Disposición de un efluente gaseoso (con diagrama)
Disposición de un efluente gaseoso!
Una corriente de efluente gaseoso generada en una unidad industrial debe descargarse finalmente a la atmósfera. Antes de su descarga, debe tratarse adecuadamente para reducir la concentración de los contaminantes (tanto particulados como gaseosos) a sus límites permisibles. La descarga / eliminación se realiza a través de una pila.
Una pila o una chimenea es un conducto vertical cilíndrico o rectangular. Cuando se descarga una corriente gaseosa a través de una pila, los contaminantes presentes en la corriente se dispersan en la atmósfera. Una pila no puede disminuir los contaminantes presentes, pero libera el contaminante a una altura adecuada para que cuando los contaminantes se difundan de nuevo a la superficie de la tierra, su concentración esté por debajo del límite permitido de cada contaminante, incluso en las condiciones climáticas más desfavorables.
Cuando una corriente de gas sale de una pila, fluye hacia arriba hasta cierta altura debido a su energía cinética y flotabilidad antes de que el viento la arrastre en dirección horizontal. Los contaminantes presentes en la corriente de gas (después de salir de la pila) se dispersan en las direcciones horizontal y vertical debido a la difusión molecular y eddy. En la Fig. 4.18 se esboza la efluencia de una corriente de gas desde la pila y el perfil de la pluma resultante en condiciones ideales.
Perfil de la pluma real:
El perfil de la pluma real a favor del viento depende del gradiente de temperatura en la troposfera, la velocidad del viento y la topografía en la vecindad inmediata de una pila. El gradiente de temperatura troposférica depende de la intensidad de la radiación solar entrante durante el día y del grado de cubierta de nubes durante la noche.
La dispersión de los contaminantes en una pluma depende del movimiento de aire vertical resultante del gradiente de temperatura troposférica y también de la velocidad del viento predominante. Sobre la base de los factores mencionados anteriormente, la condición atmosférica se ha clasificado en diferentes clases de estabilidad. En la Tabla 4.15 se enumeran las designaciones de estabilidad de Pasquill-Gifford.
Las figuras 4.19A - G muestran los diferentes tipos de perfil de la pluma correspondientes a las condiciones de estabilidad atmosférica.
(a) Gradiente de temperatura troposférica real en relación con el gradiente adiabático seco.
Gradiente de temperatura adiabática, ———–
Gradiente de temperatura real, ————-
(b) Perfil de la pluma
T = temperatura. U = velocidad del viento
Z = altitud
Enfoque de diseño de pila:
Se ha mencionado en la Sección 4.8 que se utiliza una pila para descargar una corriente de gas residual a una altura adecuada del suelo. Una vez descargados, los componentes (incluidos los contaminantes, si los hay) del gas residual se dispersan. Algunas porciones de esos se difunden de nuevo a la superficie de la tierra.
Para diseñar una pila, uno tiene que encontrar su altura H s, de modo que la concentración de los contaminantes, que se han difundido al nivel del suelo, no sea mayor que sus límites permisibles respectivos incluso en las peores condiciones atmosféricas. También es necesario estimar el área de la sección transversal de una pila de modo que la presión en la base de la pila sea suficiente para superar la resistencia al flujo de la corriente de gas a través de la pila.
Estimación de la altura de la pila:
La altura de la pila puede estimarse utilizando algunas relaciones empíricas o utilizando un enfoque semi-empírico. Las relaciones empíricas no tienen en cuenta las condiciones climáticas, mientras que el enfoque semi-empírico tiene en cuenta el aumento de la pluma, la velocidad del viento y las condiciones meteorológicas. No hace falta decir que el segundo enfoque da una mejor estimación de la altura de la pila.
Enfoque empírico:
Las ecuaciones empíricas enumeradas a continuación pueden usarse para estimar la altura de la pila:
Si los H s calculados están utilizando la ec. (4.64e) o (4.64f) sean más de 30 m, entonces se debe aceptar la altura de pila calculada.
Enfoque semi-empírico:
En este enfoque, la altura de la pila se estima a través de los siguientes pasos:
Paso-I:
Se supone una altura de pila, H s . La altura supuesta puede ser la calculada utilizando el enfoque empírico descrito en la Sección 4.8.2.2.
Paso II:
El aumento de la pluma, ∆H, se calcula utilizando una ecuación semi-empírica adecuada. Algunas de las ecuaciones reportadas en la literatura se enumeran en la Sección 4.8.2.5. Estas ecuaciones se basan en la conjetura de que el aumento de la columna está influenciado por dos factores, a saber:
(i) Momento del flujo de emisión de la pila, y
(ii) La flotabilidad de la corriente resultante de la diferencia en la densidad del gas de chimenea y la del aire ambiente a la altura de la pila física. Las correlaciones propuestas por los diferentes autores se basan en los datos disponibles para ellos. Algunos autores han tomado en consideración el criterio de estabilidad climática mientras desarrollan sus correlaciones.
