Post on 26-Sep-2015
Tratamientos de eliminacin de SO2 de efluentes gaseosos
Contenidos:
Introduccin
Estructura de la columna de relleno y tipos de relleno
Diseo de una columna de absorcin
Parmetros de entrada y salida
Caractersticas de distintos tipos de empaque
Clculo de la altura de la columna
Clculo del dimetro y prdida de presin
Tratamiento con distintos tipos de disoluciones
Introduccin
El mtodo de eliminacin de SO2 y compuestos cidos de las corrientes gaseosas es la absorcin, aunque este mtodo es aplicable a otros contaminantes. Este procedimiento consta de la transferencia de un contaminante de la corriente gaseosa con elevada concentracin de contaminante a un lquido, con baja presin de vapor y menor concentracin del compuesto, en el que tenga alta solubilidad. La fuerza impulsora que provoca la separacin ser entonces la diferencia de concentraciones.
La absorcin puede ser fsica, si la separacin es por disolucin, o qumica, si el compuesto que se quiere eliminar reacciona con el solvente seleccionado. De esta manera, aunque la etapa limitante suele ser la absorcin fsica, se puede mejorar la solubilidad de determinado compuesto mediante la adicin al solvente de sustancias que reaccionen con l (disolucin alcalina como solvente para eliminar un compuesto cido). Tambin existen lavadores secos que pulverizan un absorbente en forma de polvo en la zona de combustin, aunque estos ltimos generan problemas de partculas. Estos sistemas pueden ser usados para la recuperacin del azufre en forma de cido sulfrico o SO2 (g) concentrado, si con las condiciones de operacin es rentable.
Para conseguir la mxima eficiencia se debe buscar la mxima superficie de contacto entre el gas residual y el lquido eliminador, adems los materiales de construccin de estos equipos deben ser resistentes a la corrosin debido al carcter cido de los contaminantes. Hay una amplia gama de equipos que se han diseado con este fin, entre los que se encuentran las columnas de platos, las columnas de relleno, las cajas de aspersin, los separadores de venturi, etc. Los parmetros ms importantes en el diseo de estos equipos son:
La razn lquido/gas. Cuanto menor sea este nmero menor cantidad de lquido lavador necesitamos y por tanto menor gasto y menor dimensionado de las instalaciones pH. Dependiendo del sistema empleado, el pH se debe de mantener dentro de unos lmites para asegurar una alta solubilidad del SO2 y la no formacin de costras.Velocidad del gas. Para minimizar los costes los lavadores se disean a la mxima velocidad del gas posible, minimizando el tamao de la vasija. Tiempo de residencia. El gas debe de permanecer dentro de la vasija el tiempo suficiente para que la mayor cantidad posible de SO2 sea absorbida.
Las cajas de aspersin son equipos donde la disolucin solvente se pone en contacto con el gas residual dentro de una cmara mediante aspersin, donde los flujos de gas y lquido pueden ponerse en contacto en contracorriente (sentidos opuestos), en cocorriente (mismo sentido) o en flujo transversal (direccin perpendicular). Lo ms adecuado para la mxima eficiencia de separacin y la mnima relacin lquido/gas es el flujo a contracorriente, ya que se ponen en contacto el gas y el lquido con la mnima concentracin de contaminante, de manera que se maximiza la fuerza impulsora. Comnmente el lquido entra por la parte alta del equipo y se elimina por la parte inferior, y a la inversa circulara el gas contaminado, de la parte baja hacia la superior.
Las columnas de platos son equipos a contracoriente, en los que el contacto se hace en discontinuo sobre unos platos que tienen orificios para el paso de los gases, y un vertedero para transferir el lquido de plato a plato, de manera que los gases ascienden burbujeando por los orificios.
Los separadores de venturi provocan una aceleracin del gas mediante un estrechamiento, llamado garganta de venturi, en la que se produce la mezcla gas-lquido, siendo la velocidad del lquido la que proporciona la energa para el correcto contacto entre gas residual y solvente, y auque el tiempo de residencia es escaso debido a las altas velocidades, tienen una buena eficiencia en la eliminacin de partculas. Estos equipos presentan una gran prdida de presin y debido a el escaso tiempo de residencia slo es aplicable a gases de alta solubilidad.
Las columnas de relleno a contracorriente, en las que nos centramos en este apartado, son equipos cilndricos que contienen en su interior un relleno cuyo objetivo es maximizar el rea de contacto entre gas y lquido. Las torres empacadas tienen eficiencias de remonicin de gases ms altas que otros equipos manejando caudales de gas residual ms altos y menor cantidad de lquido de limpieza, aunque las prdidas de presin son altas y los costos del equipo, de operacin y de mantenimiento tambin pueden ser bastante altos.
