UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ

CURSO DE INGENIERÍA AMBIENTAL

DESCRIPCIÓN En este curso se ofrecen tópicos de ecología y ecosistemas, contaminación de agua y aire, residuos, y ruido. Reciclaje de

residuos sólidos, recursos energéticos. Tecnología para el control de la contaminación de aguas, aire y residuos. Legislación y

evaluación de impacto ambiental.

CAPÍTULO 2

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

LA ATMÓSFERA Y SUS CONSTITUYENTES

La atmósfera es una mezcla de gases con numerosas partículas en suspensión, unas sólidas y otras líquidas.

En la atmósfera puede haber agua en forma de gas (vapor), sólido y/o líquido.

En la atmósfera hay un gran número de partículas muy pequeñas (10-1 a 10-3 um), formando gases llamados aerosoles. Esas partículas se convierten en núcleos de condensación del vapor de agua, formando nubes, lluvia, nieve, etc.

1. COMPOSICIÓN Y ESTADO FÍSICO

Composición Química del Aire Seco

LA ATMÓSFERA Y SUS CONSTITUYENTES

La atmósfera está compuesta por 4 capas térmicas:

1. Troposfera: (Los primeros 10 a 17 km snm)

2. Estratosfera: (50 a 55 km snm)

3. Mesosfera: (80 a 90 km snm)

4. Termosfera: (…)

2. ESTADO TÉRMICO

LA ATMÓSFERA Y SUS CONSTITUYENTES

TROPOSFERA

Región de la atmósfera en contacto con la superficie terrestre, cuyo espesor es aproximadamente 10 a 17 km (polos y ecuador) sobre el mar. La temperatura disminuye con la altitud a un ritmo de 5 K/km. La convección vertical mantiene el aire relativamente bien mezclado. Contiene casi todo el vapor de agua y las nubes. Esta limitada por la tropopausa.

CAPAS DE LA ATMÓSFERA

LA ATMÓSFERA Y SUS CONSTITUYENTES CAPAS DE LA ATMÓSFERA

ESTRATOSFERA

Se extiende desde la tropopausa hasta 50 a 55 Km de altura.

La temperatura es aproximadamente constante en la baja

estratosfera y aumenta después con la altitud debido a la

absorción de radiación ultravioleta por el O2 y O3. En la

estratopausa (parte superior de la estratosfera), la

temperatura alcanza 270° K. Hay poca mezcla vertical en la

estratosfera. Contiene la mayoría del O3.

LA ATMÓSFERA Y SUS CONSTITUYENTES CAPAS DE LA ATMÓSFERA

MESOSFERA Se extiende desde la estratopausa hasta 80 a 90 km snm (mesopausa). La temperatura disminuye con la altitud hasta alcanzar 175 K.

TERMOSFERA

Es la capa superior de la atmósfera. La temperatura

aumenta de forma indefinida a medida que se

asciende.

LA ATMÓSFERA Y SUS CONSTITUYENTES CAPAS DE LA ATMÓSFERA

CAPA LÍMITE PLANETARIA Hasta 1000 m por arriba de la superficie terrestre.

CAPA LÍMITE DE SUPERFICIE Hasta 50 m por arriba de la superficie terrestre.

ESTRUCTURA EN CAPAS DE LA ATMÓSFERA

La mayoría de los fenómenos de contaminación atmosférica están localizados en la troposfera. El agujero de la capa de ozono se ubica en la estratosfera.

Definición de Contaminación Atmosférica

La EPA define “Contaminación del aire“ como la presencia en la atmósfera exterior de uno o más contaminantes en el aire en cantidades suficientes que, ya sea solo o en conexión con otras emisiones, debido a su concentración y duración, pueden ser perjudiciales para la vida humana, vegetal o animal, o causar daños a la propiedad o que interfiere con el disfrute de la vida y la propiedad.

Contaminantes del aire pueden ser hollín, cenizas, polvo, humos, gases, nieblas, vapores, olores, materiales tóxicos o radioactivos, partículas, o cualquier combinación de éstos, presentes en el aire.

Definición de Contaminación Atmosférica

La ASTM (American Society for Testing and Materials) define “Contaminación atmosférica“ como la presencia en la atmósfera de uno o más contaminantes (polvo, humo, gas, niebla, olor o vapor) en cantidades suficientes y de características y duración tales que suponen una amenaza para la vida humana, vegetal o animal, o que interfieren significativamente en la comodidad o disfrute de los bienes humanos.

