Hojas de datos EPA: Seleccionando un Sistema de Adsorción de Compuestos Volátiles Orgánicos (COV): ¿Carbón, Zeolita, o Polímeros? (parte 2)

La regeneración ocurre en un tiempo predeterminado si la concentración promedio de COV está dentro de los parámetros de diseño. Sin embargo, si el flujo del aire o la concentración varían impredeciblemente, debe de utilizarse un sensor. Un flujo del aire y una concentración predecibles permitirían que ocurriera la regeneración en un tiempo dado, antes de que ocurriese la saturación. Si el cronómetro estuviera ajustado correctamente, se evitaría cualquier emisión por saturación. Se debe utilizar un sensor para controlar la regeneración ya sea que el flujo del aire o la concentración de COV sean impredecibles o que el cronómetro sea ajustado incorrectamente. Previo a la saturación, la concentración de la emisión es realmente muy baja y el sensor tendría que detectar una lectura de concentración por encima de este nivel para iniciar la regeneración del lecho de adsorción. Aunque con un sensor se emitirá alguna concentración mayor de COV antes de que ocurra la regeneración, esto pudiera permitir ya sea más emisiones (teniendo un umbral más alto) o menos emisiones (si el cronómetro permitiera que se llegara a la saturación), que con el uso de un cronómetro. Sin embargo, cualquier incremento en las emisiones pudiera realmente ser una cantidad trivial en comparación a la cantidad de las emisiones controladas. Tanto un cronómetro como un sensor pueden ser apropiados, si son ajustados y utilizados correctamente. Cualesquiera de los dos pueden ser inapropiados, si son ajustados y utilizados incorrectamente.

Históricamente, la regeneración térmica ha utilizado vapor, pero otras fuentes de calor han sido probadas con éxito. Estas incluyen: microondas, calentadores empotrados y nitrógeno calentado. Estas han sido utilizadas con todos los adsorbentes. La regeneración térmica se vuelve más práctica cuando los COV tienen presiones de vapor más bajas.

REGENERACIÓN AL VACÍO

Para aumentar la recuperación de solvente y eliminar la contaminación del COV con vapor, se puede utilizar un sistema de regeneración al vacío. La figura 5 muestra un esquema de un sistema de regeneración al vacío. Este utiliza una bomba de vacío para reducir la presión en el adsorbente por debajo de la presión de vapor del COV adsorbido, ocasionando que el COV se evapore a una temperatura ambiente dentro del adsorbente, en vez de que sea a una temperatura más alta. Durante el proceso de ebullición, la temperatura del adorbente disminuirá realmente por debajo de la temperatura normal del exterior. Este método puede ser utilizado con adsorbentes de carbón, polímero, y zeolita.

Figura 5. Sistema de Adsorción por Regeneración al Vacío

A veces se utiliza un pequeño flujo de gas de arrastre para mejorar el transporte del vapor de COV. El vapor de COV es entonces recuperado por separación (condensación, separación por membrana, compresión o algún proceso similar), del flujo proveniente de la bomba de vacío. La pureza del COV recuperado no es afectada por el vacío, pero puede ser afectada por la mezcla de los vapores de COV o por la pureza del gas de arrastre. Si se tiene una mezcla de vapores de COV que estén siendo controlados, el COV recuperado será también una mezcla a menos que el tamaño de los poros o la afinidad del adsorbente o la temperatura de los condensadores separen los vapores. La pureza del gas de arrastre es importante especialmente cuando un COV soluble en agua, tal como un alcohol o una cetona, va a ser recuperado y el gas de arrastre contiene humedad. El vapor de agua será adsorbido y desorbido junto con el vapor de COV y el COV podría requerir una purificación subsecuente si va a reutilizarse. Se ha evitado la contaminación por humedad utilizando nitrógeno seco como gas de arrastre. El COV recuperado es de esta manera tan puro como el vapor de COV.

A veces los COV desorbidos son purificados por medio de destilación, decantación o separación por membrana. El COV recuperado es entonces reciclado en el proceso que lo liberó , utilizado en otra parte de la planta o vendido. Si la pureza del COV fuera demasiado baja para una recuperación económica, o el valor del solvente recuperado fuera demasiado bajo, el COV sería destruído en fase vapor. Las alternativas de un proceso apropiado de destrucción incluyen la oxidación sin flama, la incineración térmica o la incineración catalítica.

