Eliminació d'acetona d'un corrent d'aire

1 ÍNDEX 1. INTRODUCCIÓ......................................................................................................... 3 2. TECNOLOGIES PER ELIMINAR CONTAMINANTS EN CORRENTS GASOSOS ....................................................................................................................... 4 2.1. Adsorció ................................................................................................................ 5 2.1.1. Equip d’adsorció............................................................................................. 7 2.1.2. Fonaments de l’adsorció............................................................................... 10 2.1.3. Tipus d’adsorbents........................................................................................ 13 2.2. Absorció ............................................................................................................. 16 2.2.1. Torres de rebliment....................................................................................... 16 2.2.2. Torres de plats .............................................................................................. 21 2.2.2.1. Característiques generals.........................................................................24 2.2.3. Desorció o stripping ..................................................................................... 27 2.3. Biofiltració........................................................................................................... 29 2.3.1. Tipus de biofiltres......................................................................................... 30 2.3.1. Contaminants................................................................................................ 34 2.3.2. Microorganismes.......................................................................................... 35 2.3.2. Rebliment ..................................................................................................... 36 2.3.3. Distribució del gas........................................................................................ 38 2.3.4. Control de la temperatura............................................................................. 40 2.3.5. Control del pH.............................................................................................. 40 3. MODELS MATEMÀTICS PER AL DISSENY DE L’ADSORCIÓ, L’ABSORCIÓ I LA BIOFILTRACIÓ....................................................................... 41 3.1. Disseny d’una torre d’adsorció............................................................................ 41 3.1.1. Transferència de matèria entre fases fluida i sòlida. Coeficients de transport.................................................................................................................. 42 3.1.2. Equacions a utilitzar ..................................................................................... 44 3.1.2.1. Equacions de balanç de matèria.............................................................44 3.1.2.2. Equacions de transferència.....................................................................45 3.1.2.3. Equacions de disseny.............................................................................46 3.1.3. Equilibris. Isotermes d’adsorció................................................................... 48 2 3.2. Disseny d’una torre d’absorció............................................................................ 51 3.2.1. Torres de rebliment....................................................................................... 51 3.2.2. Torres de contacte discontinu (plats)............................................................ 57 3.2.2.1. Mètode gràfic..........................................................................................57 3.2.2.2. Mètode analític........................................................................................59 3.3. Disseny d’un biofiltre.......................................................................................... 62 3.3.1. Modelització teòrica del funcionament dels biofiltres ................................. 64 3.3.2. Balanç màssic a la fase gas........................................................................... 68 4. ELIMINACIÓ DE L’ACETONA D’UN CORRENT D’AIRE MITJANÇANT L’ADSORCIÓ, L’ABSORCIÓ I LA BIOFILTRACIÓ........................................... 69 4.1. Aplicació de l’adsorció........................................................................................ 70 4.2. Aplicació de l'absorció ………………….………………………………………71 4.2.1. Mètode gràfic................................................................................................ 71 4.2.2. Mètode analític............................................................................................. 74 4.2.3. Cost de la infraestructura.............................................................................. 76 4.3. Aplicació de la biofiltració.................................................................................. 78 5. ASPECTES MEDIAMBIENTALS......................................................................... 80 5.1. Característiques de l’acetona............................................................................... 81 5.2. Efectes nocius...................................................................................................... 82 6. CONCLUSIONS....................................................................................................... 84 7. BIBLIOGRAFIA...................................................................................................... 85 3 1. INTRODUCCIÓ En aquest projecte s’intentarà veure quina de les tres tecnologies de les que està centrat el treball, és la que millor s’adapta a paràmetres de funcionament, econòmics i de rendiment. Per la qual cosa les tres opcions seran sotmeses a un exemple comú per intentar discernir la tecnologia més adient pel nostre problema. Així, primer es farà una introducció a les tres tècniques per saber el seu funcionament i les seves característiques, després es realitzarà una explicació dels mètodes de càlcul que es fan servir per solucionar qüestions de disseny o de balanços de matèria. Tot seguit se'ls aplicarà un exemple comú i es farà una valoració sobre els resultats obtinguts. També hi ha un capítol dedicat a l’acetona per estudiar la seva problemàtica, la seva procedència i les precaucions que s’han de dur a terme per no resultar afectat. 4 2. TECNOLOGIES PER ELIMINAR CONTAMINANTS EN CORRENTS GASOSOS Degut a la gran varietat i complexitat dels processos industrials moderns no resulta pràctic abastar tota la matèria que comprèn l’enginyeria química sota una denominació, sinó que es divideix arbitràriament en una sèrie de sectors. Un mètode molt convenient per organitzar la matèria d’estudi que abasta l’enginyeria química es basa en dos fets: (1) encara que el nombre de processos individuals és molt gran, cadascun d’ells pot dividir-se en una sèrie d’etapes, anomenades operacions, que es repeteixen al llarg de diferents processos; (2) les operacions individuals tenen tècniques en comú i es basen en els mateixos fonaments teòrics. El concepte d’operació bàsica és el següent: mitjançant l’estudi sistemàtic d’aquestes operacions en sí s’unifica i resulta més senzill el tractament de tots els processos. Les operacions bàsiques s’utilitzen àmpliament en la realització de les etapes físiques de preparació dels reactius, separació i purificació de productes, recirculació dels reactius no convertits i control de la transferència d’energia cap o des dels reactius químics. Dins d’aquestes operacions de separació centrarem el nostre estudi en les tècniques d’absorció, adsorció i biofiltració per tal d’eliminar contaminants en corrents gasosos. 5 2.1. Adsorció L’adsorció és un procés de separació en la que certs components d’una fase fluida es transfereixen cap a la superfície d’un sòlid adsorbent. Generalment les petites partícules d’adsorbent es mantenen en un llit fix mentre que el fluid passa contínuament a través del llit fins que el sòlid està pràcticament saturat i no és possible arribar ja a la separació desitjada. Es desvia aleshores cap a un segon llit fins que l’adsorbent saturat és substituït o regenerat. L’intercanvi d’ions és un altre procés que generalment té lloc en semi-continu en un llit fix de forma similar. Així, un aigua que es vulgui desionitzar o purificar, es fa passar per un llit d’esferes de resina d’intercanvi d’ions, situades en una columna, fins que la resina arriba pràcticament a la saturació. En aquest i en molts altres processos l’eficàcia depèn del equilibri sòlid-fluid i de les velocitats de transferència de matèria. Adsorbents i processos d’adsorció La major part dels adsorbents són materials altament porosos i l’adsorció té lloc a l’interior de la partícula sobre les parets dels porus en punts específics. Donat que els porus són generalment molt petits, l’àrea de la superfície interna és molt superior a l’àrea externa i pot arribar a valors tan elevats com 2000 m2 /g. La separació es produeix degut a que diferències de pes molecular o de polaritat donen lloc a que algunes molècules s’adhereixen més fortament a la superfície que d’altres. En molts casos el component adsorbit es fixa amb tanta força que permet una separació completa d’aquest component des d’un fluid sense quasi l’adsorció d’altres components. L’adsorbent pot regenerar-se amb l’objectiu d’obtenir l’adsorbit d’una forma molt concentrada o pura. 6 Figura 2.1. Equip d’adsorció en llit fix (font: www.konetic.or.kor) Les aplicacions de l’adsorció en fase vapor inclouen la recuperació de dissolvents orgànics utilitzats en pintures, tintes d’impremta, i dissolucions per a la formació de pel·lícules i recobriments d’esmalts. L’aire carregat de dissolvent pot enviar-se primerament a un condensador refredat amb aigua o amb un líquid criogènic per tal de retirar part del dissolvent, encara que no és aconsellable refredar el dissolvent a temperatures inferiors de la temperatura ambient. L’aire amb una petita quantitat de dissolvent, es fa passar a través d’un llit de partícules de carbó actiu, el que pot fer reduir la concentració de dissolvent fins a 1 ppm. La concentració final pot estar establerta per normes governamentals en lloc de criteris purament econòmics de cara a recuperació de dissolvent. També s’utilitza l’adsorció sobre carbó per separar contaminants com l’H2S, i altres components amb problemes d’olors, de l’aire que circula en sistemes de ventilació, i en una gran majoria dels nous automòbils es col·loquen unitats de carbó per captar partícules de la benzina. L’assecat de gasos es fa amb freqüència adsorbint l’aigua sobre gel de sílice, alúmina o altres sòlids inorgànics porosos. Les zeolites, o tamisos moleculars, que són aluminosilicats, naturals o sintètics, amb una estructura de porus molt regular, resulten especialment eficaces per a la preparació de gasos amb baix punt de rosada (-75 ºC). 