Tema 6 (Parte 2). Procesos de Oxidación PDF

Control y Tratamiento de la Contaminación Atmosférica 4º Curso del Grado en Ingeniero Químico Industrial Tema 6 DISEÑO Y OPERACIÓN DE SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES (II): PROCESOS DE OXIDACIÓN Profesora: Yolanda FERNÁNDEZ NAVA...

Control y Tratamiento de la Contaminación Atmosférica 4º Curso del Grado en Ingeniero Químico Industrial Tema 6 DISEÑO Y OPERACIÓN DE SISTEMAS DE DEPURACIÓN DE GASES (II): PROCESOS DE OXIDACIÓN Profesora: Yolanda FERNÁNDEZ NAVA 1  CONTENIDO Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): 1. Eliminación de contaminantes mediante procesos de oxidación 1.1. Límite inferior y superior de explosividad (LEL y UEL) PROCESOS DE OXIDACIÓN 1.2. Eficiencia de la destrucción (DRE) 1.3. Oxidación térmica y catalítica de contaminantes 2. Oxidación térmica de contaminantes 2.1. Factores que afectan al proceso de combustión 2.2. Diseño y operación de sistemas de oxidación térmica 2.2.1. Incineradores por llama directa: Antorchas 2.2.2. Cámaras de combustión 3. Diseño y operación de sistemas de oxidación catalítica 3.1. Selección y tipos de catalizadores 3.2. Parámetros de diseño 2  ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES MEDIANTE PROCESOS DE Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): OXIDACIÓN  Se trata de oxidar los compuestos contaminantes a otros que resulten inocuos o menos perjudiciales Ejemplos: CO + ½O2→CO2 PROCESOS DE OXIDACIÓN C6H6+ 15/2 O2→6 CO2+ 3H2O H2S + 3/2 O2→SO2+ H2O  La oxidación de contaminantes gaseosos es uno de los procesos más efectivos para el control de la contaminación del aire debido a que presenta las siguientes ventajas:  Se produce la eliminación de los contaminantes orgánicos, independientemente de sus propiedades químicas  En la mayoría de los casos no se producen residuos sólidos o líquidos que es necesario eliminar como contaminación secundaria  Buena adaptación a los cambios de flujo y composición del gas  Sin embargo, presenta también desventajas: - Coste de inversión y operación potencialmente altos (energía, catalizadores). - La presencia de elemento distintos al C, H y O puede conducir a la formación de contaminantes no deseados. - Peligro de explosión 3  ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES MEDIANTE PROCESOS DE Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): OXIDACIÓN  Se suele utilizar para eliminar:  Gases residuales altamente combustibles (refinerías).  Compuestos orgánicos en general.  Contaminantes altamente olorosos presentes en bajas concentraciones (sulfuro de hidrógeno, PROCESOS DE OXIDACIÓN mercaptanos, …).  Se define la eficacia de destrucción del contaminante gaseoso (DRE) como: Win: velocidad de alimentación másica del contaminante en la  W − Wout  corriente de residuo alimentado al incinerador. DRE =  in 100 Win Wout: velocidad de emisión másica del contaminante en la salida   del incinerador. Control y Tratamiento de la Contaminación Atmosférica 4 Curso académico: 2009-10  ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES MEDIANTE PROCESOS DE Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): OXIDACIÓN: LEL y UEL  En corrientes gaseosas que contienen una mezcla de aire y vapores inflamables, la concentración de vapores es generalmente limitada a menos del 25% del LEL (límite inferior de explosividad) LEL: Límite Inferior de Explosividad PROCESOS DE OXIDACIÓN Es la concentración mínima de gases, vapores o nieblas inflamables en aire por debajo de la cual, la mezcla no es explosiva. 1 LELMix = n yi  i =1 LELi UEL: Límite Superior de Explosividad Es la concentración máxima de gases, UEL vapores o nieblas inflamables en aire por arriba de la cual, la mezcla no es explosiva. LEL 1 UELMix = n yi  i =1 UELi yi: f. molar o en volumen 5  ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES MEDIANTE PROCESOS DE Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): OXIDACIÓN: LEL y UEL PROCESOS DE OXIDACIÓN Concentraciones en % en volumen 6  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES GASEOSOS Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II):  En un proceso de oxidación térmica la corriente de gas que contiene el contaminante se calienta hasta una temperatura alta (700-1000ºC) a la cual el contaminante entra en combustión en presencia del oxígeno del aire. PROCESOS DE OXIDACIÓN Reacción general de un proceso de combustión: CxHy + bO2 + b (79/21) N2 ----> xCO2 + (y/2) H2O + b (79/21) N2 Compuesto gaseoso = Combustible contaminante  Es una práctica común utilizar un exceso de oxígeno (aire) en el proceso de combustión. Para expresar este exceso se utiliza la relación Aire/combustible.  