Cuando una unidad de adsorción de zeolita se divide en varios lechos fijos con flujo en cascada tal como se muestra en la figura 6; y cuando se utilizan gránulos de la zeolita apropiada, los diferentes tipos de vapores de COV pueden ser adsorbidos en lechos separados. Las compañías europeas ya han adoptado lechos fijos de zeolita. Esta aceptación pudiera estar basada en el hecho de que Europa y Asia son fuentes primarias de zeolita natural.

El COV puede ser entonces recuperado individualmente a partir de estos lechos y el COV resultante puede ser más puro que los vapores mezclados. La clave está en la selección de la zeolita. Aún cuando nadie anuncia en este momento la disponibilidad comercial de este sistema de adsorción con zeolita regenerada al vacío, se han realizado investigaciones que apoyan este sistema.

CONCENTRADOR DE VAPOR

Aunque históricamente las unidades de adsorción han sido utilizadas independientemente como un dispositivo para el control de la contaminación, también se cuenta con el concentrador de vapor. Con el concentrador de vapor se eleva la concentración del vapor de COV para disponer de un tratamiento más económico en los dispositivos de combustión o de condensación.

La relación típica de concentraciones (la concentración de COV a la salida dividida por la concentración de COV a la entrada), que puede ser obtenida con un concentrador de vapor puede pasar fácilmente de mil. Sin embargo, cuando la concentración real de un COV combustible está cercana a un cuarenteavo del LIE, uno puede justificar económicamente el uso de un concentrador rotatorio de vapor, el cual pudiera incluir un incinerador. En la figura 7 se muestra un concentrador rotatorio de vapor. Este es utilizado cuando el vapor de COV se encuentra en un gran flujo de aire y debe ser concentrado para que pueda ser incinerado económicamente. (El aire arrastre del concentrador es generalmente de alrededor del 10% del flujo de aire de entrada con un incinerador y por tanto la relación de concentraciones es de alrededor de diez. Por lo tanto, si la concentración inicial es de una cuarentava parte del LIE, la concentración resultante a la salida es de un cuarto del LIE. Esto significa que, para la incineración, se tendría que añadir un mínimo de combustible para asegurar suficiente valor calorífico para una incineración adecuada.

 El adsorbente es montado sobre un rueda que está rotando ya sea vertical u horizontalmente. Si la rueda está rotando alrededor de un eje horizontal, el aire fluye axialmente a través de los sectores de la rueda. Si la rueda rota alrededor de un eje vertical, el aire fluye radialmente a través de segmentos en el borde de la rueda. El adsorbente está localizado en lechos relativamente superficiales en los sectores o en los segmentos. El adsorbente puede ser una zeolita por sí sola, una mezcla de zeolita con carbón, una mezcla de zeolita con polímeros adsorbentes, o lechos adsorbentes ya sea de carbón o de polímero con lechos de zeolita corriente abajo.

Tal como se muestra en el diagrama del concentrador rotatorio de vapor, el aire de arrastre es calentado por el incinerador y el calor es entonces alimentado a un sector o segmento de la rueda rotatoria para regenerar el adsorbente. Este sector o segmento es aislado por medio de sellos que permiten que el COV sea recapturado y enviado al incinerador a una concentración mayor que aquélla presente en el flujo de aire a la entrada. Esto permite que el COV tenga un mayor valor calorífico por pie cúbico y, por lo tanto, se requiera menos combustible adicional para elevar la temperatura a un nivel donde la eficiencia de destrucción o de recuperación (EDR) del incinerador sea mayor del 98%. El COV es incinerado para proporcionar calor al aire de arrastre para la regeneración del lecho adsorbente.

Una alternativa sería regenerar a una temperatura más baja y condensar los COV. La temperatura tendría que ser superior a la temperatura mínima para la regeneración del COV con ese adsorbente y tendría que incluirse el costo de la condensación con refrigeración. Esto utilizaría una “bomba de calor” para enviar el calor de condensación al aire de arrastre para desorber el COV. El hecho de que ésto utilice sólo una décima parte del flujo de aire, reduce el costo de refrigeración. Ambas opciones están disponibles.

