Clase de Aire

Vista previa del material en texto

30/5/2019
1
C Á T E D R A D E I N G E N I E R Í A Y G E S T I Ó N 
A M B I E N T A L
Aire: contaminación y medidas 
de control 
 LA ATMÓSFERA: es una capa 
delgada de gases mezclados 
que cubren la superficie de la 
tierra. Su masa total es de 
aproximadamente 5.14x1015
toneladas métricas, y tiene 
aproximadamente 10,000 km 
de espesor. 
Más del 99% de su masa total 
se encuentra dentro de 
aproximadamente los 
primeros 50 km de altitud.
30/5/2019
2
COMPOSICIÓN
Gas Composición
química
Porcentaje
(por volumen
de aire seco)
Nitrogeno N2 78.08
Oxigeno O2 20.95
Argón Ar 0.93
Neón Ne 0.0018
Helio He 0.0005
Hidrogeno H2 0.00005
Xenón Xe 0.000009
Ha venido cambiando de 
manera gradual a lo largo del 
tiempo debido a proceso 
naturales y a procesos 
antropogénicos. 
Tabla 1. Gases permanentes 
cerca de la superficie de la 
tierra (~80 Km)
Sustancia
Composición
química
Porcentaje
(por volumen
de aire seco)
ppm
(partes por
millón)
Vapor de agua H2O 0 - 4 -------
CO2 CO2 0.035 350
Metano CH4 0.00017 1.7
Oxido nitroso N2O 0.00003 0.3
Ozono O3 0.000004 0.04
Materia
particulada
------- 0.000001 0.01
Flouroclorocarb
onos (CFCs)
------- 0.00000001 0.0001
COMPOSICIÓN
Tabla 2. Sustancias variables cerca de la
superficie de la tierra
Es una mezcla compleja 
de gases y de partículas 
sólidas y líquidas en 
suspensión atraídas por 
la gravedad. En ella se 
producen todos los 
fenómenos climáticos y 
meteorológicos que 
afectan al planeta, regula 
la entrada y salida de 
energía a la tierra y es el 
principal medio de 
transferencia de calor.
30/5/2019
3
Importancia de la atmósfera
• Capa protectora
• Fuente de dióxido de 
carbono y oxígeno
• Fuente de nitrógeno
• Transporta agua
• Filtra, absorbe y re-
absorbe la radiación 
electromagnética del sol
Estratos de la atmosfera
La atmosfera se estratifica de acuerdo con la relación 
temperatura-densidad, como resultado de las interacciones 
entre los procesos físicos y fotoquímicos en el aire. 
30/5/2019
4
Troposfera
• Capa mas baja (10-16
km).
• La composición de los
gases permanentes
generalmente
homogénea.
• Temperatura decrece con
altitud (-56 °C)
• Existe una mezcla
constante de las masas
de aire
Estratosfera 
• Se extiende hasta unos 50
km a partir de la
tropopausa.
• La temperatura aumenta
con la altura debido a los
proceso de absorción de
radiación UV por la rica
capa de ozono (20-50 km)
• La temperatura llega a un
valor máximo (-2 °C)
comparable a la
temperatura terrestre.
30/5/2019
5
Mesosfera
• A partir de la estratopausa,
la temperatura desciende
(-90°C, 80 km) debido a la
ausencia de especies
absorbentes de radiación
• La velocidad del viento
alcanza valores de hasta
150 m/s
• Regiones mas altas
predominan iones y
moléculas
Termosfera
• Se extiende hasta los límites
exteriores lejanos (500 km).
• La temperatura se incrementa
(1,200 °C)
• Ocurre la disociación e
ionización de las moléculas
constituyentes del aire
• Predomina la difusión frente
la mezcla
• El O2 se encuentra en forma
atómica (200 km) y es el
principal constituyente
30/5/2019
6
Contaminación del aire
 El término se refiere a la 
presencia de sustancia 
en el aire, a 
concentraciones, 
duraciones y 
frecuencias tales que 
pueden afectar de 
manera adversa a la 
salud y el bienestar tanto 
de la especie humana o del 
ambiente. 
Aire limpio vs. Aire contaminado
30/5/2019
7
Capas atmosféricas importantes para la 
contaminación del aire
 Tropósfera: Capa delgada a nivel de la superficie 
terrestre que contiene el aire que los seres vivos 
respiran.
 Estratósfera: Capa protectora que ayuda a 
absorber y dispersar la radiación solar.
Principales componentes de interés ambiental en 
el aire atmosférico
 Ozono
 Dióxido de carbono
 Vapor de agua
 Material particulado
30/5/2019
8
¿Qué pueden dañar?
