TEMA 5. TRATAMIENTO DE EFLUENTES GASEOSOS I: ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS POR MÉTODOS MECÁNICOS 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

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

ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AIRE AMBIENTAL 5.1. MATERIA PARTICULADA 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 5.1.1. 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)

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) 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 Fig. 5.1. Asbestos, silicatos naturales cancerígenos (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)

SISTEMAS DE TRATAMIENTO 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

Tabla 5.1. Factores a considerar en el diseño de equipos (De Lora y Miro, 1978)

EFICIENCIA COLECTORA vs TAMAÑO DE PARTÍCULA 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 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) cada tamaño de partícula i tiene una eficiencia

Fig. 5.2. Separación de partículas según su tamaño (De Lora y Miro, 1978)

5.2. SEPARACIÓN POR GRAVEDAD 5.2.1. CAMARA DE SEDIMENTACION 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 5.2.2. 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

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)

VELOCIDAD TERMINAL DE SEDIMENTACIÓN LEY DE STOKES Válida para flujo laminar, de manera aproximada para partículas entre 5 y 50 µm                            (equilibrio) VELOCIDAD TERMINAL DE SEDIMENTACIÓN

h Para una partícula de un tamaño dp< dp100 la eficacia de eliminación podrá ser calculada Desviaciones debido a la turbulencia Corrección: Dividir vt por 2 (mejor acuerdo entre teoría y práctica) η = h/H h = vt (L/u)

MODELO DE FLUJO BIEN MEZCLADO dx H h ● 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 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

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) 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)

Fig. 5.3. Cámara de sedimentación industrial (Kiely, 1999)

5.2.3. MODIFICACIONES: CÁMARAS DE HOWARD Y SEPARADORES INERCIALES 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

Fig. 5.4. Separadores por inercia (De Lora y Miro, 1978)

Fig. 5.5. Separadores por inercia (De Lora y Miro, 1978)

5.3. SEPARACIÓN POR FUERZA CENTRÍFUGA 5.3.1. CICLONES 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 Fig. 5.6. Ciclón (De Lora y Miro, 1978)

5.3.2. DISEÑO Y APLICACION 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)

Fig. 5.7. Dimensiones relativas a un ciclón de flujo inverso (Kiely, 1999)

De manera análoga a las cámaras de sedimentación, se puede deducir la siguiente ecuación para el cálculo de la eficacia en ciclones NÚMERO VUELTAS DA EL GAS ANTES DE SALIR Velocidad de las partículas (u) ~ velocidad del gas 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%)

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

● 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 (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

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

5.3.3. MODIFICACIONES: MULTICICLÓN Y PRECIPITADOR DINÁMICO 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 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)

5.4. SEPARACIÓN POR FILTRACIÓN 5.4.1. FILTROS 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 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

Fig. 5.8. Filtro indutrial (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)

5.4.2. FILTROS DE MANGAS 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) Tabla 5.1. Variación de la eficacia de un filtro de tela (De Lora y Miro, 1978)

Fig. 5.9. Filtro de mangas (De Lora y Miro, 1978)

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 K = permeabilidad (L2) V = velocidad superficial del gas (m/s) X = profundidad del lecho o espesor del filtro A = superficie medio filtrante Ld = carga de polvo (g/m3) ρt = densidad de la torta

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

5.4.3. FILTRACIÓN EN PROFUNDIDAD 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) 33