Definición de Contaminación Atmosférica

Factores Comunes

Presencia en la atmósfera de

sustancias extrañas conocidas como contaminantes atmosféricos

Implicación de efectos negativos en

los receptores

FUENTES DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

1. TRANSPORTE (MÓVILES) a. VEHÍCULOS DE DIESEL b. VEHÍCULOS DE GASOLINA c. MOTORES FUERA DE BORDA d. BUQUES Y AVIONES 2. PROCESOS INDUSTRIALES 3. INCINERACIÓN DE RESIDUOS SÓLIDOS 4. COMBUSTIÓN FIJA (ESTACIONARIA) 5. OTRAS (NATURALES)

TRAGEDIAS Y ACCIDENTES OCASIONADOS POR LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

1873. Londres, 268 muertos. 1930. En el Valle del Meuse, ciudad de Bélgica, por tres días la

ciudad se cubrió por una espesa niebla, ocasionando 60 muertos y cientos de heridos.

1931. La ciudad de Londres quedó cubierta con una niebla de humo por 9 días, resultando en 592 muertos.

1948. En un pequeño pueblo de Pennsylvania de 14000 habitantes, ocurrió un accidente en una planta química, quedando cubierta toda la ciudad por una niebla durante cuatro días, enfermando la mitad de su población y muriendo 20 personas.

1952. Londres, del 5 al 8 de diciembre, la ciudad quedó cubierta totalmente por una nube tóxica, ocasionando 4000 muertos.

Medición de los Contaminantes Atmosféricos

Unidades de medición comunes: Partes por millón (ppm)

Porcentaje en volumen (%)

Masa/volumen de aire (μg/m3)

volumétricas

gravimétrica

Medición de los Contaminantes Atmosféricos

Partes por millón (ppm). Definición:

1 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 =1 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑝𝑝𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑑𝑑𝑣𝑣 𝑐𝑐𝑣𝑣𝑣𝑣𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣 𝑔𝑔𝑐𝑐𝑔𝑔𝑣𝑣𝑣𝑣𝑔𝑔𝑣𝑣

106 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑝𝑝𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑔𝑔 𝑑𝑑𝑣𝑣 𝑐𝑐𝑣𝑣𝑣𝑣𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣 + 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑣𝑣

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 =𝑉𝑉𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑝𝑝𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑑𝑑𝑣𝑣 𝑐𝑐𝑣𝑣𝑣𝑣𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣 𝑔𝑔𝑐𝑐𝑔𝑔𝑣𝑣𝑣𝑣𝑔𝑔𝑣𝑣

𝑉𝑉𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑝𝑝𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑐𝑐𝑣𝑣 𝑑𝑑𝑣𝑣 𝑣𝑣𝑐𝑐 𝑝𝑝𝑣𝑣𝑚𝑚𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐 𝑐𝑐𝑣𝑣𝑣𝑣𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣 + 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑎𝑎𝑣𝑣𝑥𝑥𝑥𝑥6

1 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 =

𝑣𝑣𝑐𝑐

𝑣𝑣𝑇𝑇𝑣𝑣𝑐𝑐𝑥𝑥 106

𝑣𝑣𝑐𝑐= N° de moles del contaminante 𝑣𝑣𝑇𝑇𝑣𝑣𝑐𝑐= N° de moles totales de aire + contaminante

Medición de los Contaminantes Atmosféricos

Relación entre partes por millón (ppm) y porcentaje (%):

1 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 0.0001 % 𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑝𝑝𝑣𝑣𝑣𝑣

1% 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣. = 104 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝

Medición de los Contaminantes Atmosféricos

Relación entre ppm y μg/m3:

μg/m3𝑐𝑐𝑣𝑣𝑣𝑣𝑐𝑐 = 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑐𝑐

𝑥𝑥 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑐𝑐𝑉𝑉𝑝𝑝

(103)

𝑉𝑉𝑝𝑝 =𝑉𝑉𝑣𝑣 =

𝑅𝑅𝑇𝑇𝑃𝑃

A 25 °C (298 K) y 1 atm de presión, 𝑉𝑉𝑝𝑝= 24.45 L/gmol (En condiciones diferentes, debe ser calculado)

• 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑐𝑐= Peso molecular del contaminante

• 𝑉𝑉𝑝𝑝= Volumen molar = L/gmol • 𝑉𝑉 = Volumen de contaminante • 𝑣𝑣= N𝑣mero de moles del cont. • 𝑅𝑅= Constante de gas ideal

=0.08206 atm.L/gmol.K • 𝑇𝑇= Temperatura en K • 𝑃𝑃= Presión en atm

Medición de los Contaminantes Atmosféricos

Ejemplo 1: El gas de escape de un automóvil contiene 1.5% en vol. de CO. a) ¿Cuál será la concentración de CO en mg/m3 a 25°C y 1 atm de presión? b) ¿Cuál será la concentración de CO en mg/m3 a 0°C y 1 atm de presión?

a) Vm= 24.45 1% 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣. = 𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 1.5 % 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣

1𝑥𝑥1𝑥𝑥𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝1% 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = 1.5x104 ppm CO

Conc. Masa (μg/m3) = 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑐𝑐

𝑥𝑥 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑐𝑐𝑉𝑉𝑝𝑝

(103)

Conc. Masa 𝐶𝐶𝐶𝐶 =15𝑥𝑥𝑥 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝

𝑥𝑥 28.𝑥

2𝑥.𝑥5 (103) = 17.2 x106μg/m3 [ mg/m3

1𝑥3 μg/m3]

Conc. Masa 𝐶𝐶𝐶𝐶 = 17.2 x 103 mg/m3

Medición de los Contaminantes Atmosféricos

Ejemplo 1: El gas de escape de un automóvil contiene 1.5% en vol. de CO. a) ¿Cuál será la concentración de CO en mg/m3 a 25°C y 1 atm de presión? b) ¿Cuál será la concentración de CO en mg/m3 a 0°C y 1 atm de presión?

b) 𝑉𝑉𝑝𝑝 = 𝑉𝑉𝑛𝑛

= 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑃𝑃

𝑉𝑉𝑝𝑝 = (0.08206 atm.L/gmol.K) (273 K)1 atm

= 22.4 L/gmol

Conc. Masa (μg/m3) = 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑐𝑐 𝑥𝑥 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑐𝑐

𝑉𝑉𝑝𝑝 (103)

Conc. Masa 𝐶𝐶𝐶𝐶 = 15𝑥𝑥𝑥 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑥𝑥 28.𝑥

22.𝑥 (103) = 18.75 x 106μg/m3 [ mg/m3

1𝑥3 μg/m3]

Conc. Masa 𝐶𝐶𝐶𝐶 = 18.75 x 103mg/m3

Interprete los Resultados

Medición de los Contaminantes Atmosféricos

Ejemplo 2: Se observa que la concentración de O3 en un lugar es de 148 μg/m3. ¿Excede este valor la concentración encontrada en el aire seco normal?

• En el aire seco normal, la máx. conc. de O3 es 7 x 10-6 % vol. • Vm= 24.45 (Asumiendo 25°C y 1 atm)

Conc. Masa (ppm) = μg/m3 𝑥𝑥 𝑉𝑉𝑝𝑝

𝑃𝑃𝑃𝑃 (1𝑥3)

Conc. Masa 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 1𝑥8 μg/m3 𝑥𝑥 2𝑥.𝑥5𝑥8.𝑥 (1𝑥3)

= 0.075 ppm

0.075 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 1% 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣

1𝑥𝑥 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 =7.5 x 10-6 % vol Por lo tanto, una concentración medida de O3 igual a 130 μg/m3,

equivalente a 7.5 x 10-6 % vol, excede la concentración esperada en la atmósfera seca de 7 x 10-6 % vol.

EFECTOS DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

- CO2 - SO2 - CO - NOx - HC - MP

DIÓXIDO DE CARBONO

PROCESOS DE COMBUSTIÓN EFECTO INVERNADERO

MONÓXIDO DE CARBONO

COMBUSTIÓN INCOMPLETA (poco oxígeno) • Disminuye la absorción de oxígeno de la

sangre. • Disminuye los reflejos y la percepción. • Causa inconsciencia y muerte. • Puede afectar el crecimiento fetal.

MONÓXIDO DE CARBONO Fuentes de Emisión: • Motores de combustión interna (tráfico 115 ppm) • La industria (metal, minería, mecánica, depósitos de

carga y descarga, cocinas) • Doméstico (calentadores de agua, cocinas, chimeneas y

radiadores) usando carbón, leña, butano o gas natural. • Incendios (hasta 105 ppm) • Tabaco act./pas. (400 ppm, 5 a 6% COHb en sangre) • Aerosoles domésticos/industriales y quita manchas.

MONÓXIDO DE CARBONO

MONÓXIDO DE CARBONO 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶2𝐶𝐶𝐶𝐶

= 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶

𝑃𝑃𝐶𝐶2

M= 200 a 250 𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶= Presión parcial del CO 𝑃𝑃𝐶𝐶2= Presión parcial del O2

Ejemplo 3: Estime el valor de saturación de COHb en la sangre si la concentración de CO en el aire respirado es 100 ppm y la de O2 es 21%.

1% 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = 𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 21% 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 1𝑥𝑥1𝑥𝑥 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝

1% 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = 210,000 ppm O2

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶2𝐶𝐶𝐶𝐶

= 0.1 = 10%

MONÓXIDO DE CARBONO

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶2𝐶𝐶𝐶𝐶

= 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶

𝑃𝑃𝐶𝐶2

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶2𝐶𝐶𝐶𝐶

= (210)100

210,000

HIDROCARBUROS VOLÁTILES

- COMBUSTIÓN INCOMPLETA - EVAPORACIÓN • Irritación de ojos • Tos y cansancio • Enfermedades pulmonares • Efectos carcinógenos

ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NO, NO2, N2O)

COMBUSTIÓN A ALTAS TEMPERATURAS: – Motores de Combustión Interna – Plantas térmicas de generación de electricidad, – Procesos Industriales

• Irritación de ojos, nariz y garganta • Dolores de cabeza • Causante de lluvia ácida • Oxidante fotoquímico:

2NO + O2 2NO2 NO2 + En. NO + O O + O2 + HC O3 + HC

OXIDOS DE AZUFRE COMBUSTIÓN DE COMBUSTIBLES CON AZUFRE

– Motores de Combustión Interna (diesel) – Plantas térmicas de generación de electricidad, – Procesos Industriales

• Irrita el sistema respiratorio • Inflamación en la garganta • Provoca lluvia ácida:

2SO2 + O2 2SO3 SO3 + H2O H2SO4

Niveles elevados de SO2 suelen estar asociados con concentraciones elevadas de partículas en el aire.

