CUARTA UNIDAD “TECNOLOGIA DE CONTROL DEbiblioteca.iplacex.cl/RCA/Tecnología de control de...

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“TECNOLOGIA DE CONTROL DE CONTAMINANTES EN EMISIONES GASEOSAS” CUARTA UNIDAD 1
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  • TECNOLOGIA DE CONTROL DE CONTAMINANTES EN EMISIONES

    GASEOSAS

    CUARTA UNIDAD

    1

  • CONTROL DE EMISIONES

    INDUSTRIALES

    RESIDUOS SLIDOS

    MATERIAS

    PRIMAS/

    INSUMOS PRODUCTOS

    ENERGA SUBPRODUCTOS

    EFLUENTES

    PROCESO (ACTIVIDAD INDUSTRIAL)

    ENERGA

    EFECTOS DIRECTOS

    FENMENO EFECTOS

    EMISIONES

    ATMOSFRICAS

    (I)

    (II)

    (III)

  • CONTROL DE EMISIONES INDUSTRIALES

    RESIDUOS SLIDOS

    MATERIAS

    PRIMAS/

    INSUMOS PRODUCTOS

    ENERGA SUBPRODUCTOS

    EFLUENTES

    PROCESO (ACTIVIDAD INDUSTRIAL)

    ENERGA

    EFECTOS DIRECTOS

    FENMENO EFECTOS

    EMISIONES

    ATMOSFRICAS

    (I)

    (II)

    (III)

    DISPOSITIVO DE CONTROL AGREGADO

  • ESTRATEGIAS PARA EL CONTROL

    Sin uso de dispositivos de control agregado:

    Buenas prcticas operativas

    Cambios de materiales y combustibles

    Modificacin o cambio de procesos

    Cierre de fbricas o instalaciones

    Con uso de dispositivos de control agregado:

    Recuperacin del contaminante

    Destruccin del contaminante

    Dispersin o dilucin de la concentracin del

    contaminante

  • Tcnicas de control por va seca

  • CONTROL DE PARTCULAS

    CMARAS DE SEDIMENTACIN POR GRAVEDAD

    COLECTORES INERCIALES

    CICLONES

    COLECTORES DE TELA (FILTROS DE MANGAS)

