LAVADO DE GASES DE LOS PROCESOS DE ACABADO DE UNA INDUSTRIA TEXTIL.

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1 LAVADO DE GASES DE LOS PROCESOS DE ACABADO DE UNA INDUSTRIA TEXTIL. Francisco H. González González, J orge Rodríguez González y José Manuel Lugo García AMERICAN TEXTIL, S.A. de C.V. Vía Morelos No. 68, Rústica Xalostoc, Ecatepec, Edo. De Méx. CP 55540, Tel , Fax En el presente trabajo se muestra una descripción del funcionamiento de un Lavador de Gases instalado en los procesos de acabado de una industria textil, éste sirve para controlar las emisiones que descargan a la atmósfera estos equipos (ver Figura 1). En los procesos de acabado, conocidos en el Ramo Textil como RAMAS, se pasa tela extendida a todo su ancho, a través de la sección longitudinal de la cámara. Los residuos que atrapa el aire circulante son descargados a la atmósfera a través de chimeneas. Chimenea y abajo torre de filtración Chimeneas de Rama Las características principales de estas emisiones son opacidad y color ostentosos, producidos por el tamaño de partículas que van de 10 micras a 0.01 micras o menores. Ciclón Torre de enfriamiento Figura 1.- Lavador de gases de procesos de acabado. Las partículas de las emisiones están compuestas por aceite, algunos ácidos, vapor de agua, colorantes y fibras del hilo principalmente. Este sistema alcanza eficiencias de remoción superiores al 80%. Responsable del proyecto.

2 INTRODUCCION El incremento en los niveles de contaminación del aire y las difíciles condiciones para la dispersión de los contaminantes en temporadas de invierno (sobre todo en las grandes ciudades del país), donde las temperaturas del medio ambiente son bajas, han llevado a la búsqueda de soluciones para controlar las emisiones contaminadoras. El ramo de la industria que nos ocupa es la textil. Esta industria tiene problemas de emisiones contaminadoras arrojadas a la atmósfera, provocadas por los equipos de combustión y los procesos de Estampado, Secado y Acabado en los equipos denominados Ramas. En los equipos de combustión, las emisiones pueden ser controladas mediante una carburación e instrumentos apropiados para ello. No así para los procesos mencionados, en donde sus emisiones no son producto de una combustión, éstas provienen de los procesos de acabado de las telas. Existen varios métodos para el control de las emisiones que arroja una chimenea a la atmósfera, sin embargo, en su mayoría estos equipos presentan algunas dificultades para eliminar la opacidad, otros utilizan equipos sofisticados con los cuales se minimiza la opacidad pero no la eliminan y requieren inversiones importantes. Ante esta problemática, en el presente trabajo se presenta una alternativa de solución para el control de las emisiones que producen las Ramas de los procesos de acabado de una Industria Textil mediante un lavado de los gases a través de un ciclón, una torre de filtración, una torre de enfriamiento y una tina para recolección de agua. Este equipo alcanza eficiencias de remoción de contaminantes del orden del 80% y puede contribuir a resolver los problemas de contaminación a la atmósfera de la industria textil a bajos costos. A continuación se presentan los resultados obtenidos de la experimentación, monitoreos y datos relevantes de construcción de este proyecto y la problemática a la que nos hemos enfrentado durante la operación. EL Proceso de acabado en la industria textil o RAMA En la Industria Textil de elaboración de tela, sobre todo en tejidos y géneros de punto (Tejidos de tipo Circular, TRICOT y Plano) existe una gran variedad y gama de productos de tela, originada por las exigencias de los clientes para cumplir con la moda o bien que ésta cumpla con especificaciones muy complejas como la Automotriz (en donde la tela debe tener mucha resistencia a la acción degradadora del sol, grasa, etc.) y por ello

3 durante su elaboración se busca darle mayor resistencia, estabilidad y estética a la tela mediante los procesos de acabado. La Ramas tienen la finalidad de dar estabilidad dimensional y orientación al tejido, mediante secado. Es importante la temperatura dentro del equipo y la velocidad del paso de tela (en la Figura 2 se muestra el funcionamiento de una Rama). El proceso de Ramado cuenta con el siguiente equipo: a] Entrada de material, b] Arbol eléctrico, c] Campos de secado, d] Area de recibo en Ramas, SISTEMA DE CALENTAMIENTO EN RAMA En los campos de secado, se calienta aire por medio de radiadores (en donde circula aceite térmico calentado en equipos de combustión) y se hace circular a través de ambas caras de la tela el aire por convección forzada (accionada por un ventilador). La temperatura que debe haber en el campo es ajustada de acuerdo al tipo de producto que sé este procesando, estas pueden variar de 60 a 210 C, en tanto que las velocidades de paso de tela fluctúan entre m/min _ Rieles de cadena 2._ Tejido 3._ Regulacion de las chapaletas 4._ Toberas 5._ Cribas _ Radiadores 7._ Caja de aspiración 8._ Motor de radiador 9._ Caja de ventilador Figura 2.- Sección transversal de una Rama La Rama en estudio contaba con dos chimeneas para descarga de las emisiones a la atmósfera unidas y conectadas al ciclón del lavador. NORMAS ACTUALES Y TAMAÑO DE PARTICULAS Normas oficiales mexicanas: A febrero del 2000 en México no existe una norma que regule los niveles máximos de emisión a la atmósfera de opacidad, compuestos orgánicos volátiles, hidrocarburos y compuestos ácidos. La norma vigente NOM-043-ECOL-1993 regula las concentraciones de partículas suspendidas totales (PST) en fuentes fijas (partículas mayores a 0.3 micras). La norma vigente NMX-006 norma oficial de método que sirve para cuantificar las partículas suspendidas totales en fuentes fijas a través de mediciones isocinéticas.

4 El método 5 de la Environmental Protection Agency de los Estados Unidos sirve para cuantificar las partículas suspendidas totales en fuentes fijas a través de mediciones isocinéticas con equipos semiautomáticos. Norma DGN-AA Norma oficial de método de prueba para determinar la densidad aparente visual del humo, que sirve para cuantificar la opacidad de las emisiones en fuentes fijas usando el método de Ringelmann. Tamaño de particulas: El tamaño de las partículas en las emisiones que arroja una Rama a la atmósfera son del orden de: Humos de aceite 0.03 a 1.0 µm Nieblas de aceite a 10.0 µm Flumes 1 < 1.0 µm Contenido de las emisiones de una rama Las emisiones descargadas a la atmósfera por una Rama pueden ser muy diversas, sin embargo están constituidas principalmente por: Nieblas y neblinas de aceite, Vapor de agua, Partículas de fibras de tela, Colorantes, Suavizantes, Acidos (principalmente acético y cítrico) Estos compuestos conforman una emisión gaseosa de propiedades particulares tales como acidez en los lodos de aceite y basicidad en el agua provocada por las altas temperaturas del vapor. Al salir a la atmósfera tienen carácter de ostensibles provocando opacidad (difracción de la luz por las partículas que conforman la emisión), la cual es causada por el tamaño tan pequeño de las partículas. Los aceites que se usan para la elaboración de la tela son muy diversos y entre ellos están las marcas comerciales:texaco, Texanta, Kluber, etc. Los ácidos usados en la esta Industria para elaboración de telas son principalmente ácido acético, ácido cítrico, en algunos casos muy especiales y en concentraciones pequeñas, ácido fórmico. Las fibras que son arrastradas por la corriente gaseosa en la Rama estudiada están constituidas por Nylon, Poliéster y Licras, principalmente. 1 Noel de Nevers, Air Pollution Control Engineering, Editorial Mac Graw Hill.