EFECTOS DEL SO2 A DIVERSAS CONCENTRACIONES

PLOMO

(GASOLINAS CON PLOMO)

• Afecta el sistema hemopoyético • Afecta el sistema renal • Afecta el sistema cardiovascular • Puede causar efectos

neurocomportamentales

PARTÍCULAS

COMBUSTIÓN INCOMPLETA • Enfermedades respiratorias • Pueden provocar cancer de pulmones • Disminución de visibilidad (smog) • otras.

EFECTOS OBSERVADOS POR LAS PARTÍCULAS

EFECTOS SOBRE LA SALUD DEBIDO AL OZONO Y LOS OXIDANTES FOTOQUÍMICOS

EFECTOS DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES AUTOMOTRICES SOBRE LA ECOLOGÍA

CONTAMINANTE

EFECTOS SOBRE LA ECOLOGÍA

NOx, SO2

Provoca lluvia ácida con daños a los bosques, sistemas acuáticos, corrosión de metales, daños a edificios y monumentos. También contamina las aguas subterráneas.

OZONO

Daña a los bosques y reduce el crecimiento de varios granos (por ejemplo maíz, frutas y verduras). El ozono puede crearse por varias horas o días después de la emisión de los gases y tener un impacto lejos del sitio de la contaminación original.

CO2 (DIÓXIDO DE CARBONO)

Efecto invernadero. El CO y NOx son otros gases con un impacto indirecto sobre el efecto invernadero.

Existe evidencia que el efecto sinergético (sumativo) de los diferentes gases, es mucho mas serio que su impacto individual.

EFECTOS DE LAS EMISIONES CONTAMINANTES SOBRE LA ECONOMÍA:

MAYORES GASTOS SOBRE LA SALUD PROVOCADA POR EJEMPLO, POR ENFERMEDADES RESPIRATORIAS.

MENOR PRODUCTIVIDAD DE LA GENTE POR ENCONTRARSE ENFERMA, CON DOLORES DE CABEZA O MALESTAR GENERAL PROVOCADO POR LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.

MALESTAR Y REDUCCIÓN DE LA CALIDAD DE VIDA AL SER EXPUESTO A UNA CONTAMINACIÓN FUERTE DEL AIRE.

CORROSIÓN DE MATERIALES, ESTRUCTURAS, MONUMENTOS Y DESGASTE PREMATURO DE EDIFICIOS, PROVOCADO PRINCIPALMENTE POR EL DIÓXIDO DE AZUFRE Y EL HOLLÍN.

MENOR PRODUCTIVIDAD AGRÍCOLA Y AGROFORESTAL COMO RESULTADO DEL OZONO O DE LA LLUVIA ÁCIDA.

EFECTO INVERNADERO O CALENTAMIENTO ATMOSFÉRICO.

Evaluación de Riesgo para Contaminantes Tóxicos del Aire:

Guía del Ciudadano

http://www.epa.gov/ttn/atw/3_90_024sp.html

TRABAJO: El estudiante deberá: 1. Leer y estudiar el documento

correspondiente. 2. Preparar un resumen del mismo para

entregar como tarea (Dos a tres páginas, 1” de margen,

doble columna a 1 cm de separación, 1.5 espaciado interlineal, arial 12).

ASPECTOS QUE SE DEBEN TOMAR EN CUENTA EN UN ESTUDIO DE CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

FUENTES DE CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS COMPORTAMIENTO DE LOS CONTAMINANTES EN LA

ATMÓSFERA EFECTOS DE LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS MÉTODOS DE CONTROL DISPONIBLES MEDIDAS LEGISLATIVAS Y REGULADORAS

NORMAS DE CALIDAD DEL AIRE A NIVEL INTERNACIONAL

NORMAS AMBIENTALES DE EMISIÓN EN FUENTES FIJAS EN PANAMÁ

http://www.anam.gob.pa/images/stories/normas_ambientalesdiproca/Decreto_Ejecutivos_No_5.pdf

TRABAJO: Decreto Ejecutivo No. 5 De 4 de febrero de 2009. El estudiante deberá leer cuidadosamente el documento correspondiente y entregar un cuadro resumen de las normas correspondientes.

