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 usar para recolectar contaminantes tanto particulados como gaseosos, pero aunque el área de superficie del líquido proporcionada es bastante grande, son más efectivos 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 derivaron su nombre de Giovanni Battista Venturi , un físico italiano). A finales de la década de 1940, HF Johnstone [1] , William Jones, [2] y otros investigadores descubrieron que podían utilizar eficazmente la configuración venturi para eliminar partículas de las corrientes de gas. La Figura 1 ilustra la configuración venturi clásica. [3]
Un eyector o depurador jet venturi es un dispositivo de control de la contaminación industrial , generalmente instalado en las chimeneas de gases de escape de hornos grandes , pero también se puede usar en cualquier otro sistema de escape de aire . Se diferencian de otros depuradores Venturi porque 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 también actúe como un eyector de vacío y extraiga 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 ingresa a 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 la garganta, se mezcla turbulentamente con el líquido, produciendo una enorme cantidad de gotas muy pequeñas. 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 pequeñas gotas de líquido. La corriente de entrada luego sale a través de la sección divergente, donde se ve obligada a reducir la velocidad.
Si se introduce líquido por encima de la sección convergente y cubre las paredes hasta la garganta, entonces se describe que el venturi tiene una "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 aglutinarse en las superficies sean eliminadas por lavado y reduce la abrasión mecánica de las partículas que golpean la garganta a alta velocidad. Es muy eficaz para manejar gases de entrada secos y calientes que contienen polvo o partículas abrasivas o corrosivas, como gases de hornos o hornos.
La humectación de la garganta se puede lograr con un rociado dirigido a las paredes o con un vertedero que rodee la sección convergente por la que fluye el agua. Este método sólo se puede utilizar en una fuente de inyección de líquido, ya que el gas a alta velocidad cortará las gotas 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 una operación más eficiente; se pueden emplear uno o ambos métodos dependiendo de 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 mayor de flujos cambiando el tamaño de la garganta de acuerdo con el caudal de gas. Se descubrió que ciertos tipos de orificios (áreas de la garganta) que crean más turbulencia que un verdadero venturi son igualmente eficientes para una determinada unidad de energía consumida y los resultados de estos hallazgos llevaron al desarrollo del orificio anular o garganta ajustable. depurador venturi ( 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, disminuyendo o aumentando así la abertura anular. El gas fluye a través de la abertura anular y atomiza el líquido que se rocía sobre el émbolo o se hace girar desde la parte superior.
Los venturis de garganta húmeda con gargantas redondas ( Figuras 2 y 3 ) pueden manejar flujos de entrada de hasta 88.000 m 3 /h (40.000 cfm). [4] A caudales de entrada mayores que este, 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, largas y estrechas ( Figura 4 ). [3] El venturi de garganta rectangular a menudo está construido para ser ajustable mediante la introducción de 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 varilla venturi o plataforma de varilla. Al colocar varios tubos paralelos entre sí, se puede crear una serie de aberturas venturi longitudinales como se muestra en la Figura 7 . [3] El área entre las varillas adyacentes es una pequeña garganta venturi. Los rociadores de agua ayudan a prevenir la acumulación de sólidos. La principal atomización del líquido se produce en las varillas, donde el gas a alta velocidad que se mueve a través de 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 fabricadas de un 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 tenderá a arrastrar las gotas con la corriente de gas limpio de salida. Los separadores ciclónicos , de malla y de cuchillas se utilizan para eliminar las gotas de líquido de los gases de combustión y devolver el líquido al agua del depurador.
Al igual que una torre de aspersión, un depurador tipo venturi con eyector utiliza un aspersor preformado. Sin embargo, en un depurador Venturi con eyector sólo se utiliza una única boquilla en lugar de muchas boquillas. Esta boquilla opera a presiones más altas y velocidades de inyección más altas que las de la mayoría de las cámaras de aspersión. La boquilla rociadora de alta presión (hasta 689 kPa o 100 psig ) está dirigida a la sección de garganta de una constricción venturi .
El eyector venturi es único entre los sistemas de depuración disponibles, ya que puede mover el gas del proceso sin la ayuda de un ventilador o soplador. El líquido rociado que sale de la boquilla crea un vacío parcial en el conducto lateral de la fregadora. El vacío parcial se debe al efecto Bernoulli y es similar a los aspiradores de agua utilizados 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 materiales que se obstruyen 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 gotas de lavado proviene del líquido inyectado. Los aerosoles de alta presión que pasan a través de la garganta del venturi forman numerosas finas gotas de líquido que proporcionan una mezcla turbulenta entre las fases gaseosa y líquida. Se utilizan tasas de inyección de líquido muy altas para proporcionar capacidad de movimiento de 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 gotas restantes.
El líquido atomizado proporciona una enorme cantidad de pequeñas gotas sobre las que impactan las partículas de polvo. Estas gotitas de líquido que incorporan las partículas deben eliminarse de la corriente de salida del depurador, generalmente mediante separadores ciclónicos .
La eficiencia de eliminación de partículas aumenta al aumentar 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 oscilan entre 12 milibar y 250 milibar.
