Protección Ambiental del aire

Por José Agustín García Reynoso

Este libro tiene como objetivo proporcionar los conocimientos necesarios para prevenir, controlar y remediar la contaminación atmosférica ambiental provocada por procesos industriales. Es producto de las notas de clase producidas durante la impartición de la materia de Ingeniería Ambiental. Si bien el curso completo considera la contaminación de agua, suelo, residuos y ruido, en este documento sólo se consideran los aspectos relacionados con la contaminación atmosférica.

• Idioma: Español
• Editorial: UNAM, Facultad de Química
• Fecha de lanzamiento: 7 mar 2023
• ISBN: 9786073059251

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Parte I

GENERALIDADES

CAPÍTULO 1

INFORMACIÓN BÁSICA EMPLEADA EN INGENIERÍA AMBIENTAL

Lo más maravilloso de la ciencia es que está viva.

—Richard Phillips Feynman

La Ingeniería Ambiental es una rama de la Ingeniería, la cual tiene por objeto el estudio, la evaluación, la cuantificación y el control de las emisiones provenientes de las actividades humanas relacionadas con los procesos de producción. Se basa en la ciencias químicas, físicas, matemáticas y toma en cuenta la parte legal y social.

En este capítulo se presenta información sobre los sistemas ambientales, el manejo de unidades dentro de la Ingeniería Ambiental, se revisan de conceptos de química, fisicoquímica, ingeniería; posteriormente se verán los diversos ecosistemas y la afectación de las actividades humanas en los mismos.

1.1.Sistemas ambientales

Tomando en cuenta que los problemas de contaminación afectan al ambiente, se requiere utilizar el método de sistemas, lo cual implica estudiar los elementos asociados y su interacción, ya que en la naturaleza todo estárelacionado.

Los recursos naturales interactúan formando cadenas y redes que dan sustento a los diferentes ecosistemas. Éstos son sistemas reales, los cuales intercambian con su entorno energía, materia e información.

Desde la macroescala se pueden distinguir tres sistemas que servirán de base para el desarrollo de este texto, que son el sistema de administración de calidad del aire, el sistema de administración de calidad del agua y el sistema de administración de residuos sólidos.

La administración del recurso hídrico es el proceso de manejar la cantidad y la calidad del agua que se emplea para el consumo humano sin destruir su disponibilidad y pureza.

El recurso aire difiere del recurso agua en dos aspectos importantes. El primero se relaciona con la cantidad. Mientras que se requieren estructuras técnicas para proporcionar un suministro adecuado de agua, el aire se entrega sin costo, en todas las cantidades que se neccesiten. El segundo aspecto se relaciona con la calidad. A diferencia del agua, que se puede tratar antes de usarla, con el aire no puede ocurrir lo mismo. El balance entre costo y beneficio al obtener una cantidad deseada de aire se llama administración del recurso aire. Los programas de este recurso se instituyen por diversas razones. Las que más se pueden defender son: 1) la calidad del aire se ha deteriorado y hay necesidad de corregirla, y 2) el gran potencial de que cause problemas en el futuro.

Finalmente, los residuos sólidos son un problema a resolver lo más económicamente posible, y no representa un recurso que se deba recuperar.

1.2.Unidades

En los estudios de la contaminación ambiental se realizan diferentes mediciones para su evaluación y control, las cuales se expresan en diferentes unidades, ya que provienen de distintos campos de estudio de la contaminación, por lo que es necesario conocer las unidades así como sus diferentes factores de conversión.

1.3.Ley general de los gases

La Ley General de los Gases se puede aplicar para las condiciones de presión y temperatura ambiente. La relación que guardan la temperatura, presión, volumen y cantidad de masa se muestra en la siguiente ecuación:

Cuadro 1.1Factores de conversión de unidades.

Donde:

También tenemos:

y para calcular la densidad de un gas se emplea la siguiente ecuación a partir de la Ec. 1.1:

Donde:

EJEMPLO 1.1

Calcular la densidad de un gas en cuyo peso molecular es 29.98 g/g mol, a una presión de 0.8 atm y a 130 °C de temperatura.