    PRECIPITADORES ELECTROSTTICOS

    TORRES DE ASPERSION

    LAVADORES TIPO VENTURI

  • Rango de tamao y dispositivo de control

    Contaminante o material Rango del tamao

    en micras

    Lluvia

    Roco

    Niebla

    Nubes

    Vapores

    Polvos metalrgicos

    Virus

    Humo de cigarro

    Humo de petrleo

    Negro de humo

    Vapores de xido de zinc

    Slica coloidal

    Polvo atmosfrico

    Ncleos de sal marina

    Bacterias

    Polvo daino

    Vapores alcalinos

    Talco molido

    Insecticidas

    Pigmentos de pinturas

    Niebla sulfrica

    Polvo de carbn

    Ceniza fina

    Polen

    Gotas de boquillas neumticas

    Gotas de boquillas hidrulicas

    Arena de playa

    1000 a 10000

    100 a 1000

    0.001 a 10

    12 a 90

    0.001 a 1

    0.001 a 100

    0.006 a 0.09

    0.01 a 1

    0.05 a 1

    0.01 a 0.15

    0.01 a 0.12

    0.03 a 0.08

    0.001 a 80

    0.05 a 0.7

    0.5 a 50

    0.8 a 8

    0.1 a 8

    0.8 a 80

    0.8 a 10

    0.1 a 8

    0.5 a 5

    1 a 100

    1 a 400

    10 a 100

    10 a 100

    70 a 8000

    100 a 1500

    Equipo utilizado en el control Rango de

    partculas que

    atrapa en micras

    Precipitadores electrostticos

    Torres empacadas

    Filtros de papel

    Filtros de tela

    Lavadores de gases

    Separadores centrfugos

    Cmaras de sedimentacin

    0.01 a 90

    0.01 a 100

    0.005 a 8

    0.05 a 90

    0.05 a 100

    5 a 1000

    10 a 10000

  • FD = fuerza viscosa

    Flujo del aerosol FH = fuerza viscosa de resistencia al avance

    Direccin del movimiento de la partcula

    FG = fuerza gravitacional

    Corriente gaseosa

    CAMARA DE SEDIMENTACIN POR

    GRAVEDAD

  • EFICIENCIA DE UN COLECTOR POR GRAVEDAD

    Gas sucio H Gas limpio

    L

  • CAMARA DE SEDIMENTACION POR GRAVEDAD

    Basado en el hecho de que las partculas slidas suspendidas en un gas caen a travs de ste, bajo la accin de la gravedad, a una velocidad que depende del tamao y la densidad de las partculas, as como la viscosidad del gas.

  • CAMARA DE SEDIMENTACION POR GRAVEDAD

    Son grandes cmaras en las que

    la velocidad de los contaminantes

    desciende hasta que por gravedad

    se deposita en el fondo del equipo.

    Su mxima eficiencia se logra con

    partculas no mayores a 1000

    micras, siempre y cuando su

    densidad sea alta

  • COLECTORES INERCIALES

    Se basan en el cambio repentino de la direccin del flujo de gas.

    Entonces la partcula tiende a continuar durante un tiempo corto en la direccin original del flujo de gas y pasa a un espacio muerto donde puede sedimentar.

  • CICLONES

    Los ciclones poseen la mayor eficacia de los aparatos basados en la separacin por inercia.

    El polvo se concentra, por la accin de giro, en la capa del gas prximo a la pared del recipiente, para caer a la tolva ubicada en la parte inferior.

  • CICLONES

    Los ciclones son muy utilizados en la industria.

    Se utilizan diversas configuraciones o distribuciones.

  • PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS

    Sistema basado en el hecho que las partculas cargadas elctricamente, sujetas a un campo elctrico, son atradas hacia los electrodos que crean dicho campo y depositadas sobre ellos.

  • Vista de un EPS moderno y grande, cortesa:Institute of Clean Air Companics

    PRECIPITADORES ELECTROSTTICOS

    Estos dispositivos:

    Permiten separar partculas por debajo de 0.01 micras

    Permiten trabajar a temperaturas altas, hasta de 450 C

    Son adaptables a cualquier condicin de trabajo

    Es posible separar diversos tipos de material suspendido, ya sea polvo o niebla.

  • COLECTORES DE TELA

    Basados en el principio de hacer pasar los gases cargados de partculas a travs de un medio filtrante poroso donde quedan retenidas.

  • COLECTORES DE TELA

    Se distinguen los siguientes medios filtrantes:

    -- Papel poroso y esteras fibrosas

    - Filtros de tela y de fieltro

  • Tcnicas de control por va hmeda

  • Tipos de colectores Hmedos

    La eficiencia de remocin de partculas est directamente relacionada con la energa requerida por el separador hmedo:

    Colectores de baja energa

    Colectores de media energa

    Colectores de alta energa

    Hay tres tipos de colectores hmedos dependiendo de la cantidad de energa suministrada o utilizada en el sistema de limpieza.

  • Colectores de baja energa

    Son aquellos en los que el flujo de aire contaminado pasa por una niebla o cortina de agua. Son para atrapar partculas de ms de 50 micras o para hacer reacciones qumicas o trmicas con los contaminantes. Los ms conocidos son las cajas de aspersin, en los que el flujo contaminado pasa por una cmara en la que se ponen en contacto el gas y el agua mediante la aspersin del lquido.

  • Lavador de torre por aspersin

    El contacto de las

    partculas con el

    lquido pueden

    darse en mas de

    una etapa,

    aumentando la

    captura.

  • Colectores de media energa

    En ellos flujo de contaminantes pasa por una serie de mamparas con cortinas de agua o junto a las paredes hmedas de los lavadores, las partculas del contaminante se unen al agua y luego sta es tratada para separarla de los contaminantes.

