unidad 3 contaminacion
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Capitulo 3. Transporte y dispersión de contaminantes atmosféricos
.
3.1 Conceptos básicos
La concentración de contaminantes disminuye a medida que se alejan
del punto de descarga y son dispersados por el viento y otras fuerzas naturales.
Las variaciones del clima influyen en la dirección y dispersión general de los
contaminantes.
La dispersión y transporte de contaminantes pueden estar afectados por
factores climáticos y geográficos. Un ejemplo es la inversión térmica, que es
una condición atmosférica causada por una interrupción del perfil normal de la
temperatura de la atmósfera. La inversión térmica puede retener el ascenso y
dispersión de los contaminantes de las capas más bajas de la atmósfera y
causar un problema localizado de contaminación del aire. Los episodios que
tuvieron lugar en Londres, Inglaterra, y Donora, Pennsylvania, fueron el
resultado de inversiones térmicas.
La mecánica clásica establece que conociendo la posición y velocidad
de las partículas de un sistema en un determinado instante, es posible deducir
el comportamiento ulterior de las mismas. Ahora bien, cuando se trata de
analizar sistemas compuestos de miles o millones de partículas, como es el
caso en un efluente gaseoso, es imposible acceder a esa cantidad de datos y
procesarlos.
3.2 Circulación global de los contaminantes
El transporte y dispersión de contaminantes del aire están influenciados
por complejos factores. Las variaciones globales y regionales del clima y las
condiciones topográficas locales afectan el transporte y dispersión de los
contaminantes.
La dispersión de contaminantes de una fuente depende de la cantidad de
turbulencia en la atmósfera cercana. La turbulencia puede ser creada por el
movimiento horizontal y vertical de la atmósfera. El movimiento horizontal
es lo que comúnmente se llamamos viento.
La velocidad del viento puede afectar en gran medida la concentración
de contaminantes en un área. Mientras mayor sea la velocidad del viento,
menor será la concentración de contaminantes en una zona determinada. El
viento diluye y dispersa rápidamente los contaminantes en el área circundante.
El viento es causado por las diferencias en la presión atmosférica. La presión
es el peso de la atmósfera en un punto dado. La altura y temperatura de una
columna de aire determinan el peso atmosférico.
Debido a que el aire frío pesa más que el caliente, la masa de alta
presión está constituida de aire frío y pesado. Por el contrario, una masa de
baja presión de aire está formada por aire más caliente y liviano. Las
diferencias de presión hacen que el aire se mueva de las áreas de alta presión a
las de baja presión, lo que da lugar al viento.
El movimiento vertical de la atmósfera también afecta el transporte y
dispersión de los contaminantes del aire. Cuando los meteorólogos hablan
sobre la “estabilidad atmosférica” hacen referencia al movimiento vertical.
Las condiciones atmosféricas inestables producen la mezcla vertical.
Generalmente, durante el día el aire cerca de la superficie de la tierra es más
caliente y liviano que el aire en la atmósfera superior debido a la absorción de
la energía solar. El aire caliente y liviano de la superficie sube y se mezcla con
el aire frío y pesado de la atmósfera superior que tiende a bajar. Este
movimiento constante del aire crea condiciones inestables y dispersa el aire
contaminado.
Otros factores meteorológicos básicos que afectan la concentración de
contaminantes en el aire ambiental son:
Radiación solar
Precipitación
Humedad.
La radiación solar contribuye a la formación de ozono y contaminantes
secundarios en el aire. La humedad y la precipitación también pueden
favorecer la aparición de contaminantes secundarios peligrosos, tales como las
sustancias responsables de la lluvia ácida. La precipitación puede tener un
efecto beneficioso porque lava las partículas contaminantes del aire y ayuda a
minimizar las partículas provenientes de actividades como la construcción y
algunos procesos industriales.
3.3. Características generales de las plumas y chimeneas
La manera más común de dispersar los contaminantes del aire es a
través de una chimenea. Esta a menudo se usa como un símbolo de la
contaminación del aire. Es una estructura que se ve comúnmente en la
mayoría de industrias y tiene el objetivo de dispersar los contaminantes antes
de que lleguen a las poblaciones.
Generalmente se diseñan teniendo en cuenta a la comunidad
circundante. Mientras más alta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de
que los contaminantes se dispersen y diluyan antes de afectar a las poblaciones
vecinas.
A la emanación visible de una chimenea se le denomina pluma. La
altura de la pluma está determinada por la velocidad y empuje de los gases que
salen por la chimenea. A menudo, se añade energía calórica a los gases para
aumentar la altura de la pluma. Las fuerzas naturales hacen que la pluma tenga
velocidad vertical, como sucede con el humo de las chimeneas residenciales.
Mientras más corta sea la chimenea, mayor será la probabilidad de que la
pluma esté afectada.
La forma y la dirección de la pluma también dependen de las fuerzas
verticales y horizontales de la atmósfera.