7 L’adsorció sobre tamisos moleculars pot utilitzar-se també per separar oxigen i nitrogen, per separar hidrogen pur a partir de gas de síntesi, així com per separar parafines lineals de parafines ramificades i aromàtics. L’adsorció a partir d’una fase líquida s’utilitza per separar components orgànics d’aigües residuals, impureses acolorides de solucions de sucre i olis vegetals, així com també aigua de compostos orgànics. L’adsorció s’utilitza també per recuperar productes de reacció que no són fàcilment separables per destil·lació o cristal·lització. Alguns tipus de sòlids s’utilitzen per adsorcions en fase de vapor o fase líquida, si bé els adsorbents amb grandària de porus superior són preferibles per adsorció líquida. 2.1.1. Equip d’adsorció Adsorbidors de llit fix A la Figura 2.2 es mostra un sistema d’equip típic per a l’adsorció de vapors de dissolvents. Les partícules d’adsorbent es col·loquen en un llit de 0.3 a 1.2 m de gruix aguantat sobre una placa perforada. L’alimentació porosa circula en sentit descendent a través d’un dels llits mentre que l’altre es troba en regeneració. El flux descendent es preferible degut a que el flux ascendent a velocitats elevades pot comportar la fluidització de les partícules, el que provoca col·lisions. Quan la concentració de solut en el gas de sortida arriba a un cert valor, o bé per un temps establert, s’accionen automàticament les vàlvules per tal de dirigir l’alimentació cap a un altre llit i iniciar la seqüència de regeneració. Figura 2.2. Sistema d’adsorció en fase vapor 8 La regeneració pot realitzar-se amb un gas inert calent, però generalment és preferible utilitzar vapor d’aigua quan el dissolvent no és miscible en aigua. El vapor d’aigua es condensa al llit augmentant la temperatura del sòlid subministrant l’energia necessària per la desorció. El dissolvent es condensa, es separa de l’aigua i, normalment, s’asseca abans de la seva reutilització. El llit pot aleshores refredar-se i assecar-se amb un gas inert, no sent necessari disminuir la temperatura de tot el llit fins la temperatura ambient. Si el gas net pot tolerar el vapor d’aigua, l’evaporació d’aigua durant el cicle d’adsorció ajudarà a refredar el llit i a eliminar parcialment la calor d’adsorció. La densitat del llit i la velocitat del flux generalment es seleccionen per proporcionar un cicle d’adsorció de 2 a 24 h. Utilitzant un llit més llarg es pot ampliar el cicle d’adsorció a uns quants dies però a major caiguda de pressió i la major inversió necessària faran el procés antieconòmic. A vegades es recomana una longitud de 0.5 m per disminuir la caiguda de pressió i la mida del l’adsorbidor, però els llits de poca longitud no produeixen una separació completa i requereixen més energia per la regeneració. Equip per a l’assecat de gasos L’equip per a l’assecat de gasos és similar al que es mostra a la figura 2.1. amb la diferència que s’utilitza gas calent per a la regeneració, i l’equipament de transferència de calor que això suposa. El gas humit ve del llit que s’està regenerant i pot ser descarregat a l’atmosfera o bé separar la major part de l’aigua en un condensador i recircular el gas al llit a través d’un sistema de calefacció. Per a secadors petits s’instal·len amb freqüència escalfadors elèctrics dins el llit per subministrar l’energia de la regeneració. Quan la regeneració es realitza a pressions molt més baixes que l’adsorció, pot no ser necessari subministrar calor cada cop que la baixa pressió afavoreixi la desorció. Si un assecador de gasos opera a diferents atmosferes de pressió durant el cicle d’adsorció, es pot aconseguir una desorció casi completa fent passar el gas sec a través del llit, a la pressió atmosfèrica, sense preescalfament. Part de la calor de l’adsorció, que està emmagatzemada al llit com a calor sensible, s’utilitza per la desorció i el llit es refreda durant la regeneració. 9 La quantitat de gas que es necessita per la regeneració és solament una fracció del gas d’alimentació del cicle d’adsorció, donat que el gas que surt a 1 atm tindrà una fracció molar d’aigua molt major que el gas d’alimentació. Aplicant el mateix principi, la regeneració al buit ofereix una alternativa a la regeneració amb vapor d’aigua o amb gasos calents quan l’adsorció es realitza a la pressió atmosfèrica. Adsorbidors continus L’adsorció a partir de gasos o líquids pot realitzar-se de forma realment continua fent circular el sòlid a través del llit a contracorrent amb el flux del fluid. Les partícules sòlides baixen per gravetat, fent-les tornar després a la part superior de la columna mitjançant un sistema d’elevació per aire o amb sistemes mecànics. Amb partícules fines es pot utilitzar un llit amb plaques deflectores o etapes múltiples per prevenir la mescla d’un extrem a un altre. El “hypersorber” és un adsorbidor de llit fluiditzat de múltiple etapa construït en una columna, passant els sòlids fluiditzats d’una etapa a una altra a través de tubs de descens. S’han construït alguns adsorbidors i columnes d’intercanvi iònic que operen a contracorrent, i donat que aquests esquemes condueixen a una major eficàcia d’utilització del sòlid, és previsible que trobin un ús creixent, sobretot en grans instal·lacions. Un altra possibilitat és la disposició del llit en un llit cilíndric (Figura 2.3) en posició vertical que va donant voltes on l’aire hi és subministrat contínuament. Aquest sistema de llit és molt avantatjós perquè permet un muntatge menys voluminós que una torre de grans dimensions. 16 2.2. Absorció En l’absorció de gasos un vapor soluble es absorbit des de la seva mescla amb un gas inert per mitjà d’un líquid en el que el gas soluble és més o menys soluble. El solut es recupera després del líquid per destil·lació, sempre que sigui possible i recomanat, i el líquid absorbent es pot descartar o ser reutilitzat. A vegades un solut es recupera d’un líquid posant-lo en contacte amb un gas inert. Aquesta operació, que és la inversa de l’absorció, rep el nom de desorció o stripping. Per tal de realitzar l’absorció podem fer-ho tot utilitzant torres de rebliment o torres amb unitats de transferència (plats). Figura 2.6. Torre d’absorció amb unitats de transferència (plats) (font www.apec-vr.cr.jp) 2.2.1. Torres de rebliment Un aparell freqüentment usat en absorció de gasos i en altres aplicacions és la torre de rebliment. Aquest dispositiu consisteix en una columna cilíndrica, o torre, equipada amb una entrada de gas i un espai de distribució a la part inferior; una entrada de líquid i un distribuïdor a la part superior; sortides pel gas i el líquid per dalt i per baix, respectivament; i una massa instal·lada de cossos sòlids inerts que reben el nom de rebliment de la torre. El suport ha de tenir una gran secció d’àrea lliure de forma que es produeixi inundació al plat de suport. 17 L’entrada de líquid, que pot ser dissolvent pur o una dissolució del solut diluït en el dissolvent, es distribueix sobre la part superior del rebliment mitjançant un distribuïdor i, en operació ideal, mulla uniformement la superfície de rebliment. El gas que conté el solut, entra a l’espai de distribució situat sota el rebliment i puja a través dels intersticis del rebliment a contracorrent amb el flux de líquid. El rebliment proporciona una gran àrea de contacte entre el líquid i el gas, afavorint així un íntim contacte entre fases. El solut contingut al gas és absorbit pel líquid fresc que entra a la torre, i el gas diluït abandona la torre. El líquid s’enriqueix a mesura que baixa per la torre i el líquid concentrat surt pel fons de la torre. S’han dissenyat molts tipus de torres i moltes d’elles són d’ús freqüent. El rebliment pot ser carregat a la torre a l’atzar, o bé, ser col·locat ordenadament. El rebliment a l’atzar consisteix en unitats de rebliment les quals tenen una mida del voltant de 3 polzades. Les unitats inferiors a 1 polzada s’utilitzen fonamentalment en columnes de laboratori o de planta pilot. Les unitats de rebliment ordenat són de mida compresa entre 2 i 8 polzades. Les principals característiques del rebliment són: 1. Ha de ser químicament inert en front els fuids de la torre. 2. Ha de ser resistent mecànicament sense tenir un pes excessiu. 3. No ha d’oferir molta resistència a ambdós sentits de fluids. 