Separadores húmedos
Contenidos:
Introducción
Tipos de
separadores:
- De baja
energía
- De media
energía
- De alta
energía
Parámetros
que afectan al funcionamiento de una torre de limpieza.
Características de las partículas
Características del gas
Pérdida
de presión
Velocidad del gas y sección de la garganta en el venturi
Relación
líquido-gas
Tamaño de la
gota
Tiempo de residencia
Modelado de una caja de aspersión: de flujo cruzado
y a contraflujo.
Introducción:
Una torre de limpieza húmeda es un dispositivo
de control de la contaminación del aire que remueve
material particulado y gases ácidos de las corrientes de
gases residuales de fuentes fijas. Este apartado se centra en la
eliminación de partículas sólidas. La separación se
realiza por medio de una corriente liquida pulverizada (gotas), que es inyectada
dentro de una cámara por donde circulan el gas contaminado.
Las partículas se ven arrastradas por la corriente líquida hacia la parte
inferior del equipo, que será posteriormente recogido y tratado.
El contacto de las partículas con el medio líquido puede efectuarse de
diversos modos, el equipo más común es el equipo tipo Venturi.
La eficacia depende del grado de contacto e interacción que tengan las
partículas con el líquido; es por ello que es muy importante la atomización del
líquido y un adecuado tiempo de contacto. Los lavadores
logran buenas eficiencias de captura para partículas de tamaño de 0.1 a 20
µm.
Mecanismos de captación de
partículas: Los
contaminantes son removidos principalmente a través del impacto,
difusión, intercepción y absorción del contaminante sobre
pequeñas gotas de líquido, impactación centrífuga, efectos
electrostáticos, etc. El impacto y la intercepción es el mecanismo de mayor
importancia para partículas de mayor tamaño. Para partículas pequeñas
predominará la difusión, la absorción y los efectos electrostáticos.
Tipos de
colectores húmedos:
Hay tres tipos de colectores húmedos
dependiendo de la cantidad de energía suministrada o utilizada en el sistema de
limpieza. La eficiencia de remonición de partículas está directamente
relacionada con la energía requerida por el separador húmedo:
Colectores de baja energía. Son aquellos en los
que el flujo de aire contaminado pasa por una niebla o cortina de agua. Son para
atrapar partículas de más de 50 micras o para hacer reacciones químicas o
térmicas con los contaminantes. Los más conocidos son las cajas de aspersión,
en los que el flujo contaminado pasa por una cámara en la que se
ponen en contacto el gas y el agua mediante la aspersión del líquido.
Lavadores de
media energía.
En ellos flujo de contaminantes pasa por una serie de mamparas con cortinas de
agua o junto a las paredes húmedas de los lavadores, las partículas del
contaminante se unen al agua y luego ésta es tratada para separarla de los
contaminantes.
Separadores de alta
energía. Son aquellos equipos que utilizan la energía para mezclar con gran
eficiencia a las emisiones y el agua, los equipos más conocidos son los venturis
de alta energía. Estos equipos logran capturar con 99% de eficiencia a
partículas de 0.5 de micra. Para lograr estas eficiencias se llegan a tener
caídas de presión hasta de 1000 mm
de agua, lo que implica el uso de mucha potencia. En el
separador de Venturi el gas contaminado circula por un
tubo que tiene un estrechamiento, esta constricción
hace que el flujo de gas se acelere cuando aumenta la
presión. El flujo de gas recibe un rocío de agua antes o
durante la constricción en el tubo. La diferencia de
velocidad y presión, y la turbulencia que resulta
de la constricción hace que las partículas y el agua se
mezclen y combinen. La reducción de la velocidad en la
sección expandida del cuello permite que las gotas de
agua con partículas caigan del flujo de gas.
Los parámetros que afectan el funcionamiento
global de una torre de limpieza húmedas:
No hay un método
general para el diseño de un separador húmedo, habrá que ver los
requerimientos del efluente y, mediante prueba y error, determinar el óptimo
entre los costos, debidos sobre todo a la energía requerida, y la eficiencia de funcionamiento.
Los cálculos de pérdida
de presión y velocidad en la garganta están referidos exclusivamente a un
separador de venturi. Mas adelante se valorará la eficiencia de una caja de
aspersión, en la que el término de pérdida de presión es menos importante)
Distribución de tamaño y carga de partículas.
