EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

Control de Fuentes Fijas

Dos líneas de actuación Modificaciones en el proceso de

producción para impedir o minimizar las emisiones.

Uso de técnicas que nos ayuden a eliminar la contaminación producida. En este último caso se debe de tener en cuenta siempre que hacer con los residuos,

A la hora de eliminar la contaminación debemos tener en cuenta si la contaminación es gaseosa o por partículas. En el primer caso existen cuatro categorías: absorción, adsorción, condensación, incineración

Absorción: Retención de contaminantes mediante su absorción por un absorbente húmedo o una disolución que circula contracorriente del contaminante. El tratamiento puede ser físico (disolución) o químico (reacción) o ambos

Adsorción: Retención de contaminantes sobre sólidos por fenómenos de tensión superficial. La eficacia del método depende del sistema sólido-gas que intervengan. En cualquier caso se requiere adsorbentes de elevada porosidad y área superficial. Cuando el adsorbente se satura se hace necesaria su sustitución.

Condensación: Se permite que el gas condense sobre un fluido finamente dividido en pequeñas gotitas o mediante intercambiadores de calor.

Incineración: Se le añade combustible a los gases de salida, o se le hace pasar a través de un lecho catalítico, para terminar de realizar la combustión (conversión a CO2 y H2O) de los gases nocivos.

Procesos de adsorción

Adsorción: proceso mediante el cual se produce un fraccionamiento selectivo de una cierta sustancia desde la fase gaseosa o la fase líquida a un substrato sólido. Esto es, mediante el proceso de adsorción se traspasa materia desde una corriente gaseosa o líquida a una superficie de un sólido. El sólido sobre el que se produce la adsorción se denomina adsorbente o también sustrato y la sustancia que se trata de eliminar de la corriente se denomina adsorbato

Absorción Adsorción

Existen dos tipos de adsorción: La adsorción física o fisiadsorción y la adsorción química o quimiadsorción. En el proceso de adsorción física entra en juego un tipo de fuerza a escala molecular llamada fuerza Dispersiva de London (que es una fuerza tipo Van der Waals) entre las moléculas del sólido y las moléculas del gas que queremos eliminar, de tal forma que esta fuerza es lo suficientemente intensa como para retener sobre la superficie del sólido dicha sustancia frente al resto de fuerzas que tratan de mantenerla en la corriente gaseosa. En el proceso de adsorción se libera la energía cinética que llevaba el adsorbato, de tal forma que este proceso es exotérmico. La energía liberada es este proceso es del orden de 2-20 kJ/mol. En la adsorción física, las fuerzas London son más intensas si las moléculas del adsorbente y el adsorbato tienen la misma polaridad. Una característica importante de la adsorción física es que la naturaleza química del adsorbato permanece inalterada

Por lo tanto, el proceso es reversible y se puede recuperar la sustancia, generalmente aumentando la temperatura. En este tipo de procesos la temperatura es un factor clave. Un aumento de esta conduce por lo general a una desorción

En la adsorción química o quimiadsorción se produce un enlace químico entre el adsorbato y el adsorbente, esto es se produce un intercambio de electrones entre al adsorbente y el adsorbato. Este enlace es mucho mas fuerte que el que se produce en la fisiadsorción. Se libera mucha más energía, del orden de 20 a 400 kJ/mol. El proceso de quimiadsorción por lo general altera el adsorbato y el adsorbente y es irreversible. Cuando la adsorción química varía con la temperatura se habla de adsorción activada y cuando el proceso de adsorción ocurre muy rápidamente se habla de adsorción química no activada

Obviamente para que se produzca la adsorción se debe de poner en contacto el sólido con el gas o líquido, de tal forma que cuanto mayor sea la superficie de contacto mayor es el proceso de adsorción. Se ha de emplear sustratos con una gran superficie por unidad de masa, esto es, se han de emplear substancias muy porosas. Un ejemplo muy común es el carbón activado donde se han logrado formar carbones activados con una razón área/masa de 105 a 106 m2/kg.