4. Ha de proporcionar un bon contacte entre el líquid i el gas. 5. Ha de tenir un cost raonable. Figura 2.7. Tipus de rebliment: a) muntura de Berl; b) muntura Intalox; c) anell Raschig; d) anell Pall 18 Per tant, la majoria de rebliment de les torres es construeix amb materials econòmics, inerts i relativament lleugers, com ceràmica o diferents plàstics. A vegades s’utilitzen anells metàl·lics de paret prima, d’acer o alumini. La porositat del llit i el pas pels fluids es forcen fent les unitats de rebliment irregulars o buides, de forma que es compactin per donar lloc a estructures obertes amb una porositat d’entre 60 i 90 %. Contacte entre el líquid i el gas El requisit d’un bon contacte entre el líquid i el gas és la condició més difícil d’aconseguir, especialment en torres grans. Idealment, el líquid, un cop distribuït a la part superior del rebliment, flueix en forma d’una pel·lícula sobre la superfície del rebliment durant tot el recorregut del descens a través de la torre. Realment, les pel·lícules tendeixen a créixer en gruix en determinats llocs i a disminuir en d’altres, de forma que el líquid s’agrupa en petits corrents i baixa a través de camins preferents localitzats al rebliment. Especialment per baixes velocitats del líquid, una bona part del rebliment pot estar sec, o més freqüentment, cobert per una capa estacionària de líquid. Aquest efecte es coneix amb el nom de canalització i és la principal causa del mal funcionament en torres de grans dimensions. La canalització és més aguda en torres amb rebliment ordenat, menys important amb rebliment format per sòlids triturats i encara més feble en rebliment a l’atzar d’unitats de forma regular com anells. En torres de grandària mitja la canalització pot ser minimitzada fent que el diàmetre de la torre sigui com a mínim 8 vegades el diàmetre del rebliment. Si la relació entre diàmetres és inferior a 8:1, el líquid tendeix a fluir cap a fora i baixar per les parets de la torre. En torres de gran altura, amb unitats de rebliment grans, l’efecte de la canalització pot ser molt important i normalment s’inclouen redistribuïdors cada 3 metres de secció de rebliment. Per a baixes velocitats de líquid, amb independència de la distribució inicial del líquid, la major part de la superfície del rebliment no la mulla el líquid que baixa. Al augmentar la velocitat del líquid, augmenta també la fracció mullada de la superfície del rebliment, fins que per a una velocitat crítica tota la superfície està mullada i és efectiva. 19 Velocitats límit de flux: càrrega i inundació A una torre que conté un determinat rebliment i que està irrigada amb un flux definit d’un líquid, existeix un límit superior per a la velocitat del flux del gas. La velocitat associada a aquest punt rep el nom de velocitat d’inundació. Es pot observar la relació entre la caiguda de pressió a través del llit del rebliment i la velocitat de flux del gas, a partir de la observació de la retenció del líquid, i també a partir de l’aparença visual del rebliment. La velocitat d’inundació, observada per aquests tres efectes, varia segons quin utilitzem i correspon més a un interval de velocitats de flux que a una constant perfectament definida. La figura 2.8 mostra dades típiques de la caiguda de pressió en una torre de rebliment. La caiguda de pressió per unitat de longitud del llit es deu a la fricció del fluid, i es representa en coordenades logarítmiques en front de la velocitat del flux de gas Gy, expressada en massa de gas per unitat de temps i per unitat d’àrea de la secció transversal de la torre buida. Quan el rebliment està sec, la línia que s’obté és recta i té un pendent de l’ordre d’1.8. Així, la caiguda de pressió augmenta amb potència d’1.8 de la velocitat, cosa que correspon amb la llei de pèrdua per fricció en flux turbulent. Si el llit està irrigat amb un flux constant de líquid, la relació entre la caiguda de pressió i el flux del líquid segueix inicialment una línia paral·lela a la del llit sec. Figura 2.8. Caiguda de pressió en una torre de rebliment amb un sistema aire-aigua 20 La caiguda de pressió és major que en el llit sec degut a que el líquid redueix l’espai disponible pel flux del gas. Per a velocitats moderades de gas, la línia pel rebliment irrigat es fa cada cop més obliqua degut a que el gas s’oposa al flux descendent de líquid de forma que augmenta la retenció del líquid amb el flux del gas. El punt en el que la retenció del líquid comença a augmentar, que s’aprecia pel canvi de pendent de la línia de caiguda de pressió (Figura 2.8), rep el nom de punt de càrrega. A l’augmentar encara més la velocitat del gas, la caiguda de pressió augmenta també més ràpidament, i la línia es fa gairebé vertical (Figura 2.8) quan la caiguda de pressió és de l’ordre de 150 a 250 mm d’aigua per m de rebliment. En determinades parts de la columna el líquid es transforma en una fase continua i es diu que la columna està inundada. Temporalment es poden utilitzar flux de gas més elevats, però el líquid s’acumula ràpidament per sortir després fora de la columna amb el gas. Evidentment, la velocitat del gas a una torre de rebliment en operació ha de ser inferior a la velocitat d’inundació. Aquesta velocitat depèn del criteri del dissenyador. A menys velocitat, menor és el consum de potència i major el cost de la torre. Des del punt de vista econòmic, la velocitat de gas més favorable depèn d’un balanç entre el cost d’energia i els costos fixes de l’equip. 21 2.2.2. Torres de plats Les torres de plats són cilindres verticals on el líquid i el gas es posen en contacte per etapes sobre plats (Figura 2.9). El líquid entra per la part superior i cau per gravetat. Al llarg del camí, flueix per cada plat a través d’un conducte, al plat inferior. El gas passa cap dalt, a través d’orificis en el plat i aleshores bombolleja a través del líquid per formar una escuma, d’on es separa i arriba al plat següent. L’efecte global és un contacte múltiple a contracorrent entre el líquid i el gas, encara que cada plat es caracteritza pel flux transversal de tots dos. Cada plat a la torre és una etapa, donat que sobre el plat es posen en contacte els dos fluids, la difusió interfacial té lloc i els fluids es separen. Figura 2.9. Esquema d’una torre d’absorció de plats 22 El nombre de plats o etapes a l’equilibri en una columna o torre només depèn de la complicació de la separació que s’ha de portar a terme i només està determinat pel balanç de matèria i les consideracions sobre l’equilibri. L’eficiència de cada plat o etapa i per tant, el nombre de plats reals es determina pel disseny mecànic utilitzats i les condicions d’operació. D’altra banda, el diàmetre de la torre depèn de les quantitats de gas i líquid que flueixen a través de la torre per unitat de temps. Un cop que s’ha determinat el nombre d’etapes en l’equilibri o plats teòrics requerits, el problema del disseny és escollir les dimensions i els detalls que representaran la millor combinació de les diferents tendències oposades; generalment, les condicions que porten a altes eficiències de plats també condueixen finalment a dificultats en l’operació. Amb l’objectiu de que l’eficiència d’etapes o plats sigui elevada, el temps de contacte ha de ser llarg i la superfície interfacial antre les fases ha de ser gran; a més, es requereix que la turbulència sigui d’intensitat relativament alta per obtenir elevats coeficients de transferència de massa. A fi de que el temps de contacte sigui prolongat, la llacuna líquida sobre cada plat ha de ser profunda, de tal manera que les bombolles de gas tinguin un temps d’ascens relativament llarg a través del líquid. Quan el gas es bombolleja lentament a través dels orificis de cada plat, les bombolles són grans, la superfície interfacial per volum de gas és petita, el líquid està relativament tranquil i gran part d’aquest pot passar per damunt del plat sense haver contactat amb el gas. Contràriament, quan la velocitat del gas és relativament elevada, es dispersa totalment en el líquid, el qual al mateix temps és agitat fins a formar escuma. Aquesta proporciona àrees interfacials grans. D’aquesta manera, perquè els plats siguin d’eficiència elevada, es necessiten llacunes profundes del líquid i velocitats altes del gas. Tot i això, aquestes condicions provoquen diferents dificultats. Una gran dificultat és l’entrada mecànica de gotes del líquid en el corrent ascendent del gas. A elevades velocitats de gas, quan el gas es desprèn de l’escuma, petites gotes del líquid seran arrossegades pel gas al plat superior. El líquid transportat cap a la part superior de la torre, redueix el canvi de concentració mitjançant la transferència de massa i, per tant, afecta a l’eficiència del plat. Així, la velocitat del gas pot limitar-se per controlar l’arrossegament de líquid en forma de gotes. 23 A més a més, així com les profunditats elevades de líquid i les velocitats elevades de gas produeixen una caiguda de pressió del gas quan aquest flueix a través del plat; això comporta altres complicacions. En el cas d’absorbidors o humidificadors, una caiguda elevada de pressió augmenta la potència del ventilador per impulsar el gas a través de la torre, cosa que eleva el cost de l’operació. Finalment, apareixen les dificultats purament mecàniques. La caiguda de pressió alta pot portar directament a inundacions. Amb una diferència elevada de pressió a l’espai entre plats, el nivell de líquid que abandona un plat a pressió relativament baixa i entra a un altre plat a pressió alta, necessàriament ha d’ocupar una posició elevada a les canonades de descens. Al augmentar la diferència de pressió degut a l’augment de velocitat de flux del gas o del líquid, el nivell a la canonada de descens augmentarà més encara per permetre que el líquid entri al plat inferior. Finalment, el nivell del líquid pot arribar al plat superior. Un major increment, ja sigui al flux del gas o del líquid, empitjora la situació, i el líquid pot omplir tot l’espai entre plats. Aleshores, la torre queda inundada, l’eficiència de plats assoleix un valor molt baix, el flux de gas fluctua i el líquid pot sortir per la canonada superior de la torre. Per a combinacions de gas-líquid que formen escumes de manera abundant, les velocitats de gas poden comportar la condició d’arrossegament per escuma, que també és una situació inoperant. En aquest cas, l’escuma assoleix tot l’espai entre plats i una gran quantitat és transportada pel gas d’un plat a un altre de superior. Aquesta és la condició exagerada d’entrada del líquid al gas. El líquid portat d’aquesta manera recircula entre els plats, i la càrrega addicional del líquid augmenta de tal manera la caiguda de pressió que causa la inundació de la torre. Tots aquest problemes es poden resumir de la següent manera. La profunditat elevada del líquid als plats proporciona eficiències de plats elevades mitjançant temps llargs de contacte, però també causa una caiguda de pressió alta per plat. Les velocitats elevades de gas proporcionen bon contacte vapor-líquid mitjançant dispersió excel·lent, però comporten excessiva entrada de líquid al gas i una caiguda de pressió alta. Poden ocórrer altres situacions no desitjables. A una velocitat molt baixa de líquid, el gas ascendent a través dels orificis dels plats pot empènyer el líquid cap a fora i el contacte entre gas i líquid no es produeix de la forma adequada. 