 La salud humana
 La vegetación
 Los bienes humanos
 El medio ambiente global
Parámetros que definen el estado de la 
atmósfera
 Radiación
 Vientos
 Presión
 Temperatura
 Humedad
 Precipitación
30/5/2019
9
Factores que inciden sobre la contaminación 
del aire en la troposfera
 Velocidad y dirección de los vientos
 Estructura térmica de la atmósfera
 Agitación mecánica del aire
 Accidentes geográficos
 Radiación solar
 Humedad
 Fenómenos meteorológicos: lluvia,
 nieve, neblina
Clasificación de contaminantes del aire
30/5/2019
10
Contaminantes primarios y secundarios
Contaminantes criterio y no criterio
 Ejemplos de contaminantes criterio:
 Monóxido de carbono
 Óxidos de azufre (SOx)
 Óxidos de nitrógeno (NOx)
 Ozono
 Plomo
 Material particulado
30/5/2019
11
Contaminantes físicos, químicos y biológicos
 Contaminantes físicos
Ruido
Radiaciones ionizantes
Contaminantes físicos: Ruido
 La propagación de ondas de presión audibles a través 
de un medio elástico, como por ejemplo el aire, es lo 
que se conoce por sonido. (Concepto subjetivo)
30/5/2019
12
Ruido: factores que inciden en su 
propagación en el espacio
 Tipo de fuente de ruido
 Distribución en el espacio
 Medio donde se propaga
 Condiciones atmosféricas (presión y temperatura)
Contaminantes físicos: Ruido
30/5/2019
13
Contaminantes físicos: Radiaciones ionizantes
 Rayos X
 Partículas alfa
 Partículas beta
 Rayos gamma
 Tienen la capacidad de ionizar la materia a su paso, lo 
cual compromete la integridad de las moléculas orgánicas 
que constituyen el material celular de los seres vivos.
Contaminantes físicos: Radiaciones ionizantes
30/5/2019
14
Contaminantes físicos, químicos y biológicos
 Contaminantes químicos
 Material particulado
 Compuestos de azufre
 Óxidos de carbono
 Compuestos de nitrógeno
 Hidrocarburos
 Ozono y oxidantes
 Compuestos halogenados
 Metales pesados
 Dioxinas y furanos
Material particulado según su composición
 metales
 carbón
 alquitrán
 resinas
 polen
 hongos
 bacterias
 óxidos
 nitratos
 cloruros
 sulfatos
 fluoruros
 silicatos
 carbonatos,etc
30/5/2019
15
Compuestos del azufre
 Dióxido de azufre (SO2)
 Trióxido de azufre (SO3)
 Sulfuro de hidrógeno (SH2)
 Mercaptanos
 Origen: combustión de petróleo y carbón, 
combustión y descomposición de materia orgánica, 
volcanes
Óxidos de carbono
 Monóxido de carbono (CO)
 Origen: océanos, incendios forestales y oxidación del metano 
(CH4) del ambiente por iones oxhidrilo.
 Dióxido de carbono (CO2)
 Origen: procesos de combustión principalmente 
antropogénico
30/5/2019
16
Óxidos de nitrógeno
 Monóxido de nitrógeno (NO)
 Dióxido de nitrógeno (NO2)
 Óxido nitroso (N2O)
 Origen: procesos biológicos en suelos, tormentas eléctricas y, 
para el NO2, la oxidación del NO natural.
 Amoníaco (NH3)
 Origen: fábricas de abono, ácidos
Otros contaminantes
 Hidrocarburos: consisten de carbono e hidrógeno 
con variada estructura molecular
 Origen: Industria petrolera y utilización de sus productos
 Ozono (O3)
 Origen: se forma en la atmósfera por reacciones fotoquímicas 
donde la actividad solar es muy importante
30/5/2019
17
Compuestos halogenados
 Gases de concentración comparativamente baja 
pero de alto poder irritante
 Cloro (Cl2): gas pesado e irritante
 Origen: industrias químicas y plásticas, plantas de 
tratamiento de agua y efluentes
 Cloruro de hidrógeno (HCl): gas irritante
 Origen: industrias químicas y plásticas
 Fluoruro de hidrógeno (HF): gas irritante, sus 
sales contaminan las pasturas
 Origen: metalurgia del Al, fabricación de fertilizantes 
fosfatados y de cemento
Metales Pesados
 Mercurio
 Cadmio
 Cobre
 Plomo
 Cromo
 Arsénico
 Generalmente presentes en la forma de partículas 
(salvo Hg y Pb tetraetilo)
 Provocan contaminación cercana a la fuente
30/5/2019
18
Bifenilos Policlorados
 209 combinaciones posibles
 Ventajas:
 estables
 termoresistentes
 incombustibles
 baja presión de vapor
 elevada constante 
dieléctrica Desventajas:
 elevada toxicidad 
(DL50 en ratas 
=1,6 g/kg)
 persistentes en el 
medio ambiente
 Biodegradabilidad 
escasa
 Se bioacumulan
30/5/2019
19
Dioxinas y Furanos
Dioxinas y Furanos
 Propiedades:
 Muy tóxicos
 poco solubles en agua (≤ 0,12 ppb)
 menor solubilidad mayor número de átomos de cloro
 poco volátiles (presión de vapor de 6,2x10-7 Pa)
 estables a la descomposición térmica por debajo de los 
850 ºC
 en suelo o en agua son prácticamente inalterables, 
persistentes y bioacumulativos.
