2. ventajas
La ciencia y la tecnología pueden servir para ayudar a la
conservación del medio ambiente determinados materiales o la
utilización de fuentes de energía alternativas.
La predicción y la extinción de incendios forestales se llevan a
cabo mediante satélites artificiales. Los modernos métodos de
detección permiten advertir la presencia de incendios poco
tiempo después de producirse.
El reciclaje de determinados productos, como el vidrio, el papel,
etc., puede evitar la sobreexplotación de algunas materias primas
(madera, etc.
Las fuentes de energía renovables, como la energía solar, la
eólica o la geotérmica no se agotan y, en general, contaminan
menos que las fuentes no renovables, como el carbón o el
petróleo.
El sistema de desalinización consumiría un 30% menos de energía
que la requerida para trasladar el agua del Ebro a Cataluña,
Comunidad Valenciana, Murcia y Almería.
3. desventajas
En el proceso de extracción de la sal del agua de mar se
producen residuos salinos que, una vez vertidos al mar, perjudican
a la flora marina al aumentar la salinidad de las aguas.
En el proceso de extracción de la sal del agua de mar se
producen residuos salinos que, una vez vertidos al mar, perjudican
a la flora marina al aumentar la salinidad de las aguas.
Las complejas instalaciones de ósmosis inversa requieren un gran
consumo de electricidad
Las desalinizadoras se instalarían en lugares no ocupados por las
urbanizaciones turísticas.
Como fábricas que son, tienen una vida limitada.
El agua desalada, al parecer, podría perjudicar a la agricultura.
Habría que realizar nuevas y costosas obras de infraestructura para
trasladar el agua desalada a las zonas donde es necesaria.
6. 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,
7.
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.
8. 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.
9. Elementos a tener en cuenta
Eficiencia de captación
C cnai n l etaa C cnai n l sld
o et c aan d − o et c aa a a
n r ó
r
n r ó
i
ei i ni =
fc c
e a
×0
10
C c fijados aan d
o et c frecuentemente por las
n r ó
r
Los límites de emisión vienen nai n l etaa
normas regulatorias de emisión. Suponed por ejemplo que
una chimenea emite, sin control, 1800 mg /m3. Mientras que
las normas regulatorias solo permiten 90 mg/m3, ¿ Cual debe
de ser la eficiencia de captación ?
La eficiencia de captación se diseña para unas condiciones
muy particulares de funcionamiento del sistema de
10 − 0
80 9
ei i ni estas, su eficacia puede variar
fce ca
×0 = 5
10 9
captación si cambian=
10
80
enormemente.
10.
Pérdidas de carga. Normalmente la
introducción de un sistema de control
de la contaminación introduce pérdidas
de carga (pérdida de presión) en el flujo
de salida de gases y/o partículas. A
veces es necesario instalar ciertos
aparatos para aumentar la presión a la
salida del sistema de captación
Coste del sistema. Obviamente se debe
de instalar aquellos sistemas que logren
alcanzar eficiencia de colección
elevadas al mínimo coste posible
12. 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
13.
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
14.
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
15. 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.
16. activado (Materiales adsorbentes
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 )
Carbón
La efectividad viene determinada por
Naturaleza química
Superficie específica (m2/kg)
Distribución del tamaño de poro
Tamaño de la partícula
17.
18. 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 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
19. Como se mide la adsorción
lg = bg e c g e2
o X +o C ( 1C
a l 1 +l 0 )
o
1
0
0
X: masa de adsorbato/masa de adsorbente
Ce: presión parcial del adsorbato
Isotermas de adsorción de Freundlich:
máxima cantidad que el adsorbente puede
retener a una temperatura y presión parcial dados
25. El proceso de 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. Se libera la
energía que en su momento se empleó en reducir el CO2
atmosférico cuando se formó la materia orgánica empleando
como fuente de energía la energía solar. 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
26. La reacción química genérica que teóricamente (forma
estequiométrica) tiene lugar es (se supone que el combustible es un
hidrocarburo)
CxHy + bO2 + b (79/21) N2 ----> xCO2 + (y/2) H2O + b (79/21) N2
2b=2x+y/2
Por cada mol de fuel, aparecen x+y/2+b(79/21) moles de productos.