NORMAS AMBIENTALES DE EMISIÓN PARA VEHÍCULOS AUTOMOTORES EN PANAMÁ

http://www.anam.gob.pa/images/stories/normas_ambientalesdiproca/Decreto_Ejecutivos_No_38.pdf

TRABAJO: Decreto Ejecutivo No. 2 De 14 de enero de 2009. El estudiante deberá leer cuidadosamente el documento correspondiente y entregar un cuadro resumen de las normas correspondientes.

NORMAS DE CALIDAD DE AIRE AMBIENTE EN PANAMÁ

http://itsconsultores.com/site/phocadownload/userupload/anteproyecto_calidad_aire.PDF

TRABAJO: Anteproyecto de Norma de Calidad de Aire Ambiente. El estudiante deberá leer cuidadosamente el documento correspondiente y entregar un cuadro resumen de las normas correspondientes.

NORMAS DE CALIDAD DEL AIRE A NIVEL INTERNACIONAL

http://www.minambiente.gov.co/documentos/1746_Anexo_3_info_nal_e_internal.pdf

TRABAJO: El estudiante deberá: 1. Leer el documento correspondiente.

MEDIDAS PREVENTIVAS Y CORRECTIVAS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

1. ANTES…

2. DURANTE…

3. DESPUES…

MEDIDAS PREVENTIVAS Y CORRECTIVAS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

MEDIDAS PREVENTIVAS Y CORRECTIVAS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

MEDIDAS PREVENTIVAS Y CORRECTIVAS DE LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

1. Control de Partículas 1.1. Colectores Secos

1.1.1. Cámaras de Sedimentación por Gravedad

Útiles para separar partículas cuando su velocidad de sedimentación es mayor de 13 cm/s y velocidad del gas menor a 3 m/s, de preferencia, menor o igual a 0.3 m/s.

Se aplica a partículas mayores de 50 μm con densidades bajas y hasta 10 μm, para partículas de alta densidad.

𝑑𝑑𝑝𝑝𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣 =(2)18𝜇𝜇𝐶𝐶𝑉𝑉

𝑔𝑔𝑔𝑔 𝜌𝜌𝑝𝑝 − 𝜌𝜌𝑔𝑔

12

η𝑑𝑑 = 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝐿𝐿(2)𝐻𝐻𝑉𝑉

(100) = 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝐿𝐿 𝑊𝑊(2)𝑄𝑄

(100)

V𝑐𝑐 = 𝑓𝑓 𝑑𝑑𝑝𝑝 = 𝑉𝑉 𝐻𝐻𝐿𝐿

= 𝑄𝑄𝐿𝐿 𝑊𝑊

𝑑𝑑𝑝𝑝𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣 = Tamaño mínimo de partículas

que pueden ser extraídas con 100% de eficiencia. Valido para 𝑑𝑑𝑝𝑝 ≤ 50μm.

1.1.1. Cámaras de Sedimentación por Gravedad

𝑉𝑉𝑐𝑐 = Velocidad de asentamiento para

100% de eficiencia de colección.

Con “n” Deflectores Horizontales:

V𝑐𝑐 = 𝑓𝑓 𝑑𝑑𝑝𝑝 = 𝑉𝑉 𝐻𝐻𝑛𝑛 𝐿𝐿

= 𝑄𝑄𝑛𝑛 𝐿𝐿 𝑊𝑊

η𝑑𝑑 = (𝑛𝑛+1) 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝐿𝐿(2)𝐻𝐻𝑉𝑉

(100) = (𝑛𝑛+1) 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝐿𝐿 𝑊𝑊(2)𝑄𝑄

(100)

Para Sistemas “Bien Mezclados” con una capa laminar adyacente a la bandeja de colección:

η𝑑𝑑 = 1 − 𝑣𝑣𝑥𝑥𝑝𝑝 − 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝐿𝐿𝐻𝐻𝑉𝑉

= 1 − 𝑣𝑣𝑥𝑥𝑝𝑝 − 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝐿𝐿 𝑊𝑊𝑄𝑄

η𝑑𝑑 = 1 − 𝑣𝑣𝑥𝑥𝑝𝑝 −𝑔𝑔 𝑑𝑑𝑝𝑝

2 𝜌𝜌𝑝𝑝

𝑔𝑔18 𝜇𝜇 𝐶𝐶 𝑉𝑉

• V𝑐𝑐 = Vel. de asentamiento

• 𝑑𝑑𝑝𝑝 = Diámetro de partícula • 𝑉𝑉= Velocidad de flujo • H= Altura del colector • L= Longitud del colector • W= Ancho del colector • Q= Flujo volumétrico • 𝑣𝑣 = Número de deflectores • 𝜌𝜌𝑝𝑝= Densidad de la partícula • 𝜌𝜌𝑔𝑔= Densidad del gas • g= Aceleración de la gravedad • 𝜇𝜇= viscosidad dinámica del gas

1.1.1. Cámaras de Sedimentación por Gravedad

Ejemplo 4: Determine el valor del diámetro de partícula mínimo para una cámara de sedimentación de 7 m de largo con una altura de 1.2 m y una velocidad del gas de 30 cm/s. La temperatura del aire es de 80°F y la densidad de la partícula es 2.5 g/cm3.

