Métodos de tratamiento químico y contaminantes gaseosos
Este artículo arroja luz sobre los tres métodos de tratamiento químico más utilizados para purificar los contaminantes gaseosos. Los métodos son: 1. Incineración térmica 2. Incineración catalítica y 3. Bio-oxidación.
Método # 1. Incineración térmica:
De los tres métodos utilizados para la oxidación de COV, la incineración térmica tiene lugar a aproximadamente 650 ° C o una temperatura más alta, mientras que los otros se llevan a cabo a una temperatura más baja. Para la incineración, es decir, la combustión de dos ingredientes, a saber, una sustancia combustible y oxígeno son necesarios.
Los COV presentes en una corriente de gas residual constituyen el componente combustible y el oxígeno del aire sirve como el otro componente. Los principales productos de un proceso de combustión son CO 2, H 2 O. También se produce una cierta cantidad de NO x y SO x . Algunos compuestos orgánicos también pueden estar presentes en la corriente del producto si el proceso es incompleto.
Para lograr una combustión completa, es decir, para la oxidación completa de los COV (contaminantes), es necesario proporcionar aire en exceso (oxígeno) sobre el requerido estequiométricamente debido a la mezcla imperfecta de los ingredientes antes y durante la combustión. Para que el proceso sea autosuficiente, la mezcla no debe ser demasiado magra ni demasiado rica con respecto a los componentes combustibles. Las composiciones limitantes se conocen como los límites explosivos inferior y superior.
Entre estos límites, la combustión tiene lugar al encenderse, pero puede explotar si el proceso no se controla adecuadamente. Los valores numéricos de los límites explosivos inferior y superior de una mezcla dependen de las especies de combustibles presentes en la mezcla. Sin embargo, se debe tener cuidado de que el contenido de oxígeno en la mezcla nunca sea inferior al 15%.
El grado de finalización de una reacción de combustión depende de la temperatura, el tiempo de residencia y la turbulencia en la zona de combustión. Un menor grado de terminación significaría la presencia de compuestos orgánicos no quemados (contaminantes) en el efluente tratado. La velocidad de reacción aumenta con el aumento de la temperatura. Por lo tanto, a una temperatura más alta, el tiempo de residencia (en la cámara de combustión) requerido para la combustión completa sería más corto.
En otras palabras, a una temperatura más alta, una cámara más pequeña haría el trabajo. Sin embargo, para mantener una temperatura más alta puede ser necesario un combustible auxiliar, si los componentes combustibles presentes en la mezcla no tienen suficiente poder calorífico. El valor calorífico de una mezcla depende de la concentración de las especies combustibles presentes en la mezcla.
Al diseñar un incinerador térmico, uno puede encontrarse con cualquiera de los siguientes tres tipos de situaciones:
Tipo i:
El gas a tratar tendría suficiente poder calorífico y, por lo tanto, no se requeriría combustible auxiliar, pero se debe suministrar aire (oxígeno). Tal situación implica que la mezcla tendría una composición por encima del límite explosivo superior.
Tipo II:
El gas no puede requerir combustible auxiliar ni aire, es decir, su composición estaría entre los límites de explosivos superior e inferior. Dicho gas debe manipularse con cuidado, ya que, de lo contrario, la llama podría contraatacar, es decir, propagarse desde la cámara de combustión hasta su fuente.
Tipo-Ill:
El gas puede no tener un valor calorífico suficientemente alto como para mantener la temperatura deseada en la cámara de combustión. Esto implica que la composición de la mezcla estaría por debajo de su límite explosivo inferior. Para la combustión de un gas de este tipo, se requeriría un combustible auxiliar para sostener el proceso de combustión.
La mezcla de gas tipo I tendría un valor calorífico relativamente alto, por lo que puede ser utilizada como un combustible. Puede incinerarse en un horno de caldera o en un calentador de proceso o en una cámara de combustión adecuadamente diseñada con una disposición para suministrar una cantidad adecuada de aire. El equipo básico necesario para la combustión de una mezcla de gases de Tipo I es un quemador de bajo NO x .
