DETERMINACIÓN DE LA EMISIÓN DE MATERIAL PARTICULADO EN FUENTES FIJAS DETERMINATION OF PARTICULATE MATTER EMISSION FROM STATIONARY SOURCES

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1 DETERMINACIÓN DE LA EMISIÓN DE MATERIAL PARTICULADO EN FUENTES FIJAS DETERMINATION OF PARTICULATE MATTER EMISSION FROM STATIONARY SOURCES RESUMEN Por Carlo Alberto Echeverri Londoño 1,Medellín, 2006 Ete artículo preenta una guía etodológica para deterinar la eiión de partícula (aterial particulado) a travé de un uetreo iocinético en fuente fija, y contepla lo requiito báico y equipo epleado para realizar un uetreo. La deterinación de la cantidad de aterial particulado preente en una eiión atoférica requiere de ucho cuidado y el uo de equipo adecuado pueto que la concentración del containante que interea e relativaente pequeña. Palabra clave: Muetreo iocinético, Tren de uetreo, uetreador de chienea, fuente fija. ABSTRACT Thi article preent a ethodologic guide in order to deterine the particulate (particulate atter) eiion through a iokinetical apling in tationary ource, and conteplate the baic requireent and ued equipent to ake a apling. The deterination of the aount of particulate atter preent in an atopheric eiion require of uch care and the ue of uitable equipent ince the concentration of the polluting agent that interet i relatively all. Key word: Iokinetical apling, apling train, tack apler, tationary ource. 1 Ingeniero Quíico, Magíter en Ingeniería Abiental. Profeor Univeridad de Medellín (Colobia). e-ail: cecheverri@ude.edu.co

2 1. INTRODUCCIÓN. La caracterización de una fuente de containación atoférica conite en darle repueta a la iguiente pregunta: Que e eite?, Cuanto e eite? y Donde e eite? El grado de exactitud en la repueta a la anteriore pregunta, tiene que ver con el objetivo de la caracterización de la fuente. Son cuatro lo objetivo fundaentale por lo cuale e procede a caracterizar la fuente de containación atoférica: a) Realizar un inve ntario general de la fuente. Con ete e perigue noralente realizar una evaluación inicial de la probleática en un área urbana y/o indutrial y por lo tanto no exige una caracterización exhautiva de la eiione. b) Etablecer un prograa de onitoreo de calidad de aire. En ete cao e requiere inforación de tipo general, identificando lo principale containante eitido y la cantidade aproxiada eitida. c) Definir lo paráetro de dieño en un proyecto de control. Se requiere una inforación detallada de la caracterítica de lo containante. d) Certificar el cupliiento de la nora de eiión. En ete cao e requiere inforación uy precia en lo erente a flujo áico del containante eitido. 2. MUESTREO DE LAS EMISIONES CONTAMINANTES. Ete étodo conite en toar una uetra de la eiión que perita deterinar la concentración del containante y el flujo del ga portador, con el fin de calcular el flujo áico del containante. Ete uetreo e realiza con un uetreador de chienea (figura 1 y 2), cuyo equea báico e uetra en la figura 3.

3 La uetra debe toare cupliendo con el requiito de no generar una eparación ecánica de lo containante con repecto al ga portador, en otra palabra la toa de la uetra debe realizare a la ia velocidad en que on tranitido lo containante en el ducto de uetreo; al cupliiento de ete requiito e le denoina uetreo iocinético. El porcentaje de iocinetio eta dado por la iguiente ecuación: V % Iocinetio = 100 n (1) V Vn = Velocidad de toa de uetra. V = Velocidad de gae en chienea. Figura 1. Muetreador de chienea AST (Auto Sapling Train) arca Anderen Intruent Inc. Cuando e preentan condicione no iocinética (ver figura 4): a) La partícula ayore tienden a overe en la ia dirección inicial. b) La partícula enore tienden a eguir la línea de flujo.

4 c) La partícula interedia ufren alguna deflexión. Figura 2. Muetreador de chienea MST (Manual Sapling Train) arca Anderen Intruent Inc. Figura 3. Tren de uetreo iocinético para aterial particulado.

5 Lograr que la toa de uetra e realice en fora iocinética, requiere la adopción de una etrategia de uetreo que incluye lo iguiente étodo definido por la Agencia de Protección Abiental de lo Etado Unido (EPA). Figura 4. Muetreo Iocinético v. No Iocinético. 3. MÉTODO 1: LOCALIZACIÓN DE LOS PUNTOS DE MUESTREO PRINCIPIO. Para obtener una edición repreentativa de la eiione de containante y/o lo caudale de una fuente etacionaria, e elecciona un itio de edición en la chienea en donde la corriente fluye en una dirección conocida. Se divide la ección tranveral de la chienea en un núero de área iguale y e localiza un punto de traveía dentro de cada una de eta área iguale APLICABILIDAD. Ete étodo e aplicable para corriente de ga que fluyen en ducto y chienea. El étodo no puede er uado cuando: (1) El flujo e ciclónico o turbulento, (2) El diáetro de la chienea e inferior a 0.30 ó tiene

6 un área tranveral inferior a ; o (3) El itio de edición tiene eno de do diáetro de chienea o ducto corriente abajo o eno de edio diáetro corriente arriba depué de una perturbación LOCALIZACIÓN DEL SITIO DE MEDICIÓN ADECUADO. Se conidera que la ección del ducto á adecuada para ubicar el itio de edición e aquella que tiene una ditancia equivalente de ocho (8) diáetro corriente abajo depué de una perturbación y do (2) diáetro corriente arriba ante de la iguiente e la, ya que en eta franja e encuentra un flujo lainar. Cuando lo anterior no puede cuplire, e debe localizar el itio de edición por lo eno a do (2) diáetro de chienea o ducto corriente abajo depué de una perturbación y por lo eno a edio (0.5) diáetro corriente arriba ante de una perturbación, con el propóito de auentar el núero de punto de uetreo en la ección tranveral y obtener un uetreo á repreentativo. Para ducto rectangulare e ua el térino diáetro equivalente, el cual e define aí: De = 2LW ( L+ W) (2) En la cual L y W on la dienione (largo y ancho) de la ección tranveral de la chienea ADECUACIÓN DEL SITIO. Una vez elegido el itio e adecua cupliendo lo iguiente requiito: - Que la platafora ea aplia y reitente (ver figura 5). - Que ea de fácil acceo. - Que cuente con uinitro de energía eléctrica (110 V C.A.). - Que cuente con protección necearia para evitar lo corto circuito y choque eléctrico.