5 En las Ramas se usa vapor de agua sobresaturado, calentado en calderas y conducidos por tuberías a las Ramas, a presiones que van del orden de 7 a 9 Kg/cm 2. Este se agrega a la tela, que al pasar por los campos es secado y los residuos (mencionados anteriormente), arrojados a la atmósfera. Los suavizantes que se manejan son de tipo comercial tales como: Pamolube, Etabitán, Irgalán, etc. Estos generalmente contienen parafinas, las cuales difícilmente pueden ser emulsionadas en agua. Los colorantes que se usan en esta Industria Textil, al igual que los demás productos especificados anteriormente, son muy variados, sin embargo la mayoría de los usados son base agua, solamente en algunos casos excepcionales, en el proceso de estampado, se usan colorantes base solvente. Frecuencia de eventos que se presentan de temperaturas elevadas en la rama De una muestra tomada de las temperaturas reportadas en gráficas de los 8 campos de la Rama en estudio del 11 de junio al 31 de julio, se obtuvo el promedio horario por día y estos valores fueron los que se reportan en la tabla 1 y Figura 3. Rango Frecuencia Porcentaje Se aprecia que la mayoría de los valores se encuentran comprendidos entre los 150 a 180 C (78.24% de los datos), en tanto que los valores superiores a los 180 C representan solamente el 8.8 %. La temperatura promedio de los gases descargados a la atmósfera es de C, el valor máximo de C y mínimo de 58.4 C. Lo anterior es indicativo de que la mayor parte del tiempo se pasan productos a temperaturas inferiores a 180 C y solamente en contadas ocasiones se pasan productos a altas temperaturas, en estas condiciones se ha visto que el lavador funciona adecuadamente y las modificaciones de mejora que le hagan serán para cumplir en el 8.8% de los valores. < % % % % % % % % Valores = % Promedio = Desv. std. = Máximo = 70.0 Mínimo = 5.0 Frecuencia FRECUENCIA DE TEMPERATURAS EN RAMA Rango de Temperaturas, C Tabla 1 y Figura 3.- Frecuencia de temperaturas registradas en Rama 5 entre el 11 de junio y el 31 de julio 210

6 FUNCIONAMIENTO DEL LAVADOR DE GASES El sistema que empleamos es una modificación a los diseños convencionales (de impactación y sedimentación), el cual funciona a través de los siguientes procesos: termodinámico, impactación, sedimentación, absorción, filtración, Los principales parámetros que regulan el funcionamiento del sistema están dados por: Temperatura de entrada de los gases al sistema, Temperatura del agua en las tinas, Temperatura de salida de los gases, Flujo de agua de espreado, Tiempo de contacto en lavador, Temperatura de bulbo húmedo. En la Figura 4 se aprecian los diferentes procesos que componen el sistema empleado. Las emisiones de las dos chimeneas de TORRE DE ENFRIAMIENTO cama empacada torre de enfriamiento tina torre de enfriamiento bombeo ciclón bombeo torre de enfriamiento ENTRADA LAVADOR Figura 4.- Funcionamiento del lavador de gases la Rama, se unen en un solo conducto rectangular, entran al equipo al ciclón en la parte superior, éstas descienden por el serpentín, en donde se rocía con agua a través de espreas, posteriormente los gases pasan por el claro libre de la tina y a través de un lecho filtrante a base de piedra volcánica para ser descargadas directamente a la atmósfera. El agua que impactó la corriente gaseosa en el ciclón es recolectada en la tina y bombeada a la torre de enfriamiento (formada por lechos empacados en zig-zag), para disminuir su temperatura y con el agua enfriada volver a rociar en el ciclón y así se cierra el ciclo, el cual es permanente. registro bombeo CICLON tina lavador EXTRACTOR descarga a la atmósfera charolas con piedra volcánica TORRE DE FILTRACION