1. Calcular la temperatura en Kelvin.

Si T[K] = T[ °C] +273.15 entonces T[ K] = 130 + 273.15 = 403.15

2. Empleando la Ec. 1.3 tenemos:

1.4.Concentraciones

Las conversiones entre diferentes unidades de concentración son las siguientes:

Cuadro 1.2Conversiones de concentraciones.

Para convertir concentraciones de gases y vapores de partes por millón en volumen a miligramos por metro cúbico y viceversa, a cualquier temperatura y presión, se pueden emplear las siguientes ecuaciones:

Donde:

EJEMPLO 1.2

Si se tiene un 21 % de oxígeno en el aire ¿a cu´anto corresponde en ppb?

Si 1% corresponde a 10,000 ppm entonces 21% equivale a 210,000 ppm.

1.5.Emisiones

La liberación de los contaminantes a la atmósfera, por los diferentes procesos industriales o actividades económicas, se relaciona con la cantidad de masa liberada en unidad de tiempo, así tenemos que poseen las siguientes unidades: kg/h, kg/día, Ton/año.

EJEMPLO 1.3

Fuente: Inventario de emsiones de la ZMVM 2010. SMA

1.6.Factor de dilución

La emisión de una sustancia se puede convertir a concentración mediante el factor de dilución el cual se obtiene al emplear modelos de calidad del aire. Cuando existe una emisión de una sustancia proveniente de los diferentes procesos industriales o actividades económicas, ésta, al ser arrastrada por el aire, se mezcla, con lo cual se diluye. Entre mayor sea el transporte, mayor será la dilución del contaminante.

Donde:

1.7.Peso molecular promedio

Debido a que las mezclas gaseosas se encuentran formadas por diferentes gases, se requiere calcular el peso molecular de dicha composición, para la cual se emplea el Peso Molecular Promedio ( ), el cual se obtiene de la suma de los valores obtenidos al multiplicar la fracción mol (yi) de cada compuesto con su respectivo peso molecular (Mi),

La fracción mol (yi) se puede obtener a partir del porcentaje en volumen (%Voli) del gas en la mezcla de la siguiente forma:

Comúnmente, el análisis de los gases se obtiene en base seca, por lo que se calcula el peso molecular promedio en base seca ( ) y a partir de conocer el porcentaje de humedad (%H) en la mezcla, se obtiene el peso en base húmeda ( ) mediante la siguiente relación:

EJEMPLO 1.4

Calcular el peso molecular promedio del flujo de gas de un proceso de calcinación que tiene la siguiente composición: 15% oxígeno (O2), 8% bióxido de carbono (CO2), 69.55% de nitrógeno (N2) y 7.45 % de agua (H2O).

Al aplicar las Ec. 1.6 y Ec. 1.7 se genera la siguiente tabla, donde se obtiene el peso molecular promedio

donde

% Vol — es el porcentaje en volumen del compuesto en la corriente gaseosa

yi — es la fracción volumen o mol del compuesto i en la corriente gaseosa

Mi — es el peso molecular del compuesto i

FPMi — es la fracción de peso molecular del compuesto i en la mezcla gaseosa

EJEMPLO 1.5

Se tiene un gas de combustión cuya composición es: 12 % oxígeno (O2) y 22% bióxido de carbono (CO2). Mediante un análisis gravimétrico se determinó que la humedad del gas es del 12%. Calcular el peso molecular base húmeda.

1. El nitrógeno (N 2 ) en la mezcla gaseosa se obtiene por diferencia, así tenemos que:

%N2 = 100− %O2− %CO2 entonces %N2 = 100 − 12 − 22 = 66.

2. Se calcula el peso molecular promedio base seca ( )

3. Se calcula el peso molecular base húmeda ( ) mediante la Ec. 1.8 .

EJERCICIOS

1.1 Conversiones

a) Convertir 0.13 ppm de SO 2 a μ g/m ³ considerando las siguientes condiciones ambientales T= 298°K y P=1 atm

b) Convertir 15 μ g/m ³ de Benceno a ppb (T = 275° K y P= 1 atm)

c) ¿Cuántos Pascales hay en 1"C.A.?

