RESUMEN TRABAJO DE GRADO PENA GUTIERREZ EDUARDO JOS E
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RESUMEN – TRABAJO DE GRADO AUTORES MOSQUERA MONTIEL MARISELA PENA GUTIERREZ EDUARDO JOSE FACULTAD CIENCIAS AGRARIAS Y DEL AMBIENTE PLAN DE ESTUDIOS INGENIERIA AMBIENTAL DIRECTOR ALEXANDER ARMESTO ARENAS TITULO DE LA TESIS DISENO DE UN SISTEMA DE FILTRO A NIVEL DE CHIMENEA ENTRE 20 A 70 CM DE DIAMETRO PARA LA REDUCCION DE EMISIONES DE MONOXIDO DE CARBONO (CO) Y EMISIONES DE MATERIAL PARTICULADO PM10 RESUMEN (70 palabras aproximadamente) ESTE PROYECTO ESTA ORIENTADO EN LA ELABORACION DE UN DISENO DE FILTRO A NIVEL DE CHIMENEAS PARA REDUCIR LA CARGA CONTAMINANTE DE MATERIAL PARTICULADO PM 10, Y DE GASES DE EFECTO INVERNADERO COMO EL MONNXIDO DE CARBONO CO, EMITIDOS POR LOS HORNOS INDUSTRIALES TIPO HOFFMAN POR LA COMBUSTION INCOMPLETA DE COMBUSTIBLES FOSILES, ESPECIFICAMENTE EN LA ETAPA DE COCCION; ETAPA QUE PRESENTA MAYORES EMISIONES, GENERANDO PROBLEMAS TANTO MEDIOAMBIENTALES COMO DE SALUD. CARACTERISTICAS PAGINAS: 92 PLANOS: 5 ILUSTRACIONES: 41 CD-ROM: 1
Transcript of RESUMEN TRABAJO DE GRADO PENA GUTIERREZ EDUARDO JOS E
RESUMEN – TRABAJO DE GRADO
AUTORES MOSQUERA MONTIEL MARISELA
PENA GUTIERREZ EDUARDO JOSE
FACULTAD CIENCIAS AGRARIAS Y DEL AMBIENTE
PLAN DE ESTUDIOS INGENIERIA AMBIENTAL
DIRECTOR ALEXANDER ARMESTO ARENAS
TITULO DE LA TESIS DISENO DE UN SISTEMA DE FILTRO A NIVEL DE
CHIMENEA ENTRE 20 A 70 CM DE DIAMETRO PARA LA
REDUCCION DE EMISIONES DE MONOXIDO DE CARBONO
(CO) Y EMISIONES DE MATERIAL PARTICULADO PM10
RESUMEN (70 palabras aproximadamente)
ESTE PROYECTO ESTA ORIENTADO EN LA ELABORACION DE UN DISENO DE FILTRO A NIVEL DE CHIMENEAS PARA REDUCIR LA CARGA CONTAMINANTE DE MATERIAL PARTICULADO PM 10, Y DE GASES DE EFECTO INVERNADERO COMO EL MONNXIDO DE CARBONO CO, EMITIDOS POR LOS HORNOS INDUSTRIALES TIPO HOFFMAN POR LA COMBUSTION INCOMPLETA DE COMBUSTIBLES FOSILES, ESPECIFICAMENTE EN LA ETAPA DE COCCION; ETAPA QUE PRESENTA MAYORES EMISIONES, GENERANDO PROBLEMAS TANTO MEDIOAMBIENTALES COMO DE SALUD.
CARACTERISTICAS PAGINAS: 92
PLANOS: 5 ILUSTRACIONES: 41 CD-ROM: 1
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Acta De Sustentación Escaneada
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Acta De Cesión De Derechos De Autor
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DISEÑO DE UN SISTEMA DE FILTRO A NIVEL DE CHIMENEA ENTRE 20
A 70 CM DE DIÁMETRO PARA LA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE
MONÓXIDO DE CARBONO (CO) Y EMISIONES DE MATERIAL
PARTICULADO PM10.
AUTORES:
Mosquera Montiel Marisela 161021
Peña Gutiérrez Eduardo José 161198
Trabajo de Grado para optar el título de Ingeniero Ambiental
DIRECTOR
Alexander Armesto Arenas
Ingeniero Ambiental, Msc. En Desarrollo Sustentable y Gestión Ambiental
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER OCAÑA
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Y DEL AMBIENTE
INGENIERIA AMBIENTAL
Ocaña, Colombia julio 2020
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Índice
Capítulo I. Diseño de un sistema de filtro a nivel de chimenea entre 20 a 70 cm de
diámetro para la reducción de emisiones de monóxido de carbono (CO) y emisiones de
material particulado PM10. ........................................................................................................ 1
1.1 Planteamiento del problema .................................................................................................. 1
1.2 Formulación del problema ...................................................................................................... 3
1.3 Objetivos ................................................................................................................................. 3
1.3.1 Objetivo general ............................................................................................... 3
1.3.2 Objetivos específicos........................................................................................ 3
1.4 Justificación ............................................................................................................................. 4
1.5 Delimitaciones......................................................................................................................... 5
1.5.1 Delimitación conceptual:.................................................................................. 5
1.5.2 Delimitación temporal: ..................................................................................... 5
1.5.3 Delimitación operativa: .................................................................................... 5
1.5.4 Delimitación geográfica: .................................................................................. 5
1.6 Alcance y limitaciones ............................................................................................................. 7
1.6.1 Alcance ............................................................................................................. 7
1.6.2 limitaciones ...................................................................................................... 7
Capítulo II. Marco Referencial ......................................................................................... 7
2.1 Marco Histórico ....................................................................................................................... 8
2.1.1 Antecedentes internacionales ......................................................................... 10
2.1.2 Antecedentes históricos a nivel local ................................................................................ 12
2.2 Marco Contextual ................................................................................................................. 12
2.3 Marco Conceptual ................................................................................................................. 13
2.4 Marco Teórico ....................................................................................................................... 16
2.4.1 Características del equipo filtrante ................................................................. 17
2.4.2 Diseño de las partes que integran el sistema de depuración .......................... 18
2.5 MARCO LEGAL ....................................................................................................................... 22
Capítulo III. Diseño Metodológico................................................................................. 25
3.1 Tipo de investigación ............................................................................................................ 25
3.2 Población ............................................................................................................................... 25
3.3 Técnicas e instrumentos para el procesamiento de la información. .................................... 25
3.3.1 Instrumentos de recolección ........................................................................... 25
Capítulo IV. Administración del proyecto ..................................................................... 26
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4.1 Recursos humanos ................................................................................................................ 26
4.2 Descripción de actividades .................................................................................................... 26
4.3 Cronograma de actividades .................................................................................................. 28
4.4 Recursos Financieros ............................................................................................................. 29
Capítulo V. Presentación de resultados .......................................................................... 30
5.1 Estimar el volumen y la composición de las emisiones para un eficiente ajuste del diseño a
partir de cálculos matemáticos (balance de masa). ......................................................................... 30
5.1.1 Recolección de datos de las emisiones y medidas de la chimenea a estudiar, a
través de una entrevista con el personal administrativo y operativo de la ladrillera Ocaña.
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5.1.1.1 Medidas de la chimenea a estudiar. ......................................................................... 31
5.1.1.2 Recolección de datos de las emisiones. .................................................................... 33
5.1.2 Asesoría con el director del proyecto y conocedores profesionales en el tema,
para el planteamiento del diseño de forma. ..................................................................... 39
5.1.3 Revisión bibliográfica para la recolección de fórmulas y modelos
matemáticos para el establecimiento del diseño del prototipo. ........................................ 40
5.1.3.1 Ciclón ......................................................................................................................... 40
5.1.3.2 Motor y extractor ...................................................................................................... 46
5.1.3.3 Filtro de mangas (tipo pulse jet) ............................................................................... 47
5.1.3.4 Filtro de carbón activado .......................................................................................... 53
5.2 Elaborar un diseño de filtración a nivel de chimeneas para la reducción de las emisiones
contaminantes de gases de monóxido de carbono (CO). ................................................................. 54
5.2.1 Desarrollar el modelado virtual del diseño como representación gráfica en
tres dimensiones con en el software sketchup LayOut 2020. .......................................... 54
5.3 Hacer un análisis de viabilidad del sistema propuesto ......................................................... 61
5.3.1 Estimar la reducción de las emisiones de material particulado PM10 y gases
por medio de un Balance de masa.................................................................................... 61
5.3.1.1 Análisis teórico de la capacidad de remoción del sistema ....................................... 61
Remoción se sólidos totales del Sistema ................................................................ 61
5.3.1.2 Remoción se Gases contaminantes (CO2 y CO) del Sistema .................................... 63
5.3.2 Evaluar la factibilidad con base en los costos generados al ejecutarse el
proyecto. 65
5.3.2.1 Presupuesto del proyecto ......................................................................................... 65
5.3.2.2 costos del sistema ..................................................................................................... 66
Conclusiones................................................................................................................... 69
Referencias ..................................................................................................................... 70
Apéndices ....................................................................................................................... 74
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Lista De Tablas
Tabla 1. Normatividad colombiana correspondiente a niveles máximos permisibles de
emisión de contaminantes a la atmosfera................................................................................. 23
Tabla 2. Niveles máximos permisibles para contaminantes criterio .............................. 24
Tabla 3. Descripción de actividades ............................................................................... 26
Tabla 4. Cronograma de actividades .............................................................................. 28
Tabla 5. Descripción de gastos ....................................................................................... 29
Tabla 5. Factores de emisión de materia particulada para las operaciones de fabricación
de ladrillo. ................................................................................................................................ 34
Tabla 6. Factores de emisión para el proceso de fabricación del ladrillo dados por
IDEAM .................................................................................................................................... 36
Tabla 7. Balance de masa ............................................................................................... 37
Tabla 8. Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones
Familia de ciclones .................................................................................................................. 43
Tabla 9. Características de los ciclones de Alta Eficiencia ............................................ 44
Tabla 10. Cálculos de las dimensiones del ciclón .......................................................... 45
Tabla 11. Datos preliminares para el diseño del prototipo ............................................. 50
Tabla 12. Consideraciones en la selección de la relación aire a tela para el diseño de
colectores de polvo del tipo Jet Pulse. ..................................................................................... 51
Tabla 13. Porcentajes de remoción del sistema .............................................................. 61
Tabla 14. Porcentajes de remoción de material particulado del sistema ........................ 62
Tabla 15. Porcentajes de remoción de gases del sistema ............................................... 63
Tabla 16. Costos aproximados del sistema ..................................................................... 66
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Lista De Figuras
Figura 1. Mapa de tratamientos PBOT municipio de Ocaña Norte de Santander........... 6
Figura 2. Tabla comparativa de la normatividad que regula la calidad de aire de los
países Colombia y reino unido ................................................................................................. 10
Figura 3. Funcionamiento de un ciclón ......................................................................... 18
Figura 4. Esquema de un ciclón Lapple ........................................................................ 19
Figura 5. Diseño experimental del filtro ....................................................................... 21
Figura 6. Diseño experimental del filtro doble .............................................................. 22
Figura 7. Vista lateral del Horno Hoffman. ................................................................... 31
Figura 8. Diámetro del horno Hoffman ......................................................................... 32
Figura 9. Dimensión horizontal de la Chimenea ........................................................... 32
Figura 10. Entradas y salidas de materia y energía del proceso de cocción del ladrillo37
Figura 11. Geometría del ciclón .................................................................................... 41
Figura 12. Mecanismos de colección de partículas en un ciclón .................................. 42
Figura 13. Ventiladores centrífugos de mediana presión .............................................. 46
Figura 14. Motor del Ventiladores centrífugos ............................................................. 47
Figura 15. Filtro de mangas ........................................................................................... 48
Figura 16. Disposición de las mangas en el filtro ......................................................... 49
Figura 17. Filtro de carbón activado ............................................................................. 53
Figura 18. Componentes del sistema ............................................................................. 56
Figura 19. Partes del ciclón ........................................................................................... 57
Figura 20. Partes filtro de mangas ................................................................................. 58
Figura 21. Disposición de mangas en el filtro............................................................... 59
Figura 22. Filtro de carbón activado ............................................................................. 60
Figura 23. curvas de remoción del sistema ................................................................... 62
Figura 24. curvas de remoción de gas del sistema ........................................................ 64
Figura 25. Componentes del sistema ............................................................................. 65
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Lista De Apéndices
Apéndice A: Planos de Componentes del sistema de filtro ........................................... 74
Apéndice B. ficha técnica del carbón activado de cascara de coco. (GGC carbotecnia,
2016), ....................................................................................................................................... 79
Apéndice C. Motores IE2 de OME (High Efficiency) de alto ahorro energético.(OME,
2020), ....................................................................................................................................... 80
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Resumen
Este proyecto se desarrolla en el municipio de Ocaña norte de Santander vía la rinconada,
en el laboratorio de aires de la Universidad Francisco De Paula Santander Ocaña, siendo este
el sitio del establecimiento del diseño y de pruebas iniciales del prototipo.