Sin embargo, si no hay margen para la utilización del calor producido durante la incineración, la mezcla de gases puede quemarse, es decir, el proceso de combustión se lleva a cabo en una atmósfera abierta donde la turbulencia atmosférica proporciona oxígeno para la combustión y promueve la mezcla. El dispositivo se conoce como una pila de destello.
Es una pila / chimenea en la base de la cual se introduce el gas. El gas fluye por la pila y, cuando está a punto de emerger, se encuentra con una llama piloto. La llama piloto se mantiene con una mezcla premezclada de combustible gas-aire. Se utiliza para encender la mezcla de gases y para anclar la llama resultante. Los productos de combustión, incluidos los resultantes de una combustión incompleta, se descargan directamente a la atmósfera.
Los productos de combustión pueden incluir HC (hidrocarburos), CO y algunos productos intermedios estables, como NO x, SO 2, HCI y partículas de carbono además de CO 2 y H 2 O. La eficiencia de combustión puede mejorarse mezclando previamente el gas. para ser incinerado con aire y / o inyectando vapor cerca de la llama, lo que promovería la turbulencia. El calor generado durante la combustión se desperdicia.
La mayor consideración para la selección del sitio de destello y su estimación de la altura de la pila debe ser la seguridad para el personal de operación de la planta y el equipo alrededor del destello debido a su intensidad de calor radioactivo. Una llamarada debe ubicarse en un lugar con suficiente espacio libre a su alrededor, de modo que un hombre pueda correr a salvo del calor de la llamarada, si es necesario.
Para estimar la altura de la pila de bengalas, se debe considerar la intensidad máxima de calor radioactivo a la que se puede someter el equipo de proceso (particularmente los tanques de almacenamiento de crudo de petróleo y fracción de petróleo) alrededor de la pila. El diámetro de una pila se calculará en función del caudal volumétrico máximo previsto de la mezcla de gases y su velocidad de la llama.
Los otros datos requeridos para el cálculo de la altura y el diámetro de la pila son la temperatura ambiente, el valor calorífico promedio de la mezcla de COV, su peso molecular promedio, la densidad y la emisividad de la llama y la velocidad promedio del viento a la altura de la pila.
La figura 4.16 muestra una representación esquemática de una pila de destellos.
Cabe señalar aquí que las antorchas se pueden usar solo para flujos de gas residual concentrado de gran volumen.
La mezcla de gases Tipo II debe manejarse con cuidado ya que son mezclas explosivas. Dicha mezcla debe diluirse con aire o con un gas inerte para reducir la composición de la mezcla por debajo de su límite explosivo inferior antes de la incineración. Para la incineración de la mezcla diluida puede ser necesaria cierta cantidad de un combustible auxiliar.
Puede parecer paradójico que una mezcla combustible se diluya y luego se incinere con la ayuda de algún combustible suplementario. Sin embargo, desde el punto de vista de la seguridad se vuelve imperativo. Si la mezcla diluida se quema en un horno de caldera o en un calentador de proceso, no se necesitará combustible auxiliar.
Si se planea quemar la mezcla de gas original sin diluir en un quemador, se deben tomar las siguientes precauciones:
(a) Para la compresión de la mezcla antes de alimentar un incinerador, se debe usar un eyector de chorro de vapor. No deben utilizarse dispositivos mecánicos, ya que el calor de fricción puede causar una explosión.
(b) Para evitar el retroceso de la llama de un incinerador, se deben tomar las medidas enumeradas a continuación.
(i) En los conductos de gas (que conducen al incinerador) apagadores de llamas, como pantallas, se deben colocar placas perforadas.
(ii) El diámetro de la tubería seleccionada debe ser tal que la velocidad del gas a través de la tubería sea mayor que la velocidad de la llama teórica de la mezcla.
