Equipos de Control de Emisiones

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.


• 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


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


Equipos de adsorción


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


• 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


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.


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


Equipos en los que se produce la

adsorción/desorción de gases

Columnas

empacadas

Columnas de

platos


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


Selección

del

disolvente

Solubilidad

Volatilidad

Otras consideracio

nes

Corrosividad y costo

Viscosidad


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


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


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:


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


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


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


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


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

Documents

Equipos de Control de Emisiones