7 Figura 5. Platafora de uetreo. La platafora e colocan alrededor del itio de edición. Para chienea circulare, e debe localizar el itio de uetreo por lo eno a do diáetro de chienea o ducto corriente abajo y por lo eno a edio diáetro corriente arriba depué de una perturbación. Para ducto rectangulare e divide el ducto en área iguale (ínio 9) y e uetrea en lo punto edio de dicha área (ver figura 8). Para ducto rectangulare e recoienda contruir la platafora egún la nora de ontaje ya etablecida. El total de punto a uetrear e deterina a travé de la figura 6. Para uar la figura 6 e debe calcular la ditancia (en núero de diáetro de chienea) ante y depué de la perturbación á cercana al punto de edición. Para eo, e debe deterinar la ditancia dede el lugar de edición hata la perturbacione corriente arriba y corriente abajo á cercana, y dividir cada ditancia por el diáetro de la chienea o diáetro equivalente para deterinar la ditancia en térino de núero de diáetro. La perturbacione pueden er cualquier tipo de curva, expanione, contraccione, entrada, etc.

8 Figura 6. Núero ínio de punto de uetreo. Luego, e elecciona de la figura 6 el núero ínio de punto de uetreo correpondiente al valor á alto entre lo do núero ínio correpondiente a la ditancia corriente arriba y corriente abajo, o un valor ayor, de odo que para chienea circulare el núero ea últiplo de cuatro (4). La ubicación de lo punto de uetreo en ducto y chienea circulare (porcentaje del diáetro a partir de la pared interna) e deterina a travé de la tabla 1 (ver figura 7). Para chienea rectangulare, e debe dividir la ección tranveral en tanta área rectangulare coo punto de uetreo, con el propóito de obtener el arreglo de la atrice de la tabla 2. La relación entre la longitud y el ancho de cada área eleental debe etar entre uno y do.

9 Tabla 1. Núero de punto de traveía obre el diáetro. Nueración del Núero de punto de uetreo en un diáetro punto de uetreo en un diáetro Nota: Lo punto de uetreo no podrán etar localizado a una ditancia inferior de 1.3 c. de la pared de la chienea para chienea con diáetro enore o iguale a 0.61, y a una ditancia de 2.5 c. para chienea con diáetro ayore de Ajutar la ubicación del priero y últio punto egún ete criterio. Tabla 2. Arreglo de la ección tranveral para chienea rectangulare. Núero de punto de uetreo Matriz

10 Figura 7. Ubicación de lo punto de uetreo. Para chienea con diáetro enore a 0.3 (Método 1A), el itio de uetreo e debe ubicar a ocho (8) diáetro corriente abajo depué de una perturbación y diez (10) diáetro corriente arriba ante de la iguiente. Cuando lo anterior no puede cuplire, e debe localizar el itio de uetreo por lo eno a do (2.0) diáetro de chienea o ducto corriente abajo depué de una perturbación y por lo eno a do y edio (2.5) diáetro corriente arriba ante de una perturbación, con el propóito de auentar el núero de punto de uetreo en la ección tranveral y obtener un uetreo á repreentativo. Ete étodo no e puede aplicar cuando el flujo e turbulento.

11 Figura 8. Sección tranveral de una chienea rectangular dividida en 12 área iguale con punto de uetreo centrado en cada área. 4. MÉTODO 2: DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL GAS EN LA CHIMENEA Y EL CAUDAL (TUBO PITOT TIPO S) PRINCIPIO. La velocidad y el caudal del ga en la chienea e deterinan a travé de la denidad del ga y de la edición de la preión de velocidad proedio (preión dináica) con un tubo pitot tipo S. El tubo pitot etándar puede uare en lugar de uno tipo S, in ebargo, coo lo orificio de preión etática y aboluta del tubo pitot etándar on uceptible a obtruire por la partícula preente en la corriente gaeoa; iepre que e utilice un tubo pitot etándar para realizar una traveía, e debe inpeccionar el tubo pitot para aegurare que lo orificio no e han tapado durante la edición. Eto e puede lograr coparando la edición de la preión de velocidad ( P) regitrada en un punto de traveía eleccionado con una egunda edición de P regitrada en el io punto depué hacer paar aire preurizado en contracorriente por el tubo pitot para lipiar lo orificio de preión aboluta y etática. Si la edicione de P, ante y depué; etán dentro de un 5 % de diferencia, entonce lo dato de la traveía on aceptable.

12 Para ducto con diáetro enore a 0.30, la velocidad del ga debe edire uando un tubo pitot etándar, ya que la utilización de un tubo pitot tipo S produce edicione inexacta. La velocidad de ga e ide uando un tubo pitot etándar corriente abajo del itio real de uetreo de la eiión. La ditancia del ducto entre el itio de uetreo de partícula y el itio de edición de la velocidad periten que el perfil de flujo, teporalente perturbado por la preencia de la onda, e vuelva a dearrollar y a etabilizar. Coo el étodo 1A no e puede aplicar cuando el flujo e turbulento, e deben realizar edicione de P, ante y depué del uetreo de partícula, y coparar u deviación. El uetreo de partícula e aceptable iepre y cuando la deviación de la edicione de P, ante y depué del uetreo, no exceda el 10 %. La figura 9 uetra do tipo de tubo pitot: (a) tubo pitot en S y (b) tubo pitot etándar. El priero e utiliza generalente para la edicione de capo en chienea con diáetro ayor de 0.3, ientra el egundo e utiliza para la calibración de lo tubo pitot en S o para la edicione de capo en chienea con diáetro enor de APLICABILIDAD. Ete étodo e aplicable para edir la velocidad proedio de una corriente de ga y para cuantificar el caudal de ga. La figura 10 uetra en fora equeática coo e iden la preione etática, aboluta y de velocidad (dináica). La preione deben peranecer etable por lo eno 15 egundo ante de regitrarla. La velocidad del ga en la chienea e relaciona con la preión de velocidad a travé de la ecuación de Bernulli: V PT = K pc (3) p PM

13 Figura 9. Tubo pitot. V = Velocidad proedio del ga en la chienea, /. K p = Contante del tubo pitot (34.97). C p = Coeficiente del tubo pitot. P = Preión de velocidad proedio del ga en la chienea, H2O. T = Teperatura proedio del ga en la chienea, K. P = Preión aboluta en la chienea, Hg. M = Maa olar del ga en la chienea, g/ol.