(μ=0.067 kg/m.h)

𝑑𝑑𝑝𝑝𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣 =3.75 x 103 cm = 37.5 μm

𝑑𝑑𝑝𝑝𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣 =(2)18𝜇𝜇𝐶𝐶𝑉𝑉

𝑔𝑔𝑔𝑔 𝜌𝜌𝑝𝑝 − 𝜌𝜌𝑔𝑔

12

1.1.1. Cámaras de Sedimentación por Gravedad

𝑑𝑑𝑝𝑝𝑝𝑝𝑐𝑐𝑣𝑣 =2 18 0.067 𝑘𝑘𝑔𝑔

𝑝𝑝. ℎ 1.2 𝑝𝑝 30 𝑐𝑐𝑝𝑝𝑔𝑔

ℎ3600𝑔𝑔

9.81 𝑝𝑝𝑔𝑔2 7𝑝𝑝 2.5 𝑔𝑔

𝑐𝑐𝑝𝑝3𝑥𝑥𝑥𝑐𝑐𝑝𝑝

𝑝𝑝3 𝑘𝑘𝑔𝑔

𝑥𝑥𝑥𝑥𝑔𝑔𝑝𝑝

𝑥𝑥𝑥𝑐𝑐𝑝𝑝

12

Ejemplo 5: Un colector simple por gravedad con una altura de 3 m y velocidad de gases de 0.5 m/s, tiene una eficacia de 90% en colección de partículas de 50 μm y ρ=2.0 g/cm3. a) Determine la longitud del colector, b) si se instalan dos bandejas deflectoras, determine la longitud del colector requerida. a)

b)

1.1.1. Cámaras de Sedimentación por Gravedad

𝑔𝑔 =2 (9𝑥) 3 𝑝𝑝 𝑥.5𝑚𝑚

𝑠𝑠

1𝑥𝑥 𝑥.15𝑚𝑚𝑠𝑠

= 18 m

η𝑑𝑑 = 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝐿𝐿(2)𝐻𝐻𝑉𝑉

(100) 𝑔𝑔 = (2) η𝑑𝑑𝐻𝐻𝑉𝑉1𝑥𝑥 𝑉𝑉𝑡𝑡

𝑔𝑔 =2 (9𝑥) 3 𝑝𝑝 𝑥.5𝑚𝑚

𝑠𝑠

1𝑥𝑥 2+1 𝑥.15𝑚𝑚𝑠𝑠

= 6 m

η𝑑𝑑 = (𝑛𝑛+1) 𝑉𝑉𝑡𝑡 𝐿𝐿(2)𝐻𝐻𝑉𝑉

(100) 𝑔𝑔 = (2) η𝑑𝑑𝐻𝐻𝑉𝑉1𝑥𝑥 (𝑛𝑛+1) 𝑉𝑉𝑡𝑡

De la Fig. de Vel. de asentamiento, se obtiene 𝑉𝑉𝑐𝑐=15 cm/s

1.1.2. Colectores Inerciales (Ciclónicos)

1.1.2. Colectores Inerciales (Ciclónicos)

1.1.2. Colectores Inerciales (Ciclónicos)

𝑁𝑁𝑣𝑣 = 1𝐻𝐻

𝑔𝑔1 + 𝐿𝐿2

2

𝑁𝑁𝑣𝑣= Número de revoluciones del vórtice principal antes de entrar al vórtice interno 𝑔𝑔1

= Altura del cilindro superior principal 𝑔𝑔2 = Altura del cono inferior H= Altura de la entrada de gases η𝑑𝑑 = Eficiencia colectora fraccionaria W= Ancho de la entrada rectangular del colector Q= Tasa de flujo volumétrico 𝑑𝑑

(𝑝𝑝, 50) = Tamaño de partícula

colectada con 50% de eficiencia

η𝑑𝑑 = 𝜋𝜋𝑁𝑁𝑒𝑒 𝜌𝜌𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝

2𝑉𝑉𝑔𝑔

9 𝜇𝜇 𝑊𝑊 = 𝜋𝜋𝑁𝑁𝑒𝑒

𝜌𝜌𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝2 𝑄𝑄

9 𝜇𝜇 𝐻𝐻 𝑊𝑊2

𝑑𝑑𝑝𝑝, 50 = 9 𝜇𝜇 𝑊𝑊

2𝜋𝜋𝑁𝑁𝑒𝑒𝑉𝑉𝑔𝑔 𝜌𝜌𝑝𝑝

1/2 = 9 𝜇𝜇 𝑊𝑊2 𝐻𝐻

2𝜋𝜋𝑁𝑁𝑒𝑒 𝜌𝜌𝑝𝑝 𝑄𝑄

1/2

Útiles para la colección de partículas ≥ 10 μm (η ≤ 90%). La eficiencia de remoción cae bruscamente a medida que disminuye el tamaño de

partícula. La unidad separadora puede ser una sola cámara grande o varias cámaras en

paralelo (mayor capacidad volumétrica) o en serie (mayor eficiencia de remoción).