24 Si el flux de gas és mot baix, una part del líquid caurà a través dels orificis del plat; a causa d’això l’eficiència es veurà afectada negativament. Tots els tipus de plats estan subjectes a alguna d’aquestes dificultats. Les diferents modificacions, dimensions i condicions d’operació que es decideixen pel disseny tenen base sobre l’experiència de posada en marxa de molts projectes. 2.2.2.1. Característiques generals Estructura i plats La torre pot fabricar-se de diferents materials, segons les condicions de corrosió existents. Per a torres metàl·liques, l’estructura normalment és cilíndrica, degut al seu cost. Amb l’objectiu de facilitar la neteja, cada deu plats aproximadament, les torres de diàmetre petit tenen orificis de la mida de mans i les torres de diàmetre gran tenen obertures de mida de persones. Els plats generalment estan fets de fulles metàl·liques i, si és necessari, d’aleacions especials; el gruix depèn de la velocitat de corrosió prevista. Els plats han d’endurir-se; s’ha de fixar-los a l’estructura per tal de prevenir el moviment degut a onades de gas i, permetre així, l’expansió tèrmica. Els plats grans han de tenir entrades grans per a persones de manera que un home pugui pujar pels plats per fer feines de neteja o reparacions. Espai entre plats Generalment, l’espai entre plats és escollit segons la facilitat per a la construcció, el manteniment i el cost; posteriorment es verifica per evitat qualsevol inundació i arrossegament excessiu del líquid en el gas. Diàmetre de la torre El diàmetre de la torre i, conseqüentment, la seva àrea transversal ha de ser prou gran per controlar el flux de gas i de líquid dins la regió d’operació satisfactòria de la Figura 2.10. A la majoria d’instal·lacions, el cost fa poc pràctic variar el diàmetre de la torre d’un costat a l’altre per ajustar variacions de flux de gas o líquid; s’utilitzen les quantitats màximes de flux per fixar un diàmetre comú. 25 Quan la variació al flux és de l’ordre d’un 20% respecte als plats immediatament superior i inferior, dos diàmetres poden resultar probablement econòmics. Figura 2.10. Característiques d’operació de plats El diàmetre requerit de la torre pot disminuir-se utilitzant un major espai entre plats, fent així que el cost de la torre, que depèn tant de l’alçada com del diàmetre, es torni mínim amb un espai òptim entre plats. Abocadors El líquid es porta d’un plat a un altre mitjançant abocadors. Aquests poden ser canonades circulars o, de preferència, parts comuns de la secció transversal de la torre eliminades per a que el líquid flueixi pels plats verticals, com a la Figura 2.9. Donat que el líquid s’agita fins a formar escuma sobre el plat, s’ha de permetre que s’hi estigui un cert temps a l’abocador per permetre que el gas es separi del líquid, de tal forma que només entri líquid net al plat inferior. L’abocador ha de col·locar-se suficientment a prop del plat inferior com perquè s’uneixi al líquid d’aquest plat, així s’evita que el gas pugi per l’abocador per escurçar el camí cap al plat superior. Sobreeixidors La profunditat del líquid al plat, requerida pel contacte amb el gas, es manté mitjançant un sobreeixidor, que pot ser o no una continuació del plat de descens. Els sobreeixidors rectes són els més utilitzats; els vessadors de ranures múltiples en V mantenen una profunditat del líquid que és menys sensible a les variacions al flux del líquid i en conseqüència, també a l’allunyament del plat de la posició anivellada. 32 L’operació d’absorció i biodegradació del contaminant en els biofiltres de llit fluiditzat es porta a terme en un sol reactor, la qual cosa els posa en avantatge respecte les majors necessitats d’espai físic respecte els bioscrubbers. Figura 2.16. Esquema d’un biofiltre de llit fluiditzat Bioscrubbers A diferència dels biofiltres, en els bioscrubbers el compost a degradar primer és absorbit per la fase líquida localitzada en una torre d’absorció plena de líquid. L’operació consisteix en fer fluir el gas a contracorrent a través del líquid, on els contaminants i el O2 són absorbits. Posteriorment el líquid és alimentat a un reactor empacat d’un material inert cobert de la pel·lícula biològica encarregada de degradar el contaminant. Els bioscrubbers són els sistemes més adequats pel tractament de compostos molt solubles en aigua. Els principals avantatges dels bioscrubbers són: a) la recirculació del líquid que afavoreix la no acumulació de productes que poguessin causar efectes nocius pels microorganismes i b) la facilitat de control del procés biològic a través de la composició del mitjà líquid. Tot i això, el requeriment de dos equips, un per a l’absorció i l’altre per a la biodegradació del contaminant, els fa menys atractius respecte els biofiltres de llit fluiditzat. 33 Figura 2.17. Fotografia d’un bioscrubber amb els dos equips, un d’absorció (primer terme) i l’altre de biodegradació (font: www.plastoquimia.com) A continuació s’adjunta una taula resum (Taula 2.2) dels tres tipus de biofiltres tot comparant els seus avantatges i els seus inconvenients. Tipus de biofiltre Avantatgés Inconvenients Biofiltre de llit fix • Altes superfícies de contacte gas-líquid • Baixos costs d’inversió • Suporta períodes de no alimentació • No produeix aigua de rebuig • Poc control sobre fenòmens de reacció • Baixa adaptació sobre fluctuacions de gas • Grans volums de reactor • No convenient pel tractament de contaminants amb subproductes àcids 34 Biofiltre de llit fluiditzat • Millor control sobre la reacció • Possibilitat d’evitar acumulació de subproductes • Equips compactes • Baixa superfície de contacte gas-líquid • No suporta períodes sense alimentació • Genera fang residual • Alts costs d’inversió, manteniment i operació • Necessita addició de nutrients Bioscrubber • Control de concentració de substrats • Possibilitat d’evitar l’acumulació de subproductes • Baixa caiguda de pressió • Alta transferència d’oxigen i de contaminant • Generació de fangs • No resisteix períodes sense alimentació • Necessitat de subministrar nutrients • Tapament per biomassa • Producció d’aigua de rebuig • No convenient per a contaminants amb subproductes àcids Taula 2.2. Avantatges i inconvenients dels tres tipus de biofiltres 2.3.1. Contaminants Els contaminants es poden classificar en tres grups: compostos orgànics hidròfobs, compostos orgànics hidròfils i compostos inorgànics. El principal contaminant inorgànic és el H2S, compost que és soluble a l’aigua i fàcilment absorbible en fase líquida. A les zones de reacció dels biofiltres on es tracta el H2S es desenvolupen uns valors de pH molt baixos i es poden produir problemes de corrosió molt greus. Les bactèries oxidants de sulfurs funcionen bé a valors baixos de pH, però l’acumulació a llarg termini de l’àcid pot arribar a limitar el funcionament del procés. 35 Per controlar el pH es poden realitzar modificacions com eliminar del corrent líquid del reactor, els biofiltres percoladors i els bioscrubbers, ja que una recirculació excessiva pot variar el pH del procés fent inviable la vida dels bacteris. Els compostos orgànics hidròfils tenen normalment altes solubilitats i es poden acumular en la fase líquida del rebliment del biofiltre. Per la qual cosa, una eliminació important de compostos orgànics hidròfils pot ser deguda més a la seva absorció que a la seva biodegradació. Si el drenatge és important, com en el cas dels percoladors, l’efluent líquid pot tenir una elevada concentració de contaminant. 2.3.2. Microorganismes Microorganisme és el terme que habitualment es fa servir per descriure a una cèl·lula de vida lliure. Aquesta definició inclou a tots els procariotes i als eucariotes unicel·lulars (algues, bacteris i fongs). Els microorganismes estan sempre presents al ambient i són responsables de molts dels cicles del carboni, nitrogen, fòsfor i altres minerals. Els bacteris gairebé sempre són els degradadors primaris, encara que alguns cops els fongs són més importants. Les plantes microscòpiques, per exemple, serveixen com a superfícies en les quals creixen petits organismes i a través de la fotosíntesi actuen com a font d’oxigen . Els animals microscòpics serveixen com a captadors de macromolècules. Els bacteris tenen papers de major importància en la biodegradació de contaminants orgànics en terres i aigües subterrànies. Els fongs, similars als bacteris, metabolitzen compostos orgànics però no treballen bé en molts sistemes de biorecuperació. Els protozous consumeixen materials particulars, incloent altres microorganismes, un paper similar al que desenvolupen els animals en una escala superior. Les algues fotosintètiques i similars a les plantes, es fan servir per a produir oxigen a sistemes de microbis i per eliminar nutrients inorgànics. Tot i això, les fonts de llum requerides pel creixement de les algues, rarament estan disponibles en els sistemes de biorecuperació. Una minoria dels processos de tractament biològic treu profit de les contribucions potencials de processos de tractaments amb algues i fongs; aquests s’utilitzen amb alguns materials perillosos. 36 A continuació es presenta una taula amb els microorganismes més presents als processos de biorecuperació que són bacteris i fongs. Les característiques que han de possibilitar la supervivència de les colònies microbianes són molt semblants entre els organismes i es desenvolupen en apartats posteriors. Bacteris Fongs • Actinomicetes • Micrococcus Cephalosporium sp. • Micromonospora vulgaris • Pseudomonas fluorescens • Streptomicetes sp. • Penicillium sp. • Circinella • Stemphilium sp. • Scedosporium apiospermun Taula 2.3. Principals microorganismes de processos de biorecuperació 2.3.2. Rebliment El mitjà de suport de rebliment del biofiltre ha de tenir una superfície específica elevada, una alta permeabilitat i ha de ser font de nutrients pel creixement de microorganismes. Els materials que s’han utilitzat inclouen compost, turba, peces de ceràmica i grànuls de terra de diatomees. També es poden fer servir materials naturals com graves i pedres però les relacions superfície a volum són baixes, això produeix baixos volums de reacció. Compost El compost s’ha convertit en el rebliment natural més utilitzat. S’han utilitzat molts tipus de compost, com per exemple residus de jardineria, biosòlids d’EDAR’s, fems, etc.). Encara que el compost s’ha utilitzat, amb eficàcia, en molts sistemes de biofiltració, les seves propietats poden ser molt variables. Per exemple, algun compost pot tenir baixes concentracions de nutrients i/o baixes densitats de població microbianes. 