En la mayoría de los casos suelen requerirse aportes complementarios de energía, ya que la capacidad calorífica del gas que va a ser quemado no suele ser lo suficientemente alta para que la combustión se mantenga  USO DE COMBUSTIBLE ADICIONAL (Gas natural, generalmente)  Se pueden clasificar las mezclas gaseosas según su susceptibilidad de ser tratados mediante procesos de oxidación térmica y los requerimientos de fuel auxiliar y aire. 7  Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): PROCESOS DE OXIDACIÓN CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES GASEOSOS 8  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Factores que afectan Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): al proceso de combustión  TEMPERATURA  Altas temperaturas aceleran la transformación de contaminantes gaseosos en compuestos más inocuos.  En la zona de combustión, la temperatura debe ser varios cientos de grados superior PROCESOS DE OXIDACIÓN a la temperatura de ignición de las substancias que queremos eliminar.  La temperatura necesaria para la oxidación puede ser controlada con la adición de fuel adicional: Una mayor temperatura puede significar más combustible y por tanto mayor coste. Se debe de evaluar muy bien la cantidad de combustible que hay que añadir. 9  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Factores que afectan Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): al proceso de combustión  TIEMPO DE RESIDENCIA  Se debe de mantener un tiempo mínimo a la temperatura de operación seleccionada de tal forma que todas las substancias nocivas sean eliminadas. PROCESOS DE OXIDACIÓN  El tiempo de residencia es función de la geometría de la cámara de combustión y del flujo de paso de la corriente gaseosa por dicha cámara.  El tiempo de residencia depende de la temperatura. Cf Ln = − k ·t = Ln (1 − DRE ) Ci K: Constante cinética de la reacción de combustión 10  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Factores que afectan Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): al proceso de combustión  TURBULENCIA  Es necesario que exista una buena mezcla entre el oxígeno y el combustible.  Es necesario que toda la mezcla combustible alcance la temperatura de ignición. PROCESOS DE OXIDACIÓN  OXÍGENO  Hay que mantener un aporte mínimo de gas: Al menos el que corresponde a la relación estequiométrica.  Razón de mezcla = la relación entre la cantidad de aire y el combustible y que se añade R = A/F = masa de aire/masa de combustible ó = nº de moles de aire/nº moles de combustible El cociente entre la razón real y la estequiométrica se denomina factor lambda (λ) Si λ es mayor que 1, se dice que la mezcla es pobre en combustible o rica en aire. Si es menor que 1 se dice que es rica en combustible o pobre en aire. Los gases que se generen dependen de esta relación, en gran medida, (por ejemplo CO2 o CO) 11  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Factores que afectan Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): al proceso de combustión PROCESOS DE OXIDACIÓN 12  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Antorchas Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II):  Los gases residuales se queman directamente en una combustión, con o sin aporte de combustible adicional PROCESOS DE OXIDACIÓN  Se utilizan para los gases residuales con un valor calórico lo suficientemente elevado como para asegurar una eficacia de destrucción superior al 98%  CANTIDAD IMPORTANTE DE GASES COMBUSTIBLES EN LOS GASES RESIDUALES  Muy común en refinerías y plantas petroquímicas y también en plantas que operan con H2, NH3, y cualquier otro gas tóxico o peligroso  Es necesario conocer los límites explosivos y la inflamabilidad de los gases a incinerar.  