tecnologías ambientales docente: andrés murcia
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Tecnologías Ambientales
Docente: Andrés Murcia
NO! Aspectos técnicos
generales y algo de
ciencia
¿Qué se imaginan cuando escuchan la frase: “Tecnologías ambientales”?
Tecnologías ambientales
Tecnologías Ambientales
Productos y residuos
Energía
Agua
Materias primas
Impacto de la producción sobre el
medio ambiente
Yarime, M. (2003). From End-of-Pipe Technology to Clean Technology
Tecnologías
climáticas
Yarime, M. (2003). From End-of-Pipe Technology to Clean Technology
Tecnología al final de la tubería
Remoción o transformación de los residuos
emitidos desde los procesos de producción.
Básicamente, esta tecnología se incorpora
al final de cada uno de los subprocesos de
producción, ocupándose en cada uno de
ellos de los subproductos sin alterar el
producto o servicio final a entregar o
prestar.
Tecnologías de control y
remediación ambiental
https://www.epa.gov/clean-air-act-overview/clean-air-act-and-economy
Entonces, ¿cómo inicia este cuento?
Ley de aire limpio (EEUU – 1960)
1990 (última actualización)
Según la EPA (2011), se evitaron:
- 160mil muertes prematuras
- 130mil ataques cardiacos
- 86mil ingresos a hospitales
- 13MM de jornadas laborales perdidas
(Fortalecimiento de la economía)
- 3.2MM de días escolares perdidos (enfermedades
causadas por la contaminación del aire)
Enfermedades
cardiovasculares
Cáncer de
pulmón
Asma
…
Antes de 1960 Después de 1960
…
Desde la tecnología al final de la
tubería, hasta las tecnologías limpias
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1. Aspectos conceptuales, teóricos y
prácticos utilizados en las diferentes
tecnologías ambientales
Para lograr una aplicación perfecta de tecnologías al
final de la tubería, es necesario reconocer como se
aplica cada una de estas.
Condensación de gases:
Gases de combustión
Biogás
¿Cómo podríamos calcular la eficiencia de un condensador?
𝜂 =(760 × 𝑦𝑐𝑜𝑣, 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) − 𝑃𝑐𝑜𝑣𝑦𝑐𝑜𝑣, 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 × (760 − 𝑃𝑐𝑜𝑣)
η: Eficiencia
760: Presión de una atmósfera en mmHg
ycov, entrada: Fracción volumen de entrada COV
Pcov: Presión parcial del COV en la salida
𝑃𝑐𝑜𝑣 = 760𝑦𝑐𝑜𝑣, 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎× 1 − 𝜂
1 − (𝜂 × 𝑦𝑐𝑜𝑛, 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎)
Despejen Pcov!!!
Absorción de gases
Operación unitaria de transferencia de
masa
Separar uno o más componentes (denominados
solutos) de una mezcla gaseosa con la ayuda de un
solvente líquido (agua)
La solución formada se puede
separar en un proceso posterior, el
cual es denominado como
desorción
Absorción de gases
Absorbatos
(componentes solubles)
Mezcla de
gases
Disueltas en
un líquido
Absorbente
determinadoDesorción
Scrubber
(lavado de gases tipo Venturi)
Vertical:
- Distribución uniforme del agua o solución absorbente y
no se aglomera el material colectado.
- No se presentan problemas de abrasión.
Puede manejar un flujo de gas de hasta 250000 m3 h-1
Capturar partículas desde 0.3 µm
Trabaja desde 0 a 250 °C
El rendimiento habitual de un scrubber es cercano al 99 %,
sin embargo, este tipo de tecnología se considera más
eficiente en el control de olores y la eliminación de algunos
compuestos solubles en agua, depurando igualmente
partículas consideradas grandes (5 µm)
Torres de absorción - desorción
VOC free gas VOC to use, store or dispose
Absorption
columnDesorption
column
Absorption
solutionSolution with presence
of VOC
Gas stream
40–60 °C 100–150 °C
Los scrubbers se diferencian de los
condensadores por el uso de sustancias en
cada una de las tecnologías. Mientras en
los condensadores se utilizan líquidos
refrigerantes tales como agua o amoniaco,
por otro lado, los scrubbers utilizan
soluciones ácidas, básicas o neutras según
se establezca la necesidad dada por la
corriente de gases a tratar.