La eficiencia de un separador húmedo va a depender de forma directa de la
distribución del tamaño de partícula. Los colectores húmedos van a tener una
buena eficiencia para partículas grandes, de 5 a 10 µm con pérdidas de presión
no muy elevadas. Para conseguir eficiencias elevadas en distribuciones de
partícula menores, se requerirán de equipos de venturi con separador ciclónico,
y altas pérdidas de presión. El aumento de la carga contaminante (mayor masa de
partículas en el mismo volumen de aire) se compensará con una mayor relación
líquido-gas para mantener la eficiencia de recolección. El instrumento que
usualmente se usa para calcular la distribución del tamaño de partículas es el
impactador en cascada, que separa las partículas por tamaños, pudiendo medirse
posteriormente la masa de cada placa de impacto.
Donde:
ηd = eficiencia de recolección total
ηj = eficiencia fraccional para el rango de diámetro de partícula j
mj = fracción masa para el rango de diámetro de partícula j
j = el número de rangos de diámetros de partícula
Ptd = penetración total del dispositivo de colección
ηd = eficiencia de recolección total
Razón del flujo, temperatura y humedad del gas
residual. Las características del efluente gaseoso contaminado
influirán en el diseño del separador. A mayor flujo volumétrico de gas se
necesitará un equipo más grande y un mayor volumen de líquido, el problema
radica en que los separadores húmedos no operan a flujos volumétricos muy
elevados, a diferencia de los filtros de mangas o los precipitadores
electrostáticos que tienen mayor capacidad. La temperatura y humedad del gas
residual de entrada van a determinar la evaporación de líquido, tendiendo a
aumentar la relación líquido-gas con gases con poca humedad y alta temperatura,
en ciertas ocasiones se deberá disponer de un equipo de acondicionamiento del
gas de entrada, para disminuir la temperatura. Para calcular la necesidad de
líquido en exceso para contrarrestar los efectos de la evaporación, debemos
conocer y calcular algunos parámetros del gas residual a la entrada y la salida:
El gas que pasa a través del separador sufre un proceso de enfriamiento
adiabático, y a la salida se encuentra en el punto de saturación.
Subíndices:
m = mezcla de aire seco y vapor
de agua
a = aire seco
wv = vapor de agua
Caudal másico de agua evaporada
Caudal másico de agua a la salida
Caudal másico de agua a la entrada
Caudal volumétrico de agua evaporada. Éste deberá ser el volumen excedente de
líquido que se suministre al equipo a causa de la evaporación producida por las
condiciones de entrada del gas residual.
Densidad del agua
Razón de mezcla. La razón de mezcla a la salida se corresponde con una situación
de saturación del aire, se puede calcular mediante el uso de un
ábaco psicrométrico, de manera que, partiendo de las condiciones iniciales
del gas residual suponemos un enfriamiento adiabático hasta la saturación,
situándonos en el punto de humedad y temperatura final del gas.
Caudal másico
Caudal volumétrico
Peso molecular del gas
Volumen de un mol de aire (22,4 l en condiciones normales). Para calcular los
diferentes estados de volumen y temperatura, podemos usar la ecuación de gas
ideal.
Relación de humedad (V/V)
 
Pérdida de presión.
La velocidad relativa entre el gas y las gotas de líquido aumenta la eficiencia
de recolección, pero a mayor velocidad mayor es la caída de presión en el
sistema. En los separadores de venturi el aumento de la velocidad se consigue
con el estrechamiento de la garganta.
ΔP = caída de presión a través del venturi
(mmH2O)
v = velocidad de garganta (m/s)
ρg = densidad del gas (Kg/m3)
L/G = relación líquido a gas (l/m3)
k = factor de correlación para un diseño específico de torre de limpieza.
Una de las ecuaciones más aceptadas para un separador de venturi es la de
Calvert, con K=5,2*10-6
Pt Penetración de partículas
Ci y Co = concentración (masa sólido/masa aire) de partículas <5 μm a la
entrada y salida del separador de venturi. Esta ecuación relaciona la eficiencia
de recolección con la caída de presión (a mayor energía suministrada al sistema
la eficiencia de recolección es mayor). Fue determinada experimentalmente por
Hesketh, que considera que en un separador de venturi la eficiencia de
separación de partículas inferiores a 5 μm es del 100%
ΔP = caída de presión (mmH2O)
Velocidad y sección 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, que favorecen el
mezclado. La divergencia vuelve a disminuir la velocidad, y se diseña de manera
que se recupere la mayor cantidad de energía posible. Es en este lugar donde se
produce la mayor pérdida de presión, por lo que aunque la mayor velocidad
favorece la máxima eliminación de partículas, existen unas limitaciones en su
diseño, como son la velocidad del gas requerida en el eliminador de rocío o la
pérdida de presión máxima admisible por los costos de operación. Una ecuación
para la estimación de la velocidad óptima en la garganta sería:
vt = velocidad en la garganta (m/s)
At = área de sección transversal de la garganta (m2)
Qm = razón de flujo volumétrico máximo real de aire
(m3/s)
ρsat = densidad del gas al punto de saturación (Kg/m3)
C = constante para separadores de venturi con sección
convergente de 30º y divergente de 10º a 12º y una densidad de gas no mayor de 1
kg/m3.
