TEMA 7. TRATAMIENTO DE EFLUENTES GASEOSOS III: ELIMINACIÓN DE

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1 TEMA 7. TRATAMIENTO DE EFLUENTES GASEOSOS III: ELIMINACIÓN DE
CONTAMINANTES GASEOSOS POR TRANSFERENCIA 7.1. ABSORCIÓN TORRE DE PLATOS TORRE DE RELLENO ECUACIONES DE DISEÑO APLICACIÓN INDUSTRIAL 7.2. ADSORCIÓN LECHO FIJO LECHO FLUIDIZADO ECUACIONES DE DISEÑO APLICACIÓN INDUSTRIAL 7.3. CONDENSACIÓN CLASES DE CONDENSADORES ECUACIONES DE DISEÑO APLICACIÓN INDUSTRIAL

2 OBJETIVOS DEL TEMA Conocer la aplicabilidad de la absorción, adsorción y condensación en el tratamiento de efluentes gaseosos Comprender los fundamentos y conocer las principales características de estos tres sistemas de tratamiento  Ser capaz de realizar los cálculos básicos de diseño para eliminar contaminantes gaseosos por absorción en una torre de relleno

3 MÉTODOS PARA EL CONTROL DE LAS EMISIONES
PREVENCIÓN CAMBIOS DEL PROCESO, COMBUSTIBLES, SISTEMAS DE COMBUSTIÓN ELIMINACIÓN DE FUGAS TRATAMIENTO  Absorción  Adsorción  Condensación TRANSFERENCIA  Química: oxidación, reducción  Biológica TRANSFORMACIÓN

4 7.1. ABSORCIÓN DE GASES La absorción de gases es una operación básica en la cual un componente (soluto A) de una mezcla gaseosa se transfiere hacia una fase líquida; la operación contraria se denomina desorción La transferencia de materia es proporcional al área superficial de la interfase L/G, por ello el diseño de las unidades de absorción se centra en conseguir grandes superficies de contacto (con un mínimo de caída de presión del gas) DOS ASPECTOS FUNDAMENTALES DEBEN DE SER CONSIDERADOS: El equilibrio que determina el grado máximo de transferencia que puede lograrse  curvas de equilibrio (P,T)  La velocidad con que se produce la transferencia (vendrá dada por lo alejados que estemos del equilibrio)  tiempo necesario (tamaño del equipo)a

5 EQUILIBRIO DE ABSORCIÓN
Para disoluciones diluidas y sistemas sin reacción química, la cantidad de A disuelto en el líquido está relacionada con la presión parcial de A mediante la Ley de Henry En general la absorción se ve favorecida a altas presiones y baja temperatura LEY DE HENRY LIQUIDO GAS

6 TORRE DE PLATOS Las torres de platos son los equipos más representativos de este grupo Son cilindros verticales en los que el líquido y el gas se ponen en contacto sobre pisos o platos El líquido baja por gravedad y el gas fluye hacia arriba a través de orificios en los platos (operación en contracorriente) Un plato teórico o ideal sería aquel en el que se alcanzara el equilibrio Fig Diagrama del balance de materia para el plato n (McCabe y Smith, 1975)

7 Fig. 7.2. Torre de relleno (McCabe y Smith, 1975)
Las torres de relleno provocan una mayor caída de presión pero también permiten alcanzar mayores eficacias (más utilizadas) A diferencia de la torre de platos aquí el contacto es continuo Lo habitual es trabajar en contracorriente (más efectivo) Se utilizan rellenos especiales de distintos tamaños y materiales que consiguen una gran superficie de contacto L/G Fig Torre de relleno (McCabe y Smith, 1975)

8 REQUISITOS DE LOS RELLENOS
Pueden ser de cerámica, vidrio, metal, plástico Elevada relación superficie/volumen Fácil flujo de fluidos sin causar una excesiva caída de presión Resistencia química Resistencia mecánica Bajo coste Tabla 7.1. Características físicas de los rellenos de torres (McCabe y Smith, 1975)