37 La població microbiana al compost és generalment gran i d’aquesta manera no és necessari afegir microbis. Tot i així, les primeres fases de funcionament del bioreactor seran més ràpides si s’hi afegeix una inoculació bacteriana. El compost actiu té més nitrogen disponible que el compost madur, i les temperatures del compost actiu poden arribar als 60 ºC. La humitat del compost al biofiltre ha d’estar entre el 50 i 60 per 100, calculat sobre el pes humit. Una humitat alta fa disminuir la porositat efectiva i el flux d’aire, i pot provocar condicions anaeròbies locals. Una humitat baixa fa disminuir l’activitat microbiana i pot provocar canalització al biofiltre. El compost humit o mullat es compacta amb el temps i per la qual cosa, per mantenir la seva estructura i porositat del rebliment i disminuir les pèrdues de càrrega, s’ha d’afegir agents estructurals. Aquests agents poden ser ceràmica porosa, perlita, grànuls d’espuma de poliestiré i trossos d’escorça d’arbre. El compost i els agents estructurals s’afegeixen en volums semblants. Prevenint que el compost es pugui assecar, el gas contaminant és humidificat fins la saturació abans de l’entrada al biofiltre. La calor produïda durant la biodegradació, o deguda a la radiació solar, pot provocar l’assecat del medi suport, i d’aquesta manera és necessari un sistema de control d’humitat o d’addició d’aigua. El control de la humitat és difícil. Els sensors d’humitat disponibles no han resultat eficients per vigilar el contingut d’humitat. Una possibilitat és realitzar un mostreig periòdic del rebliment, però requereix disposar d’un cert nombre de portes a l’instal·lació a diferents alçades per poder accedir al rebliment. L’addició de nutrients i solucions tampó es pot afectar durant la configuració inicial del sistema. També es pot aprofitar l’addició periòdica d’aigua per afegir els nutrients en aquesta operació. Rebliment sintètic Els materials sintètics que s’han utilitzat pel rebliment de biofiltres inclouen els anells de plàstic Pall, els anells Raschig, carbó actiu granulat (GAC) i grànuls de terres de diatomees extrusionada. El material sintètic de rebliment més utilitzat és el carbó actiu granulat. El funcionament del procés, utilitzant rebliment sintètic o natural, és similar. 38 Conceptualment, els avantatges del rebliment sintètic són: menors pèrdues de càrrega, menor saturació, ambdós deguts al major tamany dels intersticis entre les peces o grànuls del rebliment, majors superfícies específiques, i en el cas del carbó actiu granulat, adsorció dels contaminants a la fase sòlida. Tot i això, en el procés de rebliment amb compost, les pèrdues de càrrega es mantenen en un rang d’entre 1 i 3 cm per a períodes de funcionament d’anys, i del rebliments sintètics normalment utilitzats només el carbó actiu granulat té una superfície específica major que la del compost. Però l’alt valor de la superfície específica del carbó actiu granulat no produeix una major capacitat de reacció, degut a que els porus del carbó actiu són més petits que les cèl·lules bacterianes. A més, en sistemes de flux continu el carbó actiu granulat arriba a l’equilibri ràpidament amb la fase vapor. En el cas de contaminants biodegradables, el carbó actiu granulat podria aportar una capacitat d’esmorteïment per tractar càrregues variables. Com en el cas de biofiltres de compost, en el procés amb rebliment sintètic s’ha d’utilitzar aire humit. Els nutrients poden ser afegits juntament amb el sistema de humidificació, o bé es pot submergir periòdicament el rebliment en una dissolució amb nutrients. 2.3.3. Distribució del gas Els biofiltres poden funcionar amb flux ascendent o descendent. Encara que normalment es treballarà amb flux ascendent, el funcionament amb flux descendent elimina el problema de la retenció de líquid durant la humidificació per rec. 39 Figura 2.18. Esquema del camí del gas al llarg del biofiltre Els processos de biofiltració utilitzen actualment quatre tipus de sistemes de distribució de gas: 1. Canonades perforades 2. Sistemes de cambra de pressió 3. Sistemes de blocs de conglomerat 4. Cambres de sobrepressió o cambres de distribució del gas. Als sistemes amb canonades perforades, el llit o rebliment es col·loca sobre una capa de grava sota la qual s’instal·la una ret de canonades perforades. Als sistemes amb cambra de pressió, el subministrament i distribució de l’aire es realitza utilitzant una cambra de gran pressió, o bé al fons del llit o bé a la part superior. Aquests tipus de sistemes només són aplicables als biofiltres més petits degut a la inestabilitat de las grans cambres de pressió i al pes del rebliment als grans biofiltres. Als sistemes de blocs de conglomerat, la distribució de l’aire es porta a terme mitjançant blocs de formigó prefabricats que disposen d’esquerdes, amb la qual cosa serveixen tant com pel drenatge com per la ventilació. La resistència mecànica dels blocs és suficient com per permetre l’accés d’una pala frontal amb la que manipular el material de rebliment del biofiltre. 40 2.3.4. Control de la temperatura La temperatura (enter d’altres factors) regeix la velocitat de les reaccions bioquímiques. En general, en augmentar la temperatura augmenta la velocitat de la reacció fins a un valor òptim de temperatura per sobre del qual es produeix una disminució en la velocitat de reacció. Cada microorganisme té un rang òptim de temperatura pel seu creixement. En general, els microorganismes més habituals en un biofilm són mesòfils, els quals poden créixer entre 15 i 45 ºC i tenen un creixement òptim en un rang d’entre 25 i 35 ºC. Els biofiltres s’han utilitzat amb èxit en climes freds, tot i que en condicions extremes, els biofiltres necessiten aïllament tèrmic i l’escalfament dels gasos d’entrada. Tot i això, els gasos afluents procedents dels processos calents poden necessitar ser refredats abans de ser tractats mitjançant biofiltració. El funcionament a la regió termofílica, 50 a 65 ºC, sembla ser viable si es disposa d’un subministrament estable d’aire calent. 2.3.5. Control del pH El metabolisme biològic dels compostos reduïts del sofre i de compostos organoclorats produeix subproductes àcids, amb la corresponent disminució del pH del llit. Generalment l’activitat microbiana s’inhibeix en condicions molt àcides, degut a que la major part dels bacteris es veuen afavorits en regions de pH neutre. Tot i això, les bactèries oxidants del sofre s’adapten molt bé en condicions àcides. Com a quimioautòtrofes aeròbies obligades, produeixen àcid sulfúric a través de l’oxidació del H2S i funcionen bé tant a pH tan baixos com 1. Tot i això, per a l’eliminació dels compostos orgànics volàtils, el pH del llit hauria de mantenir-se en valors de pH d’entre 7 i 8,5. 41 3. MODELS MATEMÀTICS PER AL DISSENY DE L’ADSORCIÓ, L’ABSORCIÓ I LA BIOFILTRACIÓ 3.1. Disseny d’una torre d’adsorció Encara que els adsorbents es dissenyen generalment a partir de dades de laboratori, a vegades es pot preveure de forma aproximada el seu comportament a partir de dades d’equilibri i càlculs de transferència de matèria. És en aquesta part quan es presenten les equacions bàsiques per a l’adsorció en llits mòbils. A continuació definirem una torre tipus on desenvoluparem aquestes equacions: Figura 3.1. Representació esquemàtica d’una columna de llit mòbil, per l’adsorció o desadsorció d’un component on V = cabal de la fase fluida que transfereix el component a la fase sòlida en el cas de l’adsorció, o que rep el component retingut pel sòlid granular adsorbent en el cas de la desadsorció. L = cabal de la fase sòlida granular adsorbent. L’ = cabal de la fase sòlida granular adsorbent, sobre una base lliure de component transferible. 48 3.1.3. Equilibris. Isotermes d’adsorció La isoterma d’adsorció és la relació d’equilibri entre la concentració de la fase fluida i la concentració de les partícules d’adsorbent a una temperatura determinada. En el cas de gasos, la concentració ve donada com a percentatge en mols o com a pressió parcial. La concentració d’adsorbat sobre el sòlid ve donada com a massa adsorbida per unitat de massa d’adsorbent original. Tipus d’isotermes A la Figura 3.3 es representen algunes formes típiques d’isotermes com gràfiques aritmètiques. La isoterma lineal passa per l’origen de coordenades i la quantitat adsorbida és proporcional a la concentració del fluid. Les isotermes que són convexes cap dalt es denominen favorables, degut a que es pot obtenir una càrrega relativament elevada del sòlid per una baixa concentració en el fluid. La isoterma de Langmuir ve donada per l’equació (1 ) c máx c K WW K   =   +   (3.15) on W és la càrrega de l’adsorbat, c és la concentració en el fluid i K és la constant d’adsorció. La isoterma és del tipus favorable. Quan Kc >> 1, la isoterma és altament favorable; i quan Kc < 1, la isoterma és pràcticament lineal. Per isotermes altament favorables l’equació empírica de Freunlich · m Wbc=, on b i m són constants i m < 1, s’ajusta d’una manera més acurada. Figura 3.3. Isotermes d’adsorció 49 El cas límit d’una isoterma molt favorable és l’adsorció irreversible, on la quantitat adsorbida és independent de la disminució de concentració fins a valors molt baixos. Tots els sistemes presenten una disminució de la quantitat adsorbida al augmentar la temperatura i és clar, que l’adsorbat pot desadsorbir-se augmentant la temperatura, tot i per casos “irreversibles”. Tot i això, la desorció requereix una temperatura molt més elevada quan l’adsorció és molt favorable o irreversible que quan les isotermes responen a un model lineal. Una isoterma que és còncava cap dalt rep el nom de desfavorable degut a que s’obtenen càrregues de sòlid relativament baixes i a que condueixen a àmplies zones de transferència al llit. Les isotermes d’aquesta forma són rares, però resulten interessants per ajudar a comprendre el procés de regeneració. Si la isoterma d’adsorció és favorable, la transferència de massa des del sòlid cap a la fase fluida té característiques similars a les de l’adsorció amb una isoterma molt favorable. Les dades d’adsorció per a vapors d’hidrocarburs sobre carbó activat s’ajusten a vegades a isotermes de Freundlich; però en un ampli interval de pressions, els pendents de les isotermes disminueixen gradualment al augmentar la pressió. La quantitat adsorbida depèn fonamentalment de la relació entre la pressió parcial de l’adsorbat en el gas i la pressió de vapor del líquid en les mateixes condicions, així com de l’àrea superficial del carbó. S’han desenvolupat correlacions generalitzades basades en el concepte de potencial d’adsorció, i en la Figura 3.4 es representen alguns resultats pel cas de parafines i compostos de sofre. Per una determinada família de materials, la quantitat adsorbida depèn de, log s f T Vf (3.16) sent T la temperatura d’adsorció en Kelvins, V és el volum molar del líquid en el punt d’ebullició, fs és la fugacitat del líquid saturat a la temperatura d’adsorció i f la fugacitat del vapor. Per adsorcions a pressions atmosfèriques s’utilitza la pressió parcial i la pressió de vapor en comptes de les fugacitats. 