El calor generado se emplea en calentar estos productos.
Es usual que la anterior reacción ocurran con un exceso
de aire, para asegurarnos que todo el combustible es
oxidado. Sea ε el exceso de aire (aire utilizado/aire
teórico). La reacción la podemos escribir
CxHy + ε[bO2 + b (79/21) N2]----> xCO2 + (y/2) H2O +(ε-1)bO2+ε b (79/21) N2
27. Se
parametriza la relación entre el combustible y
la cantidad de aire que se añade mediante la
razón
A
ma e i e
a d ar
s
raa = =
m
s
F ma e o bsi l
a d c m tb
s
u e
O bien como función del número de moles
A
me d ar
o s e ie
l
ro = =
m
l
F me d c m si l
o s e o b tb
l
u e
Si la reacción transcurre en modo estequiométrico
tenemos una razón estequiométrica. El cociente
entre la razón real y la estequiométrica se
denomina factor lambda λ.
(A F)
λ=
actual
(A F) esteq
28. Si λ es mayor que 1 se dice que la
mezcla es pobre en combustible o rica en
aire. Si λ es menor que 1 se dice que es
rica en combustible o pobre en aire
La cantidad de CO2 y H2O que se obtiene
depende de la razón H/C en el
combustible y la razón lambda. La razón
H/C va de 4 (metano) a 0.2 en la mayoría
de los combustibles empleados.
30. Ejercicio: Un carbón bituminoso se quema con un 23% de exceso de
oxígeno. El análisis final de carbón muestra la siguiente proporción
(en masa) C- 63.5%, H2 - 4.07%, S- 1.53%, O2 - 7.46%, N2, 1.28%,
H2O- 15.0%, cenizas, 7,16%. Determinar la cantidad de aire que se
debe de suministrar por cada 1000kg de combustible. Determinar la
concentración de CO2, H2O, N2, O2 y SO2 en los gases de salida.
Determinar la emisión de partículas en gr/m3 suponiendo que un
50% de estas salen a la atmósfera.
Constituyente masa
M moles
C
H2
63.50 12 5.29
4.07 2 2.04
S
O2
N2
H2O
1.53
7.46
1.28
15.00
32 0.048
32 0.233
28 0.046
18 0.833
O2
5,29
2.04/2=1.02
0.048
-0.233
6.125
*1.23 = 7.53 moles *(1+79/21) = 35.9
31. En los gases de salida tendremos:
Combustible
CO2
H2O
SO2
O2
N2
H2O
Aire
O2
N2
+
+
Productos de combustión
5.29 - 5.29 O2
2.04 - 1.02 O2
0.048 - 0.048 O2
+ 0.233 O2
0.046
0.833
+7.53
28.34 (húmedos)
38.0
35.13 (secos)
pV=nR T; V = nR T/p = 38.0*8.31*293/101325 =0.91 m3
Partículas
(7.16/2)/0.91 = 3.93gr/m3
32. La combustión incompleta del combustible puede dar lugar
a la aparición de hidrocarburos no quemados.
La combustión incompleta del combustible da lugar,
además del combustible que queda sin quemar, a la
aparición de monóxido de carbono CO.
Así mismo, a las temperaturas alcanzadas en el interior de
los cilindros se forma NO a partir del oxígeno y el
nitrógeno del aire. La cantidad de este compuesto depende
de la temperatura, la presión, tiempo de reacción y
combustible presente.
•
34. figura anterior nos muestra que a factores λ menor que la
unidad, se produce una alta concentración de CO e hidrocarburos
y una baja emisión de NO. Cerca de la razón estequiométrica se
produce un mínimo de CO e hidrocarburos, pero un máximo de
NO. A factores λ mayores que la unidad se incrementan los
hidrocarburos y disminuyen el CO y NO.
La conclusión que se puede obtener de los anteriores números es
que variando únicamente la razón de mezcla no se puede
disminuir a la vez el CO, el NO y los HC.
La
35. 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)
36. Factores que afectan a la combustión
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.
37. Factores que afectan a la combustió n
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.