Estructura de una columna de relleno, y tipos de relleno
http://www.cepis.ops-oms.org/bvsci/e/fulltext/orienta2/lecc8/lecc8_2f.htmlBiblioteca virtual de desarrollo sostenible y salud ambiental
Tamao recomendado de empaque
Dimetro de la columna
Tamao
< 0,3 m
< 25 mm
0,3 - 0,9 m
25 - 39 mm
> 0,9 m
50 - 75 mm
Caractersticas de los rellenos de columnas de absorcin:1. Qumicamente inerte frente a los fluidos de la torre.2. Resistente mecnicamente sin tener un peso excesivo.3. Tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retencin de lquido o cada de presin.4. Proporcionar un buen contacto entre el lquido y el gas.5. Coste razonable
Diseo
Para el diseo de una columna de relleno debemos tener en cuenta conseguir el mximo de transferencia del contaminante con el mnimo consumo de energa y tamao de la columna. El clculo principal en el diseo de la columna es la altura de relleno necesaria para conseguir la transferencia de contaminante al lquido deseada, en funcin del equilibrio que tenga entre gas y lquido. Aunque existen otros parmetros importantes, como son el dimetro de la columna, los caudales de gas residual y lquido, el tipo de relleno y la prdida de presin.
Para calcular todos estos datos comenzamos con los parmetros que conocemos para nuestro caso: las condiciones a las que operar nuestra columna (P y T), la composicin del gas de entrada, el equilibrio del contaminante entre gas y lquido, la eficiencia que perseguimos en la separacin, las propiedades de los contaminantes y el flujo de gas residual que queremos tratar.
Lo primero es determinar todos los parmetros de entrada y salida de los fluidos que se muestran en el grfico anterior en la columna de separacin que se quiere disear.
Gi y Go flujo de gas a la entrada y a la salida.
Yi e Yo concentracin de contaminante en el gas residual en la entrada y en la salida de la columna.
La concentracin en el gas residual se conoce, y segn la eficiencia deseada del equipo (), podemos calcular la concentracin a la salida:
Li y Lo flujo de solvente entrando y saliendo de la columna
Xi y Xo concentracin de solvente en el lquido en la entrada y en la salida de la columna
Ls y Gs expresan los caudales de lquido y gas libres de contaminante, que son constantes ya que la transferencia de humedad de la fase lquida a la gas se considera despreciable.
La lnea de operacin representa la relacin de las composiciones globales de lquido y gas en contacto en cualquier punto de la columna:
La curva de equilibrio representa la concentracin, a una temperatura dada, del contaminante en la fase lquida y en la fase gas en el momento en que se ha alcanzado el equilibrio.
Datos de solubilidad del SO2 en agua, para la preparacin de la curva de equilibrio
% SO2 w/w en la solucin
0,05
0,1
0,15
0,2
0,3
0,5
0,7
1,0
1,5
Presin parcial de SO2 En el gas mmHg
1,2
3,2
5,8
8,5
14,1
26
39
59
92
La mnima relacin de lquido/gas, para conseguir la transferencia de contaminante requerida, estara determinada por la pendiente de la lnea que parte de la concentracin de salida del gas y entrante de lquido, y corta la curva de equilibrio en el punto en que marca la concentracin de entrada de gas. Aunque este es un valor terico no aplicable, ya que la fuerza impulsora a la entrada del gas en la columna es 0, al haberse alcanzado la lnea de equilibrio, adems es muy baja en el resto de la columna, teniendo que establecer siempre una relacin mayor. Adems no se considera la cantidad de flujo necesaria para mojar todo el empaque, que es necesario para la adecuada transferencia de materia entre fases. ste ltimo factor es muy importante, siendo el nivel mnimo de flujo que se va a utilizar, aunque el flujo necesario para la separacin requerida sea de menor cuanta.