Este trabajo se basó en la elaboración un prototipo funcional de un filtro a nivel de
chimeneas para reducir la carga contaminante emitida por la combustión incompleta de
combustibles fósiles, específicamente en la etapa de cocción, etapa que presenta mayores
emisiones tanto de material particulado (PM 10) como de gases de efecto invernadero (CO,
CO2, NO2, SO2), los cuales generan problemas tanto medioambientales como de salud.
Con base en balance de masa, aplicado a través de cálculos matemáticos se puede determinar
la cantidad de material total producido y la cantidad de partículas y gases contaminantes que
se libera en este proceso; estimando así la producción real de la empresa; Por ende, el objetivo
de este proyecto consiste en elaborar un sistema de filtración que permita disminuir de una
manera significativa la carga contaminante emitida.
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Introducción
Actualmente debido a la globalización las empresas de los países en vía de desarrollo se
enfrentan a mercados más exigentes y competitivos, por esta razón se ven obligados a
desarrollar estrategias de mejora continua, teniendo en cuenta esto las partículas producidas en
los procesos industriales de estas empresas generan una problemática que los obliga a
desarrollar tecnologías que permita la mejora de la calidad de aire siendo esta una de las claves
para la aceptación de una empresa en mercados internacionales.
Las normas y estatutos son cada vez más estrictos en relación a la proporción de gases y
material particulado que puede emitirse al medio ambiente, por consiguiente, es de suma
consideración desarrollar y fomentar sistemas que a bajo valor y con alta eficacia logren bajar
tanto la proporción de material particulado como la de gases producto de la quema de
combustibles fósiles como el CO.
Por medio de la elaboración de un sistema filtrante, este trabajo de investigación lograra
brindar una opción viable y con enfoque sostenible para que las empresas produzcan bajo los
parámetros permisibles de emisiones al ambiente; previniendo así las emisiones con
determinada carga contaminante que puedan afectar directa o indirectamente la atmosfera y la
población.
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Capítulo I. Diseño de un sistema de filtro a nivel de chimenea entre 20 a 70
cm de diámetro para la reducción de emisiones de monóxido de carbono
(CO) y emisiones de material particulado PM10.
1.1 Planteamiento del problema
De acuerdo con estudios realizados por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo
Sostenible, uno de los problemas ambientales más serios en Colombia, es la contaminación del
aire ya que no solo perjudica de manera directa a la salud de la gente, sino que también, es el
tercer aspecto generador de costos sociales luego de la contaminación del agua y de las
catástrofes naturales. (Minambiente, 2019). El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios
Ambientales (IDEAM), por medio de estudios realizados durante el año 2015, estima que los
efectos asociados a la contaminación del aire, provocaron alrededor de 10.527 muertes y 67,8
millones de síntomas y enfermedades respiratorias.
No todos los países regulan las emisiones de GEI de la industria en latino américa.
Estudios realizados en Colombia, México, Brasil, Argentina, Perú, Bolivia y Ecuador; apuntan
que, en el área de producción industrial como cementos y ladrillos, son responsables del 8% de
las emisiones globales de gases de efecto invernadero, compuestos principalmente por
monóxido de carbono (CO); óxido de nitrógeno (NOX), compuestos orgánicos volátiles (COV)
y dióxido de azufre (SO2) representando en 6 millones de toneladas por cada país.
(Swisscontact, 2018); Debido a toda esta problemática, es de suma importancia llevar a cabo
prácticas y tácticas que contribuyan a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero
y de material particulado PM10, mejorando el medio ambiente y la salud, garantizando de esta
forma una mejor calidad de vida.
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En Ocaña norte de Santander, las industrias con chimeneas a base de combustibles como
el carbón, al no contar con la tecnología suficiente, ni los elementos para llevar a cabo hornos
que funcionen a partir de electricidad o de gas natural, se siguen implementando combustibles
fósiles como carbón vegetal o mineral, los cuales al no darle un equilibrio entre la cantidad de
combustible y la cantidad de oxígeno necesario para esta reacción química, se produce una
mala combustión de los hornos, lo que deriva como resultado, en emisión de gases tóxicos y
partículas de humo y gases de efecto invernadero a la atmosfera. Por este motivo es de vital
importancia diseñar un sistema de extracción de partículas a nivel de chimenea para así captar
directamente desde la fuente un determinado porcentaje de carga contaminante.
En este orden de ideas, las industrias como las ladrilleras y las cementeras son las que
demandan un alto consumo de combustible como carbón y madera, por lo cual con el paso del
tiempo se demanda y se promueve cada vez más de dichas compañías a que empleen nuevas
estrategias y mecanismos medioambientales que contribuyan con un mejor aprovechamiento
de los recursos naturales, y de esta forma minimizar el impacto producido por las emisiones de
gases a la atmósfera. (SANCHEZ SILVA & ZAPATA VALENCIA, 2013).
Como alternativa de solución a esta problemática, existen varios sistemas colectores de
partículas y gases de efecto invernadero; algunos de estos implementan sistemas hidráulicos
por flujo de líquido o por aspersión, otros mejoran el sistema de combustión del combustible
desde la etapa inicial o al final a través de la aplicación de cargas electrónicas que terminan el
ciclo de las partículas que se crean por combustión incompleta.
El diseño al cual apunta este proyecto es a la implementación de filtros compuesto que
incluye tres tipos de filtro, el primero es un sistema de ciclones, para decantar la mayor cantidad
inicial posible de partículas, el segundo en un filtro de carbón activado, el cual busca campar
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gran parte de carga de gases y partículas por debajo de los 50 nm, el tercer sistema de filtración
es de tipo membrana, el cual implementa un filtro de tela o de un textil especial para la
absorción de gases y partículas residuales de los dos procesos anteriores. La composición de
todo el sistema en general, se basa en 2 estructuras metálicas cerradas y unidas, la primera es
el sistema de ciclones por decantación y la segunda es el sistema de filtración, cuyo interior se
disponen elementos filtrantes de carbón y textiles en posición vertical, el cual funcionará como
sistema de depuración de partículas a fin de mejorar la calidad del aire.
1.2 Formulación del problema
¿Qué estrategia es posible implementar para reducir las emisiones de material particulado
PM10 y gases CO, CO2, SO2 y NOx a nivel de chimenea a la atmosfera?
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general
Diseñar un sistema de filtro a nivel de chimenea entre 20 a 70 cm de diámetro para la
reducción de emisiones de monóxido de carbono (CO) y emisiones de material particulado
PM10.
CO, CO2, SO2 y NOx
1.3.2 Objetivos específicos
● Estimar el volumen y la composición de las emisiones para un eficiente ajuste del
diseño a partir de cálculos matemáticos (balance de masa).
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● Elaborar un diseño de filtración a nivel de chimeneas para la reducción de las emisiones
contaminantes de gases de monóxido de carbono (CO).
● Hacer un análisis comparativo con la normatividad nacional vigente aplicable en
materia de emisiones material particulado y de gases de efecto invernadero (CO, CO2,
SO2 y NOx).
1.4 Justificación
La combustión incompleta que se genera en procesos de la industria tales como
ladrilleras, cementeras, metalúrgicas, etc.; ha sido una de las principales problemáticas a la
hora de elaborar productos como el ladrillo. Para (Avella Moreno, 2012) “los componentes del
combustible como el carbono y el hidrógeno; se convierten respectivamente en dióxido de
carbono (CO2) y en agua (H2O) cuando la combustión se realiza por completo. De lo contrario;
si la combustión es incompleta, se pueden emitir moléculas del combustible sin reaccionar,
como lo son: vapor de agua, partículas de carbono con oxidación incompleta, y con mayor
presencia el monóxido de carbono (CO)”, por ello es necesario emplear nuevas estrategias y
mecanismos medioambientales que contribuyan con un mejor aprovechamiento de los recursos
naturales, y de esta forma minimizar el incremento de las emisiones de material particulado
PM10 y gases de efecto invernadero y su impacto a la atmósfera.
En este orden de ideas es imprescindible crear un diseño de un sistema de filtro a nivel
de chimenea de alrededor de 20 a 70 cm de diámetro para la reducción de emisiones de
monóxido de carbono (CO) y emisiones de material particulado PM10.
El objetivo final de este proyecto de grado será tener como resultado el diseño de un
sistema que sea capaz de controlar la cantidad de emisiones al aire y que así mismo por sus
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características concernientes al tamaño, operación y costos, resulte factible. Al concluir este
documento se incluirá un análisis de resultados obtenidos en el modelo.
1.5 Delimitaciones
1.5.1 Delimitación conceptual:
La temática del proyecto se enmarcará en los aspectos fundamentales de los procesos de
emisiones contaminantes y en la deficiencia de los sistemas de chimeneas artesanales a base de
la utilización de combustibles fósiles a fin de brindar una alternativa de solución al impacto
generado a la atmosfera, fortaleciendo así el sector productivo e implementando un sistema de
reducción que permita el buen desarrollo de los planes de gestión integral de emisiones de gases
de efecto invernadero junto a la aplicación de tecnologías limpias para reducción de estos
contaminantes.
1.5.2 Delimitación temporal:
El presente proyecto se planea realizar en cuatro (4) meses, a partir de la aceptación de
la propuesta de investigación
1.5.3 Delimitación operativa:
Como principio operacional, para la realización de este proyecto se requiere recolección
de información basada en el funcionamiento y operación de sistemas de extracción y
depuración de material particulado y de gases efecto invernadero (CO, CO2, SO2 y NOx) a fin
de diseñar un prototipo de filtro a nivel de chimeneas a baja escala y comprobar su efectividad
en cuanto a la reducción de carga contaminante por medio de análisis cuantitativo determinado
por un balance de masa.
1.5.4 Delimitación geográfica:
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La ejecución del proyecto se llevará a cabo en el municipio de Ocaña – Norte de
Santander específicamente en las instalaciones de la Universidad Francisco de Paula Santander.
El municipio de Ocaña está ubicado en las coordenadas 8°14′46″N 73°21′19″O. Su extensión
territorial es de 672.27 km².
El proyecto se realizará dentro de las delimitaciones del municipio de Ocaña Norte de
Santander, tal como se ilustra en la figura 1.
Figura 1. Mapa de tratamientos PBOT municipio de Ocaña Norte de Santander
Cartografía urbana- mapa de tratamientos - Alcaldía Municipal de Ocaña en Norte de
Santander. (2015) Obtenido: (http://www.ocana-nortedesantander.gov.co/planes/pbot-
2015--cartografia-urbana--mapa-tratamientos).
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1.6 Alcance y limitaciones
1.6.1 Alcance
• El presente estudio pretende desarrollar un diseño capaz de permitir la depuración
aproximada de un 95% de las emisiones de material particulado y gases a nivel de chimenea
industriales con diámetros entre 0.2-0.7 m
1.6.2 limitaciones
• El presente trabajo se realizará únicamente para hornos industriales de tipo Hoffman usado
en industrias cementeras, ladrilleras y metalurgias.
Capítulo II. Marco Referencial
Desde el inicio exponencial de las grandes industrias se ha ido presentado la creciente
necesidad de captar y filtrar la mayor cantidad de gases de efecto invernadero y de material
particulado en los distintos procesos industriales, según (torrez & zarate lopez, 2008) los filtros
son un equipo que permite a través de membranas separar solidos-gas mediante un medio
poroso, siendo estos necesarios en los procesos donde se vea la necesidad de eliminar partículas
sólidas pasándolas a través de un tejido poroso. La eliminación de material particulado que
arrastra un gas es necesaria ya sea por la contaminación que produce, para cumplir con los
valores permisibles de emisiones atmosférica, ya que algunas partículas al entrar en contacto
con determinados compuestos químicos de la atmosfera, forman nuevas sustancias que son
nocivas para el ser humano.
