1. 5.1. MATERIA PARTICULADA
5.1.1. FUENTES DE EMISIÓN
5.1.2. EFECTOS PERJUDICIALES
5.2.3. EQUIPOS PARA LA ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS
5.2. SEPARACIÓN POR GRAVEDAD
5.2.1. CÁMARA DE SEDIMENTACIÓN
5.2.2. DISEÑO Y APLICACIÓN
5.2.3. MODIFICACIONES: CÁMARAS DE HOWARD Y SEPARADORES INERCIALES
5.3. SEPARACIÓN POR FUERZA CENTRÍFUGA
5.3.1. CICLONES
5.3.2. DISEÑO Y APLICACIÓN
5.3.3. MODIFICACIONES: MULTICICLÓN Y PRECIPITADOR DINÁMICO
5.4. SEPARACIÓN POR FILTRACIÓN
5.4.1. FILTROS
5.4.2. FILTROS DE MANGAS
5.4.3. FILTRACIÓN EN PROFUNDIDAD
TEMA 5. TRATAMIENTO DE EFLUENTES
GASEOSOS I: ELIMINACIÓN DE
PARTÍCULAS POR MÉTODOS MECÁNICOS
2. OBJETIVOS DEL TEMA
• Conocer la aplicabilidad de las cámaras de sedimentación, ciclones y filtros de
mangas en el tratamiento de efluentes gaseosos
• Comprender los fundamentos y principales características de estos tres sistemas de
tratamiento
• Ser capaz de realizar diseños básicos de cámaras de sedimentación, ciclones y filtros
de mangas para resolver situaciones concretas
3. La materia particulada es uno de los contaminantes considerados de referencia (habitualmente presente en
las zonas urbanas)
Muy variadas composición y tamaños
Sólidas/líquidas (aerosol)
Mayor problema 0.5-10 µm (inhalables)
PM-10, PM-2.5
5.1. MATERIA PARTICULADA
5.1.1. FUENTES DE EMISION
Centrales térmicas
Procesos industriales
Agricultura
Combustiones domésticas
Incineradoras industriales
Construcción
Tráfico de vehículos
ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AIRE AMBIENTAL
UE 250 µg/m3 (24 h) y 80 µg/m3 (anual)
OMS 125 µg/m3 (24 h) y 50 µg/m3 (anual)
4. 5.1.2. EFECTOS PERJUDICIALES
● Nocivas por su tamaño y naturaleza: asbestos (silicatos naturales cancerígenos)
● Dañan los pulmones, agravan las enfermedades cardiovasculares y respiratorias
● Adsorción de moléculas orgánicas tóxicas (compuestos aromáticos)
● Aerosoles ácidos (efecto sinérgico con SO2)
Fig. 5.1. Asbestos, silicatos naturales cancerígenos (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)
Las emisiones han disminuido gracias al
empleo de sistemas de tratamiento de
gases en centrales térmicas y otras
industrias que consiguen la separación de
la materia particulada
5. 5.1.3. EQUIPOS PARA LA ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS
SISTEMAS DE
TRATAMIENTO
SEPARADORES
MECÁNICOS
LAVADORES
PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS
- Cámaras de sedimentación dp>50 µm
- Ciclones dp>10 µm
- Filtros de mangas dp>0,1 µm
6. Tabla 5.1. Factores a considerar en el diseño de equipos (De Lora y Miro, 1978)
7. El dispositivo más adecuado para una fuente dada dependerá de varios factores: tamaño de partícula,
concentración, corrosividad, toxicidad, caudal, eficiencia requerida, caída de presión permitida
i
i
entrada
salida
entrada
)
fraccional
eficiencia
(
x
)
peso
en
fracción
(
C
C
C
global
Eficiencia
EFICIENCIA COLECTORA vs TAMAÑO DE PARTÍCULA
• En los efluentes gaseoso reales existe una distribución de tamaños de partícula; las partículas serán
separadas con una eficiencia determinada dependiendo de su tamaño
• Para partículas se usa el concepto de eficiencia fraccional (cada tamaño de partícula i tiene una
eficiencia)
i
entrada
i
salida
i
entrada
i
)
C
(
)
C
(
)
C
(
)
fraccional
Eficiencia
(
cada tamaño de partícula i tiene una eficiencia
9. Las cámaras de sedimentación son equipos con una sección lo suficientemente grande de forma que la
velocidad de la corriente gaseosa se reduce y las partículas tienen tiempo para sedimentar por acción de la
gravedad antes de abandonar el equipo
