Módulo: Contaminación Atmosférica
P
ROTECCIÓN
A
TMOSFÉRICA
Autor: Carmelo Sáenz Palacios
©:
Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos).Documentación elaborada por el autor/a para EOI.
Índice
0.- OBJETIVO... 3
1.- INTRODUCCIÓN... 3
1.1.- ACCIONES PREVENTIVAS.... 3
1.2.- ACCIONES CORRECTIVAS... 4
2.- ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES PARTICULADOS... 11
2.1.- CÁMARAS DE SEDIMENTACIÓN... 11
2.2.- SEPARADORES INERCIALES... 14
2.3.- CICLONES ... 17
2.4.- SEPARADORES DE CAPA POROSA. FILTROS... 22
2.5.- SEPARADORES POR VÍA HÚMEDA... 33
2.6.- PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS... 41
3- ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS. ... 47
3.1.- PROCESO DE ABSORCIÓN... 47
3.2.- PROCESO DE ADSORCIÓN... 51
3.3.- PROCESOS DE CONDENSACIÓN... 53
3.4.- PROCESO DE OXIDACIÓN (COMBUSTIÓN Y COMBUSTIÓN CATALÍTICA) 55 3.5.- REDUCCIÓN CATALÍTICA... 58
4.- ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES ESPECÍFICOS... 61
4.1.- ÓXIDOS DE AZUFRE... 61
0.- OBJETIVO.
En esta unidad se dan a conocer las distintas acciones que se pueden articular para conseguir que la
presencia en la atmósfera de contaminantes generados por la actividad del hombre no ponga en peligro la
salud humana, el desarrollo de la vida animal y vegetal así como del medio ambiente en general, permitiendo
un uso adecuado del mismo.
Se presta especial atención a los Sistemas de Reducción de Emisiones Contaminantes a la atmósfera,
y en particular al área industrial. Esta última genera emisiones, de forma concentrada y puntual, que pueden
alterar de forma importante la calidad de la atmósfera.
1.- INTRODUCCIÓN.
El control de la contaminación atmosférica se puede plantear desde dos puntos de vista, el
preventivo y el correctivo. En la mayoría de los casos las acciones que se ponen en marcha son acciones
correctivas, dejándose en un segundo plano las acciones preventivas. También es necesario tener en cuenta,
que en muchos de los casos, las acciones preventivas por si solas son insuficientes siendo necesario, por tanto,
complementarlas con medidas correctivas.
1.1.- Acciones preventivas.
Son aquellas dirigidas a evitar que se produzcan problemas ambientales. Intentan anticipar medidas
antes que se produzca el problema. Entre las acciones preventivas destacan:
- Planificación de los usos del suelo.
- Realización de Evaluaciones de Impacto Ambiental.
1.1.1.- Planificación de los usos del suelo.
Consiste en introducir en los planes de ordenación urbana criterios medioambientales, teniendo en
cuenta aspectos como la ubicación de las zonas industriales, su localización frente a zonas residenciales,
recreativas, instalaciones especialmente sensibles como hospitales, colegios, etc., para crear zonas
amortiguadoras de los efectos de las actividades industriales, etc.
1.1.2.- Evaluaciones de impacto ambiental.
Tienen el objetivo de prever las alteraciones que sobre el medio ambiente va a provocar la
realización de determinadas actividades con el objetivo de adoptar medidas correctoras que minimicen sus
impactos antes de que éstos se produzcan.
1.1.3.- Utilización de tecnologías de baja generación de contaminantes.
Se basa en implantar sistemas productivos que, dentro de las necesidades del hombre, proporcionen
el uso más racional de los recursos naturales y de la energía y sean compatibles con la protección del medio
ambiente.
Se trata de evitar la contaminación en su origen. Las acciones que se pueden llevar acabo son por
ejemplo:
- Reformulación del producto.
- Modificación de procesos y equipos de fabricación.
- Optimización del funcionamiento del proceso.
- Cambio de sistemas de obtención de energía.
- Sustitución de combustibles.
- Reciclado y recuperación de subproductos.
1.2.- Acciones correctivas.
Cuando las acciones preventivas no son posibles, por ejemplo por no existir tecnologías limpias, o
son inviables desde el punto de vista económico, se recurre a las acciones correctivas para evitar que se
produzcan situaciones de contaminación atmosférica. Estas acciones correctivas son, fundamentalmente, de
dos tipos:
manera se eviten concentraciones elevadas de contaminantes a nivel del suelo.
- La concentración y retención y/o destrucción de los contaminantes antes de su envío a la atmósfera
mediante el uso de equipos adecuados de depuración.
Normalmente se utiliza una combinación de estas medidas para conseguir los objetivos perseguidos
a un coste razonable.
1.2.1.- Dilución de contaminantes.
Es un sistema que atenúa las concentraciones de contaminantes en las inmediaciones del foco
emisor, es decir resuelve el problema de forma local pero globaliza el problema de la contaminación
pudiéndose producir problemas en zonas alejadas. Un resultado de este tipo de tratamiento es la producción
de la llamada "lluvia ácida".
El método utilizado para la dilución de los contaminantes es emitirlos por chimeneas de forma que a
cuanta mayor altura se produzca la emisión mayor es la dilución que se consigue.
1.2.2.- Sistemas de reducción de emisiones atmosféricas.
Aspectos generales.
Desde el punto de vista de los sistemas empleados en la depuración de emisiones atmosféricas es
conveniente realizar la clasificación en dos tipos: sistemas de reducción de los contaminantes particulados y
sistemas de reducción de los contaminantes gaseosos. Hay equipos especializados en cada tipo de
tratamientos y también los hay con carácter mixto.
Las partículas capaces de sedimentar y con un tamaño comprendido entre 1 y 1000 µm se
denominan genéricamente polvo. Cuando el tamaño es inferior al indicado, se forman suspensiones de las
partículas en la fase gaseosa que reciben, genéricamente, el nombre de humo. El 80 % de las partículas de
origen industrial tienen un tamaño comprendido entre 10-1 y 10-2 mm. Los contaminantes gaseosos suelen
tener un tamaño entre 10-5 y 10-7 mm.
Con el objeto de hacer una captación adecuada de los contaminantes hay que tener en cuenta
factores tales como su naturaleza química, solubilidad y combustibilidad.
En la Tabla 1 se recogen, de forma comparativa, las principales características de las partículas sólidas y moléculas gaseosas en relación con su tamaño y forma de dispersión, y se relacionan con los
métodos existentes para su análisis dimensional, apuntando para los distintos tamaños cuales son los
procedimientos existentes para su separación del gas portador.
Los mecanismos de separación de partículas son de tipo físico, es decir que en la captación no se
puede suponer una modificación en su naturaleza como sucede en la combustión y la reducción.
La elección del adecuado sistema de depuración de gases es uno de los problemas más importantes
de la ingeniería ambiental ya que hay que combinar aspectos técnicos con los económicos y legales. Así,
desde el punto de vista técnico, el sistema de depuración debe de tener una determinada eficacia y ocupar el
mínimo espacio. Desde el punto de vista económico debe realizar sus funciones con una inversión y unos
costes operativos mínimos. Por su parte, las consideraciones legales obligan a que el sistema depurador
Los factores determinantes en la elección de un equipo de depuración dependen del contaminante,
de la corriente gaseosa que lo soporta y de algunas características del producto que finalmente pueda
recuperarse. En la Tabla 2 se recogen algunas de estas características.
TABLA 2
PROPIEDADES DEL CONTAMINANTE Y DEL GAS PORTADOR A CONSIDERAR EN LA ELECCIÓN DE UN SISTEMA DEPURADOR.
CONTAMINANTE GAS PORTADOR
- Distribución del tamaño de partículas.
- Peso molecular
- Presión de vapor.
- Solubilidad.
- Características de adsorción.
- Limite inferior de explosión.
- Reactividad.
- Concentración del contaminante.
- Caudal.
- Temperatura.
- Presión.
- Humedad.
- Concentración de oxígeno.
- Entalpía.