3.4 Modelos de dispersión
Los modelos de dispersión son un método para calcular la
concentración de contaminantes a nivel del aire y a diversas distancias de la
fuente. En la elaboración de modelos se usan representaciones matemáticas de
los factores que afectan la dispersión de contaminantes. Las computadoras,
mediante modelos, facilitan la representación de los complejos sistemas que
determinan el transporte y dispersión de los contaminantes del aire. Cuando se
hace un modelo del transporte y dispersión de contaminantes del aire se
recopila información específica de un punto de emisión. Esta información
incluye la ubicación del punto de emisión (longitud y latitud), la cantidad y
tipo de los contaminantes emitidos, condiciones del gas de la chimenea, altura
de la chimenea y factores meteorológicos tales como la velocidad del viento,
perfil de la temperatura ambiental y presión atmosférica.
3.5 Características generales de las chimeneas
Se definen como tales a los conductos construidos para dar salida a la
atmósfera libre a gases resultantes de una combustión o de una reacción
química (“gases de cola”) para su dispersión en el aire del ambiente.
Es un sistema usado para evacuar gases calientes y humo de calderas,
calentadores, estufas, hornos, fogones u hogares a la atmósfera. Como norma
general son completamente verticales para asegurar que los gases calientes
puedan fluir sin problemas, moviéndose por convección térmica (diferencia de
densidades).
En la definición de una chimenea intervienen, fundamentalmente, los
siguientes elementos:
1) Sección interior, o de paso de gases .
2) Altura: Para dispersión de gases en la atmósfera libre. Para la obtención de una depresión mínima determinada en su base
3) Tipo de material estructural (o externo) Resistencia a las acciones externas Viento Sismos
4) Cimentación (conocimiento de la geología del terreno)
5) Tipo de material de revestimiento interior Resistencia a la temperatura y ataque físico-químico de los gases
Para determinar las características de una chimenea es imprescindible
conocer el tipo de fluido que se espera que circule por ella. Normalmente se
trata de humos producto de la combustión de combustibles fósiles, en aire-
ambiente:
Carbón
Derivados líquidos o gaseosos del petróleo
Madera.
Composición de los contaminantes provenientes de la combustión de
hidrocarburos
Algunos factores importantes en el diseño de chimenea se enlistan a
continuación:
La sección de paso de los humos por la chimenea: La velocidad
mínima de evacuación de los humos por la coronación de la chimenea suele
venir fijada por la normativa correspondiente de la administración pública del
lugar.
La altura de la chimenea: Para la dispersión de los humos en la
atmósfera libre. La altura mínima de una chimenea emitiendo gases
considerados por la legislación U.E. como contaminantes, viene determinada
por la normativa correspondiente del lugar en el que se ubique.
De acuerdo a la NMX-009-SEMARNAT
El diámetro de la chimenea es indispensable para determinar la altura de
la misma.
Después de la Última perturbación la altura deberá ser:
8 veces el Diámetro = se encuentra 1 puerto.
2 veces el Diámetro = la altura final del puerto
3.6 Calculo de la altura efectiva de la chimenea
Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por
abanicos. A medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la
pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en
la pluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta
su diámetro mientras viaja a sotavento.
Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas
veces se calientan y se vuelven más cálidos que el aire externo. En estos casos,
los gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto,
flotantes. La combinación del momentum y la flotabilidad de los gases hacen
que estos se eleven. Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma,
permite que los contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se
eleven a una altura mayor en la atmósfera. Al estar en una capa atmosférica
más alta y más alejada del suelo, la pluma experimentará una mayor
dispersión antes de llegar a este.
La altura final de la pluma, conocida como altura efectiva de
chimenea (H), es la suma de la altura física de la chimenea (hs) y la elevación
de la pluma ( ).
En realidad, la elevación de la pluma se estima a partir de la distancia
existente hasta la línea central imaginaria de la pluma y no hasta el borde
superior o inferior de esta (figura 26). La elevación de la pluma depende de las
características físicas de la chimenea y del efluente (gas de chimenea).
La diferencia de temperatura entre el gas de la chimenea (Ts) y el aire
ambiental (Ta) determina la densidad de la pluma, que influye en su elevación.
Además, la velocidad de los gases de la chimenea, que es una función del
diámetro de la chimenea y de la tasa volumétrica del flujo de los gases de
escape, determina el momentum de la pluma.
Los gases emitidos por las chimeneas muchas veces son impulsados por
abanicos. A medida que los gases de escape turbulentos son emitidos por la
pluma, se mezclan con el aire del ambiente. Esta mezcla del aire ambiental en
la pluma se denomina arrastre. Durante el arrastre en el aire, la pluma aumenta
su diámetro mientras viaja a sotavento.
Al entrar en la atmósfera, estos gases tienen un momentum. Muchas
veces se calientan y se vuelven más cálidos que el aire externo. En estos casos,
los gases emitidos son menos densos que el aire exterior y, por lo tanto,
flotantes. La combinación del momentum y la flotabilidad de los gases hacen
que estos se eleven. Este fenómeno, conocido como elevación de la pluma,
permite que los contaminantes emitidos al aire en esta corriente de gas se
eleven a una altura mayor en la atmósfera. Al estar en una capa atmosférica
más alta y más alejada del suelo, la pluma experimentará una mayor
dispersión antes de llegar a este.
