CINETICA DE FORMACIÓN DE LOS PRINCIPALES CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

1) CINÉTICA DE FORMACIÓN DEL CO

Puedes aprender CINETICA QUIMICA EN

http://www.uv.es/baeza/cqtema3.html

Se desconoce parcialmente la cinética de la oxidación del carbono, se necesita una gran cantidad de trabajo adicional para lograr un mecanismo satisfactorio de reacción para la formación del CO y CO2 en los procesos de combustión de hidrocarburos. Las etapas para la formación del CO deben preceder a la del CO2, por ejemplo un proceso de oxidación a alta temperatura para hidrocarburos como le metano, se tiene la reacción del O2 con le radical metilo como reacción intermedia principal.
CH3 + O2 < = > HCO + H2O
y el CO se formará:
HCO + OH < = > CO +H2O
otra posibilidad podría ser:
HCO + M < = > H +CO +M

M = COMPUESTO ORGANICO


La conversión de CO a CO2 esta bastante establecida en la siguiente reacción principal la cual es introncecamente rápida.

CO + OH < = > CO2 +H REACCION PRINCIPAL MUY RAPIDA
otra ruptura
CO + O2 —> CO2 + O REACCION LENTA


En las flamas pobres siempre esta presente un exceso de O2 por lo tanto es desconcertante que se encuentren cantidades apreciables de CO en los gases enfriados. Se puede deducir que la oxidación directa no es la ruta preferida a pesar del exceso de oxígeno, antes bien domina a la reacción CO+OH < = > CO2 + H, entoncesla concentración de OH es la que controlara el grado de CO consumido en dichas reaccíones.

Existen ciertos numeros de reacciones que contribuyen a la formación de radicales OH y una de ellas es la siguiente:

H + H2O < = > OH + H2
y se tiene una reacción competitiva que se conoce como el gas de agua.
CO + H2O < = > CO2 +H2

Las reacciones se equilibran en zonas calientes de flamas mezcladas o de flamas de difusión directa.


CO + H2O < = > CO2 +H2 T °K Kp
25 °C 298 1.04 x10⁵
500 1.38 x10² Conforme la T aumenta Kp disinuye
1000 1.44
1500 0.39
2000 0.22
2227 2500 0.16


Kp = [PCO2][PH2] Kc = [CO2][H2]

http://dta.utalca.cl/quimica/profesor/urzua/cap8/e_quimico/index.htm


La reacción H + H2O < = > OH + H2 tiene un alta energía de activación y su constante de taza cae rapidamente con una disminución de la T (por ejemplo a 1000 °K la constante es alrededor de la trigesima parte del valor a 1500°K, a 800 °K la constante es aproximadamente la tricentecima del valor a 1500 °K)por lo tanto es ineficaz para producir especies de OH según baja de T del gas y la reacción CO + OH < = > CO2 + H se reducira notablemente y se pudiera sugeriri que la recación H + O2 < = > OH + O es una posible fuente de OH pero también baja su taza conforme disminuye la T.



CONTROL DE LAS EMISIONES DE CO

La remosión posterior a niveles acordes con las normas de calidad de aire- ambiente requiere la disolución, e interacción adisional con el ambiente atmosférico. El CO a diferencia de otros importantes contaminantes gaseosos, no se presta para las técnicas de remosión para los gases de escape, un método mas prodcutivo es el control de su formación.
El método más práctico de reducir el CO de fuentes estacionarias consiste en el diseño, instalación, operación y mantenimiento adecuado del equipo de combustión.
El CO se puede remover selectivamente de otros gases por lavador con soluciones especificas como por ejemplo el Formato de Cobre o Amoniaco o por incineración o combustión auxiliar.

INCINERACIÓN O COMBUSTIÓN AUXILIAR

Se usa frecuentemente en situaciones donde el gasto volumétrico del gas residual de un proceso es grande pero a nivel de gas contaminante es pequeño.

Es un método satisfactorio de control de contaminantes de diversos aspectos:

1. Casi todos los contaminantes altamente olorosos son combustibles o son cambiados químicamente a sustancias menos olorosas cuando se calienta suficientemente en presencia de oxígeno y se pueden percibir los mercaptanos, los gases de cianuro y le ácido sulfhídrico.
2. Los aerosoles orgánicos se destruyen por combustión auxiliar, por ejemplo los tostadores de cafe, las casas de carne, las estufas para horneado de esmaltes, emiten tales aerosoles.

3. Algunos gases y vapores orgánicos intervienen en reacciones de neblumo http://www.osman.es/ficha/13366 (para definición), la combustión auxiliar con flama destruye dichos materiales.

4. Algunas industrias producen grandes cantidades de gases residuales altamente combustible y el método mas seguro de control es mediante la combustión de chimeneas de flama y hornos.

a) Incineración por flama directa

(Diagrama 1)

Requiere del conocimiento de los limites exclusivos o de flamabilidad tanto de los gases residuales como del gas combustible en las mezclas del aire.

Como regla aproximada una mezcla estquiometrica (quíicamente balanceada) de hidrocarburos y aire tienen un calor de combustión cerca de 100 Btu/pie³, el límite de flamabilidad inferior equivale aproximadamente a la mitad de este valor.

La incineración por flama directa es un método por el cuál los gases residuales se queman directamente en una combustión con o sin la adición de combustible adicional.

Se deberá usar solo en aquellos situaciones en los que los combustibles en el gas residual contribuyen con una porción signifactiva de la energía total requerida para la combustión (mayor del 50%).

Uno de los problemas que se presentan en este tipos de incineración es que es posible alcanzar temperaturas en la flama en el intervalo 1370°C, esto da por resultado la formación de óxidos de nitrogeno cuando este disponible un suficiente exceso de aire.

La antorcha o mechero es un ejemplo especial de este tipo de incineración y es utilizada en las refinerías y en la industria Petroquímica. Se trata de una cámara de combustión abierta en su extremo y dirigida generalmente hacia arriba. Se utiliza en primer lugar para combustible gasesos que no se pueden eliminar convenientemente por otros medios.

Uno de los problemas básicos es la presencia de humo y hollín.

Desventajas

-Alta tempertaura y producción de NOx

-Hollín

-Humo

b) Incineración térmica

(Diagrama 2)

Cuando la concentración de los contaminantes combustibles sea muy baja, tan baja que solo se suministrasn una pequeña fracción del valor calórico requerido para mantener una flama directa, sera necesario usar otras medidas para convertir los combustibles.

Por lo general la corriente de gas residual se precalienta en un intercabiador de calor y luego por la zona de combustión de un quemador provisto de combustible suplementario. De aqui resulta que los combustibles en la corrientes de gas residual se llevan por encima de la T de autoencendido y se queman con el oxígeno usualmente presente en la corriente contaminada. se lleva a cabo con temperaturas en el intervalo de 540-815 °C, lo que hace menos costoso y atenúa la formación de NOx.

En este tipo de incinerador es importante considerar las 3T de la combustión que son: Temperatura, Tiempo y Turbulencia.

El tiempo de residencia se encuentra entre 0.2 a 0.8 segundos. La turbulencia se refiere a la cantidad requerida de mezclado mecánico a fin de asegurar el completo contacto del oxígeno con el combustible y de los contaminantes cobustibles con los productos de combustión y el calor de la flama.

Algunos usos de la oxidación térmica son:

1. Hornos para balatas de fierros

2.Tostadores de café

3.Hornos de moldes metalúrgicos

4. Curado de fibra de vidrio

5. Hornos litográficos

6. Casas para ahumado de carne

7. Hornos para recubrir metales

8. Efluentes de empacadoras

9.Estufas para horneado de pinturas

10. Desengrasado de solventes

11. Quemado de barnices

12. esmaltado de alambres

c) Incineración catalítica

(Diagrama 3)
El quemador auxiliar cataltico es un método que compite con los incineradores térmicos en los tiempos de residencia requeridos, pues en este caso son del orden de pocas centecimas se segundo y se maneja como velocidad espacial. Otra ventaja consiste en que se baja la temperatura de ignición. Un catalizador reduce los requerimientos de energía del proceso de oxidación, por tanto ho hay que calentar la corriente del gas residual a una T tan alta como la incineración térmica las T típicas oscilan entre 217-530 °C y la eficiencia de combustión es del orden del 95 al 98%.

Muchas sustancias tienen propiedades catalíticas, pero solo algunas se utilizan para el tratamiento de gases residuales, debido a que deben de ser sustancias relativamente bajas, capáz de funcionar a la temperatura requerida y tiene que estar conformada en una variedad de perfiles.

Se han preparado con éxito lechos catalíticos conformados como cintas, barras, cuentas, balines y otros perfiles. La atriz catalítica debe permitir una caída de presión moderadamente baja, así como integridad y durabilidad estructurales.

Como base para el diseño, una conversión de 85 a 95% de contaminantes, requiere por lo general de 0.5 a 2 pies³ de catalizador por cada 10 ⁶ pies³ / min de gas residual. Metales nobles como le platino y el paladio se utilizan frecuentemente dispersados en un soporte de catalizador como la alumina. la reactividad catalítica varía también con la estructura molecular en el siguiente orden:

aromáticas <>

Entre los solventes más comúnes a tratar se incluyen el toluol, el metilcetona, el xilol,alcoholes y otros y como ejemplos típicos de contaminantes proscedentes de procesos químicos estan, el CO, el etileno, el oxido de etileno y propileno.

Tiene uso generalizado en los procesos que incluye las estufas de secado de pinturas y esmaltes, procesos que utilizan barnices, insuflación del asfalto, y manufactura del anhídrido ftálico.

Uno de los problemas es la depositación de partículas sobre la superficie del lecho catalizados pues disminuye el área disponible para la acción catalítica; otro problema se asocia con el envenenamiento del lecho por contaminantes específicos presentes en el gas residual, como el He, Pb, Si, F acortan la vida útil de muchos catalízadores, y los compuetsos de azufre disminuyen su eficiencia.

d) Incineración auxiliar con recuperación

(Diagrama 4)

Cualquiera que sea el método de incineración de los gases residuales o donde los vapores que se usan, se deberán considerar un aspecto importante. Dependiendo de que se utilice la incineración catalítica, térmica o por flama directa, la T de los gases que salen del incinerador puede variar de 350 a 1100°C o más.

Por tanto una cantidad considerable de energía a una T relativamente alta, esta asociada con la corriente de gas residual.

Además debido al proceso de incineraciónla corriente de gas contiene escencialmente solo gases inértes, puesto que cualquier especie tóxica o corrosiva se elimina en el proceso de combustión, por tanto esta disponible una fuentes de gas limpio de alto grado de energía para utilizarla en otros procesos de la planta.

En la incineración por flama directa la temperatura esta alrededor de 1400°C este grado de energía alto e smuy provechoso como fuente de calor para una caldera de vapor residual. Uno de los usos mas prácticos de la incineración térmica o catalítica donde sus T son mas bajas para precalentar el gas contaminado que entra ene le incinerador. Mientras mayor sea el calentamiento del gas contaminado hacia su temperatura de autoinmisión o de inmisión catalítica menor será la necesidad de combustible adicional.