ESTUDIO DE CASO CONTROL DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS

PRESENTADO A: JUAN CARLOS NARVAEZ

PRESENTADO POR: TANIA ERAZO

MARIO VILLOTA

UNIVERSIDAD MARIANAFACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTAL2016

INTRODUCCIÓN

Este trabajo tiene como finalidad estudiar las características de las partículas PM10

y sus propiedades con el propósito de generarlas a partir de distintos materiales, los cuales podemos encontrar en la naturaleza, como por ejemplo en el polvo, cenizas, hollín, partículas metálicas, cemento o polen donde algunos de estos se obtiene de ciertas actividades generadas por el hombre; donde se establecerá un control el cual tendrá el propósito de retener la mayor cantidad de partículas evitando con ello una emisión que cause un impacto ambiental y con esto afecte la salud de las personas.

Además en el control se medirá la remoción que alcanzara el sistema para evidenciar la eficiencia de este tipo de unidades en el caso de emplearlas a gran escala en ciertas industrias, en las cuales se hace necesario debido a la existencia de una normatividad como la resolución 601 de 2006 del MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL donde “se establece la Norma de Calidad del Aire o Nivel de Inmisión, para todo el territorio nacional en condiciones de referencia”1 ; la cual establece los niveles máximos así como también el tiempo de exposición.

JUSTIFICACIÓN

1 Disponible en: https://www.minambiente.gov.co/images/normativa/app/resoluciones/bfResoluci%C3%B3n%20610%20de%202010%20-%20Calidad%20del%20Aire.pdf

Las partículas con un diámetro de 10 micrómetros generan un impacto ambiental alterando la visibilidad de un lugar por las elevada concentraciones de este tipo de emisiones lo cual se hace evidente en zonas industriales, además este tipo de contaminación ocasiona efectos en la salud de las personas específicamente problemas respiratorios, dependiendo de la concentración en que se encuentren en la atmosfera además del tiempo de exposición al que se encuentren expuestos.

Por esta razón es necesario estudiar algunas alternativas que permitan controlar las emisiones de este tipo de partículas en la atmosfera, a partir de la elaboración de un dispositivo que permita evaluar la eficiencia de remoción de estas, con el propósito de identificar si el mecanismo empleado es factible para el control a gran escala.

OBJETIVOS

Objetivo general. Generar un dispositivo que controle las emisiones de partículas (PM10).

Objetivos específicos. Generar las partículas a partir de un material natural. Realizar una medición al inicio y al final de este proceso. Controlar las partículas.

Pregunta: ¿Los separadores centrífugos son eficientes para la remoción de partículas (PM10) de una emisión?

MARCO TEÓRICO

Tema Autor 1 Autor 2 Autor 3

Material particulado

“Constituye una mezcla compleja de sustancias orgánicas e inorgánicas que presentan una composición física y química variable.”2

“Se define como un conjunto de partículas sólidas y liquidas presentes en suspensión en la atmosfera. Generalmente, el termino aerosol atmosférico se utiliza como sinónimo de partículas atmosféricas. Además el material particulado abarca partículas sedimentables cuyo diámetro es mayor a 20 micrómetros.” 3

“Comprenden a las partículas sólidas y liquidas que se encuentran en el aire, ya sean estas partículas sedimentables o en suspensión, pudiendo ser de origen natural o antropogénico. Además el material particulado puede generar un impacto negativo en la salud de las personas y produce daño en la fauna y flora.”4

2 GARCIA LOZADA, Héctor Manuel. Evaluación del riesgo por emisiones de partículas en fuentes estacionarias de combustión. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, 2006. 3 p.

Partículas primarias y secundaria

s

“Primarias son las que están presentes en la atmosfera en la forma que se emitieron y las secundarias son aquellas que se forman en la atmosfera a partir de fenómenos de condensación, precipitación y reacciones químicas con otras sustancias.”5

“Las primarias son aquellas que se emiten directamente a la atmosfera por diversas fuentes y las secundarias son las que se forman en la atmosfera como el resultado de reacciones químicas a partir de materiales gaseosos, llamados precursores.”6

“Las partículas secundarias pueden formarse a partir de contaminantes gaseosos y en mayor parte se forman a partir de hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre. Y las partículas primarias son las que se emitieron.”7

PM10

“Material particulado con un diámetro aerodinámico de 10 micrómetros, catalogado entre las partículas gruesas además este tipo de partículas puede contener altas concentraciones de Cu, Cd, Ni, Zn y Pb.”8

“Este término describe emisiones de partículas primarias con un diámetro aerodinámico menor a 10 micrómetros, Este tipo de partículas entran fácilmente en los espacios alveolares de los pulmones humanos.”9

