Laboratorio de Ing. Química CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

DISEÑO DE CHIMENEAS

OBJETIVO

En esta parte de la práctica estudiaremos como se dispersan los humos contaminantes en

función de las características de la chimenea (diámetro y altura) por la que son emitidos a la

atmósfera.

EQUIPOS

El equipo que utilizamos en la práctica es un programa de simulación en el que introduciendo

los datos de nuestro problema obtenemos los datos requeridos para nuestro análisis de las

variables de la chimenea. Utilizaremos la parte que se refiere a las emisiones puntuales o de

áreas. El programa ha sido diseñado y comercializado por Dinámica Heurística. Dinámica

Heurística desarrolla software de modelos de simulación de contaminación y riesgos en

industrias, cursos interactivos, desarrollos multimedia, aplicaciones en las áreas de recursos

humanos, seguridad industrial e internet.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

Aunque el guión contempla un ejemplo para conocer el manejo del software, nosotros para

avanzar más rápidamente en la consecución de la práctica realizamos como ejemplo la primera

chimenea que tenemos que diseñar (una chimenea de 60 m de altura y 2,5m de diámetro

interno).

Nuestro problema es el siguiente: deseamos estimar la chimenea óptima para la emisión de

dióxido de carbono de una industria cementera realizando el menor impacto posible sobre la

población circundante. La fábrica se sitúa en un entrono rural, con una pequeña población a

15km y una gran urbe a 200Km. Los datos de salida de dióxido de carbono se irán comentando

a continuación.

Vamos introduciendo los datos de nuestro problema: sustancias de interés, fuentes de

emisión y escenarios meteorológicos.

- Sustancias de interés.

La sustancia que analizamos es el CO2. La concentración es el límite de concentración que

podemos emitir (podemos seleccionar entre cuatro normativas diferentes. Para nuestro

problema son 4 ppm (80).

El periodo promedio es el tiempo que estimamos que vamos a estar emitiendo (1año).

- Fuentes de emisión (puntual).

Una vez introducida la sustancia a analizar, dentro del índice de datos entramos en fuentes

de emisión. En primer lugar situamos el punto donde va a ir colocada la chimenea, el origen

para nuestro problema se encuentra en el punto (x=0, y=0, z=0). Asignamos nombre

(CHIM).

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A continuación nos piden los datos referentes a la altura de la chimenea (para la primera,

que es nuestro ejemplo son 60m). La tasa de emisión serán 50 g/l. El diámetro de la

chimenea dependerá del ejemplo considerado (2,5m para la primera chimenea).

La temperatura de salida son 127ºC, esta es la temperatura de emisión. Cuando aumento la

temperatura de emisión, los humos experimentan una fuerza hacia arriba que les hace salir

de esa forma.

El flujo volumétrico es de 52m3/s. La velocidad de emisión por tanto sale en con el

programa que es de 10,59m/s, debemos tener cuidado con la velocidad de emisión que

ponemos porque a velocidades más bajas lo que puede ocurrir es que el humo regrese sin

llegar a ser emitido a la atmósfera.

- Escenarios meteorológicos.

El escenario meteorológico es una condición fundamental que debemos tener en cuenta en

el diseño de la chimenea.

Debemos ir introduciendo las condiciones del entorno de la industria emisora. El tipo de

escenario en nuestro caso será rural (si hubiera sido urbano deberíamos haber tenido en

cuenta aspectos añadidos como por ejemplo la altura de los edificios adyacentes).

Las condiciones climáticas también son esenciales. La temperatura ambiente será de 20 ºC,

consideraremos que el tiempo es muy estable (nubosidad F). Las condiciones más adversas

corresponderían a una nubosidad cerrada.

Colocaremos un anemómetro a 10m de altura. La velocidad del viento es de 2m/s y la altura

de mezclado es de 10000.

La clase de estabilidad es un parámetro que calcula en función de las condiciones, que la

emisión sea de día, con 2m/s de velocidad del viento y un ángulo de elevación del sol de

60º.

Para estudiar las variables de diseño de una chimenea ( altura y diámetro) realizaremos una

serie de simulaciones. Tantearemos 3 diámetros internos, en primer lugar 2.5m, a continuación

7m y por último 5m. Para cada uno de estos diámetros iremos variando la altura, 60m, 100m,

150m y 200m. En total realizaremos el diseño de 12 chimeneas.

