Un depurador Venturi está diseñado para utilizar eficazmente la energía de una corriente de gas de entrada de alta velocidad para atomizar el líquido que se utiliza para depurar la corriente de gas. Este tipo de tecnología forma parte del grupo de controles de la contaminación del aire denominados colectivamente depuradores húmedos .
Los Venturis se pueden utilizar para recoger contaminantes tanto particulados como gaseosos, pero aunque la superficie del líquido proporcionada es bastante grande, son más eficaces para eliminar partículas, ya que las partículas pueden quedar atrapadas por contacto, pero los gases deben quedar atrapados por absorción durante el tiempo de exposición relativamente corto.
Los dispositivos Venturi también se han utilizado durante más de 100 años para medir el flujo de fluidos ( los tubos Venturi derivan su nombre de Giovanni Battista Venturi , un físico italiano). A fines de la década de 1940, HF Johnstone [1] , William Jones [2] y otros investigadores descubrieron que podían usar eficazmente la configuración Venturi para eliminar partículas de corrientes de gas. La figura 1 ilustra la configuración Venturi clásica. [3]
Un depurador Venturi con eyector o chorro es un dispositivo de control de la contaminación industrial que se instala generalmente en las chimeneas de gases de escape de hornos grandes , pero que también se puede utilizar en cualquier otro sistema de extracción de aire . Se diferencian de otros depuradores Venturi en que la energía se deriva de la pulverización de líquido a alta presión desde una boquilla en lugar del flujo de gas de proceso, lo que permite que el depurador actúe también como un eyector de vacío y aspire el gas de proceso a través del dispositivo sin asistencia externa.
Un depurador Venturi consta de tres secciones: una sección convergente, una sección de garganta y una sección divergente. La corriente de gas de entrada entra en la sección convergente y, a medida que el área disminuye, la velocidad del gas aumenta. El líquido se introduce en la garganta o en la entrada de la sección convergente. El gas de entrada, obligado a moverse a velocidades extremadamente altas en la pequeña sección de garganta, se mezcla turbulentamente con el líquido, produciendo una enorme cantidad de gotitas diminutas. La eliminación de partículas y gases se produce en la sección divergente a medida que la corriente de gas de entrada se mezcla con la niebla de gotitas de líquido diminutas. La corriente de entrada luego sale a través de la sección divergente, donde se ve obligada a reducir su velocidad.
Si se introduce líquido por encima de la sección convergente y recubre las paredes hasta la garganta, entonces el venturi se describe como de "pared húmeda" o "garganta mojada", como se ve en la Figura 2. Este método permite que las partículas en la corriente que pueden ser propensas a apelmazarse sobre las superficies se eliminen y reduce la abrasión mecánica de las partículas que golpean la garganta a alta velocidad. Es muy eficaz para manipular gases de entrada calientes y secos que contienen polvo o partículas que son abrasivas o corrosivas, como los gases de hornos o de calderas.
La humectación de la garganta se puede lograr con un rociador dirigido a las paredes o con un vertedero que rodee la sección convergente por donde fluye el agua. Este método se puede utilizar solo en una fuente de inyección de líquido, ya que el gas a alta velocidad arrancará gotitas de las paredes. El líquido también se puede introducir mediante boquillas rociadoras directamente en la corriente de gas y, para velocidades de flujo de gas bajas, esto puede proporcionar un funcionamiento más eficiente; se pueden emplear uno o ambos métodos según la aplicación.
Los venturis simples tienen áreas de garganta fijas y, por lo tanto, solo funcionarán de manera eficiente en un cierto rango de caudales. Los venturis de garganta ajustable permiten mantener la eficiencia en un rango mucho más amplio de caudales al cambiar el tamaño de la garganta de acuerdo con el caudal de gas. Se descubrió que ciertos tipos de orificios (áreas de garganta) que crean más turbulencia que un venturi verdadero eran igualmente eficientes para una unidad dada de energía consumida y los resultados de estos hallazgos llevaron al desarrollo del depurador venturi de orificio anular o de garganta ajustable ( Figura 5 ). [3] El tamaño del área de la garganta se varía moviendo un émbolo, o disco ajustable, hacia arriba o hacia abajo en la garganta, lo que disminuye o aumenta la abertura anular. El gas fluye a través de la abertura anular y atomiza el líquido que se rocía sobre el émbolo o se arremolina desde la parte superior.