At área de la sección de la garganta
Ai área de la sección a la entrada
vt velocidad en la garganta
vi velocidad a la entrada
Relación líquido-gas (L/G). Es
la relación entre el volumen de líquido que se utiliza para tratar un volumen de
gas contaminado. Esta relación tenderá a aumentar con el aumento de la carga de
partículas en el efluente contaminado con el fin de mejorar la eficiencia. Esta
relación suele encontrarse entre 1 y 1,5 litros por cada metro cúbico de aire
contaminado.
Tamaño de la gota. En principio
a menor tamaño de gota, se consigue una mayor eficiencia de recolección, pero
ocurre que a un determinado tamaño de gota límite, ésta es resuspendida
con el efluente gaseoso, reduciéndose la velocidad relativa entre líquido y
partícula y por tanto reduciéndose la eficiencia de recolección, además en caso
de que el contacto sea a contracorriente, las gotas con las partículas pueden
ser arrastradas con el efluente gaseoso.
Tiempo de residencia. El mayor
tiempo de contacto entre el líquido y el material particulado del efluente
gaseoso contaminado resulta en una mayor eficiencia de recolección. En los
separadores de venturi se estima que la longitud de la garganta debe ser tres
veces el diámetro, y la longitud de la divergencia cuatro veces el diámetro, de
esta manera se aumenta la eficencia al aumentar el tiempo de contacto.
Caja de aspersión
estándar.
Podemos modelar ecuaciones que nos relacionen los parámetros
básicos del lavador, tales como las dimensiones, el diámetro de gota, la
eficiencia, y los caudales de gas y líquido, el cálculo es más sencillo que en
el caso de los lavadores de venturi:
Para las cajas de aspersión el
término de pérdida de carga no es demasiado importante, ya que no hay grandes
pérdidas al ser un separador húmedo de baja energía. La eficiencia de remonición
por lo tanto no va a ser muy elevada (en torno al 90% para partículas mayores de
5 μm teniendo eficiencias muy inferiores para partículas de menor tamaño)
Mediante el siguiente gráfico se
puede relacionar un parámetro adimensional, número de separación (Ns), con la
eficiencia del blanco (η), que representa el número de partículas que impactan
con la gota debido a su inercia en lugar de seguir las líneas de flujo que
rodean la gota en relación con las que hubieran impactado en caso de no
desviarse con las líneas de flujo. Es decir, la cortina de agua actuaría
aproximadamente como un filtro en el que no se produjese la formación de la torta.
ρp densidad de las particulas
Dp diámetro de las partículas
V velocidad del gas
μ Densidad del gas
Db diámetro del blanco o de la gota de agua
Para una caja de
aspersión de flujo cruzado:
ln (C/Co) =
(-1.5/Dd)* η * (QL*Δz / QG)
Para una caja de
aspersión a contraflujo:
ln (C/Co) = -1.5*(η/Dd)
* (QL/QG)* ((V)/(V-Vg))
Δz
C/Co = Pt penetración
Dd diámetro de la gota
η eficiencia del blanco
QL y QG caudales de líquido y gas respectivamente
Δz Altura de la caja de aspersión
V Velocidad de las gotas
Vg Velocidad del gas
Fuentes:
- Manual de costos de operación de
control de la contaminación del aire de la E.P.A.
http://www.epa.gov/ttn/catc/dir1/c_allchs.pdf
- Ingeniería de sistemas educativos.
http://www.aprendizaje.com.mx
-
Ingenieroambiental.com.
http://www.ingenieroambiental.com
- Curso de
orientación para el control de la contaminación del aire : Manual de
auto-instrucción.
CEPIS. Korc, Marcelo E.
http://www.bvsde.paho.org/bvsci/E/fulltext/orienta/frame_o.html
- Material gráfico de la asignatura
"Contaminación atmosférica" de Ciencias ambientales de la Universidad de
Extremadura.
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