 m ESP> 0.00180 99%

TRATAMIENTO Y CONTROL DE EMISIONESEsto se puede lograr con las siguientes acciones:Reducir o eliminar la produccin de los gases indeseables.Inducir a los gases a reaccionar despus de su produccin para generar emisiones diferentes (menos contaminantes).Extraer de manera selectiva el producto indeseable de una corriente gaseosa por absorcin (que es la transferencia de molculas gaseosas a un lquido).Extraer de manera selectiva el producto indeseable de una corriente gaseosa por adsorcin (que es el depsito de molculas gaseosas en una superficie slida).

Debido a que las concentraciones de los contaminantes del aire son generalmente demasiado pequeas, se utilizan unidades especiales de concentracin. Entre las principales se tienen:

1.- ppm (partes por milln por volumen).- Esta unidad se utiliza exclusivamente para contaminantes gaseosos, y se define como: ppm = (Vcontaminante/Vmezcla) x 106 (1)

Donde:Vcontaminante = volumen parcial ocupado por el contaminante en la mezcla a una presin total P y a una temperatura TVmezcla = volumen total ocupado por la mezcla a la misma T y PIV. FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIN DE LOS CONTAMINANTES DEL AIRE

2.- C (microgramos del contaminante por metro cbico de aire).- Se utiliza tanto para contaminantes gaseosos como para material particulado. Simblicamente se expresa como:

C = microgramos/ metro cbico = g/m3(2)3.- Relacin entre las dos unidades de concentracin anteriores. Tomando como base la ley de los gases ideales aplicada a una mezcla de aire y contaminantes, se tiene:

ppm = (8,314) (T C) / (P Mi) (3)

Donde:Mi = peso molecular del contaminanteT = grados Kelvin (K)P = pascales (Pa)

Ejemplo ilustrativo.- Se ha encontrado que la concentracin del SO2 en el aire de una zona urbana es de 0,10 ppm. Suponiendo que se desarrolle un procedimiento para recuperar el 50% de este compuesto a partir del aire atmosfrico y pueda ser convertido en cido sulfrico. Calcular el nivel de produccin en kilogramos de cido por kilmetro cbico de aire. Las condiciones atmosfricas son 300 K y 1 bar. Datos: Mi = 64

Reacciones: SO2 + O2 SO3 SO3 + H2O H2SO4

1.- Se expresa la concentracin del contaminante en microgramos por metro cbico, rearreglando la ecuacin (3): C = [ (P Mi) / (8,314 T ) ] (ppm) (4)

Reemplazando valores y teniendo en cuenta que P = 1 bar = 105 Pa, se tiene que:

C = 257 g de SO2/m3

2.- Tomando como base de clculo 1 kilmetro cbico de aire a 300 K y 1 bar; y las reacciones: SO2 + O2 SO3 64 SO3 + H2O H2SO4 98

La cantidad de cido a obtener es:CH2SO4 = (257 g SO2/m3)[(103 m)3/km3)][1kg SO2/109 g SO2][98 kg H2SO4/ 64 kg SO2] (0,5)

CH2SO4 = 197 kg H2SO4/ km3 aire

Consideraciones iniciales:Se considera una partcula a aquella porcin de materia comprendida entre 1 m (o menos) hasta mayores de 100 m.

2) Los colectores de partculas se clasifican en trminos amplios de acuerdo con los principios fsicos del mecanismo de recoleccin. Es as que se tienen:

Cmaras de sedimentacin (por gravedad).Colectores inerciales (por ejemplo: ciclones).Colectores hmedosColectores de tela (o material fibroso)Precipitadores electrostticos (PES) v. CONTROL DE LA EMISIN DE PARTCULAS

5.1.- CMARAS DE SEDIMENTACIN POR GRAVEDAD

1.1.- Fundamento de su operacin: Las cmaras de sedimentacin por gravedad son colectores sencillos y econmicos en los cuales las fuerzas gravitatorias dominan el movimiento vertical de las partculas.

1.2.- Caractersticas:Son simples expansiones de un conducto.La velocidad horizontal de las partculas se reduce para dar tiempo a que sedimenten por gravedad.