5.2. SEPARACIÓN POR GRAVEDAD
5.2.1. CAMARA DE SEDIMENTACION
5.2.2. DISEÑO Y APLICACIÓN
• Se pueden emplear para eliminar partículas con una velocidad de sedimentación mayor de
aproximadamente 13 cm/s
• Aplicable en general para partículas mayores de 50 µm si son de baja densidad y hasta 10 µm si el
material es razonablemente denso
• Para que no se produzca el rearrastre de las partículas asentadas, la velocidad del gas debe de ser
uniforme y relativamente baja (<300 cm/s y preferiblemente <30 cm/s)
PARA EL DISEÑO SE UTILIZAN DOS APROXIMACIONES:
MODELO DE FLUJO DE PISTÓN SIN MEZCLA
MODELO DE FLUJO BIEN MEZCLADO
10. MODELO DE FLUJO DE PISTÓN SIN MEZCLA
● Distribución uniforme de partículas
● Flujo de pistón uniforme sin mezcla (gradiente de concentración a lo largo de la cámara)
● Las partículas se mueven a la velocidad del gas
● Una vez sedimentadas no se produce rearrastre
Para que las partículas con un tamaño dp se eliminen en su totalidad tiene que cumplirse que el tiempo
requerido para que caiga una distancia H ≤ t requerido para moverse horizontalmente la distancia L
Para el tamaño mínimo de partícula que se elimine con una eficacia del 100%, estos dos tiempos serán
iguales (Kiely, 1999)
u
L
v
H
t
t
11. LEY DE STOKES
Válida para flujo laminar, de manera aproximada para partículas entre 5 y 50 µm
(equilibrio)
VELOCIDAD TERMINAL
DE SEDIMENTACIÓN
g
R
3
4
mg 3
p
g
R
3
4
E 3
r
F
E
mg
ma
r
F
E
mg
v
R
6
Fr
9
R
)
(
g
2
v
2
p
t
12. LW
g
)
(
Q
18
d
p
100
p
h
h
Q
18
W
L
g
)
(
d p
2
p
η = h/H
h = vt (L/u)
• Desviaciones debido a la turbulencia
• Corrección: Dividir vt por 2
(mejor acuerdo entre teoría y práctica)
18
g
)
(
d
v
p
2
p
t
Para una partícula de un tamaño dp< dp100 la eficacia de eliminación podrá ser calculada
13. MODELO DE FLUJO BIEN MEZCLADO
● Existe mezcla en la dirección vertical pero no
en la horizontal
● Distribución uniforme de partículas
● Capa laminar adyacente a la bandeja de
colección; cualquier partícula que entre en esta
capa será capturada y no regresará a la región
turbulenta
dx
dt
dx
u H
h
Considerando un elemento diferencial de volumen en cuyo interior exista mezcla perfecta, la fracción
recogida en el tiempo dt que se tarda en recorrer dx será
u
dx
H
v
C
C
dC t
recogida
fracción
Q
18
W
L
g
)
(
d
exp
1
p
2
p
H
dt
v
H
h t
u
H
L
t
v
0
L e
C
C
0
L
C
C
1
14. VENTAJAS
Construcción sencilla
Costes de inversión y mantenimiento bajos
Caída de presión baja
Puede trabajar con gases a alta temperatura
Recogida en seco
No tiene problemas de abrasión
DESVENTAJAS
Ocupan espacios físicos enormes
Baja eficacia para partículas pequeñas
(hasta 50-10 µm) (equipos de pre-
tratamiento)
Se usan principalmente para realizar una eliminación previa de las partículas gruesas, p ej. en industrias
que traten gases muy sucios como fundiciones y procesos metalúrgicos (no son muy frecuentes debido a
la necesidad de grandes espacios)
16. 5.2.3. MODIFICACIONES: CÁMARAS DE HOWARD
Y SEPARADORES INERCIALES
CÁMARAS DE HOWARD
Cámara corta y alta en la que se colocan placas deflectoras horizontales espaciadas varios centímetros
(funciona como varias cámaras conectadas en paralelo).Es más eficiente pero de construcción más
costosa y difícil de limpiar
SEPARADORES INERCIALES
Consiste en colocar placas deflectoras en el interior de la cámara, de tal manera que las partículas
arrastradas por el gas chocan con las placas cayendo al fondo, lo que aumenta la eficiencia de eliminación
19. 5.3. SEPARACIÓN POR FUERZA CENTRÍFUGA
5.3.1. CICLONES
Fig. 5.6. Ciclón (De Lora y Miro, 1978)
• Son equipos que utilizan la fuerza centrífuga