Momentum y flotabilidad
La condición de la atmósfera, incluidos los vientos y el perfil de la
temperatura a lo largo del recorrido de la pluma, determinará en gran medida
la elevación de la pluma. Dos características de esta influyen en su elevación:
el momentum y la flotabilidad. La velocidad de salida de los gases de escape
emitidos por la chimenea contribuyen con la elevación de la pluma en la
atmósfera. Este momentum conduce el efluente hacia el exterior de la
chimenea a un punto en el que las condiciones atmosféricas empiezan a
afectar a la pluma.
Una vez emitida, la velocidad inicial de la pluma disminuye
rápidamente debido al arrastre producido cuando adquiere un momentum
horizontal. Este fenómeno hace que la pluma se incline. A mayor velocidad
del viento, más horizontal será el momentum que adquirirá la pluma. Por lo
general, dicha velocidad aumenta con la distancia sobre la superficie de la
Tierra. A medida que la pluma continúa elevándose, los vientos más fuertes
hacen que se incline aún más. Este proceso persiste hasta que la pluma parece
horizontal al suelo. El punto donde la pluma parece llana puede ser una
distancia considerable de la chimenea a sotavento. La velocidad del viento es
importante para impulsar la pluma. Mientras más fuerte, más rápido será el
serpenteo de la pluma.
La elevación de la pluma causada por su flotabilidad es una función de
la diferencia de temperatura entre la pluma y la atmósfera circundante. En una
atmósfera inestable, la flotabilidad de la pluma aumenta a medida que se
eleva, lo cual hace que se incremente la altura final de la pluma.
3.7 Efectos del tipo de fuente en la elevación de la pluma
Debido a la configuración de la chimenea o a los edificios adyacentes, es
posible que la pluma no se eleve libremente en la atmósfera. Algunos efectos
aerodinámicos causados por el modo en el que se mueve el viento alrededor
de los edificios adyacentes y de la chimenea pueden impulsar a la pluma hacia
el suelo en lugar de permitir que se eleve en la atmósfera.
El flujo descendente de la chimenea puede producirse cuando la razón
entre la velocidad de salida de la chimenea y la del viento es pequeña. En este
caso, la presión baja en la estela de la chimenea puede hacer que la pluma
descienda detrás de la chimenea. Cuando esto sucede, la dispersión de los
contaminantes disminuye, lo que puede determinar concentraciones elevadas
de contaminantes inmediatamente a sotavento de la fuente.
A medida que el aire se mueve sobre y alrededor de los edificios y otras
estructuras, se forman olas turbulentas. Según la altura de descarga de una
pluma (altura de la chimenea), es probable que esta sea arrastrada hacia abajo
en esta área de la estela. Esto se conoce como flujo descendente aerodinámico
o entre edificios de la pluma y puede conducir a concentraciones elevadas del
contaminante inmediatamente a sotavento de la fuente.
3.8 Tipos de plumas
Los contaminantes que no se pueden dispersar hacia arriba lo pueden hacer
horizontalmente a través de los vientos superficiales. La combinación de los
movimientos verticales y horizontales del aire influye en el comportamiento
de las plumas de fuentes puntuales (chimeneas).
La pluma de espiral se produce en condiciones muy inestables debido a
la turbulencia causada por el acelerado giro del aire. Mientras las
condiciones inestables generalmente son favorables para la dispersión
de los contaminantes, algunas veces se pueden producir altas
concentraciones momentáneas en el nivel del suelo si los espirales de la
pluma se mueven hacia la superficie.
La pluma de abanico se produce en condiciones estables. El gradiente
de inversión inhibe el movimiento vertical sin impedir el horizontal y la
pluma se puede extender por varios kilómetros a sotavento de la fuente.
Las plumas de abanico ocurren con frecuencia en las primeras horas de
la mañana durante una inversión por radiación.
La pluma de cono es característica de las condiciones neutrales o
ligeramente estables. Este tipo de plumas tiene mayor probabilidad de
producirse en días nubosos o soleados, entre la interrupción de una
inversión por radiación y el desarrollo de condiciones diurnas
inestables.
Obviamente, un problema importante para la dispersión de los
contaminantes es la presencia de una capa de inversión, que actúa como una
barrera para la mezcla vertical. Durante una inversión, la altura de una
chimenea en relación con la de una capa de inversión muchas veces puede
influir en la concentración de los contaminantes en el nivel del suelo.
Si la pluma se libera justo debajo de una capa de inversión, es probable que
se desarrolle una grave situación de contaminación del aire. Ya que el suelo se
calienta durante la mañana, el aire que se encuentra debajo de la mencionada
capa se vuelve inestable. Cuando la inestabilidad alcanza el nivel de la pluma
entrampada bajo la capa de inversión, los contaminantes se pueden transportar
rápidamente hacia abajo hasta llegar al suelo. Este fenómeno se conoce como
fumigación. Las concentraciones de contaminantes en el nivel del suelo
pueden ser muy altas cuando se produce la fumigación. Esta se puede prevenir
si las chimeneas son suficientemente altas.