14 La preión de velocidad proedio del ga en la chienea e obtiene de la iguiente fora: 2 P i (4) P = n P = Preión de velocidad proedio del ga en la chienea, H2O. = Preione de velocidad en cada punto de uetreo, H2O. P i n = Núero de punto de uetreo. La preión aboluta del ga en la chienea e igual a: P Pe = Pa + (5) 13.6 P = Preión aboluta en la chienea, Hg. P = Preión baroétrica, Hg. a P = Preión etática proedio en la chienea, H 2O. e Lo uetreadore de chienea autoático reportan directaente la preión aboluta del ga en la chienea, ientra que en lo uetreadore anuale e requiere edir la preión etática para luego calcular la preión aboluta. Para deterinar la aa olar del ga en la chienea e requiere de lo étodo 3 y 4 de la Agencia de Protección Abiental de lo Etado Unido (EPA). El caudal de gae en la chienea e puede calcular ultiplicando la velocidad de lo gae por el área tranveral del ducto, aí: Q = 3600 V A (6)

15 Figura 10. Medición de la preione aboluta (P), etática (Pe) y la de velocidad ( P).

16 Q = Caudal de gae en la chienea a condicione de chienea, 3 /h. V = Velocidad proedio del ga en la chienea, /. A = Área tranveral de la chienea, 2. El área tranveral de la chienea e hallar dependiendo de la fora de la ia. Para chienea circulare: D A = π 2 2 (7) A = Área tranveral de la chienea, 2. D = Diáetro de la chienea,. Para chienea rectangulare: A = LW (8) A = Área tranveral de la chienea, 2. L = Largo de la chienea,. W = Ancho de la chienea,. La concentración de partícula deterinada en el uetreo iocinético e en bae eca y a condicione de erencia debido a que a la uetra de gae toada de la chienea e le retira la huedad en lo burbujeadore y la teperatura de la chienea y el uetreador on diferente. Por lo tanto, para deterinar la eiión de partícula el caudal de gae en la chienea e debe calcular en bae eca y corregido a condicione de erencia. El caudal de ga en la chienea en bae eca corregido a condicione de erencia e: T P Q = 3600 ( 1- Bw) V A (9) T P

17 Q = Caudal de ga en la chienea en bae eca corregido a condicione de erencia, 3 /h. B = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente gaeoa. w V = Velocidad proedio del ga en la chienea, /. A = Área tranveral de la chienea, 2. T = Teperatura de erencia, 298 K. P = Preión aboluta en la chienea, Hg. T = Teperatura proedio del ga en la chienea, K. P = Preión de erencia, 760 Hg. 5. MÉTODO 3: DETERMINACIÓN DE LA MASA MOLAR DEL GAS PRINCIPIO. Una uetra de ga e extrae de la chienea. Se analiza en la uetra de ga lo porcentaje de dióxido de carbono (CO2), oxígeno (O2) y onóxido de carbono (CO). Si e requiere la deterinación de la aa olar eca y el aire en exceo e debe uar para el análii un analizador Orat o un analizador epecífico (étodo 100) APLICABILIDAD. Ete étodo e aplicable para deterinar la concentracione de CO, CO2 y O2, aire en exceo y la aa olar eca de la uetra de una corriente de ga de un proceo de cobutión de un cobutible fóil. El étodo puede tabién aplicare a otro proceo en lo cuale e ha deterinado que otro copueto diferente a CO2, O2, CO, y nitrógeno (N2) no etán preente en concentracione uficiente para afectar lo reultado. Otro étodo, conocido coo odificacione del procediiento on tabién aplicable para alguna de la deterinacione. Alguno ejeplo de étodo epecífico y odificacione incluyen: (1) étodo de uetreo ultipunto uando un analizador Orat para analizar uetra individuale obtenida en cada punto; (2) un étodo uando cálculo etequioétrico de CO2 y O2 para deterinar la aa olar eca y el aire

18 en exceo; (3) aignando un valor de 30.0 a la aa olar eca a falta de edicione reale, epecialente para proceo de cobutión de ga natural, carbón, fuel oil o crudo de catilla. La figura 11 uetra el analizador de gae de cobutión arca Bacharach 300-NSX que conta de varia celda electroquíica que irven para deterinar a travé de lectura directa la concentración de oxígeno (O2) y onóxido de carbono (CO) en lo gae de cobutión, y calcular la concentración de dióxido de carbono (CO2) al introducirle al equipo el cobutible que e eta utilizando. Figura 11. Analizador Bacharach 300 NSX. La figura 12 uetra un aparato Orat para el análii de lo gae de cobutión. La parte eenciale on una bureta para edir el voluen de lo gae y vario burbujeadore conectado entre í a travé de una tubería coún. Cada burbujeador contiene una olución aborbente y puede ailare para que el ga, con un voluen deterinado, pae a travé de ello. Cada olución aborbe un deterinado coponente, de anera que i e ide el voluen ante y depué de paar por cada

19 olución, la diferencia repreentará el voluen aborbido por ella, que correponde al coponente que la olución en cuetión e capaz de aborber. Figura 12. Aparato Orat para analizar gae de cobutión. El ga e introduce o e extrae del aparato, ubiendo o bajando la botella niveladora, que contiene agua. La bureta e llena con lo gae de cobutión y u voluen e deterina cuidadoaente. Luego, e paa el ga al recipiente que contiene una olución concentrada de hidróxido de potaio que aborbe el dióxido de carbono (CO2); el ga reanente e regrea a la bureta edidora y e deterina el voluen; la diferencia con el voluen original repreenta el dióxido de carbono aborbido. ( ) % CO 100 V V = (10) V1 De odo iilar, e va haciendo paar el reto por el burbujeador que contiene una olución alcalina de pirogalol que aborbe oxígeno (O2).

20 ( ) % O 100 V V = (11) V1 Depué e hace paar por el burbujeador que contiene una olución ácida de cloruro cuproo para aborber el onóxido de carbono (CO). ( ) % CO 100 V V V 3 4 = (12) 1 % N 100 V 4 2 = (13) V1 El análii Orat e en bae eca; eto quiere decir que no e tiene en cuenta el vapor de agua preente en lo gae de cobutión. Si lo gae de cobutión contienen dióxido de azufre, hidrocarburo u otro gae diferente a CO2, CO, O2 y N2, el análii Orat noral no lo deterina, y lo adiciona al valor del dióxido de nitrógeno (N2). Una vez realizado el análii Orat (análii de lo gae de cobutión) e deterina la aa olar del ga eco en la chienea a partir del porcentaje olar de lo gae de cobutión. ( ) ( ) M = 0.44(% CO ) % O % CO+ % N (14) d M = Maa olar del ga eco en la chienea, g/ol. d La ecuación 14 no conidera el argón en el aire (aproxiadaente 0.9%, con un peo olecular de 39.9). Un error negativo de aproxiadaente 0.4% e introducido. El peronal técnico puede ecoger incluir el argón en el análii de la aa olar del ga eco en la chienea.

21 6. MÉTODO 4: DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN LOS GASES DE LA CHIMENEA PRINCIPIO. Una uetra de ga e extraída de la fuente a una velocidad contante, la huedad e reovida de la uetra de la corriente y deterinada voluétrica o graviétricaente APLICABILIDAD. Ete étodo e aplicable para deterinar el contenido de huedad del ga de chienea. Do procediiento on dado: El priero e un étodo de erencia, para deterinacione exacta del contenido de huedad (tal coo on necearia para calcular eiione). El egundo e un étodo aproxiado que uinitra etiativo del porcentaje de huedad para ayudar en el etableciiento del uetreo iocinético con anterioridad a la edición de la eiión de containante. El étodo aproxiado decrito aquí e un acercaiento ugerido. Son tabién aceptable étodo alternativo para calcular el contenido de huedad coo: tubo ecante, edicione de teperatura de bulbo eco y bulbo húedo (picroetría), técnica de condenación, cálculo etequioétrico, experiencia previa, etc. El étodo de erencia conite en toar una uetra de lo gae que circulan por la chienea, uccionándolo con una boba que lo hace paar a travé de un filtro para retener la partícula y por uno burbujeadore, que e encuentran en un baño de hielo, para condenar la huedad. De acuerdo con el voluen de gae uetreado y el voluen de agua recolectada e deterina el porcentaje de huedad de lo gae. El voluen de vapor de agua, corregido a condicione de erencia, colectado en lo burbujeadore e: ( ) ρ ( ) RT Vw = Vf Vi w + Wf Wi P M w (15)

22 V = Voluen de vapor de agua corregido a condicione de erencia, w V = f V i = ρ = w f 3. Voluen final de agua en lo tre priero burbujeadore, L. Voluen inicial de agua en lo tre priero burbujeadore, L. Denidad del agua, g/l. W = Peo final de la ilica gel o del últio burbujeador, g. W i = Peo inicial de la ilica gel o del últio burbujeador, g. R = Contante de lo gae ideale, Hg 3 /ol K. T = Teperatura de erencia, 298 K. P = Preión de erencia, 760 Hg. M w = Maa olar del agua, 18.0 g/ol. Si en lugar de edir lo volúene inicial y final de agua en lo tre priero burbujeadore, eto e pean para deterinar la cantidad de agua recolectada, la ecuación 15 e odifica de eta anera: RT = (16) ( ) Vw Pf Pi P M w V = Voluen de vapor de agua corregido a condicione de erencia, w 3. P = Peo final de agua en todo lo burbujeadore, g. f P i = Peo inicial de agua en todo lo burbujeadore, g. R = Contante de lo gae ideale, Hg 3 /ol K. T = Teperatura de erencia, 298 K. P = Preión de erencia, 760 Hg. M w = Maa olar del agua, 18.0 g/ol. Lo tre priero burbujeadore, adeá de ganar peo por el agua colectada, tabién lo pueden hacer por la partícula que atraviean el filtro (partícula enore de 0.3 µ) y quedan atrapada en el líquido. Por eo e regitra el voluen de agua recolectado y no u peo. Sin ebargo,

23 la aa de la partícula recogida e tan pequeña con repecto a la del agua recolectada que la aa de la partícula e puede depreciar. Otra alternativa e, corregir el peo del agua recogida en lo burbujeadore al retarle el peo de la partícula que quedan atrapada en el líquido. El voluen de ga eco edido por el edidor ga, corregido a condicione de erencia e: P T = (17) V V Y P T V = Voluen de ga eco corregido a condicione de erencia, 3. V = Voluen de ga eco edido por el edidor de ga eco, 3. Y = Factor de calibración del edidor de ga eco. P = Preión aboluta en el edidor de ga eco, Hg. T = Teperatura de erencia, 298 K. P = Preión de erencia, 760 Hg. T = Teperatura proedio en el edidor de ga eco, K. La preión aboluta en el edidor de ga eco e igual a: P H = Pa + (18) 13.6 P = Preión aboluta en el edidor de ga eco, Hg. P = Preión baroétrica, Hg. a H = Preión diferencial proedio a travé del orificio, H2O. El contenido de huedad de lo gae en la chienea eta dado por la iguiente ecuación: B w = V w V w + V (19)

24 B = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente gaeoa. w V = Voluen de vapor de agua corregido a condicione de erencia, w 3. V = Voluen de ga eco corregido a condicione de erencia, 3. El étodo de erencia frecuenteente e realiza iultáneaente con una edición de eiión de containante; cuando e aí, el cálculo del porcentaje iocinético y la eiión de containante para la corrida e baarán obre lo reultado del étodo de erencia o u equivalente. Nota: El étodo de erencia (figura 3) puede producir reultado cuetionable cuando e aplicable a corriente gaeoa aturada o corriente que contienen gota de agua. Por lo tanto, cuando eta condicione exiten o on opechada, e realizará una egunda deterinación del contenido de huedad con el étodo de erencia, aí: Auir que la corriente de ga eta aturada. Colocar un enor de teperatura (capaz de edir hata 1 C) a la onda del étodo de erencia. Medir la teperatura del ga de la chienea en cada punto de la traveía durante la traveía del étodo de erencia; calcular la teperatura proedio del ga en la chienea. A continuación, e debe deterinar el porcentaje de huedad aí: (1) Uando una carta picroétrica y haciendo correccione apropiada i la preión de la chienea e diferente a la de la carta, ó (2) uando la tabla de preión de vapor aturado. En el étodo aproxiado (figura 13) para el uetreo del contenido de huedad olaente e utilizan do burbujeadore, cada uno con 5 L de agua, y e toa la uetra de ga con un caudal contante de 2 L/in hata que el edidor de ga eco regitre aproxiadaente 30 L. Por lo tanto, la ecuación 15 ó 16 olaente tendrá en cuenta el peo de lo do burbujeadore. El contenido de huedad en la corriente gaeoa deterinado por el étodo aproxiado eta dado por: B w = Vw B V + V + w w (20)

25 Figura 13. Método aproxiado para el uetreo de huedad. B = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente gaeoa. w V = Voluen de vapor de agua corregido a condicione de erencia, w 3. V = Voluen de ga eco corregido a condicione de erencia, 3. B w = Fracción voluétrica aproxiada de vapor de agua en la corriente gaeoa que e pierde en el egundo burbujeador (0.025). Conocer el contenido de huedad de la corriente gaeoa e iportante para deterinar la aa olar del ga en la chienea; y con eta deterinar la velocidad y el caudal del ga en la chienea. Tabién e un paráetro iportante para la realización del uetreo iocinético, ya que el porcentaje de iocinetio depende tanto del porcentaje de huedad de lo gae en la chienea coo del taaño de la boquilla eleccionado para la toa de la uetra, que a u vez depende tabién del contenido de huedad. El étodo de erencia para edir la huedad e el á exacto, pero iplica ayor efuerzo y un tiepo coniderable para la toa de uetra, por lo cual e poco utilizado para obtener etiativo de la huedad. El porcentaje de huedad e puede deterinar por coparación con uetreo de fuente iilare, por balance de aa en el proceo,

26 utilizando la técnica de teperatura de bulbo húedo y bulbo eco y una carta picroétrica, o realizando una deterinación preliinar de la huedad. La técnica de teperatura de bulbo húedo y bulbo eco epleada para edir el contenido de huedad en la corriente gaeoa conite en edir la teperatura de bulbo eco y bulbo húedo (picroetría). El teróetro de bulbo eco e introduce en la chienea hata que alcanza el equilibrio. El otro teróetro, el de bulbo húedo, e cubierto con una echa de algodón aturada con agua detilada. Ete tabién e introduce en la chienea hata alcanzar el equilibrio. La teperatura de bulbo eco alcanza rápidaente el equilibrio, ientra que la de bulbo húedo aciende hata el equilibrio, e nivela y luego auenta otra vez hata que la echa e eca. El punto de inflexión en el cual la teperatura alcanza el equilibrio e coniderada la teperatura de bulbo húedo (ver figura 14) Figura 14. Deterinación de la teperatura de bulbo húedo y eco. A teperatura por debajo de 100 C, la teperatura de bulbo húedo y eco pueden edire en la corriente gaeoa in preocupación de que la neblina de ácido ulfúrico ete preente y auente el punto de rocío utancialente. Sin ebrago, por encia de 100 C, e pueden tener reultado erróneo debido al ecado rápido de la echa de bulbo húedo.

27 Partiendo de la teperatura de bulbo eco y bulbo húedo y la preión aboluta en la chienea e obtiene el porcentaje de huedad, con la iguiente ecuación: B w P H 2O = (21) P B = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente gaeoa. w P = Preión aboluta en la chienea, Hg. P = Preión parcial del vapor de agua en la corriente gaeoa, Hg. H 2O La preión parcial del vapor de agua en la corriente gaeoa e puede hallar a travé de la iguiente ecuación: P H2O P 1.61 H h t t wtw = ( ) fg( tw) ( ) d w ( Hw( tw) ) hfgtw ( ) ( td tw) (22) P = Preión parcial del vapor de agua en la corriente gaeoa, Hg. H 2O P = Preión aboluta en la chienea, Hg. H = Huedad de aturación a la teperatura de bulbo húedo, kg w( tw) H2O/kg aire eco. h = Entalpía de vaporización del agua a la teperatura de bulbo fg ( tw) húedo, J/kg. t d = Teperatura de bulbo eco, C. t w = Teperatura de bulbo húedo, C. La huedad de aturación a la teperatura de bulbo húedo e puede hallar a travé de la iguiente ecuación: H ( ) wtw = M P w vh2o( tw) ( 2 ( ) ) M P P a vh O tw (23)

28 H = Huedad de aturación a la teperatura de bulbo húedo, kg w( tw) H2O/kg aire eco. M = Maa olar del agua, 18.0 g/ol. w P = Preión de vapor de agua a la teperatura de bulbo húedo, ( ) vh2o tw M a = P = Hg. Maa olar del aire eco, g/ol. Preión aboluta en la chienea, Hg. La preión de vapor de agua en función de la teperatura e puede hallar con una preciión batante buena a travé de la ecuación de Antoine: P ( ) vh2o t ( t ) = e (24) P = Preión de vapor del agua, Hg. ( ) vh2o t t = Teperatura, C. La entalpía de vaporización del agua en función de la teperatura e puede hallar con la ecuación de Echeverri para el intervalo de teperatura de 0 a 100 C, que e el valor eperado para la teperatura de bulbo húedo: h ( ) = t (25) fg t h = Entalpía de vaporización del agua, J/kg. fg( t) t = Teperatura, C. El porcentaje de huedad tabién e puede deterinar por coparación con uetreo de fuente iilare. La tabla 3 preenta alguno valore para la huedad de lo gae de cobutión proveniente de dipoitivo que utilizan alguno cobutible fóile.

29 Tabla 3. Valore a auir para la huedad. Cobutible B w Crudo de catilla 0.11 Carbón 0.07 Dieel (ACPM) 0.04 Ga natural 0.03 Una vez deterinado el porcentaje de huedad de lo gae en la chienea, e puede calcular la aa olar del ga en la chienea. Para deterinar la aa olar del ga en la chienea e neceario priero deterinar la aa olar del ga eco en la chienea. M = (1 B ) M B (26) w d w M = Maa olar del ga en la chienea, g/ol. M d = Maa olar del ga eco en la chienea, g/ol. B = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente gaeoa. w 7. MÉTODO 5: DETERMINACIÓN DE LA EMISIÓN DE MATERIAL PARTICULADO DE FUENTES ESTACIONARIAS PRINCIPIO. El aterial particulado e uccionado iocinéticaente de la fuente y colectado obre un filtro de fibra de vidrio que e antiene a una teperatura de 120 ± 14 C. El aterial particulado, que incluye cualquier aterial que e condena a la teperatura de filtración, e deterinada graviétricaente depué de la reoción del agua no cobinada. Ya que la definición de aterial particulado no e conitente en todo lo cao, el aterial particulado colectado podría obtenere al pear: (1) el filtro, (2) la onda, (3) lo burbujeadore, y (4) el olvente de extracción

30 para peritir el ajute de la deterinación de aterial particulado para er conitente con la regulación aplicable APLICABILIDAD. Ete étodo e aplicable para la deterinación de la eiione de aterial particulado de fuente fija o etacionaria SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE LA BOQUILLA DE MUESTREO. La elección del diáetro de la boquilla e una deciión uy iportante en el uetreo iocinético, ya que el área de la boquilla afecta fuerteente la velocidad de uetreo. Generalente, lo equipo de uetreo para eiione incluyen un et de varia boquilla intercabiable con diáetro de 3, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 14 y 15 (ver figura 14). De ete et, la ejor boquilla e aquella que perite el iocinetio (velocidad del ga en la boquilla de uetreo igual a la velocidad del ga en la chienea) a un caudal de uetreo aproxiadaente igual al caudal de dieño óptio ( /in). Boquilla 14. Boquilla de uetreo. Para eleccionar el diáetro ideal de la boquilla e requiere efectuar un recorrido preliinar, ete conite en edir lo iguiente paráetro: - Preión de velocidad en cada punto.

31 - Teperatura del ga en la chienea en cada punto. - Preión etática. - Preión baroétrica. - Auir o deterinar el porcentaje de huedad. Con lo dato del recorrido preliinar, e deterina el diáetro ideal de la boquilla para el uetreo: D n = Q P T M T C B P?P ( 1 ) p w (27) D = Diáetro de la boquilla,. n Q = Caudal a travé del edidor de ga eco, noralente /in. P = Preión aboluta en el edidor de ga eco, Hg. T = Teperatura proedio en el edidor de ga eco, K. C = Coeficiente del tubo pitot. p B w = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente gaeoa. T = Teperatura proedio del ga en la chienea, K. M = Maa olar del ga en la chienea, g/ol. P = Preión aboluta en la chienea, Hg. P = Preión de velocidad proedio del ga en la chienea, H2O. La preión aboluta en la chienea e puede hallar con la ecuación 5, in ebargo, para ahorrar tiepo e puede auir igual a la preión atoférica. De igual fora, la preión aboluta y la teperatura proedio en el edidor de ga eco e pueden auir iguale a la preión atoférica y a la teperatura abiente repectivaente, ya que la eleccionar el diáetro ideal de la boquilla e el prier pao para la realización del uetreo iocinético. El valor entregado por la ecuación 27 e deberá aproxiar al diáetro de la boquilla exitente o diponible á cercano; generalente e aproxia a la boquilla exitente enor.

32 El procediiento para eleccionar el diáetro ideal de la boquilla decrito arriba e para uetreadore de chienea anuale. Para uetreadore autoático e deben eguir la intruccione del enú. 8. PROCEDIMIENTO DE MUESTREO. El iguiente e el procediiento general de uetreo. Alguno de lo pao no e requieren para uetreadore de chienea autoático PREPARACIÓN PRELIMINAR Pear el prier y egundo burbujeador con 100 L de agua detilada cada uno Pear el tercer burbujeador vacío Pear el cuarto burbujeador con 200 g de ílica gel activada Reviar el filtro a utilizar, deecarlo durante 24 hora y pearlo con una preciión de 0.1 g Pear el ciclón y el erleneyer (i e neceario). Ete procediiento en la preparación correponde al utilizado para un uetreo de aterial particulado únicaente. En cao de realizar un uetreo de óxido de azufre, lo líquido contenido en lo burbujeadore cabian TOMA DE MUESTRA Arar el equipo de uetreo y toda u conexione Realizar la prueba de fuga. En el procediiento de la prueba de fuga e debe tapar la entrada de gae en la boquilla, abrir copletaente la válvula de ajute fino, cerrar la válvula de ajute grueo y prender la boba de vacío (para uetreadore de chienea anuale). Abrir la válvula de ajute grueo hata que el indicador de vacío eñale 380 H2O. Si el edidor de ga eco no varía á de /in e conidera que no hay fuga al

33 iniciar el uetreo. En cao contrario e deben reviar toda la conexione hata que deaparezcan la fuga. Poteriorente e detapa lentaente la entrada de la boquilla y e apaga la boba. Si e un equipo autoático, e deben eguir la intruccione del enú Conectar el itea de calentaiento de la onda y la caja caliente. La teperatura de la caja caliente debe peranecer en 120 ± 14 C Anotar la lectura inicial del edidor de ga eco (para uetreadore de chienea anuale) Nivelar la conola y colocar en cero (0) lo anóetro (para uetreadore de chienea anuale) Colocar la onda en el interior de la chienea en el prier punto de uetreo Definir el tiepo de uetreo para cada punto. El tiepo total de uetreo no debe er enor de 1 hora Calcular la caída de preión en el edidor de orificio con la iguiente ecuación (para uetreadore de chienea anuale). T T?H=K?P (28)?H = Caída de preión en el edidor de orificio, H2O. K = Factor de proporcionalidad que relaciona?p y?h para el uetreo iocinético (ecuación 29). T = Teperatura en el edidor de ga eco, K. T = Teperatura del ga en la chienea, K.?P = Preión de velocidad del ga en la chienea, H2O.

34 El factor de proporcionalidad que relaciona la do preione de velocidad (?P y?h ), de odo que la velocidad en la boquilla ea la ia que la velocidad en la chienea eta dado por: M P (29) ( ) d K= Cp D n 1-B w M P C = Coeficiente del tubo pitot. p = Coeficiente del edidor de orificio, H2O. D n = Diáetro de la boquilla,. B = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente w gaeoa. M = Maa olar del ga eco en la chienea, g/ol. d M = Maa olar del ga en la chienea, g/ol. P = P = Preión aboluta en la chienea, Hg. Preión aboluta en el edidor de ga eco, Hg. En lo uetreadore de chienea autoático, la caída de preión en el edidor de orificio (?H) e calculada autoáticaente por el uetreador iultáneaente con el caudal de ucción Encender la boba de ucción iultáneaente con el cronóetro e inediataente ajutar el caudal con la válvula de control hata que el valor de?h coincida con el valor calculado. La caída de preión en el edidor de orificio y el caudal de ucción, en uetreadore de chienea anuale, e debe hacer en el enor tiepo poible para garantizar un uetreo iocinético Mantener la teperatura del ga en el últio burbujeador en 20 C.

35 Para cada punto e lee la preión de velocidad, la teperatura del ga en la chienea y la teperatura en el edidor de ga. Llevando eto dato a la ecuación 28 e obtiene la caída de preión en el orificio (?H ) que e una edida indirecta del caudal a travé del edidor de ga eco (para uetreadore de chienea anuale). La caída de preión en el orificio e conigue en la conola ediante la anipulación de la válvula de control fino y grueo. Q T?H = K (30) P M Q = Caudal a travé del edidor de ga eco, 3 /in. K = Coeficiente en el edidor de orificio ( ). T = Teperatura en el edidor de ga eco, K.?H = Caída de preión en el edidor de orificio, H2O. P = Preión aboluta en el edidor de ga eco, Hg. M = Maa olar del ga eco en el edidor, g/ol Una vez obtenida la caída de preión en el orificio, e efectúa el uetreo durante 3 a 5 inuto por punto (dependiendo del núero de punto) y e regitran lo iguiente dato (para uetreadore de chienea anuale):?p = Preión de velocidad del ga en la chienea, H2O. T = Teperatura en el edidor de ga eco, K. T = Teperatura del ga en la chienea, K.?H = Caída de preión en el edidor de orificio, H2O. P = Preión etática en la chienea, in H2O. e Para terinar el uetreo e cierra la válvula de control grueo, e apaga la boba de ucción y aí coo lo deá uiche. Regitrar el voluen final del edidor de ga eco (para uetreadore de chienea anuale).

36 Al final del uetreo e debe realizar nuevaente la prueba de fuga OPERACIONES POSTERIORES AL MUESTREO. Una vez finalizado el uetreo e realizan la iguiente operacione: Se reueve la onda y e cierran toda la abertura exitente en la onda, portafiltro y burbujeadore Se pean lo burbujeadore y el filtro (previaente dipueto en un deecador por 24 hora) Reover en un beaker el aterial particulado depoitado en el interior de la boquilla, la onda y el ciclón utilizando una ezcla de acetona (o alcohol) y agua detilada. Rotular la uetra y llevar al laboratorio para el análii de ólido totale CÁLCULOS Y PRESENTACIÓN DEL INFORME. Se hacen lo cálculo y e preenta el infore de acuerdo a lo decrito y exigido por la noratividad del Miniterio del Medio Abiente, Vivienda y Dearrollo Territorial, o la Corporacione Autónoa Regionale (Colobia) Preión aboluta del ga en la chienea (para uetreadore de chienea anuale). Pe P = Pa + (31) 13.6 P = Preión aboluta del ga en la chienea, Hg. P = Preión baroétrica, Hg. a P = Preión etática proedio en la chienea, H2O. e

37 Preión aboluta en el edidor de ga eco (para uetreadore de chienea anuale). P H = Pa + (32) 13.6 P = Preión aboluta en el edidor de ga eco, Hg. P = a Preión baroétrica, Hg. H = Preión diferencial proedio a travé del orificio, H2O Voluen de ga eco corregido a condicione de erencia. P T V V Y P T = (33) V = Voluen de ga eco corregido a condicione de erencia, V = Y = P = 3. Voluen de ga eco edido por el edidor de ga eco, 3. Factor de calibración del edidor de ga eco. Preión aboluta en el edidor de ga eco, Hg. T = Teperatura de erencia, 298 K. P = Preión de erencia, 760 Hg. T = Teperatura proedio en el edidor de ga eco, K Voluen de vapor de agua corregido a condicione de erencia. ( ) ρ ( ) RT Vw = Vf Vi w + Wf Wi P M w (34) V = Voluen de vapor de agua corregido a condicione de w erencia, 3.

