CAPTULO 4

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CAPTULO 4

4 SISTEMA DE REMOCIN DE MATERIAL PARTICULADO

Una vez que la descarga gaseosa proveniente del incinerador de desechos hospitalarios ha sido enfriada hasta unos 69 C, sta pasar al sistema de remocin de partculas, el cual consistir de un lavador hmedo tipo Venturi.

Si bien es cierto parte de las partculas sern removidas en la cmara de enfriamiento, es necesario indicar que las caractersticas de sta no proveen una buena remocin del material particulado, debido principalmente a la baja velocidad relativa entre los flujos involucrados en el proceso; como se ver mas adelante, la eficiencia de los lavadores hmedos depende de dicha velocidad. Por esta razn se espera que la descarga gaseosa que sale de la cmara de enfriamiento contenga an partculas, especialmente finas, por lo que el diseo del colector estar dirigido a remover tales partculas.

Por otro lado cabe sealar, que como medida para asegurar la remocin, tanto de partculas como de gases contaminantes, se considerar que no existe remocin de estas sustancias en la cmara de enfriamiento; de esta forma no se requerir sobredimensionar los equipos de control para asegurar su buen desempeo. Entonces la carga de las sustancias a removerse ser la misma que se determin en el captulo 1 de este trabajo.

Aunque el objetivo en esta parte de la tesis es describir el funcionamiento y ejecutar el diseo de un lavador Venturi, se presentarn tambin de forma general las principales tcnicas aplicables a la remocin de material particulado, tratando en lo posible de destacar las razones que condujeron a seleccionar el mencionado lavador de partculas como la mejor opcin.

4.1 Principales mecanismos empleados en la remocin de partculas

Aunque existe una variedad de dispositivos destinados al control de emisiones de partculas al aire, cada uno de ellos opera por medio de uno, o por la combinacin de los siguientes mecanismos

Separacin mecnica

Lavado

Precipitacin electrosttica

Filtracin

Separacin mecnica

Este mecanismo se basa en la accin de una fuerza externa sobre las partculas contenidas en la descarga gaseosa, de tal manera que mientras estas son retenidas en el dispositivo, el gas contina su trayectoria hacia fuera del equipo, libre de partculas o con una menor concentracin de stas.

Los dispositivos de separacin mecnica ms conocidos, son el cicln y la cmara de sedimentacin, para los cuales las fuerzas responsables de la remocin de partculas, son la centrfuga y la gravitacional respectivamente.

Figura 4.1 Cicln dispositivo de separacin mecnica

En un cicln, la fuerza centrfuga es inducida por el continuo cambio en la direccin de la corriente gaseosa dentro de una cmara cilndrica especialmente diseada, de manera que el flujo ingresa de forma tangencial a las paredes internas del aparato e inicia un movimiento en forma espiral. Esto, unido al hecho de que las partculas tienden a seguir una trayectoria rectilnea, provoca que stas ltimas impacten contra las paredes del dispositivo, logrando as su separacin de la corriente gaseosa.

Como regla general, un cicln no resulta adecuado para remover partculas finas, y de hacerlo presentara una alta e inconveniente cada de presin. Se puede citar las siguientes ventajas que ofrece un cicln:

Bajo costo instalado y de mantenimiento

Operacin con gases a alta temperatura

Los ciclones son aparatos sencillos y no utilizan partes que deban ser reemplazadas o requieran continuo mantenimiento; de ah la ventaja respecto a costos.

En las cmaras de sedimentacin, la corriente gaseosa es dirigida hacia una cmara aproximadamente rectangular, en la cual, debido al cambio de seccin transversal, el gas se desacelera junto con las partculas que transporta, de manera que stas tienen menos potencial para fluir en la direccin horizontal y son atradas hacia el fondo de la cmara por efecto de la gravedad.

De los dispositivos que actan por separacin mecnica, el ms adecuado es el cicln; ste ha sido utilizado desde hace ms de 100 aos, convirtindose as en uno de los colectores de partculas mas importantes de la industria, razn por la cual se puede decir que siempre ser una alternativa a considerar en la mayora de problemas de control de partculas.

Lavado

El mecanismo de lavado (scrubbing), consiste en hacer pasar el gas cargado con partculas por una cmara en la cual es puesto en contacto directo con un lquido, que generalmente es agua, de tal forma que las partculas a removerse son colectadas en las gotas del lquido.