Materiales adsorbentes

Carbón activado (Hidrocarburos, disolventes) Silica gel (Vapor de agua) Alúmina activada Zeolitas o tamices moleculares (se controla muy

bien el tamaño del poro. A mayor molécula mayor tamaño)

La efectividad viene determinada por Naturaleza química Superficie específica (m2/kg) Distribución del tamaño de poro Tamaño de la partícula

Por lo general, en la adsorción física, los adsorbatos con moléculas polares prefieren a los adsorbentes con moléculas polares y los adsorbatos con moléculas no polares prefieren a los adsorbentes con moléculas no polares. Puesto que el vapor de agua está presente en una buena parte de las salidas de gases, el uso de un adsorbente polar nos llevaría a que se saturase rápidamente de agua y no nos adsorbería al contaminante. De los adsorbentes no polares el carbón activado es de los más utilizados

El ciclo de adsorción

Factores que afectan a la adsorción

La temperatura

La presión

La velocidad del flujo

Contaminación por partículas

Humedad

Estrategia de adsorción

Usos de la adsorción

Recuperación de disolventes orgánicos Tratamiento de malos olores Tratamiento de vapores tóxicos

Combustión

Mediante este proceso se añade una cierta cantidad de calor al material combustible (hasta que alcanza su punto de ignición) para que se produzca la oxidación de los compuestos reducidos del carbono con la subsiguiente liberación de energía. En el proceso intervienen tres componentes

El combustible (líquido, sólido, gaseoso) El oxidante (oxígeno) El diluyente (Nitrógeno)

Obteniendo como productos Productos orgánicos oxidados, CO2 y H2O Productos oxidados de otras substancias presentes en el

combustible Productos residuales parcialmente oxidados tales como

hidrocarbonos no quemados, CO Diluyentes, Nitrógeno y oxigeno no utilizado

El proceso de combustión

Factores que afectan a la combustión Temperatura: La velocidad a la que los materiales combustibles son

oxidados dependen fuertemente de la temperatura de trabajo del incinerador. En general un aumento de la temperatura produce un aumento de la velocidad de oxidación. Se debe de alcanzar por lo menos la temperatura de ignición de las substancias que queremos eliminar. Como una mayor temperatura puede significar más combustible y por tanto mayor coste se debe de evaluar muy bien la cantidad de combustible que hay que añadir (es posible que el material a oxidar contribuya también a generar calor, ahorrando combustible)

Tiempo de residencia: Para que se produzca la combustión completa de además de alcanzar la temperatura apropiada se debe de mantener un tiempo mínimo a esa temperatura de tal forma que todas las substancias nocivas sean eliminadas. El tiempo de residencia es función de la geometría de la cámara de combustión y del flujo de paso de la corriente gaseosa por dicha cámara. El tiempo de residencia depende obviamente de la temperatura.

Factores que afectan a la combustión

Factores que afectan a la combustión

Turbulencia: Para que se produzca una buena combustión es necesario que exista una buena mezcla entre el oxígeno y el combustible, si no ocurre esto, es posible que parte del combustible no sea oxidado y salga al exterior. Así mismo es necesario que toda la mezcla combustible alcance la temperatura de ignición. La corriente de gases de desecho se pueden calentar de dos maneras Por contacto directo con la llama del combustible auxiliar. Mezclándolos con los gases generados en el proceso de

combustión, corriente debajo de la llama.Aunque el contacto directo con la llama es el método más rápido de alcanzar altas temperaturas a veces es contraproducente porque se puede producir un efecto de dilución al añadir una mezcla más fría y disminuir la temperatura de la llama.

Factores que afectan a la combustión

Oxígeno: Obviamente puesto que el proceso de combustión necesita oxígeno, uno de los ingredientes fundamentales es dicho gas. Hay que mantaner por tanto un aporte mínimo de gas. Al menos el que corresponde a la relación estequiométrica

Temperatura de la llama como función de la razón de mezcla

Incineradores

• Eliminación de hidrocarburos y otros compuestos orgánicos

• Eliminación de otros compuestos, Cl, S, F

• Eliminación de partículas combustibles

• Eliminación de sustancias peligrosas

Tipos de incineradores

Incineración por llama directa: Los gases residuales se queman directamente en una combustión, con o sin aporte de combustible adicional. Es un método únicamente apto para aquellos casos en los que la cantidad de gases combustibles en los gases residuales sea importante. Es necesario conocer los límites explosivos y la inflamabilidad de los gases a incinerar. Presenta el problema de las altas temperaturas (~1300 C) que se alcanzan lo que puede llevar a la formación de óxidos de nitrógeno. Es habitual ver antorchas de incineración por llama directa en industrias petroquímicas

Incineración térmica: Se usa cuando la concentración de gases combustibles en la los gases residuales es baja. Los gases residuales se precalientan en un intercambiador de calor y se llevan a la cámara de combustión donde con aporte de combustible adicional y oxígeno se queman por completo. Los parámetros más importantes para conseguir un buen rendimiento son: tiempo de residencia, turbulencia y temperatura. Entre los 780 - 1030 K se queman los hidrocarburos y hacia los 950 - 1060 K se oxida el CO, los olores entre 750-980 K.