generada haciendo girar una corriente de gas
con el fin de separar las partículas del gas que
las transporta
• La fuerza centrífuga lanza las partículas contra
las paredes externas del ciclón y caen al fondo,
mientras que el gas sale por la parte central
• Un ciclón se encuentra equipado por las
siguientes partes: entrada del gas, un cuerpo
cilíndrico, sección cónica de recogida de
partículas, salida para el gas limpio, y un
depósito colector
20. En general, en lo referente a las dimensiones o proporciones en un ciclón se recomienda no desviarse
mucho de las proporcionadas por los fabricantes
Por lo general se utilizan para eliminar partículas con tamaño mayor de 10 µm, aunque los ciclones
convencionales no suelen superar una eficiencia del 90% a menos que las partículas sean superiores a 25
µm
Existen ciclones de alta eficiencia que son efectivos hasta con partículas de 5 µm
Se pueden utilizar varios ciclones en serie (mayor eficiencia) o en paralelo (mayor capacidad volumétrica)
5.3.2. DISEÑO Y APLICACION
Stairman Lapple Zenz
(de alta eficacia)
Diámetrodelcuerpo, Dc 1,0 1,0 1,0
Altura entrada, H/Dc 0,5 0,5 0,5
Anchuraentrada, Wi/Dc 0,2 0,25 0,25
Longitud desalida, S/Dc 0,5 0,625 0,75
Altura delcilindro, H1/Dc 1,5 2,0 2,0
Diámetrodela salida delgas, De/Dc 0,5 0,5 0,5
Diámetrodesalida delpolvo, Dd/Dc 0,375 0,25 0,25
22. NÚMERO VUELTAS DA EL GAS ANTES DE SALIR
Velocidad de las partículas (u) ~ velocidad del gas
1
2
2
1
1 H
2
H
1
2
H
H
H
1
N
De manera análoga a las cámaras de sedimentación, se puede deducir la siguiente ecuación para el
cálculo de la eficacia en ciclones
Para eficacias altas existen importantes discrepancias entre esta fórmula y el comportamiento experimental
Se usa más el concepto de diámetro de corte (tamaño de partícula que se elimina con una eficacia del
50%)
2
1
p
i
50
p
)
(
u
N
2
W
9
d
23. A partir del diámetro de corte Lapple ha deducido una ecuación empírica para la eficiencia colectora (se
correlaciona mejor para ciclones de proporciones normales)
EFICIENCIA COLECTORA:
● Aumenta con el aumento de la velocidad de entrada, la longitud del cuerpo del ciclón, la densidad de la
partícula y el diámetro de la misma
● Disminuye con el aumento de la viscosidad del gas (aumento de temperatura) y el diámetro del ciclón
2
50
p
p
2
50
p
p
d
d
1
d
d
24. ● La eficiencia colectora se puede aumentar reduciendo el diámetro del ciclón, lo que aumenta la
velocidad y la caída de presión (gasto de energía)
● En general las más altas eficiencias colectoras están relacionadas con más altas pérdidas de presión
● La caída de presión aumenta con el cuadrado de la velocidad
2
g
2
u
K
P
(para ciclones K = 8)
● MATERIALES: acero dulce al carbono, acero inoxidable
● VALORES TÍPICOS:
ΔP: 0,13-0,5 kPa (hasta 1,25 kPa en ciclones de alta eficiencia)
u : 15-20 m/s
Q : 15-30 m3/min
25. APLICACIONES
● Control de la contaminación o pretratamientos
● Recuperación y reciclado de materiales
● Industrias alimentarias, madereras, farmacéuticas, de metales, químicas
VENTAJAS
● Sencillos, sin partes móviles
● Recogida en seco
● Pueden trabajar en continuo
● Bajos costes de operación e inversión
DESVENTAJAS
● Baja eficacia para partículas pequeñas
● Mayores pérdidas de carga que la cámara
de sedimentación
26. Para un caudal dado, la eficacia aumenta para ciclones más pequeños, pero la caída de presión aumenta
con el cuadrado de la velocidad del gas
SOLUCIÓN:
Disminuir Wi sin aumentar u; se consigue sustituyendo un ciclón por varios ciclones en paralelo colocados
dentro de una caracasa
MULTICICLÓN
2
1
p