38. Factores que afectan a la combustió n
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
41. • Eliminación de hidrocarburos y otros
compuestos orgánicos
• Eliminación de otros compuestos, Cl, S, F
• Eliminación de partículas combustibles
• Eliminación de sustancias peligrosas
44.
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
45. 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.
46. 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
47. 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
49. 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
53. 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%)
−
1
30
00
30
00
20
00
LL
E=
+
+
=. 2
1 %
4
00 1 % 80 *. % 80 * %
80 *.
2
00 1
1
00 5
Esto es un LEL=14200. Como salen 8000, la proporción
será 8000/14200 = 0.56 > 0.25
54. Para ver esta película, debe
disponer de QuickTime™ y de
un descompresor TIFF (sin comprimir).
Lavadores
55. 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
56. 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.
57. Ventajas
Desventajas
No 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
Abilidad para coleccionar gases y partículas
Pueden generar plumas visibles de vapor de
agua que pueden generar problemas locales
de visibilidad
58. 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)
59. Para ver esta película, debe
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un descompresor TIFF (sin comprimir).
Sistema húmedo típico
60. 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)
61. Para ver esta película, debe
disponer de QuickTime™ y de
un descompresor TIFF (sin comprimir).
Sistema seco típico
62. Los
lavadores secos se clasifican en
Inyectores de adsorbente seco (Dry
sorbent injection)
Absorbedores de spray seco (spray dry
absorbers) (lavadores semi-secos)
64. Son retenidas mediante captura por gotitas o
por láminas de líquido y separando a
posteriori las gotitas de la corriente gaseosa.
Los parámetros a tener en cuenta son el
tamaño de la partícula, el tamaño de la gota,
la velocidad relativa. El más importante es el
tamaño de la partícula. Cuanto más pequeño
es mas difícil es su captura. La clave está en
crear una nube densamente poblada de
gotitas pequeñas, para poder captar las
partículas más pequeñas. La captura de
partículas pequeñas requiere sistemas más
energéticos, pues se necesita mas energía
para pulverizar el líquido lavador. Una
velocidad relativa elevada entre la gotita y la
partícula incrementa también la probabilidad
de ser retenida.
65. Mecanismos de colección (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
Las partículas pueden actuar como
CCN y formar gotas
Fuerza centrífuga
La rotación de gas en un colector
provoca una f centrífuga lanzando a
las partículas contra la pared
Gravedad
Las partículas mas grandes
sedimentan
66. Para ver esta película, debe
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un descompresor TIFF (sin comprimir).
Impacto
Para ver esta película, debe
disponer de QuickTime™ y de
un descompresor TIFF (sin comprimir).
Para ver esta película, debe
disponer de QuickTime™ y de
un descompresor TIFF (sin comprimir).
Eficiencia
Difusión
68. Para ver esta película, debe
disponer de QuickTime™ y de
un descompresor TIFF (sin comprimir).
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)
69. 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 (ver más
adelante)
70. 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.
72. 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 µm) 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
73. Características operativas de los lavadores de spray
Contaminan Pérdida de
te
carga
Líquido/gas
Presión del
líquido a la
entrada
Gases
Eficiencia
de
remoción
Aplicaciones
50-90%
Mineria
Procesos químicos
industriales
1.3-7.6 cm
Particulas
0.07-2.70
l/m3
70-2800
kPa
2-8 µm
Incineradores
Industria de acero
74.
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..
75. Características operativas de los lavadores Venturi
Contaminan Pérdida de
te
carga
Líquido/gas
Gases
2.7-5.3 l/m3
13-250 cm
Presión del
líquido a la
entrada
Eficiencia
de
remoción
30-60%
Industrias de pulpa y
papel
Procesos químicos
Industria alimentación
Procesado de
metales
7-100 kPa
Partículas
50-250
0.4-2.7l/m3
Aplicaciones
90-99
(0.1-100
µm)
76. 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%
Para ver esta película, debe
disponer de QuickTime™ y de
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Para ver esta película, debe
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un descompresor TIFF (sin comprimir).