Step-Ill:
La altura de pila efectiva H se toma como
Paso IV:
Usando la ec. (4.67) y la H e estimada, la concentración máxima de cada uno de los diferentes contaminantes (presentes en la corriente de gas del efluente) a nivel del suelo se estima correspondiente a las diferentes designaciones de estabilidad atmosférica. Si esos están dentro de sus respectivos límites permisibles, entonces los H supuestos se aceptan como la altura de pila real. Si no es así, entonces, en función de un valor de H s más alto que el supuesto anterior basado en los Pasos II, III y IV, se repiten hasta que se encuentre un H s aceptable que satisfaga el criterio especificado en el Paso IV.
Perfil de concentración de contaminantes en una pluma:
Sobre la base de las siguientes suposiciones, se ha desarrollado una ecuación que expresa el perfil de concentración de contaminante en una pluma que resulta de una fuente puntual continua en condiciones de estado estable.
y (iii) el perfil de concentración en cualquier ubicación a favor del viento (x, y, z) sigue la curva de distribución de probabilidad normalizada de Gauss en las direcciones K y Z.
Sobre la base de los supuestos mencionados anteriormente, la ecuación derivada que representa el perfil de concentración es
donde C x, y, z = concentración de un contaminante en una ubicación que tiene las coordenadas x, y & z,
Q = masa del contaminante específico emitido por unidad de tiempo,
U = velocidad del viento en altura H e,
σ y = desviación estándar del coeficiente de dispersión en la dirección y,
y σ Z. = desviación estándar del coeficiente de dispersión en la dirección z.
Los valores numéricos de σ v y σ z dependen de la condición meteorológica, la velocidad del viento y la distancia de una ubicación desde la base de la pila en la dirección horizontal a favor del viento, es decir, la coordenada X.
en la ec. (4.66) representa una mayor concentración de contaminación debido a la reflexión del suelo.
La concentración de cualquier contaminante en cualquier X sería la máxima en la línea central de la pluma correspondiente a y = 0 y Z = H e, en "condición neutra". La expresión para la concentración a nivel del suelo de cualquier contaminante debajo de la línea central del penacho sería
Ese
es decir, si su relación es independiente de X, entonces la concentración máxima a nivel del suelo de cualquier contaminante específico se puede expresar como
donde X max es la distancia desde la base de la pila en la dirección a favor del viento en la que la concentración de contaminante sería la máxima a nivel del suelo.
De ello se deduce que en ese mismo lugar, es decir, en X max
Las gráficas de los valores estimados empíricamente de σ y y σ z correspondientes a las diferentes designaciones de estabilidad cualitativa como parámetros se muestran en la Fig. 4.20 A y 4.20 B, respectivamente.
Denominaciones de estabilidad Pasquill-Gifford:
A: extremadamente inestable
B: moderadamente inestable
C: Ligeramente inestable
D: Neutral
E: Ligeramente estable
F: Moderadamente estable.
Siguiendo este enfoque σ z, x max es la estimación utilizando la ecuación. (4.70) basado en el valor ya calculado de H e Eq. (4.65). Correspondiendo al σz X max estimado y una categoría de estabilidad asumida, X se lee de la Fig. 4.20B. A continuación de la Fig. 4.20A se leen y a correspondientes a la X (leída anteriormente en la Fig. 4.20B) y la categoría de estabilidad asumida anteriormente. Usando los valores estimados de o y σ y, σ z, C X max,, 0, 0 Se calcula para cada contaminante utilizando la ec. (4.69).
La CX máx calculada para cada contaminante debe compararse con su límite permisible. Si la CX máx calculada de ninguno de los contaminantes excede su límite, entonces el procedimiento descrito anteriormente se debe repetir para cada una de las otras categorías de estabilidad. En caso de que la CX máx calculada para cualquier contaminante exceda su límite para cualquier categoría de estabilidad, los pasos II, III y IV enumerados anteriormente deben repetirse asumiendo un valor de H s mayor que el supuesto anteriormente hasta que se llegue a una solución satisfactoria.
Haciendo referencia a las Figs. 4.20A y 4.20B debe señalarse que la correlación entre σ y y X puede estar razonablemente bien representada por la relación σ v = σ y X b, pero entre o. y X no coincide con la correlación σ z = a z X b
Una mejor correlación tendría la forma.
Se ha encontrado que los valores numéricos de a ' y a' z m y n dependen de la designación de estabilidad atmosférica. Varias estimaciones de a ' y a' z m y n han sido reportadas en la literatura. Una de estas estimaciones se da en la Tabla 4.16.
Un mejor procedimiento de estimación de la altura de la pila sería seguir los pasos enumerados en la Sección 4.8.2.3 junto con la Ec. (4.73) en lugar de usar la ec. (4.69).
Plume Rise Correlations:
Diferentes investigadores han intentado correlacionar el aumento de la pluma (AH) con las variables pertinentes. Algunos de ellos se enumeran a continuación.