- Corrosividad.
- Explosividad.
Esta información puede obtenerse del análisis de los gases emitidos o de cálculos realizados
sobre la marcha del proceso mediante los correspondientes balances de materia y energía.
Indudablemente, la recogida de muestras y su posterior análisis en las distintas etapas del proceso es el
método más fiable aunque más caro.
Las exigencias legales para las emisiones de cada contaminante nos fijarán la mínima eficacia
que debemos conseguir en cada problema concreto, a la vista de los datos disponibles sobre el
contaminante y su gas portador.
Por otra parte, los costes de tratamiento se convierten en un criterio importante a la hora de
decidir el tratamiento que se elija. La inversión necesaria y el coste anual de tratamiento por cada
tonelada de gases emitidos que hay que tratar, se convierten en el común denominador que permite
comparar diversas opciones.
La existencia de gran número de los procedimientos y equipos, que se utilizan actualmente para
el tratamiento y depuración de los gases, no han tenido siempre su origen en un enfoque medioambiental.
Algunos de estos equipos se han desarrollado buscando cumplir otros fines como son:
la mezcla de los productos con otros que pudieran estar presentes en la atmósfera.
- La recuperación de productos de valor. Como ocurre en secaderos u hornos donde parte del
producto tratado se arrastra con los gases de secado o tostación.
- Para la obtención del propio producto final. El producto está, en su totalidad vehiculado por
una corriente gaseosa y es necesario separarlo de la misma, como ocurre en algunos
procesos de obtención de óxido de cinc, silicio metal, etc.
Siempre hay que considerar que para resolver un problema suelen existir diferentes alternativas,
y su elección vendrá impuesta por los considerandos antes apuntados, y que los problemas suelen ser
complejos y a veces múltiples, por lo que es necesario examinar siempre en su conjunto las necesidades y
posibilidades estableciendo una secuencia lógica para su resolución, siendo habitual abordar en primer
lugar la separación de sólidos y posteriormente el tratamiento de los contaminantes gaseosos.
El diseño de los equipos correctores se optimiza de forma continua y aparecen nuevos procesos
de tratamiento, por lo que es importante conocer al día la oferta existente en el mercado y, para poder
seleccionar adecuadamente, tener criterio técnico, más que conocimientos de ingeniería que pueden
aportar firmas especializadas o los propios suministradores.
En el área industrial existe un conjunto de sectores, significativos desde el punto de vista de
contaminación atmosférica, que emiten contaminantes muy variados pero en focos concentrados y por lo
tanto son objeto de un tratamiento anticontaminante. Estos sectores industriales son los causantes de un
2.- ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES PARTICULADOS.
Los principales equipos y sistemas utilizados y los mecanismos físicos en los que se basan para
la separación de partículas son:
- Cámaras de sedimentación (fuerza de gravedad).
- Separadores inerciales. (inercia)
Impactadores
Ciclones (fuerza centrífuga).
- Filtros (cribado e impactación y otros).
de fibras,
textiles
"papel" (alta eficacia)
- Lavadores húmedos (captación y arrastre por líquidos).
- Precipitadores electrostáticos (fuerzas electrostáticas).
2.1.- Cámaras de sedimentación.
Estos equipos son cámaras paralepipédicas o cilíndricas de grandes dimensiones en las que la
velocidad de la corriente gaseosa se reduce para que las partículas que están en suspensión tengan un
tiempo suficiente para depositarse en el fondo de la cámara, en forma de tolva, desde donde son extraídas
al exterior a través de un sistema estanco como puede ser una válvula rotativa o de doble compuerta.
El gas contaminado con partículas se introduce por el extremo superior lateral del paralepípedo o
cilindro, a través de una ranura distribuidora y sale por otra ranura dispuesta en la parte superior de la cara
opuesta. Para un buen funcionamiento es conveniente que la velocidad del gas en la cámara sea inferior a
3 m/s o, en cualquier caso, inferior a la velocidad de arrastre de las partículas que queramos separar y que
dependerá de su tamaño. Al aumentar la temperatura del gas disminuye el rendimiento del equipo en el
sentido de que aumenta el diámetro mínimo de las partículas que son retenidas.
En la Figura 1 se presenta un esquema genérico de funcionamiento y diseño de una cámara de gravedad.
Para aumentar la eficacia de este tipo de cámaras se disponen placas horizontales en su interior
con lo que se reduce la distancia vertical a recorrer por las partículas y se consigue una mayor eficacia de
separación. En la Figura 2. se representa las llamadas cámaras de Howard que están diseñadas con este criterio.
polvo depositado sobre ellas, hay que interrumpir el flujo de gas, por lo que en procesos continuos, se
necesitan dos cámaras funcionando en paralelo, una que este en separación y la otra en limpieza.
El funcionamiento de estas cámaras exige grandes longitudes y volúmenes para poder separar
partículas pequeñas, por lo que solamente se emplean como etapa previa a otro sistema o como
separación de partículas de gran tamaño (diámetros medios superiores a 0,05 mm).
Las cámaras de gravedad son de fácil construcción, baja inversión y bajos costes de
mantenimiento anual, tienen bajas pérdidas de carga y por tanto de energía, de forma que tienen reducidos
consumos eléctricos provenientes de los motores de accionamiento de los ventiladores o soplantes y
escasos problemas de abrasión.
El principal inconveniente es que precisan grandes espacios para su instalación. También
necesitan que el gas llegue seco para evitar problemas de incrustaciones provocadas por las
condensaciones, y que el sólido no sea pegajoso.
Para calcular el rendimiento de captación es necesario conocer la velocidad de caída libre de la
partícula y los principales parámetros de la cámara.
La velocidad de caída libre de las partículas depende de:
- Tamaño, forma y densidad de las partículas
- Viscosidad y densidad del gas portador.
y se calcula según la Ley de Stokes , donde V es la velocidad de caída libre de la partícula, σ su densidad y d su diámetro, µ la viscosidad del gas y p su densidad.
V = (g × d2 × (σ - p)) / 18 µ
El tiempo de sedimentación es ts = h / V, siendo h la altura de la cámara, y el tiempo de
permanencia del gas en la cámara es tp = L / Vg siendo L la longitud de la cámara y Vg la velocidad del
gas en la cámara..
A partir de estas fórmulas se calcula el rendimiento de captación:
Figuras 1: Cámara de gravedad
2.2.- Separadores inerciales.
Estos equipos funcionan imprimiendo un cambio brusco a la dirección de la corriente gaseosa,
mediante deflectores o pantallas situadas en la corriente del gas, lo que permite la separación de las
partículas al chocar contra el obstáculo que desvía los gases, debido a su mayor inercia, aglomerandose
con las existentes sobre la pared.
El empleo de estos sistemas se limita a la captación, con un rendimiento aceptable, de partículas
de diámetro medio superior a 20 µm con pérdidas de carga de 15 a 30 mm de columna de agua, por lo que
se emplean como separadores previos. La diversidad de estos equipos es muy grande y su rendimiento se
basa en la posibilidad de impacto de la materia particulada sobre los impactadores. Este rendimiento se
define como la fracción de partículas que impactan sobre la placa quedando retenidas.
Los separadores inerciales son relativamente baratos de fabricar y operar, aunque su efectividad
no es muy alta y deben operar siempre con gases secos y material particulado no pegajoso o aglutinante.
Tienen unas caídas de presión moderadas en proporción con la cantidad de materia particulada que
separan y pueden trabajar a temperaturas y presiones elevadas que sólo estarán limitadas por los
materiales empleados en su construcción. Permiten recoger los materiales en seco y necesitan menos
espacio que las cámaras de sedimentación.
La efectividad de estos equipos se correlaciona con la pérdida de carga que sufre el gas al
atravesar el equipo. Cuanto mejor efecto tiene el obstáculo mayor será la pérdida de carga y su
rendimiento. También suele ser proporcional a dicha pérdida de carga la erosión de las placas deflectoras
y de la coraza del colector, que deben inspeccionarse periódicamente, por lo que los equipos más
efectivos tendrán, asimismo, mayores costes de operación y mantenimiento.
