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TEMA 6. TRATAMIENTO DE EFLUENTES
GASEOSOS II: ELIMINACIÓN DE
PARTÍCULAS MEDIANTE LAVADORES
Y PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS
6.1. SEPARADORES POR VÍA HÚMEDA
6.1.1. LAVADORES DE CÁMARA DE ASPERSIÓN
6.1.2. LAVADORES CICLÓNICOS
6.1.3. LAVADORES VENTURI
6.1.4. APLICACIÓN INDUSTRIAL
6.2. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS
6.2.1. PRECIPITADORES DE PLACA Y ALAMBRE
6.2.2. PRECIPITADORES DE TUBO Y ALAMBRE
6.2.3. PRECIPITADOR DE PELÍCULA HÚMEDA
6.2.4. APLICACIÓN INDUSTRIAL
OBJETIVOS DEL TEMA
•
Comprender los fundamentos de la separación de partículas por vía húmeda y por
precipitación electrostática
•
Conocer los tipos de separadores por vía húmeda y precipitadores electrostáticos y
su aplicabilidad en el tratamiento de efluentes gaseosos
•
Ser capaz de realizar diseños básicos de lavadores venturi y precipitadores
electrostáticos para resolver situaciones concretas
•
Ser capaz de determinar la técnica o técnicas más adecuadas para resolver una
situación medioambiental en la que se requiera separar partículas de un efluentes
gaseoso
6.1. SEPARADORES POR VÍA HÚMEDA
(COLECTORES HÚMEDOS)
Los colectores húmedos son aquellos que utilizan un líquido, generalmente agua, para capturar las
partículas o para aumentar el tamaño de los aerosoles, lo que facilita su eliminación de la corriente
de gas
Se pueden eliminar partículas pequeñas con alta eficacia, en algunos casos hasta 0,1 μm (dependiendo
del diseño del lavador)
Las partículas se recogen en forma de lodos (puede resultar un inconveniente)
El fin primordial de estos dispositivos es lograr la adecuada dispersión de la fase líquida a fin de lograr un
buen contacto con las partículas
La eficiencia colectora de las partículas por parte de las gotas es mayor para mayores valores del número
de impactación
El número de impactación es directamente proporcional a la velocidad relativa y al cuadrado del diámetro
de partícula, e inversamente proporcional al diámetro de gota
En principio se podría pensar que interesaría que el tamaño de gota fuera lo más pequeño posible, sin
embargo, hay que tener en cuenta que el tamaño de gota también influye en la velocidad relativa por lo que
existe un tamaño óptimo
N1
Vp dp2
p KC
18 g dG
Vp velocidad relativa entre partículas y gotas
dp diámetro partícula
dG diámetro gota
Kc factor corrección de Cunningham (partículas <5 µm)
6.1.1. LAVADORES DE CÁMARA DE ASPERSIÓN
LAVADOR DE TORRE POR ASPERSIÓN
El equipo más sencillo es el lavador de torre por aspersión, consistente en una torre, circular o rectangular,
en la que el gas fluye hacia arriba y las partículas chocan con las gotas del líquido producidas por boquillas
situadas a través del paso del flujo
Las gotas de líquido contaminado sedimentan por gravedad
En la parte superior se coloca un eliminador de neblina que evita que el gas arrastre las gotas de más
pequeño tamaño
LAVADOR DE PLACAS DE CHOQUE HÚMEDAS CON FLUJOS CRUZADOS
Un diseño alternativo es el lavador de placas de choque húmedas con flujos cruzados
El agua se aspersiona desde lo alto de la cámara y el gas fluye horizontalmente
Las partículas son capturadas por la gotas que caen por gravedad
Se suelen colocan deflectores verticales que evitan el arrastre de las gotas mejorando la eficiencia
Fig. 6.1. Cámara de aspersión (Kiely, 1999)
6.1.2. LAVADORES CICLÓNICOS
El tipo más simple consiste en colocar bancos de boquillas en un ciclón convencional (pueden colocarse en
el interior en forma de anillo o a la entrada); suele ser necesario colocar un eliminador de neblina a la salida
Otra alternativa es introducir el gas por la parte inferior del cilindro y el agua a través de una boquilla
múltiple que lo lanza radialmente
DISEÑO Y APLICACIÓN
LAVADORES DE CÁMARA DE ASPERSIÓN
•
•
•
Gasto de agua: 0,3-1,5 L por cada 1000 L de gas tratado
ΔP: 0,2-0,5 kPa (Similar al ciclón y filtros de mangas)
Buenas eficiencias para partículas > 5 μm
LAVADORES CICLÓNICOS
•
•
•
Gasto de agua: 0,1-1 L por cada 1000 L de gas tratado
ΔP: 0,2-1 kPa (Similar al ciclón y filtros de mangas)
Buenas eficiencias para partículas > 5 μm
LAVADORES VENTURI
•
•
•
Gasto de agua: 0,3-1,5 L por cada 1000 L de gas tratado
ΔP: 0,8-25 kPa
Eficiencias > 99% para partículas > 1 μm
6.1.3. LAVADORES VENTURI

Consisten en un canal circular o rectangular que converge en un estrechamiento y diverge después al
diámetro original

En la zona de convergencia el gas es acelerado y alcanza grandes velocidades (50-180 m/s), al
tiempo que baja la presión estática

Un banco de boquillas a cada lado de la garganta (o al comienzo de la sección convergente) inyecta
agua a la corriente gaseosa de alta velocidad (alta velocidad relativa)

La relación de áreas entre la entrada y la garganta es típicamente de 4:1.