(iii) La mezcla de gas debe pasar a través de una olla de sellado.
El manejo e incineración de mezclas de gases Tipo III no plantean problemas desde el punto de vista de la seguridad. Para el grado deseado de destrucción del combustible (contaminante) presente en tal mezcla de gases, se debe inyectar en una cámara de combustión encendida con un combustible auxiliar y mantenerse a la temperatura requerida. La turbulencia y la concentración de oxígeno deben mantenerse en el incinerador.
Un incinerador que se utilizará para la combustión de una mezcla de gases de Tipo III puede ser una caja o una cámara cilíndrica en un extremo de la cual se encuentra un quemador de gas o aceite. La mezcla de gases que se va a incinerar se introduce cerca del quemador para que se mezcle fácilmente con los productos de combustión y, por lo tanto, alcance la temperatura requerida.
Los promotores de turbulencia se pueden usar para provocar una mezcla rápida de los productos de combustión y el gas a incinerar. La temperatura de autoignición de cada uno de los contaminantes presentes se debe establecer en la literatura. La temperatura de funcionamiento del incinerador debe estar al menos unos cientos de grados por encima de la temperatura de autoignición más alta de los componentes presentes. El volumen de la cámara del incinerador (V) se puede estimar aproximadamente usando la relación.
V = tx Q,
donde Q = caudal volumétrico de los productos de combustión a la temperatura de operación, y t = tiempo de residencia requerido en el incinerador.
A aproximadamente 750 ° C, el tiempo de residencia requerido puede ser de alrededor de 0.01 seg. Alrededor de 650 ° C, el tiempo de residencia debe aumentarse de 0.01 seg a aproximadamente 0.1 seg para lograr el mismo grado de destrucción de los contaminantes.
Método # 2. Incineración catalítica:
La incineración catalítica también es un proceso de oxidación similar a la incineración térmica. Sin embargo, el proceso ocurre a una temperatura mucho más baja que la de la incineración térmica. En consecuencia, el requisito de combustible suplementario es menor. Los catalizadores utilizados son partículas sólidas como tales o soportadas en algún material cerámico inerte.
Los reactivos y los productos son gaseosos, el proceso ocurre a través de los siguientes pasos:
1. Difusión de contaminantes y moléculas de oxígeno desde la fase gaseosa a la superficie del catalizador.
2. Adsorción de las moléculas reactantes en la superficie del catalizador,
3. Reacción de las moléculas adsorbidas,
4. Desorción de las moléculas del producto de la superficie del catalizador, y finalmente,
5. Difusión de las moléculas del producto a la mayor parte de la fase gaseosa.
Normalmente se utilizan dos tipos de catalizadores:
(i) Metal noble, como platino, paladio solo o en combinación, soportado en aleación de níquel o alúmina o cerámica,
(ii) Metales base u óxidos metálicos, tales como aluminio, cromo, cobalto, cobre, hierro, manganeso, vanadio, zinc soportado o no soportado.
El segundo tipo de catalizador es más barato y es fácil de preparar.
Los soportes metálicos generalmente tienen la forma de una cinta sobre la cual se deposita el catalizador. Las cintas se engarzan y se forman en una estera.
Soportes de cerámica pueden ser en forma de pellets o una estructura de nido de abeja.
El catalizador se mezcla a veces con una sustancia conocida como promotor, que aumenta la actividad del catalizador modificando la estructura y el tamaño de los cristales del catalizador.
Las propiedades deseadas de un catalizador son:
(i) Alta actividad a menor temperatura,
(ii) estabilidad estructural,
(iii) Resistencia al desgaste y
(iv) Baja caída de presión a través del lecho del catalizador.
La actividad del catalizador muy a menudo disminuye con el uso. Esto puede suceder debido a:
(1) Reacción química entre partículas de catalizador y algunas sustancias, como bismuto, arsénico, antimonio, zinc, plomo, estaño, mercurio, fósforo, halógenos, etc., incluso cuando están presentes en cantidades traza en gases de desecho,
(2) Adsorción de algunos químicos (quimiosorción) en la superficie del catalizador y
(3) Recubrimiento físico de la superficie del catalizador con materia alquitranada.