9 Fig Cuerpos de relleno típicos para torres a) montura Berl b) montura Intalox c) anillo Rasching d) anillo Lessing e) anillo partido en cruz f) anillo en espiral simple g) anillo de espiral doble (McCabe y Smith, 1975)

10 Fig. 7.4. Caída de presión en rellenos irrigados (McCabe y Smith, 1975)

11 7.1.3. ECUACIONES DE DISEÑO PARA LA TORRE DE RELLENO
BALANCES DE MATERIA Y LÍNEA DE OPERACIÓN MOLES TOTALES ENTRAN = MOLES TOTALES SALEN MOLES DE A QUE ENTRAN = MOLES DE A QUE SALEN La, Lb = moles de líquido que entran y salen por unidad de tiempo Va, Vb = moles de gas que salen y entran por unidad de tiempo xa, xb = concentración del soluto A, expresada en fracción molar, en el líquido a la entrada y a la salida ya, yb = concentración del soluto A, expresada en fracción molar, en el gas a la salida y a la entrada Fig Diagrama del balance de materia para una columna de relleno (McCabe y Smith, 1975)

12 MOLES A ENTRAN = MOLES A SALEN (para una altura h de la torre)
De la misma manera para una altura h de la torre, se cumple: MOLES A ENTRAN = MOLES A SALEN (para una altura h de la torre) V = moles de gas por unidad de tiempo a la altura h L = moles de líquido por unidad de tiempo a la altura h x = concentración del soluto A, expresada en fracción molar, en el líquido a la altura h y = concentración del soluto A, expresada en fracción molar, en el gas a la altura h

13 Fig. 7.6. Relación límite gas-líquido (McCabe y Smith, 1975)
LÍNEA DE OPERACIÓN Si L y V no varían significativamente durante el proceso, la línea de operación es una recta que pasa por xa, ya y xb, yb Fig Relación límite gas-líquido (McCabe y Smith, 1975)

14 RELACIÓN MÍNIMA Y DE DISEÑO ENTRE EL LÍQUIDO Y EL GAS
A partir de las concentraciones de entrada y salida del gas y de entrada del líquido se puede trazar la línea de operación cuya pendiente nos proporciona (L/V)min, que nos permite saber la mínima cantidad de líquido El empleo de esta tasa mínima implicaría utilizar una torre infinitamente alta para llevar a cabo la separación deseada El diseño se realiza habitualmente para operar con tasas líquidas que sean del 30 al 70% mayores que la tasa mínima Fig Diagrama del punto de ebullición en el que se representa la rectificación en un plato ideal (McCabe y Smith, 1975)

15 ALTURA DE LA TORRE Si el número de moles de líquido y de gas son aproximadamente iguales a la entrada y a la salida, considerando un elemento diferencial de volumen BALANCE DE MATERIA A UN ELEMENTO DIFERENCIAL DE VOLUMEN Siendo: kg = coeficiente de transferencia de materia dA = área interfacial de contacto = a dV = a S dz a = relación superficie/volumen del relleno S = sección transversal de la torre yi = concentración de equilibrio en z con el líquido

16 altura de la unidad de transferencia
El número de unidades de tranferencia se puede calcular resolviendo la integral o mediante ecuaciones aproximadas La altura de la unidad de transferencia se puede obtener mediante ensayos de planta piloto o la aplicación de correlaciones para el cálculo del coeficiente de transferencia de masa altura de la unidad de transferencia número de unidades de transferencia dA = a dV = a S dZ a = relación superficie/volumen del relleno S = sección transversal de la torre

17 Fig Variación de los coeficientes locales de transferencia de materia en la absorción con ftalato diluido, de tetracloruro de carbono contenido en aire (McCabe y Smith, 1975)

18 DIÁMETRO DE LA TORRE Está determinado por la caída de presión del gas y por el fenómeno de la inundación. Es frecuente operar con la mitad de la velocidad de inundación Se calcula el valor de la abcisa Se lee en el gráfico la línea correspondiente a la línea de inundación A partir del valor de la ordenada se despeja Gyinundación Gx = velocidad másica del líquido lb/pie2s Gy = velocidad másica del gas, lb/pie2s Fp = factor de relleno, pie-1 μx = viscosidad del líquido, cp gc = 32,174 pies-lb/lbf-s2 Es frecuente f=0,5