77. Características operativas de las columnas de relleno
Contaminan Pérdida de
te
carga
Líquido/gas
Presión del
líquido a la
entrada
2.-8.5
cm/m
columna
Particulas
Aplicaciones
99%
Gases
Eficiencia
de
remoción
Principalmente para
gases
Plantas de acido
Procesos químicos
industriales
0.13-2.0l/m3 34-100 kPa
2 µm
80. Se
genera principalmente en las
centrales térmicas, cuando el azufre
que contiene el combustible se oxida
en el proceso de combustión
S + O2 --->SO2
Teniendo lugar también la reacción
SO2 + 1/2 O2 <==> SO3,
Aproximadamente entre un 1 y un 5% del
azufre oxidado esta en la forma de SO3
81. Métodos de control azufre
a un combustible con menos
Cambio
Gas
natural
Fuels con bajo contenido en azufre
Carbones con bajo contenido en azufre
Uso
de combustibles desulfurizados. Si el combustible es
carbón, entre un 30-40% del azufre está en forma de
pirita y se puede eliminar mediante métodos
físico/químicos, métodos que son económicamente
viables. El azufre esta también, químicamente ligado. En
este caso los métodos son mucho más costosos aunque
técnicamente viables.
Uso de chimeneas altas
Desulfuración de los gases de salida
83. Lavadores
húmedos: El absorbente es una
disolución. Los productos finales están en forma de
lodo. Se suelen emplear en centrales térmicas
Lavadores
secos: El absorbente está en forma de
polvo. Se añade en la zona de combustión.
Generan problemas de partículas Se suele emplear
en calderas industriales e incineradores.
84. Los procesos húmedos se clasifican en
Procedimientos no regenerativos: Los residuos finales se
suelen acumular en el campo o en piscinas apropiadas. El
término no regenerativo no significa que el agente ‘lavador’
no se regenere, parte de él es regenerado, sin embargo no se
obtiene de los residuos ningún producto vendible. Son los
más empleados.
Procedimientos regenerativos: Los agentes utilizados como
reactivos se regeneran. Los productos finales se suelen
recuperar y vender.
86. La mayor parte de los sistemas FGD emplean
dos lavadores uno para partículas y otro para el SO 2.
Se están haciendo nuevos sistemas que realicen en
una misma operación ambos lavados. En sistemas
húmedos, se eliminan las partículas en una primera
fase y luego se elimina el SO2. En los sistemas secos
se trata de eliminar primero el SO2 y luego las
partículas totales resultantes
Existen diversos sistemas de lavadores: torres de
aspersión, lavador Venturi, torres de placas,… . Debido a
la formación de costras la tendencia es a emplear
métodos sencillos como pueden ser las torres de
aspersión, en los que el gas puede ir a corriente o
contracorriente e incluso transversal a la corriente. El
principal problema de estos sistemas es que requieren
una gran razón líquido/gas.
87. Parámetros
importantes a tener en cuenta en los
lavadores son:
La
razón líquido/gas. Cuanto menor sea este número menor
cantidad de líquido lavador necesitamos y por tanto menor
gasto y menor dimensionado de las instalaciones
pH. Dependiendo del sistema empleado, el pH se debe de
mantener dentro de unos límites para asegurar una alta
solubilidad del SO2 y la no formación de costras.
Velocidad
del gas. Para minimizar los costes los lavadores se
diseñan a la máxima velocidad del gas posible, minimizando el
tamaño de la vasija.
Tiempo de residencia. El gas debe de permanecer dentro de la
vasija el tiempo suficiente para que la mayor cantidad posible
de SO2 sea absorbida. Los tiempos de residencia van desde
centésimas de segundo en un lavador Venturi a varios segundos
en uno de placas.
88. Distribución
del gas. Se debe de mantener una
corriente uniforme de gas para que el lavador
funcione a eficiencias de diseño
Diseño del lavador. La relación superficie
líquida/volumen de gas depende del tipo de
lavador.
Posibilidad de trabajo a ‘medio gas’. Es interesante
que el sistema funcione bien cuando la planta no
trabaje a pleno rendimiento. Lo usual es emplear
sistemas modulares.