“Describe las emisiones de partículas primarias de diámetro aerodinámico menor a 10 micras, tienen esta característica; a estas partículas se les conoce también como fracción respirable o Inhalable. Proceden de procesos mecánicos, evaporación de aerosoles,suspensión de polvos, yReacción de gases.”10

Fuerza centrifuga

Ciclón “Los ciclones son equipos mecánicos estacionarios, ampliamente

“constan de dos partes una cilíndrica y otra cónica donde el gas entra tangencialmente por la

“El ciclón es básicamente una cámara de sedimentación en que la fuerza de gravedad se

3 AYORA ALBAÑEZ, Carlos. Los sistemas terrestres y sus implicaciones medioambientales. España: Ministerio de educación, 2004. 134 p.4 MORALES, Raúl. Contaminación atmosférica urbana: episodios críticos de contaminación ambiental en la ciudad de Santiago. Santiago de Chile: Editorial Universitaria, 2006. 107 p.5 GARCIA LOZADA, Héctor Manuel. Evaluación del riesgo por emisiones de partículas en fuentes estacionarias de combustión. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, 2006. 4 p.6 Qué son, cómo son y cómo se originan las partículas. 13p. disponible en internet: http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/libros/695/queson.pdf7 NEVERS, Noel. Ingeniería de control de la contaminación del aire. México: McGRAW-HILL, 2000. 188 p.8 GARCIA LOZADA, Héctor Manuel. Evaluación del riesgo por emisiones de partículas en fuentes estacionarias de combustión. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, 2006. 7 p.9 Guía de elaboración y usos de inventarios de emisiones. México: Instituto Nacional de Ecología, 2005. 83 p.10 Inventario de emisiones de los estados de la frontera norte de México. instituto Nacional de Ecología, 2005. 29 p.

utilizados en la industria, que permiten la separación de partículas de un sólido o de un líquido que se encuentran suspendidos en un gas portador, mediante la fuerza centrífuga. Los ciclones son equipos muy sencillos, que al no poseer partes móviles son de fácil mantenimiento. Tienen la desventaja de ser poco versátiles, ya que no se adaptan a cambios de las condiciones de operación”11

parte alta del cuerpo cilíndrico y se mueve en espiral hacia la parte inferior del cono, a partir de ahí el aire cambia de dirección subiendo por la parte interna y girando en el centro de otro remolino. El rendimiento del ciclón es inversamente proporcional a su diámetro y directamente a la masa de las partículas, los ciclones con diámetros grandes tienen buenas eficiencias para partículas de tamaño entre 40 y 50 micrómetros además para la obtención de una elevada eficiencia de remoción de partículas pequeñas desde 5 y 10 micrómetros es cuando se emplean varios ciclones en serie.”12

sustituye por la fuerza centrífuga generada por el giro de la corriente del gas. La mezcla de gas y partículas sólidas entra tangencialmente por la parte superior, la penetración de la mezcla le imparte un movimiento giratorio y el remolino que se desarrolla produce la fuerza centrífuga que arrastra a las partículas hacia la pared de forma radial. Los ciclones de alta eficiencia son ciclones de pequeño diámetro que tienen pequeños radios de curvatura, por lo que producen mayores aceleraciones radiales para una misma velocidad tangencial.”13

Hipótesis. Un Ciclón remueve más del 90 % de partículas con un diámetro de 10 micrones.

DIAGRAMA DE FLUJO

Se realiza con el fin de conocer el proceso de remoción de partículas a través del proceso dentro de una unidad de ciclón.

Para la generación de PM10 se utilizará una serie de tamices de distintos diámetros para recolectar las partículas de interés las cuales se obtendrán a partir de ciertos materiales como ceniza o suelo con altos contenidos de limos y arcillas. La cantidad a emplear se determinara en laboratorio y se utilizara una cantidad necesaria para evidenciar el funcionamiento dentro de la unidad a emplear. El control que se ha elegido es una unidad de ciclón en la cual se emplearan unas modificaciones como aspersores y obstrucciones dentro del ciclón con la finalidad de aumentar la eficiencia. Finalmente se realizara la medición la cual debe realizarse al comienzo del proceso así como también al culminar el proceso, en este caso para medir la

11 Disponible en: http://www.ing.unlp.edu.ar/dquimica/paginas/catedras/iofq809/apuntes/Ciclones.pdf 12 JIMENEZ, Blanca Elena. La Contaminación Ambiental en México. México: limusa, 2001. 380 p. 13 GALLEGO PICÓ Alejandrina, GONZÁLEZ FERNÁNDEZ Ignacio Anselmo, SÁNCHEZ GIMENO Benjamín. Contaminación Atmosférica. UNAD, 2012.

concentración se realizara midiendo la masa a emplear de partículas así como también el volumen que se albergara en un envase por lo que se empleara la siguiente formula.