Figura 3. Impactador de baffled.
flujo de la corriente) hasta los de orificio o ranurados. Estos últimos son capaces de retener partículas de 2
µm, pero su construcción es más cara y su mantenimiento y los costes energéticos más elevados. En las
Figuras 3 y 4 se representan estos dos tipos de colectores por impacto.
Dentro de la gama de separadores inerciales pueden también considerarse aquellos que separan
la materia particulada con ayuda mecánica, siendo conocidos como separadores mecánicos o con ayuda
mecánica. Los separadores de este tipo usan álabes rotatorios (p.e. ventilador de aspas radiales), para
impartir mecánicamente una fuerza centrífuga a las partículas de la corriente del gas, causando su choque
con las paredes, su aglomeración y separación del gas. Operando a bajas velocidades (400 a 600 r.p.m.),
se minimizan los efectos de la abrasión. Se utilizan en aplicaciones donde el espacio es limitado.
Permiten recuperar partículas de diámetro medio del orden de 10 µm con rendimientos
superiores al 30%.
Estos separadores han sido desplazados en gran parte de sus aplicaciones por los ciclones,
2.3.- Ciclones
Este tipo de equipos son también conocidos como separadores centrífugos. En la Figura 5 se esquematiza un ciclón convencional.
Los ciclones utilizan la inercia para remover las partículas de la corriente del gas. La corriente
gaseosa entra de forma tangencial por la zona superior del cilindro con una velocidad elevada, chocando
contra la pared, recorriéndola a la vez que desciende hasta el fondo en un movimiento en espiral. Cuando
llega al fondo la corriente forma otra espiral ascendente en sentido contrario que sube por el interior de la
corriente de bajada para salir del equipo por su conducto superior central. En la corriente descendente el
movimiento de vórtice hace que las fuerzas centrífugas tiendan a empujar las partículas suspendidas en el
gas hacia las paredes del ciclón, aglomerándolas, y empujándolas hacia el fondo de donde pueden ser
extraídas.
Los elementos base del ciclón son, por tanto, una apropiada entrada de gas que produzca el
vórtice, un cuerpo cilíndrico donde se produce la separación de las partículas, un cuerpo troncocónico
donde se depositan y una salida axial para el gas limpio. El equipo se completa, en su parte inferior, con
un sistema de cierre de gases y extracción del polvo.
En el tipo de ciclón más común, la entrada de gas es tangencial y se produce cerca de la parte
superior del cuerpo ciclónico cilíndrico, creando un vórtice o flujo espiral hacia abajo entre las paredes
del conducto de salida del gas depurado y el cuerpo del ciclón. Este vórtice, que recibe el nombre de
vórtice principal, invierte su sentido de flujo cerca del fondo y sigue con un flujo en espiral hacia arriba
formando un vórtice interior al vórtice principal evacuando los gases por el conducto de salida.
El ciclón se comporta como un concentrador de polvo en las paredes. De allí, éste cae al fondo.
Las partículas en la corriente del gas son forzadas hacia la pared del ciclón por la fuerza centrífuga del gas
en rotación, pero se les opone la fuerza de arrastre del gas que pasa por el ciclón hacia la salida. Con las
partículas más grandes, la inercia vence a la fuerza de arrastre, haciendo que las partículas alcancen la
pared del ciclón y sean colectadas. Con las partículas más pequeñas, la fuerza de arrastre es mayor que la
inercia, ocasionando que las partículas salgan del ciclón junto con el gas. La gravedad hace que las
partículas más grandes que llegan a la pared del ciclón bajen hacia la tolva.
La relación de dimensiones entre el cuerpo ciclónico y el cono de recogida de polvo afecta a la
posible existencia de arrastres y por tanto al rendimiento. La descarga de fondo de los sólidos debe ser
completamente estanca para evitar escapes de gas, si se trabaja a presión, y entrada de aire, si se trabaja a
depresión. Uno de los cierres más comunes es el de tipo alveolar rotatorio o de doble clapeta.
Los ciclones son uno de los equipos más empleados debido a su economía y versatilidad, con la
ventaja adicional de carecer de elementos móviles.
La eficiencia de colección de los ciclones varía en función del tamaño de la partícula y del
diseño del ciclón. La eficiencia aumenta con:
- El tamaño de la partícula y/o la densidad
- La velocidad en el conducto de entrada
- La longitud del cuerpo del ciclón
- El número de revoluciones del gas en el ciclón
- La relación entre el diámetro del cuerpo del ciclón y el diámetro del conducto de salida
- La carga de polvo
- El pulimento de la superficie de la pared interior del ciclón
La eficacia del ciclón disminuirá con los aumentos en:
- La viscosidad del gas
- El diámetro del cuerpo
- El diámetro de la salida del gas
- El área de conducto de entrada del gas
- La densidad del gas
Los ciclones se suelen clasificar en tres tipos: convencionales, de alta eficacia y de alta capacidad.
Varían en los parámetros de diseño y, fundamentalmente, en la pérdida de carga que presentan.
Los ciclones convencionales pueden alcanzar rendimientos de hasta el 90% para partículas con
tamaño medio superior a 10 µm y bajos para partículas entre 10 y 2,5 µm.
Los de alta eficacia, ciclones con diámetros de cuerpo de pequeño tamaño y longitud
proporcionalmente elevada, alcanzan el 90% para partículas con tamaño medio de 5µm y de hasta el 70%
para 2,5µm. Tienen el problema de no poder tratar individualmente grandes caudales de gases.
separar partículas con tamaños medios superiores a 20µm, siendo prácticamente inefectivos por debajo
de 10µm. Por sus características pueden construirse para tratar caudales muy elevados de gases.
En la Figura 6 se esquematiza un ciclón con los parámetros y relación de dimensiones que definen los tipos de ciclones antes descritos y cuya variación hace que se consideren como
convencionales, de alta eficacia o alta capacidad.
Figura 6: Esquema de un ciclón
de alta eficacia en paralelo, formando lo que se llama multiciclón. Figura 7.
Para abaratar su construcción se introducen en un cuerpo común con una entrada y descarga única
(los elementos más caros en su construcción, en especial las válvulas de descarga) y se disponen en su
interior sobre una plataforma estanca, que separa los gases entrantes sucios de los salientes depurados, de
forma que las perdidas de carga sean equivalentes en todos ellos para que funcionen todos con
rendimientos similares. El gas entra a los tubos a través de aspas axiales que le imparten un movimiento
circular.
La eficacia de un ciclón se define como la fracción en peso de las partículas que se recogen. El tamaño de
partícula que puede eliminarse de una corriente de gas con una eficacia del 50% en un ciclón, se define
como tamaño de corte, dpc, y se representa por la siguiente ecuación:
Donde:
dpc = Diámetro de corte (ft). Tamaño de partícula colectado con eficiencia del 50%
µ = viscosidad del gas (lb mass/sec-ft = centipoise x 0,672 x 10-3)
W = ancho entrada a ciclón (ft)
N = número efectivo de vueltas dentro del ciclón V = velocidad de entrada del gas (ft/sec)
ρp = densidad real de las partículas (lb/ft 3
)
ρg = densidad del gas (lb/ft3)
π = constante
El límite mínimo de aplicación de este tipo de separador está en partículas de tamaño medio
superiores a 5µm de diámetro, obteniéndose rendimientos de hasta el 95% de separación cuando se
emplean multiciclones.
Se emplean en instalaciones de funcionamiento continuo como secado, molienda, sinterización,
tostación, hornos de cemento, siderurgia y fundiciones, industria química y combustión de carbones.
Las ventajas de los ciclones son las siguientes:
- Bajos costes de capital
- Pocas partes móviles, es decir poco mantenimiento y bajos costes de operación
- Caídas bajas de presión (5 a 15 cm de columna de agua) comparada con la cantidad de
materia particulada que separan.
- Presión y temperatura limitadas únicamente por sus materiales de construcción
- Recogen y separan el material en seco.