89. Un problema importante que surge en los sistemas de
desulfuración húmedos es el enfriamiento de los gases, lo que
provoca condensaciones en los conductos de salida (el gas de
salida tienen una humedad cerca del 100% y contienen cierta
cantidad de SO2, lo que lo hace muy corrosivo) y la formación
de plumas visibles. Existen diversos métodos para atacar el
anterior problema: Recalentar los gases de salida lo cual tiene la
ventaja de aumentar la flotabilidad del mismo y por tanto una
mejor dispersión o escoger unos materiales de construcción que
soporten bien la corrosión.
90. Procedimientos húmedos:
Desulfuración con Cal (CaO) o Caliza (CaCO3). Si se utiliza
cal, se hidrata previamente para formar hidróxido cálcico:
CaO + H2O ----> Ca(OH2) + calor
En cualquiera de los dos casos se forma sulfito o sulfato de
calcio. La mezcla se lleva a una torre lavadora donde se
esparce en una fina ducha de tal forma que el SO2 se disuelva
en las pequeñas gotitas. En fase líquida se produce una serie
de reacciones que podemos resumir en :
91. SO2(g) --> SO2(l)
SO2 + H2O --> H+ + HSO3- --> 2H+ + SO3=
Cal:
SO2(g)+Ca(OH)2(s)+H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)
Carbonato cálcico:
SO2(g)+CaCO3(s)+1/2 H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + CO2
Si hay suficiente O2, posterior oxidación del sulfito de calcio
Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)+ 1/2 O2 (g) <=> Ca SO4 . 2 H2O (s)
93. Con este método se consiguen rendimientos de un 60 a un
90% para carbones con un contenido en S de un 0,3 a 5%.
Se pueden producir importante problemas de corrosión en las
instalaciones. Se generan importantes volúmenes de residuos
de sulfito/sulfato de calcio que tendremos que tener en cuenta
a la hora de su eliminación. Otro problema importantes es la
formación de costras de sulfito de calcio en el lavador (en los
inyectores, en el separador, etc.). Se pueden mejorar la
eficacia de colección del SO2 a la vez que se evita la
formación de costras añadiendo óxido de magnesio a la
lechada de cal.
94. Desulfuración
con sulfito de sodio (Na2SO3), en este
caso la reacción que tiene lugar es
SO2(g) + Na2SO3(l)+ H2O --> 2NaHSO3(l)
Posteriormente el bisulfito se trata en un evaporador,
produciendose a la vez, dióxido de azufre, vapor de
agua y sulfito sódico
2NaHSO3(l) + calor ---> Na2SO3+ H2O(g)+SO2(g, conc)
Este método no plantea problema de costras, pues
productos obtenidos son muy solubles.El mayor
problema es que el reactivo debe de ser muy puro
por lo que se suele emplear en pequeñas calderas
industriales. El SO2 es transformado en azufre.
95. Desulfuración
con doble álcali: En este caso se
hace un primer tratamiento con sosa cáustica
(hidróxido sódico, Na OH) que conduce a la
formación de sulfito de sodio,
SO2 + 2 Na(OH) ---> Na2SO3 + H2O
Y posteriormente el producto se mezcla con lechada
de cal para conseguir precipitar el sulfito de calcio
y regenerar la sosa
Na2SO3 + Ca(OH)2 ---> CaSO3(s) + 2 Na(OH)
Al igual que en el caso anterior este método presenta
altos rendimientos y poca formación de costras
97. Desulfuración con óxido de magnesio. Es similar
al de la lechada de cal, solo que con óxido de
magnesio en vez de óxido de calcio. Presenta la
importante ventaja que el sulfito o sulfato de
magnesio se puede calcinar fácilmente. En el
proceso de calcinación se regenera el óxido de
magnesio y dióxido de azufre que se puede
emplear para otros propósitos (p.e. fabricar
ácido sulfúrico). Apenas si se general lodos
99. La
principal fuente de los óxidos de nitrógeno son
los procesos de combustión (centrales térmicas,
incineradoras, cerámicas …) donde se producen
altas temperaturas. Se estima que una planta
térmica de 750 MW produce en torno a 4000 Kg
de NOx (90% NO, 10% NO2) por hora. El tipo de
combustible puede alterar de forma significativa
la tasa de emisión, siendo el gas natural el que
menos emite y el carbón el que más. Así la EPA
establece un standard de 0.086 Kg (equivalentes
NO2)/106 kJ para gas y 0.26 Kg /106 kJ para
antracita.