30/5/2019
20
Dioxinas y Furanos
 Origen: combustión de compuestos orgánicos 
clorados
 Mecanismo propuesto:
 La combustión de plásticos clorados (PVC), produce 
ácido clorhídrico.
 La combustión incompleta de la lignina (papel, cartón, 
etc.) produce compuestos fenólicos
 La reacción entre los compuestos fenólicos y el ácido 
clorhídrico produce dioxinas y furanos
Fuentes de contaminación del aire
Fuentes de 
contaminación 
del aire
Móvil
Estacionarias 
Puntuales
Difusas
30/5/2019
21
Cuadro resumen de las principales fuentes 
antropogénicas
Cuadro resumen de las principales fuentes 
antropogénicas
30/5/2019
22
Cuadro resumen de las principales fuentes 
antropogénicas
Cuadro resumen de las principales fuentes 
antropogénicas
30/5/2019
23
Transporte y dispersión de 
contaminantes
Factores que afectan el transporte de 
contaminantes atmosféricos
 Variaciones globales y regionales de clima
 Escala regional
 Turbulencia
 Movimiento horizontal (viento): El efecto de dilución crece con la 
velocidad del viento
 Estabilidad: Movimiento vertical
 Condiciones topográficas
30/5/2019
24
Inversión térmica
Comportamiento de plumas
 Principales factores
 Relieve y naturaleza del suelo
 Parámetros de diseño de la chimenea
 Condiciones meteorológicas en las capas de aire donde se 
mueve la pluma:
 velocidad
 dirección del viento dominante
 estabilidad térmica.
 Velocidad y temperatura de los gases y sección de la 
chimenea.
 Tipo de contaminantes emitidos
30/5/2019
25
Modelos de dispersión
 Los modelos de 
dispersión son 
un método para 
calcular la 
concentración 
de 
contaminantes 
a nivel del suelo 
y a diversas 
distancias de la 
fuente.
Control de la contaminación 
atmosférica
30/5/2019
26
Estrategias de control de la contaminación 
atmosférica
 Minimización de contaminantes
 Cambio de procesos
 Cambio de combustibles
 Buenas prácticas de operación
 Cierre de plantas
 Dispersión de contaminantes
 Remoción de contaminantes (tratamiento de 
efluentes gaseosos)
Cuando los métodos de corrección en la fuente
no pueden ser aplicados entonces el control de los
contaminantes se hace en los efluentes
usando técnicas de limpieza.
Estas incluyen muchas de las técnicas ingenieriles
que en el presente forman la parte principal de la
tecnología del control de la contaminación del aire.
30/5/2019
27
¿En base a qué se determinan las 
técnicas de control de la 
contaminación atmosférica?
Las estrategias de control se definen a partir de…
 …Lo que establecen las normas.
 Los valores de aire están regulados para emisión y 
para inmisión.
 Para inmisión existen los Niveles Guía de Calidad de 
Aire
 Para emisión existen valores fijados para una chimenea 
de 30 m con determinado diámetro y para contaminantes 
emitidos a cierta temperatura.
30/5/2019
28
Tratamientos de efluentes atmósfericos
 Sistemas de captación de partículas
 Colectores de inercia y fuerza centrífuga o gravedad
 Filtros de mangas
 Precipitadores electrostáticos
 Lavadores y absorbedores húmedos (scrubbers)
 Sistemas de eliminación de contaminantes gaseosos
Colectores de inercia y fuerza centrífuga 
o gravedad
 Aplicables para partículas > 5 -10 μm
 Requieren grandes espacios
 Bajo costo
 Operación sencilla
 Suelen emplearse como tratamiento previo
30/5/2019
29
Tipos de colectores inerciales
 Cámaras de sedimentación
 Cámaras de Cámaras de gravedad e inercia
 Ciclones (más utilizados)
Cámaras de sedimentación
30/5/2019
30
Sedimentador por gravedad
 Adecuado para partículas 50 a 100 μm
 Modelos de cálculo:
 Flujo pistón
 Flujo mezclado
Supuestos del flujo pistón
 Vprom es la velocidad horizontal del gas en toda 
la cámara
 La componente horizontal de la velocidad de las 
partículas es Vprom
 La componente vertical de la velocidad de las partículas 
es igual a su velocidad terminal Vt (Ley de Stokes)
 La partícula depositada en el piso no vuelve a ser 
arrastrada.