Flujo mnimo de lquido por seccin de rea transversal:
Donde:
MWR razn mnima de mojadura con valor de 0,08 m2/h para los empaques estructurado de cuadrcula o de anillo mayor de 76,2 mm (3 pulgadas) y valor de 0,121 m2/h para el resto de empaques.
a relacin superficie/volumen del empaque
Caractersticas de distintos tipos de empaque:
Tipo de empaque
Tamao nominal
Peso aprox. por m3, kg(densidad)
Area superficial aprox.m2/m3
Espacio vaco (%)
Factor de empaque:
Fp, m-1
mm
pulg
Monturas Berl , cermica
6
0,25
900
900
60
900
13
0,50
865
465
62
240
25
1,0
720
250
68
110
38
1,5
640
150
71
65
51
2,0
625
105
72
45
Monturas Intalox, cermica
6
0,25
865
625
75
725
13
0,50
737
480
78
200
25
1,0
673
255
77
92
38
1,5
625
195
80
52
51
2,0
609
118
79
40
76
3,0
577
92
80
22
Monturas Intalox, metal
(No. 25)
97
41
(No. 40)
97
25
(No. 50)
98
15
(No. 70)
98
13
Monturas intalox, plstico (polipropileno)
25
1,0
76
206
91
32
51
2,0
64
108
93
21
76
3,0
60
88
94
15
Anillos Pall, metal
16
0,625
341
92
70
25
1,0
480
210
94
48
38
1,5
415
130
95
28
51
2,0
385
105
96
20
89
3,5
270
66
97
16
Anillos Pall, plstico (polipropileno)
16
0,625
116
340
87
97
25
1,0
88
205
90
52
38
1,5
76
130
91
40
51
2,0
72
100
92
25
89
3,5
68
85
92
16
Anillos Rasching, cermica
6
0,25
960
710
62
1680
13
0,50
880
370
64
640
16
0,625
800
240
72
270
25
1,0
670
190
74
160
38
1,5
740
120
68
95
51
2,0
660
92
74
65
76
3,0
590
62
75
36
89
3,5
580
46
80
25
Anillos Rasching, acero
13
0,5
1 500
417
80
222
25
1,0
1 140
207
86
137
38
1,5
785
130
90
82
51
2,0
590
102
92
57
76
3,0
400
72
95
32
Hy-pac (acero)
(No. 1)
300
117
96
43
(No.2)
225
95
97
18
Clculo de la altura de la columna
La altura de la columna esta dada por la siguiente expresin en relacin al coeficiente de transmisin de materia de la fase gas y la composicin del gas (en esta fase podramos usar las presiones parciales para el clculo de NOG):
Z = HOG NOG
Tambin se puede expresar en funcin de los mismos parmetros de la fase lquida:
Z = HOL NOL
Donde:
Gm y Lm Flujo molar de gas o lquido por unidad de rea de seccin transversala rea interfacial por unidad de volumenP presin totalCt concentracin molar totaly1 y y2 fraccin molar del soluto en el gas en el fondo y en el tope de la columna respectivamentex1 y x2 fraccin molar del soluto en el liquido en el fondo y en el tope de la columna, respectivamentexe concentracin del liquido en equilibrio con la concentracin del gas en cualquier puntoye concentracin del gas en equilibrio con la concentracin del liquido en cualquier punto
Para el clculo de HOG y HOL usamos las siguientes expresiones, ya que las constantes KG y KL deben ser determinadas experimentalmente para cada caso, y para cada tamao de columna.
Donde:
m pendiente de la lnea de equilibrioGm/Lm pendiente de la lnea de operacinHG y HL alturas de las unidades de transferencia de pelcula del gas y del lquido, respectivamente. Hay distintas frmulas empricas para el clculo de estos parmetros, que a su vez dependen del tipo de empaque y del tamao de ste. En este caso utilizamos las correlaciones Cornell para monturas Berl, pudiendo servir de estimativo para otro tipo de rellenos:
HG altura de unidad de transferencia de la fase gas, m HL altura de unidad de transferencia de la fase liquida, m (Sc)v nmero de Schmidt del gas = (mv / rvDv) (Sc)L nmero de Schmidt del liquido = (mL / rLDL) Dc dimetro de la columna, mZ altura de la columna, mK3 factor de correccin del porcentaje de inundacin
h factor de correccin para HG
h factor de correccin de HL
L*w flujo de masa de liquido por unidad de rea de seccin transversal de la columna, kg/m2 s f1 factor de correccin para la viscosidad del liquido = (mL /mw)0,16 f2 factor de correccin de la densidad del liquido = (rw /rL)1,25 f3 factor de correccin para la tensin superficial = (sw /sL)0,8
NOL y NOG se calculan mediante integracin grfica o numrica de las expresiones anteriores. Suponiendo que las lneas de operacin y de equilibrio son rectas (habitual en condiciones de operacin con gases diluidos) y que la concentracin en el solvente de entrada es 0, entonces:
El valor del factor de absorcin (mGm/Lm) debe encuentrarse entre 1,5 y 2,0.