La
mayor fuente de NOx no asociada a los
procesos de combustión proceden del uso y
manufactura del ácido nítrico
100. Origen del NOx
Origen
del NOx
NOx
térmico(~20%): producido a partir de la
reacción del oxígeno y nitrógeno del aire a
altas temperaturas. Mecanismo de Zeldovich
N2+O ---> NO + N
N+O2 ---> NO + O
NO + (1/2) O2 ---> NO2
Temperatura (K)
1200
1500
1800
2000
2400
4N2/O2 (ppm)
40N2/O2 (ppm)
210
80
1300
500
4400
1650
8000
2950
19800
7000
Cantidad de NO formado a diferentes temperaturas
N2+ O2 <==> 2NO
Temperatura (K) NO (ppm)
NO2 (ppm)
(-10)
3,3*10 (-5)
300 1,1*10
800
0,77
0,11
1400
250
0,87
1873
2000
1,8
Composicion inicial: 3,3% de O2 y 76% de N2
Relación entre el NO y NO2 a diferentes
temperaturas
101. Origen del NOx
Combustible:
El nitrógeno aparece combinado en
los compuesto orgánicos. Su concentración
depende del combustible. Apenas si aparece en
el gas natural, es mínima en los aceites destilados
(< 0.05%) y es máxima en los aceites residuales (~
0.6 %) y carbones
NOx ‘rápido’: Se forma como consecuencia de la
reacción del Nitrógeno del aire con radicales
orgánicos libres. Representa la proporción más
pequeña del NOx
103.
Cambio a combustibles: Con
el incremento de la
cantidad de N ligado,
aumenta enormemente la
concentración de NOx. Así el
cambio a un combustible
con menor contenido en
nitrógeno es una estrategia
bastante efectiva. El paso
de aceite pesado (0.6%N) a
gas natural puede disminuir
la cantidad de NOx entre un
50 a un 80%.
104.
Control de combustión: Puesto que la formación de los
óxidos de nitrógeno depende la la temperatura, el
tiempo de residencia en la cámara de combustión, la
concentración de especies y el grado de mezcla airecombustible, el control de la generación de estos
compuesto dependerá del control de estos
parámetros.
105.
Técnicas de control
Bajo
nivel de exceso de oxigeno (LEA: Low Excess Air): Normalmente
los quemadores funcionan con un exceso de oxigeno para
asegurarnos una buena combustión (evitar el CO y COV sin quemar)
T baja
O2 alto
T alta
O2 bajo
Hay que buscar un compromiso entre la producción de NOx y CO
106. Combustión
en etapas: Se puede hacer de dos formas: Separando
la aportación de aire o separando la aportación de combustible.
La división en la aportación del aire reduce la cantidad de oxigeno
presente en la zona primaria de combustión, diminuyendo la
cantidad de NOx que se forma a la vez que se aumenta la cantidad
de
elementos reductores.
Se aporta aire en una
zona separada para
completar la combustión.
En esta zona la temperatura ha descendido
lo suficiente para que no
se forme NOx
107. Sistemas
de combustible en etapas, como su nombre indica, se
separa la aportación de combustible. En este tipo de sistemas se
trata de eliminar el NOx que se forma en la llama principal
mediante recombinación con radicales de hidrocarburos en la
llama secundaria para producir N2 y CO2. Se emplea en calderas
que necesitan altas temperaturas en la zona principal
108. Recirculación
de los gases de salida: Una forma
de diluir la llama y rebajar la temperatura y el
contenido de oxigeno es hacer que una parte de
los gases de salida se inyecte de nuevo en la
zona de combustión
109. Tratamiento
de los gases de salida:
Reducción catalítica selectiva,
Reducción no catalítica selectiva:
En cualquiera de los dos casos se trata de eliminar los óxidos de
nitrógeno de los gases de salida mediante reacciones químicas
con sustancias reductoras para obtener N2 y vapor de agua. La
diferencia esencial radica en el uso no de un catalizador.
