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PRECIPITADORES ELECTROSTÁTICOS

INDICE

 Introducción.  Definición.  Tipos de precipitadores.  Punto de operación eléctrico.  Voltaje del punto de operación.  Valor de campo máximo.  Fuerzas que influyen sobre las partículas.  Ecuación de Deutsch.  Conclusiones.  Bibliografía.

INTRODUCCIÓN El filtrado por precipitación electroestática era un fenómeno conocido ya desde los comienzos del siglo XIX a partir de los trabajos del físico HOHFELD. Alrededor de 1900 el americano COTRELL, e independientemente el alemán MOLLER, consiguieron valorar Industrialmente dicho efecto aplicándolo a la purificación de los gases. El precipitador electrostático, es un equipo eléctrico desarrollado industrialmente a partir de 1906 ut ilizado para eliminar impurezas como polvo, humo o vapor que se encuentran suspendidas en el aire o en otros gases. A pesar de ser más caros que otros colectores mecánicos, como los filtros de aire, los precipitadores electroestáticos son más eficientes, sobre todo en la eliminación de partículas muy pequeñas y permiten trabajar a mayores temperaturas que los filtros de manga.

DEFINICION Un precipitador electrostático es un dispositivo utilizado para el control de partículas basado en fuerzas eléctricas. Un alto voltaje (45.000 a 70.000 V) es aplicado a un alambre ubicado en el centro del pre cipitador. La pared externa del precipitador se conecta a tierra a potencial cero. Al alambre en el centro del precipitador se lo denomina electrodo de descarga y a la pared externa electrodo colector. El electrodo de descarga mantiene un potencial negativo respecto del electrodo colector y así el campo eléctrico está dirigido hacia el alambre. El campo eléctrico cerca del alambre alca nza valores suficientemente altos como para provocar una corona de descarga en torno a él y la formación de electrones e iones negativos como por ejemplo los del O2. A medida que los electrones y los iones negativos son aceleradoshacia el electrodo colector por las líneas del campo eléctrico no uniforme las partículas que se encuentransuspendidas en la corriente de gas ingresante, que fluye horizontalmente y paralelo a las placas verticales, se cargan por las colisiones y la captura de iones y llegan a depositarse en la superficie de los electrodo s colectores. De este modo el gas sale del precipitador prácticamente libre de impurezas. Puesto que las partícul as mayoresde 10 µ de diámetro absorben varias veces más iones que las menores de 1 µ de diámetro, las fuerzas eléctricas son mucho más fuertes en las partículas mayores. El hecho de impartir una polaridad negativa a los electrodos se debe a que una corona negativa toler a un voltaje más alto antes de producir chispa a que una corona positiva. Debido al espacio libre necesario en la parte superior del precipitador electrostático una fracción del gas se desvía alrededor de las zonas de carga. A este fenómeno se lo llama “fuga furtiva” e impone un límite máximo a la eficiencia de recolección. A medida que las partículas comienzan a depositarse sobre la superficie colectora, el espesor de la capa de material particulado se incrementa. Como consecuencia de esto el campo eléctrico va disminuyendo por lo que es necesario golpear periódicamente las superficies colectoras, el material cae y se recoge en el fondo, en tolvas de recolección. Sin este golpe periódico y la consecuente disminución en la recolección, la eficiencia del precipitador electrostático se ve disminuida.

Figura 1. Retención de las partículas debido al campo electrostático.

Los precipitadoreselectroestáticos se usan mucho para eliminar la contaminación atmosférica de las chimeneas de los equipos industriales como, por ejemplo, las calderas de vapor y los hornos de cemento. Además se utilizan para recoger vapores de ácido sulfúrico y de ácido fosfórico, y para recuperar compuestos de sodio en la sosa y en molinos de pasta de sulfato.

Tipos de Precipitadores: Precipitador de placa-alambre. Consta de placas paralelas y alambres entre las placas. Esta disposición permite muchas líneas de flujo operando en paralelo, y a su vez pueden ser muy altas, lo que permite a este tipo de precipitador tratar grandes volúmenes de flujo. Las placas son el electrodo colector, que deben ser golpeteadas periódicamente para desprender el material recolectado. Hay que tener en cuenta la resistividad del material recolectado, ya que altas resistividades provocan la situación de corona invertida (se inyectan iones de polaridad contraria que disminuyen la eficiencia de recolección), si la resistividad es muy baja, las partículas se mantienen en la placa muy disgregadas, lo que provoca fenómenos de resuspensión, lo que también disminuye la eficiencia. En el cálculo de la resistividad del material influyen muchos factores como: naturaleza del gas y del material recolectado, temperatura, humedad, características de la superficie recolectora, etc.