La forma ms conveniente de clasificar los lavadores de partculas, parece ser aquella en la que se considera la energa que demanda el dispositivo para mover el fluido en su interior; de manera que los lavadores se clasifican en:

Lavadores de baja energa

Lavadores de energa moderada, y

Lavadores de alta energa

El lavador de baja energa mas representativo, es la cmara de rociado spray, para la cual el consumo de energa para mover el gas est entre 0.5 y 2 hp / 1000 cfm de gas tratado. Este es el tipo de lavador ms sencillo, y aunque es el menos eficiente de los lavadores, es capaz de remover partculas mayores a 8 m en un 90%.

Un lavador de energa moderada, es la cmara de rociado ciclnica, en la cual el gas se hace ingresar de forma tangencial en una cmara equipada con toberas rociadoras.

Figura 4.2 Lavador de partculas tipo cmara de spray

De esta forma, la eficiencia de remocin se puede incrementar al reducir el tamao de las gotas, pues stas sern separadas del gas de manera similar a como se hara en un cicln. Con este tipo de lavador se puede conseguir remover partculas mayores a 5 m con una eficiencia de 95 % y un consumo de energa que oscila entre 1 y 3.5 hp / 1000 cfm.

El lavador de partculas ms eficiente es el de alta energa, el cual posee la capacidad de remover partculas mayores a 0.5 m con una eficiencia de hasta 98%. Estos dispositivos son conocidos como lavadores Venturi; el consumo de energa es mayor que en otros tipos de lavadores y tpicamente oscila entre 3 y 10 hp / 1000 cfm, posteriormente se tratar este tipo de lavador con mayor detalle.

El mecanismo de lavado para remover partculas presenta un buen nmero de ventajas, tales como

Eficiencia de coleccin relativamente alta

Permite manejar gases inflamables con poco riesgo

Reduccin en la temperatura de gases calientes

Pueden utilizarse para remover al mismo tiempo gases y partculas

Permiten variar su eficiencia de coleccin con facilidad

Control de partculas slidas o lquidas

Desafortunadamente, el nmero de desventajas que presenta el mecanismo de lavado tambin es importante; estas son

Pueden presentarse problemas de corrosin

Tanto el lquido de lavado como los sedimentos producidos pueden generar contaminacin al ser desechados

El alto incremento en la humedad del gas hace visible la descarga en la chimenea a menos que se recaliente el gas

No se puede recuperar las partculas tal como son generadas en la fuente

Aunque obviamente la humedad no constituye un problema para el aparato, sta si podra afectar a equipos colocados aguas abajo del lavador, por lo cual debe considerarse tal aspecto.

Precipitacin electrosttica

Este mecanismo de remocin es llevado a cabo por medio de aparatos conocidos como precipitadores electrostticos (ESPs), en los cuales las partculas son atrapadas por la accin de fuerzas electrostticas generadas por el precipitador. En estos dispositivos, el gas contaminado es ionizado al fluir a travs de electrodos cargados elctricamente (positiva o negativamente), de manera que la carga es transferida a las partculas contenidas en el flujo gaseoso. Una vez que las partculas han sido cargadas elctricamente, stas van a ser atradas hacia unas placas colectoras; la razn por la cual las partculas migran hacia las placas, es que stas ltimas por lo general van a estar conectadas a tierra, por ello la carga tender a eliminarse por medio de ellas, ya sea positiva o negativa. De esta forma las partculas son separadas de la corriente gaseosa y caen hasta el fondo del aparato donde son colectadas.

Los precipitadores electrostticos son capaces de manejar volmenes muy grandes de gas logrando eficiencias de remocin de hasta 99.9% an para partculas tan pequeas como 0.05 m; tanto partculas slidas como lquidas pueden colectarse con este dispositivo, sin embargo el desempeo del equipo depende de las propiedades de las partculas, especialmente de la resistividad de stas. Las ventajas que ofrece la precipitacin electrosttica son:

Alta eficiencia de coleccin, inclusive para partculas muy pequeas

Puede manejar grandes volmenes de gas

Permite la recuperar el material colectado ya sea slido o lquido

Puede manejar gases a alta temperatura

Cada de presin pequea

Bajo costo de operacin

Un precipitador electrosttico presenta una cada de presin muy pequea, por lo cual no se requiere mucha energa para mover el gas a travs de ste; el mayor consumo de energa se debe al sistema elctrico del aparato el cual aumenta junto con la eficiencia de remocin deseada. Las desventajas que presenta la precipitacin electrosttica se citan a continuacin.

Alto costo instalado

El espacio requerido es grande

Las variaciones en las condiciones de operacin pueden afectar su buen desempeo

Poco adecuado cuando la resistividad de las partculas es demasiado alta o demasiado baja

Adicionalmente, los principios por medio de los cuales opera un precipitador electrosttico determinan que tales aparatos no sean tiles en la remocin de contaminantes gaseosos.

Filtracin

Este mecanismo de remocin de partculas es llevado a cabo mediante dispositivos llamados filtros, los cuales son estructuras porosas elaboradas con materiales fibrosos o granulados. Cuando el gas pasa a travs de los diminutos espacios que quedan entre las fibras, las partculas son retenidas en la estructura del filtro y la fraccin de partculas que logren atravesarlo depender de las caractersticas de ste. As por ejemplo se tienen filtros con eficiencias superiores al 97% como los de tipo plegado utilizados en aire acondicionado, o filtros especiales como los HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter) y ULPA (Ultra Low Penetration Air Filter) que pueden alcanzar eficiencias de 99.9% y 99.9999% respectivamente, an para partculas de 0.1 m; ambos son utilizados en situaciones que exigen el aislamiento de un local respecto a su entorno, como por ejemplo las salas de ciruga de un hospital o lugares en los que se manejan sustancias peligrosas como virus y bacterias.

El dispositivo de filtracin ms utilizado en el control de emisiones de partculas al aire es conocido como filtro de mangas; consiste en una serie de filtros fibrosos en forma de tubos cilndricos (mangas) colocados en el interior de una cmara, de manera que cuando el gas atraviesa las mangas, las partculas quedan atrapadas en la estructura fibrosa del material filtrante, logrndose as la limpieza del gas.

Figura 4.3 Filtro de mangas

A medida que transcurre el tiempo, el material filtrante se va a ir obstruyendo, producindose un aumento en la cada de presin del dispositivo, junto con un incremento en la eficiencia de remocin del filtro de mangas. Es entonces cuando las partculas deben ser removidas de los filtros, para lo cual el fondo de la cmara que alberga las mangas servir tambin como depsito de las partculas que caen al efectuar la limpieza, la cual es realizada adecuadamente sin detener el proceso.

Las ventajas que ofrece un filtro de mangas son

Eficiencia de coleccin es muy alta

Permite manejar flujos de gas pequeos o muy grandes

Se puede utilizar para filtrar diversos tipos de polvos

Consumo de energa moderado

Las desventajas que pueden presentarse son

El espacio que ocupan es grande

Riesgos de explosin e incendio ante la presencia de chispas

El manejo de gases hmedos provoca problemas en la limpieza de las mangas

Condiciones extremas de temperatura y corrosin pueden daar las mangas

4.2 Lavadores de aire tipo Venturi

Los tubos Venturi, cuyo nombre se debe al fsico italiano Giovanni Venturi, fueron utilizados durante mucho tiempo solamente como medidores de flujo. Johnstone (1949) y otros cientficos, descubrieron que estos dispositivos podan ser utilizados para la remocin de partculas transportadas en descargas gaseosas; esto gracias al aumento en la velocidad que se logra en los tubos Venturi.

En un lavador Venturi se identifican tres zonas, que son: zona convergente, garganta y zona divergente (figura 4.4). El gas cargado con partculas ingresa a la zona convergente, donde debido al cambio gradual en la seccin transversal por donde fluye, se producir un incremento en la velocidad del gas hasta alcanzar un valor mximo en la zona que se conoce como garganta.

Figura 4.4 Identificacin de zonas y principio

de operacin de un lavador Venturi

Para llevar a cabo la captacin de partculas, se inyecta agua en la zona donde el gas, y por lo tanto las partculas alcanzan su mayor velocidad, producindose as el rompimiento de la tensin superficial del agua y dando lugar a la formacin de pequeas gotas del lquido.

Esto resultar en el contacto fsico entre las gotas del lquido de lavado y las partculas, de manera que stas ltimas sern removidas de la descarga gaseosa.

La velocidad relativa entre las gotas del lquido de lavado y las partculas a removerse, es el parmetro ms importante en todo lavador de gases destinado a la remocin de partculas. Esto se debe a que los mecanismos fsicos por los cuales las partculas son capturadas en la gotas del lquido, dependen directamente de dicha velocidad.

Los mecanismos de coleccin que intervienen en un lavador de partculas, cualquiera sea su tipo, son: Impacto inercial, Intercepcin y Difusin. De stos, el principal mecanismo de remocin es el impacto inercial, el cual se lleva a cabo cuando las partculas tienen la inercia suficiente para abandonar la trayectoria de flujo del gas que las transporta, de manera que mientras el gas se desva alrededor de las gotas del lquido, las partculas impactan contra la superficie de las gotas; partculas con dimetro mayor a 10 m son colectadas comnmente por este mecanismo.

Figura 4.5 Mecanismos de coleccin: a. Impacto inercial;

b. Intercepcin; c. Difusin

Las partculas que siguen la trayectoria de las lneas de flujo del gas, no sern atrapadas por impacto inercial, sin embargo cuando estas pasan muy cerca de las gotas se va a producir el contacto superficial entre ambas de manera que quedan adheridas. A este mecanismo de coleccin se lo conoce como intercepcin y predomina para partculas de 0.1 m a 10 m.

Partculas menores a 0.1 m de dimetro, e inclusive aquellas menores a 0.5 m estn sujetas al mecanismo de difusin, el cual se lleva a cabo por el movimiento browniano de las partculas, causado por colisiones aleatorias con las molculas del gas, de manera que cuando la trayectoria de las gotas y de las partculas coincide, stas ltimas quedarn atrapadas.

A mayor velocidad relativa entre las gotas del lquido de lavado y las partculas, mayores sern las posibilidades de que se lleve a cabo la captacin de partculas, pues los mecanismos de impacto inercial e intercepcin son beneficiados con el aumento de dicha velocidad. Por eso, un lavador Venturi puede inclusive ser utilizado para remover partculas del tipo PM2.5.

Los principales parmetros que influyen sobre el desempeo de un lavador Venturi son

Distribucin de tamao de partcula y cantidad de material particulado

Temperatura, humedad y flujo de la corriente gaseosa

Velocidad del gas y cada de presin

Relacin lquido a gas

Tamao de las gotas del lquido

Tiempo de residencia

La distribucin de tamao de partcula determinar la eficiencia global de coleccin que tiene el aparato, pues partculas de tamao diferente no sern colectadas con la misma eficiencia debido al predominio de un determinado mecanismo de coleccin (impacto inercial, intercepcin o difusin) para un determinado tamao de partcula.; adicionalmente, conociendo la eficiencia global de coleccin se puede determinar cunto material particulado ser removido de la corriente gaseosa.

Parmetros como el flujo del gas, su temperatura y su humedad, determinarn la cantidad del lquido de lavado que se evaporar; a mayor evaporacin, mayor ser la cantidad del liquido que deba inyectarse para tratar el gas. El flujo del gas determinar el tamao que debe tener el lavador.

Como ya se haba mencionado, la velocidad del gas influye sobre la eficiencia de coleccin de un lavador hmedo, especialmente porque a mayor velocidad relativa entre las partculas y las gotas del lquido, mayor ser la accin de los mecanismos de impacto inercial e intercepcin en la captacin de partculas. Por otro lado, al aumentar la velocidad significa que habr tambin un aumento en la cada de presin, lo cual determina que debe haber un equilibrio razonable entre ambas variables.

La relacin lquido gas L/G representa el volumen de lquido que debe inyectarse para tratar un volumen determinado de gas, mientras mayor es dicha relacin, se puede esperar tambin una mayor eficiencia de coleccin en el lavador.

Se podra pensar que un mayor dimetro en las gotas del lquido de lavado sera beneficioso para el desempeo de un lavador de gases; sin embargo a mayor tamao de las gotas, menor es el rea superficial disponible para la captacin de partculas. Por otro lado, un tamao muy reducido provocara que la corriente gaseosa acelere rpidamente las gotas a la velocidad del gas, reduciendo de esta forma la velocidad relativa, e inclusive arrastrando el lquido de lavado fuera de la cmara. Por ello el dimetro adecuado de las gotas del lquido flucta entre 500 m y 1000 m.

Por ltimo, la longitud de la garganta y de la zona divergente del lavador Venturi deber ser tal que permita el contacto suficiente entre las gotas y las partculas, por lo menos hasta que las gotas sean aceleradas hasta la velocidad del gas; una vez que las gotas del lquido de lavado y las partculas alcanzan la misma velocidad, los principales mecanismos de coleccin (impacto inercial e intercepcin) reducen su accin drsticamente.

4.3 Diseo del lavador Venturi

Antes de proceder al diseo del dispositivo, se presentan a continuacin las ecuaciones y conceptos fundamentales requeridos para disear un lavador de partculas tipo Venturi. Cabe indicar que aunque parte de la teora es aplicable a otro tipo de lavadores, la informacin que aqu se presenta est dirigida solamente a lavadores Venturi.