El monóxido de carbono (CO) se produce comúnmente durante diversos procesos y
actividades del día a día como lo son: en el uso de estufas, hornillas y braseras de carbón para
uso doméstico, también se obtiene del uso de medios de transporte cotidianos como
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automóviles y motocicletas a base de hidrocarburos o en el silo de una caldera de biomasa
(Empresas que requieren de grandes cantidades de energía térmica para la elaboración de sus
productos y recurren al uso de hidrocarburos o biomasa vegetal por motivos de reducción de
costos) como lo son ladrilleras, cementeras, metalúrgicas, entre otras. (monzon cid, 2015).
Equipos como los ciclones son de gran ayuda como complemento a la hora de filtrar
gases ya que este ingresa en la cámara superior y baja en espirales, son forzados a seguir un
movimiento giratorio, el cual, por efectos de fuerza centrífuga sobre las partículas, las dirige
hacia los costados internos del sistema. Finalmente se invierte la dirección del gas y asciende
a través del tubo de escape central con un movimiento en espirales y expulsando el gas por el
ducto de salida del ciclón. Estas partículas luego son recogidas en una tolva, lo cual facilita su
recolección debido a la forma cónico de la parte inferior. La eficiencia aumenta en la medida
que aumenta el flujo de aire de ciclón, es decir, con más flujo del ciclón es más eficiente o por
lo contrario la eficiencia del ciclón se ve afectada si el flujo de aire es bajo. (cardozo, curtidor,
& lozano, 2017)
Por tal razón es de suma importancia encontrar métodos de reducción que cumplan con
criterios de efectividad y viabilidad económica para su implementación, a fin de reducir en su
mayor medida la cantidad de emisiones a la atmosfera de monóxido de carbono.
2.1 Marco Histórico
En Colombia la contaminación atmosférica ha sido uno de los factores de más grande
preocupación desde los últimos años, por los impactos generados tanto en la salud como en el
medio ambiente. Actualmente esta problemática ha generado los mayores costos sociales y
medioambientales después de los generados por la contaminación del agua y las catástrofes
naturales. Superiores costos sociales y ambientales luego de los generados por la
contaminación del agua y las catástrofes naturales. Según una encuesta realizada para el
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Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial en 2008, el 67% de los encuestados
perciben la contaminación como un problema ambiental y 52% catalogan la contaminación
atmosférica como el problema principal. (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo
Territorial, 2010)
El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), activa sus
alarmas dada la contaminación atmosférica creciente por el aumento de industrias y vehículos
automotores, por lo que realizó varios estudios y se halló que para mediados del año 1996 las
emisiones a la atmosfera de gases con efecto local eran de 8,612 toneladas, de las cuales el
monóxido de carbono era el gas predominante con el 58 %. Además, En la ciudad de Bogotá,
el Departamento a cargo de la Administración del Medio Ambiente estimó que las
concentraciones medias de monóxido de carbono (CO) atmosférico en los días normales podía
oscilar entre 30 y 35 partes por millón. (Téllez, Rodríguez, & Álvaro, 2006).
De los contaminantes que se encuentran presente en la atmósfera, cinco de ellos han sido
catalogados como nocivos para la salud desde el primer contacto con el sistema respiratorio,
estos son: El monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2),
ozono troposférico (O3) y el material particulado con tamaños iguales o menores a 10 µm
(PM10). Además de éstos, también se incluye al dióxido de carbono (CO2) debido a su aporte
directo al efecto invernadero. En la siguiente imagen se puede evidenciar como a Colombia le
falta volver las normas más estrictas para que todas las estrategias para disminuir la
contaminación atmosférica funcionen.
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Figura 2. Tabla comparativa de la normatividad que regula la calidad de aire
de los países Colombia y reino unido.
Nota. Tomada de caracterización de la contaminación atmosférica en Colombia.
Fuente: (University College London – Universidad de los Andes, 2013) .
2.1.1 Antecedentes internacionales
En países de la unión europea, las problemáticas por la contaminación atmosférica y
todos los esfuerzos realizados por contenerla no son algo nuevo. Desde el siglo XIII. En 1272,
por órdenes del Rey Eduardo I de Inglaterra, se prohibió el uso del carbón para intentar despejar
los cielos saturados de humo sobre Londres, dando así origen a las primeras ordenanzas para
el control de la contaminación. Las primeras actividades relacionadas con dicho control
sucedieron durante el reinado de Ricardo II (1377-1399), y tempo después durante el reinado
de Enrique V (1413-1422), periodo en el cual se establecen medidas para reglamentar y regular
el uso del carbón mineral y vegetal. Una de las primeras publicaciones registradas en la historia
que trata sobre la contaminación del aire es un panfleto publicado en 1661 por orden real del
rey Carlos II llamado “Fumifugium”; el cual establecía métodos de control y disminución de
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las grandes concentraciones de humo que afectaban a Londres; además de contener otras
posibles soluciones propuestas al resto del mundo, escrito por John Evelyn, miembro fundador
de la Royal Society. (ministerio de medio ambiente de chile, 2016)
Debido la creciente necesidad de impulsar la producción bajo niveles de contaminación
menos contaminantes para la atmosfera, muchas empresas y grandes industrias a nivel mundial
han optado por buscar nuevos métodos y estrategias para reducir las emisiones de material
particulado y gases producidos, como también sucede en las cementeras que son una de las
mayores causantes de emisión de partículas traza y gases altamente contaminante a la
atmosfera, como dice (Hoyos Barreto, Jiménez Correa, Ortiz Muñoz, & Montes de Correa,
2008)“Otra de las medidas que se ha implementado pero con menos éxito es la adsorción en
carbón activado. (Cembureau, 1999)”.
La humanidad a medida que pasan las décadas y por los cambios drásticos que ha tenido
el medio ambiente y el deterioro de la salud humana, las empresas que generan grandes
emisiones a la atmosfera se han visto forzadas a investigar el impacto de sus acciones por las
producciones a escala local, nacional y global y a buscar soluciones efectivas a los problemas
ambientales creados por la industrialización, avanzando así hacia el camino de las tecnologías
limpias, combinadas con tácticas para desarrollar una producción más sostenible, controlando
y/o mitigando los impactos generados sobre el medio ambiente. En un principio los industriales
optaron por la instalación de equipos al final de los procesos que simplemente redujeran una
parte de los contaminantes , para evitar modificaciones en los mismos y así poder ahorrar
costos; sin embargo estos equipos instalados requerían una inversión de dinero constante si no
era cambiando con estrategia más limpias durante todo el proceso de producción, así que,
Actualmente, las industrias se están viendo forzadas a adoptar las medidas de prevención
conjuntamente con tecnologías más limpias como diseños de tecnologías filtrantes y ciclones
para complementar la depuración del material particulado PM10 y aquellos gases que por
12
12
fuerza mayor no fuese posible reducir en estos procesos; aplicando medidas de prevención para
la contaminación atmosférica. (Galván Rico & Reyes Gil , 2009)
2.1.2 Antecedentes históricos a nivel local
En el municipio de Ocaña aún no se tienen datos sobre implementación de tecnologías
que ayuden a disminuir el material particulado y gases como CO emitido por las empresas que
en su gran mayoría pertenecen a la industria de la arcilla, por tal motivo es importante el análisis
detallado de proyectos de este tipo, que buscan innovar a la hora del tratamiento de emisiones
contaminantes.
2.2 Marco Contextual
El presente proyecto de investigación es de tipo experimental y se llevará a cabo en el
municipio de Ocaña, Norte de Santander, específicamente en las instalaciones de la universidad
francisco de paula Santander, en el laboratorio de aires. Donde se busca probar la efectividad
de un diseño piloto de depuración tipo filtro de monóxido de carbono mediante la medición de
parámetros fisicoquímicos en laboratorio como lo son la concentración de monóxido de
carbono que se disminuye con el filtro.
Aunque muchas veces no se le de gran importancia al monóxido de carbono ya que se
produce en menor cantidad que el CO2 y, por sus casi imperceptibles efectos sobre la
atmósfera, es de suma importancia estudiar métodos efectivos para su contención y manejo, ya
que para la salud humana representa un gran riesgo, pues su condición de inodoro e incoloro
lo hace imperceptible. El CO Es altamente letal en el organismo debido a que tiene una alta
afinidad por la proteína presente en los glóbulos rojos llamada hemoglobina, la cual es esencial
para tomar y transportar el oxígeno atraves del torrente sanguíneo; afectando
13
13
considerablemente su funcionamiento, y a causa de esto se desarrollan peligrosos efectos como:
problemas cardiovasculares y neurológicos en las personas que se ven expuestas al Monóxido
de carbono (CO). (Díaz & Ernesto González, 2016)
La filtración es uno de los métodos más utilizados para la captación de gases y polvos ya
que juega un papel fundamental en la purificación de los gases cargados de polvo producto de
la mala combustión en hornos de producción industrial (cementeras, metalúrgicas, ladrilleras,
siderúrgica) garantizando un nivel mínimo de polvos a la salida de la chimenea. (Díaz &
Ernesto González, 2016)
Para esta investigación, el control de la contaminación del aire tuvo un enfoque de
aplicación mediante la utilización de un filtro de tipo integrado de mangas por membrana,
siendo este provisto de tres cámaras las cuales ayudaran a la retención del material articulado
más eficazmente.
2.3 Marco Conceptual
• Monóxido de carbono.
El monóxido de carbono es el resultado de la quema de materiales combustibles como
carbón, petróleo o madera en condiciones de poco oxígeno en el ambiente. Las chimeneas y
las calderas que queman combustible al haber una combustión incompleta lo generan con
mayor frecuencia. (GIL PINZON & CAICEDO PULIDO, 2016)
Más del 90% del CO que encontramos en la atmosfera proviene de fuentes naturales,
respecto a CO producido de forma antropogénica, tenemos como mayores productos a las
actividades industriales. respecto a su formación existen tres principales procesos para la
creación del monóxido de carbono (CO) que son:
14
14
1. la combustión incompleta de compuestos con carbono. En este primer tipo de
combustión se da la principal causa de emisión de CO a la atmosfera, y su formación está
dividida en dos etapas:
Etapa 1: 2C + O2 2CO a una velocidad 1
Etapa 2: 2CO + O2 CO2 a una velocidad 2; siendo v1 >v2. Aprox. 10 mayores.
Estas velocidades de reacción implican que si no hay una eficaz mezcla de combustible
y oxigeno; el CO será emitido de manera elevada.
2. reacción entre el CO formado en la combustión y el carbono del combustible aun no
quemado.
CO2 + C 2CO
Esta reacción se da principalmente a temperaturas elevadas, es decir son frecuentes en
muchos procesos industriales.
3. Disociación del CO2 a altas temperaturas.
Aunque exista una buena relación entre oxígeno y combustible, cuando se trabaja a altas
temperaturas se desprende monóxido de carbono, debido a que el proceso de descomposición
de dióxido de carbono aumenta con la temperatura. ( Heredia Muñoz & Páez Monroy, 2008)
CO2 CO + O
• Carbón Activado
El carbón activado es un material poroso compuesto principalmente de carbono,
dependiendo de su fabricación puede contener también H3PO4, H2SO4, ZnCl2, entre otros;
mejorando así sus propiedades de absorción y permite atrapar muchas más sustancias. El
carbón activado, es usado en diversas aplicaciones industriales, principalmente para la
15
15
remoción de olores y partículas, gracias a su gran capacidad de absorción y retención, ya que
está compuesto por cientos de cavidades de unas cuantas micras de diámetro (entre 1 o 5
moléculas de diámetro situadas entre placas de grafito), las partículas quedan atrapadas y las
moléculas de las sustancias químicas que pasa a través de él quedaran atrapadas por medio de
esta circulación, ya que irán llenando estos espacios “vacíos” en los poros del filtro.