Los venturis de garganta húmeda con gargantas redondas ( Figuras 2 y 3 ) pueden manejar flujos de entrada tan grandes como 88,000 m 3 /h (40,000 cfm). [4] A tasas de flujo de entrada mayores que esto, lograr una distribución uniforme del líquido es difícil, a menos que se utilicen vertederos o deflectores adicionales. Para manejar grandes flujos de entrada, se han utilizado depuradores diseñados con gargantas rectangulares, estrechas y largas ( Figura 4 ). [3] El venturi de garganta rectangular a menudo se construye para ser ajustable introduciendo placas móviles o aletas en la garganta, como se muestra en la Figura 6. Se utiliza un rociador de lavado con agua para lavar continuamente el material recolectado de la placa.
Otra modificación se puede ver en el depurador de varillas Venturi o de plataforma de varillas. Al colocar una serie de tubos paralelos entre sí, se puede crear una serie de aberturas Venturi longitudinales como se muestra en la Figura 7. [3] El área entre varillas adyacentes es una pequeña garganta Venturi. Los rociadores de agua ayudan a prevenir la acumulación de sólidos. La atomización principal del líquido ocurre en las varillas, donde el gas de alta velocidad que se mueve a través de los espacios crea las pequeñas gotas necesarias para la recolección de partículas finas. Este método puede producir densidades de gotas de agua muy altas en la corriente de gas debido a un perímetro de garganta muy alto en comparación con otros tipos. Estas varillas deben estar hechas de material resistente a la abrasión debido a las altas velocidades presentes.
Todos los depuradores Venturi requieren un separador de arrastre porque la alta velocidad del gas a través del depurador tendrá una tendencia a arrastrar las gotitas con la corriente de gas limpio de salida. Los separadores ciclónicos , de malla y de cuchillas se utilizan para eliminar las gotitas de líquido del gas de combustión y devolver el líquido al agua del depurador.
Al igual que una torre de pulverización, un depurador Venturi con eyector utiliza un chorro de pulverización preformado. Sin embargo, en un depurador Venturi con eyector se utiliza una única boquilla en lugar de muchas boquillas. Esta boquilla funciona a presiones y tasas de inyección más altas que las de la mayoría de las cámaras de pulverización. La boquilla de pulverización de alta presión (hasta 689 kPa o 100 psig ) está dirigida a la sección de la garganta de una constricción Venturi .
El venturi eyector es único entre los sistemas de depuración disponibles, ya que puede mover el gas de proceso sin la ayuda de un ventilador o soplador. El rociado de líquido que sale de la boquilla crea un vacío parcial en el conducto lateral del depurador. El vacío parcial se debe al efecto Bernoulli y es similar a los aspiradores de agua que se utilizan en los laboratorios de química. Este vacío parcial se puede utilizar para mover el gas de proceso a través del venturi, así como a través del sistema de proceso de la instalación. En el caso de material que se obstruye fácilmente, gases explosivos o atmósferas extremadamente corrosivas, la eliminación de un ventilador en el sistema puede evitar muchos problemas potenciales.
La energía para la formación de gotitas depuradora proviene del líquido inyectado. Los chorros de alta presión que pasan a través de la garganta del venturi forman numerosas gotitas finas de líquido que proporcionan una mezcla turbulenta entre las fases líquida y gaseosa. Se utilizan tasas de inyección de líquido muy altas para proporcionar la capacidad de mover el gas y mayores eficiencias de recolección. Al igual que con otros tipos de venturis, se debe instalar un medio para separar el líquido arrastrado de la corriente de gas. Los separadores de arrastre se utilizan comúnmente para eliminar las pequeñas gotitas restantes.
El líquido atomizado genera una enorme cantidad de pequeñas gotas sobre las que impactan las partículas de polvo. Estas gotas de líquido que contienen las partículas deben eliminarse de la corriente de salida del depurador, generalmente mediante separadores ciclónicos .
La eficiencia de eliminación de partículas aumenta con la caída de presión debido al aumento de la turbulencia debido a la alta velocidad del gas en la garganta. Los venturis pueden funcionar con caídas de presión que van desde 12 milibares hasta 250 milibares.
La mayoría de los venturis normalmente funcionan con caídas de presión en el rango de 50 a 150 cm (20 a 60 pulgadas) de agua. Con estas caídas de presión , la velocidad del gas en la sección de garganta suele estar entre 30 y 120 m/s (100 a 400 pies/s), o aproximadamente 270 mph en el extremo superior. Estas altas caídas de presión resultan en altos costos operativos.
