Control de Material Particulado | Calidad de Aire | Guia Ambiental

 
 

Contaminantes del Aire

 

Material Particulado (MP) Tratamiento y Colección

DISEÑO DE CAMPANAS Y DUCTOS


La mayoría de los equipos de control de la contaminación del aire es más eficiente cuando maneja concentraciones más altas de contaminantes, siendo iguales todas las demás condiciones. Un sistema de manejo del gas se debe diseñar para concentrar los contaminantes en el volumen de aire más pequeño posible
Al diseñar las campanas para el escape local, se trata de crear una velocidad controlada del aire que impida el escape de los contaminantes desde el área controlada al medio en general. La velocidad del aire que nada más supere los movimientos dispersivos del contaminantes, más un adecuado factor de seguridad, se conoce como  la velocidad de control. Esta velocidad se ajusta para obtener la tasa de menor flujo de aire que proporcione resultados satisfactorios de control para un mínimo volumen de gas y la máxima carga de contaminante.
Los contaminantes del aire se pueden descargar en la atmósfera con una considerable velocidad en su punto de origen. Como la masa es normalmente pequeña, se pierde pronto la cantidad de movimiento y las partículas se capturan con facilidad. La posición de la partícula cuando su velocidad original ha sido reducida a aproximadamente cero se lama punto nulo. Si se proporciona una velocidad adecuada con respecto a la campana en el  punto nulo más distante de la misma, la mayor parte de los contaminantes del aire de capturan (la partícula emitida hacia fuera es succionada por la campana, por lo que retorna hacia ella). Determinar lo que constituye una adecuada velocidad de control con respecto a la campana, depende de las corrientes de aire en la atmósfera.

 

MECANISMOS DE COLECCIÓN DE LAS PARTÍCULAS

Los mecanismos disponibles para la colección de las partículas se pueden clasificar como:

  • Sedimentación por gravedad
  • Sedimentación por impacto centrífugo
  • Impactación por inercia
  • Por choque directo
  • Por difusión
  • Efectos electrostáticos

Las partículas son arrastradas a aproximadamente la misma velocidad que la del gas en la tubería. Debido a su extrema ligereza, el gas se mueve en flujo laminar alrededor de cualquier objeto en su camino. Sin embargo, la partícula sólida con una masa mucho más pesada resiste los cambios de movimientos. Mientras mayor sea la partícula menor será su tendencia a cambiar de dirección.
La impactación por inercia está asociada con las partículas relativamente grandes que viajan en una ruta de colisión con el interceptor. La inercia las mantiene en su recorrido, a pesar de que el gas y las partículas más pequeñas tienden a desviarse y pasar alrededor del interceptor.  
En el choque directo algunas de las partículas más pequeñas, a pesar de que tienden a seguir el flujo laminar, pueden hacer contacto con el interceptor en el punto de mayor acercamiento.
En la colección por difusión, las partículas muy pequeñas (generalmente menores a una micra) chocan contra el colector como resultado del movimiento browniano molecular aleatorio o difusión. Puede que sea necesario recubrir el interceptor con alguna sustancia que mejore la adhesión, o si no, las partículas de polvo pueden rebotar por el impacto y regresar a la corriente de gas. El recubrimiento reduce también la posibilidad de que las partículas que choquen después con el blanco puedan desprender partículas ya colectadas.
La aglomeración es otro mecanismo para mejorar la eficiencia de colección. Con esta técnica, se aumenta el tamaño promedio de la partícula, de manera que los colectores tengan una mejor oportunidad de remover el contaminante. A veces, las partículas se aglomeran por atracción intermolecular mutua, pero puede ser que se requiera a menudo una inducción externa, por medio de dispositivos electrostáticos, por ejemplo, a fin de producir la necesaria aglomeración.

 

EQUIPO DE CONTROL DE PARTÍCULAS
Es necesario determinar cierto número de factores antes de poder hacer una apropiada selección del equipo de colección:

  • las propiedades físicas y químicas de las partículas
  • el intervalo de las concentraciones de partículas que se podrían esperar (cargas de polvo)
  • el intervalo de la tasa de flujo volumétrico de la corriente del gas
  • la temperatura y presión de la corriente de flujo
  • la humedad
  • la naturaleza de la fase gaseosa como por ejemplo las características de solubilidad y corrosividad.