(MELISSA CALLE MUÑOZ, 2015)
• Filtro de Tela
El filtro de tala se compone de una serie de hileras o mangas de tela en la forma tubular,
hechas ya sea de fibra sintética o natural, las cuales son colocadas de forma vertical en unos
soportes para darles soporte y van dentro de un compartimiento para el control del flujo. El
sistema consiste en haciendo pasar el aire contaminado mediante la ayuda de un ventilador, a
través de los tubos de tela. De esta forma se efectúa la separación los sólidos suspendidos que
se encuentren presentes en el flujo de aire, las partículas en suspensión quedan atrapadas entre
las hendeduras de la tela formando una torta filtrante. A medida que la torta va engrosando se
aumenta la eficiencia de retención de partículas y la caída de presión del sistema, por lo que es
necesario realizar una limpieza periódica de las talas para evitar así una disminución en el
caudal. El aire contaminado, al ingresar al sistema, entra por el espacio que está debajo de la
placa a la que se encuentran sujetas las talas, y fluye en dirección horizontal hacia arriba para
pasar de esta forma por las talas. Finalmente, el aire sale del sistema dejando atrás los sólidos
presentes en el. El aire limpio recorre el espacio exterior de los sacos y es llevado por una serie
de conductos hacia el ducto de escape o chimenea. (Londoño, 2008)
• Filtro HEPA
HEPA, por sus siglas en inglés High Efficiency Particulate Air o Aire particulado de alta
eficiencia en español, que como su nombre lo indica es un tipo de filtros de aire de alta
16
16
eficiencia que se compone de una malla de fibras dispuestas aleatoriamente. Estos filtros son
ideales para la captura y retención de partículas y contaminantes con diámetros muy pequeños.
Por su disposición, este tipo de filtros son generalmente de fibra de vidrio y suelen tener un
diámetro que oscila entre los 0,5 y los 2,0 µm (micrómetros), y por eso son considerados de
alta eficiencia (S&P, 2018).
• Filtro de luz UV
La purificación del aire mediante radiación UV, se logra mediante la radiación
ultravioleta, Este tipo de tecnologías, por sus propiedades foto lumínicas resultan muy
eficientes para eliminar agentes patógenos como virus, bacterias, y moho. La absorción UV
permite también remover contaminantes gaseosos mediante reacciones químicas, estos
procesos ocurren en la superficie catalizadora de un semiconductor sometido a irradiación con
rayos UV o fotones cargados de energía muy potente, la cual puede igualar o exceder la brecha
energética.
La mayor desventaja de los sistemas purificadores de aire de Luz Ultravioleta (UV), es
que estos no eliminan el material particulado, alérgenos ni demás partículas en suspensión.
Además, de necesitar espacios específicos de iluminación ya que de lo contrario la luz
ultravioleta no podría funcionar correctamente. (ANDRADE, 2017)
2.4 Marco Teórico
La filtración es el proceso de separación de las partículas suspendidas en determinado
fluido, ya sea liquido o gaseoso, en el cual se produce la separan ya sea de forma mecánica o
físicamente, usando un medio poroso para retener las partículas y permitir a su vez el paso del
fluido filtrado sin contaminantes en él, ya sea gases o material en suspensión. ( Vasquez L,
Vasquez L., Hernandez , & Nino R, 2016)
17
17
Los sistemas de tratamiento de emisiones atmosféricas como lo propone (Aguilar, 2012)
en su diseño y modelado virtual de un colector de particulas tipo “scrubber” para la industria
de acero usualmente tiene dentro de sus componentes camara rociadoras compuesta
principalmente por agua y algun componente que aumente su efectividad como lo es el
hidroxido de sodio siendo este un gran problema por el tratamiento que se debe dar al agua con
una gran carga tanto de material particulado como de gases y la falta de eficacia a la hora de
recicurlar la misma solucion acuosa, por esta razon cuando se habla de sistemas depuradores
de gases o partículas se tiene que estudiar los componentes que forman parte del ciclón-filtro
como en el caso de este proyecto un separador ciclonico el cual permitirá una prefiltración
como pretratamiento a la carga contamínate, seguidamente en el sistema filtrante habrá un
proceso de extracción, cámara de impacto, filtro compuesto de lecho con carbon activado y
finalmente filtro de papel.
Más del 90% del CO que encontramos en la atmosfera proviene de fuentes naturales,
respecto a CO producido de forma antropogénica, tenemos como mayores productos a las
actividades industriales. ( Heredia Muñoz & Páez Monroy, 2008)
2.4.1 Características del equipo filtrante
El sistema de filtración que proponemos es un sistema compuesto que emplea filtración
por ciclones, filtración por polímeros y filtración con carbón activado, los cuales permiten que
la depuración del aire a nivel de industrias sea más eficiente.
Este diseño estará basado en el filtro de tela y carbón activo, con un pre filtrado con un
sistema ciclónico, además de integrar otros componentes adicionales para optimizar su
funcionamiento y durabilidad, implementando mecánicas utilizadas en el equipo para PM10.
18
18
El filtro se propone de acero galvanizado de calibre 20, ya que este material es resistente
a altas temperaturas, es de fácil manejo y al ser galvanizado, este tendrá una mayor resistencia
y durabilidad ante la exposición directa a los agentes atmosféricos.
2.4.2 Diseño de las partes que integran el sistema de depuración
Para que el sistema de depuración de gases sea eficiente, antes debe separar en la mayor
medida el material particulado del fluido de aire para evitar así una rápida saturación en el
sistema de filtración. Para la captación en su fase inicial se plantea en el diseño la
implementación de un sistema de ciclones como etapa de pre filtración, el cual para el completo
funcionamiento del sistema se requieren tuberías de conducción y el sistema de extracción o
impulsión.
• Fase 1: Sistema Separador ciclónico: Es la etapa inicial del proceso de depuración, el
cual, por medio del efecto de rotación y de gravedad, se separa gran cantidad de partículas
sólidas y gaseosas del fluido.
a) Vista exterior de un ciclón
típico
b) Movimiento de sólidos y gases
en el interior del ciclón
Figura 3. Funcionamiento de un ciclón
Nota. Esta figura muestra el principio de funcionamiento de un ciclón. Recuperado
DISEÑO ÓPTIMO DE CICLONES (p. 3) por (Echeverri Londoño, 2006).
19
19
Figura 4. Esquema de un ciclón Lapple
Nota. Esta figura muestra las dimensiones del ciclón lapple. Tomado de DISEÑO Y
OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA CICLÓN-FILTRO PARA DESEMPOLVADO
DE AMBIENTES INDUSTRIALES. Por (Barbosa, 2013)
(http://www.aaiq.org.ar/SCongresos/docs/04_025/papers/05f/05f_1491_322.pdf )
En la Fig. 4 se muestra el esquema de un ciclón de entrada tangencial, tipo Lapple y los
nombres de las partes que lo componen.
Los sistemas de ciclones o separadores inerciales son el tipo de captador de material
particulado más sencillo. Principalmente son empleados para disminuir la cantidad de material
particulado del flujo de aire o como pretratamiento (pre-separadores o pre-filtros) en colectores
de alta eficiencia. Son llamados filtros ciclónicos debido su movimiento de vórtice parecido al
de los ciclones o tornados y se componen de tubos de gran tamaño en forma de embudos.
(Nederman Holding AB, 2018)
Dimensión Relación
dimensional
Diámetro del ciclón Dc/Dc
Altura de entrada a/Dc
Ancho de entrada b/Dc
Altura de salida S/Dc
Diámetro de salida Ds/Dc
Altura parte cilíndrica h/Dc
Altura de la parte cónica z/Dc
Altura total del ciclón H/Dc
Diámetro salida de polvo B/Dc
20
20
Se considera que son de alta eficiencia a nivel industrial pues su construcción se realiza
considerablemente a bajo costo inicial, bajos gastos operativos, a la ausencia de piezas móviles
internas y a su relativamente mínima ocupación de espacio; Posicionándose de esta manera,
como uno de los medios de recolección más económicos y eficientes en la industria, tanto desde
el punto de vista operacional como de costos de inversión.
Al no contar con partes móviles, es mucho más fácil la parte operacional de
mantenimiento. Para su construcción existe una gran variedad de modelos y de materiales
según la necesidad y están diseñados para soportar altas temperaturas y presiones (Hoffmann
Alex C, 2008). Este tipo de sistemas es óptimo en la separación de partículas con diámetros
mayores a 5 μm, aunque en algunos casos puede separarse partículas más pequeñas. En
contraparte este sistema no puede emplearse como elemento único de filtración de aire, puesto
que no alcanza a cubrir los requerimientos mínimos legales, pero es fundamental su
implementación como pre filtro para reducir la cantidad de partículas de gran tamaño o de
mayor densidad presentes en el flujo masico de aire que puedan entrar al sistema final de
depuración, con lo que se reduce considerablemente dicha carga de partículas.
• Fase 2: sistema de filtrado por membrana y carbón activado
Luego que el filtro ciclónico ha depurado de un 80% a un 90% de material particulado y
gases contaminantes en el flujo de aire, sigue la segunda etapa que consiste en un filtrado
compuesto por un filtro de tela y un posterior filtro de carbón activado, con lo que se espera
retener el porcentaje restante, reteniendo especialmente los gases contaminantes que no fueron
captados en el pretratamiento de la fase 1.
Esta segunda parte del tratamiento es integrada y está comprendida por los siguientes
componentes:
21
21
1. Sistema de tuberías: esta inicia en la salida del filtro ciclónico, dividiéndose en dos en
forma de “T” para disminuir la temperatura del flujo de gas y permitir la disposición de
2 filtros paralelos maximizando así la eficiencia del prototipo.
2. Cámara de impacto: Con la ayuda del extractor, la corriente de aire contaminado
entrará a esta primera fase de depuración donde se busca disminuir la velocidad del
fluido y que, por efecto de gravedad, las partículas de mayor tamaño se condensen y
precipiten al fondo del filtro. Para ello se implementa un sistema de tubos de ventilación
que impidan el paso directo del humo a la siguiente recamara.
3. Filtro de papel: En esta última fase se instala un filtro universal para automóvil, cuya
principal función es de retener, en la mayor medida posible, los gases y partículas de
menor tamaño que no fueron captados en los procesos anteriores.
4. Filtro de carbono: En esta etapa se implementa el uso de gránulos de carbón activo
debido a sus propiedades de absorción y retención de gases, solventes, vapores químicos
y olores ofensivos presentes en el humo.
5. Cámara de extracción: en esta se encuentra instalado un sistema de extractores
eléctricos de baja potencia que mejoraran el flujo de aire, aumentando así la aireación
interna del núcleo de combustión.
Figura 5. Diseño experimental del filtro
Nota. Fuente: Autores
22
22
El filtro al estar expuestos directamente a altas temperaturas, se decidió que en su diseño
final será de un filtro doble a fin de poder implementar un sistema de enfriamiento efectivo y
a su vez tener una mayor retención de partículas y aumentar la visa útil del filtro para daños en
los sistemas de extractores y los filtros de tela que se encuentran dentro.
Figura 6. Diseño experimental del filtro doble
Nota. Fuente: Autores
2.5 MARCO LEGAL
La normativa colombiana que se rige en materia de calidad del aire es amplia, por tanto,
en la siguiente tabla, se muestran las principales normas que se relacionan con la problemática
de estudio.
23
23
Tabla 1. Normatividad colombiana correspondiente a niveles máximos permisibles de
emisión de contaminantes a la atmosfera.
NORMA DESCRIPCION
Ley 99 de 1993 Sistema Nacional Ambiental y Ministerio de Medio
Ambiente.
Decreto 02 de 1982
(MINSALUD)
“Por el cual se reglamentan parcialmente el título I de la Ley
09 de 1979 y el Decreto Ley 2811 de 1974, en cuanto a
emisiones atmosféricas. En el Capítulo IV se habla de las
normas especiales de emisión de partículas para algunas
fuentes fijas artificiales (calderas a base de carbón, fábricas
de cemento, industrias metalúrgicas, plantas productoras de
asfalto y mezclas asfálticas, entre otras.)”
Decreto 948 de 1995 “Contiene el Reglamento de Protección y Control de la
Calidad del Aire, de alcance general y aplicable en todo el
territorio nacional, mediante el cual se establecen las normas
y principios generales para la protección atmosférica, los
mecanismos de prevención, control y atención de episodios
por contaminación del aire generada por fuentes
contaminantes fijas y móviles.
Se reglamenta:
Artículo 72. Permiso de emisión atmosférica.
Artículo 76. Trámite de permiso de emisión atmosférica en
el proceso de cocción.
Artículo 80. Vigencia, alcance y renovación del permiso de
emisión atmosférica.”
Resolución 601 del 2006 “Establece la norma de calidad del aire o Nivel de inmisión,
para todo el territorio nacional en condiciones de referencia,
esta deroga parcialmente en el Decreto 02 de 1982, y el
objetivo de esta resolución es “establecer la norma de
calidad del aire o nivel de inmisión, con el propósito de
garantizar un ambiente sano y minimizar los riesgos sobre la
salud humana que puedan ser causados por la concentración
de contaminantes en el aire ambiente.”