19 Fig. 7.9. Velocidades de carga e inundación en torres de relleno (McCabe y Smith, 1975)

20 7.1.4. APLICACIÓN INDUSTRIAL
CONTAMINANTES: SO2, H2S, HCl, NOx, Cl2, NH3, HF, alcoholes, fenol, formaldehído VENTAJAS  El agua es un disolvente relativamente barato  Baja pérdida de carga DESVENTAJAS  Puede resultar caro para gases no solubles en agua  El contaminante no es destruido, sino que sólo cambia de fase (este inconveniente puede llegar a convertirse en una ventaja si el contaminante es un compuesto químico valioso y puede ser recuperado y posteriormente vendido o reutilizado)  Altos costes de mantenimiento INDUSTRIAS CEMENTERAS (gases ácidos) QUÍMICA (gases ácidos, tóxicos) FERTILIZANTES (NH3, HF, ácidos orgánicos) CRISTAL (gases ácidos) TRATAMIENTO AGUAS (NH3, H2S) INCINERACIÓN (gases ácidos) PINTURAS (COVs) PETROQUÍMICA (anhídrido maleico, H2S) CENTRALES TÉRMICAS (SO2) PAPELERA (COVs, SH2, NH3) FARMACÉUTICA (COVs) ALIMENTARIA

21 7.2. ADSORCIÓN DE GASES La adsorción de gases es una operación básica en la cual un componente (adsorbato) de una mezcla gaseosa se transfiere hacia la superficie de un sólido, sobre la que queda retenido LA INTENSIDAD DE LA UNIÓN QUE SE ESTABLECE PUEDE SER DE DOS TIPOS: Adsorción física (enlaces débiles, poco específicos, reversibles) Adsorción química o quimisorción (enlaces fuertes, específicos, irreversibles) PROPIEDADES DE LOS ADSORBENTES  Alta relación superficie/volumen  Poca caída de presión  Alta resistencia mecánica y química Adsorbentes (diámetros de partícula 0,1-10 mm): carbón activo, gel de sílice, alumina activada, tamices moleculares (aluminosilicatos metálicos sintéticos)

22 FUNDAMENTO FREUNLICH LANGMUIR
Al igual que en el caso de la absorción, también existe un equilibrio de adsorción para unas condiciones dadas Existen diversos modelos para describir los equilibrios de adsorción pero ninguno se puede aplicar de modo universal  La adsorción se ve favorecida a baja temperatura y alta presión, y, en general, mejora con un aumento en la masa molecular del adsorbato FREUNLICH LANGMUIR w* = concentración de equilibrio de la especie en el adsorbente (mg/g) p = presión parcial de la especie K, α, n = constantes

23 7.2.1. LECHO FIJO 7.2.2. LECHO FLUIDIZADO
Son los sistemas más habituales y consiste en pasar el gas contaminado a través de un lecho fijo de adsorbente Durante el periodo inicial la capa de adsorbente más cercana a la entrada adsorbe de forma efectiva el soluto La zona de adsorción (donde la concentración de contaminante pasa de saturado a prácticamente cero) va avanzando con el tiempo de operación  Cuando la zona de adsorción llega al final del lecho la concentración de salida empieza a subir (punto de ruptura) LECHO FLUIDIZADO Fig Secador de Lecho Fluidizado (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)