A. Cámara de sedimentación por gravedad

Emplean la fuerza gravitacional para remover las partículas. Para ello, la velocidad de sedimentación debe ser mayor de aproximadamente 13 cm/s. en general, esto se aplica a partículas mayores de 50 mm, si la partícula tiene baja densidad, y tan bajas como 10 mm si el material es razonablemente denso. Partículas todavía más pequeñas rquerirían excesivas distancias de flujo, lo que llevarí8a a volúmenes excesivos de las cámaras.
Para que una cámara impida el rearrastre de las partículas asentadas, la velocidad del gas deberá ser uniforme y relativamente baja (< a 300 cm/s, y de preferencia, < a 30 cm/s)
El tamaño mínimo de la partícula que se puede eliminar con un 100 por ciento de eficiencia se puede determinar considerando el tiempo requerido para que una partícula de tamaño dp caiga una distancia H, y escape en consecuencia de la corriente de gas, que deberá ser igual o menor que el tiempo requerido para moverse horizontalmente una distancia L. para el tamaño mínimo de la partícula que se pueda remover en un 100%, estos dos tiempos serán iguales.

tiempo de remocion de particulas

Se supone que todas las partículas pasan por la cámara a la velocidad del gas V. para incluir el diámetro de la partícula, dp, es necesario relacionar dp con la velocidad Vt de sedimentación.

velocidad de sedimentacino de particulas
Q: Tasa de flujo volumétrico y W: ancho de la cámara.

Conociendo V, H, L, Q y W se puede calcular Vt. Este valor se utiliza para encontrar el tamaño de la partícula con esta velocidad Terminal. Este valor de dp deberá ser un cálculo aproximado del tamaño mínimo de la partícula retenida con una eficiencia de colección del 100 %.
Como una primera aproximación en la estimación del tamaño mínimo de la partícula con una separación del 100%, es aceptable emplear la ley de Stokes.
velocidad terminal, remocion de particulas
Se ve que el tamaño mínimo de la partícula removida con una eficiencia mínima del 100%, se hace menor reduciendo geométricamente el valor de H/L (>L, <H)
Para tamaños de partículas por debajo de las suministradas por esta ecuación, la eficiencia fraccionaria de colección para un tamaño dado de la partícula se puede estimar para el flujo uniforme del ducto por la relación:

eficiencia de la coleccion de particulas

Las características básicas de las cámaras de sedimentación por gravedad incluyen:

  • muy bajo costo de energía
  • bajo costo de mantenimiento
  • bajo costo de instalación
  • excelente confiabilidad
  • muy grandes dimensiones físicas.
  • eficiencia colectora baja o muy baja para diámetros pequeños. Detienen material particulado de diámetro relativamente grande.

Por ello, las cámaras de sedimentación se usan principalmente para permitir una limpieza previa económica de las partículas gruesas presentes en una corriente gaseosa, que resulta provechosa en el caso de cargas de polvo muy altas.
No se utilizan con mucha frecuencia debido a la necesidad de grandes espacios.

B. Separadores ciclónicos

Utilizan la inercia para remover las partículas de la corriente del gas. Son dispositivos purificadores del gas que emplean una fuerza centrífuga generada haciendo girar una corriente de gas con el fin de separar las partículas del gas que las transporta, normalmente en una cámara de forma cónica.
Los ciclones operan creando un vórtice doble dentro del cuerpo del mismo. El gas que entra es forzado a bajar por el cuerpo del ciclón con movimiento circular cerca de la superficie del tubo del ciclón. En el fondo del ciclón, la dirección del gas se invierte y sube en espirales por el centro del tubo y sale por la tapa del ciclón.
En el simple separador ciclónico seco se obtiene el movimiento circular por medio de una entrada tangencial del gas.
La operación depende de la tendencia (inercia) a moverse en una línea recta cuando se cambia la dirección de la corriente de gas. La fuerza centrífuga debida a una alta tasa de rotación, lanza las partículas de gas contra las paredes externas del cilindro y del cono. Las partículas resbalan por las paredes hasta llegar a la tolva de almacenamiento. El gas gradualmente purificado invierte su espiral descendente y forma un espiral de dimensiones menores. Un tubo alimentador del vórtice que se extiende hacia abajo dentro del cilindro ayuda a dirigir el vórtice interno fuera del dispositivo.
Se utiliza para eliminar partículas con tamaño de 10 mm o mayor, con una eficiencia del 90%.
Se puede utilizar como un limpiador preliminar para remover las partículas grandes antes de que el gas pase a través de otra pieza del equipo colector.