Resolución 909 del 2008 “Por la cual se establecen las normas y estándares de
emisión admisibles de contaminantes a la atmósfera por
fuentes fijas y se dictan otras disposiciones.”
La resolución instaura los modelos de emisión limite
permisible de contaminantes al aire, para fuentes fijas
productos de actividades industriales
Donde Se reglamenta:
24
24
Artículo 4. Estándares de emisión admisibles de
contaminantes para fuentes fijas.
Artículo 69-71. Determinación del punto de descarga de la
emisión por fuentes fijas.
Artículo 72-77. Medición de emisiones para fuentes fijas en
la chimenea del horno de cocción.
Decreto 2041 del 2014 “Por el cual se reglamenta el Título VIII de la Ley 99 de
1993 sobre licencias ambientales”
Decreto número 979 del 03
abril 2006
“Por el cual se modifican los artículos 7, 10, 93, 94 y 108
del Decreto 948 de 1995. El decreto reglamente la
declaración de los niveles de prevención, alerta y
emergencia y las áreas fuente de contaminación”
MANUAL DE
OPERACIÓN DE
SISTEMAS DE
VIGILANCIA DE LA
CALIDAD DEL AIRE
Hace parte del PROTOCOLO NACIONAL DE
MONITOREO Y SEGUIMIENTO DE LA CALIDAD DEL
AIRE, incorpora los lineamientos a tener en cuenta para
llevar a cabo el diseño y la operación de los SISTEMAS DE
VIGILANCIA DE LA CALIDAD DEL AIRE EN
COLOMBIA.
Fuente: Autores 2021.
En la siguiente tabla aparecen consignados los niveles máximos permisibles de emisiones
para Colombia, dispuesto según la resolución 6501 del 2006. Estos valores son calculados
mediante promedio geométrico para PST y aritmético para el resto de material contaminante.
Tabla 2. Niveles máximos permisibles para contaminantes criterio
Contaminante Unidad Límite máximo
permisible
Tiempo de
Exposición
PST µg/m3 100 Anual
300 24 horas
PM10 µg/m3 70 Anual
150 24 horas
SO
2
ppm (µg/m3)
0.031 (80) Anual
0.096 (250) 24 horas
0.287 (750) 3 horas
NO
2
ppm (µg/m3)
0.053 (100) Anual
0.08 (150) 24 horas
0.106 (200) 1 hora
O3 ppm (µg/m3) 0.041 (80) 8 horas
0.061 (120) 1 hora
25
25
CO ppm (mg/m3) 8.8 (10) 8 horas
35 (40) 1 hora
Nota. Tomado de la Norma de Calidad del Aire o Nivel de Inmisión, para todo el
territorio nacional en condiciones de referencia. Fuente. (Resolucion 601, 2006)
Capítulo III. Diseño Metodológico
3.1 Tipo de investigación
Dado que el objetivo a estudiar será crear el Diseño de un sistema de filtro a nivel de
chimenea entre 20 a 70 cm de diámetro para la reducción de emisiones de monóxido de carbono
(CO) y emisiones de material particulado PM10, se recurrió a un diseño no experimental de
tipo descriptiva proyectiva.
3.2 Población
La población a estudiar en esta investigación corresponde a las empresas de producción
de bloques de arcilla que empleen hornos Hoffman a base de combustibles fósiles o carbón
para su producción.
3.3 Técnicas e instrumentos para el procesamiento de la información.
La técnica a utilizar es un el Análisis Cuantitativo del Proceso por medio de la
Estequiometría (Balance de masa), consulta de información secundaria y Dividir el sistema
filtro-ciclón en subsistemas para observar cómo interactúan sus diferentes partes. (El diseño de
filtro-ciclón en software Sketchup LayOut de modelación digital). Sketchup LayOut
3.3.1 Instrumentos de recolección
Utilización de herramientas tecnológicas (software Sketchup LayOut), consulta y
solicitud de información EMPRESA HORA LTDA_LADRILLERA OCAÑA.
26
26
Capítulo IV. Administración del proyecto
4.1 Recursos humanos
Investigadores
Marisela Mosquera Montiel
Eduardo Peña Gutiérrez
Director
Alexander Armesto Arenas
Para el correcto desarrollo de todos los objetivos del proyecto se ha establecido un
cronograma de actividades, en el cual se describe cada una con su respectivo periodo de tiempo
para ejecutar esta actividad.
4.2 Descripción de actividades
Tabla 3. Descripción de actividades
OBJETIVOS GENERAL OBJETIVOS
ESPECIFICOS
ACTIVIDAD
Diseñar un sistema de
filtro a nivel de
chimenea entre 20 a 70
cm de diámetro para la
reducción de emisiones
de monóxido de
Estimar el volumen y la
composición de las
emisiones para un
eficiente ajuste del
diseño a partir de
Recolección de datos de las
emisiones y medidas de la
chimenea a estudiar, a través de
una entrevista con el personal
administrativo y operativo de la
ladrillera Ocaña
27
27
carbono (CO) y
emisiones de material
particulado PM10.
cálculos matemáticos
(balance de masa).
Asesoría con el director del
proyecto y conocedores
profesionales en el tema.
Para el planteamiento del diseño
de forma
Revisión bibliográfica para la
recolección de fórmulas y
modelos matemáticos para el
establecimiento del diseño del
prototipo
Elaborar un diseño de
filtración a nivel de
chimeneas para la
reducción de las
emisiones
contaminantes de gases
de monóxido de carbono
(CO).
Por medio de fórmulas aplicadas
en Excel establecer las
dimensiones óptimas para la
construcción del sistema ciclónico
Desarrollar el modelado virtual
del diseño como representación
gráfica en tres dimensiones con en
el software Sketchup LayOut
Hacer un análisis
comparativo con la
normatividad nacional
vigente aplicable en
materia de emisiones
Para actividades
industriales
Estimar la reducción de las
emisiones de material particulado
PM10 y gases por medio de
ponderación de datos obtenidos de
estudios de emisión similares
Realizar un estudio de factibilidad
con base en el análisis de los
resultados obtenidos por medio de
la elaboración de un estudio de
costos
Nota. Fuente. Autores
28
28
4.3 Cronograma de actividades
Tabla 4. Cronograma de actividades
Nota. Fuente. Autores
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
OBJETIVOS ESPECIFICOS
ACTIVIDAD Mes
Junio Julio Agosto Septiembre
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Estimar el
volumen y la
composición de
las emisiones
para un eficiente
ajuste del diseño
a partir de
cálculos
matemáticos
Recolección de datos de las emisiones y medidas de la chimenea a estudiar, a través de una entrevista con el personal administrativo y operativo de la ladrillera Ocaña
X X X X
Asesoría con el director del proyecto y conocedores profesionales en el tema para el planteamiento del diseño de forma
X
Revisión bibliográfica para la recolección de fórmulas y modelos matemáticos para el establecimiento del diseño del prototipo
X X X X
Elaborar un
diseño de para la
reducción de las
emisiones
contaminantes
de gases de
monóxido de
carbono (CO)
Desarrollar el modelado virtual del diseño como representación gráfica en tres dimensiones con en el Software SolidWorks 3d
X X X X X
Hacer un análisis
de viabilidad del
sistema
propuesto
Estimar la reducción de las emisiones de material particulado PM10 y gases por medio de un Balance de masa
X X
Evaluar la factibilidad con base en los costos generados al ejecutarse el proyecto.
X X
29
29
4.4 Recursos Financieros
Tabla 5. Descripción de gastos
ITEMS Cantidad Unidad Valor Unitario
Valor Total
Asesoría profesional 30 Bus $6000 $180.000 Compra e instalación de
software para modelación 1 - - $240.000
Total $766.000 Equipos empleados
Modelación 3d 1 - $ 500.000 $1’000.000
Herramientas tecnológicas (computadores, celulares)
1 - $100.000 $100.000
Total $1’700.000 Papelería
Fotocopias 250 copias $50 $12.500 Impresiones 20 Impresió
n $200 $4.000
Total $16.500 Tiempo de trabajo
Total, gastos generales $4’019.000
Nota. Fuente. Autores
30
30
Capítulo V. Presentación de resultados
5.1 Estimar el volumen y la composición de las emisiones para un eficiente ajuste del
diseño a partir de cálculos matemáticos (balance de masa).
Tomando en consideración el proceso de producción de ladrillos, el diseño se enfocó en
cómo reducir el material particulado y los gases producto de el secado del ladrillo en el horno
Hoffman, tomando en cuenta ciertos parámetros (velocidad, caudal, área chimenea) que
intervienen en el proceso como lo son la cantidad de: material particulado y gases emitido por
la chimenea. para lo cual fue imprescindible tener en cuenta los proyectos de grado como
PLANEACION DE LA GESTION DE LA CALIDAD DEL AIRE PARA LA EMPRESA
HORA LTDA LADRILLERA OCAÑA y EVALUACIÓN TERMODINÁMICA DEL
PROCESO DE COCCIÓN Y ANÁLISIS DE GASES EN HORNOS A CIELO ABIERTO Y
HOFFMAN EN OCAÑA para lograr hacer una indagación y por consiguiente un debido
análisis del balance de masa y energía, con el fin de tener una idea de la cantidad estimada de
gases y partículas; y factores como la velocidad y temperatura de salida del aire, para establecer
el diseño,
5.1.1 Recolección de datos de las emisiones y medidas de la chimenea a estudiar, a
través de una entrevista con el personal administrativo y operativo de la
ladrillera Ocaña.
Para poder identificar las variables que intervienen en el diseño debemos conocer las
características del horno referencia en este caso el horno Hoffman de la empresa HORA
LTDA LADRILLERA OCANA, con un consumo total de 170 toneladas/ mes (170000
Kg/mes) de carbón mineral.
31
31
5.1.1.1 Medidas de la chimenea a estudiar.
El estudio se basado en la chimenea del horno tipo Hoffman en el cual la cocción se
realiza de forma continua, este tipo de horno consiste en dos galerías paralelas, formadas por
compartimientos contiguos, este este compuesto por 24 cámaras repartidas en 12 por cada
costado, para la quema continua de ladrillo. Este tipo de hornos son de alta producción y el
fuego producido por el combustible se mueve atraves de este en dirección opuesta a las
manecillas del reloj, lo que da como resultado una alta productividad del horno, ya que el
calor obtenido en la cámara de combustión es utilizado para el precalentamiento de las
cámaras precedentes. El ciclo completo de quema es de alrededor de una semana; adquisición
fue de 22,6 horas. El combustible utilizado para la cocción del material es el carbón
pulverizado tipo Hulla, donde el consumo de carbón por mes es de 170 Ton / mes. (
JACOME MANZANO, 2015).
Figura 7. Vista lateral del Horno Hoffman.
Nota: medidas de horno Hoffman de la EMPRESA HORA LTDA_LADRILLERA
OCAÑA. Tomada de ( JACOME MANZANO, 2015).
En la figura 7 se muestra las dimensiones del horno Hoffman, siendo más
representativo por motivo de este proyecto de investigación resaltar las dimensiones de La
chimenea que tiene una longitud de 1.1 metros, ancho de 1.06 metros y una altura de 18.5
metros.
32
32
A continuación, en la figura 8 se muestra una descripción más específica de las
dimensiones de la chimenea del horno tipo Hoffman.
Figura 8. Diámetro del horno Hoffman
Nota. Esta figura muestra las dimensiones del horno Hoffman de la ladrillera hora
Ltda.-Ocaña NS. Fuente: autores
Figura 9. Dimensión horizontal de la Chimenea
Nota: chimenea horno Hoffman de la EMPRESA HORA LTDA_LADRILLERA
OCAÑA. Tomada de ( JACOME MANZANO, 2015).
Ancho: 1.06 metros
Longitud: 1.1 metros
33
33
5.1.1.2 Recolección de datos de las emisiones.
La metodología para la estimación de emisiones de material particulado PM 10 y gases
CO, CO2, NO2 y SO2 en un proceso específico en la producción de ladrillo el cual es la
etapa de cocción del mismo en el horno Hoffman de la EMPRESA HORA
LTDA_LADRILLERA OCAÑA se hizo teniendo en cuenta:
El manual de inventario de fuentes puntuales, el cual establece la ecuación para obtener
el estimado de emisión.
E= A x F
Donde,
E: es el estimado de la emisión en la etapa del proceso.