Lo habitual es que las gotas cargadas de polvo se separen del gas mediante la colocación en serie de
un lavador ciclónico
Fig. 6.2. Lavadores Venturi (De Lora y Miro, 1978)
EFICIENCIA COLECTORA
La eficiencia colectora de los lavadores venturi está relacionada con la caída de presión
Se carece de ecuaciones de diseño fiables para la eficiencia colectora
ECUACION DE HESKETH
partículas > 5 μm
  1,0
partículas < 5 μm
  1  3,47 P 1,43
P 
ΔP:
Vg:
ρg:
A:
L:
Vg2 g A 
507
0,133
0,56  0,125L  0,0023L 
caída de presión a través del venturi (pulgadas de agua)
velocidad del gas en la garganta (ft/s)
densidad del gas (lb/ft3 )
área de la sección transversal de la garganta del venturi (ft2 )
relación de líquido a gas (gal/1000 ft3 )
2
6.1.4. APLICACIÓN INDUSTRIAL
VENTAJAS:
●
Algunos diseños pueden lograr altas eficacias para partículas pequeñas
●
El gas puede estar a alta temperatura
●
Pueden eliminarse a la vez contaminantes gaseosos
DESVENTAJAS:
●
En el caso de los venturi, son equipos más caros que los anteriores y generan mayor caída de presión
●
Se generan lodos
●
Consumo de agua (se suele reutilizar)
●
Puede haber problemas de corrosión o congelación
APLICACIONES:
industria química, farmacéutica, cementera, siderurgia, calderas
6.2. PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS
En el proceso de precipitación electrostática, las partículas de polvo en suspensión (S o L) que transportan
los gases se separan de estos por acción de la fuerza electrostática, sometiéndolas a la acción de un
campo eléctrico intenso, después de haberles comunicado una alta carga eléctrica
Lo más habitual es que la carga y el transporte de partículas tenga lugar en el mismo lugar (con el mismo
campo eléctrico)

Un alto voltaje produce el llamado “efecto corona” cargando las partículas y enviándolas hacia las
placas colectoras

Se establece una diferencia de potencial entre dos superficies (alambre y placa) de manera que se
crean dos electrodos (positivo y negativo) entre los que existe un campo eléctrico

Los electrones comienzan a moverse del electrodo negativo (cátodo) al positivo (ánodo) a alta
velocidad y chocan con las moléculas de gas arrancando uno o más electrones e ionizándolas

Estos electrones se aceleran debido al campo eléctrico y liberan más electrones (efecto corona que
se da en las proximidades del cátodo)

Los cationes formados migran al cátodo y se descargan, pero los electrones migran hacia el ánodo y
en su paso chocan con las partículas cargándolas negativamente

El mismo campo eléctrico conduce las partículas hacia el electrodo colector (ánodo) donde se quedan
depositadas y se desprenden normalmente por golpeteo mecánico
Fig. 6.3. Precipitador electrostático húmedo (publicada por Creative Commons con licencia CC BY-SA 3.0)
6.2.1. PRECIPITADORES DE PLACA Y ALAMBRE
Son los más habituales para grandes volúmenes de gas
Consiste en un gran número de placas paralelas (electrodo colector) entre las que circula el gas en flujo
horizontal; se pueden colocar más placas en serie
En las líneas de centro de cada pasaje de gas se colocan los alambres (electrodo de carga)
6.2.2. PRECIPITADORES DE TUBO Y ALAMBRE
•
Los electrodos consisten en alambres suspendidos axialmente dentro de un tubo
•
Se aplica un voltaje muy alto entre el alambre y el tubo
•
El gas fluye por el tubo a través del campo eléctrico
•
Se utilizan sobre todo para eliminar partículas líquidas
Espacio entre placas: 20-25 cm
Altura placas: 9-12 m
Longitud placas: 7-9 m
Voltaje: 20-100 kV
Velocidad del gas: 0,3-6 m/s
Eliminar partículas 0,05 y 200 µm
ΔP: 0,02-0,1 kPa
Operan con gases hasta 650ºC y 1 kPa
Fig. 6.4. Precipitador electrostático (publicada por Creative Commons con licencia CC BY-SA 3.0)
DISEÑO Y APLICACIÓN
q
3D
D 2
Fe  q Ep 
Fr 
  0 Ec dp2