El gran número de variables que afectan al trabajo de una chimeneas, así como las

interacciones que tienen lugar entre ellas, hacen que el cálculo de una chimenea sea un caso

particular. Hay unas reglas generales para el diseño dictadas por la observación y la experiencia,

que han probado suficientemente su utilidad:

1. La altura ha de ser, al menos, 2.5 veces mayor que la del más alto edificio

circundante.

2. Para evitar la caída del penacho inmediatamente de su salida de la chimenea, la

velocidad de los gases a la salida ha de ser, al menos, 1.5 veces la velocidad del

viento. Otro problema que se presenta para bajas velocidades de salida es que los

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torbellinos de aire puedan hacerle entrar en la chimenea, con el peligro de que los

enfriamientos locales hagan que el gas alcance la temperatura de rocío y se

produzcan corrosiones. Por esta razón, en las chimeneas de pequeño diámetro la

velocidad de salida ha de ser, al menos, de 2 m/s y se recomienda para grandes

chimeneas (>1m de diámetro) unos 12 m/s.

3. El conducto de humos puede construirse con ladrillos de especiales características

contra la corrosión, o en acero. Para grandes alturas (>200m) es más económico el

conducto de acero, mientras que es preferible de fábrica cuando se trate de

chimeneas de menor altura.

4. Debe conocerse bien la composición del vertido, pues los productos que aparezcan

en muy pequeña proporción puede afectar a la elección del ladrillo y el mortero a

utilizar.

A continuación analizaremos los datos obtenidos a partir del programa.

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La concentración de dióxido de carbono máxima se presenta en la siguiente tabla, los valores

han sido extraídos de los 750 datos de concentración que poseemos respecto de la altura.

CONDICIONES EXPERIMENTALES

DIÁMETRO INTERNO (m) ALTURA CHIMENEA (m) [CO2]max (ppm) y (m)

2,5

60 2,0980 14400

100 0,5094 29600

150 0,1181 60000

200 0,0321 162000

5

60 2,7667 11467

100 0,6586 24000

150 0,1468 56000

200 0,0385 126933

7

60 3,6266 9200

100 0,8166 20267

150 0,1746 51200

200 0,0449 109333

Debemos conocer el punto donde tenemos la concentración máxima de contaminante, nos

interesa que esta concentración sea lo más pequeña posible en la población cercana. Vemos que

en todos los casos esta condición se cumple para una altura de chimenea de 200m. Para una

chimenea de 60m de altura el máximo de contaminante caería sobre la población. En función

del diámetro interno tendremos distintas concentraciones y posición en el eje y. Si comparamos

los diámetros para h= 200m:

DIÁMETRO INTERNO (m) [CO2]max (ppm) y (m)

2,5 0,0321 162000

5 0,0385 126933

7 0,0449 109333

Con un diámetro pequeño la concentración máxima es menor y se alcanza a una distancia

mayor de la chimenea.

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Podemos tomar un punto de referencia y ver en ese punto la concentración de contaminante

que tenemos, por ejemplo a los 200 km respecto de la fábrica:

CONDICIONES EXPERIMENTALES

DIÁMETRO INTERNO (m) ALTURA CHIMENEA (m) [CO2] (ppm) y (m)

2,5

60 0,3856 200000

100 0,2023 200000

150 0,0862 200000

200 0,0318 204000

5

60 0,4120 200000

100 0,2237 200000

150 0,0983 200000

200 0,0374 201600

7

60 0,4359 200000

100 0,2412 200000

150 0,1087 200000

200 0,0425 200000

Observando los datos de la tabla comprobamos que si medimos la concentración de CO2 a

200Km del punto de emisión, esta es menor cuanto mayor es la altura de la chimenea.

Otro dato significativo es que para un misma altura de chimenea, la concentración de

contaminante es menor cuanto menor es el diámetro interno de la chimenea.

Analíticamente podemos comprobar este hecho haciendo una gráfica de la concentración de

dióxido de carbono (en ppm) frente al diámetro interno de chimenea.