Incineración catalítica: En este caso los gases se hacen pasar por un lecho catalítico que provoca la aceleración de la tasa de oxidación. Los tiempos de residencia son menores que en el caso de los incineradores térmicos y las eficacias muy elevadas trabajando a temperaturas muy bajas, del orden de 225 a 340 C, aunque las mayores tasas de eficacia se alcanzan a temperaturas algo más elevadas entre 415-550 C. Como catalizadores se suelen emplear metales nobles sobre una soporte de alúmina. Se debe de tener en cuenta la presencia en los gases residuales de elementos que envenenan el catalizador

Los incineradores bien térmicos bien catalíticos se dividen en: simples, recuperativos, regenerativos. En el primer caso, no llevan ningún tipo de recuperación de calor. Los recuperativos, como su nombre indica tratan de recuperar parte del calor que se le ha añadido a los gases en el incinerador, de tal forma que no se necesite demasiado combustible para su funcionamiento.

Incinerador térmico recuperativo

Incinerador catalítico recuperativo

Incinerador térmico regenerativo: En este caso el la recuperación de calor se hace con un sistema de torres cerámicas, que absorben fuertemente el calor y un sistema de válvulas que alternan el paso del aire entre una torre y otra. La torre que en un ciclo del sistema absorbe calor una vez el aire ha pasado por el quemador, se emplea para calentar el aire en el siguiente ciclo

LELx j

xcLEL j

1

Una muestra de aire contiene 3000 ppmv de Benceno, 3000 ppmv de tolueno y 2000 ppm de metano. Determinar si la mezcla debe de diluirse para satisfacer el límite de seguridad de 0.25LEL. (LEL:Benceno:1.2%, tolueno:1.1, metano:5%)

LEL 3000

8000*1.2%

30008000*1.1%

2000

8000* 5%

1

1.42%

Esto es un LEL=14200. Como salen 8000, la proporción será 8000/14200 = 0.56 > 0.25

Lavadores

Objetivo: Eliminar gases y partículas contaminantes Si partículas: Mediante captura Si gases: Mediante disolución en un

absorbente (disolvente) o mediante adsorción en un adsorbente

En cualquier caso: Las gotas o partículas resultantes han de ser eliminada de la corriente gaseosa saliente. Hay que pensar que hacer con los líquidos resultantes

Los lavadores sirven tanto para gases como para partículas, pero si si emplean para eliminar ambos componentes hay que tener en cuenta que normalmente las condiciones de operación ideales para partículas son muy diferentes de las condiciones de operación para gases.

Ventajas DesventajasNo requiere grandes instalaciones: Los lavadores reducen la temperatura (y por tanto el volumen) de los gases de salida. Esto hace que el tamaño de la vasija, los conductos y ventiladores sean mas pequeños que con otro tipo de instalación

Problema de corrosión: El agua y los contaminantes pueden formar soluciones ácidas corrosivas. Se hace importante los materiales empleados en la construcción de la instalación

Una vez recogidas las partículas es difícil que escapen

Requiere de alta potencia para que sean eficaces en la captación de partículas más pequeñas

Se pueden emplear a elevadas temperaturas

Generan gran cantidad de lodos

Poco peligro de fuego o explosión Se generan problemas de procesado de los lodos

Habilidad para coleccionar gases y partículas

Pueden generar plumas visibles de vapor de agua que pueden generar problemas locales de visibilidad

Tipos de lavadores

Lavadores húmedos: Utilizan agua o una solucción como agente ‘lavador’ (gases: absorción, partículas: captura)

Lavadores secos: Utilizan un spray seco como agente ‘lavador’ (gases: adsorción, secos; absorción, semisecos)