1.1.2. Colectores Inerciales (Ciclónicos)

1.1.3. Filtros de Tela (Mangas)

El gas efluente fluye a través del material del filtro y las partículas se remueven sobre este material.

Mecanismos: Intercepción, Impacto Inercial, Difusión, Atracción Electrostática, Decantación Gravitac.

0.5 μm e incluso, 0.1 μm Eficiencia de 99 % Velocidades de filtración: 0.5 a 5.0 m3/min m2

1.1.3. Filtros de Tela (Mangas)

1.1.4. Precipitador Electrostático

1.1.4. Precipitador Electrostático

VENTAJAS • Grandes volúmenes de gas • Alta eficiencia de colección para partículas

menores a 1 um • Bajo consuno energético • Baja pérdida de tiro • Capacidad para operar a altas

temperaturas • Eficiencia de collección entre 80 y 99.9%

1.1.4. Precipitador Electrostático

1. Control de Partículas 1.2. Colectores Húmedos (Equipos de Absorción)

Los colectores húmedos o lavadores, eliminan las partículas de la corriente gaseosa incorporándolas en gotas de líquido con las que entran en contacto. La eficiencia de remoción está condicionada por la forma

de contacto gas-líquido A mayor contacto gas-líquido, mayor la pérdida de carga. Forman aguas lodosas que deben ser tratadas

posteriormente.

1. Control de Partículas 1.2. Colectores Húmedos

1.2.1. Torres de Spray (Atomización) Gas Limpio

Eliminador de nieblas

Entrada del absorbente

Agua residual a ser tratada

Gas a limpiar

Rociadores

• Tratan elevados volúmenes de gas con baja pérdida de carga.

• Buena eficiencia (dp ≥ 10μm).

• Eliminan partículas y gases.

1. Control de Partículas 1.2. Colectores Húmedos 1.2.2. Ciclones Húmedos

• Un spray fino es generado, el cual intercepta las partículas en el gas.

• Eficiencia • Tamaño de las gotas. • Tamaño de las partículas. • Relación caudal líquido/gas.

• Mejor eficacia que las torres de spray.

1. Control de Partículas 1.2. Colectores Húmedos 1.2.3. Lavadores Venturi

• Agua es atomizada en el área de alta Velocidad (60 a 180 m/s), interceptado las partículas en el gas.

• Eficiencia ≥ 90% dp 0.5 a 5 μm.

• Requieren mucha potencia por la pérdida de carga en la garganta.

• El líquido residual debe ser tratado.

2. Depuración de Gases 2.1. Equipos de Absorción

La absorción consiste en el contacto gas-líquido entre el efluente gaseoso y un absorbente, de manera que uno o más compuestos presentes en el gas sean eliminados del mismo, quedando retenidos en el líquido.

La absorción puede darse por reacción química (reactiva) o por diferencia de solubilidad.

Útil para controlar SO2, NOx , H2S, HCl, Cl2, NH3, HC, etc. Útil en la recuperación de fracciones gaseosas de interés en

procesos productivos. La selección del absorbente está determinada por la solubilidad

en él, de los compuestos (solutos) que se van a recuperar del efluente gaseoso.

Generalmente, la reducción de los gases en el efluente no es suficiente, por lo que se usan en cascada (serie) con otros métodos de control de gases.

Eficacia de reducción ≥ 90%.

2. Depuración de Gases 2.1. Equipos de Absorción

2.1.1. Torres de Spray Gas Limpio

Eliminador de nieblas

Entrada del absorbente

Agua residual a ser tratada

Gas a limpiar

Rociadores

• Tratan elevados volúmenes de gas con baja pérdida de carga.

• Cuanto menor sea el tamaño de la gota y mayor la turbulencia, mayor la absorción de gases.

• Eliminan partículas y gases.

• Buena eficiencia.

2. Depuración de Gases 2.1. Equipos de Absorción

2.1.2. Torres de Bandejas/Platos

• Presentan mayor área de contacto gas líquido que las torres de spray, a través de una serie de bandejas dispuestas horizontalmente.

• Buena eficiencia. • Eliminan partículas y

gases. Peligro de taponeo.

2. Depuración de Gases 2.1. Equipos de Absorción 2.1.3. Torres de Burbujeo

• En las columnas de burbujeo, la corriente de gases asciende hasta golpear la salida del líquido, donde se produce el contacto G-L y se absorben los contaminantes

• Buena eficiencia. • Eliminan partículas y

gases. Peligro de taponeo.