C= masavolumen

Además se podría realizar la medición con el equipo dusttrak, a partir del cual se realizaría una medición más precisa.

Grafico 1: diagrama de generación partículas

Grafico 2: diagrama del proceso

Fuente: internet

Fuente: internet

EQUIPOS, MATERIALES E INSUMOS

Materiales, equipos e insumos Descripción

Jeringa Consiste en un émbolo insertado en un tubo que tiene una pequeña apertura en uno de sus extremos por donde se expulsa el contenido de dicho tubo.

Botella Envase de 2 litros plástico sin estrías.

PM10

Obtenidas a partir de ceniza y un suelo con cantidades elevadas de limos y arcillas.

Madera Implementada para la elaboración de un soporte para la unidad de ciclón.

Aspiradora Es un dispositivo que utiliza una bomba de aire para aspirar el polvo y otras partículas pequeñas de suciedad, generalmente del suelo.

Agitador mecánico de tamices

Para un proceso de tamizado automático. Consiste en una base móvil y un brazo que golpea el(los) tamiz(es) mientras la base se agita.

dusttrak

MARCO LÓGICO

Objetivos Actividades Metas Presupuesto Insumos, Tiempo Resultados

equipos y materiales esperados

Generar las partículas a partir de un

material natural.

Recolección del material ceniza o suelo.Realizar el proceso de tamizado para la obtención de PM10.

Obtención del material

particulado 0 Agitador mecánico

de tamices 2 horas

Obtener una gran

cantidad del material

Realizar una

medición al inicio y al final de

este proceso.

La concentración se la mediría a

partir del equipo dusttrak o a partir de un

proceso de pesaje y

conociendo el volumen

obtenido del material por medio de lo

cual se calcularía la

concentración.

Calcular o medir la

concentración 0

Dusttrak, pesa envase

volumétrico 1 hora

Obtener las concentraci

ones exactas

Controlar las

partículas.

Elaboración de la unidad de

ciclón

unidad óptima para la

remoción de partículas

40000

Envase plástico, madera,

aspiradora, silicona.

1 semana

Unidad de ciclón

óptima para el proceso.

CÁLCULOS DE DISEÑO

Wi = 0,25 (Do)H= 0,5 (Do)

A partir de lo anterior se eligió una estructura que se asemejara a un cono y para ello se utilizó una botella plástica reciclable y se la adecuo lo máximo posible a los parámetros de diseño; por lo tanto se midió el diámetro de la botella el cual es igual a 10 cm y a partir de este se calculó las siguientes dimensiones:

Wi = 0,25 (10 cm) =2,5 cm H = 0,5 (10 cm) = 5 cm H1 = 2 (10 cm) = 20 cm H2 = 2 (10 cm) = 20 cm De = 0,5 (10 cm) = 5 cm S =0,625 (10 cm) = 6,25 cm

El diseño del sedimentador presentara algunas modificaciones como lo son en el ducto de entrada, donde se modificara su entrada rectangular por una circular pero se conservara la misma área con el fin de mantener los parámetros. El procedimiento es el siguiente:

A = B * HA = 2,5 cm * 5 cm

A = 12,5 cm2

Realizamos una igualación de las dos áreas para obtener el radio de nuestra circunferencia.

A = Ao12,5 cm2 = π * r2

12,5 cm2 /π = r2

3,978 cm2 = r2

1,99 cm = r

Wi = 0,25 (Do)H= 0,5 (Do)

El radio encontrado se lo aproxima a 2 y se comprueba si corresponde a la misma área que debe tener el ducto de entrada. Como se aprecia en los cálculos siguientes se aproxima al área y por lo tanto se adopta la modificación.

Ao = π*(2 cm)2

Ao = 12,57 cm2

El diámetro del ducto de salida fue modificado debido a que se desea aumentar la eficiencia por lo tanto y teniendo en cuenta referencia bibliográfica se opta por disminuir el diámetro de 3 cm con el fin de evitar la posible salida de partículas que se puedan re suspender.

Descripción de los componentes del ciclón

El ciclón para la remoción de partículas está conformado por las siguientes partes:

La entrada de gas con el material particulado (10 micrómetros): conectada tangencialmente en la parte superior del cuerpo cilíndrico o barril del ciclón.