El parámetro más importante a la hora de clasificar los lavadores húmedos es la pérdida de carga o pérdida de presión. De acuerdo con este parámetro se suelen clasificar en : Lavadores de baja energía: Tienen una pérdida

de presión pequeña (p <12.7 cm agua) Lavadores de media energía: Tienen una

pérdida de presión media (12.7 < p < 38.1 cm agua)

Lavadores de alta energía: Tienen una pérdida de presión grande (38.1 < p cm agua)

Los lavadores secos se clasifican en Inyectores de adsorbente seco

(Dry sorbent injection) Absorbedores de spray seco

(spray dry absorbers) (lavadores semi-secos)

Mecanismos de remoción: Partículas

Impacto Las partículas son incapaces de seguir la corriente y chocan contra la gota (partículas grandes)

Difusión Las partículas difunden (movimiento Browniano) hacia las gotas (partículas muy pequeñas)

Atracción electrostática Partículas y gotas de signo opuesto se atraen

Condensación Formar gotas

Fuerza centrífuga La rotación de gas en un colector provoca una fuerza centrífuga lanzando a las partículas contra la pared

Gravedad Las partículas mas grandes sedimentan

Mecanismos de colección (partículas)

Mecanismos de remoción: Gases

En este caso los gases se disuelven en un líquido (normalmente agua).El parámetro fundamental es la solubilidad. Otros parámetros importantes son:

La cantidad de superficie de contacto líquido/gas a mayor superficie de contacto mayor cantidad de gas disuelto.

Promover un buen contacto entre el liquido y el gas (turbulencia)

Dar tiempo suficiente para que se produzca una mayor disolución.

Gases ácidos: en el casos de gases ácidos (SO2, HCl, …) se suelen emplear lavadores con una solución alcalina que reacciona con el ácido para formar una sal que precipita y es recogida con posterioridad. Se pueden emplear tanto lavadores secos como húmedos

Razón liquido-gas: Nos da la cantidad de líquido necesaria para tratar una cierta cantidad de gas contaminado se mide en m3 de líquido por 1000 m3 actuales de gas contaminado. En general la cantidad de líquido empleado es mayor en el casos de gases.

Tipos de lavadores

Lavadores de Spray: Están formados por una torre en las que se genera, mediante

inyectores, una fina lluvia que arrastra consigo las partículas y/o disuelve los gases. Las gotas deben de tener un tamaño mínimo (500 a 1000 m) para que puedan sedimentar en la corriente gaseosa que a su vez y por esta misma razón no es muy fuerte (0.3-1.2 m/s).

Llevan incorporado un dispositivo antiniebla para eliminar aquellas gotitas que hayan podido ser transportadas por dicha corriente

Contaminante

Pérdida de carga

Líquido/gas Presión del líquido a la entrada

Eficiencia de remoción

Aplicaciones

Gases

1.3-7.6 cm 0.07-2.70 l/m3

70-2800 kPa

50-90%MineriaProcesos químicos industriales

Particulas 2-8 m IncineradoresIndustria de acero

Características operativas de los lavadores de spray

Lavadores Venturi: En estos lavadores se usa el efecto Venturi para acelerar la corriente gaseosa y utilizar parte de la energía para acelerar y atomizar las gotitas de líquido..

Contaminante

Pérdida de carga

Líquido/gas Presión del líquido a la entrada

Eficiencia de remoción

Aplicaciones

Gases 13-250 cm 2.7-5.3 l/m3

7-100 kPa

30-60%

Industrias de pulpa y papelProcesos químicosIndustria alimentaciónProcesado de metales

Partículas 50-250 0.4-2.7l/m3 90-99(0.1-100m)

Características operativas de los lavadores Venturi

Columnas de relleno (lavadores de película)

En este tipo de lavadores el líquido es vertido sobre un material de relleno de tal forma que se forme una pelicula de líquido sobre los elementos de relleno para lograr una gran superficie de contacto líquido/gas, un tiempo de contacto alto y suficiente turbulencia para que el gas se disuelva en el líquido. Son utilizados principalmente para gases. La tasa de eliminación es alta > 99%

Contaminante

Pérdida de carga

Líquido/gas Presión del líquido a la entrada

Eficiencia de remoción

Aplicaciones

Gases

2.-8.5 cm/m columna

0.13-2.0l/m3 34-100 kPa

99% Principalmente para gases

Plantas de acidoProcesos químicos industriales

Particulas 2 m

Características operativas de las columnas de relleno

Remoción de Gases Ácidos

Eliminación de partículas

Industria/Proceso Fuente de emisiones Tipo de Partícula Método de ControlCalderas de Carbón Manejo de carbón,

cenizasPolvo de carbon,cenizas

Ciclones, Pre.Electrostáticos. Filtros

Incineradores Incinerador cenizas Lavador Venturi,Filtros, Pre. Elec.