2. Depuración de Gases 2.1. Equipos de Absorción

2.1.4. Torres Empaquetadas • El empaquetamiento

se utiliza para aumentar el tiempo de contacto entre el líquido y el gas.

• El material debe presentar elevada superficie/volumen y gran porosidad para mínima resistencia.

• Elevada eficiencia. • Requiere etapa

preliminar de control de partículas.

2. Depuración de Gases 2.1. Equipos de Absorción

2.1.5. Absorbedores Venturi

• El contacto G-L se produce en un estrechamiento tipo Venturi, pasando después a una cámara de separación.

• Eliminan partículas y gases.

2. Depuración de Gases 2.2. Equipos de Adsorción

• Consisten en la retención física o con transformación química de un contaminante (adsorbato) en un sólido (adsorbente)

• Ampliamente usado para la eliminación de olores y contaminantes gaseosos.

• Usado en la recuperación de vapores y especialmente indicado para la recuperación de contaminantes valiosos.

• La capacidad de adsorción aumenta al disminuir la temperatura. • Para incrementar la eficacia, se pueden utilizar en cascada

(serie). • Adsorbentes: carbón activado, alúmina, bauxita, gel de sílice, etc.

• En la adsorción física, el adsorbato se retiene mediante fuerzas de Van der Waals, resultando fácil su recuperación, sin embargo, en la quimisorción, la recuperación de los compuestos en la mayoría de los casos, es imposible.

• El material adsorbente puede ser regenerado mediante vapor en contraflujo.

2. Depuración de Gases 2.2. Equipos de Adsorción

2. Depuración de Gases 2.2. Equipos de Adsorción

Curvas de equilibrio de adsorción

2. Depuración de Gases 2.3. Equipos de Condensación

• La condensación de un compuesto a una temperatura dada ocurre si su presión parcial aumenta hasta alcanzar su presión de vapor a dicha temperatura.

• Si la temperatura de una mezcla de gases se reduce hasta la temperatura de saturación, su presión de vapor iguala a la presión parcial, con lo que tiene lugar la condensación.

• Son considerados como pre-tratamiento de efluentes gaseosos, combinándose con quemadores,

absorción o adsorción. • Existen dos tipos principales:

• condensador de superficie • condensador de contacto

2. Depuración de Gases 2.3. Equipos de Condensación

Condensador de Superficie

Los contaminantes son adsorbidos en una superficie a medida que condensan

2. Depuración de Gases 2.3. Equipos de Condensación

Condensador de Contacto Los contaminantes

(vapores) y el medio refrigerante se ponen en contacto directo

La mezcla es entonces es eliminada o separada y descargada

Son más económicos, mas flexibles y tienen mayor eficacia que los de superficie, pero pueden dar lugar a problemas de contaminación de aguas

2. Depuración de Gases 2.4. Equipos de Combustión

Consiste en la transformación de hidrocarburos y monóxido de carbono en CO2 y H2O

Los sistemas se diseñan para que la combustión de los gases sea lo más completa posible

Los tipos mas comunes de combustión son: • combustión en llama • combustión térmica • combustión catalítica

2. Depuración de Gases 2.4. Equipos de Combustión

Combustión en Llama

2. Depuración de Gases 2.4. Equipos de Combustión

Combustión en Llama

• Los gases son quemados directamente con o sin adición de combustible suplementario

• Problemas asociados: formación de óxidos de nitrógeno, debido a las altas temperaturas de combustión, formación de humos y hollín y gran pérdida de energía calorífica

• Se consideran rentables solo cuando el flujo de gases a quemar contribuye con mas de 50% del requerimiento energético.

2. Depuración de Gases 2.4. Equipos de Combustión

Combustión Térmica

• Se utilizan cuando la concentración de contaminantes es muy pequeña para la combustión en llama

• El gas se precalienta a través de un recuperador y se dirige después a la zona de combustión donde se añade combustible

• La temperatura oscila entre 538 y 927°C y superiores • La corriente de gas que sale puede ser utilizada como

fuente de calor en algún proceso de la planta

2. Depuración de Gases 2.4. Equipos de Combustión

Combustión Térmica

2. Depuración de Gases 2.4. Equipos de Combustión

Combustión Catalítica

• El gas se precalienta y se dirige después a la zona de transformación catalítica

• Necesitan menos combustible adicional que los equipos de combustión térmica

• Eficiencias de eliminación mayores a 95% • Utilizados para controlar SO2, NOx, HC y CO • En algunas aplicaciones, según necesidad, los gases a

tratar se mezclan con CO y CH4 antes de ser introducidos al convertidor catalítico, para obtener a la salida de éste N2, CO2, y H2O

2. Depuración de Gases 2.4. Equipos de Combustión

Combustión Catalítica

Estudios de Calidad de Aire en Panamá

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