A: nivel de actividad, Cantidad de material utilizado como combustible en el proceso
de cocción del horno, en este caso cantidad de carbón tipo hollín utilizado en la etapa.
F: factor de emisión, en este caso se usaron los factores de emisión dados por la (EPA
(Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, 1995)
34
Factores de emisión dados por la agencia de protección ambiental de los estados unidos de norte de américa (EPA), de estos solo se tendrán en
cuenta los factores de emisión de partículas para los procesos de fabricación de ladrillo, específicamente en el proceso de cocción.
Tabla 5. Factores de emisión de materia particulada para las operaciones de fabricación de ladrillo.
FUENTE
PM CALIFICAC
ION DE
FACTOR
DE EMISION
PM-10
CALIFICACIO
N DE
FACTOR
DE EMISION
PM- 2.5 CALIFICACIO
N DE
FACTOR
DE EMISION
INORGANI
CO
CALIFICAC
ION DE
FACTOR
DE EMISION
ORGANI
CO
CALIFICA
CION
DE
FACTOR DE
EMISI
ON
Trituradora
primaria con
filtro de tela (SCC 3-05-
003-40)
ND NA 0.00059
E ND NA
NA NA NA NA
Moliend
a y
cribado
operaciones (SCC 3-05-
003-02)
NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA
procesamien
to material
húmedo
0.025
E 0.0023
E ND NA
NA NA NA NA
procesamiento y material
seco
8.5 E 0.53 E ND NA
NA NA NA NA
con filtro tela 0.0062
E 0.0032
E ND NA
NA NA NA NA
35
35
-51)
Línea de
extrusión con
filtro de tela (SCC 3-05-003-
42)
ND NA 0.0036
E ND NA
NA NA NA NA
secador de ladrillo (SCC 3-
05-003-50,
0.077
E ND NA
ND NA
0.11 E ND NA
Horno a
gas natural (SCC 3- 05-003-11)
0.37
C 0.28 E ND NA
0.48 D 0.11 D
Horno a carbón (SCC 3-05-
003-13)
NA NA NA NA NA NA NA NA NA
sin control 1.2r A 0.76s C 0.28t D 0.48p D 0.11q D
con filtro de tela
0.043v
E ND NA
ND NA
0.48u D 0.11q D
Horno de aserrín como combustible
0.34
D 0.26 D 0.16 D 0.48 D 0.11 D
Horno de
aserrín como
combustible y dryery aserrín (SCC 3-05-003-
61)
1.3 E 0.25 E ND NA
0.013 E 0.043 E
Gas natural
horno disparar
Tilez arcilla estructural (SCC 3-05-
003-70)
1.0 E ND NA
ND NA
ND NA ND NA
Nota. Esta figura muestra los factores de emisión dado por la EPA en los procesos de elaboración del ladrillo. Tomado de (EPA (Agencia de
Protección Ambiental de Estados Unidos, 1995)
36
I. Factores de emisión encontrados en el manual de inventario de emisiones del IDEAM.
Tabla 6. Factores de emisión para el proceso de fabricación del ladrillo dados por IDEAM
TIPO DE FUENTE
FE PST FE NOX FE PM10 CALIDAD DEL FACTOR DE
EMISION
Kg/t arcilla
FE PST FE NOX
FE
PM
10
Almacenamiento (intemperie)
7.7183 No aplica ND No aplica
Molienda y
tamizado en
base húmeda
0.01135 No aplica 0.0010442
E E
Molienda
y tamizado en
base seca
3.859 No aplica 0.24062 E E
Molienda y
tamizado en
base seca con filtro.
0.0028148
No aplica 0.0014528
E E
TIPO DE FUENTE
FE PST FE NOX FE PM10 CALIDAD DEL FACTOR DE
EMISION
Kg/t
ladrillos producidos
Kg/t
ladrillos producidos
Kg/t
ladrillos
producid
os
FE PST FE NOX
FE
PM10
Trituración
inicial con filtro ND No aplica 0.000590 No aplica E
Conformado
con filtro
(contenido (
CARVAJAL
JAIMES &
GARCIA
RUBIO, 2016)
de humedad
del material
entre 5- 9% solamente)
ND No aplica 0.003600 No aplica E
Secado artificial
0.077000 No aplica ND E No
aplica
Secado artificial con quemador adicional
ND 0.044492 ND No aplica
No
aplica
Nota. Fuente: ( CARVAJAL JAIMES & GARCIA RUBIO, 2016)
37
37
A continuación, se presenta el análisis estequiométrico, resultado de la aplicación de la metodología
anteriormente planteada.
Figura 10. Entradas y salidas de materia y energía del proceso de cocción del ladrillo
Nota. Diagrama de Flujo de materia y energía en el proceso de fabricación del ladrido
adaptado de PLANEACION DE LA GESTION DE LA CALIDAD DEL AIRE por Fuente:
( CARVAJAL JAIMES & GARCIA RUBIO, 2016)
Tabla 7. Balance de masa
ENTRADA SALIDA
Carbón tipo hulla: 5330 kg/ día
C= 5330 x 0,76 = 4050,8
O2 = 5330x0,08= 426,4
H2O= 5330x0,085=453,05
N=5330x0,015= 79,95 kg
S=5330x0,025= 133,25 kg
CENIZAS= 5,330X 0,1
• Cenizas:
16,42 kg------ 80 Ton
X ---------------100 Ton
X= 16,42 𝑥 160 𝑡𝑜𝑛
80 𝑡𝑜𝑛= 20.525 kg
• H2O
111881,1969 (0,03) + 453.05
(0,085) = 3809.4859kg H2O
• PST
PST = 3.938 kg/Ton
E: 5.33 Ton/día * 3.938
kg/Ton
E = 20.98954 kg/día
• PM10
AIRE:
C+O2 = CO2
799.5kg/diaCO2=(𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒓 𝒄𝒐𝟐
𝟏 𝒌𝒈 𝒄𝒐𝟐) (
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒄𝒐𝟐
𝟒𝟒 𝒈𝒓 𝒄𝒐𝟐) (
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒐𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒄𝒐𝟐) (
𝟑𝟐 𝒈𝒓 𝒐𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒐𝟐) (
𝟏 𝒌𝒈 𝒐𝟐
𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒓 𝒐𝟐)
=581,4545 kg O2
581,4545 kg O2 – 426,4 =155,0545 kg O2
COCCION
111881.1969
kg (3 % humedad)
5330 kg/día de carbón
790,7665 kg Aire
H2O: 3809,4859 Kg
GASES:816.7159 kg/día
PST: 20,9895 kg/día
CENIZAS: 32,84 kg
107302,87
2 kg
38
38
155,0545 kg O2 (𝟏𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝒂𝒊𝒓𝒆
𝟐𝟏 𝒌𝒈 𝒐𝟐)= 738,1354 kg Aire
PM10 = 1.2 lb/Ton EPA
𝐄: (5.33𝑇𝑜𝑛
𝑑í𝑎) ∗ (1.2
𝑙𝑏
𝑇𝑜𝑛) ∗
(1 𝑘𝑔
2 𝑙𝑏) = 3.198
𝑘𝑔
𝑑í𝑎
E = 3.198 kg/día
• SO2
SO2 = 1.8 kg/Ton IDEAM
𝐄: (5.33𝑇𝑜𝑛
𝑑í𝑎) ∗ (1.8
𝑘𝑔
𝑇𝑜𝑛) =
9.594𝑘𝑔
𝑑í𝑎
E = 9.594 kg/día
• NO2
NO2 = 1.03 kg/Ton IDEAM
𝐄: (5.33𝑇𝑜𝑛
𝑑í𝑎) ∗ (0.80
𝑘𝑔
𝑇𝑜𝑛)
= 5.4899𝑘𝑔
𝑑í𝑎
E = 5.4899 kg/día
• CO
CO = 0.80 lb/Ton EPA
𝐄: (5.33𝑇𝑜𝑛
𝑑í𝑎) ∗ (0.80
𝑙𝑏
𝑇𝑜𝑛) ∗
(1 𝑘𝑔
2 𝑙𝑏) = 2.132
𝑘𝑔
𝑑í𝑎
E = 2.132 kg/día
• CO2
CO = 300 lb/Ton EPA
𝐄: (5.33𝑇𝑜𝑛
𝑑í𝑎) ∗ (300
𝑙𝑏
𝑇𝑜𝑛) ∗
(1 𝑘𝑔
2 𝑙𝑏) = 799.5
𝑘𝑔
𝑑í𝑎
E = 799.5 kg/día
C+O= CO
2,132 kg CO=(𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒓 𝒄𝒐
𝟏 𝒌𝒈 𝒄𝒐) (
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒄𝒐
𝟐𝟖 𝒈𝒓 𝒄𝒐) (
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒐𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒄𝒐) (
𝟑𝟐 𝒈𝒓 𝒐𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒐𝟐) (
𝟏 𝒌𝒈 𝒐𝟐
𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒓 𝒐𝟐)
= 2,4365 kg O2
2,4365 kg O2 (𝟏𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝒂𝒊𝒓𝒆
𝟐𝟏 𝒌𝒈 𝒐𝟐)= 11,6023 kg Aire
N+O2 = NO2
5,4899kg/dia NO2=(𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒓 𝒏𝒐𝟐
𝟏 𝒌𝒈 𝒏𝒐𝟐) (
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒏𝒐𝟐
𝟒𝟔 𝒈𝒓𝑵𝑶𝟐) (
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒐𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑵𝑶𝟐) (
𝟑𝟐 𝒈𝒓 𝒐𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒐𝟐) (
𝟏 𝒌𝒈 𝒐𝟐
𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒓 𝒐𝟐)
= 3,8190 kg O2
3,8190 kg O2 (𝟏𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝒂𝒊𝒓𝒆
𝟐𝟏 𝒌𝒈 𝒐𝟐)= 18,1860 kg Aire
39
39
S+O2 = SO2
9,594kg/diaSO2=
(𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒓 𝑺𝒐𝟐
𝟏 𝒌𝒈 𝑺𝒐𝟐) (
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑺𝒐𝟐
𝟔𝟒 𝒈𝒓𝑺𝑶𝟐) (
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒐𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑺𝑶𝟐) (
𝟑𝟐 𝒈𝒓 𝒐𝟐
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒐𝟐) (
𝟏 𝒌𝒈 𝒐𝟐
𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒈𝒓 𝒐𝟐)= 4,797 kg O2
4,797 kg O2 (𝟏𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝒂𝒊𝒓𝒆
𝟐𝟏 𝒌𝒈 𝒐𝟐)= 22,8428 kg Aire
AIRE TOTAL= CO2 + CO + NO2 + SO2
Aire total= 738,1354 kg + 11,6023 kg + 18,1860 kg + 22,8428 kg = 790,7665
kg Aire
Nota. Adaptación del balance de masa PLANEACION DE LA GESTION DE LA
CALIDAD DEL AIRE por Fuente: ( CARVAJAL JAIMES & GARCIA RUBIO, 2016)
Conforme a el balance de masa realizado en la etapa de cocción en el proceso de elaboración
del ladrillo y teniendo en cuenta la cantidad de carbón tipo hulla (5330 kg) utilizado en la cocción
del ladrillo, se realizó la estimación gases contaminantes como CO2 (799.5 kg/día), CO (2.132
kg/día), SO2 (9.594𝑘𝑔
𝑑í𝑎), NO2 (5.4899
𝑘𝑔
𝑑í𝑎) , partículas suspendidas (totales 20.98954 kg/día PST) y
PM (10) 1.2 lb/Ton EPA.
5.1.2 Asesoría con el director del proyecto y conocedores profesionales en el tema, para el
planteamiento del diseño de forma.
Con el objetivo de mejorar la calidad de aire que está siendo contaminado por las emisiones
de empresas que en algunos de sus procesos productivos requiere la implementación de un horno
con su respectiva chimenea, se propone el diseño del sistema de filtración aplicado en una
Ladrillera industrial tipo Hoffman, más precisamente en el proceso de cocción; se evaluó el diseño
inicial y se replanteó un nuevo modelo basado en el diseño anterior, este sistema está compuesto
por los siguientes elementos:
40
40
• Separador ciclónico: Se implementará un separador ciclónico de alta eficiencia, es el
pretratamiento del material particulado y a su vez funciona como sistema de enfriamiento inicial
del sistema, se encarga principalmente de separar las partículas con un diámetro entre 10 y 5
µm, con el fin de evitar la sobrecarga de partículas grandes en el sistema
• Filtro de mangas: La segunda fase es la filtración por mangas; para este se emplean el diseño
de un filtro de mangas adaptado a baja escala, el material de las mangas se propuso de poliéster
• Filtro de Carbón activado: La última fase es la filtración de las partículas menores a 3 y los
gases producto de la combustión como el CO; para ello empleamos un recipiente de malla con
gránulos de carbón de cascara de coco, el cual es menos costoso que el carbón activado
convencional y fácil de obtener, el cual por sus propiedades filtrantes reducirá determinada
cantidad de gases y partículas PM 2.5
5.1.3 Revisión bibliográfica para la recolección de fórmulas y modelos matemáticos para el
establecimiento del diseño del prototipo.