  • Colectores de alta energa

    Son aquellos equipos que utilizan la

    energa para mezclar con gran eficiencia a

    las emisiones y el agua, los equipos ms

    conocidos son los venturi de alta energa.

    Estos equipos logran capturar con 99% de

    eficiencia a partculas de 0.5 de micra.

    Para lograr estas eficiencias se llegan a tener cadas de presin hasta

    de 1000 mm de agua, lo que implica el uso de mucha potencia.

  • Lavador tipo venturi

    Este sistema de

    captura permite una

    mayor eficiencia de

    contacto y suele

    ubicarse en las lneas

    de conduccin del gas

  • Torre de aspersin ciclnica

    Este sistema utiliza fases mezcladas de gas y lquido, de manera que la materia suspendida en el gas pase al liquido absorbedor.

    Estos aparatos estn basados en la colisin entre las partculas y las gotas de lquido.

  • Los parmetros que afectan una torre de limpieza hmeda

    No hay un mtodo general para el diseo de un separador hmedo, habr que ver los requerimientos del efluente y, mediante prueba y error, determinar el ptimo entre los costos.

    1. Distribucin de tamao y carga de partculas:

    Los colectores hmedos van a tener una buena eficiencia para partculas grandes, de 5 a 10 m con prdidas de presin no muy elevadas. Para conseguir eficiencias elevadas en distribuciones de partculas menores, se requerirn de equipos de venturi con separador ciclnico, y altas prdidas de presin.

  • Los parmetros que afectan una torre de limpieza hmeda(2)

    2. Razn del flujo, temperatura y humedad del gas residual: A mayor flujo volumtrico de gas se necesitar un equipo ms grande y un mayor volumen de lquido

    La temperatura y humedad del gas residual de entrada van a determinar la evaporacin de lquido, tendiendo a aumentar la relacin lquido-gas con gases con poca humedad y alta temperatura.

    Las caractersticas del efluente gaseoso contaminado influirn en el diseo del separador.

    Los separadores hmedos no operan a flujos volumtricos muy elevados, a diferencia de los filtros de mangas o los precipitadores electrostticos que tienen mayor capacidad.

  • Los parmetros que afectan una torre de limpieza hmeda(3)

    3. Prdida de presin:

    La velocidad relativa entre el gas y las gotas de lquido aumenta la eficiencia de recoleccin, pero a mayor velocidad mayor es la cada de presin en el sistema.

    Donde: P = cada de presin a travs del venturi (mmH2O) v = velocidad de garganta (m/s)

    g = densidad del gas (Kg/m3) L/G = relacin lquido a gas (l/m3) k = factor de correlacin para un diseo especfico de torre de limpieza. Una de las ecuaciones ms aceptadas para un separador de venturi es la de Calvert, con K=5,2*10-6

  • Los parmetros que afectan una torre de limpieza hmeda(4)

    4. Velocidad y seccin de la garganta de venturi:

    La garganta es el lugar donde se produce el estrechamiento del separador de venturi, aumentando la velocidad del gas y la turbulencia (>mezclado)

    Es donde se produce la mayor prdida de presin, por lo que aunque la mayor velocidad favorece la mxima eliminacin de partculas, existen unas limitaciones en su diseo

    Donde: vt = velocidad en la garganta (m/s) At = rea de seccin transversal de la garganta (m2) Qm = razn de flujo volumtrico mximo real de aire (m3/s) sat = densidad del gas al punto de saturacin (Kg/m3) C = constante para separadores de venturi con seccin convergente de 30 y divergente de 10 a 12 y una densidad de gas no mayor de 1 kg/m3.

    Velocidad ptima en la garganta sera:

  • Los parmetros que afectan una torre de limpieza hmeda(5)

    5. Relacin lquido-gas (L/G):

    Esta relacin tender a aumentar con el aumento de la carga de

    partculas en el efluente contaminado con el fin de mejorar la

    eficiencia.

    Esta relacin suele encontrarse entre 1 y 1,5 litros por cada metro

    cbico de aire contaminado.