Medidas típicas:

medidas tipicas de un colector de particulas

Los ciclones se usan por lo general cuando:
a) el polvo es grueso;
b) las concentraciones sean bastante altas
c) se desea la clasificación de las partículas
d) no se requiera una eficiencia alta

 

C. Colectores húmedos
Se utiliza un líquido, por lo general agua, para capturar las partículas o para aumentar el tamaño de los aerosoles. En cualesquiera de los dos casos, el tamaño aumentado resultante facilita la remoción del contaminante de la corriente de gas. Partículas finas que varían entre 0,1 y 20 micrones, se pueden remover de un modo efectivo de una corriente de gas, por medio de colectores húmedos. El fin primordial del dispositivo deberá ser la adecuada dispersión de la fase líquida a fin de obtener un buen contacto entre la fase de las partículas y la fase líquida.
Desventajas:

  • disponer de los lodos húmedos que son un producto inherente del proceso. En algunas aplicaciones, podrá ser más fácil manejar los lodos que el polvo seco.
  • La presencia del agua tiende a aumentar la corrosividad de los materiales.
  • Se requiere una buena dispersión de la fase líquida y esto requiere a su vez un consumo de energía relativamente alto.

Lavadores de cámara de aspersión
Es uno de los dispositivos más simples para la colección húmeda de partículas. El gas contaminado fluye hacia arriba y las partículas chocan con las gotas del líquido producidas por boquillas apropiadas situadas a través del paso del flujo. Si la tasa de flujo del gas es relativamente baja, las gotas del líquido contaminado se sedimentarán por gravedad hacia el fondo de la torre. En general, coloca un eliminar de neblina en la superior de la torre para eliminar tanto el exceso de gotas de agua limpia como de gotas de agua sucia, las que son muy pequeñas y son arrastradas por el flujo ascendente del gas.
Otro de los dispositivos es el lavador con deflectores húmedos de choque. También dispone de un lavador, en forma de torre aspersora de flujo vertical, del tipo de placa de choque.
En la mayoría de los casos será necesario recircular el agua utilizada. Por tanto, se requieren estanques de sedimentación en el área de la planta y, debido a que el agua recirculada no está completamente limpia, se deberán utilizar boquillas especiales o gruesas, para impedir el bloqueo y la erosión de las boquillas de aspersión.
La eficiencia colectora para una torre de aspersión convencional va desde 94 % para partículas de 5 micrones hasta 99% para partículas de 25 micrones.

 

Lavadores ciclónicos húmedos
El gas va a tender a girar a la vez que impacta con las gotas.
El tipo más simple se obtiene insertando bancos de boquillas en forma de anillo dentro de un ciclón seco convencional. El aspersor actúa sobre las partículas en el vórtice exterior, y las partículas del líquido, cargadas de polvo son lanzadas hacia fuera contra la pared interna húmeda del ciclón. La solución cargada de polvo fluye por las paredes hasta el fondo, donde es retirada. Se requiere usualmente de un eliminador de neblina a la salida.
Eficiencia de colección que va desde 90 a 98 % para partículas de entre 5 y 50 micrones.

Lavadores venturi

 

Un venturi es un canal de flujo rectangular o circular que converge a una garganta de sección estrecha y luego diverge nuevamente a su área original en la sección transversal. En la sección convergente, se produce un aumento en la velocidad del flujo. La relación de áreas entre la entrada y la garganta es típicamente de 4:1.
Acelera la corriente del gas para atomizar el líquido depurador y para mejorar el contacto entre el gas y el líquido. El líquido depurador es atomizado en pequeñas gotas por la turbulencia en la garganta y la interacción entre las gotas y las partículas se aumenta. Después de la sección de la garganta, la mezcla se desacelera, e impactos posteriores ocurren causando la aglomeración de las gotas.
La acción de lavado ocurre durante la introducción de agua en la sección de la garganta (recomendado), o al comienzo de la sección convergente. Un banco de boquillas a cada lado de la garganta inyecta agua a la corriente gaseosa de alta velocidad.

Una vez que las partículas han sido capturadas por el líquido, la MP humedecida y las gotas de líquido en exceso son separadas de la corriente de gas por una sección de arrastre que suele consistir de un separador ciclónico y/o eliminador de neblina.
Los lavadores húmedos se usan por lo general cuando:

  • es necesario eliminar partículas finas a una eficiencia relativamente alta;
  • sea deseables el enfriamiento de la corriente de gas;
  • sea necesario eliminar los contaminantes tanto gaseosos como partículas.