Para el establecimiento del diseño se tienen en cuenta variables como flujo masico de material
particulado de combustión, para establecer este parámetro se establecerá una media estándar
5.1.3.1 Ciclón
Material: Acero galvanizado
Espesor de lámina: 3 mm
Altura total ciclón: 3 metros
Dimensiones:
41
41
Figura 11. Geometría del ciclón
Nota: ciclón modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de. fuente: Autores
El sistema de recolección de partículas PM10 y PM2.5 más utilizado en la industria es el
ciclón. basándose en el principio de impactación inercial, estos remueven el material particulado de
la corriente gaseosa, generado por la fuerza centrífuga.
La figura 12 nos muestra el movimiento de las partículas de mayor tamaño hacia las paredes
del ciclón debido a la fuerza centrífuga.
42
42
Figura 12. Mecanismos de colección de partículas en un ciclón
Nota. Principio de funcionamiento de un ciclón. Tomada de fuente (Gómez Cueva , 2016),
p. 22
El ciclón es esencialmente una cámara de sedimentación de partículas con diámetros mayores
de 5 µm, aunque partículas más pequeñas en algunos casos pueden ser capturadas. En este sistema,
la aceleración gravitacional se sustituye con la aceleración centrifuga o giratoria.
Los ciclones presentan eficiencias mayores que la cámara de sedimentación gravitacional, y
eficiencias menores que los filtros de talegas, lavadores y precipitadores electrostáticos.
Un punto muy importante a destacar es que, si se aumenta la velocidad de entrada del ciclón,
la fuerza centrífuga aumentaría y teóricamente la eficiencia del sistema aumentaría; sin embargo, si
la velocidad de entrada es muy alta, las partículas en la parte interna podrían re suspenderse, lo cual
disminuirá la eficiencia del ciclón. Por lo que es de suma importancia determinar una velocidad de
entrada óptima para el correcto funcionamiento del ciclón.
43
43
• Tipos de ciclones
Los ciclones se dividen en tres tipos o familias, su clasificación se determina según el
porcentaje de remociones que tenga. Los principales tipos de ciclones de entrada tangencial son:
• ciclones de alta eficiencia
• ciclones convencionales.
• ciclones de alta capacidad.
Tabla 8. Intervalo de eficiencia de remoción para las diferentes familias de ciclones Familia
de ciclones
Familia de ciclones Eficiencia de remoción (%)
PST PM10 PM2.5
Convencionales 70 - 90 30 - 90 0 - 40
Alta Eficiencia 80 - 99 60 - 95 20 - 70
Alta Capacidad 80 - 99 10 - 40 0 - 10
Nota. Fuente: ( Echeverri Londoño C. A., 2006)
Los ciclones de alta eficiencia están diseñados para alcanzar mayor remoción de las partículas
pequeñas que los ciclones convencionales. Estos ciclones pueden remover partículas de 5 µm con
eficiencias hasta del 90%, pudiendo alcanzar mayores eficiencias con partículas más grandes. Por lo
general, el diseño del ciclón está determinado por una limitación especificada de caída de presión,
en lugar de cumplir con alguna eficiencia de control especificada.
44
44
Tabla 9. Características de los ciclones de Alta Eficiencia
Dimensión Relación Resultado (cm)
Stairmand Swift Echeverri
Diámetro del ciclón Dc /Dc 1.0 1.0 1.0
Altura de entrada a/Dc 0.5 0.44 0.5
Ancho de entrada b/Dc 0.2 0.21 0.2
Altura de salida S/Dc 0.5 0.5 0.625
Diámetro de salida Ds/Dc 0.5 0.4 0.5
Altura parte cilíndrica h/Dc 1.5 1.4 1.5
Altura parte cónica z/Dc 2.5 2.5 2.5
Altura total del ciclón H/Dc 4.0 3.9 4.0
Diámetro salida partículas B/Dc 0.375 0.4 0.375
Factor de configuración G 551.22 698.65 585.71
Número de cabezas de velocidad NH 6.4 9.24 6.4
Número de vórtices N 5.5 6.0 5.5
Nota. Fuente: ( Echeverri Londoño C. A., 2006)
Para la recolección de fórmulas y modelos matemáticos del sistema de ciclones, utilizamos la
metodología encontrada en el artículo: Diseño óptimo de ciclones (2006), publicado en la revista
Ingenierías Universidad de Medellín en julio de 2006 por el Ingeniero Químico Carlos Alberto
Echeverri Londoño (Magíster en Ingeniería Ambiental. Profesor Universidad de Medellín). Esta
Señala que teóricamente no existe un método sencillo que permita el calcular la eficiencia de un
sistema de ciclones de forma exacta. Esto sucede, debido a que, en la práctica, el comportamiento
de las partículas, independientemente de su tamaño, no siempre se puede predecir su
comportamiento debido a diferentes factores como cambios de presión, de velocidad o de
temperatura, lo que en ocasiones origina que los resultados de eficiencia sean diferentes a los
representados teóricamente.
45
45
Tabla 10. Cálculos de las dimensiones del ciclón
CÁLCULO DE DIMENSIONES DEL CICLÓN
Diámetro (Dc)
cm m
70 0,7
Dimensión Relación Resultado (cm) Resultado (m)
Altura de entrada al ciclón, a a= 0.5 Dc 35 0,35
Ancho de entrada al ciclón, b b= 0.2 Dc 14 0,14
Altura de salida del ciclón, S S= 0.5 Dc 35 0,35
Diámetro de salida del ciclón, Ds= 0.5 Dc 35 0,35
Altura parte cilíndrica del ciclón, h h= 1.5 Dc 105 1,05
Altura total del ciclón, H H= 4.0 Dc 280 2,8
Altura parte cónica del ciclón, z z= 2.5 Dc 175 1,75
Diámetro salida del material
particulado, B
B= 0.375 Dc 26,25 0,2625
Nota. Recuperado de Diseño y optimización de un sistema ciclón-filtro para desempolvado
de ambientes industriales, de fuente (Barbosa, 2013). [Adaptado de software EXCEL].
Editor del software.
(https://www.youtube.com/watch?v=D9R6wxdGUxE&t=41s&ab_channel=M%C3%A1spr%C3%A1
cticaMenosTeor%C3%ADa
(https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/11042/1274/ime_123.pdf?sequence=1&isallowed=y )
46
46
5.1.3.2 Motor y extractor
Como instrumento de extracción del gas de la chimenea hacia el sistema de filtración será un
Ventilador helicoidal extractor con las siguientes características:
La referencia de este es HCH (Ventilador helicoidal tubular de gran robustez con hélice de
aluminio) -40-2T-1.5, con un peso aproximado de entre 17 y 25 kg y una presion sonora de 84
dB(A), en conjunto con un motor de eficiencia IE-2 que soportan temperaturas mayores a 50 grados
centígrado, con frecuencias de entre 50 y 60 Hz.
Figura 13. Ventiladores centrífugos de mediana presión
Nota: Ventiladores centrífugos de media presión y simple aspiración con envolvente y turbina en
fundición de aluminio Tomada de (sodeca, 2019). (
file:///C:/Users/ASUS%20PC/Documents/extractor%20ft%202021.pdf )
A continuación, en la figura 14 se muestra el modelo de motor propuesto para el ventilador
centrífugo.
47
47
Figura 14. Motor del Ventiladores centrífugos
Nota: motores de alta eficiencia IE2, con potencia de entre 0,18kW - hasta 2.000kW, de bajo
peso y tamaño de entre 56 7 560 mm. Tomada de (https://www.omemotors.es/motores-de-
alta-eficiencia-ie2)
5.1.3.3 Filtro de mangas (tipo pulse jet)
Los colectores de polvo tipo Pulse Jet se caracterizan por el mecanismo de limpieza que
emplean, en estos las mangas son limpiadas mediante un chorro de aire comprimido a presión.
Estos colectores de partículas generalmente tienen un solo compartimiento. Durante los ciclos de
limpieza se cierran las válvulas solenoides para impedir el paso de aire compartimiento.
48
48
Figura 15. Filtro de mangas
Nota: Filtro de mangas modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de. Fuente: Autores
El ciclo de limpieza del sistema se realiza de forma individual en cada compartimiento y tiene
una duración de entre 40 y 120 segundos aproximadamente. El mecanismo consiste en un generar
de forma periódica y controlada, pulsos de aire comprimido que duran 0.1 segundos
aproximadamente, las cuales remueven el acceso de partículas acumuladas en la tela para mantener
así una presión constante dentro de dicho compartimiento. El periodo de limpieza del
compartimiento es de aproximadamente 30 segundos. La válvula solenoide se vuelve a abrir
automáticamente dependiendo de los niveles de presión interna del sistema que se monitorean de
forma permanente con un manómetro, Los filtros Pulse Jet se utilizan frecuentemente en hornos de
carbón e incineradores de desechos municipales. (Galíndez, 2018)
49
49
Figura 16. Disposición de las mangas en el filtro
Nota: Filtro de mangas modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de. Fuente:
Autores
El filtro de mangas tendrá como material a filtrar las cenizas de carbón mineral tipo hollín con
tamaños de las partículas que rondan entre menor que 2.5 micrómetros y hasta 10 micrómetros,
siendo este un tamaño de partícula bajo.
Para establecen ciertas condiciones básicas que se debe tener en cuenta para el diseño de este
tipo de filtro se tomó como referencia la tesis “CÁLCULO Y DISEÑO DE FILTRO DE MANGAS
(Tipo Pulse Jet)” del autor Mauro Hernán Galíndez. En este caso la velocidad de captura será la
dada por SODECA en las recomendaciones que nos brinda sobre mejores velocidades de
extracción, siendo esta una velocidad de 2.5 m/s debido a que el flujo que tendremos en cuenta esta
en una zona de un movimiento rápido y continuo de aire, debido a una alta producción. En base a
esto se tendrán en cuenta los siguientes datos para el diseño.
50
50
Tabla 11. Datos preliminares para el diseño del prototipo
TIPO DE MATERIAL A FILTRAR cenizas de carbón mineral tipo hollín
TAMAÑO DE PARTICULAS MENOR QUE 2.5 MICRÓMETROS Y
HASTA 10 MICRÓMETROS
VELOCIDAD DE CAPTURA (SODECA) 2.5 m/s
CONCENTRACION DE PARTICULAS1 14.07 mg/m3
TEMPERATURA MAXIMA2 30 CENTIGRADOS
DENSIDAD DE PARTICULAS 890 kg/m3
VISCOSIDAD DINÁMICA 1,85 x 10-5
TELA FILTRANTE Poliéster con tolerancia a atas temperaturas
EFICIENCIA DE RECOLECCIÓN
PROMEDIO
96 %
Nota. Adaptado de “CÁLCULO Y DISEÑO DE FILTRO DE MANGAS (Tipo Pulse Jet)”.
Tomado de Fuente: (Hernán Galíndez, 2018)
• VELOCIDAD DE ASENTAMIENTO
la velocidad de asentamiento de las partículas depende mayormente del tamaño, en
partículas finas estas tienden a asentarse de manera lenta, así que este valor será dado pero
no ser tomado en cuenta ya que por las naturaleza del filtro es improbable que se acumule las
partículas rápidamente, justificándose esta afirmación con el siguiente dato: para que una
1 Para la obtención del valor de la concentracion de particulas el dato referencia será el dado por gustavo
guerrero gomez en su tesis de HORNOS DE COMBUSTIÓN: ALTERNATIVAS DE REDUCCIÓN DE EMISIONES
E INCREMENTO DE RENTABILIDAD 2 Valor máximo permisible para el tipo de material a utilizar
51
51
partícula de 10 micrómetros se acumule en el fondo del modelo teniendo en cuenta la altura
del mismo que es de 3.73 metros se necesitaría un tiempo ponderado de 540 minutos.3
• Relación Aire - Tela.
esta relación es importante ya que se define las características del PM a filtrar dependiendo
del tipo de polvo que en este caso sería carbon negro tipo hollín de origen mineral, que corresponde
a una velocidad de 5 pie/ min = 1.524 metros/ min
Tabla 12. Consideraciones en la selección de la relación aire a tela para el diseño de
colectores de polvo del tipo Jet Pulse.