    6. Tamao de la gota:

    En principio a menor tamao de gota, se consigue una mayor eficiencia

    de recoleccin, pero ocurre que a un determinado tamao de gota

    lmite (llega a ser resuspendida con el efluente gaseoso).

  • Los parmetros que afectan una torre de limpieza hmeda(6)

    7. Tiempo de residencia:

    El mayor tiempo de contacto entre el lquido y el material particulado

    >eficiencia de recoleccin.

    Para separadores venturi para > eficiencia:

    Longitud garganta = 3 Diametro

    Longitud divergencia = 4 Diametro

  • Eficiencia en Colectores venturi

  • Dimetro de corte para distintos equipos colectores de partculas

  • 35

    TECNOLOGIAS DE CONTROL DE

    CONTAMINANTES EN EMISIONES

    GASEOSAS

  • Tcnica de control por absorcin

  • Absorcin de gases La absorcin es el proceso mediante el cual un contaminante gaseoso se disuelve en un lquido.

    El agua es el absorbente ms usado.

    La absorcin se usa comnmente para recuperar productos o purificar gases con alta concentracin de compuestos orgnicos.

  • Columnas de Absorcin

    El absorbedor de columna de relleno contiene una sustancia inerte (no reactiva), como plstico o cermica, que aumenta la superficie del rea lquida para la interfaz lquida/gaseosa.

  • Equilibrio de fases

    Ley de Henry:

    y = H * x

    Donde:

    y: fraccin molar del contaminante en la fase gaseosa

    H: Constante de Henry

    x: Fraccin molar en la fase Liquida

    de absorcin esta diseado para obtener la mayor cantidad de

    mezcla posible entre el gas y el lquido.

    Los absorbedores son frecuentemente llamados lavadores de gas y

    existen varios tipos de ellos.

  • Constantes de Henry

  • Comportamiento con la temperatura

  • Comportamiento con la temperatura

  • Graficas de Solubilidad

  • Ecuaciones de equilibrio

  • Inundacin en torres de absorcin (de relleno)

  • Procesos de absorcin con reaccin qumica

    LAVADO DE GASES (SISTEMA CLCICO)

    2 SO2(g) + 2 CaCO3ac) 2 CaSO3(ac) + 2 CO2(g)

    CaSO3(ac) + O2 2CaSO4(ac)

  • Depurador de rocio Centrfugo

    En los depuradores dinmicos

    de gas se roca una pelcula

    de agua sobre una superficie

    en movimiento, como las

    aspas de un ventilador por

    ejemplo.

    Las gotas adquieren un

    movimiento en espiral, ya que

    son relativamente grandes e

    interceptan las partculas de

    gas y polvo.

  • Sistema Venturi con aplicacin de absorcin

    Un tipo de depurador

    de gases ms

    efectivo es el

    Venturi, donde el

    lquido se pone en

    contacto (por lo

    general mediante

    rocos) con el gas

    sucio que se mueve

    a velocidades altas a

    travs del conducto

    de un venturi

  • Ejemplo: Absorcin de Cloro

  • Tcnica de control por

    adsorcin

  • Adsorcin fsica:

    rpida, equilibrio

    posible formacin de multicapas.

    Adsorcin qumica:

    procesos especficos.

    Energa de activacin.

    Lentos y no reversibles .

    Monocapas adsorbidas.

    Tipos de absorcin

  • We = k P m

    Mecanismos de Adsorcin e Isotermas

    Donde: We: equilibrium adsorptivity (lb adsorbate/lb adsorbent) P = partial pressure of VOC in gas stream (psia) k,m = empirical parameters

    Adsorcin de gases y vapores sobre slidos

    adsorbente: slido

    adsorbato : gas o vapor

    adsorcin : en superficie;

    absorcin : en el seno del slido

  • Isotermas de Adsorcin

    Type I Adsorption Isotherms for Hypothetical Adsorbate

  • Parmetros en las Isotermas de Adsorcin

  • M = Mvoc.A

    We

    Requerimientos de Adsorbente

    Donde:

    Mvoc = VOC inlet loading (lb/h)

  • Sistema de Adsorcion tipico (two-bed)

    Continuously Operated Fixed Bed Carbon Adsorber System

  • Sistema de Absorcin con Carbn activado

  • Tipo I : ( amonaco sobre C) Isotermas tipo Langmuir Adsorcin qumica.