Para la resolucin grfica del nmero de etapas, debemos graficar la curva de equilibrio y la lnea de operacin, as como la lnea de operacin que representa la mnima relacin lquido gas que nos dara la eficiencia deseada. Las unidades deben ser de moles de contaminante por moles de razones molares o razones de peso (moles o Kg de contaminante/moles o Kg de lquido o gas segn eje). Luego calculamos el nmero de escalones que necesitamos, desde el punto de partida, hasta alcanzar la remonicin deseada, que ser el nmero de unidades de transferencia.
Dimetro de la columna y prdida de presin
Para el diseo de la columna de absorcin, partiremos de la cada de presin que queramos soportar para su funcionamiento, a partir de esta cada de presin, y con la grfica anterior, calcularemos el porcentaje de inundacin en estas condiciones. Esta cada de presin y el porcentaje de inundacin determinar la velocidad de flujo que ser necesaria para operar. La velocidad de flujo esta directamente relacionada con el caudal y con el rea de la seccin transversal.
A = Q/V
Donde:
A rea de la seccin trasversalQ Caudal volumtricoV velocidad de flujo a travs de la columnaD dimetro de la columna
Disoluciones que se pueden usar para mejorar el rendimiento de la desulfuracin, mediante reaccin qumica:
Desulfuracin con Cal (CaO) o Caliza (CaCO3). Si se utiliza cal, se hidrata previamente para formar hidrxido clcico:
CaO + H2O ----> Ca(OH)2 + calor
En fase lquida se produce una serie de reacciones que podemos resumir en :
SO2(g) --> SO2(l)SO2 + H2O --> H+ + HSO3- --> 2H+ + SO3=
cal: SO2(g)+Ca(OH)2(s)+H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)
Carbonato clcico: SO2(g)+CaCO3(s)+1/2 H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + CO2
Si hay suficiente O2, posterior oxidacin del sulfito de calcio a sulfato de calcio.
Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)+ 1/2 O2 (g) Ca SO4 . 2 H2O (s)
Se pueden producir importante problemas de corrosin en las instalaciones. Se generan importantes volmenes de residuos de sulfito/sulfato de calcio que tendremos que tener en cuenta a la hora de su eliminacin. Otro problema importantes es la formacin de costras de sulfito de calcio en el lavador (en los inyectores, en el separador, etc.). Se pueden mejorar la eficacia de coleccin del SO2 a la vez que se evita la formacin de costras aadiendo xido de magnesio a la lechada de cal.
Desulfuracin con sulfito de sodio (Na2SO3), en este caso la reaccin que tiene lugar es:
SO2(g) + Na2SO3(l)+ H2O --> 2NaHSO3(l)
Posteriormente el bisulfito se trata en un evaporador, producindose a la vez, dixido de azufre, vapor de agua y sulfito sdico
2NaHSO3(l) + calor ---> Na2SO3+ H2O(g)+SO2(g, conc)
Este mtodo no plantea problema de costras, pues productos obtenidos son muy solubles. El mayor problema es que el reactivo debe de ser muy puro por lo que se suele emplear en pequeas calderas industriales. El SO2 es transformado en azufre.
Desulfuracin con doble lcali: En este caso se hace un primer tratamiento con sosa custica (hidrxido sdico, Na OH) que conduce a la formacin de sulfito de sodio:
SO2 + 2 Na(OH) ---> Na2SO3 + H2O
Y posteriormente el producto se mezcla con lechada de cal para conseguir precipitar el sulfito de calcio y regenerar la sosa
Na2SO3 + Ca(OH)2 ---> CaSO3(s) + 2 Na(OH)
Al igual que en el caso anterior este mtodo presenta altos rendimientos y poca formacin de costras.
Desulfuracin con xido de magnesio. Es similar al de la lechada de cal, solo que con xido de magnesio en vez de xido de calcio. Presenta la importante ventaja que el sulfito o sulfato de magnesio se puede calcinar fcilmente. En el proceso de calcinacin se regenera el xido de magnesio y dixido de azufre que se puede emplear para otros propsitos (p.e. fabricar cido sulfrico). Apenas si se generan lodos.
Fuentes:
- L.M. Ingeniera qumica y ambientalhttp://plantasquimicas.iespana.es
- Manual de costos de operacin de control de la contaminacin del aire de la E.P.A.http://www.epa.gov/ttn/catc/dir1/c_allchs.pdf