Columnas de absorción
Columnas utilizadas
Columnas de platos vs Columnas de relleno
Platos:
- Menor caída de presión del sistema
- Menor obstrucción
- Menor coste de operación y mantenimiento
- Menor potencia de bomba y ventilador
- Soportan mayores fluctuaciones de
temperatura
Relleno:
- Mayor eficiencia de separación
- Manejan mayores caudales de líquido y gas
- Mayor costo de mantenimiento debido al
relleno
- Útil con ácidos y algunos otros materiales
corrosivos
- Son más cortas
Consideraciones de diseño y escogencia de
la columna
- Flujo de gas y líquido, composición.
- Presión y temperatura de operación y caída de presión permisible.
- Grado de separación deseada.
- Selección del agente de separación.
- Mínima cantidad de absorbente.
- Efectos del calor.
- Número de etapas de equilibrio.
Según la naturaleza del absorbato y el
absorbenteAbsorción física:
El líquido absorbente disuelve el gas objetivo (solución).
Absorción química:
El absorbato y absorbente reaccionan formando una nueva especie química.
Absorción con reacción reversible:
El producto dado después de la reacción al ser sometido al cambio de variables como temperatura o
presión se puede descomponer de nuevo en absorbato y absorbente.
Absorción con reacción irreversible:
La reacción dada no se descompone para regenerar el absorbente (p.e. absorción de sulfuro de hidrógeno
en una solución de quelato de hierro para forma partículas de azufre elemental y lodo residual)
¿Son entonces necesarias las columnas de
desorción?
¿Qué consideran más sencillo, disolver el gas en
cantidades industriales y descartar las soluciones o
establecer mecanismos para reutilizar absorbentes
una y otra vez?
Mano de obra
Material
Energía
Solubilidad de compuestos contaminantes y propiedades de solventes más
utilizados
Solubilidad en g de gas/100 g de solvente a 25°C
Dependiendo de la necesidad del contaminante a absorber, se define el uso del
solvente.
Adsorción.
Proceso útil en corrientes
gaseosas o líquidas
El material de adsorción
por lo general es sólido El material de adsorción
en algunos casos puede
ser líquido
Adsorción – Desorción
(ciclos)
Adsorción: En principio ocurre a cualquier temperatura y presión para cualquier especie química conocida
Es necesario saber quién es quién!!!
Adsorción.
Adsorbato
Adsorbente
Adsorción
Desorción
Material de
sorción
¿Procesos?
¿Especies?
Desorción
Adsorción
Material de sorción
Adsorbato
Adsorbente
Adsorción.
Gas libre
de CO2
N2, H2O,
CO2, O2
Columna de adsorción
Materiales en sólido para la captura de CO2
Adsorción.
Los procesos de adsorción poseen una representación
gráfica y se explican gracias a representaciones
matemáticas.
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I IIIII
IV V VI
Can
tidad
esp
ecíf
ica
adso
rbid
a
Presión relativa p/p°
Adsorción.Las isotermas tipo I se caracteriza por tener una zona llana horizontal, lo cual implica que la masa de gas adsorbida se
mantiene a medida que la presión aumenta. Estas isotermas son características de materiales microporosos, en donde sus
espacios son ocupados por una monocapa.
Las isotermas tipo II describen una adsorción típica en materiales mesoporosos, donde la monocapa se satura a una presión
baja y, a partir de allí se genera una multicapa sobre el material sin presencia de histéresis.
Las isotermas tipo III ocurren en sistemas donde la interacción adsorbato – adsorbente es pequeña (no hay diferencia entre
el llenado de la primera capa y el resto)
Las isotermas tipo IV y V describen el comportamiento de adsorción de materiales mesoporosos especiales (zeolitas
hidrofílicas), los cuales presentan un comportamiento de histéresis (debido a la forma irregular de los capilares) entre la
adsorción y la desorción.
Las isotermas tipo VI son isotermas escalonadas, las menos comunes de todas las isotermas. Se les asocia con la adsorción
capa por capa sobre superficies que son altamente homogéneas respecto del adsorbato. La forma del escalón depende de la
temperatura y de los detalles del sistema.