Aquellos sistemas que emplean catalizadores tienen una
temperatura de trabajo más baja que los que no utilizan
catalizadores. Si embargo tienen un precio mayor. Estos
sistemas se emplean como apoyo a los sistemas basados en el
control de la combustión.
110. Reducción
no catalítica selectiva: Se añade urea
o amoniaco que reaccionan con diversos
compuestos de los gases de salida. Sin embargo
controlando la temperatura y el contenido de
oxígeno se favorece la reacción con NOx. Las
reacciones que tienen lugar son
2NO + 2 NH3 + (1/2) O2 ---> 2 N2 + 3 H2O
2NO + CO(NH2)2 + (1/2) O2 ---> 2N2 + CO2+2H2O
Como resultado de estas reacciones aparece también como
subproducto el oxido nitroso (N2O), que es un gas de efecto
invernadero y ataca la capa de ozono. Sin embargo no está
regulado.
111. Estos sistemas requieren de una
temperatura de trabajo de entre
870 y 1100 C para el amoniaco
y entre 900 y 1170 C para la
urea. Así mismo para una mejor
eficiencia se debe de inyectar el
reductor con una razón
estequiométrica superior a la
unidad. Se consiguen los
mejores rendimientos con
razones estequiométricas del
orden de 2. Se han conseguido
rendimientos de hasta un 80%.
Situación de los inyectores de urea
116. 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.
117. 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 µm. 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
118.
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 µm con rendimientos
elevados
119. 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.
120. La eficacia de captación de los filtros depende mucho del
tamaño de la partícula
121. 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 µm. 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
122.
123. 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.
124. 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
126. Una
fuente importante de contaminación (CO,
VOC, NOx) procede de la combustión de
carburantes en los motores de los vehículos.
Acidificantes
Precursores O3
127. Un
problema creciente debido al aumento del parque
automovilista, aunque las nuevas tecnologías permiten
una mejora en las emisiones de gases de efecto
invernadero y contaminantes per coche
128.
129.
La emisión de los gases contaminantes se produce
principalmente a cuenta de los procesos de combustión que
tiene lugar en el interior de los cilindros, aunque también tiene
su importancia la emisión por evaporación de combustible en
el llenado del tanque, pérdida de los depósitos y en el interior
de los motores
130. Emisión en motores de gasolina
En estos motores, el combustible se mezcla con
el aire en los carburadores y pasa a continuación
al interior de los cilindros (fase de admisión),
donde, una vez comprimidos (fase de
compresión) una chispa inflama la mezcla (fase
de ignición). La mezcla se quema y expande
(fase de expansión), saliendo al final los
productos de combustión. (fase de expulsión)
131. Una
estimación teórica de la cantidad de aire necesaria
para la combustión completa del combustible, se obtiene
analizando la reacción química empleando un hidrocarburo
teórico que represente a la gasolina. Así por ejemplo se
tiene
C7H13+10.25 O2+38.54 N2 --> 7CO2+6.5 H2O+38.54 N2
(moles)
97 C7H13+328 O2+1080 N2 --> 308 CO2+1170 H2O+ 1080 N2
(masa)
A 328+ 1080
r= =
= 14.5
F
97
132. Cuando se produce la chispa por la bujía, se produce una onda de
choque de la llama que avanza a lo largo de la cámara de
combustión inflamando el combustible inyectado. En las zonas
cercanas a las paredes, debido a la menor temperatura existente en
esa zona, habida cuenta de la refrigeración, la combustión es
incompleta.
133. Se puede lograr una cierta disminución mediante
la regulación de la mezcla,
el instante de la ignición,
la razón superficie/volumen de cilindro,
el control de la temporalización de apertura y cierre de válvulas (los
motores VTEC de Honda usan esta tecnología), recirculación de los gases
de salida, etc.
134. Reducción de emisiones mediante
reactores externos:
Reactores
térmicos:
En este tipo de instrumentos se mezclan los gases cálidos
de la salida del motor con aire fresco para lograr una
total oxidación del CO y los hidrocarburos residuales.
