Eliminació de contaminants gasosos en un sistema d'absorció jet-venturi

Abstract

Els sistemes absorbidors basats en l'efecte venturi (venturi 'scrubbers') han estat utilitzats tradicionalment per a l'eliminació de partícules i aerosols continguts en efluents gasosos. L'aplicació d'aquesta tecnologia a l'absorció de contaminants químics ha estat poc estudiada, malgrat que el sistema presenta les característiques idònies per a l'eliminació de soluts gasosos solubles en algun dissolvent líquid.<br/><br/>En aquesta tesi s'han estudiat les possibilitats del sistema absorbidor jet-venturi a l'eliminació de contaminants gasosos localitzats habitualment en àmbits industrials. L'estudi inclou una caracterització del sistema d'atomitzador responsable de l'elevada àrea interficial generada. En aquest sentit, l'estudi revela que l'atomitzador tipus 'pressure swirl' emprat no és tant eficient com el procés d'atomització que es dóna en sistemes venturi 'scrubber' tradicionals.<br/><br/>La capacitat d'autoabastiment del gas a depurar, característica inherent del sistema jet-venturi, ha estat avaluada, i s'observa una baixa eficiència de bombeig en comparació amb equips de característiques similars.<br/><br/>L'estudi de la transferència de matèria en el sistema jet-venturi, ha estat recolzat per una anàlisi dels fenòmens hidrodinàmics que esdevenen a l'interior del sistema. Aquests fenòmens permeten discernir quina és la distribució del líquid al llarg del tub venturi, és a dir, quina fracció de líquid circula en forma de gotes, i quina ho fa en forma de pel·lícula adherida a les parets. Les dades experimentals són contrastades amb un model basat en el creixement de la capa límit en el difusor, el qual permet comparar els perfils de pèrdua de pressió al llarg del tub venturi, així com la distribució de líquid. El model emprat prediu fraccions de líquid en forma de pel·lícula amb un error relatiu que no supera el 15 %. <br/><br/>La informació experimental referida a la transferència de matèria fou analitzada, inicialment, mitjançant tècniques estadístiques. D'aquesta manera s'obtingueren conclusions aplicables a la millora del disseny dels equips. Per altra banda, es formulà un model mecanicista, basat en l'absorció acompanyada d'una reacció química instantània a cadascuna de les gotes generades per l'atomitzador. Aquest model, tot i ser el més adient, prediu rendiments d'absorció inferiors als determinats <br/><br/><br/><br/><br/><br/><br/><br/><br/>experimentalment, la qual cosa indica que la pel·lícula de líquid intervé en el procés de transferència de matèria. El nou model formulat, que contempla l'absorció efectuada en el film, millora les prediccions considerablement, malgrat que aquestes encara es troben allunyades dels valors experimentals. Aquest fet referma la teoria que no es pot negligir la transferència de matèria desenvolupada a la pel·lícula de líquid. Aquesta ha de ser estudiada més a fons i integrada en el model d'absorció per sistemes venturi 'scrubber' en general.

Absorption systems based on the venturi effect (venturi scrubbers) have been used in particle and aerosol removal from gas streams. There is a lack of information about the use of these systems on the removal of chemical pollutants, even though the venturi scrubber seems to be suitable for the absorption of soluble gaseous solutes with the appropriate liquid absorbent. <br/><br/>In this thesis, the suitability of the jet-venturi absorption system on the removal of gaseous chemical pollutants has been studied. The pollutants analysed were some of the most characteristic found in industrial environments, mainly ammonia, sulphur dioxide and hydrogen sulphide. The study includes a complete characterisation of the atomisation system, which is responsible of the large interfacial area created. The study shows that the pressure-swirl atomizer used has a poor efficiency in liquid atomisation. The literature on venturi scrubbers reviewed shows a best efficiency when the gas flow rate is the responsible of the liquid atomisation.<br/><br/>The gas self-inducing capability, common characteristic of the jet systems, has been evaluated, observing a low pumping efficiency if compared with jet-pump based systems. The performance of both systems is quite similar.<br/><br/>Mass transfer characterisation in jet-venturi scrubbers has been accompanied by an exhaustive analysis of the hydrodynamics phenomena involved. These phenomena allow to evaluate the liquid distribution along the venturi tube, thus, the liquid fraction flowing as droplets and as a film attached to the walls could be determined. Experimental data were compared with the predictions given by a model based on the boundary layer growth. This model works out the pressure drop across the z-axis of the venturi tube, taking into account the growth of the boundary layer in the diffuser section, which in turns is used to evaluate the liquid film thickness. The model predictions showed an excellent agreement with the experimental data. The maximum error was found to be lower than 15 %.<br/><br/>Mass transfer experimental data were analysed initially by means of statistical methods (Surface Response Methodology). These techniques give reliable information for design purposes. On the other hand a mechanistic model was settled down, based on the absorption accompanied by an instantaneous chemical reaction within each droplet created by the atomisation system. This model, even though is the most suitable, predict removal efficiencies lower than those determined by experimentation. This probably means that the liquid film participates in the mass transfer process. A new model was formulated, allowing mass transfer within the liquid film. In spite of the predictions were improved, there is still an important lack of agreement. This fact supports the idea that neglecting liquid film absorption leads to a underprediction of the removal efficiencies. Thus, a thorough study of the mass transfer within the liquid film, besides an integration of the hydrodynamic model into the general mass transfer model should be performed.