El catalizador también sufre una pérdida de actividad como resultado del envejecimiento. Esto puede deberse a un cambio en la estructura cristalina del metal (catalizador) debido a la erosión, vaporización y desgaste. Normalmente la vida del catalizador es de 3 a 5 años.
Un incinerador catalítico puede consistir en los siguientes componentes / secciones:
(1) Secciones de precalentamiento.
(2) un quemador,
(3) Una cámara de mezcla,
(4) Un lecho de catalizador,
(5) Un soplador.
En la Fig. 4.17 se muestra un diagrama esquemático de un incinerador catalítico.
Un incinerador catalítico funciona de la manera que se describe a continuación.
Una corriente de gas del cojinete contaminante entrante puede precalentarse antes de alimentar la misma en la cámara de mezcla. En la cámara de mezcla, la corriente de gas se mezcla con el gas de combustión caliente del quemador para que la mezcla pueda alcanzar la temperatura a la que tendría lugar la oxidación catalítica. El propósito del quemador sería producir el calor requerido para mantener la cámara de mezcla y el lecho del catalizador a la temperatura deseada. El combustible puede ser un gas o un aceite.
El lecho de catalizador está dispuesto de tal manera que la corriente de afluencia mezclada con el gas de combustión caliente tiene que pasar a través del lecho y ninguna parte puede pasar por alto el lecho. Debe estar instalado en la cámara de combustión de manera que se pueda sacar fácilmente para reactivarlo o reemplazarlo. Puede ser necesario instalar un soplador para superar las pérdidas de presión en diferentes secciones del conjunto del incinerador.
La destrucción completa de los contaminantes presentes en una corriente de gas residual es difícil de lograr en un incinerador y puede que no sea necesaria. La destrucción del 98-99 por ciento puede reducir la concentración de contaminantes al límite de emisión permitido. La mayoría de los COV en combustión completa producen CO 2 y H 2 O.
También se puede producir algo de monóxido de carbono debido a una combustión incompleta. Algunos COV en la incineración pueden producir contaminantes como SO 2, SO 3, halógenos y compuestos halogenados, como Cl 2, HCL. Puede ser necesario tratar la corriente de escape del incinerador (para eliminar los contaminantes mencionados anteriormente) antes de su eliminación final.
Método # 3. Bio-oxidación:
La biooxidación de una corriente de gas portador de contaminantes se puede llevar a cabo cuando:
(i) Los contaminantes presentes son biodegradables,
(ii) La corriente no contiene ningún contaminante tóxico para las bacterias aeróbicas, y
(iii) El caudal volumétrico de la corriente no es alto.
Este proceso es similar al proceso de combustión en el sentido de que los principales productos de oxidación serían CO2 y H2O. Sin embargo, el proceso tiene lugar a temperatura ambiente y el calor que se desprende se disipa fácilmente.
Se lleva a cabo pasando una corriente de gas que contiene un agente contaminador mezclada con una cantidad adecuada de aire a través de un lecho de suelo poroso previamente sembrado con la especie correcta de microbios aeróbicos. Los microbios utilizan los COV para su actividad metabólica. El oxígeno requerido para este propósito se toma del aire. El tamaño de la cama debe ser tal que haya suficiente tiempo de contacto para alcanzar el grado deseado de destrucción de contaminantes.
Las principales ventajas de este proceso sobre los procesos de incineración son:
(i) No se requiere combustible suplementario,
(ii) No se necesita equipo de proceso costoso, y
(iii) Se debe prestar muy poca atención para controlar el proceso.
La principal desventaja de este proceso es que se debe proporcionar más espacio en forma de volumen de lecho en comparación con el requerido para los procesos de incineración.