Como desventajas pueden citarse:
- Eficacia de recolección relativamente baja para tamaños inferiores a 10µm
- No pueden manejar materiales pegajosos o aglomerantes
- Las unidades de alta eficacia pueden tener altas caídas de presión
-Los ciclones, por si solos, no son adecuados para cumplir con las reglamentaciones más estrictas
en materia de separación de partículas de las corrientes gaseosas, pero tienen un uso muy importante
como prelimpiadores antes del equipo de control final, siempre más caro, como son los precipitadores
electrostáticos o los filtros de tela.
2.4.- Separadores de capa porosa. Filtros.
La filtración es el método más antiguo y más efectivo entre todos los que se utilizan para separar
materia particulada en los gases. El gas residual se pasa por una tela de tejido apretado, un fieltro, o un
"papel" con el fin de que la materia particulada en el gas sea retenida por los mismos. El mecanismo de
contra el propio sólido retenido anteriormente, atracción electrostática, y, dentro de la propia estructura
filtrante, por deposición de las partículas por las fuerzas de gravedad.
Las partículas en suspensión se retienen sobre el material filtrante, a través de cuyos huecos
pasan los gases y sólo las partículas más pequeñas. Las partículas depositadas sobre el soporte filtrante
crean a su vez, un nuevo sistema filtrante que tiene mayor superficie y deja menores huecos lo que
permite retener partículas más pequeñas, aumentando la eficacia del filtro. Este aumento de eficacia viene
acompañado también de un aumento de pérdida de carga, por lo que es necesario limpiarlo para
mantenerse dentro de los límites de operación o sustituirlo si la limpieza no fuera posible.
La filtración puede ser muy efectiva (99,999%) hasta con partículas muy pequeñas, menores de
0,5 µm de diámetro y sus limitaciones derivan fundamentalmente de la temperatura de los gases, que por la resistencia a la temperatura del material filtrante no suele ser superior a los 300 ºC, salvo en filtros
cerámicos muy especiales, ni inferior a la temperatura de condensación del agua en los mismos.
Dentro de los sistemas de filtración destacan los filtros de materiales fibrosos, los filtros de
"papel" (incluidos cartuchos) y los filtros industriales o de tela.
2.4.1. Filtros de materiales fibrosos.
Son equipos que se caracterizan porque la energía necesaria para la filtración se aporta a través
del movimiento del material filtrante constituido por un conjunto de filamentos que gira a elevada
velocidad dentro de un sistema cerrado donde se introduce el gas con las partículas que se quieren
separar. Las fibras, en su movimiento, impactan contra las partículas sólidas impulsándolas contra las
paredes donde se aglomeran y caen al fondo del equipo desde donde se extraen del sistema.
Se caracterizan por su elevada porosidad, 97 a 99% de espacios libres. El mecanismo de cribado y
retención de las partículas no es significativo en este tipo de filtros. Las fuerzas dominantes en el
funcionamiento para la limpieza de gases son la impactación, y la aglomeración, unidas a la atracción
superficial. Estas fuerzas de atracción suelen ser electrostáticas y contribuyen a la retención de las
partículas de menores tamaños.
La eficacia es muy elevada. En algunos casos pueden alcanzar rendimientos del 99,9% utilizando
fibras de vidrio, separando partículas submicrónicas.
Las ventajas de estos filtros incluyen unos períodos largos de operación con baja limpieza, gran
capacidad de filtración con bajas pérdidas de carga, y que pueden aplicarse a gases con temperaturas
relativamente elevadas. Como principal inconveniente está la dificultad de limpiarlo por su propia
naturaleza, el necesitar espacios importantes para su montaje y unos mayores costos operativos derivados
del mayor consumo de energía y reposición de las fibras.
Se pueden utilizar numerosos materiales y pueden diseñarse autolimpiables.
Figura 8: Filtro materiales fibrosos autolimpiable
2.4.2 Filtros de "papel".
Estos filtros se utilizan cuando se requiere una eficacia muy alta en la separación de las
partículas. Los filtros de "papel" utilizan todos los mecanismos de captura de partículas y retención,
siendo la más significativa las de difusión y cribado.
Dependiendo del rendimiento, fugas y porosidad se clasifican en dos grupos:
Los filtros Hepa (High Efficiency Particulare Air): H-10, H-11, H-12, H-13 y H-14.
Norma CEN EN 1822 VALOR INTEGRAL MPPS
Grupo de
filtro Clase de filtro Eficacia % Penetración %
H-10 85 15
H-11 95 5
H-12 99,5 0.5
H-13 99,95 0.05
HEPA (H)
H-14 99,995 0.005
U-15 99,9995 0.0005
U-16 99,99995 0.00005
ULPA (U)
U-17 99,999995 0.000005
Su uso está indicado cuando se requiere un aire muy limpio como es el caso de “habitaciones
blancas” en hospitales, centros de procesos de datos, la industria nuclear y aerospacial, plantas de
procesamiento de alimentos o fabricación de semiconductores, alimentación de aire a motores, etc. Están
limitados a aplicaciones con baja capacidad de flujo de aire
Los filtros de "papel" pueden fabricarse a partir de papel, fibras minerales o microfibras de vidrio
con o sin fibras vegetales, dependiendo de la resistencia que se necesite, temperatura de operación, el tamaño
de poro definido y su resistencia al agua y agentes químicos.
En general, el medio filtrante está plisado para proporcionar una mayor área superficial por la
relación de flujo volumétrico, razón por la que también se les conoce como medios filtrantes extendidos.
Pueden diseñarse geométricamente de la forma más conveniente para alcanzar superficies de filtración
elevadas, plegándolos lineal o circularmente, formando cartuchos. En todos los casos el filtro hay que sellarlo
al marco o tapa del cartucho con poliuretano plástico, resina epóxida u otros selladores para evitar pasos del
aire, lo que puede ser otro limitador para su uso en determinadas condiciones de temperatura o agentes
químicos. Figura 9.
Requieren una inversión inicial media (filtros y soportes), y los costes de operación y mantenimiento
son medianos si se limpian. Los planos no suelen limpiarse y reciclarse y una vez acabada su vida útil se
reemplazan. Los más grandes, en especial los cartuchos, suelen limpiarse por chorro pulsante lo que hace que
Figura 9: Filtros alta eficacia plisados.
2.4.3Filtros de tela.
Es uno de los métodos mas utilizados industrialmente para la separación de partículas de
corrientes gaseosas. Un filtro de tela es capaz de trabajar con alta eficacia (99,9%) y retener partículas tan
pequeñas como 0,5 µm .
La retención de las partículas de una corriente gaseosa no es una simple operación de filtración
por cribado. Los poros de la tela empleada tienen un tamaño muy superior al de las partículas que
retienen, a veces del orden de 100 veces mayor. La retención de las partículas se basa en mecanismos de
interceptación e impactación con las fibras de la tela, de difusión Browniana, atracción electrostática y
deposición gravitacional. Estos mecanismos suelen actuar conjuntamente, lo que favorece la retención de
toda la gama de tamaños de las partículas sobre la tela.
Los elementos filtrantes tienen forma tubular, de ahí el nombre de filtros de mangas, y están
cerradas por uno de sus extremos. Las mangas para caudales medios pueden tener unas dimensiones
comprendidas entre 125 y 500 mm. de diámetro y entre 3 y 15 m. para la longitud. Las temperaturas
deben ser inferiores a 300 ºC. para evitar la abrasión e incendio de las mangas. El tiempo de uso es
variable oscilando entre 18 y 36 meses.
Los filtros de mangas están constituidos por una carcasa estructural, dividida internamente en
dos compartimentos por una placa horizontal que los hace estancos entre sí y que se utiliza asimismo para
colgar las mangas en su interior. La entrada de gases sucios se hace por el compartimento inferior
(plenum sucio) y la salida de gases limpios se realiza por el compartimento superior (plenum limpio). La
placa horizontal de separación esta construida con un conjunto de orificios circulares a los que se adaptan
y sujetan los extremos abiertos de las mangas, de tal forma que el paso de los gases desde el
la longitud de las mismas el plenum sucio tiene una altura muy superior al plenum limpio.