Distribucin de tamao de partcula y eficiencia de coleccin

Las partculas que se presentan en situaciones reales, difcilmente son esfricas, por ello se desarroll el concepto de dimetro aerodinmico, que esencialmente es el dimetro que tendra una partcula esfrica de densidad igual al agua (1000 kg/m3), para sedimentarse en aire tranquilo a la misma velocidad que la partcula verdadera. Las partculas que se emiten en una descarga gaseosa contaminada, por lo general presentarn diversos dimetros aerodinmicos, de manera que al distribuirlas por rangos, las partculas correspondientes a cada uno de esos rangos representarn un porcentaje de la masa total del muestreo, obtenindose as la distribucin de tamao de partcula. Tal distribucin aporta con informacin indispensable para el diseo de equipos de control de partculas.

Debido a que la eficiencia de remocin de un determinado equipo de control vara de un rango a otro, es necesario expresar tal eficiencia para cada uno de los rangos. Por ello, para una distribucin de tamao de partcula con j rangos, la eficiencia global de coleccin o ser igual a la sumatoria de las eficiencias fraccionales de cada rango, o sea

o = j mj (4.1)

donde

j = eficiencia de coleccin para el j-simo rango

mj = masa en porcentaje del j-simo rango

De esta forma, la cantidad total de material particulado que puede removerse con el equipo de control est relacionada con su eficiencia global por medio de la siguiente relacin

(4.2)

donde m es el flujo msico de la carga de partculas, y los subndices i y o se refieren a los valores a la entrada y salida del equipo.

La penetracin Pt se define como la fraccin de partculas de un dimetro especfico que no son capturadas y que por lo tanto logran atravesar el equipo de remocin; se relaciona con la eficiencia de remocin por medio de

Pt = 1 (4.3)

Parmetro de impacto

Un valor importante en el diseo de lavadores de partculas es el nmero de impacto o parmetro de impacto Kp, que se define como

(4.4)

donde xs es la distancia de parada de una partcula proyectada en un aire estacionario y dd es el dimetro de una gota del lquido de lavado que se encuentra en su trayectoria tambin en estado estacionario.

El nmero de impacto Kp describe el comportamiento del impacto inercial, el cual es el principal mecanismo de coleccin en lavadores hmedos; si Kp es grande entonces un buen nmero de partculas impactarn las gotas del lquido, en cambio si Kp es pequeo, las partculas tendern a seguir las lneas de flujo alrededor de las gotas.

Se puede demostrar que para partculas en el rgimen de Stokes (Re 1), el reemplazo de la distancia xs en la ecuacin (4.4) da origen a la siguiente ecuacin

(4.5)

donde

Kc = factor de correccin de Cunningham

p = densidad de partcula, g/cm3dp = dimetro fsico de partcula, cm

Vp = velocidad de partcula (igual a la del gas), cm/s

dd = dimetro de las gotas, cm

g = viscosidad del gas, Poise

da = dimetro aerodinmico de partcula, cm

El factor Kc, se utiliza para incluir los efectos de deslizamiento en partculas muy pequeas, de tamao cercano a la trayectoria media libre de las partculas del gas. Esto se da comnmente en partculas menores a 5 m.

Formacin de las gotas en un lavador Venturi

Los lavadores Venturi son dispositivos que proveen por si mismos la formacin de las gotas de lquido, pues la energa requerida para la atomizacin del lquido de lavado la proveer la corriente gaseosa acelerada en la garganta del dispositivo. Esta atomizacin neumtica de doble fluido (gas y agua), puede presentarse en dos formas: atomizacin tipo gota y atomizacin tipo nube.

La primera se lleva a cabo cuando por medio de toberas de dimetro interno menor a 1 mm, el lquido es inyectado en la corriente gaseosa que fluye a gran velocidad, resultando as el rompimiento de la tensin superficial del agua y la formacin de pequeas gotas, mientras que para la segunda se utiliza toberas de mayor tamao, generando diminutas gotas agrupadas en forma de una pequea nube.