La tasa de inyección de líquido, o la relación líquido-gas (L/G), también afecta la recolección de partículas. Se debe inyectar la cantidad adecuada de líquido para proporcionar una cobertura adecuada de líquido sobre el área de la garganta y compensar las pérdidas por evaporación. Si no hay suficiente líquido, no habrá suficientes objetivos líquidos para proporcionar la eficiencia de captura requerida.
La mayoría de los sistemas Venturi funcionan con una relación L/G de 0,4 a 1,3 L/m 3 (3 a 10 gal/1000 ft 3 ). [4] Las relaciones L/G inferiores a 0,4 L/m 3 (3 gal/1000 ft 3 ) normalmente no son suficientes para cubrir la garganta, y añadir más de 1,3 L/m 3 (10 gal/1000 ft 3 ) normalmente no mejora significativamente la eficiencia de recolección de partículas.
Los eyectores Venturi son eficaces para eliminar partículas de más de 1,0 μm de diámetro. Estos depuradores no se utilizan en partículas de tamaño submicrométrico a menos que las partículas sean condensables. [5] La recolección de partículas se produce principalmente por impacto a medida que el gas de escape (del proceso) pasa a través del rociador.
La turbulencia que se produce en el área de la garganta también hace que las partículas entren en contacto con las gotas húmedas y se recojan. La eficiencia de recolección de partículas aumenta con un aumento en la presión de la boquilla y/o un aumento en la relación líquido-gas . Los aumentos en cualquiera de estos dos parámetros operativos también darán como resultado un aumento en la caída de presión para un sistema determinado. Por lo tanto, un aumento en la caída de presión también aumenta la eficiencia de recolección de partículas. Los venturis eyectores funcionan a relaciones L/G más altas que la mayoría de los demás depuradores de partículas (es decir, 7 a 13 L/m 3 en comparación con 0,4-2,7 L/m 3 para la mayoría de los demás diseños), y a menudo también requieren presiones de líquido más altas, especialmente si se utilizan para impulsar el gas de proceso.
Los depuradores Venturi se pueden utilizar para eliminar contaminantes gaseosos; sin embargo, no se utilizan cuando la eliminación de contaminantes gaseosos es la única preocupación.
Las altas velocidades de entrada de gas en un depurador Venturi dan como resultado un tiempo de contacto muy corto entre las fases líquida y gaseosa. Este corto tiempo de contacto limita la absorción de gas . Sin embargo, debido a que los Venturi tienen un diseño relativamente abierto en comparación con otros depuradores, siguen siendo muy útiles para la eliminación simultánea de contaminantes gaseosos y particulados , especialmente cuando:
Para maximizar la absorción de gases, los venturis están diseñados para funcionar en condiciones diferentes a las que se utilizan para recolectar partículas. Las velocidades de los gases son más bajas y las relaciones líquido-gas son más altas para la absorción.
Para un diseño de venturi determinado, si se reduce la velocidad del gas, también se reducirá la caída de presión (resistencia al flujo) y viceversa. Por lo tanto, al reducir la caída de presión , se reduce la velocidad del gas y se aumenta el tiempo de residencia correspondiente. Las relaciones de líquido a gas para estas aplicaciones de absorción de gas son aproximadamente de 2,7 a 5,3 L/m3 ( 20 a 40 gal/1000 ft3 ) . La reducción de la velocidad del gas permite un mayor tiempo de contacto entre las fases y una mejor absorción .
Aumentar la relación líquido-gas aumentará la solubilidad potencial del contaminante en el líquido. Por este motivo, a menudo se utiliza el depurador Venturi con eyector para este fin, aunque otros factores pueden hacer que se elija un depurador Venturi típico.
Aunque son capaces de realizar algún control incidental de compuestos orgánicos volátiles (VOC), generalmente los depuradores Venturi se limitan a controlar PM ( materia particulada ) y gases de alta solubilidad o reactivos ( EPA, 1992; EPA, 1996 ). [6]
Los venturis eyectores tienen un tiempo de contacto gas-líquido corto porque las velocidades de los gases de escape a través del recipiente son muy altas. Este corto tiempo de contacto limita la eficiencia de absorción del sistema. Aunque los venturis eyectores no se utilizan principalmente para la eliminación de gases, pueden ser eficaces si el gas es muy soluble o si se utiliza un reactivo depurador muy reactivo. En estos casos, se pueden lograr eficiencias de eliminación de hasta el 95 %. [5]
El principal problema de mantenimiento de los depuradores Venturi es el desgaste o la abrasión de la carcasa del depurador debido a las altas velocidades del gas. Las velocidades del gas en la garganta pueden alcanzar velocidades de 430 km/h (270 mph). Las partículas y las gotas de líquido que viajan a estas velocidades pueden erosionar rápidamente la carcasa del depurador.