7 Tiempo de contacto El tiempo de contacto juega un papel importante en el funcionamiento de este sistema. En la gráfica 1 se puede apreciar que el tiempo de 20 contacto óptimo (tiempo de 15 residencia de los gases dentro 10 del equipo), se presenta 5 0 alrededor de los 20 C, cuando este se acerca a la deflexión de la curva, el tiempo de contacto óptimo será del orden de los 15 segundos y en tanto se disminuya la temperatura éste se incrementará notablemente. tiempo, [segundos] Gráfica 1- Tiempo de contacto de gases en Lavador de Rama, en función de temperatura de salida Temperatura, C Determinación de presión de vapor de una muestra recolectada de lodo de aceite Se recolectó aceite en el lavador y se tomó una muestra, ésta se llevó en el laboratorio a punto de Gráfica 2.- PRESION DE VAPOR DE EQUILIBRIO DEL ACEITE ebullición, sometiendo el proceso a vacío, se midió la presión de vapor y la temperatura de inicio de ebullición. Con estos resultados se trazó una curva, la cual es la presión de saturación del aceite que se separa de la corriente gaseosa y se reporta contra la temperatura de operación del lavador. Esta curva (Gráfica 2) es importante, porque podemos predecir la concentración de partículas capturadas en función de la temperatura del lavador, utilizando para ello la ley de los gases ideales. PV = nrt P/RT = n/v = C Temperatura de saturación, T [ C] Presión de vapor, P [mmhg] = C [gmol/l]

8 Es decir, la concentración es proporcional a la presión de saturación. Con esto determinamos la eficiencia del lavador en la captura de partículas 10< D part < 0.01 micras de la siguiente forma: h = (Ci - Cf)/Ci * 100 Donde: Ci = Concentración inicial de partículas, gmol/l Cf = Concentración final de partículas, gmol/l η = Eficiencia de remoción de partículas. Eficiencia de operación La eficiencia del lavador la determinamos en tres partes: Mediciones Isocinéticas.- Para la cuantificación de partículas mayores a 0.3 µm se utilizan los monitoreos isocinéticos, trabajos complejos y de gran precisión en la medición. Curvas de saturación de aceite capturado.- Para cuantificar la eficiencia de remoción de nieblas y neblinas de aceite (partículas menores a 0.3µm) usamos la curva de presión de saturación. Apreciación visual.- Para cuantificar la eliminación de opacidad hemos decidido utilizar el método de Ringelmann, el cual cuenta con una escala que va de 0 a 10, éste es comparado con la pluma que sale de la chimenea por apreciación visual. Este método sirvió como indicador para conocer la funcionalidad del sistema. RESULTADOS OBTENIDOS De las diversas pruebas realizadas de determinación de partículas suspendidas totales se obtuvieron los resultados que se presentan en la tabla 2. No prueba Concentración (mg/m 3 ) Flujo (m 3 /hr) Norma (mg/m 3 ) Tabla 2.- Resultados de evaluaciones isocinéticas de PST en lavador de gases

9 En la tabla 3 se presentan los resultados de las evaluaciones de opacidad medidas en las mismas fechas de monitoreo de PST. Temp. Medición Presión Aire en Rama Temp. Temp. Observaciones Proceso Rama Opacidad espreado Absorción Expulsión salida tina enf. [ C] [esc. ATSA] [Kg/cm 2 ] [ C] [ C] Acabado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Secado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Suavizado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Secado x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta p/estampar x No hay humo en planta Acabado x No hay humo en planta Tabla 3.- Resultados obtenidos de opacidad medidas con el método de Ringelmann En la tabla 4 se presentan los resultados de las evaluaciones realizadas por los tres métodos y estos nos dan la eficiencia global del proceso. Estos valores cambian instantáneamente y están en función de las condiciones ambientales y de proceso. Diámetro de partículas Método Eficiencia medición total [%] > 1 micra Isocinético micra > Dpart. > 0.01 micras Presión vapor Dpart. < 0.01 micras Opacidad Tabla 4.- Eficiencia de lavado de gases en Rama. Problemas de operación Se presenta corrosión del ciclón, a dos años dos meses del inicio de operaciones y esto no permite un sellado hermético de puertas y accesos. Cuando se elaboran telas a base de licras, a temperaturas que oscilan entre los 180 y 210 C, aún se aprecia un poco de opacidad en la emisión. Las bombas de agua paran y arrancan automáticamente por un control de nivel (accionado por flotadores eléctricos), pero como es tan frecuente, constantemente se dañan los controles, los flotadores e interruptores. Los sellos de las bombas se dañan periódicamente, debido a las altas temperaturas del agua (del orden de C). El pegamento de los sellos de las puertas del ciclón y la torre de enfriamiento se han deteriorado por la temperatura y el aceite de las emisiones.