Este tipo de sistemas exige una mezcla rica en
combustible para asegurar un mayor grado de
combustión en el reactor. Se hace necesario alcanzar
hasta 1000K para lograr una eficacia de conversión, en
los gases de salida, por encima de un 85%.
135. Los
problema que presentan este tipo de reactores son
La elevada temperatura alcanzada requiere materiales
especiales.
Un espacio adicional en los motores para lograr una
combustión eficaz de los gases residuales
Sobrecalentamiento en el caso de que la mezcla no se queme
bien en la cámara de combustión del motor
136. Reactores
catalíticos externos.
La introducción de los reactores o conversores
catalíticos logra salvar muchas de las deficiencias
de los reactores térmicos. La presencia de un
catalizador disminuye la energía de activación de
la reacción y por tanto la temperatura necesaria
para que se realice. De esta forma se consigue
disminuir la temperatura de trabajo del conversor y
su tamaño
137. El
reactor catalítico consiste en un soporte cerámico con una
capa de alúmina, para aumentar la superficie efectiva, y una capa
de un material precioso (platino, paladio, rodio) que hace de
catalizador permitiendo la oxidación del CO a CO2, de HC a CO2
y H2O y de NO a N2.
Los catalizadores más modernos
son de tres vías, logrando en un
único sistema la oxidación de los
tres gases. Para que esto sea posible
es necesario que la reacción de
combustión se haga en forma
estequiométrica, pues la eficacia de
oxidación depende fuertemente de
la cantidad de O2 disponible
139. Para
alcanzar el máximo rendimiento los motores van
provistos de una sonda, llamada sonda Lambda, que
controla la riqueza de la mezcla (que se designa como
razón lambda) de forma electrónica.
Así mismo para alcanzar el máximo rendimiento se hace
necesario una temperatura de un 300 C, lo cual necesita de
algún tiempo de operación para que se alcance. Esto
implica que en los trayectos muy cortos el sistema no
opera a pleno rendimiento.
Por otra parte los motores equipados con catalizadores
pierden un poco de potencia
debido a la caída de presión
que se produce en el catalizador
147. Clasificación UN-ECE de los vehículos
Coche de
pasajeros
Veh’culos de
carga ligeros
Veh’culos de
carga pesados
Autobuses
M1
Dos ruedas
L1,L2,L3,L4,L5
N1
N2, N3
M2,M3
148.
149.
150. Directivas 91/441/EC (pasajeros) y 93/53 (vehículos carga ligeros) (Euro I)
A partir de 1993, los vehículos deben de llevar un convertidor catalítico de tres vías.
153. Directiva
91/542/EEC para vehículos
comerciales pesados.
Además, para evitar las emisiones de SO2, se debe de reducir la
cantidad de azufre en el combustible hasta un 0.05% en peso
(93/12/EEC)
154.
155.
156. Posibles mejoras
Mejoras
en el combustible: Aditivos tales
como metanol o etanol. Uso de otros
carburantes tales como GLP (gas licuado
de petróleo, (95% propano) ), GNL (gas
natural licuado), GNC (gas natural
comprimido)
157. Metanol (CH3-OH)
Elevado octanaje (mayores razones de compresión => mayor
potencia)
Arde a una menor temperatura (< NOx)
Arde de forma más completa (< CO y HC)
Produce mayores niveles de aldehidos (HCHO)
Problemas de arranque a bajas temperaturas
Alta toxicidad
Poder energético mitad del de la gasolina (> depositos)
Arde sin llama (problema en caso de accidente)
Genera altos niveles de CO2 en su producción a partir del
carbón, menor si se parte de gas natural
Se emplea unido a la gasolina( M85, 85% metanol, 15%
gasolina), el poder energético aun 60% del de la gasolina,
presenta llama, algo mayor de volatilidad (mejora el arranque
en frío), mal olor (impide la ingestion)
158. Etanol CH3-CH2-OH
Se puede producir a partir de semillas, caña de azucar,
etc > bio-combustible (Brasil 25% de vehículos emplean
etanol)
Genera menos CO y HC
Aumenta el octanaje
Se suele emplear con gasolina (E90, 10% etanol, 90%
gasolina)