1. La ecuación de Holanda es posiblemente la primera y es simple.
donde ∆H = aumento de la pluma, (m)
U = velocidad del viento, (m / s)
U s = velocidad del gas de la chimenea en la salida de la pila, (m / s)
D s = diámetro de la pila en la salida, (m)
P = apilar la presión del gas en la salida, (kPa)
T s = apilar la temperatura del gas en la salida, (K)
T a = temperatura del aire ambiente a la altura física de la pila, (K)
Como esta ecuación no tiene en cuenta la condición de estabilidad atmosférica, Holanda ha sugerido que la AH estimada se debe multiplicar por un factor de 1.1 a. 1.2 para condiciones inestables y de 0.8 a 0.9 para condiciones estables. Estudios posteriores han demostrado que la ecuación de Holland proporciona una estimación bastante conservadora de AH por un factor de 2 a 3.
2. Moses y Carson han propuesto ecuaciones que dependen de los criterios de estabilidad que se indican a continuación:
3. El grupo de tareas de ASME ha recomendado dos ecuaciones. Para condiciones inestables y neutrales, la ecuación recomendada es:
Estimación de la zona transversal / diámetro de la pila y la caída de presión de la pila:
El caudal volumétrico del gas de chimenea se puede expresar como
dónde
D s = diámetro promedio de la pila, m.
Suponiendo una velocidad adecuada de gas de chimenea en el rango de 10-15 m / s, el área / diámetro de la sección transversal de la pila se puede estimar utilizando la ecuación. (4.77).
Una vez que se conocen la velocidad del gas de pila (U s ), el diámetro de pila (D S ) y la altura de pila, la caída de presión de pila / presión base de pila se puede calcular utilizando una ecuación de Bernoulli (balance de energía) modificada como se indica a continuación:
Ejemplo 4.5:
Se diseñará una pila para un horno de carbón en el que se quemarán 500 T de carbón con un 2% de azufre, un 20% de ceniza y el resto del carbono.
La siguiente información / datos pueden usarse para propósitos de diseño:
Solución:
Estimación de la altura de la pila (H s ):
(i) Se obtiene una estimación preliminar de la altura de la pila según el enfoque empírico Eq. (4.64e)
(ii) Se obtiene una estimación preliminar de la altura de pila efectiva H e utilizando la ecuación. (4.65)
H e = H s + ∆H
El aumento de la pluma (∆H) se calcula utilizando la ecuación de Holanda, Eq. (4.74).
(iii) La concentración máxima de SO 2 a nivel del suelo se debe calcular utilizando la ecuación. (4.73)
a'y, a ' z, myn deben leerse en la Tabla 4.16 correspondiente a una designación de estabilidad Pasquill-Gifford que probablemente resulte en el valor máximo de la concentración de S0 2 a nivel del suelo. Al escanear las Tablas 4.15 y 4.16 correspondientes a la velocidad del viento U = 4 m / s, parece que la designación de estabilidad D de Pasquill-Gifford resultaría en una concentración máxima de S0 2 . Los valores de a ' z, a' y m y n leídos en la Tabla 4.16 son
Por lo tanto, la altura de pila que resultaría en una concentración de S0 2 a nivel del suelo cercana a 80 µg / m 3 es
H s = H e - ∆H = 200 - 31 = 169 m.
Diámetro de la pila, D s = 3, 06 m.
Deposición de polvo de la pluma
Las partículas de polvo, que se emiten a través de una pila, se dispersan como los contaminantes gaseosos. Pero las partículas que son más grandes en tamaño y más densas que el gas / aire de la pila, comienzan a asentarse inmediatamente después de la emisión debido a la fuerza gravitacional. Las partículas finalmente alcanzan sus respectivas velocidades terminales. La velocidad terminal de una partícula que tiene un diámetro dpi se puede expresar como
donde U t, dpi = velocidad terminal de partículas con un diámetro dpi y densidad p p, m / s
g = aceleración debida a la gravedad, m / (s 2 )
ppp = diámetro de partícula (m)
p a = densidad del aire ambiente kg / (m 3 )
p p = densidad de partículas kg / (m 3 )
C D = coeficiente de arrastre
Suponiendo que las partículas de polvo sean C D esféricas se pueden evaluar utilizando cualquiera de las siguientes relaciones según el número de Reynolds de partículas;
Las partículas de polvo finalmente se depositan en el suelo. Partículas relativamente más grandes se depositan a lo largo del eje de la pluma mientras que las partículas más finas se depositan a su alrededor. Dado que la dirección del viento y su velocidad cambian de vez en cuando, la orientación de la columna cambia en consecuencia.
Por lo tanto, la tasa de deposición de polvo promedio en el tiempo se estima en diferentes ubicaciones en función de X, la distancia a favor del viento desde la base de la pila. Según Bosanquet et al. la tasa de deposición en un punto P a una distancia X de la base de la pila puede expresarse como
F = una función de U, dpi / U y X / H e (como se muestra en la Fig. 4.21)
H e = altura de pila equivalente.
La tasa de deposición de polvo en el punto P en el plano axial de la pluma se puede calcular utilizando la ecuación. (4.82)
La tasa de deposición total de todas las partículas que tienen diferentes tamaños se puede estimar sumando las tasas de las partículas individuales como se muestra a continuación:
