Un depurador venturi está diseñado para utilizar eficazmente la energía de una corriente de gas de entrada de alta velocidad para atomizar el líquido que se utiliza para depurar la corriente de gas. Este tipo de tecnología es parte del grupo de controles de contaminación del aire denominados colectivamente depuradores húmedos .
Venturis se puede usar para recolectar contaminantes tanto en partículas como gaseosos, pero aunque el área de superficie líquida proporcionada es bastante grande, son más efectivos para eliminar partículas, ya que las partículas pueden quedar atrapadas por contacto, pero los gases deben quedar atrapados por absorción durante el tiempo de exposición relativamente corto. .
Los dispositivos Venturi también se han utilizado durante más de 100 años para medir el flujo de fluidos (los tubos Venturi derivaron su nombre de Giovanni Battista Venturi , un físico italiano). A finales de la década de 1940, HF Johnstone [1] , William Jones, [2] y otros investigadores descubrieron que podían utilizar eficazmente la configuración venturi para eliminar partículas de las corrientes de gas. La Figura 1 ilustra la configuración venturi clásica. [3]
Operación
Un depurador venturi consta de tres secciones: una sección convergente, una sección de garganta y una sección divergente. La corriente de gas de entrada entra en la sección convergente y, a medida que disminuye el área, aumenta la velocidad del gas. El líquido se introduce en la garganta o en la entrada de la sección convergente. El gas de entrada, obligado a moverse a velocidades extremadamente altas en la pequeña sección de la garganta, se mezcla turbulentamente con el líquido, produciendo una enorme cantidad de gotitas muy diminutas. La eliminación de partículas y gas se produce en la sección divergente a medida que la corriente de gas de entrada se mezcla con la niebla de pequeñas gotas de líquido. La corriente de entrada luego sale a través de la sección divergente, donde se ve obligada a reducir la velocidad.
Si se introduce líquido por encima de la sección convergente y recubre las paredes hasta la garganta, entonces se describe que el venturi tiene una "pared húmeda" o "garganta húmeda" como se ve en la Figura 2 . Este método permite que las partículas en la corriente que pueden ser propensas a apelmazarse sobre las superficies se eliminen por lavado y reduce la abrasión mecánica de las partículas que golpean la garganta a alta velocidad. Es muy eficaz para manipular gases de entrada secos y calientes que contienen polvo o partículas abrasivas o corrosivas, como los gases de hornos o hornos.
La humectación de la garganta se puede lograr con un rociador dirigido a las paredes o con un vertedero que rodee la sección convergente por la que fluye el agua. Este método solo se puede utilizar en la fuente de inyección de líquido, ya que el gas de alta velocidad cortará las gotas de las paredes. También se puede introducir líquido mediante boquillas de pulverización directamente en la corriente de gas y, para velocidades de flujo de gas bajas, esto puede proporcionar una operación más eficiente; se pueden emplear uno o ambos métodos, dependiendo de la aplicación.
Los venturis simples tienen áreas de garganta fijas y, por lo tanto, solo funcionarán de manera eficiente en un cierto rango de tasas de flujo. Los venturis de garganta ajustable permiten mantener la eficiencia en un rango mucho mayor de flujos cambiando el tamaño de la garganta de acuerdo con el caudal de gas. Se encontró que ciertos tipos de orificios (áreas de garganta) que crean más turbulencia que un venturi verdadero son igualmente eficientes para una unidad dada de energía consumida y los resultados de estos hallazgos llevaron al desarrollo del orificio anular o garganta ajustable, lavador venturi ( Figura 5 ). [3] El tamaño del área de la garganta se varía moviendo un émbolo, o un disco ajustable, hacia arriba o hacia abajo en la garganta, disminuyendo o aumentando así la abertura anular. El gas fluye a través de la abertura anular y atomiza el líquido que se rocía sobre el émbolo o se hace girar desde la parte superior.