Por razones de seguridad, es importante que la concentración máxima permanezca por debajo de la cuarta parte del LIE, de manera que la relación de concentraciones deberá ser controlada para asegurar esto. Entre más se acerquen las altas concentraciones a la cuarta parte del LIE, menor combustible será necesario añadir para complementar el valor calorífico del COV. El límite de una cuarta parte del LIE lo imponen la Occupational Safety and Health Administration -OSHA (Administración de la Seguridad y Salud Ocupacionales en EE.UU.), y la National Fire Prevention Association – NFPA, (Asociación Nacional para la Prevención de Incendios), para prevenir incendios y explosiones.

Como resultado del uso del concentrador rotatorio de vapor, el incinerador puede ser mucho más pequeño, requiriendo solamente alrededor del 10% del volumen que de otra manera sería requerido para obtener un tiempo igual de residencia. El costo de un incinerador en el OAQPS Control Cost Manual (Manual de Control de Costos de la Oficina de Planificación y Normas de la Calidad del Aire de los EE.UU.), es proporcional a la velocidad del flujo de aire multiplicado por el tiempo de residencia elevado a una potencia ya sea de 0.25 o 0.55, dependiendo del tipo de incinerador. Por lo tanto, el uso del concentrador también genera ahorros en el costo del incinerador.

Se han desarrollado también concentradores de lecho fluidizado que son análogos al concentrador rotatorio de vapor. Se afirma que éstos son capaces de elevar la concentración del COV en el flujo de aire en más 10,000:1. Sin embargo, puesto que el carbón no es un adsorbente eficiente a concentraciones tan bajas de COV, las zeolitas o los polímeros pueden haber sido utilizados como adsorbentes o mezclados con el carbón, para permitir que una concentración tan baja fuera adsorbida. El uso de tal adsorbente podría relacionarse con reducciones de olor, en el que tales concentraciones bajas serían normales. El ciclo de operación es muy similar al concentrador de rueda rotatoria. Sin embargo, el ciclo se basa en la transferencia fluidizada del adsorbente desde el lecho de adsorción hasta la región de desorción. Este utiliza la velocidad de transporte del adsorbente contra la velocidad del flujo de aire para obtener la relación de concentraciones.

SISTEMAS DE ADSORCIÓN POR OSCILACIÓN DE PRESIÓN

En la figura 8 se muestra un diagrama esquemático de un sistema de adsorción por oscilación de presión. Este es utilizado para separar gases o vapores del aire, en base a que sus isotermas de adsorción son una función de la presión total, como también de la presión de vapor y de la temperatura. Es utilizado también para separar los contaminantes de los gases de combustión.

 La mezcla de los gases o vapores es admitida para presurizar a la unidad de adsorción, la cual contiene al adsorbente. Algunos gases son adsorbidos más rápidamente que otros y se utiliza la frecuencia de los ciclos para separarlos. En otros casos, un gas o vapor es adsorbido preferencialmente y la frecuencia de los ciclos es menos importante. Después de admitir la mezcla de gases, el gas que no es tan fuertemente adsorbido es descargado, lo que disminuye la presión a un nivel más bajo. Cuando este venteo de gas se interrumpe, la presión se reduce aún más para desorber el otro gas o vapor. Esto ha sido utilizado para separar oxígeno de aire, bióxido de carbono de aire, bióxido de carbono de gases de combustión, bióxido de azufe de gases de combustión y vapores de gasolina de los tanques que descargan a la atmósfera. Es efectivo cuando el gas o vapor adsorbido preferencialmente tiene una concentración relativamente grande. Por lo general, a esto no se le considera tecnología de control. Los vapores tienen que estar a concentraciones de decenas de miles de partes por millón, en comparación a los cientos o miles de partes por millón que son generalmente controlados como emisiones. Sin embargo, son utilizados en el control de los vapores provenientes de los orificios del desahogo en los tanques de almacenamiento de COV (tales como los de la gasolina).

Además del control de emisión, un sistema de adsorción hace posible la recuperación de COV. La recuperación de un COV reutilizable o comercial puede contrarrestar significativamente el costo de controlar la emisión. Los sistemas de adsorción también pueden aumentar la concentración de COV, permitiendo que la destrucción por incineración o la recuperación por membrana o por condensador sean económicamente viables.