El gas que se introduce en el compartimento inferior atraviesa la tela para pasar al superior y en
dicha operación se produce la filtración de las partículas que se depositan sobre la tela. Para evitar que las
mangas, por la presión de los gases, se colapsen y se peguen sus paredes se las dota de una estructura
metálica interna muy ligera que las permite mantener su forma y por lo tanto toda su superficie de
filtración. Figura 10.
Figura 10: Estructuras internas de telas filtrantes.
Periódicamente la tela debe limpiarse para impedir su taponamiento y disminuir la perdida de
carga que se produce al ir aumentando el depósito de polvo. Este polvo que se desprende de las mangas
cae a la zona inferior dotado de unas tolvas de descarga de las que se extrae por un sistema mecánico
como puede ser un tornillo sinfín, o un sistema de válvulas.
Las telas filtrantes se presentan en el mercado en una gran variedad de formas, tamaños y tejidos
filtrantes. El tipo de tejido es muy importante pues nos va a determinar el rendimiento esperado, su
resistencia a determinados agentes químicos y a la temperatura de trabajo (Tabla 4). Esta elección debe hacerse basándose en la consideración de una serie de características (Figura 11) que, suelen ser:
- Temperatura de operación. - Humedad de los gases. - Peso específico del sólido.
Tabla 4. Tejidos de filtros de mangas
RESISTENCIA POR CATEGORÍAS
FIBRA TEMPERATUR A MÁXIMA PARA TRABAJAR EN SECO (ºC) TEMPERATUR A MÁXIMA
HASTA (ºC) ABRASIÓN
RESISTENCIA AL CALOR HÚMEDO HIDRÓLISIS
ÁCIDOS ÁLCALIS DISOLVENTES AGENTES OXIDANTES
RESISTENCIA AL FUEGO
ALGODON
90 110 * *** * *** *** ** INFLAMABLE LANA
80 100 * ** ** * *** * INFLAMABLE VIDRIO
(FIBERGLASS, VETROTEX)
280 300 * *** *** *** **** **** NO
INFLAMABLE POLIPROPILENO
90 110 *** *** **** **** ** ** INFLAMABLE HOMOPOLÍMERO
ACRÍLICO (DOLANIT-RICEM)
125 150 ** *** *** ** *** *** INFLAMABLE POLIÉSTER 150 170 **** * *** ** *** *** INFLAMABLE META-ARAMIDA
(KONEX, NÓMEX) 200 220 **** ** ** *** *** * NO
INFLAMABLE POLIFENIL
SULFURO (RYTON)
190 200 *** **** *** *** *** * NO
INFLAMABLE POLIAMIDA
(NYLON, PERLON RISAL)
100 120 ** ** ** *** **** ** INFLAMABLE CO-POLIAMIDA
(P-84) 250 260 *** ** *** ** *** *** NO INFLAMABLE PTFE (TEFLÓN, RASTEX, TOYOFLÓN, PROFILÉN)
250 260 * **** **** **** **** **** NO
INFLAMABLE
**** Excelente *** Bueno ** Medio * Bajo
POLIPROPILENO
Excelente resistencia a ácidos. MAX. 90 ºC
HOMOPOLÍMERO ACRÍLICO (DOLANIT-RICEM)
Buena resistencia a ácidos y álcalis. Sensible a sales de zinc. MAX. 125 ºC
POLIÉSTER
Resistencia a ácidos: adecuada. Resistencia a álcalis: baja. Sensible a los ácidos ambientales. MAX. 140 ºC
PPS (RYTON)
Excelente resistencia a ácidos y álcalis. Sensible al contenido de oxígeno (debe haber menos de un 15% por volumen), agentes oxidantes MAX. 200 ºC
META-ARAMIDA (NÓMEX-KONEX)
CO-POLIAMIDA (P-84)
Resistencia a ácidos: buena. Resistencia a álcalis: moderada. Sensible a ácidos duros y a altas temperaturas. MAX. 260 ºC
PFE
Excelente resistencia a ácidos y álcalis. Sensible a metales álcalis y gases fluorhídricos. MAX. 260 ºC
Industrialmente los diferentes filtros se identifican por el sistema de limpieza empleado. Puede realizarse por: sacudida mecánica (Figura 12), aire inverso, (Figura 13), pulsaciones de aire comprimido
(Figura 14). Su eficacia varía con el tiempo y puede alcanzar valores de hasta 99 %.
Figura 13: Limpieza por aire inverso.
La limpieza por sacudida mecánica consiste en que, cuando se hayan colmatado las mangas de
polvo, es decir, cuando se ha alcanzado una pérdida de carga en el filtro preestablecida, entran en
funcionamiento unos grupos moto-vibradores que sacuden las mangas haciendo caer el polvo recogido
sobre unas tolvas. Este sistema permite trabajar en continuo.
En el caso de limpieza por aire inverso se emplea un ventilador que impulsa una corriente de aire
en la zona superior del filtro (zona limpia) en sentido contrario al de la filtración. De esta forma se
consigue soltar la capa de polvo depositada sobre las mangas. Durante la limpieza se interrumpe la
filtración por lo que, para un trabajo en continuo, es preciso tener dos unidades en paralelo una filtrando y
otra en limpieza, o bien módulos independientes en el mismo filtro.
En la limpieza mediante pulsaciones de aire comprimido se inyecta el aire en la zona
limpia del filtro y en la boca superior de las mangas (Figura 15) accionando una válvula del sistema de aire comprimido, que crea una corriente que atraviesa la tela de dentro a fuera, inflando la manga y
desprendiendo la capa de polvo acumulada que cae al fondo del filtro. Este sistema se ayuda de la
captación de aire del plenum limpio ya que se inyecta a través de un venturi (Figura 16) que crea una depresión en la cámara y arrastra aire limpio de la misma, aumentando el caudal. El funcionamiento es
continuo, ya que la limpieza se realiza sólo sobre una parte de las mangas que constituyen el filtro
mediante pulsaciones periódicas de aire comprimido que actúan sin detener la filtración.
Como resultado de los mecanismos de limpieza utilizados en los filtros de tela, su
eficacia de recolección cambia continuamente. Cada ciclo de limpieza remueve, al menos, parte de la
capa de polvo depositada sobre la tela, y afloja las partículas que permanecen en el filtro. Cuando se
reinicia la filtración, la capacidad de filtrado ha disminuido porque se ha perdido parte de la capa de polvo
y las partículas sueltas son forzadas a pasar a través del filtro por el flujo de gas. A medida que las
partículas son capturadas, la eficiencia aumenta hasta el siguiente ciclo de limpieza.
El criterio fundamental para el diseño de un filtro industrial es la relación caudal de
gases/superficie de tela. Esta relación es la velocidad con que los gases atraviesan la superficial de la tela
(m/min). Dependiendo del tipo de filtro estas velocidades oscilan entre los 0,3 y 6 m/min. Otro criterio,
relacionado con el anterior, es la permeabilidad de la tela, expresada como el volumen de aire, en metros
cúbicos por minuto, que pasa a través de un metro cuadrado de tela, con una diferencia de presión de 10
mm de columna de agua. Este rango varía entre 10 y 100 según el tipo de tela.
La pérdida de carga depende de una serie de factores propios del polvo y del tejido. Con
carácter general la pérdida de carga oscila entre 20 y 200 mm. de columna de agua / cm2 , (0.002 a 0.02
Mangas
Figura 15: Mangas Figura 16: Venturis
2.5.- Separadores por vía húmeda.
Los separadores por vía húmeda (Scrubbers) emplean un líquido, generalmente agua, para
separar las partículas sólidas de la corriente gaseosa en forma de lodo. Sirven también para separar gases
como el dióxido de azufre, ácido clorhídrico, fluorhídrico, cloro y vapores como el de tricloruro de
fósforo por la vía de absorción, siendo los equipos más empleados para controlar las emisiones
inorgánicas.