1.3.- Fuerzas que actan en las partculas:(1) Fuerza de resistencia al movimiento o viscosidad (FD).(2) Fuerza de gravedad (FG).(3) Fuerza viscosa de resistencia al avance (FH). Esquemticamente:

FIGURA N 1: ANLISIS DE UNA PARTCULA Corriente gaseosaFD = fuerza viscosa FH = fuerza viscosa de resistencia al avanceDireccin del movimiento de la partculaFlujo del aerosolFG = fuerza gravitacional

Observaciones: El componente horizontal de la FD es despreciable porque la partcula se mueve a la velocidad de la corriente gaseosa. La partcula cae a vt = velocidad terminal.Gas sucio Gas limpioLH

1.4.- Relaciones de diseo:(1) Eficiencia del colector (g): g = 1 exp { - vt [L/ v H] } (1) Tambin se puede emplear una simplificacin de la Ley de Stokes: g = 1 exp { - g dp2 p / 18 [L/ v H] } (2) Donde: g = eficiencia de separacin L = longitud del colector (m) H = profundidad del colector (m) dp = dimetro de la partcula (m) v = velocidad horizontal del gas y de las partculas en el colector (m/s) p = densidad de la partcula (kg/m3) = viscosidad del fludo (kg/m.s) (2) Dimetro de corte al X % .- Se define como el dimetro de partcula en el cual g = 0,X ( X %), es decir si g = 0,50 , se recolecta el 50% de partculas de ese dimetro y el (1-0,50) se pierde.

Ejemplo ilustrativo.- Calcule el dimetro de corte del 50% para partculas de cal viva (CaO) suspendidas en una corriente de aire a 100 C, a la presin atmosfrica y que estn en una cmara de sedimentacin por gravedad de 3,5 m de largo y 1 m de altura cuando la velocidad del gas en el colector es 1,5 m/s. Datos adicionales: p = 3 310 kg/m3 aire = 2,17 x10 5 N.s/m2 = 2,17 x10 5 kg/m.s (a 100C).

Solucin:1.- Anlisis de los datos: Si se compara la densidad de la partcula con la densidad del aire a la temperatura de operacin, se puede concluir que hay que usar la Ley de Stokes simplificada.

As: aire(100C) = (T0/T100) aire(0 C) = (273/373) x 1,29 kg/m3 = 0,944 kg/m3

2.- Procedimiento de solucin: 2.1.- Deducir la ecuacin para el dp, partiendo de la ecuacin de la eficiencia, que tiene implcita la velocidad de sedimentacin.2.2.- Con los supuestos necesarios calcular dp.2.3.- Analizar los resultados.

3.- Desarrollo del procedimiento: 3.1.- De: g = 1 exp { - g dp2 p / 18 [L/ v H] } (1) 1 - g = exp { - g dp2 p / 18 [L/ v H] } (2)

ln (1 - g ) = - g dp2 p / 18 [L/ v H] (3) dp = [ - ln (1 - g ) (18 / g p) (v H/L) ]1/2 (4)

3.2.- Reemplazando valores: dp = [(- ln (0,5) x 18 x 2,17 x 105 x 1,5 x 1)/(9,81 x 3310 x 3, 5) m2]1/2

dp = (35,73 x 10-5) 1/2 m

dp 60 m

3.3.- Anlisis de los resultados: El dimetro de corte no es un dimetro definido y en la prctica se recolectan partculas de tamao mayor y menor que el dp (50%).

La distribucin de frecuencias de las partculas recolectadas se centra en dp (50%).

Las predicciones del diseo a causa de turbulencias y variaciones de flujo influye en forma considerable en el rendimiento del colector.

Se debe hacer la compensacin de las desviaciones introduciendo coeficientes empricos que dependan de las caractersticas fsicas del equipo y del tipo de partculas (es decir, de sus caractersticas intrnsecas).

VI. CASOS ESPECIALESHay dos tipos principales de desulfuracin de gases de combustin. Uno de ellos genera un residuo que se debe desechar. El otro convierte el dixido de azufre (y el trixido de azufre) en un producto comercializable.