38 V f = Voluen final de agua en lo tre priero burbujeadore, L. V = Voluen inicial de agua en lo tre priero i burbujeadore, L. W = Peo final de la ilica gel o del últio burbujeador, g. f W i = Peo inicial de la ilica gel o del últio burbujeador, g. ρ = Denidad del agua, g/l. w R = Contante de lo gae ideale, Hg 3 /ol K. T = Teperatura de erencia, 298 K. P = Preión de erencia, 760 Hg. M w = Maa olar del agua, 18.0 g/ol. Si en lugar de edir lo volúene inicial y final de agua en lo tre priero burbujeadore, eto e pean para deterinar la cantidad de agua recolectada, la ecuación 34 e odifica de eta anera: RT = (35) ( ) Vw Pf Pi P M w P = Peo final de agua en todo lo burbujeadore, g. f P i = Peo inicial de agua en todo lo burbujeadore, g. R = Contante de lo gae ideale, Hg 3 /ol K. T = Teperatura de erencia, 298 K. P = Preión de erencia, 760 Hg. M w = Maa olar del agua, 18.0 g/ol Contenido de huedad de lo gae en la chienea. B w = V w V w + V (36)

39 B w = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente gaeoa. V = Voluen de vapor de agua corregido a condicione de w erencia, 3. V = Voluen de ga eco corregido a condicione de erencia, Maa olar del ga eco en la chienea ( ) ( ) M = 0.44(% CO ) % O % CO+ % N (37) d M = Maa olar del ga eco en la chienea, g/ol. d Maa olar del ga en la chienea. M = (1 B ) M B (38) w d w M = Maa olar del ga en la chienea, g/ol. M = Maa olar del ga eco en la chienea, g/ol. d B = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente w gaeoa La velocidad del ga en la chienea. V PT = KC p p (39) PM V = Velocidad proedio del ga en la chienea, /. K = Contante del tubo pitot (34.97). p C p = Coeficiente del tubo pitot.

40 P = Preión de velocidad proedio del ga en la chienea, H2O. T = Teperatura proedio del ga en la chienea, K. P = Preión aboluta en la chienea, Hg. M = Maa olar del ga en la chienea, g/ol Área de la ección tranveral de la boquilla. Dn An = π 2 2 (40) A = Área de la ección tranveral de la boquilla, 2. n D = Diáetro de la boquilla,. n Porcentaje de iocinetio. 100 P T V I = 60 P T V A φ (1-B ) (41) n w I = Porcentaje de iocinetio. P = Preión de erencia, 760 Hg. T = Teperatura proedio del ga en la chienea, K. V = Voluen de ga eco corregido a condicione de erencia, 3. P = Preión aboluta en la chienea, Hg. T = Teperatura de erencia, 298 K. V = Velocidad proedio del ga en la chienea, /. A = Área de la ección tranveral de la boquilla, 2. n φ = Tiepo total de uetreo, in. B w = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente gaeoa.

41 Para garantizar que la uetra e toada a la ia velocidad con la cual e tranportan lo gae en la chienea, el porcentaje de iocinetio deberá etar entre 90 y 110%. De no er aí, el uetreo e coniderado no repreentativo y e deberá repetir Área de la chienea. Para chienea circulare: D A = π 2 2 (42) A = Área de la chienea, 2. D = Diáetro de la chienea,. Para chienea rectangulare: A = LW (43) L = Largo de la chienea,. W = Ancho de la chienea, Caudal de ga en la chienea en bae eca a condicione de erencia. T P Q = 3600 ( 1- Bw) V A (44) T P Q = Caudal de ga en la chienea en bae eca corregido a condicione de erencia, 3 /h. B = Fracción voluétrica de vapor de agua en la corriente w gaeoa.

42 V = Velocidad proedio del ga en la chienea, /. A = Área de la chienea, 2. T = Teperatura de erencia, 298 K. P = Preión aboluta en la chienea, Hg. T = Teperatura proedio del ga en la chienea, K. P = Preión de erencia, 760 Hg Concentración de partícula a condicione de erencia. C p W p = (45) V C = Concentración de partícula en el ga de la chienea (en p bae eca) a condicione de erencia, g/ 3. W = Maa total de la partícula colectada, g. p V = Voluen de ga eco corregido a condicione de erencia, Eiión de partícula. E = C Q (46) p p E = Eiión de partícula, kg/h. p C p = Concentración de partícula en el ga de la chienea (en bae eca) a condicione de erencia, g/ 3. Q = Caudal de ga en la chienea en bae eca corregido a 9. BIBLIOGRAFÍA. condicione de erencia, 3 /h. Capillo V., Nora Análii de Agua-Aire. Univeridad Pontificia Bolivariana. Medellín, 1993.

43 Molina P., Francico. Muetreo Iocinético de Material Particulado. Univeridad de Antioquia. Medellín, Ayre, Gilbert. Análii Quíico Cuantitativo. Editorial Harla. México, U.S. EPA Reference Method for Eiion Teting. EPA CFR40 PART 60, Appendix A. Reference Method Liting. AST Sapler Uer Manual. Anderen Intruent Incorpored. Graeby. Syrna, MST Sapler Uer Manual. Anderen Intruent Incorpored. Graeby. Syrna, Sith, J. M. y Van Ne, H. C. Introducción a la Terodináica en Ingeniería Quíica. Mc Graw-Hill. México, Echeverri L., Carlo. Muetreo Iocinético de Material Particulado. Univeridad de Antioquia. Medellín, Acevedo G., Carlo. Porcentaje de Huedad en Ducto y Chienea. Revita Containación Abiental N 12. Univeridad Pontifica Bolivariana. Medellín, Wight, Gregory. Fundaental of Air Sapling. Lewi Publiher. Florida, Yergovich, T. Prograed Stack Calculator Intruction Book. TWY Co. California, Liu, D., Lipták, B. y Boui, P. Environental Engineer' Handbook. Florida: Lewi Publiher, Corbitt, R. Manual de Referencia de la Ingeniería Abiental. Madrid: Mc Graw-Hill, 2003.