En este trabajo se considera la atomizacin tipo gota; aunque se producir un amplio rango de tamao de las gotas, es posible predecir un dimetro promedio utilizando la ecuacin de Nukiyama-Tanasawa. A ste, se lo conoce como dimetro de Sauter y se calcula por medio de

(4.6)donde

dd = dimetro medio de Sauter para las gotas, m

VG = velocidad del gas, cm/s

= tensin superficial del lquido, dinas/cm

L = densidad del lquido, g/cm3L = viscosidad del lquido, poise

QL = flujo volumtrico del lquido, m3/s

QG = flujo volumtrico del gas, m3/s

Penetracin

Aunque se han desarrollado varias ecuaciones para predecir la penetracin y por lo tanto la eficiencia de coleccin en un lavador de partculas tipo Venturi, una de las ms completas es la que desarroll Calvert (1972), para la cual tom en cuenta aspectos tales como el tamao de las gotas, el parmetro de impacto, la concentracin de las gotas a travs de la garganta del Venturi, y el cambio continuo de velocidad entre las partculas y las gotas.

Por lo tanto, la penetracin para un dimetro de partcula dado se calcula por medio de

( 4.7 )donde

Kp = parmetro de impacto calculado con la ecuacin 4.5 para la

velocidad del gas a la entrada de la garganta

f = factor emprico

los dems parmetros y sus unidades, son los mismos de las ecuaciones anteriores; el dimetro de Sauter dd debe estar en cm. El factor f se puede tomar como 0.25 para partculas hidrofbicas y 0.50 para partculas hidroflicas.

Sin embargo, a partir de datos experimentales, Hesketh [2] encontr que un lavador Venturi es esencialmente 100% eficiente para partculas mayores a 5 m, y que la penetracin para partculas menores a ese valor, se relacionaba con la cada de presin (en in H2O) a travs del dispositivo por medio de la siguiente relacin

Pt = 3.47( P ) 1.43 (4.8)

Debido a que la ecuacin 4.7 est en funcin de Kp, que es caracterstico del mecanismo de impacto inercial, consideramos conveniente hacer uso de la ecuacin 4.8 para partculas menores a 5 m, por lo cual la penetracin se determinar por medio de las dos ecuaciones anteriores de acuerdo al dimetro aerodinmico que se analice.

Cada de presin en un lavador Venturi

Es importante conocer la cada de presin a travs del dispositivo, pues de ello depender la demanda de energa requerida para mover el gas a travs del dispositivo. En este trabajo, para calcular la cada de presin se utilizar la siguiente relacin

( 4.9 )donde P es la cada de presin en dinas/cm2, y los dems factores y sus unidades son los mismos que en las ecuaciones anteriores. El valor de X debe ser calculado por medio de

(4.10)donde

X = longitud adimensional de la garganta

lt = longitud de la garganta, cm

CD = coeficiente de arrastre para las gotas en funcin del dimetro de

Sauter

Los dems factores y sus unidades son los mismos de las ecuaciones anteriores, incluido dd que es el dimetro medio de Sauter. Por lo general, en un lavador Venturi las condiciones son tales que el nmero de Reynolds est entre 10 y 500; en ese rango el valor de CD puede calcularse con

(4.11)

A su vez, la longitud de la garganta lt debe ser suficiente para proveer la eficiencia de remocin deseada, sin embargo si es demasiado larga, existir un desperdicio de energa innecesario en el dispositivo. La longitud ptima de la garganta puede calcularse con [2] :

( 4.12 )

donde todos los factores y sus unidades ya han sido presentados.

Aspectos generales del diseo de un lavador Venturi

Bsicamente un lavador Venturi puede ser diseado segn las mismas caractersticas de un Venturi utilizado para la medicin de flujo, aunque para disminuir su longitud total, los ngulos de convergencia y divergencia pueden ser mayores. Al disear un lavador de partculas de este tipo, algunos parmetros deben ser seleccionados arbitrariamente por el diseador. Sin embargo existen valores ptimos que son sugeridos por varios autores [2] [12] [16] y aunque existen ligeras diferencias de un texto a otro, resulta adecuado utilizarlos como gua para asumir valores indispensables en el diseo.

La siguiente tabla muestra los valores ms adecuados a elegir al momento de disear un lavador de partculas tipo Venturi.