Considere la densidad del mercurio (13.579 g/L) y 1 atm – 760 mmHg.

d) Convierta la concentración de 75 gr/ft ³ a g/m ³ .

e) Diga en ppm y en μ g/m ³ ¿cuánto corresponde 0.038% de CO 2 ?

f) Convierta el factor de dilución de 100 ( μ g/m ³ )/(kg/h r ) a ( mg/m ³ )/(lb/año).

1.2 Peso Molecular Promedio

a) Calcule el peso molecular promedio del aire, considerando que 79% nitrógeno y 21% oxígeno.

b) Calcule la densidad del aire seco y con 15% de humedad. Indique cuál es el más pesado.

1.8.Presión velocidad

Dentro de un conducto se pueden obtener tres mediciones de presión: la primera es la presión total en el conducto, que es la suma de la presión estática (segunda) más la presión que ejerce el fluido en el sentido del flujo (tercera). Esta última se le conoce como presión velocidad (VP) que puede obtenerse por medio de la diferencia de la presión total y de la presión estática. Otra forma de obtenerla es mediante la Ecuación de Bernoulli, asítenemos que:

Si Z1 = Z2, las pérdidas = 0, v1 = 0 y ρ1 = ρ2, tenemos

reagrupando términos obtenemos,

Despejando v queda:

Si

g = 115,866 ft/min²

Δp = 5.192 VP "C.A. /(lb/ft²)

Tenemos :

Para aire a temperatura ambiente tenemos que ρ = 0.075 lb/ft³, sustituyendo ρ en la ecuación anterior tenemos:

EJEMPLO 1.6

Estimar la velocidad de una corriente gaseosa si la presión velocidad medida fue de 120 Pa con una densidad de 0.90 kg/m³.

Empleado la Ec. 1.12 para unidades internacionales y substituyendo los valores tenemos:

Entonces la velocidad de la corriente gaseosa es de 16.3 m/s

1.9.Eficiencia de colección

Podemos definir la eficiencia de colección de un equipo o sistema de control de emisiones como:

Si nos referimos a partículas, en este caso la ecuación es la siguiente:

La eficiencia global de colección en masa es la forma más sencilla de medir, ya que es posible tomar muestras a la entrada y a la salida del equipo de control de emisiones con un filtro.

Otro término empleado para definir la eficiencia es el de penetración, que representa la cantidad de masa emitida por un equipo de control.

1.10.Distribución de tamaño de partícula

A diferencia de los gases que poseen tamaños moleculares constantes para el mismo compuesto, las partículas no. Éstas poseen una distribución de tamaños que varía dependiendo del origen de las mismas. Para obtener la distribución de tamaños de partículas, se realiza un conteo para cada intervalo de tamaños seleccionado. En el Cuadro 1.3 se muestra un ejemplo de una distribución de partículas.

Cuadro 1.3Distribución de tamaños de partículas por número.

Se puede obtener la distribución en masa a partir de la distribución en tamaño mediante la siguiente ecuación:

Donde:

%Pesoi es el porcentaje en peso para las partículas i de diámetro promedio di y %Ni es el porcentaje en número que se calcula de la siguiente forma:

El %Peso se emplea para conocer la remoción en porcentaje del peso que se tiene a partir de cierto tamaño de partícula.

EJEMPLO 1.7

Se desea eliminar el 90% en masa de la emisión de partículas de una corriente gaseosa. Estas partículas poseen la distribución de tamaños presentada en el Cuadro 1.4:

Cuadro 1.4Distribución de tamaños de partícula del ejemplo.

Para calcular, primero es necesario obtener el número total de partículas (columna 2, parte inferior). Posteriormente, se obtiene el porcentaje en número (columna 3), se calcula d³ (columna 5), se obtiene el valor de para cada tamaño y la suma del mismo (columna 4). Finalmente, se obtiene el %Peso a partir de la Ec. 1.18 (columna 7).