Presenta el problema de las altas temperaturas (~1300 ºC) que se alcanzan lo que puede llevar a la formación de óxidos de nitrógeno 13  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Antorchas Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): Condiciones de operación PROCESOS DE OXIDACIÓN  Seguridad en el encendido y estabilidad de la llama  Poseer una zona de seguridad para prevenir posibles fuegos por escapes y evitar daños por calor radiante.  Flexibilidad de operación respecto de la cantidad y composición de los gases a quemar.  Mínima cantidad de humos.  Diseño adecuado para optimizar la combustión  Mínimo ruido y resplandor 14  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Diseño y operación Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): de antorchas  Requerimiento suplementario de fuel Si el contenido energético del gas es menor de 300 BTU/scf (2670 kcal/m3), para asegurar una eficacia de destrucción superior al 98% será necesario un aporte extra de gas natural. Qe: caudal de gas a tratar (scfm) PROCESOS DE OXIDACIÓN (300 − he )·Qe Qf: caudal de gas natural (scfm) Qf = he: poder calorífico de la corriente de gases (BTU/scf) 582 582= 882-300 (882 es el poder calorífico inferior del gas natural)  Requerimiento de vapor Qflg: caudal de gas en la antorcha (scfm): Qe + Qf −3 Qs = 1.03 ×10 × Q f lg × PM f lg PM flg: Peso molecular del gas, lb/lb-mol  Velocidad del gas de salida de la antorcha Para alcanzar al menos un 98% de DRE, el gas en la llama no debe superar una velocidad máxima, Umax, que depende del contenido energético del gas. Si 300 ≤ h f lg < 1000 [ U máx = 3.28 10 ( 0.00118· h f lg + 0.908 ], en ft / s Si h f lg > 1000 BTU / scf U máx = 400 ft / s 15  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Diseño y operación Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): de antorchas  Velocidad del gas de salida de la antorcha Uflg: velocidad del gas a la salida de la antorcha (ft/s) PROCESOS DE OXIDACIÓN (5.766 ×10 −3 )(Q f lg )(T f lg + 460) Qflg: caudal de gas en la antorcha (scfm): Qe + Qf U f lg = Tflg: Temperatura del gas en la antorcha, ºF D2 D: Diámetro de la boca de la antorcha, in  Velocidades del gas en la antorcha muy pequeñas, puede producir inestabilidad en la llama, lo que afectaría a la eficacia de destrucción. Se establece también una velocidad mínima para los gases en la antorcha Umínima = 0.03 ft/s. Si Uflg < Umax  Podrá alcanzarse un 98% de eficacia de destrucción  Si Uflg > Umax  No se alcanzará el 98% de eficacia de destrucción  mal diseño de la antorcha  Diámetro de la boca de la antorcha demasiado pequeño. 0.03 ft / s < U f lg < U máx 16  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Cámaras de combustión  Se usa generalmente cuando la concentración de Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): gases combustibles en la los gases residuales es baja  Los gases residuales se precalientan en un intercambiador de calor y se llevan a la cámara de PROCESOS DE OXIDACIÓN combustión donde con aporte de combustible adicional y oxígeno se queman por completo (CÁMARAS REGENERATIVAS)  Parámetros:  Temperatura de reacción HC: 780 - 1030 K; CO: 950 - 1060 K; Olores: 750-980 K  Tiempo de residencia del gas: 0.2-2 s  Turbulencia  Concentración de contaminantes  Concentración de oxígeno 17  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Diseño y operación Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): de cámaras de combustión PROCESOS DE OXIDACIÓN  Requerimiento suplementario de fuel De: Densidad de la corriente de gas, lb/scf De ·Qe [C p air (1.1Tc − The − 0.1Tr ) − he Df: Densidad de gas natural (0.0408 lb/scf Qf = para el metano) D f [h f −1.1C p air (Tc − Tr ) Qe: Caudal de gas, scfm Tc: Temperatura de combustión, ºF; The: temperatura de la corriente gaseosa después de la recuperación de calor, ºF; Tr: temperatura de refernecia (77ºF) Cp air: Capacidad calorífica del aire, entre Tc y Tr, BTU/lb-ºF he: poder calorífico del gas, BTU/lb; hf: poder calorífico inferior del gas natural, 21600 BTU/lb HR  HR  HR: % de calor recuperado en el intercambiador The = Tc + 1 −  Te 100  100  Si no hay