Fundiciones Hornos Oxido de Hierro,humos

Lavadores, Ciclones,filtros

Industria del vidrio Hornos Nieblas, polvos Filtros, ciclones, Pre.Electr.

Cemento Hornos Polvos Ciclones, Prep. ElecRefinerías Petróleo Regeneradores,

IncineradoresHumos, cenizas Ciclones, Prep. Elec.

Precipitadores Gravedad

Algunas fuentes industriales de partículas

Métodos secos: Cámaras de sedimentación por gravedad Ciclones

Métodos húmedos Lavadores de cámara Lavadores ciclónicos Lavadores Venturi

Filtros Precipitadores electrostáticos

Cámaras de sedimentación: Son grandes cámaras donde la aumentar la sección del flujo de aire éste disminuye su velocidad y las partículas más grandes sedimentan por gravedad. La relación entre la longitud de la cámara y su altura debe ser tal que de tiempo a la partícula a sedimentar. T= H/Vsed = L/Vgas. Estas cámaras sólo son eficaces para partículas grandes. Un problema que presentan es su gran volumen. La eficiencia de colección disminuye con el diámetro de las partículas.

Pueden ser útiles como sistema de apoyo en procesos que emitan gran cantidad de partículas para sedimentar las partículas mas grandes.

Separadores ciclónicos: En estos separadores se trata de obtener una corriente circular del aire que a alta velocidad, por acción de la fuerza centrífuga, separe a las partículas más grandes. El separador puede ser una gran cámara o la unión de un conjunto de pequeñas cámaras. Esto permite diseñar separadores ciclónicos para una gran variedad de gas y carga de contaminantes. El diámetro de corte de las partículas esta entorno a las 10-20 m. La eficacia es del orden de un 80%. Son fáciles de mantener y no tienen una gran pérdida de carga. Pueden trabajar a cualquier temperatura

Lavadores ciclónicos húmedos: Son semejantes a los lavadores ciclónicos secos con el añadido de unos inyectores mediante los cuales se pulveriza el liquido lavado. La unión del movimiento helicoidal del gas y el liquido inyectado proyecta las gotitas de agua sucia sobre las paredes que resbalando a lo largo de ellas llegan al fondo. El consumo es de 1 -12 l/10 m3. Son capaces de eliminar partículas > 2.5 m con rendimientos elevados

Filtros: son materiales porosos compuesto por una estructura granular o fibrosa por donde circula el aire y las partículas se unen a las fibras del tejido mediante diversos mecanismos que dependen del tamaño de la partícula.

La eficacia de captación de los filtros depende mucho del tamaño de la partícula

Los materiales que se empleen (poliester, poliamida, nylon, fibra de vidrio) debe de ser compatibles con el tipo de gas/partícula a tratar. Uno de los mas empleado en aplicaciones industriales son los de telas o bolsas en los que los filtros tienen forma de bolsas que cuelgan en múltiples filas.

Las eficiencias son del 99% para partículas > 0.5 m. Suelen llevar un sistema de agitación para que el polvo acumulado caiga a una tolva y no se obturen los filtros. La mayor dificultad de estos sistemas son los de no soportar gases calientes y/o húmedos

Precipitadores electrostáticos: En este tipo de separadores, se utilizan campos eléctricos para separar a las partículas del gas. Para ello se aplica un campo eléctrico al gas sucio para que las partículas se cargen (se ioniza el gas y los pequeños iones se pegan a las partículas). Este gas se hace pasar a continuación a través de una placas

colectoras cargadas, con cargas de signo opuesto, para que atraigan a las partículas y queden adheridas a las placas.

Estos separadores tienen múltiples ventajas:

Pueden manejar grandes volúmenes de gases, con una alta eficiencia de colección , incluso para partículas submicrométricas y posibilidad de trabajar con gases a alta temperatura y húmedos. Las pérdida de carga no es muy grande