Consideramos que realizamos la medida en el punto (0,200,0) Km y que la chimenea tiene

una altura de 60m:

Haciendo un ajuste lineal de los datos se comprueba que la concentración de contaminante en

un mismo punto es directamente proporcional al diámetro interno de la chimenea de emisión.

Por tanto como a nosotros nos interesa que la concentración de CO2 sea lo más pequeña

posible, nos interesará trabajar con un diámetro interno de 2.5m.

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Elegido nuestro diámetro óptimo debemos considerar como afecta la altura de la chimenea,

para ello haremos una representación gráfica de la concentración de CO2 frente a la altura.

Consideramos que realizamos la medida en el punto (0,200,0) Km y que la chimenea tiene un

diámetro interno de 2.5m:

La concentración de CO2 decae a medida que aumenta la altura de chimenea. Por tanto nos

interesará trabajar con alturas elevadas. Sin embargo vemos que entre 150m y 200m la

concentración no sufre demasiada variación. Para elegir la altura también deberemos considerar

el coste de nuestra chimenea.

Por último veremos el punto en el que la concentración de contaminante se estabiliza,

cuando se alcanza la horizontal en la grafica concentración vs. posición.

CONDICIONES EXPERIMENTALES

DIÁMETRO INTERNO (m) ALTURA CHIMENEA (m) [CO2] (ppm) y (m)

2,5

60 0,4220 180000

100 0,1050 480000

150 0,0314 1110000

200 0,0079 4362000

5

60 0,5050 159200

100 0,1070 506400

150 0,0420 804000

200 0,0113 2702933

7

60 0,4270 204800

100 0,1640 323200

150 0,0397 936000

200 0,0155 1770667

Para alturas y diámetros más pequeños la concentración de contaminante se estabiliza para

más cerca de la fábrica, esto implica que tarda menos tiempo, pero los valores estabilizados son

relativamente altos. A medida que aumenta la altura de la chimenea, se tarda más tiempo en

estabilizar la concentración de contaminante, sin embargo su valor es mucho menor. Desde el

punto medioambiental esto es lo que nos interesa, dispersar lo más posible nuestro contaminante

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para causar menor impacto ambiental. La concentración de CO2 para una altura de chimenea de

200m es apenas del orden de 0.1ppm.

El último aspecto que tiene gran importancia no tanto a nivel medioambiental sino a nivel

económico en el ámbito industrial es el coste de la chimenea.

CONDICIONES EXPERIMENTALES

DIÁMETRO INTERNO (m) ALTURA CHIMENEA (m) COSTE (Meuros)

2,5

60 270

100 540

150 720

200 1320

5

60 330

100 630

150 900

200 1620

7

60 390

100 750

150 1100

200 2160

Es muy clarificador ver estos costes de forma de gráfica

El coste aumenta, como cabe esperar cuanto mayor es la altura y diámetro de la chimenea,

simplemente porque necesitamos más materiales para su construcción. En nuestro caso el

diámetro óptimo son 2.5m y la altura óptima 200m, para estos datos el precio de nuestra

chimenea ascendería a 1.320.000 €. Esto supone un coste muy importante para la instalación

industrial.

Debemos llegar a un balance entre las ventajas medioambientales y las desventajas

económicas. Como hemos gráficamente no existe demasiada diferencia entre los niveles de CO2

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de una chimenea de 150m a una de 200m. La concentración máxima para la primera es de

0.1ppm mientras que para la segunda son 0.03ppm.

La ventaja es que el coste de la chimenea de 2.5m de diámetro y 150m de altura supone una

disminución a la mitad del coste económico.

Desde el punto medioambiental la chimenea óptima sería la de 200m de altura y 2,5m de

diámetro, desde el punto de vista económico sería la de 60m de altura para el mismo diámetro.

Haciendo un balance entre ambas, desde mi punto de vista en la instalación industrial la

chimenea óptima, sería la de 2.5m de diámetro interno y 150m de altura.

BIBLIOGRAFÍA

- Guión de prácticas de laboratorio.

- A. Vian. Introducción a la química industrial. Ed. Reverte, 1994.

- www.sma.df.gob.mx/sms/gaa/meteorologia/inver_termica.htm

- www.puc.cl/sw_educ/contam/efect/efur06.htm