10 Por la temperatura del agua, en los lechos empacados de la torre de enfriamiento, se produce una acumulación de sales y proveen las condiciones óptimas para el crecimiento bacteriano (ver temperaturas de 28 a 38 C en tabla 3, Temp. De tina de enfriamiento), el cual si no es removido periódicamente reduce el área de transferencia de calor y consecuentemente la eficiencia de enfriamiento. No tiene un sistema de separación de grasas y aceites, por lo cual la recolección se hace en forma manual. Los aceites emulsionados no son separados y van directamente al drenaje. Cantidades usadas y recolectadas Se recolectan cada semana 10 litros de un residuo compuesto por ácidos, pelusa, aceite, colorantes y algunos otros productos de la tela, en botes de plástico de 20 litros, al acumular 200 litros se envía a disposición final como Residuo Peligroso. Se tiene una evaporación del agua de 310 litros cada 2 horas, por lo cual se cuenta con un envase de ROTOPLAST para recuperar el agua evaporada y mantener constante el nivel. Cada 6 meses se reemplaza el lecho filtrante (piedra volcánica) y se requiere m 3 por cambio. (7 charolas de 0.05x1.2x1.2 m). La piedra impregnada con el residuo es usada en construcción y se recolecta en tambores de 200 litros y es enviada a disposición final como Residuos Peligrosos. CONCLUSIONES Este equipo lavador de gases ha servido como base experimental para la obtención de los principales parámetros de diseño y de operación que gobiernan al sistema, con la finalidad de diseñar otros similares para otras Ramas. Se ha aprendido del lavador de la Rama que la eficiencia de remoción de los contaminantes es una función de la temperatura, la visibilidad de la emisión en la descarga depende del acercamiento de la temperatura de salida a la temperatura de bulbo húmedo y de las condiciones ambientales prevalecientes (depende de la capacidad de asimilación de las emisiones por el ambiente). Para bajar la temperatura de los gases se debe contar con una o más torres de enfriamiento que entreguen el agua para espreado en el ciclón a temperaturas cercanas a la temperatura de bulbo húmedo. El funcionamiento del lavador depende de variables termodinámicas y éstas a su vez del funcionamiento hidráulico. La inversión que se requiere en comparación con otras Tecnologías (por ejemplo filtros electrostáticos) es aproximadamente 10 veces menor.

11 Si se logra bajar aún más la temperatura en los gases de salida el sistema incrementará su eficiencia de captura y se eliminará la opacidad. Este equipo representa una tecnología nueva que puede ayudar a resolver el problema de control de las emisiones de las Ramas y procesos de secado de la industria textil. BIBLIOGRAFIA 1].- Noel de Nevers, Air Pollution Control Engineering, Editorial Mac Graw Hill. 2].- Norma DGN-AA Norma oficial de método de prueba para determinar la densidad aparente visual del humo, empleando la carta de Ringelmann (Fuentes Estacionarias). 3].- Shan K Wang, Handbook of AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION, pp ].- David M. Himmelblau, Principios y cálculos básicos de la INGENIERIA QUIMICA, pp217. 5].- J.M. Acevedo, Guillermo Acosta, Manual de Hidráulica, Editorial Harla. 6].- B.V. Karlekar, R.M. Desmond, Transferencia de Calor, 2a. Edición, Editorial Interamericana. 7].- Norma NOM-043-ECOL-1993 que regula los de partículas suspendidas totales (PST) en fuentes fijas. 8].- Norma NMX-006 Método para cuantificar las partículas suspendidas totales en fuentes fijas a través de mediciones isocinéticas. 9].- Método 5 de la Environmental Protection Agency de los Estados Unidos sirve para cuantificar las partículas suspendidas totales en fuentes fijas a través de mediciones isocinéticas con equipos semiautomáticos.