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Tecnologías para la separación de corrientes sólido-gas seca

Los separadores sólido-gas son una de esas invenciones ingeniosas que realmente marcan la diferencia en cómo las industrias abordan de manera eficaz el problema relacionado con las emisiones de partículas en corrientes expulsadas a la atmósfera.

Por ejemplo, cada vez que una fábrica o una planta de energía opera existen todo tipo de partículas diminutas que podrían terminar en el aire que respiramos. Este tipo de dispositivos es clave para garantizar prácticas ambientales sostenibles y cumplir con regulaciones cada vez más estrictas.

La variedad de técnicas empleadas para llevar a cabo la separación de partículas sólidas de las corrientes de gas refleja la innovación y la adaptabilidad de la ingeniería industrial en este ámbito.

En función del tamaño de partícula del contaminante a eliminar, el principio de funcionamiento adecuado del separador sólido-gas puede catalogarse de acuerdo a la siguiente tabla:

En este contexto, centrándonos en las tecnologías predominantes de separación sólido-gas en medio seco, las predominantes son:

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Cámaras de sedimentación

En su versión primigenia, se trata de la tecnología más simple posible, consiste en una cámara vacía, generalmente rectangular y horizontal, donde la propia fuerza de la gravedad modifica el patrón de flujo de las partículas sólidas haciéndolas caer en un colector. La altura de estas cámaras debe ser lo suficiente como para que no exista arrastre de las partículas sólidas sedimentadas por la propia corriente de gas a tratar. Este fenómeno limita la velocidad del gas en el interior de la cámara a 3 m/s aproximadamente.

Un caso particular de las cámaras de sedimentación por gravedad es la cámara de polvo Howard. El interior de la cámara en este caso presenta una serie de placas horizontales con el fin de dividir la sección de paso del gas a su través y así realizar una recolección en paralelo de las partículas sólidas. Esta configuración permite alcanzar eficiencias mayores con respecto al caso base y como contrapartida, el coste de adquisición y mantenimiento aumentan.

Las ventajas más importantes que presenta esta tecnología son su robustez al no presentar partes móviles ni elementos sensibles a la corrosión ni a la temperatura, simplicidad, bajo coste asociado y generación de pérdida de carga en el gas baja.

Los inconvenientes principales asociados son la baja eficacia de separación relativa a otras tecnologías; tamaño mínimo de partícula sólida de 43 µm para presentar una eficacia razonable y el alto volumen ocupado para tratar la corriente de gas.

Separadores por impacto

Los separadores inerciales por impacto son muy similares a las cámaras de sedimentación con la particularidad de que presentan obstáculos en su interior que modifican el patrón de flujo de la corriente. Esta configuración presenta la ventaja de que requiere un volumen menor que las cámaras de sedimentación para tratar una corriente gaseosa a igualdad de eficacia, pero por contrapartida, las superficies sometidas al impacto de las partículas sólidas sufren abrasión. Además, la resistencia al paso del flujo en estas cámaras suele ser algo más elevadas que en el caso anterior, lo que se traduce en una mayor caída de presión.

Ciclones

Los ciclones son dispositivos que utilizan la fuerza centrífuga para separar partículas sólidas de la corriente de gas. El gas ingresa a un cilindro en espiral, generando un movimiento de rotación que impulsa las partículas sólidas hacia las paredes del cilindro, donde caen y se acumulan. Se utilizan comúnmente para manipular polvos de tamaño mediano y grueso.

Este tipo de equipos admiten una configuración tanto en serie como en paralelo, de forma que la primera es utilizada cuando se requiere una alta eliminación de sólidos para un caudal determinado y la segunda es viable cuando se desea tratar altos caudales de gas para un tamaño de sólido determinado.

La distribución de los sólidos en la corriente de gas depurada resultante (eficacia de la separación), el caudal capaz de tratar y la pérdida de carga son las variables que permiten definir el diámetro necesario de un ciclón y, por ende, su diseño completo.

Al resolver analíticamente un ciclón se relacionan las variables mencionadas con las fuerzas centrífuga, de arrastre y de empuje a las que las partículas sólidas son sometidas. Este cálculo que permite la elección adecuada de un ciclón y del número de ciclones se realiza a través de los números adimensionales de Euler y de Stokes, de forma que la relación entre ellos es un indicador de un diseño correcto.

Las ventajas asociadas a este tipo de tecnologías es que, aún presentando cierta complejidad adicional a los casos anteriores es, en esencia, simple a no presenta partes móviles ni elementos complejos a la par de que es capaz de separar partículas finas. Esto implica bajos costes asociados tanto al mantenimiento como a la adquisición. Además, los diseños más robustos son capaces de soportar condiciones de operación extremas (temperaturas cercanas a los 1000 ºC y presiones de hasta 500 atmósferas).

El inconveniente fundamental que presenta esta tecnología es que el diseño geométrico condiciona fuertemente la eficacia de la tecnología, haciendo que esta sea muy sensible a cambios en las condiciones de operación (baja flexibilidad una vez diseñado e instalado). Esto también hace que un diseño impreciso desemboque en una baja eficiencia.

Teniendo en cuenta estas características, los ciclones suelen tener cabida para la eliminación de partículas comprendidas entre 5 µm ya que la eficacia en la separación de finos cae drásticamente para valores más bajos y 200 µm ya que a tamaños más altos las cámaras de sedimentación suelen ser más competitivas que los ciclones.

Filtros de mangas

Estos separadores utilizan filtros de bolsa o de manga para atrapar partículas sólidas y permitir el paso del gas. Son particularmente eficaces para capturar partículas finas y polvos. Se utilizan ampliamente en las industrias del cemento, la metalurgia y la química, ya que proporcionan una alta eficiencia de separación, lo que los hace ideales para operaciones que involucran partículas más pequeñas.

En ellos, la entrada de la corriente a tratar se encuentra conectada a una cámara donde se encuentran los filtros. El gas circula a su través, generándose una torta adherida a la pared de los filtros. Tras ello, el gas filtrado es llevado a un plenum, el cual se encuentra separado de los filtros mediante un elemento llamado placa espejo.

Estos filtros presentan la particularidad de que el punto de máxima eficiencia no es siempre el momento en que los filtros se encuentran totalmente limpios, ya que la propia torta formada ofrece una resistencia extra al paso del flujo de la corriente gaseosa, la cual debe seguir un camino tortuoso entre los intersticios de la propia torta para acceder al interior del filtro. Esto hace que las partículas más finas puedan quedar también retenidas y por ello es posible alcanzar eficacias muy altas (99,9%).

Esta eficacia tan alta es precisamente la gran ventaja que presenta con otras tecnologías (retiene partículas menores a 2,5 µm), pero también presentan inconvenientes a tener en cuenta, como la importante caída de presión que generan. Además, los filtros suelen ser constituidos por telas, poliéster o incluso papel. Esto hace que en determinadas aplicaciones su uso sea inviable debido a la sensibilidad a la temperatura y corrosión de los propios filtros.

Además, opera mediante ciclos, de forma que el filtro puede encontrarse en modo operación o limpieza. La limpieza de los mismos son operaciones algo más complejas que la simple extracción de sólidos que ocurría en tecnologías anteriores. Habitualmente se recurren a pulsos de aire de limpieza, aire circulando en contra del flujo natural de la corriente a tratar o sacudidas mecánicas.

Por último, el filtro de mangas, dada su operativa, necesita que las partículas sólidas presenten cierta adherencia en las paredes del filtros para poder formar la torta y así alcanzar su punto de máxima eficiencia.

Precipitadores Electrostáticos (Electrofiltros)

Los electrofiltros atrapan las partículas sólidas en el gas aplicándoles cargas eléctricas. El proceso electrostático hace que las partículas se adhieran a placas con cargas opuestas, logrando la eficiencia de separación más alta de todas las tecnologías presentadas (pueden incluso trabajar con rociadores de agua para atrapar aún mayor cantidad de finos), por lo que suelen estar presentes en aplicaciones de altos requerimientos de limpieza del gas.

Las ventajas que presentan además de su alta eficacia son su alta flexibilidad para tratar tanto altos como bajos caudales de gas, genera bajas caídas de presión y su tamaño es significativamente menor con respecto a otras tecnologías para igualdad de caudal y eficiencia.

Sus desventajas principales son los altos costes asociados al equipo tanto de adquisición como de mantenimiento y que las partículas sólidas deben ser ionizables para que el filtro pueda funcionar, por lo que su uso está limitado a partículas conductoras.

Autor: Jesús Pelegino Sanz