50 La informació de la Figura 3.4 deixa veure que els hidrocarburs altament clorats són adsorbits de manera més favorable que els components de sofre, però les dades pel clorur de vinil estan prop de la línia de parafines. L’adsorció d’espècies oxigenades com cetones i alcohols sobre carbó BPL poden mirar-se utilitzant la corba per compostos de sofre. Els compostos aromàtics, com el benzè i el toluè, tenen una adsorció molt favorable, degut a que la seva estructura és similar a la del grafit del carbó. Figura 3.4. Correlació generalitzada d’adsorció pel carbó BPL (1040 2 mg) 51 3.2. Disseny d’una torre d’absorció El diàmetre de la torre de rebliment depèn de les quantitats de gas i líquid tractades, les seves propietats, i la relació d’un corrent amb l’altre. L’alçada de la torre, i així el volum total del rebliment, depèn de la magnitud de les variacions de concentracions que es desitgen i de la velocitat de transferència de matèria, balanços d’entalpia i en estimacions de la força impulsora i dels coeficients de transferència de matèria. 3.2.1. Torres de rebliment Balanços de matèria En una instal·lació de contacte diferencial, no hi ha canvis discrets sobtats de composicions com en el cas d’una instal·lació d’etapes de contacte o plats. Les variacions de composicions són contínues d’un extrem a l’altre de l’equip. Els balanços de matèria per la porció d’una columna per sobre d’una secció aleatòria, són: Figura 3.3. Esquema del balanç de matèria sobre una porció de columna de rebliment 52 Matèria total: La + V = L + Va (3.17) Component A: La · xa + Vy = L · x + Vaya (3.18) on V és la velocitat d’un flux molar de la fase gasosa i L la de la fase líquida en el mateix punt de la torre. Les concentracions x i y corresponen a les fases L i V, respectivament, en un mateix punt. Les equacions dels balanços globals de matèria són : Matèria total: La + Vb = Lb + Va (3.19) Component A: Laxa + Vbyb = Lbxb + Vaya (3.20) L’equació de la línia d’operació per una planta de contacte diferencial és: ·aa aa Vy Lx L yx VV − =+ (3.21) A l’equació (3.9) x i y representen les composicions globals del líquid i el gas, respectivament, en contacte a qualsevol regió de la columna. Es suposa que les composicions per una alçada coneguda són independents de la posició al rebliment. L’absorció d’un component soluble des d’una mescla gasosa dóna lloc a una disminució de la velocitat del gas V a mesura que el gas passa a través duna columna mentre que el flux del líquid L augmenta. Per a mescles diluïdes, que contenen menys del 10 % de gas soluble, l’efecte de les variacions del flux total generalment s’ignora i el disseny es basa en valors proporcionals de velocitats de flux. 53 Velocitat d’absorció La velocitat d’absorció es pot expressar de quatre maneres diferents utilitzant coeficients individuals o globals basats en les fases aquosa o gas. Per la major part dels càlculs s’utilitzen coeficients volumètrics degut a que és més difícil determinar els coeficients per unitat d’àrea, ja que pels objectius del disseny el càlcul es centra generalment en la determinació del volum total de l’absorbent. Les equacions només són estrictament vàlides per a gasos diluïts però poden utilitzar-se amb poc error amb mescles amb un contingut de fins un 10 % de solut. La velocitat d’absorció per unitat de volum de la columna de rebliment ve donada per qualsevol de les següents equacions, on x i y es refereixen a la fracció molar del component que s’absorbeix: r = kya (y – yi) (3.22) r = Kya (y – y*) (3.24) r = kxa (xi – x) (3.23) r = Kxa (x* - x) (3.25) La composició a la interfase (yi, xi) es pot obtenir a partir del diagrama de la línia d’operació utilitzant les equacions (3.22) i (3.23): ix iy yy ka x xka − = − (3.26) D’aquesta manera, una recta que va des de la línia d’operació amb un pendent x y ka ka − tallarà la línia d’equilibri al punt (yi, xi) com es veu a la Figura 3.1. Generalment no és necessari conèixer les composicions a la interfase, però aquests valors s’utilitzen per a càlculs amb gasos rics o quan la línia presenta una gran corba. 54 Les forces impulsores globals determinen fàcilment com les línies horitzontals o verticals al diagrama x-y. Els coeficients globals s’obtenen a partir de kxa i kya utilitzant el pendent local de la corba d’equilibri m: 11 yyx m Ka ka ka =+ (3.27) 111 xyx Ka mka ka =+ (3.28) Figura 3.1. Identificació de les composicions a la interfase Càlcul de l’alçada de la torre Considerem una columna amb rebliment com es mostra la Figura 3.2. La secció transversal és S i el volum diferencial corresponent a l’alçada dZ és S · dZ. Si es desprecia la variació del flux molar V, la quantitat absorbida a l’alçada dZ és –V· dy, que és igual a la velocitat d’absorció multiplicada pel volum diferencial: -V· dy = Kya (y – y*) S·dZ (3.29) Aquesta equació es reordena per a la seva integració, agrupant les constants V, S, Kya amb dZ, i capgirant els límits de la integració per tal de canviar el signe negatiu: * b yyT a K aS K aSZ dy dZ VVyy == − ∫∫ (3.30) 55 Figura 3.2. Diagrama d’una torre d’absorció de rebliment Nombre d’unitats de transferència L’equació per l’alçada de la columna es pot escriure: T y V Z= KaS * b a dy yy− ∫ (3.31) La integral de l’equació (3.19) representa la variació de la concentració del vapor dividida per la força impulsora mitja i rep el nom de nombre d’unitats de transferència (NTU) NOy. Els subíndexs indiquen que NOy està influenciada per la força impulsora global per a la fase gas. L’altra part de l’equació (3.19) té les dimensions de longitud i rep el nom d’alçada d’una unitat de transferència (HTU) HOy. D’aquesta manera, un mètode senzill de disseny és la determinació d’NOy a partir del diagrama x-y, que multiplicat pel valor de HOy obtingut a partir de la bibliografia o calculat a partir de correlacions de transferència de matèria: ZT = HOy · NOy (3.32) 56 El nombre d’unitats de transferència és en certa manera igual al nombre d’etapes teòriques, però aquests valors només són iguals si les línies d’equilibri i operació són rectes i paral·leles, com en el cas de la Figura 3.3a. Per a aquest cas: * ba Oy yy Nyy − =− (3.33) Figura 3.3. Relació entre en el nombre d’unitats de transferència (NTU) i el nombre d’etapes teòriques. a) NTU = NTP; b) NTU > NTP Quan la línia d’operació és recta però amb major pendent que la línia d’equilibri, com a la Figura 3.3 b, el nombre d’unitats de transferència és major que el nombre d’etapes ideals. Per a línies d’operació i equilibri rectes, el nombre d’unitats de transferència és igual a la variació de concentració dividida per la força impulsora mitja logarítmica: ba Oy L yy Ny − =∆ (3.34) on L y∆ és la mitjana logarítmica de yb - * b y i ya – * a y. 57 3.2.2. Torres de contacte discontinu (plats) 3.2.2.1. Mètode gràfic Les torres d’absorció de plats són dispositius que permeten el contacte discontinu entre el líquid i el gas que circulen a contracorrent dins la torre. A l’interior de la torre hi ha una sèrie de plats o etapes, i en cadascuna d’elles es posen en contacte el líquid i el gas, separant-se després per entrar en contacte en una nova etapa. L’etapa es denomina teòrica o ideal quan el líquid i el gas que surten d’ella arriben entre si a les composicions d’equilibri. Considerem una torre amb n etapes (Figura 3.4), numerant les etapes en sentit descendent i indicant amb subíndexs de les composicions del gas i el líquid l’etapa de la que procedeixen. Figura 3.4. Esquema d’una torre d’absorció d’efecte discontinu (plats). 64 A càrregues baixes (concentració d’entrada baixa o cabal d’entrada baix) la capacitat d’eliminació del llit augmenta, a l’augmentar la càrrega aplicada. A càrregues altes, la capacitat d’eliminació del llit resta constant a l’augmentar la càrrega aplicada. 3.3.1. Modelització teòrica del funcionament dels biofiltres S’han desenvolupat models teòrics per ajudar a entendre el transport de massa i la biodegradació de contaminants als biofiltres. La major part dels models actuals utilitzen les aproximacions dels primers models de transport i biodegradació en biopel·lícules. L’aproximació als models de biopel·lícula i biofiltre consisteix en resoldre les equacions de balanç de masses unidimensionals sobre una secció transversal microscòpica d’una biopel·lícula, suposant una cinètica de reacció simplificada. Utilitzant diferents simplificacions de la cinètica de biodegradació es poden obtenir tres solucions diferents: (1) reacció d’ordre zero/limitació de la reacció; (2) reacció d’ordre zero/limitació de la difusió i (3) reacció de primer ordre. Les solucions pel balanç de masses macroscòpiques d’un compost orgànic volàtil (COV) donat a la fase gas s’obtenen al fer promig de les equacions de la biopel·lícula sobre el rebliment del biofiltre. A la Figura 3.4. es pot veure un model conceptual de les tres fases del biofiltre. A la interfase entre les fases gas i líquid se suposa que la concentració a la capa líquida està en equilibri amb la concentració de la fase gas. El compost difon a través de la pel·lícula líquida on és degradat. L’equació diferencial que descriu el balanç de masses per a un compost CL a la capa líquida del biofiltre és: 0 LL L CN r tx ∂ ∂ + += ∂∂ (3.56) on CL = és la concentració del contaminant a la fase líquida [ 3 g m] N L = és el flux màssic del contaminant a la fase líquida [ 2 (·) g ms ] r L = és la taxa de reacció degut a la degradació [ 3 (·) g ms ] 65 Figura 3.4. Esquema de la biopel·lícula d’un biofiltre El flux a la fase líquida NL es descriu mitjançant la primera llei de la difusió de Fick pel transport d’un compost en un fluid en repòs: L L C ND x ∂ =− ∂ (3.57) on D = és el coeficient de difusió a la fase líquida [ 2 ms] L’equació diferencial resultant és: 2 20 LL L CC Dr tx ∂∂ − += ∂∂ (3.58) La taxa de biodegradació normalment es descriu mitjançant una expressió d’utilització del substrat de Monod. L Lb SL C rk KC ρ =− + (3.59) on k = és la taxa específica màxima d’eliminació del contaminant [s-1] K S = és la constant de semisaturació [ 3 g m] b ρ = és la concentració de la biomassa [ 3 g m] 66 Es pot suposar que la taxa de creixement net de la biomassa segueix l següent expressió: ·· b Ldb Yr k t ρ ρ ∂ =− ∂ (3.60) on Y = és la producció de biomassa per unitat de substrat utilitzat [ g g] k d = és el coeficient específic de desaparició de la biomassa [s-1] Es pot suposar que existirà una condició d’estat semi estacionari quan la quantitat total de la biomassa sigui igual a la que pot ser aportada pel flux de substrat. Per exemple, la taxa de creixement cel·lular és igual a la taxa d’energia gastada pel manteniment cel·lular: ·· Ldb Yr k ρ = (3.61) i la taxa de creixement net b t ρ ∂ ∂ és igual a zero. Una segona justificació per a aquesta hipòtesi d’estat estacionari inclòs durant el període de creixement de la biopel·lícula és que els fenòmens de creixement biològic són lents en relació als temps de retenció del procés. Fent el supòsit d’estat estacionaria la biopel·lícula i que la massa no s’acumula al sistema després d’un cert període inicial, l’Equació 3.31 es redueix a l’equació diferencial total en estat estacionari, 2 2 LL b s L CC Dk x KC ρ ∂= ∂+ (3.62) A les següents seccions es veuen les diferents solucions analítiques de l’Equació 3.35 utilitzant simplificacions de l’expressió de Monod d’ordre zero i de primer ordre. 67 Reacció d’ordre zero En el cas de concentracions de substrat a la fase líquida molt més grans que la constant de semisaturació (CL >> KS), l’Equació 3.35 es redueix a una expressió d’ordre zero. 2 2 L C DK x ∂ = ∂ (3.63) on K = és la taxa de reacció d’ordre zero [ 3 (·) g ms ], que és igual a b k ρ La cinètica de la reacció d’ordre zero s’utilitza quan el substrat no és el factor limitant, bé perquè la concentració d’entrada és alta o bé perquè un altre compost està sent utilitzat com a substrat primari. Es poden descriure dues situacions pel cas de la cinètica d’ordre zero. A la primera situació, el compost penetra completament a una biopel·lícula de gruix L. S’acostuma a dir d’aquest cas limitador de la reacció. En el segon cas, la concentració del compost en la fase gas és més baixa i el compost penetra a la biopel·lícula a una distància λ que és menor que L, amb el que la resta de biopel·lícula se suposa inactiva. Aquest últim cas es denomina com a limitació de la difusió. Reacció de primer ordre Quan la reacció d’un substrat a la fase líquida és molt menor que la constant de semisaturació, CL << KS, l’expressió de Monod es redueix a una expressió de primer ordre. L’Equació 3.35, incloent la taxa de reacció de primer ordre es converteix en: 2 20 L L C DkC x ∂ − = ∂ (3.64) 68 3.3.2. Balanç màssic a la fase gas A la Figura 3.5 es representa el llit del biofiltre i l’eix de z. L’equació diferencial que descriu el balanç de masses d’estat estacionari pel compost de la fase gas a la posició z al llit del filtre, suposant dispersió longitudinal despreciable, és: ·0 g porus g S dC vNA dz + = (3.65) on vporus és la velocitat del gas [ms] a través del mitjà porós o velocitat de Darcy, la qual és obtinguda dividint la velocitat de filtració del gas o velocitat superficial, per la fracció de buits del rebliment o porositat del rebliment. AS és la superfície específica del rebliment [ 2 3 mm], i Ng és el flux màssic superficial del compost o contaminant a la biopel·lícula [ 2 (·) g ms ]. El flux de gas a través del biofiltre se suposa que és de pistó. Figura 3.5. Representació esquemàtica d’un biofiltre 69 4. ELIMINACIÓ DE L’ACETONA D’UN CORRENT D’AIRE MITJANÇANT L’ADSORCIÓ, L’ABSORCIÓ I LA BIOFILTRACIÓ Havent fet una introducció als mètodes de càlcul de cadascuna de les tecnologies abans esmentades, queda ara per fer un exemple pràctic per esbrinar quina de les tres tecnologies serà la més adient per solucionar el nostre problema. Així, les dades fetes servir en totes tres tecnologies seran les següents: • Cabal volumètric (G) = 2000 3 mh • Temperatura (T) = 27 ºC • % en mols acetona a l’entrada: 1% • % d’eliminació = 99.5 % 70 4.1. Aplicació de l’adsorció Per aplicar l’adsorció a la nostra problemàtica, començarem per calcular la quantitat de carbó actiu que necessitaríem per tractar el nostre corrent gasós. Per tal de fer aquest càlcul, farem servir el mètode amb la isoterma d’adsorció a partir de les isotermes de Langmuir. Aquest mètode necessita de la Figura 3.4 (font: Harriot, Peter; McCabe, Warren L.; Smith, Julian C. Operaciones en Ingeniería Química.McGraw-Hill (2002)) per tal de concretar la proporció de material adsorbent respecte l’adsorbat. Per fer servir la gràfica necessitem les següents dades, les quals provenen del Handbook Perry, T = 300 K P.M.: 58.08 g/mol p = 0.01 · 760 = 7.6 mm Hg ≈ f ρ L acetona = 0.795 3 g cm V = 3 58.08 72.6 0.795 cm gmol = P’ = 283 mm Hg ≈ fs ' 300 283 log log 6.49 72.6 7.6 TP Vp == P = 760 mm Hg Amb aquest valor de 6.49 anirem a l’eix d’abscisses i llegirem a l’eix d’ordenades per esbrinar la relació entre adsorbit i adsorbent. Quan fem això ens surt un valor de 24.5. Així la gràfica ens diu que per cada 24.5 cm3 d’adsorbit necessitem 100 g de carbó actiu. Tenint nosaltres 20 m3 d’acetona per hora farem un càlcul per saber quina quantitat de carbó necessitem: 63 3 33 1·10 100 1 20 ' · · · 81632 1 24.5 1000 cm g carbó Kg m d acetona Kg carbó mcmg = Es veu clarament que per tractar el nostre gas problema necessitem un quantitat massa important de carbó actiu. També s’ha de tenir en compte que no només s’ha de invertir en el carbó, sinó que també en les instal·lacions per dur a terme el procés de l’adsorció i la desorció. 71 4.2. Aplicació de l’absorció En el mètode de l’absorció hi havia l’opció de fer servir una columna de plats o una columna de rebliment. En aquesta ocasió hem triat una columna de plats ja que una columna de rebliment és el que s’havia triat per la tecnologia d’adsorció. Dins ja del càlcul de les dimensions de la torre d’efecte discontinu i, per tant, del nombre de plats que hauria de tenir per tal d’arribar amb èxit al nostre objectiu, s’ha decidit realitzar els càlculs de les dues maneres possibles: (1) mètode gràfic i (2) mètode analític. Començarem doncs amb el mètode de resolució gràfic per esbrinar el nombre d’etapes que hauria de tenir la nostra columna d’absorció. 4.2.1. Mètode gràfic • L’expressió que ens relaciona les composicions de l’acetona al líquid i al gas, a 27 ºC, és la següent (només vàlida fins x = 0,02), 1.75 yx = • Primer calcularem el nombre de mols gas que hi ha a l’entrada, 6 ·1·2·10 81,3 · 0,082·300 PV nKmol RT == = = 81.300 mols • Tot seguit trobarem els mols d’acetona que hi ha a l’entrada del gas, 81.300 mols de gas · 0,01 d’acetona = 813 mols d’acetona • Ara calcularem els mols d’acetona a la part alta de la torre, 813 mols d’acetona a l’entrada · 0,005 d’acetona que resta sense absorbir = 4,06 mols 72 • Ens ara per saber els mols d’aire que hi ha a la torre: 81300 mols de gas – 813 mols d’acetona = 80.480 mols d’aire (G) • Ara sabrem la composició del gas a la part alta i baixa de la torre, Composició de gas a l’entrada: 1 0,01 0,01 0,995 n Y+== mols d’acetona/mols aire Composició de gas a la sortida: 5 1 4,065 5·10 80480 Y − == mols acetona/mols aire Per tal de dibuixar la línia d’operació de la columna ens fa falta saber la composició d’acetona al líquid a la part baixa de la torre, per tal de calcular-la farem un balanç de matèria, tot calculant abans la quantitat d’aigua necessària si volem un volum de líquid un 40 % superior al mínim. • Calcularem L a partir de la relació mín L G   , 5 3 0,01 5·10 1, 74 5,7·10 mín L G − − − ==   1,74·1,4 2,44 L G  ==   3 ·2,44 81300·2,44 198·10 mol LG h == = 73 • I ara farem el balanç de matèria per trobar X2, G (Y1-Y2) = L (X2 –X1) 81300 (0,01-5·10-5) = 198·103 (X2-0) X2 = 33 81300·9,95·10 4,08·10 198000 − − = • Per tant els dos punts de la recta d’operació són, (0, 5·10-5) Punt de la part alta (4,08·10-3, 4,01) Punt de la part baixa Ara sabem els dos punts que ens permetran dibuixar la recta d’operació, i a partir de la recta d’operació i la línia d’equilibri anirem traçant els graons tal com s’ha explicat a l’apartat de teoria 3.1.2.1. per tal de saber el nombre de plats que necessitarem. Aquesta resolució gràfica és troba a l’annex 1. Si es compten tots els graons de la part baixa de la torre fins a la part alta, trobarem que hi ha 10 graons que representen els 10 plats teòrics. • Així, amb una eficàcia de plat de 0,6, el nombre de plats reals que necessitarem seran, 10 16.66 17 0,6 platsteòrics p lats reals plats E ===≈ 80 per ajustar la temperatura, la humitat i el pH dins els paràmetres de funcionament dels biofiltres. Fent servir un biofiltre, aquest tractament és de tipus transformador, és a dir, l’acetona no es recupera com en les altre tecnologies, sinó que es transforma en CO2 i H2O. Aquest és l’altre inconvenient de la biofiltració, que no es pot aprofitar l’acetona que es tracta, essent aquesta quantitat d’acetona tractada molt gran. A la inversió que s’ha de fer per adquirir la infraestructura de la biofiltració, s’ha d’afegir la pèrdua d’un reactiu que és molt present en la indústria química. En canvi les altres tecnologies de separació permeten un aprofitament de l’acetona després de separar-la de l’aigua. 