Los venturis de garganta húmeda con gargantas redondas ( Figuras 2 y 3 ) pueden manejar flujos de entrada tan grandes como 88,000 m 3 / h (40,000 cfm) ( Brady y Legatski 1977 ). Con caudales de entrada superiores a este, es difícil lograr una distribución uniforme del líquido, a menos que se utilicen vertederos o deflectores adicionales. Para manejar grandes flujos de entrada, se han utilizado depuradores diseñados con gargantas largas, estrechas y rectangulares ( Figura 4 ). [3] El venturi de garganta rectangular a menudo se construye para ser ajustable mediante la introducción de placas móviles o solapas en la garganta, como se muestra en la Figura 6 . Se usa un rociador de lavado con agua para lavar continuamente el material recolectado de la placa.
Otra modificación se puede ver en el depurador venturi-rod o de cubierta de varilla. Al colocar varios tubos paralelos entre sí, se puede crear una serie de aberturas venturi longitudinales como se muestra en la Figura 7 . [3] El área entre las varillas adyacentes es una pequeña garganta venturi. Los rociadores de agua ayudan a prevenir la acumulación de sólidos. La atomización principal del líquido ocurre en las varillas, donde el gas de alta velocidad que se mueve a través de los espacios crea las pequeñas gotas necesarias para la recolección de partículas finas. Este método puede producir densidades de gotas de agua muy altas en la corriente de gas debido a un perímetro de garganta muy alto en comparación con otros tipos. Estas varillas deben estar hechas de material resistente a la abrasión debido a las altas velocidades presentes.
Todos los depuradores venturi requieren un separador de arrastre porque la alta velocidad del gas a través del depurador tendrá una tendencia a arrastrar las gotas con la corriente de gas limpio de salida. Los separadores ciclónicos , de malla y de cuchilla se utilizan para eliminar las gotas de líquido del gas de combustión y devolver el líquido al agua del depurador.
Depurador venturi eyector
Un depurador venturi eyector cambia la fuente de energía de mezcla de la corriente de gas al líquido depurador. En esta configuración, el líquido se puede rociar a una velocidad y volumen lo suficientemente altos como para extraer el gas de proceso a través del dispositivo sin ayuda externa.
Recolección de partículas
El líquido atomizado proporciona una enorme cantidad de pequeñas gotas sobre las que impactan las partículas de polvo. Estas gotitas de líquido que incorporan las partículas deben eliminarse de la corriente de salida del depurador, generalmente mediante separadores ciclónicos .
La eficiencia de eliminación de partículas aumenta al aumentar la caída de presión debido al aumento de la turbulencia debido a la alta velocidad del gas en la garganta. Venturis se puede operar con caídas de presión que van desde 12 milibares a 250 milibares.
La mayoría de los venturis normalmente operan con caídas de presión en el rango de 50 a 150 cm (20 a 60 pulgadas) de agua. Con estas caídas de presión , la velocidad del gas en la sección de la garganta suele estar entre 30 y 120 m / s (100 a 400 pies / s), o aproximadamente 270 mph en el extremo superior. Estas altas caídas de presión dan como resultado altos costos operativos.
La tasa de inyección de líquido, o la relación de líquido a gas (L / G), también afecta la recolección de partículas. Debe inyectarse la cantidad adecuada de líquido para proporcionar una cobertura de líquido adecuada sobre el área de la garganta y compensar las pérdidas por evaporación. Si no hay suficiente líquido, entonces no habrá suficientes objetivos líquidos para proporcionar la eficiencia de captura requerida.
La mayoría de los sistemas venturi funcionan con una relación L / G de 0,4 a 1,3 l / m 3 (3 a 10 galones / 1000 pies 3 ) ( Brady y Legatski 1977 ). Las proporciones L / G inferiores a 0,4 l / m 3 (3 gal / 1000 pies 3 ) generalmente no son suficientes para cubrir la garganta, y agregar más de 1,3 l / m 3 (10 gal / 1000 pies 3 ) generalmente no mejora significativamente eficiencia de recolección de partículas.
Recolección de gas
Los depuradores Venturi se pueden utilizar para eliminar contaminantes gaseosos; sin embargo, no se utilizan cuando la única preocupación es la eliminación de contaminantes gaseosos.