TABLA 28

VALORES RECOMENDABLES PARA EL DISEO

DEL LAVADOR DE PARTCULASVelocidad del gas en la garganta

VG > 4575 cm/sAlta eficiencia de remocin de PM

2000 < VG < 2300 cm/sAbsorcin y remocin de PM simultneas

Relacin Lquido Gas

0.26 < L/G < 2.6 l/m3Remocin de PM

5.5 < L/G < 11 l/m3Absorcin de gases y remocin de PM

Cada de presin

10 < P < 150 in H2OInferior en aplicaciones de absorcin

Dimensiones tpicas

rea de entrada / rea de la garganta = 4:1

ngulo de convergencia = 12.5

ngulo de divergencia = 3.5

4.3.1 Dimensionamiento del dispositivo

Para dimensionar el lavador Venturi, primero debemos asumir una velocidad adecuada en la garganta; por ello de la tabla 28 asumimos que VG = 4600 cm/s

Habindose incrementado la humedad del gas en la etapa de enfriamiento, el flujo molar de los gases es 15281.13 mol/h; a una temperatura de 68C (341.48 K) y 1 atm de presin el flujo de los gases sera

De manera que el dimetro de la garganta D2 se halla de la manera siguiente

G = VG A2

( D2 = 5.73 cm

El dimetro del ducto a la entrada del lavador ser 10 cm, por lo que el lavador de partculas tendr el mismo dimetro en la entrada a la zona convergente, entonces

( D1 = 10 cm

Debido a que el ngulo de convergencia sugerido en la tabla 28 es 12.5, entonces la longitud de la zona convergente se encuentra de la manera siguiente

Figura 4.6 Esquema para dimensionar el lavador de partculas

Segn la figura anterior, el valor de a es

a =

a = 5 cm 2.865 cm

a = 2.135 cm

Por lo tanto, la longitud de la zona convergente lc se calcula como

El dimetro del ducto en la zona divergente lo asumimos en 10 cm; con este dimetro se obtiene aproximadamente una relacin de rea 4:1 como sugiere la tabla 28.

Conociendo el dimetro a la salida, la longitud de la zona divergente se calcula de manera similar a la de la zona convergente:

aunque la longitud de la garganta depende de clculos posteriores, en esta parte podemos anticipar que su valor es 35.02 cm, de manera que las dimensiones finales del lavador Venturi son

Longitud de la zona convergente: lc = 96 mmLongitud de la garganta: lt = 350 mmLongitud de la zona divergente: ld = 349 mmDimetro de la garganta: D2 = 57 mmDimetro en la entrada: D1 = 100 mm

Dimetro en la salida: D3 = 100 mmDetalles del diseo en la seccin planos (planos 12 y 13)

4.3.2 Determinacin de la eficiencia de remocin

Para hallar la eficiencia de coleccin global del lavador de partculas es necesario hacer el anlisis para cada rango de tamao de partcula [1]. Para el rango comprendido entre 10 y 100 m (tabla 15), el dimetro aerodinmico promedio de las partculas es 55 m, y el porcentaje de la masa total que corresponde a ese rango es 35%.

Antes de hacer los clculos es necesario asumir el factor L/G, por lo cual a partir de la tabla 28, escogemos que dicho valor ser 1.02 litros/m3 ( 0.00102 m3/m3) . Entonces

( QL = 0.00102 QGQL = 0.00102 0.118 m3/s

( QL = 1.21x104 m3/s (1.92 gpm)

Las propiedades del gas a 68C son: densidad del gas: G = 1.03x10-3 g/cm3, viscosidad del gas: G = 2.04x10-4 poise.

El agua a utilizarse se la tomar del mismo tanque de recirculacin de la cmara de enfriamiento, por lo que tendr una temperatura aproximadamente igual a la de saturacin adiabtica, o sea 61C, (142F); a esa temperatura las propiedades del agua son: densidad del lquido: L = 0.98 g/cm3viscosidad del lquido: L = 4.88x10-3 poise, tensin superficial: = 65.9 dinas/cm; de manera que utilizando la ecuacin 4.6 y asumiendo atomizacin tipo gota, el dimetro promedio de las gotas es

( dd = 125.99 mpor lo tanto tomando el dimetro aerodinmico promedio del rango, el parmetro de impacto se calcula como

( Kp = 6015.45

Entonces a partir de la ecuacin 4.7 y tomando el factor f = 0.5, la penetracin para el dimetro de partcula en cuestin resulta

( Pt = 0.0764

( = 1 - Pt = 1 0.0764 = 0.9236

Donde por medio de la ecuacin 4.1, la eficiencia fraccional se calcula como

fraccional = j mj = 0.92 35% = 32.32%( fraccionalDe manera similar se procede con los rangos de tamao de partcula restantes, con la diferencia de que para partculas menores a 5 m se utilizar la ecuacin 4.8 para el clculo de la penetracin; en ese rango no se requiere calcular el parmetro de impacto Kp pues la penetracin es funcin de la cada de presin que para las dimensiones dadas, y segn los clculos que se hacen mas adelante, su valor es 6.88 in H2O.