En estos separadores se busca siempre que el contacto entre la fase gaseosa y la fase líquida sea
lo mayor posible, bien por la vía de pulverizar el agua a gotas de tamaños muy pequeños y en grandes
cantidades, y darles una gran energía (velocidad de proyección en la cámara) para que las posibilidades
de choque con las partículas sólidas sean muy elevadas y arrastren a las mismas hasta las paredes o fondo
del recipiente, o bien creando un contacto prolongado entre las dos fases para que las posibilidades de
mojar el sólido sean muy elevadas. Este contacto, que permite separar sólidos, facilita igualmente la
absorción de los gases contaminantes por el agua disolviéndose en el mismo.
Este tipo de separadores se puede dividir en dos grupos: las torres y los sistemas tipo venturi.
Estos equipos alcanzan eficacias en la separación de partículas del 90 al 99.9 %.
La geometría del equipo, el medio de contacto, y el líquido de lavado son variables que han sido
objetos de investigaciones durante décadas, con el fin de optimizar los rendimientos del equipo en un gran
número de aplicaciones.
El líquido usado en los scrubbers se recircula habitualmente, por lo que es necesario purgar del
sistema una pequeña parte para extraer los sólidos y eliminar, si hay contaminantes solubles, la cantidad
contenidos en sólidos y productos absorbidos suele ser contaminante.
Los separadores húmedos tienen la característica de enfriar la corriente gaseosa y saturar en
humedad los gases tratados, por lo que siempre tendrán un consumo de agua en su funcionamiento. A ello
hay que añadir el agua que acompaña a los sólidos filtrados que se extraen del sistema. Para mantener el
balance de agua, esta se repone habitualmente introduciéndola, por encima de los separadores de gotas, en
forma de chorros que se utilizan para la limpieza de los mismos.
Los separadores por vía húmeda se aplican cuando:
• se requiere limpiar corrientes gaseosas con un alto nivel de eficacia,
• las partículas sólidas están acompañadas de contaminantes solubles gaseosos,
• cuando los gases a tratar son combustibles,
• se desea enfriar los gases.
Si existen dos o más de estos condicionantes se estima que estos procedimientos son viables
desde el punto de vista económico.
El tipo de lavador depende fundamentalmente de las características de los contaminantes a
eliminar y del grado de eliminación necesario. El objetivo es conseguir un buen contacto entre el líquido
y el gas para que se capten las partículas y se absorban los contaminantes gaseosos, y esto puede
conseguirse por diferentes métodos o tipos de lavadores. Al final, entre otras consideraciones, lo que
inclina la decisión suele ser aquel que tenga los mínimos costes operativos y consuma menos energía para
un mismo rendimiento.
Los parámetros de diseño y las correlaciones utilizadas para especificar el tamaño y otras
características del lavador están relacionados con la cinética de transferencia de materia para los gases
que se disuelven o reaccionan con el líquido y el momento de transferencia para las partículas.
En la práctica se utilizan correlaciones y se extrapola la información de los lavadores en
funcionamiento, en instalaciones similares, para el cálculo dimensional de los mismos.
Los separadores por vía húmeda más habituales se pueden dividir en tres grupos: las torres de
pulverización, torres de relleno y lavadores tipo Venturi y de orificio.
2.5.1.- Torres de pulverización.
Las torres de pulverización atomizan un líquido por la parte superior de la torre vacía, que sólo
contiene en su interior algunos elementos mecánicos como son los distribuidores de flujos que ayudan a
mantener un caudal equivalente en toda la sección de la torre.
Las gotas generadas caen mientras el gas, que se introduce por la parte inferior de la torre,
asciende en contracorriente. En su caída las gotas colisionan con los sólidos, humectando y arrastrando a
las partículas y absorben algunos componentes gaseosos del gas portador.
dentro de las mismas, siendo aglomeradas y consecuentemente extraídas del sistema. Los gases son
absorbidos a través de la superficie de las gotas, y disueltos en el líquido, fijándose en algunos casos por
reacción química. El líquido, que contiene las partículas retenidas y los gases contaminantes absorbidos,
desciende al fondo de la torre de donde se extrae para su limpieza y recirculación a la cabeza de la torre.
La limpieza del líquido es necesaria para extraer los sólidos del sistema y si se han absorbido
gases para evitar introducirlos de nuevo con la corriente de recirculación. Lo habitual es proceder en
primer lugar a una decantación, filtrando la fase densa del decantador para extraer los sólidos. El líquido
limpio de la filtración, junto al líquido claro del decantador, se recircula a la cabeza de la torre mediante
una bomba y en los pulverizadores se disgrega en un gran número de gotas de pequeño tamaño y gran
velocidad. La eliminación de los sólidos del líquido de recirculación es necesaria no sólo para sacarlos del
sistema sino también para evitar un desgaste rápido de los pulverizadores por abrasión de las boquillas
por las partículas sólidas. Los contaminantes gaseosos absorbidos deben eliminarse de la fase líquida
antes de la recirculación para evitar reintroducirlos en el sistema.
En la parte superior de la torre de pulverización se instala un eliminador de nieblas para retener los aerosoles arrastrados por el gas.
Estas torres tienen una elevada eficacia para partículas con diámetros superiores a los 10 µm de diámetro y son menos eficientes en la absorción y separación de contaminantes gaseosos. El líquido se pulveriza en gotas con un tamaño óptimo de 500 a 1000 µm.
Son fáciles de instalar y mantener, y tienen unas necesidades energéticas bajas y pueden trabajar con gases a cualquier temperatura. Precisan, sin embargo, caudales importantes de líquido (3 a 14 l/m3 de gas) y tienen una baja eficacia eliminando partículas inferiores a 5 µm, así como contaminantes gaseosos
Otros aspectos negativos son el que generan residuos líquidos y lodos que hay que tratar y son equipos sometidos fácilmente a la corrosión por trabajar con un sistema húmedo
2.5.2.- Torres de relleno.
Las torres de relleno se diferencian de las torres de pulverización en que en cuerpo central de la
torre se introduce un relleno permeable que permite aumentar la superficie de contacto entre el gas y el
líquido de lavado, así como el tiempo que las dos fases están en contacto, aumentando las posibilidades
de humectar y depositar las partículas sólidas sobre el relleno y su posterior arrastre al fondo de la torre,
Asimismo esta mejora del contacto entre las dos fases mejora la transferencia de materia del gas
contaminante desde la fase gaseosa a la líquida, mejorando la absorción del mismo en el líquido.
Para minimizar las pérdidas de carga y disponer de elevadas superficies de contacto, se utilizan
rellenos preformados de alta superficie por unidad de volumen, poco peso y alto coeficiente de espacios
huecos como sillas de montar, intalox, etc..
El líquido se pulveriza en la parte superior de la columna y cae sobre el material de relleno,
introduciéndose a través del mismo, mojando sus paredes y arrastrando las partículas que se han
humectado y depositado sobre el mismo al chocar el gas que las vehicula contra las paredes del relleno,
cayendo a la parte inferior de la torre.
El gas se introduce por la parte inferior, en contracorriente con el líquido, y en su recorrido
ascendente a través del relleno sufre cambio bruscos de dirección que permiten que las partículas choquen
contra las paredes húmedas y se depositen, saliendo por la parte superior de la torre.
El líquido se recircula a cabeza de la torre y suele ir cargado con un porcentaje de sólidos, mas o
menos elevado dependiendo del tipo de relleno. Este líquido debe purgarse para mantener unas
concentraciones adecuadas de sólidos y productos y gases disueltos, y la purga debe tratarse antes de salir
de la instalación, con un sistema similar al indicado para las torres de pulverización
Un eliminador de nieblas retiene las partículas líquidas arrastradas por el gas antes de salir del
equipo, aunque en este caso es menos necesario que en las torres de pulverización, ya que en este tipo de
torres el líquido no requiere ser dispersado en gotas muy pequeñas, siendo suficiente el que se realice una
distribución homogénea del líquido en toda la superficie del relleno.