La abrasión se puede reducir revistiendo la garganta con ladrillos de carburo de silicio o colocándole un revestimiento reemplazable. La abrasión también puede ocurrir aguas abajo de la sección de la garganta. Para reducir la abrasión en este caso, el codo en la parte inferior del depurador (que conduce al separador) se puede inundar (es decir, llenar con un charco de líquido depurador). Las partículas y las gotitas impactan en el charco de líquido, lo que reduce el desgaste de la carcasa del depurador.
Una técnica común para ayudar a reducir la abrasión es utilizar un prelimpiador (es decir, aerosoles de enfriamiento o ciclones ) para eliminar las partículas más grandes y dañinas. Esto también tiene el beneficio adicional de reducir la carga de partículas transportada por el líquido.
El método de inyección de líquido en la garganta del venturi también puede causar problemas. Las boquillas de aspersión se utilizan para la distribución de líquido porque son más eficientes (tienen un patrón de aspersión más efectivo) para la inyección de líquido que los vertederos. Sin embargo, las boquillas de aspersión pueden obstruirse fácilmente cuando se recircula el líquido. Se pueden utilizar escariadores automáticos o manuales para corregir este problema. Sin embargo, cuando se recirculan lodos líquidos pesados (viscosos o cargados de partículas), a menudo es necesaria la inyección en vertedero abierto.
Los venturis eyectores están sujetos a problemas de abrasión en las áreas de alta velocidad (boquilla y garganta). Ambos deben estar construidos con materiales resistentes al desgaste debido a las altas tasas de inyección de líquido y las presiones de la boquilla. El mantenimiento de la bomba que recircula el líquido también es muy importante. Además, las altas velocidades del gas requieren el uso de separadores de arrastre para evitar el arrastre excesivo de líquido. Los separadores deben ser de fácil acceso o extraíbles para que se puedan limpiar si se obstruyen.
Los depuradores Venturi pueden tener las mayores eficiencias de recolección de partículas (especialmente para partículas muy pequeñas) de cualquier sistema de depuración húmeda .
Son los depuradores más utilizados porque su construcción abierta les permite eliminar la mayoría de las partículas sin taponamientos ni quemaduras. Los Venturis también pueden utilizarse para absorber gases contaminantes, pero no son tan eficientes para ello como los de torres de placas o de relleno .
Los depuradores Venturi han sido diseñados para recolectar partículas con eficiencias de recolección muy altas, que a veces superan el 99 %. La capacidad de los Venturi para manejar grandes volúmenes de entrada a altas temperaturas los hace muy atractivos para muchas industrias; en consecuencia, se utilizan para reducir las emisiones de partículas en una serie de aplicaciones industriales. Esta capacidad es particularmente deseable para la reducción de emisiones de hornos de cemento y para el control de emisiones de hornos de oxígeno básico en la industria del acero, donde el gas de entrada ingresa al depurador a temperaturas superiores a 350 °C (660 °F).
Los depuradores Venturi también se utilizan para controlar las emisiones de cenizas volantes y dióxido de azufre de las calderas industriales y de servicios públicos .
Las características de funcionamiento de los depuradores Venturi se enumeran en la Tabla 1. [3]
Debido a su diseño abierto y al hecho de que no requieren un ventilador, los venturis eyectores son capaces de manipular una amplia gama de partículas corrosivas y/o pegajosas. Sin embargo, no son muy eficaces para eliminar partículas submicrométricas. Tienen la ventaja de poder manejar caudales de escape pequeños, medianos y grandes. Se pueden utilizar de forma individual o en múltiples etapas de dos o más en serie, según la aplicación específica.
Los sistemas de múltiples etapas se han utilizado donde era necesaria una eficiencia de recolección extremadamente alta de partículas o contaminantes gaseosos. Los sistemas de múltiples etapas proporcionan un mayor tiempo de contacto gas-líquido, lo que aumenta la eficiencia de absorción.