Precipitador de placas planas. En este tipo de precipitadores electrostáticos, de menor tamaño, se sustituyen los alambres por placas planas para los electrodos de alto voltaje. Esto incrementa el campo eléctrico promedio usado para recolectar partículas y proporciona una mayor área superficial. Las coronas no pueden formarse entre placas planas, por lo que hay que incorporar electrodos adicionales a la entrada de las placas que generen las coronas. Los precipitadores de placas planas son menos susceptibles a la formación de corona invertida, siendo especialmente útiles para la recolección de material con gran resistividad. Además, son menos propensos a la formación de chispas, por lo que suelen ser de polaridad positiva, para minimizar la formación de ozono.

Precipitador tubular. Los precipitadores tubulares tienen forma de tubo, o tubos en paralelo con forma de panal, con el electrodo de alto voltaje en forma de alambres. Normalmente son lavados con agua, por lo que son más utilizados con particulados húmedos o pegajosos.

Punto de operación eléctrico El campo eléctrico para el que la formación de corona se autosostiene para la superficie de un alambre viene determinado por la ecuación:

Donde: Ec= campo de formación de la corona en la superficie del alambre (V/m) dr= densidad relativa del gas, referido a 1 atm de presión y 20ºC (adimensional) rw= radio del alambre, metros (m)

Voltaje del punto de operación. El campo eléctrico para el que la formación de corona se autosostiene para la superficie de un alambre viene determinado por la ecuación:

Donde: Ec= campo de formación de la corona en la superficie del alambre (V/m) dr= densidad relativa del gas, referido a 1 atm de presión y 20ºC (adimensional) rw= radio del alambre, metros (m) El voltaje que crearía este campo para un precipitador de geometría tubular sería:

Donde: Vc = voltaje de formación de la corona (V) d = radio del cilindro exterior para PES tubular (m) d = 4/B x (separación placa-alambre) para PES de placa-alambre (m)

El voltaje que crearía este campo para un precipitador de geometría tubular sería:

Donde: Vc = voltaje de formación de la corona (V) d = radio del cilindro exterior para PES tubular (m) d = 4/B x (separación placa-alambre) para PES de placa-alambre (m)

Valor de campo máximo. El valor de campo para el cual ocurre chispa viene determinado aproximadamente por la siguiente ecuación:

Donde: Es = fuerza del campo centelleante (V/m) T = temperatura absoluta (K) P = presión del gas (atm) = voltaje aplicado (V) L = distancia más corta del alambre a la superficie de recolección (m)

V

El campo máximo al que debe operar el precipitador deberá aproximarse al valor de campo centelleante, pero no sobrepasarlo. Puede ocurrir corona invertida si el campo eléctrico de la capa de polvo supera los 106 V/m como consecuencia del flujo de corriente por esta capa:

Donde:

El = campo eléctrico en la capa de polvo (V/m) ρ = resistividad del material recolectado (ohmm) corriente (A/m2) μ = movilidad del ión (m2/Vs) (metros2/voltio-segundo) ε = permitividad de espacio libre (8.845 x 10-12 F/m)(Farad/metro) V = voltaje aplicado (V) L = distancia más corta del alambre a la superficie de recolección (m)

j = densidad máxima de

Fuerzas que influyen sobre las partículas. Recolección de partículas: El campo eléctrico, en la zona de recolección, provoca una fuerza sobre la partícula proporcional a la carga de esta y a la magnitud del campo, por esto, habrá que mantener un campo tan alto como sea posible.

Donde: Fe = fuerza debida al campo eléctrico (N) q = carga en la partícula (C) E = campo eléctrico (V/m) A la fuerza del campo eléctrico se le opone la tensión viscosa del gas (ley de Stokes), por lo que comparando ambas fuerzas se calcula la expresión para la velocidad de partícula en su movimiento por las líneas de campo hacia las paredes del colector:

Donde: v(q,E,r) = velocidad de la partícula (m/s) q(E,r) = carga de la partícula (C) C(r) = corrección de Cunningham a la ley de Stokes (adimensional) η = velocidad del gas (kg/ms)

Ecuación de Deutsch La ecuación de Deutsch nos da la proporción de partículas que escapan:

Donde:

SCA = área específica de recolección (A/Q) (s/m) (fracción) we = velocidad efectiva de migración para el conjunto de partículas (m/s)

p = penetración

Conclusiones 

Los Precipitadores Electroestáticos tienen alto rendimiento que oscila entre un 95 % a un 99 %. Se consiguen reducir las emisiones de partículas de 50 gr / N m3 a 5 gr / N m3.



Se logran retenciones de partículas que van de 0,01µ a 10 µ.



Son los más aptos para el filtrado de partículas en instalaciones que operan a temperaturas su periores a los 200 ºC.

Bibliografía    

Manual de costos de operación de control de la contaminación del aire de la E.P.A. Tecnoambiente, el portal tecnológico de la revista Induambiente. Estudio de reducción de cadmio y plomo en los homos de la fundición de plomo de la Oroya. 2001, 2004 Miliarium Aureum, S.L.