recuperación de calor: The=Te 18  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Diseño y operación Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): de cámaras de combustión  Volumen de la cámara de combustión  Q fg ,a  Vc =  t r  ·1.05  60  PROCESOS DE OXIDACIÓN  T + 460  Qfg, a: es el caudal real de gas, acfm Q fg , a = Q fg  c   537  Qfg: es el caudal de gas, scfm Q fg = Qe + Q f + Qd Qd: es el aire de dilución requerido, scfm h  Qd =  e −1 Qe  hd  hd: es el poder calorífico requerido en el gas emitido, (< 13 BTU/scf) 19  CONVERSIÓN TÉRMICA DE CONTAMINANTES: Diseño y operación Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): de cámaras de combustión Calores específicos medios de vapores PROCESOS DE OXIDACIÓN 20  OXIDACIÓN CATALÍTICA DE CONTAMINANTES GASEOSOS Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II):  Los gases se hacen pasar por un lecho catalítico  El catalizador disminuye la energía de activación de la reacción de oxidación, aumentando por tanto la velocidad de reacción PROCESOS DE OXIDACIÓN  Suele aplicarse en el tratamiento de corrientes gaseosas diluidas Ventajas:  Temperaturas más bajas (400 -500ºC) → menor gasto de combustible.  Tiempos de residencia más bajos (del orden de centésimas de segundo).  Minimiza la formación de NOx. Desventajas:  Coste catalizador.  No se pueden tratar gases con partículas (catalizador).  El gas puede contener contaminantes (Fe, Pb, Si, P) que bajen la vida del catalizador 21  OXIDACIÓN CATALÍTICA DE CONTAMINANTES: Selección y tipos Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): de catalizadores Propiedades del catalizador:  Alta relación superficie/volumen PROCESOS DE OXIDACIÓN  Estable térmicamente  Densidad uniforme a temperaturas altas (máx. 1100 K)  Resistente al envenenamiento Hierro, plomo, silicio y fósforo acortan la vida del catalizador Los compuestos de azufre restringen l eficacia de algunos catalizadores  Alta resistencia mecánica  Integridad y durabilidad estructurales  Baja pérdida de carga  Precio adecuado  Vida útil entre 3 y 5 años Como catalizadores se suelen emplear metales nobles sobre una soporte de alúmina. 22  OXIDACIÓN CATALÍTICA DE CONTAMINANTES: Sistemas de Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): oxidación catalítica  La eliminación de contaminantes por combustión catalítica suele llevarse a cabo en reactores tubulares de lecho fijo y flujo continuo  El tamaño de los reactores catalíticos depende del flujo de gases a tratar y de la PROCESOS DE OXIDACIÓN actividad del catalizador en las condiciones de operación  La velocidad de paso de los gases puede variar entre 5000 y 30000 volúmenes de gas por volumen de masa catalítica y por hora  Pueden se con o sin recuperador de calor 23  OXIDACIÓN CATALÍTICA DE CONTAMINANTES: Diseño de sistemas Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): de oxidación catalítica PROCESOS DE OXIDACIÓN  Requerimiento suplementario de fuel De: Densidad de la corriente de gas, lb/scf De ·Qe [C p air (1.1Tci − The − 0.1Tr ) Df: Densidad de gas natural (0.0408 lb/scf Qf = para el metano) D f [h f −1.1C p air (Tci − Tr ) Qe: Caudal de gas, scfm Tci: Temperatura de la mezcla de gases que entra al lecho catalítio, ºF; The: temperatura de la corriente gaseosa después de la recuperación de calor, ºF; si no hay recuperación de calor The = Te; Tr: temperatura de refernecia (77ºF) Cp air: Capacidad calorífica del aire, entre Tc y Tr, BTU/lb-ºF hf: poder calorífico inferior del gas natural, 21600 BTU/lb Es importante chequear el valor de Tco para asegurar una adecuada Tco = Tci + 50 · he velocidad de reacción que permita alcanzar el DRE fijado sin causar daño en el catalizador Tci = 1000 − 50 · he he: contenido energético del gas (BTU(Nft3) 24  OXIDACIÓN CATALÍTICA DE CONTAMINANTES: Diseño de sistemas Tema 6. SISTEMAS DE ELIMINACIÓN DE GASES (II): de oxidación catalítica HR  HR  The = Tco + 1 −  Te HR: % de calor recuperado en el intercambiador 100  100  PROCESOS DE OXIDACIÓN  Volumen de lecho catalítico requerido 60 · Qcom Vcat = SV SV: velocidad espacial, h-1 Qcom: es el caudal de gas en condiciones estandar, acfm Qcom = Q fg = Qe + Q f + Qd  T + 460  Q fg , a = Q fg  c   537  25