    Tipo II ( nitrgeno sobre slica gel) Adsorcin fsica sobre slidos no porosos.

    Tipo III. V ( vapor de agua sobre C)

    Tipo IV. ( benceno sobre Fe)

  • Ecuacin de adsorcin de Langmuir

    V= Vm. A.p / (1+a.p)

    p/V = p/Vm + 1/aVm

    Pendiente: 1/Vm

    Ordenada: 1/aVm

  • Tcnica de control por

    combustin

  • INCINERACIN CATALTICA DE COVs

    Caractersticas de los catalizadores:

    Composicin: metales preciosos o sus sales,

    soportados o no soportados.

    xidos metlicos: de Fe, Co, Ni, Sb.

    Temperatura de operacin: 350-450 C

    (Temperatura mxima del lecho: 625 C)

    Reaccin de Van der Vaart:

    CxHyOz + [x + y/4 + z/2] O2 x CO2 + y/2 H2O

  • Temperaturas de Incineracin

    Theoretical Reactor Temperatures Required for 99.99 Percent Destruction by Thermal Incineration for a 1-Second Residence Time

  • Incinerador y uso de catalizador

  • Incinerador- Etapa regenerativa

  • Tipos de Catalizadores en incineradores de COVs

  • Tecnologas de Incineracin

  • CONVERTIDOR CATALTICO (Vehicular)

  • Tcnica de control por

    va biolgica

  • METODOS BIOLOGICOS

    Los sistemas biolgicos de tratamiento de aire:

    tecnologas limpias = tecnologas verdes

    Requerimientos:

    Menor uso de energa

    No utilizan sustancias peligrosas para su operacin.

    No requieren condiciones extremas de trabajo.

    El contaminante es destruido (en lugar de slo transferirse)

    El CO2 producido con esta tecnologa es mucho menor al

    generado por la incineracin trmica al no usar combustibles

    suplementarios.

  • METODOS BIOLOGICOS

    Estas tecnologas se basan en la degradacin o

    transformacin de los contaminantes en compuestos menos

    dainos.

    Proceso en el cual los gases contaminados son tratados al

    entrar en contacto con un medio biolgicamente activo.

    Lmite de estos procesos:

    Biodegradabilidad de los contaminantes

    Compuestos recalcitrantes: aquellos con estructuras

    qumicas no naturales (xenobiticos)

  • Seleccin de Tecnologas

    Proceedings of the 89th Annual Meeting and Exhibition of the Air and Waste Management Association, Kosteltz, A.M., A. Finkelstein y M. Shoda 1996.

  • CLASIFICACIN DE LOS BIOFILTROS (segn su fase)

    Tipo de equipo Fase Biolgica Fase Lquida

    Bio-scrubber Dispersa En movimiento

    Biofiltro percolador Inmovilizada En movimiento

    Biofiltro de lecho fijo Inmovilizada Inmovil

  • Biofiltro de Lecho fijo

    Los biofiltros de lecho fijo (BLF) constan de un lecho empacado que se conoce como material filtrante y que puede ser sinttico u orgnico, que sirve como soporte para los microorganismos y en el caso de los orgnicos como fuente de nutrientes para el crecimiento microbiano.

  • Biofiltro de Lecho fijo (2)

    Materiales filtrantes utilizados: rocas porosas, tierra de diatomeas, perlita, tierra, trozos de maderas, diferentes tipos de compostas, residuos orgnicos tales como cscaras de cacahuate, de arroz o de coco, fibra de caa de azcar, entre otros.

    Principio: Hacer pasar la corriente gaseosa saturada de humedad que contiene al contaminante a travs del lecho en donde los contaminantes son degradados por los microorganismos.

  • Biofiltro de Lecho fijo (3)

    Las principales ventajas: a) La recirculacin del lquido que

    favorece la no acumulacin de productos que pudieran tener efectos nocivos para los microorganismos, y

    b) la facilidad de control del proceso biolgico a travs de la composicin del medio lquido.