Adsorción.Los procesos de adsorción poseen una representación gráfica y se explican
gracias a representaciones matemáticas.
𝑣
𝑣𝑚á𝑥=
𝐾𝑝
1 + 𝐾𝑝
Isoterma de Langmuir
1
𝑣=
1
𝑣𝑚á𝑥+
1
𝐾𝑣𝑚á𝑥×1
𝑃
Linealización
isoterma de Langmuir
𝑉 = 𝐾𝑝 ൗ1 𝑛
Isoterma de Freundlich
Linealización isoterma
de Freundlich
𝐿𝑜𝑔 𝑉 = 𝐿𝑜𝑔 𝑘 +1
𝑛𝐿𝑜𝑔 𝑃
En esta isoterma hay una adsorción en
monocapa en la cual gracias al
equilibrio adsorción-desorción no hay
formación de multicapas. El límite de
capacidad del adsorbente es cuando la
monocapa está completa (región
asintótica en la gráfica)
En esta isoterma no hay un
recubrimiento límite ni se
propone una adsorción
monomolecular, sino
multimolecular.
Para Langmuir:Y=1/va=1/Vmaxb= 1/KvmaxX=1/P
Para Freundlich:Y=Log(v)a=Log(K)b= 1/nX=Log(P)
NOx.
Contaminantes gaseosos formados a través del proceso de combustión
Al salir los gases de combustión a la atmósfera, este reacciona con la
luz solar para formar ozono.
El ozono presente en la troposfera es un contaminante secundario que
no se emite como tal por fuentes fijas o móviles, este se forma a partir
de reacciones químicas entre otros contaminantes presentes en la
atmósfera (contaminantes criterio).
La presencia de ozono en la troposfera se considera como un potencial
componente del smog por los efectos que este tiene sobre la salud de
los organismos y ecosistemas.
NOx.
http://www.cemcaq.mx/contaminacion/ozono-so3
NOx.
http://www.cemcaq.mx/contaminacion/ozono-so3
En términos generales, los efectos que tiene el
ozono sobre la salud humana se centran
básicamente en empeorar afecciones
respiratorias (diferencia de afectación sobre
población vulnerable).
Sobre las plantas tiene una repercusión similar al
afectar el proceso de fotosíntesis, dañando hojas,
disminuyendo el crecimiento o la producción de
frutos y predisponer a la planta a demás
enfermedades.
NOx.
https://www3.epa.gov/ttncatc1/cica/files/cs4-2ch2-s.pdf
El agente reductor empleado por la mayoría de los sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) es el amoníaco (NH3)
en fase gaseosa puesto que penetra en los poros de catalizador más prontamente que la urea acuosa. El amoníaco, ya sea en
forma anhidra o acuosa, es vaporizado antes de la inyección mediante un vaporizador. Dentro del rango apropiado de
temperatura, el amoníaco en fase gaseosa se descompone enseguida en radicales libres incluyendo NH3 y NH2 . Después de
una serie de reacciones, los radicales del amoníaco entran en contacto con el NOx y lo reducen a N2 y H2O. La
representación global de estas reacciones se presenta a continuación. Nótese que el NOx es representado como óxido de
nitrógeno (NO) puesto que esta es la forma predominante del NOx dentro de la caldera. La ecuación para la reacción del
amoníaco es representada por:
Originalmente, los catalizadores para la SCR eran metales preciosos tales como el platino (Pt). Al final de los años setenta,
investigadores japoneses usaban metales de base que consistían de vanadio (V), titanio (Ti), y tungsteno (W), lo que
reducía significantemente el costo de los catalizadores. En los años ochenta, los óxidos metálicos tales como el óxido de
titanio (TiO2), el óxido de zirconio (ZrO2), el pentóxido de vanadio (V2O5) y el óxido de silicio (SiO2) se emplearon para
ampliar el rango de la temperatura de reacción.
NOx.
https://www3.epa.gov/ttncatc1/cica/files/cs4-2ch2-s.pdf
Remoción de NOx en SCR
en función de la temperatura
del gas de combustión.