5. ASPECTES MEDIAMBIENTALS 81 Aquest projecte treu cap a la conscienciació cada cop més evident de la població envers els problemes que afecten al seu mediambient. A més, si el problema en qüestió malmet d’una manera molt directa les condicions de vida de la gent tot empitjorant-les, és evident que hom hi ha de prestar atenció ja que conductes permissives aboquen a problemes majors que els detectats a priori. És així com la preocupació de la gent de cara a la indústria ha fet que els dirigents industrials entenguin que ja no només han de preocupar-se de com fer una empresa rentable sinó també de fer-la sostenible i en comunió amb el medi que l’envolta. Molts temes haurien de ser tractats en profunditat per gran varietat d’indústries, però el problema que en aquest projecte es tracta correspon a un sector dedicat a la producció de plàstics, fibres i manteniment d’instal·lacions (tancs per a pintures i d’altres). 5.1. Característiques de l’acetona L’acetona és un producte químic majoritàriament manufacturat per l’home a les indústries. Hi ha dos possibles vies de producció de l’acetona: (1) la peroxidació del cumé (Fig. 5.1) i (2) la deshidrogenació del isopropanol. En el procés de peroxidació, el cumé és oxidat a hidroperòxid, el qual és dividit per donar acetona i fenol. En el procés de deshidrogenació, l’isopropanol és deshidrogenat catalíticament per produir acetona i hidrogen. Petites quantitats d’acetona són recuperades com subproducte d’altres reaccions. L’acetona és un líquid incolor amb un gust i olor dolços que són molt particulars d’aquest grup químic. La gent comença a percebre l’acetona a l’aire en concentracions d’uns 100 o 120 ppm i la percepció a l’aigua comença a partir dels 20 ppm. L’acetona, donada la seva facilitat d’evaporació, la seva poca viscositat i la seva miscibilitat amb l’aigua i altres compostos orgànics, la fan un dissolvent molt bo i usat. Donada la seva habilitat per conduir reaccions d’addició, redox i de condensació, l’acetona es feta servir com a reactiu en la síntesi de molts productes comercials. A continuació es mostra una taula de dades sobre l’acetona, 82 Taula 5.1. Dades físiques de l’acetona Nombre CAS 67-64-1 Pes molecular 58,08 g/mol Punt de fusió -94,3 ºC Punt d’ebullició 56,2 ºC Pressió de vapor (25 ºC) 181 mm Hg Densitat (25ºC) 0,795 g/cm3 Figura 5.1. Peroxidació del cumé per l’obtenció de l’acetona • Deshidrogenació del isopropanol: 33332 ()CH CH OH CH CH COCH H⇒+ 5.2. Efectes nocius 83 Quan l’acetona és inhalada, irrita els ulls, la gola i el nas. Quan és ingerida causa vertigen, mal de cap, dermatitis i possibles pèrdues de consciència. El contacte repetit o prolongat amb el líquid pot assecar la pell i produir-hi dermatitis. Altes exposicions poden afectar el fetge i els ronyons. Exposicions a llarg termini provoquen irritació crònica de gola i nas. Encara no s’ha provat en cap estudi que l’acetona pugui causar càncer de pell i no hi ha hagut casos de mort per l’exposició prolongada del compost. A l’entorn laboral hi ha límits per a l’exposició del treballador amb l’acetona: (1) segons l’OSHA (Administració per la Seguretat i la Higiene Ocupacional dels Estats Units) el PEL (Límit d’Exposició Permesa) seria de 1000 ppm en una jornada de 8 hores; (2) segons la ACGIH (Conferència Americana d’Higienistes Industrials Governamentals) el TLV (Valor Límit Llindar) seria de 500 ppm. El compost de l’acetona, al ser tan soluble en l’aigua, té un temps de permanència a l’atmosfera o al sòl molt reduït, ja que és ràpidament dissolt o diluït. Així, la llum solar també té un efecte regressiu sobre la concentració de l’acetona a l’atmosfera. D’aquesta manera que els possibles afectats per un contacte accidental amb l’acetona hagin de residir en una zona propera a una indústria que la faci servir en el seu procés industrial o siguin els propis treballadors de la companyia. El límit de l’acetona en l’aire és de 2400 3 mg m, segons la OSHA. 84 6. CONCLUSIONS Després d’haver posat a prova les tres tecnologies amb un mateix problema que està present en qualsevol indústria que tingui un procés industrial important, les primeres valoracions respecte a l’eficàcia de cadascuna són concloents. S’ha vist que per cabals de gas molt elevats, les tècniques de la biofiltració i l’adsorció s’han vist incapaces d’adaptar-se dins uns marges econòmics, logístics i estructurals a la situació plantejada. Això és degut a que aquestes tècniques es fan servir per cabals molt menors i amb una concentració de contaminant molt més baixa (biofiltració) perquè el procés tingui èxit. En canvi, l’absorció s’ha mostrat com una solució que, ara per ara, es pot adaptar tant a cabals petits com a grans, i també es pot adaptar a fluctuacions de concentració de contaminant o gas a recuperar. I és aquesta vessant la que li dóna a l’absorció un punt molt valorable, és a dir, no només la solució de la problemàtica eliminant del corrent de gas el contaminant o gas a recuperar, sinó també la possibilitat de recuperar el fluid en qüestió. 85 7. BIBLIOGRAFIA • Eweis, Juana B.; Ergas, Sarina J.; et al. Principios de biorecuperación. McGraw-Hill (1999). • Capó Martí, Miguel. Principios de ecotoxicología. McGraw-Hill (2002). • Harriot, Peter; McCabe, Warren L.; Smith, Julian C. Operaciones unitarias en Ingeniería Química. McGraw-Hill (2002). • Martínez, Pedro J.; Rus, Eloisa. Operaciones de separación en Ingeniería Química. Pearson (2004). • Ocón, Joaquín; Tojo, Gabriel. Problemas de Ingeniería Química (Tomo II). Aguilar (1970). • Perry. Manual del Ingeniero Químico (Tomo IV). McGraw-Hill (1992). • Schweitzer, Philip A. Handboof of separation for chemical engineers. McGraw- Hill (1997). • Treybal, Robert E.. Mass-transfer operations. McGraw-Hill (1981). Pàgines web consultades • http://www.softcatala.org/traductor/ : traductor del castellà al català • http://www.grec.net/home/cel/dicc.htm : diccionari de català • http://atsdr1.atsdr.cdc.gov/toxfaq.html : informació sobre l’acetona • http://www.estrucplan.com.ar/index.asp : informació sobre biofiltres • http://www.chemvillage.org : articles sobre l’acetona i els biofiltres • http://www.calgoncarbon.com/ : informació sobre el carbó BPL Empreses consultades • Sulzer (http://www.sulzer.com): multinacional suïssa dedicada a dissenyar els interns de columnes. • Copisa (http://www.copisa.com): empresa constructora que realitza obres de caire industrial. RESUM Els processos per a la recuperació de productes que afecten de manera negativa a l’estabilitat de l’atmosfera, són cada cop més importants i estan obrint-se pas dia a dia. Així, no és d’estranyar que la proliferació d’empreses d’indústria verda hagi augmentat els darrers anys gràcies a la conscienciació dels empresaris i de la gent en general envers la natura. Els acords mundials per reduir les emissions pernicioses i els cada cop més rigorosos controls mediambientals a empreses, fan que la recuperació de compostos perillosos estigui a l’ordre del dia. Aquest projecte pretén fer un estudi sobre diferents tècniques d’eliminació d’un compost orgànic volàtil present en corrents de sortida de gasos, l’acetona, per tal d’esbrinar quina seria la més adient per tal de procedir a la seva instal·lació i activació. Hi ha moltes tècniques per tal de recuperar un compost orgànic volàtil d’un corrent de gas, però les que aquí es comparen i s’estudien són l’absorció, l’adsorció i la biodegradació. L’absorció i l’adsorció són tècniques que ja fa temps que són presents al món industrial, i s’ha intentat afegir una tècnica com la biofiltració, que si bé és cert que els seus inicis són de la dècada dels 40, ha rebut una gran empenta avui en dia degut al seu bon rendiment per biodegradar compostos contaminants en poc espai i de manera ecològica. La seva mancança, com aquí es veu, és la seva poca adaptabilitat a processos de tipus industrial amb corrents grans de gasos i concentracions elevades de contaminants. Es pot dir que l’evolució dels biofiltres per arribar al món industrial està encara per desenvolupar, però és ben segur que per règims òptims de treball la biofiltració és un dels millors mètodes per l’eliminació de compostos orgànics volàtils, olors o compostos inorgànics. Per tractar l’adsorció, s’ha estructurat la teoria parlant primer de l’equip necessari pel seu funcionament, després es troba tota la teoria del mètode incloent els tipus d’adsorbents més utilitzats i els fonaments de la teoria. Pel que fa a l’absorció, la teoria parla de les dues possibles columnes que es poden instal·lar per tractar els gasos industrials, que són les torres de rebliment i les torres de plats. Dins de cada apartat per a cada torre, es fa un recorregut pels elements més característics de les estructures. Per fer el càlcul de la torre s’ha triat la disposició de la torre de plats, i a l’apartat de disseny de la torre hi ha tota la metodologia per calcular les dimensions de la torre amb els dos mètodes que es poden triar, com són el mètode analític i el mètode gràfic. Per acabar la part de la teoria, es tracta la biofiltració centrant-se en el tractament de les condicions que necessiten els biofiltres per funcionar. Les condicions que es tracten són el tipus de rebliment, el control de la temperatura, el control del pH o els microorganismes més utilitzats (fongs i bacteris) entre d’altres. També es farà un repàs a la teoria matemàtica de les tres tecnologies per tal de tenir una base amb la qual poder treballar i establir una comparació de temps de procés o de volum d’instal·lació. També hi ha un capítol que tracta sobre el compost orgànic volàtil en el qual es centra el projecte, l’acetona. Aquest capítol ens apropa a la producció, utilització i perillositat de l’acetona, que si bé no s’ha trobat que pugui causar la mort, pot provocar dolències de caire respiratori o cutànies. En l’apartat de càlcul hem aplicat l’exemple únic per tal de trobar quina de les tres tecnologies era la més adequada. Amb les següents dades, • Cabal volumètric (G) = 2000 3 m h • Temperatura (T) = 27 ºC • % d’Acetona a l’entrada: 1% • % d’eliminació = 99.5 % S’ha trobat que la tecnologia de l’absorció era la més adient, ja que era l’única que encaixava dins els termes de viabilitat econòmica, estructural i de rendiment. Pel que fa a les altres dues, l’adsorció ens demanava una quantitat de carbó massa elevada per tal de tractar l’acetona del problema i la biofiltració tenia un límit de concentració de 250 g per hora, molt lluny dels nostres 47 Kg per hora d’acetona que entrarien al reactor.