24 DISEÑO Y APLICACION LA ADSORCIÓN RESULTA ESPECIALMENTE ÚTIL EN LOS CASOS EN QUE: El gas contaminante no es combustible o difícil de quemar Interesa la recuperación del contaminante  Baja concentración de contaminante El carbón activo se emplea sobre todo en la eliminación de COVs (eliminación de olores, recuperación de disolventes) LOS REQUISITOS GENERALES QUE SERÁ PRECISO CUMPLIR EN EL DISEÑO O SELECCIÓN DE UN EQUIPO DE ADSORCIÓN INCLUYEN:  Suficiente tiempo de retención (0,6-6 s)  Tratamiento previo de la corriente de gas para eliminar la materia no adsorbible que pudiera perjudicar la operación en el lecho de adsorción  Tratamiento previo para eliminar altas concentraciones de otros gases competidores mediante otros procesos más efectivos a fin de evitar la sobrecarga del sistema de adsorción  Buena distribución del flujo a través del lecho (velocidades en la cara del lecho 6-30 m/min)  Renovación o regeneración del lecho adsorbente: temperatura / inerte (vapor agua)

25 7.2.4. APLICACIÓN INDUSTRIAL
CONTAMINANTES Benceno, tolueno, acetato, tetracloruro de carbono, dicloroetileno, metileno, percloroetileno, tricloroetileno, tricloroetano, heptano, pentano, hexano, alcoholes, sulfuro hidrógeno, ésteres, cloroformo, olores INDUSTRIAS TRATAMIENTO AGUAS (OLORES) COMPOSTAJE (OLORES) INCINERACIÓN (COVs) ALIMENTARIA (OLORES) PINTURAS (DISOLVENTES) PLÁSTICOS (COVs) VENTAJAS Tecnología apropiada para eliminación de elementos traza Algunos adsorbentes (carbón activo) pueden regenerarse mediante tratamiento térmico DESVENTAJAS Proceso sólo eficiente a bajas o moderadas temperaturas, ya que a altas temperaturas ocurre la desorción Con el tiempo el adsorbente va degradándose y hay que renovarlo Tecnología de coste relativamente elevado

26 7.3. SISTEMAS DE CONDENSACIÓN
Los sistemas de condensación eliminan vapores y gases de una corriente gaseosa haciéndoles condensar como líquido que luego se separa por gravedad UN GAS PUEDE CONDENSARSE DE DOS MANERAS: Aumentando la presión Disminuyendo la temperatura  O la combinación de ambos Lo más común es disminuir la temperatura, ya que es lo más barato Como agentes refrigerantes puede utilizarse agua o refrigerantes criogénicos, tales como nitrógeno líquido

27 7.3.1. CLASES DE CONDENSADORES
Tipos de condensadores: De contacto directo: existe contacto directo entre refrigerante-gas De superficie (intercambiadores de calor): no existe contacto directo entre refrigerante-gas Fig Intercambiador de calor (publicada en Wikimedia Commons con licencia CC BY-SA 3.0)

28 Fig. 7.11. Deflectores (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)

29 DISEÑO Y APLICACION Costoso, sólo aplicable si se pretende revalorización SE USA GENERALMENTE PARA:  COV con Teb >50ºC y Tcong<-150ºC  Gases con altas concentraciones de COVs (>5 g/Nm3) y bajo caudal ( Nm3/h) LA EFICACIA DE LA SEPARACIÓN DEPENDE DE LA TEMPERATURA ALCANZADA:  Para sistemas que utilizan agua fría (entre 4 y 10ºC): eficacias 90-99% Para sistemas con refrigerantes criogénicos (entre -50 y -100ºC): eficacias>99% En los condensadores de contacto directo es clave la cantidad de refrigerante requerida: Balance de energía Superficie de transferencia de calor, calculada a partir de la ecuación de intercambio de calor: Q = tasa de transferencia de calor (W) A = área de contacto (m2) U = coeficiente de transferencia (W/m2.K) Tm = diferencia media de temperatura (K)

30 7.3.3. APLICACIÓN INDUSTRIAL
DESVENTAJAS Resulta caro si no se reutiliza el contaminante recuperado Puede presentar bajas eficiencias Propenso a ensuciarse (partículas) VENTAJAS Tecnología relativamente simple y barata Buena tecnología como pre-tratamiento para la eliminación de compuestos condensables INDUSTRIAS QUÍMICA PETROQUÍMICA FARMACÉUTICA CONTAMINANTES ACETONA METANOL ETANOL TOLUENO DICLOROMETANO DICLOROETANO GASOLINA