Muchos de los procesos de desulfuracin de gases de combustin se centran en torres de absorcin donde los dixidos de azufre se absorben qumicamente por una corriente liquida alcalina. Se clasifican en hmedo o secos, dependiendo la fase en que ocurra la reaccin. 6.1 DESULFURACIN DE GASES DE COMBUSTIN

QUMICA DE LA DESULFURACIN DE GASES DE COMBUSTIN Los sistemas no regenerativos se basan en la reaccin del dixido de azufre con uno o mas de los compuestos siguientes: cal viva (CaO), sosa caustica (NaOH), sosa comercial (Na2CO3), amoniaco (NH3), cal apagada (Ca(OH)2), carbonato de calcio (CaCO3) y ceniza de dolomita (MgCO3 + CaCO3, MgCO3 principalmente).

Los mecanismos de la reaccin no estn bien definidos y vienen influidos tanto por el origen como por el mtodo de procesado de las materias primas (Davis y Cornwell, 1991).

Algunas de la reacciones son:

SO2 + CaO CaSO3 2CaSO3 + O2 2 CaSO4

CaCO3 + SO2 CaSO3 + CO2

6.2 SEPARACIN DE NOX El NOx implica dos xidos principales: 1. El oxido de nitrgeno (NO), en la combustin es el compuesto dominante. 2. Dixido de nitrgeno (NO2), un derivado, corriente abajo del NO.

Hay tres mecanismos principales en la produccin de NOx en los procesos de combustin: A partir de la reaccin del N2 del aire del combustible con el oxigeno a las altas temperaturas de una cmara de combustin.A partir del nitrgeno del combustible. A partir de las reacciones de los radicales derivados de los combustibles con N2 el cual termina como NO.

Para controlar las emisiones de NOx de forma efectiva, debe conocerse el mecanismo dominante de formacin. Existen varias maneras de controlar dichas emisiones.

QUMICA DE LA FORMACIN DE NOx

El modelo de formacin de NOx utilizado mas ampliamente y el mas simple es el mecanismo de Zeldovich, que puede expresarse qumicamente de la siguiente forma:

N2 + O NO + N

O2 + N NO + O

OH + N NO + H

Estas reacciones pueden considerarse independiente de la reaccin principal del quemado de combustible que se produce en calderas y hornos.

Dichas reacciones se producen a la alta temperatura de la llama en si. En efecto, se ha observado que la formacin de NOx no ocurre hasta los 1800 K y que el NOx presente depende la temperatura (Lefebvre, 1983).

MINIMIZACIN DE LA FORMACIN DE NOxEn el diseo del equipo es necesario equilibrar los requerimientos del proceso de combustin con la formacin de NOx.

Alternativas: Manipulacin de las reacciones qumicas antes mencionadas. Ejemplo: minimizando la cantidad de oxigeno presente. Recirculacin del gas de combustin, que acta reduciendo el pico de temperatura de la llama y la cantidad de oxigeno presente. Inyectando agua en la cmara de combustin, la temperatura se reduce debido a la energa absorbida por el calor latente del agua. Usar la combustin por etapas para reducir la temperatura pico. Se puede utilizar hasta tres etapas pero requiere un control muy estricto tanto del flujo de aire como del de combustible en cada etapa.

En los 70, se descubri que inyectando amoniaco en la llama del horno se reduca la formacin de NOx. Posteriormente se descubri que la inyeccin de urea funcionaba incluso mejor que la del amoniaco.

Actualmente el amoniaco se utiliza en conjuncin con un catalizador en la tcnica conocida como la reduccin Cataltica Selectiva (SCR).

La Reduccin Selectiva No Cataltica (SNCR) es un mtodo post combustin de eliminacin de emisiones de NOx.

TABLA N 4: MTODOS DE REDUCCIN DE NOx

METODO APLICABILIDADREDUCCION DE NOx (%)Recirculacin de gases de combustin Reduccin de NOx trmico 70 80 Quemadores de bajo NOx Reduccin de NOx de fuel y trmico 10 25Quemadores en etapa Reduccin de NOx de fuel y trmico 40 70 Reduccin cataltica selectiva Reduccin de NOx de fuel y trmico 80 90 Reduccin no cataltica selectiva Reduccin de NOx de fuel y trmico (no aplicable a pequeas calderas o turbinas de gas) 60 80

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