Los caudales de líquido en las torres de relleno suelen ser de 1 a 3 l/m3 de gas, inferiores por
tanto a los necesarios en las torres de pulverización
Las torres de relleno son muy efectivas tanto en la separación de partículas como en la absorción
de gases contaminantes pero cuando trabajan con corrientes de gases muy cargadas en polvos tienden a
taponar el relleno, creando caminos preferentes a los gases y desequilibrando el sistema, por lo que son
apropiadas para tratar corrientes gaseosas con cargas medias-bajas de sólidos y con presencia de
contaminantes gaseosos.
Estos equipos son más caros de construcción y mantenimiento que los de pulverización y tienen
las mismas desventajas citadas para estas últimas, y en especial la necesidad de separar y tratar los
instalación. Adicionalmente es necesario un buen mantenimiento de la carga de relleno con el fin de que
conserve la permeabilidad adecuada para tener un buen contacto entre gases y líquidos y que la pérdida de
carga se mantenga en la diseñada para la operación de la torre.
2.5.3.- Lavadores Venturi y de orificio
Hay otros sistemas de separación de partículas y absorción de gases como son los lavadores
Venturi y los lavadores de orificio.
Los lavadores tipo venturi y orificio utilizan la velocidad del gas portador para dispersar el
líquido y crear un contacto turbulento entre el mismo y el gas. En el caso de las torres de pulverización y
de relleno la energía se aporta al líquido que se recircula en el sistema.
Su eficacia depende del flujo y la presión del gas y de la relación de caudal de líquido con el
caudal del gas. La energía cinética del gas se utiliza para dispersar la fase líquida.
El gas se introduce por la parte superior del venturi y el líquido es captado en la zona mas
estrecha del mismo (cuello) por efecto de la depresión que se crea al aumentar la velocidad de paso del
gas en la misma. En esa zona de contacto turbulento se produce un choque entre las partículas sólidas
portadas por el gas y las gotas del líquido que se han producido, humectándose las partículas sólidas que
quedan retenidas en la masa del gas. A la salida de estos equipos es necesario disponer de un elemento o
equipo separador de los gases y los líquidos cargados de las partículas sólidas, utilizándose de forma
habitual un cuerpo ciclónico para separar ambos aprovechando sus diferencias de densidad o un sistema
de impactación con un depósito inferior que permite recoger los líquidos cargados de partículas. Estos
sistemas se suelen acompañar de un riego de las paredes y los impactadores que ayudan a arrastrar las
partículas sólidas humectadas hasta el fondo del recipiente auxiliar para sacarlas del sistema.
De la misma forma que en las torres de pulverización y de relleno hay posteriormente que tratar
estos líquidos para separar los sólidos antes de la recirculación de los líquidos limpios.
Dependiendo de la energía suministrada al gas, el caudal de líquido, la presión del gas en la
entrada y de la naturaleza física y propiedades de las partículas y contaminantes, la eficiencia de los
equipos de orificio se sitúa entre el 85 y 99,5%
Figura 18 Lavador de orificio y lavador tipo Venturi.
El lavador tipo Venturi utiliza la energía del gas para, al hacerla pasar por un Venturi, pulverizar
en su seno el líquido de lavado. Se requiere para que sea efectivo unas velocidades del gas en el cuello de
60 a 120 m/s, lo que supone unos consumos de energía elevados.
Este equipo trabaja con alta eficacia, superior al 99%, y es capaz de retener partículas del rango
de 0,2 a 1,0 µm.
Estos dos últimos equipos trabajan con mayores pérdidas de carga y por tanto, sus necesidades
energéticas son mayores. Sin embargo, se utilizan bastante en la eliminación de partículas, siendo menos
efectivos para la eliminación de contaminantes gaseosos.
La pérdida de carga se debe a la fricción de las superficies fijas y a la propia aceleración del
fluido. La pérdida por fricción depende de la geometría del Scrubber y se mide experimentalmente.
2.5.4.- Eliminadores de nieblas.
pasen partículas de líquido a l resto de las instalaciones.
Como eliminadores de nieblas se utilizan impactadores, ya descritos anteriormente, y su complejidad dependerá del tamaño de la partícula líquida que se quiera retener
En la Figura 19 se representa un eliminador de nieblas tipo placas Chevron.
Figura 19: Eliminador de nieblas.
El tamaño de las gotas depende del sistema de pulverización empleado. En los lavadores de orificio este tamaño es de unos 200 µm, y cuando el sistema es de muy alta energía este tamaño puede disminuir hasta los 40 µm. En los sistemas de baja energía el tamaño aumenta hasta los 1000 – 1500 µm.
Los eliminadores de nieblas se diseñan de acuerdo con el tamaño de estas gotas, y utilizan procesos de separación física basados en fuerzas gravitacionales e inerciales. Se pueden utilizar muchos tipos, desde ciclones, impactadores, cámaras con baffles en zigzag, de fibras, o mallas superpuestas.
2.6.- Precipitadores electrostáticos.
La precipitación electrostática es un proceso en el cual la materia particulada en un gas se separa del mismo mediante fuerzas electrostáticas, depositándola sobre una superficie colectora de la que se separa posteriormente para sacarla del sistema.
Las partículas sólidas se cargan eléctricamente cuando pasan a través de los gases ionizados creados por efecto corona por un electrodo emisor que se mantiene a un alto voltaje. Las partículas cargadas son atraídas por un electrodo colector de carga contraria, puesto a tierra, donde se depositan y descargan, siendo separados del mismo por métodos mecánicos o húmedos. El empleo de uno u otro dependerá de las características del sólido.
Los electrodos colectores son de placas o tubos y los electrodos emisores de alambre o de varillas rígidas.
Los precipitadores electrostáticos, o electrofiltros, se emplean para eliminar partículas de corrientes gaseosas que pueden ionizar fácilmente (O2, CO2, SO2, etc.), siendo uno de sus usos más
habituales la depuración de gases en la industria química de cabecera, siderurgia y centrales térmicas, donde se requiere tratar grandes volúmenes de gases con alta eficacia y bajos consumos energéticos. Son sin embargo equipos que requieren elevadas inversiones y ocupan grandes espacios.
En la Figura 20 se representa un esquema de un precipitador electrostático con electrodos tipo placas, donde se contemplan los subconjuntos más importantes, y en la Figura 21 una representación tridimensional de los sistemas de carga y captación de las partículas.
Figura 20. Precipitador electrostático.
distribución de gases que garantiza un buen reparto de los mismo a lo largo y ancho de las filas de electrodos colectores y emisores.
El gas según va atravesando el cuerpo del electrofiltro va depositando las partículas sobre los electrodos colectores saliendo limpio por la cara opuesta.
El cuerpo central del electrofiltro son hileras de electrodos emisores y colectores situados alternativamente, que crean unos canales por donde pasan los gases. Estos electrodos se cuelgan de la estructura del electrofiltro a distancias perfectamente prefijadas para que los campos entre los mismos sean constantes, dotándoles de amarres o contrapesos para que no se desplacen por efecto del paso de los gases.
Figura 21: Precipitador electrostático. Sistemas de carga y captación.
Los electrodos emisores se conectan en la parte superior al sistema de carga eléctrica, situado en la zona externa superior del electrofiltro (transformadores y rectificadores de corriente), y los electrodos colectores cuelgan de una estructura donde se sitúan los elementos de vibración o golpeteo que permiten descargar los sólidos depositados sobre los mismos.
En el extremo contrario a la entrada de los gases, es decir al final de las hileras de electrodos se sitúa la salida de gases limpios.
sólido que se descarga de los electrodos colectores, y de dichas tolvas se extraen los polvos mediante un tornillo sin fin o una válvula de descarga. (Figura 22)
Figura 22: Esquema precipitador electrostático.
Un electrofiltro típico trabaja a unas tensiones de 45.000 V, aplicados a los electrodos de emisión que se encuentran a una distancia de unos 11 cm (4,5 in) de los electrodos colectores, produciendo un gradiente de voltaje de 10 kV/ in.