Es decir la penetracin resulta para esos rangos de tamao:

Pt = 3.47( 6.88 ) 1.43 = 0.2198

Los resultados se presentan en la tabla 29, en la cual se puede ver que el lavador de partculas tendr una eficiencia global o de 84.63%, que es superior al valor requerido segn los clculos realizados en el captulo1.

TABLA 29

EFICIENCIA DE REMOCIN DEL LAVADOR DE PARTCULAS

Eficiencia de coleccin

Rangodpm mKpPtjmj

( m )( m )( % )

00.6250.312531.1-0.21980.780224.2655

0.62510.81254.3-0.21980.78023.3550

12.51.757.9-0.21980.78026.1639

2.553.758.7-0.21980.78026.7881

5107.513111.860.09730.902711.7348

1010055356015.450.07640.923632.3272

o = 84.63

Por lo cual la carga de partculas en los gases a la salida del lavador ser:

Co = Ci ( 1 0.846 )

Co = 148.94 mg/scm 0.154

( Co = 22.93 mg/scm (concentracin de partculas a la

salida del lavador Venturi)4.3.3 Separacin del lquido de lavado

Es comn que en un lavador de partculas, tipo Venturi, las gotas del lquido de lavado sean arrastradas junto con la corriente gaseosa que se quiere limpiar. Esto producir una disminucin en la eficiencia de remocin calculada, pues las gotas que viajen junto con el gas estarn cargadas con el material particulado que se quera remover.

Para solucionar este problema usualmente se debe disear, junto con el lavador Venturi, una cmara de separacin del lquido de lavado; para ello se puede utilizar la misma configuracin e inclusive las mismas ecuaciones que en un cicln. Tambin es posible eliminar el arrastre del lquido utilizando cierto tipo de rellenos conocidos como eliminadores de niebla, los cuales son bafles o mallas especialmente diseadas para producir el impacto de las pequeas gotas en superficies que desvan el flujo, produciendo as la separacin del lquido que ha sido arrastrado.

Debido a lo anteriormente expuesto y en vista de que el sistema de remocin de contaminantes incluye una torre de absorcin con relleno, consideramos que no es necesario disear un separador del lquido de lavado, pues el mismo relleno de la torre de absorcin servir para eliminar el arrastre de las gotas de agua. De hecho, el relleno servir como medio para captar las partculas, por lo que a la salida de la torre de absorcin habr una ausencia casi total del material particulado que se quera remover. Existen ciertas razones para no utilizar directamente el relleno como medio para la remocin de material particulado, la principal razn es que se podra obstruir el flujo debido a la acumulacin de suciedad.

Adicionalmente, el lquido de lavado ser separado en su mayor parte al final del lavador Venturi, siendo enviado al tanque de recirculacin de la cmara de enfriamiento, que como ya se dijo, servir tambin de reservorio para el lquido utilizado en el Venturi. Los detalles son mostrados en la seccin planos (planos 12, 13 y 15).

4.3.4 Cada de presin

Para hallar la cada de presin a travs del dispositivo, primero evaluamos el nmero de Reynolds en funcin del dimetro promedio de las gotas del lquido de lavado

( ReD = 292.62

Por lo tanto el coeficiente de arrastre para las gotas es

( CD = 0.684

Con el valor anterior, es posible calcular la longitud ptima de la garganta de la manera siguiente

( lt = 35.02 cm

Finalmente la cada de presin a travs del dispositivo, se determina por medio de las ecuaciones 4.10 y 4.9

( X = 1.375

P = 17217.46 dinas / cm2P = 6.88 in H2O

( P = 1721.74 Pa

La cada de presin a travs del dispositivo, 1721.74 Pa, es aceptable en este tipo de lavadores de partculas, por lo tanto podemos concluir que el diseo es satisfactorio.

Ingreso del lquido

GARGANTA

Ingreso del lquido

ZONA CONVERGENTE

ZONA DIVERGENTE

a

b

c

gota

gota

gota

_1168865793.unknown

_1168867709.unknown

_1168868675.unknown

_1168869045.unknown

_1171343265.unknown

_1168868754.unknown

_1168868824.unknown

_1168868536.unknown

_1168868591.unknown

_1168867868.unknown

_1168866810.unknown

_1168867115.unknown

_1168867326.unknown

_1168866048.unknown

_382198471.unknown

_382820261.unknown

_1167922559.unknown

_382265999.unknown

_382819776.unknown

_382265380.dwg

_381449601.unknown

_381449632.unknown

_381449660.unknown

_381448328.unknown

_381449271.unknown