i
50
p
)
(
u
N
2
W
9
d
5.3.3. MODIFICACIONES: MULTICICLÓN Y PRECIPITADOR DINÁMICO
2
g
2
u
K
P
PRECIPITADOR CICLÓNICO DINÁMICO
• La fuerza centrífuga se genera por un impulsor rotatorio centrífugo tipo turbina
• Se consiguen fuerzas de hasta siete veces mayores que en un ciclón convencional y mayores
eficacias para partículas finas
• El propio equipo actúa como impulsor del gas, pero hay que tener en cuenta que el gasto energético
es superior a un simple ventilador centrífugo (sin separación de partículas)
27. Se trata de un medio filtrante (estructura porosa) que tiende a retener las partículas según pase a su
través el gas que las contiene
El filtro se construye con cualquier material compatible con el gas y las partículas y se puede disponer en
lechos profundos o colchones (filtración en profundidad) o “telas” (filtración en superficie)
Para el tratamiento de gases lo que más se utiliza es la filtración en superficie, quedando retenidas las
partículas en la superficie de la “tela” que constituye el filtro
5.4. SEPARACIÓN POR FILTRACIÓN
5.4.1. FILTROS
FUNDAMENTO
MECANISMOS:
● Impactación por inercia
● Intercepción directa
● Difusión
● Atracción electrostática
● En la filtración en superficie se va formando una torta de filtración reteniéndose cada vez partículas
de más pequeño tamaño y aumentado la caída de presión
● Hay que definir un valor máximo a partir del cual la operación se interrumpe y el filtro se limpia
28. Fig. 5.8. Filtro indutrial (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)
29. Tabla 5.1. Variación de la eficacia de un filtro de tela (De Lora y Miro, 1978)
Los filtros de mangas son generalmente de tela, papel, fibras o materiales cerámicos
Se disponen en forma de tubos cilíndricos (mangas) que se cuelgan en hileras múltiples para proporcionar
grandes áreas superficiales para el paso del gas
Los filtros de mangas separan con alta eficacia (>99%) partículas de hasta 0,5 µm (y pueden eliminar
cantidades considerables de partículas de hasta 0,01 µm)
5.4.2. FILTROS DE MANGAS
31. ECUACION DE DARCY
La caída de presión total será la suma de la caída de presión del filtro más la de la torta que se va
formando a medida que transcurre la operación
t
f P
P
P
t
g
t
t
f
g
f
f
X
K
P
X
K
P
V
t
t
d X
A
L
t
VA
colectada
polvo
de
masa
A = superficie medio filtrante
Ld = carga de polvo (g/m3)
ρt = densidad de la torta
K
X
V
P
t
t
g
f
f
g
K
X
V
K
X
V
P
K = permeabilidad (L2)
V = velocidad superficial del gas (m/s)
X = profundidad del lecho o espesor del filtro
32. LIMPIEZA
La limpieza se hace por sacudidas mecánicas, con gas en contracorriente o por pulsos de aire
comprimido
No se consigue la recuperación total del filtro y hay que cambiarlos cada cierto tiempo
APLICACIONES
Aplicación de los filtros de mangas: acerías, fundiciones, cementeras, plantas de producción de energía
VENTAJAS
● Recogida en seco
● Caídas de presión razonables
● Alta eficacia para partículas pequeñas
● Flexibilidad de diseño
● Capacidad para tratar grandes volúmenes de
gas
DESVENTAJAS
● Sistema discontinuo
● La temperatura puede ser un problema
● Con humedad problemas de colmatación
33. Cuerpo filtrante constituido por una matriz de fibras colocadas aleatoriamente que hacen que las partículas
queden retenidas cuando el gas lo atraviesa, la recogida en el interior es un proceso de tres dimensiones
PROBLEMA
● Limpieza
APLICACIÓN
● Eliminación de cargas de polvo muy ligeras (ej limpieza de aire en quirófanos)
● Eliminación de gotas de líquido muy finas (ej. nieblas de ácido sulfúrico)
5.4.3. FILTRACIÓN EN PROFUNDIDAD