    Los BL son los sistemas ms adecuados para el tratamiento de compuestos muy solubles en agua.

  • Biofiltro de Lecho Escurrido

    El biofiltro de lecho escurrido (BLE) consiste de una columna empacada con un soporte inerte (usualmente de material cermico o plstico) donde se desarrolla la biopelcula.

  • Biofiltro de Lecho Escurrido (2)

    Estos sistemas se recomiendan para compuestos solubles en agua. Los BLE tienen similares ventajas que los biolavadores, ya que la recirculacin del lquido facilita la eliminacin de los productos de reaccin as como un mayor control sobre el proceso biolgico a travs del control del pH y la composicin del medio lquido.

    A travs del lecho se alimenta una corriente gaseosa que contiene al sustrato por biodegradar y una corriente lquida que es comnmente reciclada a travs del lecho y que tiene la funcin de aportar nutrientes esenciales a la biopelcula, as como de remover los productos de degradacin de los microorganismos.

  • Ejemplo: Captura de H2S

  • Bio-Scrubber (Biolavadores, BL)

    En estos equipos el compuesto a degradar primero es absorbido en la fase lquida localizada en una torre de absorcin llena de lquido.

    La operacin consiste en hacer fluir el gas a contracorriente a travs del lquido, donde los contaminantes y el O2 son absorbidos.

    Posteriormente el lquido es alimentado a un reactor empacado de un material inerte cubierto de la pelcula biolgica encargada de degradar al contaminante.

  • Ventajas y desventajas de los Biofiltros

  • Ventajas y Desventajas de los Biofiltros (2)

  • Parametros de Diseo de los Sistemas de Biofiltracin

    Son los siguientes:

    Caractersticas del gas contaminante (concentracin,

    flujo, presencia de partculas, temperatura).

    Seleccin del material filtrante.

    Contenido de humedad del material filtrante.

    Microorganismos.

  • Caractersticas del gas contaminante

    Generalmente para los sistemas de biofiltracin se ha considerado que el rango de concentracin ptimo de 0 a 5 g/m3.

    Es necesario evaluar la presencia de partculas con el fin de evitar el taponamiento del lecho filtrante a su paso por ste.

    Respecto a la temperatura del gas contaminante, si es mayor a 40 C ser necesario un proceso de pretratamiento para reducirla.

  • Material Filtrante

    Para los biofiltros de lecho fijo (BLF) y de lecho escurrido (BLE), el

    lecho filtrante es el hbitat de la poblacin microbiana.

    Se prefiere que los materiales filtrantes contengan los nutrientes

    necesarios para el metabolismo microbiano, en ausencia o baja

    concentracin de estos pueden adicionarse mediante solucin de

    nutrientes.

    Para los BLF esta solucin se agrega peridicamente por aspersin.

    Para los BLE, las soluciones minerales se agregan al lquido en

    movimiento.

  • Contenido de Humedad

    El material filtrante debe tener una buena capacidad de retencin

    de agua, ya que los microorganismos requieren de una importante

    cantidad de agua para crecer.

    El rango ptimo de humedad del material filtrante en sistemas de

    biofiltracin se considera entre 40 y 60%.

    Un bajo contenido en el lecho filtrante reduce el espesor de la

    biopelcula y merma la actividad microbiolgica y, por

    consiguiente, la actividad del biofiltro.

    Por otro lado, un elevado contenido de humedad puede crear

    una saturacin, provocando zonas anaerobias o incrementar la

    cada de presin.

  • Microorganismos

    La reaccin bioqumica que describe el proceso de biofiltracin se presenta a continuacin, en donde el contaminante presente en fase gas sera el sustrato. Biomasa + sustrato = biomasa + CO2 + H2O X + S = dX + CO2 + H2O La lista de especies presentes en sistemas de biofiltracin es larga y depende de diversos aspectos, tales como el inculo inicial, el material filtrante, los contaminantes a tratar y el tiempo de aclimatacin.