D. Filtros de tela
Un filtro es cualquier estructura porosa compuesta de material granular o fibroso que tiende a retener las partículas según pasa el gas que lo arrastra, a través de los espacios vacios del filtro. El filtro se construye con cualquier material compatible con el gas y las partículas.
Los filtros de tela se forman generalmente dentro de tubos cilíndricos y se cuelgan en hileras múltiples para proporcionar grandes áreas superficiales para el paso del gas. Los filtros de tela tienen eficiencias de 99% para MP de 0,5 micrones de diámetro, y pueden remover cantidades considerables de partículas de 0,01 micras.
Una de las desventajas de los filtros de tela es la necesidad de limpiarlos con frecuencia. Un diseño básico de los filtros industriales, se basa, por lo general, en unas condiciones geométricas que se presten a una relativa facilidad de limpieza, y a su vez, se estipule una gran área superficial por gasto volumétrico del gas contaminado. Un método básico de ajustarse a estos criterios es un sistema colector basado en la casa de bolsas. Los cilindros de telase disponen en hileras verticales. Será necesario utilizar muchas bolsas individuales en una casa de bolsas, cuando sea necesario limpiar grandes volúmenes de gas.
Por lo general, el gas impuro entra en la bolsa desde abajo y pasa a través de la tela, mientras que las partículas se depositan en el interior de la bolsa.
El método de limpieza puede consistir en cerrar partes de la casa de bolsas, a intervalos regulares, o dar lugar a un cierre periódico. La limpieza se efectúa en una diversidad de maneras, que incluyen la vibración mecánica o sacudidas, choques de impulsos, y flujo invertido del aire.

Los filtros de tela se utilizan por lo general cuando:

  • se requieren eficiencias muy altas;
  • se hayan de colectar materiales secos de valor comercial;
  • el gas esté siempre por arriba del punto de rocío;
  • los volúmenes sean razonablemente bajos;
  • las temperaturas sean relativamente bajas.

 

E. Precipitadotes electrostáticos

Se basan en un principio electrostático simple. La colección de partículas y aerosoles se basa en la mutua atracción entre las partículas con una carga eléctrica y un electrodo colector de polaridad opuesta.
Ventajas:

  • capacidad para manipular grandes volúmenes de gas;
  • altas eficiencias colectoras aún para partículas del tamaño de los submicrones;
  • bajo consumo de energía
  • capacidad de operar con gases a temperaturas relativamente altas.

Se utilizan diversos principios geométricos básicos en el diseño de los precipitadotes electrostáticos. Uno de ellos es del tipo de tubo, donde lo electrodos consisten de alambres suspendidos axialmente dentro del tubo. Se aplica un voltaje muy alto de corriente directa, entre el alambre y el tubo, y el gas sucio fluye hacia abajo por el tubo y a través del campo eléctrico establecido entre los electrodos.
La primera etapa física en el mecanismo colector es una ionización del gas. El diferencial de voltaje muy alto entre los electrodos hace que los electrones pasen a velocidad muy alta del alambre central a la corriente de gas que pasa. Los electrones se fijan a su vez a las moléculas de gas que pasan a través del dispositivo, y forman iones negativos.

 

Bajo la influencia de la gran fuerza electrostática existente, los iones negativos emigran hacia las placas exteriores conectadas a tierra, mientras que los iones positivos regresan al alambre central.
La segunda etapa es la carga de las partículas de polvo que se encuentran en la corriente de gas. Esta carga es el resultado de la colisión de las partículas con los iones cargados negativamente.
La etapa siguiente del mecanismo de colección es la migración de las partículas de polvo cargadas a las placas electrodos, donde, tiene lugar la colección del polvo.
El tercer mecanismo físico para la colección de partículas es la depositación de las partículas cargadas sobre el electrodo, con el posterior crecimiento de una capa de polvo. Las fuerzas adhesivas, cohesivas y eléctricas deberán ser suficientes para impedir la resuspensión de las partículas por la corriente de gas.
La precipitación electrostática es más efectiva en la colección del polvo, dentro del intervalo de resistividad de 104 a 1010 ohm cm. Para resistividades bajas, existe un movimiento rápido de carga desde el polvo depositado hacia la placa colectora. Por lo mismo, sucede una ineficiente carga electrostática en las partículas de polvo colectadas que sea capaz de mantenerlas en su lugar. Variar la temperatura o la humedad, de modo que las resistividades de los polvos caigan dentro de este intervalo.
Los precipitadotes electrostáticos se usan por lo general cuando:

    • se requieren eficiencias muy altas para la eliminación de polvos finos;
    • se deben manejar grandes volúmenes de gas;
    • sea necesario recuperar materiales valiosos sin modificaciones físicas.