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. A estas caídas de presión , la velocidad del gas en la sección de la 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 relación líquido-gas (L/G), también afecta la recolección de partículas. Se debe inyectar la cantidad adecuada de líquido para proporcionar una cobertura de líquido adecuada sobre el área de la garganta y compensar cualquier pérdida por evaporación. Si no hay suficiente líquido, entonces 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 pies 3 ). [4] Las relaciones L/G inferiores a 0,4 L/m 3 (3 gal/1000 pies 3 ) generalmente no son suficientes para cubrir la garganta, y agregar más de 1,3 L/m 3 (10 gal/1000 pies 3 ) no lo hace. Por lo general, mejoran significativamente la eficiencia de recolección de partículas.
Los eyectores venturis 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 cuando 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 eyectores venturis funcionan con relaciones L/G más altas que la mayoría de los demás depuradores de partículas (es decir, de 7 a 13 L/m 3 en comparación con 0,4-2,7 L/m 3 para la mayoría de los otros diseños) y, a menudo, también requieren presiones de líquido más altas, especialmente si se utilizan. utilizado para impulsar el gas de proceso.
Los depuradores Venturi se pueden utilizar para eliminar contaminantes gaseosos; sin embargo, no se utilizan cuando la única preocupación es la eliminación de contaminantes gaseosos.
Las altas velocidades del gas de entrada 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 venturis 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 un conjunto de condiciones diferentes a las utilizadas para recolectar partículas. Las velocidades del gas son menores y las relaciones líquido-gas son mayores para la absorción.
Para un diseño venturi determinado, si la velocidad del gas disminuye, la caída de presión (resistencia al flujo) también disminuirá y viceversa. Por lo tanto, al reducir la caída de presión , la velocidad del gas disminuye y el tiempo de residencia correspondiente aumenta. Las relaciones líquido-gas para estas aplicaciones de absorción de gas son aproximadamente de 2,7 a 5,3 L/m 3 (20 a 40 gal/1000 pies 3 ). La reducción de la velocidad del gas permite un mayor tiempo de contacto entre fases y una mejor absorción .
Aumentar la relación líquido-gas aumentará la solubilidad potencial del contaminante en el líquido. Esta es la razón por la que a menudo se utiliza el depurador Venturi con eyector para este propósito, aunque otros factores aún pueden resultar en la elección de un depurador Venturi típico.
Aunque son capaces de realizar cierto control incidental de compuestos orgánicos volátiles (COV), generalmente los depuradores venturi se limitan a controlar PM ( partículas ) y gases reactivos o de alta solubilidad ( EPA, 1992; EPA, 1996 ). [6]
Los eyectores venturis 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 eyectores venturis no se utilizan principalmente para la eliminación de gases, pueden ser eficaces si el gas es muy soluble o si se utiliza un reactivo de lavado 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 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 gotas de líquido que viajan a estas velocidades pueden erosionar rápidamente la carcasa del depurador.
La abrasión se puede reducir recubriendo la garganta con un ladrillo de carburo de silicio o colocándole un revestimiento reemplazable. La abrasión también puede ocurrir aguas abajo de la sección de garganta. Para reducir la abrasión en este caso, el codo en la parte inferior del lavador (que conduce al separador) puede inundarse (es decir, llenarse con un charco de líquido de lavado). Las partículas y gotas 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 ciclón ) para eliminar las partículas más grandes y dañinas. Esto también tiene el beneficio adicional de reducir la carga de partículas transportadas 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 líquidos porque son más eficientes (tienen un patrón de aspersión más efectivo) para la inyección de líquidos 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 (ya sean viscosos o cargados de partículas), a menudo es necesaria la inyección a través de vertedero abierto.
Los eyectores venturi 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 presiones de las boquillas. También es muy importante el mantenimiento de la bomba que recircula el líquido. Además, las altas velocidades del gas requieren el uso de separadores de arrastre para evitar un arrastre excesivo de líquido. Los separadores deben ser fácilmente accesibles o removibles para que puedan limpiarse si se obstruye.
Los depuradores Venturi pueden tener la mayor eficiencia de recolección de partículas (especialmente para partículas muy pequeñas) de cualquier sistema de depuración húmedo .
Son los depuradores más utilizados porque su construcción abierta les permite eliminar la mayoría de las partículas sin obstruirse ni quemarse. Los venturis también se pueden utilizar para absorber gases contaminantes; sin embargo, no son tan eficientes para esto como lo son las torres empaquetadas o de placas .
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 venturis 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 venturis también se utilizan para controlar las emisiones de cenizas volantes y dióxido de azufre de calderas industriales y de servicios públicos .
Las características operativas de los depuradores venturi se enumeran en la Tabla 1 . [3]
Debido a su diseño abierto y al hecho de que no requieren ventilador, los eyectores venturis son capaces de manejar 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 flujos de escape pequeños, medianos y grandes. Se pueden utilizar individualmente o en múltiples etapas de dos o más en serie, según la aplicación específica.
Se han utilizado sistemas de múltiples etapas cuando era necesaria una eficiencia de recolección de partículas o contaminantes gaseosos extremadamente alta. Los sistemas de múltiples etapas proporcionan un mayor tiempo de contacto gas-líquido, aumentando así la eficiencia de absorción.