Las altas velocidades del gas de entrada en un lavador venturi dan como resultado un tiempo de contacto muy corto entre las fases líquida y gaseosa. Este corto tiempo de contacto limita la absorción de gas . Sin embargo, debido a que los venturis tienen un diseño relativamente abierto en comparación con otros depuradores, siguen siendo muy útiles para la eliminación simultánea de contaminantes gaseosos y particulados , especialmente cuando:
- El escalado podría ser un problema
- Hay una alta concentración de polvo en la corriente de entrada.
- El polvo es pegajoso o tiene tendencia a tapar las aberturas.
- El contaminante gaseoso es muy soluble o químicamente reactivo con el líquido.
Para maximizar la absorción de gases, los venturis están diseñados para operar en un conjunto de condiciones diferentes de las utilizadas para recolectar partículas. Las velocidades del gas son más bajas y las relaciones de líquido a gas son más altas para la absorción.
Para un diseño de venturi dado, si la velocidad del gas disminuye, la caída de presión (resistencia al flujo) también disminuirá y viceversa. Por tanto, al reducir la caída de presión , se reduce la velocidad del gas y se aumenta el tiempo de residencia correspondiente . Las relaciones de líquido a gas para estas aplicaciones de absorción de gas son aproximadamente de 2,7 a 5,3 l / m 3 (20 a 40 gal / 1000 pies 3 ). La reducción de la velocidad del gas permite un mayor tiempo de contacto entre fases y una mejor absorción .
El aumento de la relación de líquido a gas aumentará la solubilidad potencial del contaminante en el líquido. Esta es la razón por la que el lavador venturi eyector se usa a menudo en su lugar para este propósito, aunque otros factores aún pueden resultar en la elección de un lavador venturi típico.
Aunque son capaces de algún control incidental de compuestos orgánicos volátiles (COV), generalmente los depuradores venturi se limitan a controlar PM ( material particulado ) y gases reactivos o de alta solubilidad ( EPA, 1992; EPA, 1996 ). [4]
Consideraciones de mantenimiento
El principal problema de mantenimiento de los depuradores venturi es el desgaste o la abrasión de la carcasa del depurador debido a las altas velocidades del gas. Las velocidades del gas en la garganta pueden alcanzar velocidades de 430 km / h (270 mph). Las partículas y las gotas de líquido que viajan a estas velocidades pueden erosionar rápidamente la cubierta del depurador.
La abrasión se puede reducir revistiendo la garganta con ladrillo de carburo de silicio o colocándolo con un revestimiento reemplazable. La abrasión también puede ocurrir aguas abajo de la sección de la garganta. Para reducir la abrasión aquí, el codo en la parte inferior del lavador (que conduce al separador) se puede inundar (es decir, llenar con un charco de líquido de fregado). Las partículas y las gotas impactan en el charco de líquido, lo que reduce el desgaste de la carcasa del depurador.
Una técnica común para ayudar a reducir la abrasión es usar un prefiltro (es decir, aerosoles de enfriamiento o ciclón ) para eliminar las partículas más grandes y más dañinas. Esto también tiene el beneficio adicional de reducir la carga de partículas transportada por el líquido.
El método de inyección de líquido en la garganta venturi también puede causar problemas. Las boquillas de pulverización se utilizan para la distribución de líquidos porque son más eficientes (tienen un patrón de pulverización más eficaz) para la inyección de líquidos que los vertederos. Sin embargo, las boquillas de rociado se pueden tapar fácilmente cuando se recircula el líquido. Se pueden utilizar escariadores automáticos o manuales para corregir este problema. Sin embargo, cuando se recirculan suspensiones líquidas pesadas (ya sean viscosas o cargadas de partículas), a menudo es necesaria la inyección en vertedero abierto.
Resumen
Los depuradores Venturi pueden tener las mayores eficiencias de recolección de partículas (especialmente para partículas muy pequeñas) de cualquier sistema de depuración húmedo .
Son los depuradores más utilizados porque su construcción abierta les permite eliminar la mayoría de las partículas sin taponarse ni quemarse. Venturis también se puede utilizar para absorber gases contaminantes; sin embargo, no son tan eficientes para esto como las torres empaquetadas o de placas .