3D
D 2
  0 Ec Ep
3  g dp Vp
Kc
Fe
Fr
dp2
(válido para dp>1 µm y P = 1 atm; T en K y dp en µm)
9,73 103 T1/ 2
Kc  1 
dp
D: constante dieléctrica de la partícula (2-8)
E: campo eléctrico de carga y transporte
Є0: permitividad del vacio (8,85x10-12 C/Vm)
dp: diámetro de partícula
Si Ec = Ep = E
Fe = Fr (equilibrio)
dp
Vp  Kc

0
 D 

E2 
D

2


g
LA VELOCIDAD DE MIGRACIÓN DE LA PARTÍCULA ES:
●
Directamente proporcional al tamaño de partícula y al cuadrado del campo eléctrico
●
Inversamente proporcional a la viscosidad del gas → La velocidad de migración disminuye al aumentar
la temperatura del gas (aumenta la viscosidad)
En la práctica la velocidad real de migración puede desviarse bastante de esta ecuación debido a que
además de la transferencia electrostática de masa, estarán presentes diversos grados de difusión
turbulenta y efectos inerciales
dp
Vp  Kc

0
 D 

E2 
D

2


g
Para dp< 5,0 µm la velocidad teórica de migración es habitualmente < 0,3 m/s
Para cenizas finas ~0,01-0,2 m/s
EFICACIA DE UN PRECIPITADOR
Para una eficiencia colectora del 100%, el tiempo requerido para que una partícula viaje del electrodo de
carga al colector deberá de ser menor que el tiempo que tarda en atravesar el precipitador (el tiempo de
carga resulta despreciable)
s
L

Vp Vg
LONGITUD DE PASAJE MÍNIMA PARA UNA EFICACIA DEL 100%
En la práctica existen importantes variaciones respecto al modelo teórico debido a deviaciones de las
suposiciones (velocidad del gas uniforme, partículas esféricas, propiedades eléctricas uniformes)
L
s Vg
Vp
ECUACIÓN DE DEUTCH
Se han propuesto varias ecuaciones para el cálculo de la eficacia de un precipitador
Conduce a error para partículas pequeñas, donde los precipitadores reales proporcionar eficacias muy
superiores a las predichas por el modelo
La experiencia muestra que la eficiencia colectora mínima ocurre en muchos casos dentro del intervalo 0,10,5 µm, siendo superior para partículas más finas
Se recomienda utilizar datos empíricos para la velocidad de migración
 Vp A 
  1 exp  

Q


S: distancia entre el electrodo de carga y el colector
L: longitud del precipitador
Vg: velocidad del gas (m/s)
Vp: velocidad de migración de la partícula (m/s)
D: constante dieléctrica de la partícula (2-8)
E: campo eléctrico de carga y transporte
Є0: permitividad del vacio (8.85x10-12 C/Vm)
dp: diámetro de partícula (m)
A: área electrodo colector
T: temperatura (K)
6.2.4. APLICACIÓN INDUSTRIAL
RESISTIVIDAD DE LAS PARTÍCULAS
La precipitación electrostática es más efectiva en la separación de partículas dentro del intervalo de
resistividad de 104 a 1010 Ohm cm
Para más bajas resistividades es frecuente la resuspensión de las partículas hacia la corriente de gas
debido a la escasa adhesión de las partículas a los electrodos colectores → cae la eficiencia en la
colección
El polvo con más alta resistividad al depositarse funciona como un aislante y el aire atrapado dentro de la
capa de polvo se ioniza (efecto corona inverso), neutralizando las partículas cargadas y reduciendo la
captación; se pueden provocar pequeñas explosiones que deshacen la torta → cae la eficiencia en la
colección
Puesto que la resistividad de muchos de los polvos industriales no cae dentro de este intervalo, con
frecuencia es necesario cambiar las condiciones de operación
Existen dos propiedades de los gases que ejercen una influencia considerable en la resistividad del
polvo: la temperatura y la humedad
•
La humedad disminuye la resistividad de las partículas de polvo
•
Típicamente existe una temperatura que proporciona la resistividad máxima (a temperaturas bajas
predomina la conducción superficial y a altas la conducción intrínseca)
Otra alternativa es la adicción de agentes acondicionadores como SO3/H2SO4 o NH3 (los únicos
factibles técnica y económicamente)
•
Esto se realiza usualmente a temperaturas bajas con el fin de aumentar la conducción superficial
•
Actúan como electrolitos cuando son adsorbidos sobre las partículas de polvo reducen la resistividad
APLICACIONES
CENTRALES TÉRMICAS
CEMENTERAS
INDUSTRIA SIDERÚRGICA
PROCESADO METALES NO FERROSOS
INDUSTRIA QUÍMICA
PETROQUÍMICA
PAPELERA
DESVENTAJAS
VENTAJAS
 Equipos muy caros
 Altas eficiencias para partículas pequeñas
 Requiere importantes medidas de seguridad
y personal especializado
 El gas puede estar a alta temperatura
 No son validos para sólidos pegajosos ni
gases explosivos
 El producto se recoge en seco
 Baja caída de presión y costes de operación
 Capacidad para tratar grandes volúmenes
de gas