En general las partículas más difíciles de colectar están entre 0,2 y 0,4 µm, al encontrarse posiblemente en la región de transición entre las cargas de campo y la difusión. La mayoría de los precipitadores de nuevo diseño pueden alcanzar eficiencias del 99,9 por ciento.
Este rendimiento depende mucho de variables como el caudal de gas, temperatura, humedad, resistividad de las partículas y su distribución de tamaños. Sin embargo, los factores más importantes son: el área específica de descarga, definida como la relación entre el área de los electrodos colectores y el caudal de gas (se considera adecuada una relación del orden de 180 m2/m3/s) y la resistividad de las partículas (la mayoría de las partículas procedentes de operaciones industriales está en el rango de 109 a 1015 ohm-cm.)
La resistividad de las partículas es la propiedad que caracteriza su resistencia eléctrica. Esta relacionada con las condiciones de operación del electrofiltro por la expresión:
pp = (St×V)/(d×I)
pp = Resistividad de la partícula
St = Superficie transversal de la capa de polvo
V = Tensión entre los electrodos d = Distancia entre los electrodos . I = Intensidad de corriente
La resistividad varía con la temperatura y la humedad de los gases. La presencia de acondicionantes también la hace variar (ácido sulfúrico, amoníaco, potasa. etc).
Cuando la resistividad de una partícula está dentro de los límites normales para un buen funcionamiento del electrofiltro, la partícula se carga eléctricamente al pasar por el campo de alto voltaje. Una vez cargada es conducida por el gradiente de potencial existente entre los electrodos y las partes puestas a tierra hasta los colectores, y una vez captada pierde parte de su carga en el electrodo colector, pero mantiene una carga suficiente para mantener las partículas sobre el mismo.
Si la resistividad es muy alta, la partícula se resiste a abandonar su carga una vez captada por el electrodo colector. De esta forma, el lecho de polvo depositado en el electrodo colector actúa como un aislante disminuyendo el rendimiento del electrofiltro. En este caso, para mejorar el rendimiento se pueden enfriar los gases con inyección de agua pero tratando de evitar el punto de rocío (condensación del vapor) ya que en caso de existir SO2, ácido sulfúrico, etc., podrían presentarse problemas de
corrosión.
En el caso de no existir presencia de compuestos que agraven los problemas de corrosión y cuando el sólido depositado sobre los electrodos colectores es difícil de separar por su alta resistividad pueden emplearse electrofiltros húmedos para arrastrar las partículas.
Si la resistividad es muy baja, la partícula abandonará rápidamente su carga sobre el electrodo colector y se reintegrará rápidamente a la corriente gaseosa.
El rendimiento de un electrofiltro depende de las variables recogidas en la siguiente expresión: µ = 100(1 - e -W.S/Q)
µ = Rendimiento del electrofiltro en tanto por cien. e = Base de los logaritmos neperianos.
S= Superficie total de los electrodos de depósito (m2). Q= Caudal de gases (m3/s)
Dado el caudal Q de gas entrante y la concentración de partículas en dicho gas, el rendimiento se calcula en función de la concentración de salida:
µ = ( Ce - Cs) / Ce
Ce = Concentración de partículas a la entrada.
Cs = Concentración de partículas a la salida.
Conociendo la velocidad de migración de las partículas, se calcula la superficie colectara total. Luego hay que repartir esta superficie dando al electrofiltro sus tres dimensiones, numero de pasillos y número de campos de precipitación
La clave del diseño está en el cálculo de la velocidad de migración que depende de una serie de factores como: temperatura, humedad, forma de los electrodos emisores y forma de descarga de los electrodos colectores
La velocidad del gas cuando atraviesa el electrofiltro tiene una gran influencia en el rendimiento del electrofiltro si se tiene en cuenta la expresión matemática vista anteriormente y que puede expresarse de la forma:
µ= 100(1 -e -W.L/V.D)
donde:
L= Longitud total de los campos. V= Velocidad de paso del gas.
D= Distancia entre los electrodos emisor y colector.
La importancia de la velocidad del gas hace que en planta piloto se estudie las distribuciones de flujo del gas dentro del electrofiltro. Concretamente, las bocas de entrada suelen disponer de deflectores y chapas perforadas perpendiculares al flujo para conseguir una distribución uniforme.
La descarga de los electrodos colectores puede hacerse en seco o en húmedo.
En la vía seca suele realizarse mediante golpeteo. La limpieza suele realizarse cuando la capa de polvo está comprendida ente 6 y 12 mm (dependiendo de la resistividad del polvo). La intensidad y duración del golpeteo deben controlarse cuidadosamente de acuerdo con las condiciones de trabajo de cada precipitador.
La descarga de polvo se realiza mientras el electrofiltro está trabajando por lo que parte de las partículas se reincorporan a la corriente gaseosa. Los electrodos emisores, también tienen que limpiarse para eliminar las partículas que hayan podido quedar adheridas.
líquido, normalmente agua. Las tolvas de recolección que se utilizan en los electrofiltros secos se reemplazan por un sistema de drenaje. Lógicamente esto supone, en la mayoría de los casos tener que tratar unos lodos con todo el sistema de tratamiento de los mismos para la separación de los sólidos y recirculación de las aguas.
Una alta densidad de partículas reduce el rendimiento del depurador. Por lo que respecta al tamaño, la caída de eficacia se produce en el rango de 0.1 a 1 µm.
Los precipitadores electrostáticos reúnen una serie de ventajas como son su alta eficacia y su relativamente moderado consumo de energía junto unas necesidades de mantenimiento no muy exigentes. Pueden trabajar, por otra parte, con gases húmedosy a temperaturas relativamente elevadas cercanas a los 400º C.
Son equipos muy utilizados en las instalaciones industriales de productos de cabecera, tales como producción de energía eléctrica, siderurgia, cementeras, etc., (Figura 23), por ser capaces de tratar grandes caudales de gases con elevadas eficacias, aunque no suelen ser los equipos últimos de una línea de depuración de gases, y deben continuar en un sistema húmedo o filtros de mangas.
3- ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS.
Los equipos de depuración de contaminantes gaseosos presentes en las emisiones atmosféricas,
se pueden clasificar en función del proceso físico-químico utilizado. Así podemos distinguir los
siguientes tipos:
- Procesos de absorción.
- Procesos de adsorción.
- Procesos de condensación.
- Procesos de oxidación (combustión y combustión catalítica).
- Procesos de reducción catalítica.
Es fundamental para el diseño de estos equipos tener en cuenta aspectos referentes al equilibrio
químico, cinética de reacciones y transporte, incluida la transferencia de materia y calor.
3.1.- Proceso de absorción.
Se basa en la solubilidad de algunos compuestos gaseosos en una fase líquida apropiada,
seguida, en algunos casos, de una reacción química que da lugar a la formación de un compuesto químico
estable, que desplaza el equilibrio favoreciendo la absorción.
Su principal aplicación es la eliminación de gases inorgánicos, componentes gaseosos de baja
concentración, elevado peso molecular y para moléculas olorosas. Suele también estar indicado para
tratar gases con altas concentraciones pero emitidos de forma intermitente. El coste de operación de los
sistemas de absorción con retención química suele ser elevado por el valor de los reactivos.
El primer paso para elegir un sistema de absorción es la selección de la fase líquida en función
del tipo de gas a separar. Seleccionada esta, la transferencia de materia se realiza por el contacto del gas
con el líquido en direcciones controladas principalmente por las concentraciones de los componentes
individuales.
Los mejores sistemas de absorción se caracterizan por bajas temperaturas de operación, grandes
superficies de contacto, altas relaciones líquido-gas y altas concentraciones de los compuestos absorbibles
en el gas. Para concentraciones de 500 ppm en volumen la eficacia puede ser superior al 98 %. Por otra
parte, cuando el componente gaseoso es muy soluble en el líquido también pueden conseguirse eficacias
altas (90 % para concentraciones de 300 ppm).
En los procesos de absorción es fundamental la elección adecuada del líquido absorbente.
Habitualmente se buscará la posibilidad de utilizar agua, ya que las ventajas ligadas a este tipo de fluido