 La diferencia de los resultados de los modelos se empieza 
a hacer significativa a partir de diámetros de 
partícula > 40-50 μm
30/5/2019
31
Ciclones
Ciclones
 Separadores inerciales
 Ingreso del gas a tratar en forma tangencial
 Convencionales y de alta eficiencia (diámetro < 0,25 
m)
30/5/2019
32
Ventajas de los ciclones
 Gran sencillez de construcción
 Pueden soportar condiciones de temperatura y 
fisicoquímicas muy duras
 Su mantenimiento es prácticamente nulo
 Nulo consumo de servicios auxiliares (aire o agua)
 No produce efluentes líquidos
 El producto recuperado está seco
Desventajas de los ciclones
 Eficacia baja para pequeñas granulometrías (< 3 μm)
 Con algunos productos, debido a la alta velocidad de 
circulación, se produce abrasión.
30/5/2019
33
Filtros de mangas
 De limpieza mecánica: 
sacudida y vibración
 De aire a contracorriente
 De impulsos de aire 
comprimido
Filtros de mangas: de limpieza por vibración
30/5/2019
34
Filtros de mangas: de impulsos de aire comprimido
Ventajas de los filtros de manga
 Eficacia muy alta, e independiente del tamaño 
de las partículas y variando muy poco con las 
condiciones de operación.
 Pérdida de carga y consumo de energía moderado.
 No producen efluentes líquidos.
 Costo inicial medio.
 Producto recuperado seco.
30/5/2019
35
Desventajas de los filtros de manga
 Uso limitado por las altas temperaturas
(aprox. 250° C con fibra de vidrio y teflón).
 Peligro de exposiciones e incendios.
 Costos de mantenimiento elevados debido a los 
materiales de las mangas.
Precipitadores electrostáticas
30/5/2019
36
Ventajas de los precipitadores
electrostáticos
 Altas eficacias incluso con partículas muy 
pequeñas
 Producto recuperado seco.
 Pérdida de carga muy baja con gastos operativos 
muy bajos.
 Bajo mantenimiento, partes móviles mínimas.
 Pueden operar a temperaturas muy altas 
normalmente hasta 400° C (pueden llegar a 
650°C)
Desventajas de los precipitadores
electrostáticos
 No se adaptan bien a condiciones variables.
 Algunos materiales son prácticamente imposibles 
de captar debido a resistividad muy alta o muy 
baja.
 Generalmente, necesitan un ciclón previo para 
reducir la carga de polvo a la entrada del 
electrofiltro.
 No pueden manejar gases o polvo explosivos.
 Costo inicial muy alto, son los equipos más caros
30/5/2019
37
Lavadores y absorbedores húmedos
 Torres de 
relleno
Lavadores y absorbedores húmedos
 Lavadores 
de platos
30/5/2019
38
Lavadores y absorbedores húmedos
 Lavadores 
Venturi
Lavadores y absorbedores húmedos
 Ventajas
 Captan gases y partículas a la vez
 Construcción sencilla
 Costo de operación medio para lograr eficacias 
medias (sin contar tratamiento del líquido)
 Mantenimiento moderado (inyectores y corrosión)
 Soportan condiciones duras de temperatura
 Pueden manejar productos difíciles de tratar por otros 
medios (pastosos, explosivos)
30/5/2019
39
Lavadores y absorbedores húmedos
 Desventajas
 Transfieren el contaminante al líquido
 Para conseguir alta eficiencia se requiere un costo global 
elevado
 En algunos casos se presentan problemas de abrasión y 
corrosión
Control de gases y olores
 ABSORCIÓN: Basados en el
principio de la absorción, transfieren
el contaminante de la fase
gaseosa a liquida. Esto es un
proceso de transferencia de masa en el
cual el gas se disuelve en el líquido. El
contaminantegaseoso se mueve
de puntos de alta concentración a
puntos de baja, y la remoción del
gas contaminante se lleva a cabo en
tres fases:
• Difusión del gas hacia la superficie del líquido
• Disolución: transferencia de la interfase gas-
líquido
• Difusión del gas disuelto de la interfase hacia el
liquido.
 Los equipos utilizados son cámaras y
torres o columnas de rocío.
30/5/2019
40
Adsorción
 Este es también un
proceso de
transferencia de
masa, en el cual el gas
se pega a un sólido
por medio de fuerzas
electrostáticas.
 Los adsorbentes mas
comúnmente usados son:
silica gel, alúmina
activada, carbono
activado, sedasos
moleculares.
Combustión
 Es un método de
control cuando el
contaminante es
oxidable a un gas
inerte. De manera
general el CO y los
hidrocarburos caen en
esta categoría.
 Las aplicaciones más
comerciales son
combustión directa y
combustión catalítica.
30/5/2019
41
FIN