Los depuradores Venturi han sido diseñados para recolectar partículas con una eficiencia de recolección muy alta, a veces superior al 99%. La capacidad de los venturis para manejar grandes volúmenes de entrada a altas temperaturas los hace muy atractivos para muchas industrias; en consecuencia, se utilizan para reducir las emisiones de partículas en una serie de aplicaciones industriales. Esta capacidad es particularmente deseable para la reducción de emisiones de los hornos de cemento y para el control de las emisiones de los hornos de oxígeno básico en la industria del acero, donde el gas de entrada ingresa al depurador a temperaturas superiores a 350 ° C (660 ° F).
Los Venturis también se utilizan para controlar las emisiones de cenizas volantes y dióxido de azufre de las calderas industriales y de servicios públicos .
Las características operativas de los depuradores venturi se enumeran en la Tabla 1 . [3]
Tabla 1. Características de funcionamiento de los depuradores venturi | |||||
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Contaminante | Caída de presión (Δp) | Relación líquido-gas (L / G) | Presión de entrada de líquido (p L ) | Eficiencia de eliminación | |
Gases | 13 a 250 cm de agua (5 a 100 pulgadas de agua) | 2,7-5,3 l / m 3 (20-40 gal / 1000 pies 3 ) | <7-100 kPa (<1-15 psig) | 30-60% por venturi, dependiendo de la solubilidad del contaminante | |
Partículas | 50 a 250 cm de agua (50 a 150 cm de agua es común) 20 a 100 pulgadas de agua (20 a 60 pulgadas de agua es común) | 0,67-1,34 l / m 3 (5-10 galones / 1000 pies 3 ) | 90-99% es típico |
Ver también
- Depurador venturi eyector
- Efecto venturi
Bibliografía
- Anderson 2000 Company. Equipo de fregado venturi. Manual de ingeniería con instrucciones de operación y mantenimiento. Atlanta: Compañía Anderson.
- Bethea, RM 1978. Tecnología de control de la contaminación del aire. Nueva York: Van Nostrand Reinhold.
- Brady, JD y LK Legatski. 1977. Depuradores Venturi. En PN Cheremisinoff y RA Young (Eds.), Air Pollution Control and Design Handbook. Parte 2. Nueva York: Marcel Dekker.
- Buonicore, AJ 1982. Depuradores húmedos. En L. Theodore y AJ Buonicore (Eds.), Equipos de control de la contaminación del aire, diseño, selección, operación y mantenimiento. Acantilados de Englewood: Prentice-Hall.
- Calvert, S. 1977. Cómo elegir un depurador de partículas. Ingeniería Química. 84: 133-140.
- Johnstone, HF y MH Roberts. 1949. Deposición de partículas de aerosol de corrientes de gas en movimiento. Química Industrial y de Ingeniería. 41: 2417-2423.
- Kelly, JW 1978, 4 de diciembre. Mantenimiento de los depuradores de bandeja venturi. Ingeniería Química.
- Compañía McIlvaine. 1974. The Wet Scrubber Handbook. Northbrook, IL: Compañía McIlvaine.
- Richards, JR 1995. Control de emisiones de partículas (Curso APTI 413). Agencia de Protección Ambiental de EE . UU .
- Richards, JR 1995. Control de emisiones gaseosas. (Curso APTI 415). Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos.
Referencias
- ^ Johnstone, HF; Roberts, MN (1 de noviembre de 1949). "Deposición de partículas de aerosol de corrientes de gas en movimiento". Química industrial y de ingeniería . 41 (11): 2417–2423. doi : 10.1021 / ie50479a019 . ISSN 0019-7866 .
- ^ Jones, William P. (5 de noviembre de 1949). "Desarrollo del Lavador Venturi". Química industrial y de ingeniería . 41 (11): 2424–2427. doi : 10.1021 / ie50479a020 . ISSN 0019-7866 .
- ^ a b c d e Curso SI 412C: Lección 3 Instituto de Capacitación en Contaminación del Aire de la EPA de EE. UU. en colaboración con la Universidad Estatal de Carolina del Norte , Facultad de Ingeniería (NCSU)
- ^ Centro de tecnología de aire limpio de la EPA de EE. UU.
enlaces externos
- Cursos de capacitación sobre contaminación del aire (del sitio web del Instituto de capacitación sobre contaminación del aire de la EPA de EE. UU.)