Barril y cono: cumple la función de imprimir al gas un movimiento en espiral descendente, conectado al barril hay un cono invertido que cumple la función de conducir el polvo separado hacia el tubo de descarga, de longitud variable, también denominado cola o pierna del ciclón.En la base del cono invertido se produce la inversión del flujo de gas, de modo que el gas comienza allí una espiral en forma ascendente, concéntrica a la espiral descendente, saliendo el gas limpio por el conducto superior de salida.

Tanque de almacenamiento: Los polvos separados son descargados en la pierna del ciclón y esta unidad tiene la finalidad de almacenarlos hasta una posible recolección.

Conducto de salida: este conducto conduce el gas sin partículas o el gas limpio que se ha obtenido a partir de la remoción de las partículas y es en este punto donde se mide la eficiencia del dispositivo diseñado.

Funcionamiento y sus principios

El gas con las partículas ingresa por el conducto de entrada del ciclón a una velocidad determinada. Este ducto se encuentra ubicado de forma tangencial al cuerpo del ciclón donde el gas entra al barril y comienza el movimiento en espiral descendente, Las partículas transportadas por el gas debido a su inercia, se mueven alejándose del centro de rotación o eje del ciclón, por acción de las líneas de fuerza del campo centrífugo, alcanzando las paredes internas del barril del ciclón, donde pierden cantidad de movimiento y se deslizan por la pared del barril hacia el cono y desde allí a la pierna del ciclón.

El gas en su movimiento descendente va despojándose de las partículas sólidas y al llegar a la base del cono, invierte el flujo, siguiendo una espiral ascendente ya libre prácticamente de partículas.

Montaje de la unidad y ensayo

Para el montaje de la unidad de ciclón se utilizó 2 tubos uno de 1 metro de 2 cm y el otro de 3 cm de diámetro, botellas, codos y bases de madera además se utilizara un mecanismo de succión logrado a partir de una aspiradora.

Imágenes del montaje

También se procedió a realizar el tamizaje de las partículas que se consideran que tienen ese tamaño de partículas de 10 micrómetros, para lo cual se realizó una consulta bibliográfica. A partir de lo anterior se determinaron los siguientes materiales a tamizar como el cemento obtenido a partir de la actividad de lijado de suelos que se realizaba por parte de ayudantes de obras de construcción en la sede de la universidad mariana, también se obtuvo a partir de esta misma actividad partículas de estuco y finalmente se tuvo en cuenta un suelo con altos contenidos de limos y arcillas.

Los resultados obtenidos a través del proceso demuestran una elevada eficiencia lo cual se debe a las modificaciones que se han realizado como la reducción del diámetro del conducto de

salida así como también la adecuación que se ejecutó de la introducción de una manguera en forma de espiral con el fin de que esta rociara agua y las partículas

que lograran ascender queden encapsuladas en las gotas de agua esparcidas de esta forma sean precipitadas al tanque de almacenamiento.

En un inicio se pesó la cantidad de partículas con las que se iniciara el proceso que fue de ---------, luego se las albergo en un recipiente que conecta al ducto de entrada, con el peso obtenido y el volumen del recipiente se obtuvo la concentración que es la siguiente.

Co= MASAVOLUMEN

Co=❑

Co=¿

Obtenida nuestra concentración inicial se la evaluara con la concentración final que se obtendrá al culminar el proceso. Pero para esto como el tanque de almacenamiento también obtendrá agua este será sometido a calor y para ello la recolección se la albergara en el horno hasta que toda el agua sea evaporada y se pueda realizar el cálculo.

Cf= MASAVOLUMEN

Cf=❑

Cf=¿

Teniendo en cuenta tanto la concentración inicial y final se realizara el análisis de remoción que se ha obtenido partiendo de la siguiente formula:

%R=Co−CfCo

∗100

%R=−¿❑ ∗100 ¿

%R=¿

Obtenido el porcentaje de remoción se puede apreciar que para el control de partículas de pm10 se obtiene una elevada eficiencia por lo cual este tipo de sistemas representan una solución efectiva que se pueden emplear en una industria en la cual se liberen a la atmosfera una elevada concentración de partículas y con lo cual se evitaría daños medio ambientales pos sus emisiones a la atmosfera así como también minimizar las posibles enfermedades respiratorias causadas por estas partículas.

DISCUSIÓN

CONCLUCIONES

A partir del estudio de caso se concluye que la eficiencia presentada por la unidad de ciclón es elevada para el control de partículas obteniendo unas remociones óptimas lo cual permite la utilización de estos sistemas en industrias.

También que la aplicación de modificaciones conlleva al mejorar el sistema y por ende la capacidad de remoción.