PROCESO
(APLICACIÓN)
CONCENTRACIÓN
DE POLVO
[g/m2]
RELACIÓN DE
AIRE/TELA
TÍPICA
[m3/min/m2]
TEMPERATURA DE
OPERACIÓN
TÍPICA
[°C]
TEXTILES
RECOMENDAD
OS
En hornos de
cemento con
molinos de crudo
en serie
60 a 80
De 1.06 gruesa y
1.22 neta. Con
limpieza en línea o
fuera de línea
Máxima y continua
de 260°C
Fibra de vidrio y
P84®
En enfriadores de
clinker
25 a 30
De 1.22 gruesa y
1.37 neta. Con
limpieza en línea y
fuera de línea
Máxima 204°C
Nómex®
Para ventilación
de molinos de
cemento y
separadores de
alta eficiencia
400 a 600
De 1.06 gruesa y
1.22 neta. Con
limpieza en línea o
fuera de línea
Máxima de 110°C
Poliéster o
bien acrílico
dependiendo
de la humedad
En molinos de martillo
con tamaño de
partícula de 2
a 5 mm
De 15 a 20
1.82
Máxima de 60°C Poliéster o
bien
acrílico
En molinos de
martillo de alta
velocidad con
tamaño de
partícula
menores a 2 mm
De 20 a 40
1.52
Máxima de 80°C
Poliéster o
bien
acrílico
En molinos de
carbón con secado
del material
De 100 a 120
1.22 Variable de acuerdo
con la
aplicación
Poliéster o
acrílico o
Nómex®
3 Tomado de CUANTIFIGACION DE PARTICULAS SUSPENDIDAS, SEDÍMENTABLES Y TOTALES DE
ARENA DE MOLDEO EN El AREA DE PRODUCCION DE UNA EMPRESA METAL MECANICA, NERLA
ANGELICA SILVA URIBE
52
52
Venteo de
transportes
neumáticos de
fase densa (Fuller
o similares)
De 150 a 200
1.22
Máxima 100°C
Principalm
ente
Poliéste
r
Separadores mecánicos
De 80 a 120 1.52 Variable de acuerdo
con la aplicación
Poliéster
Ventilación de
equipos auxiliares (elevadores, etc)
De 20 a 30
1.82
Variable de acuerdo
con la
aplicación
Principalmente
Poliéster o bien
Nómex® En ventilación de
trituradores de
cono o quijada
De 5 a 15
1.82
Máxima de 60°C
Principalm
ente
Poliéste
r
Cribas vibratorias De 15 a 20 1.82 Máxima 100°C Poliéster
Tolvas De 15 a 20 1.82 Máxima 100°C Poliéster
Secadoras de
materiales de
tipo tambor
De 50 a 250
1.22
Variable de acuerdo
con la
aplicación
Principalmente
Poliéster o bien
Nómex®
En ventilación
(presurización
de cuartos
eléctricos y
motores)
De 0.05
2.13
Máxima de 40°C
Principalm
ente
Poliéster
con
membrana
de
TeflónTM
En ventilación de
máquinas
envasadoras de
cemento
20 a 30
1.82
Máxima 80°C
Poliéster
En ventilación de
sistemas de
aireación de silos
de cemento y
homogeneización
De 30 a 50
1.82
Máxima 100°C
Poliéster
En ventilación de cargas
a granel de
cemento o
clinker
De 40 a 60
1.82
Máxima 100°C
Poliéster
Nota. Recuperado de “mejoras en la eficiencia de los colectores de polvo tipo jet pulse y
precipitador electrostático”, de fuente (Fernández Sandoval, 2008)). Recuperado de
(https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/11042/1274/ime_123.pdf?sequence=1&isallowed=y )
Tomando en cuenta las relaciones gas-tela en las distintas aplicaciones, se toma en este caso
en específico el carbón negro de 5 pie/ min, haciendo conversión a metro 1.524 m/min Y teniendo
en cuenta el factor de aplicación 0.8 por ser la emisión proveniente de un horno, con estos datos se
puede obtener la velocidad de Filtración (Relación Aire – Tela).
Vf = 1.524 m/min x 0,8 = 1,2192 m/min
53
53
5.1.3.4 Filtro de carbón activado
El filtro tendrá un lecho compuesto por carbón de cascará de coco, activado mediante un
proceso en el que el material pasa por una corriente de nitrógeno a una temperatura de entre 400 y
900 grados centígrados, o por una corriente de dióxido de carbono (CO2), para generar la porosidad.
Este tipo de carbón activado es eficiente al tener una alta capacidad de adsorción de moléculas
pequeñas como las del CO y presentan una distribucion de tamaño de poro más estrecha. La
Granulometría del carbón activado es de 4X10, con capacidad de retención de entre 0.2 y 0.8 kg por
cada kg de carbón ( Manals Cutiño, Vendrell Calzadilla, & Penedo Medina, 2015).
Figura 17. Filtro de carbón activado
Nota: Filtro de carbón activado modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de. Fuente:
Autores
54
54
Los Filtros de Carbón Activado se caracterizan principalmente por sus propiedades de
absorción de humedad, olores, humo, entre otras sustancias tóxicas que otros filtros no pueden,
gracias a su granulometría de 4x8. (Penn State Dep. of Aerobiological)
El carbón activado a utilizar para este proyecto es un carbón granular de tipo Carvapur, el
cual se obtiene a partir de la concha de coco y se activa mediante un proceso térmico. Su principal
característica es su composición altamente micro porosa y su enorme área superficial, la cual
proporciona una gran capacidad de adsorción de gases y moléculas orgánicas presentes en aire cuyo
peso molecular esté entre 55 y 250u. El Carvapur tiene una estructura altamente resistente por lo
que las perdidas por rompimiento durante su implementación y manejo son muy bajas, y su
capacidad de retención se da principalmente entre 0.2 y 0.8 Kg de contaminantes por Kg de carbón,
por lo que también tiene una alta durabilidad. Se sugiere que la velocidad superficial del aire o del
gas que será purificado con este carbón esté entre 10 y 30 m/min, y que el tiempo de contacto en
cama vacía sea superior a 0.1 segundos (GGC carbotecnia, 2016).
5.2 Elaborar un diseño de filtración a nivel de chimeneas para la reducción de las
emisiones contaminantes de gases de monóxido de carbono (CO).
5.2.1 Desarrollar el modelado virtual del diseño como representación gráfica en tres
dimensiones con en el software sketchup LayOut 2020.
El sistema de filtración a nivel de chimenea para fuentes fijas industriales que proponemos en
este proyecto se compone de 3 etapas, la primera es un sistema ciclónico convencional tipo Lapple
utilizado como prefiltros y como sistema de enfriamiento del flujo de aire para capturar las
partículas más grandes y alargar la vida de los filtros finales (alta eficiencia). Su principal objetivo
es la reducción de gases y material particulado PM10 y PP 2.5
55
55
Para ello empleamos el uso de modelos matemáticos aplicados de forma automática por
medio de una tabla de Excel, en el que se tienen en cuenta el diámetro de salida, temperatura y la
densidad de partículas para calcular el tamaño óptimo del ciclón.
• La eficiencia de recolección del equipo en general varía en función de factores como:
• El tamaño de las partículas
• La densidad de las partículas.
• La longitud del cuerpo del ciclón.
• La velocidad de entrada.
• El número de revoluciones del aire en el ciclón.
• La proporcionalidad del diámetro del cuerpo del ciclón al diámetro del conducto de salida
del gas.
La carga de polvo y el pulimento de la superficie de la pared interior del ciclón.
Por otro lado, la eficiencia del sistema se ve afectada o disminuye con el aumento de la
viscosidad y densidad del gas, o si alguno de los factores antes mencionados no tiene una buena
correlación con las proporciones según el diseño.
Para la determinación del tamaño y proporciones de este sistema, se emplean las fórmulas
establecidas para la construcción de un sistema ciclónico de alta eficiencia; teniendo en cuenta
todos los parámetros de proporción y demás consideraciones, establecidos en una hoja de cálculo
automatizada en el programa Excel, el cual permitirá, modificando factores como el diámetro de
salida, la temperatura del gas y la densidad de las partículas; establecer el tamaño y proporciones
ideales para la construcción y operación eficiente del equipo, adaptable a cualquier chimenea que
no exceda los 70 cm de diámetro para evitar así la disminución de la eficiencia de filtración
56
56
Figura 18. Componentes del sistema
Nota: Filtro de carbón activado modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de.
Fuente: Autores
57
57
Figura 19. Partes del ciclón
Nota: ciclón modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de Autores
58
58
Figura 20. Partes filtro de mangas
Nota: ciclón modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de Autores
59
59
Figura 21. Disposición de mangas en el filtro
Nota: ciclón modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de Autores
60
60
Figura 22. Filtro de carbón activado
Nota: ciclón modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de Autores
61
61
5.3 Hacer un análisis de viabilidad del sistema propuesto
5.3.1 Estimar la reducción de las emisiones de material particulado PM10 y gases por medio
de un Balance de masa
5.3.1.1 Análisis teórico de la capacidad de remoción del sistema
Basado en los resultados del balance de masa realizado a la ladrillera Ocaña, se tomaron los
datos de las emisiones para calcular los porcentajes de remoción de material particulado que tendía
el sistema de filtro integrado. Con el factor de emisión en relación a la masa de combustible
utilizado se obtuvieron los siguientes datos de emisión de la ladrillera:
Tabla 13. Porcentajes de remoción del sistema
Tamaño de partículas Kg/día Porcentaje
PM 2.5 17.7915 85%
PM 10 3.198 15%
PST 20.9895 100%
Nota. Estimación del balance de masa de los volúmenes de material particulado, fuente
Autores
Remoción se sólidos totales del Sistema
Según los cálculos de diseño y la masa total de los Sólidos en suspensión presentes en el
balance de masa realizados sobre la cantidad de carbón requerido para el proceso de cocción del
ladrillo durante 1 día de trabajo (24h), se obtiene que los niveles de remoción para solidos totales
PST son:
62
62
Tabla 14. Porcentajes de remoción de material particulado del sistema
EMISIONES DE
SOLIDOS
SUSPENDIDOS
REDUCCIÓN DE
CONTAMINANTES
FILTRO
CICLÓNICO
REDUCCIÓN DE
CONTAMINANTES
FILTRO DE
MANGAS PULSE-
JET
REDUCCIÓN DE
CONTAMINANTES
FILTRO DE
CARBÓN
ACTIVADO
Contaminante Entrada
Kg/día
Porcentaje
de
remoción
Salida
Kg/día
Porcentaje
de
remoción
Salida
Kg/día
Porcentaje
de
remoción
Salida
Kg/día
PM10 3,198 85% 0,4797
PM2.5 17,7915 50% 8,8957
PST 20,9895 44,70% 9,3754 99% 0,0937 45% 0,0515
REMOCIÓN TOTAL 97,50%
Nota. Adaptado de "Desarrollo del Diseño Fluidodinámico de un Filtro de Mangas (Tipo Pulse - Jet)
para Partículas Minerales de Origen Industrial”, de fuente (Peralta Castillo, 2016) Recuperado de
https://docplayer.es/16709926-Calculo-y-diseno-fluidodinamico-de-un-filtro-de-mangas-tipo-pulse-jet-para-
particulas-minerales-de-origen-industrial-ing-german-peralta-castillo.html
Figura 23. curvas de remoción del sistema
Nota: vista de la capacidad de remoción de solidos de cada componente del sistema. Tomada
de Autores
0
5
10
15
20
25
Entrada Filtro de Ciclón Filtro de Mangas Filtro de Carbón A
CURVA DE REMOSION
PM10 PM2.5 PST
63
63
La Eficiencia de operación teórico-experimental del sistema es de un 93 %, lo que indica una
excelente remoción de partículas suspendidas en un escenario operacional optimo, por lo tanto, una
considerable disminución de emisión de partículas hacia la atmósfera.
5.3.1.2 Remoción se Gases contaminantes (CO2 y CO) del Sistema
Según los cálculos de diseño y la masa total de los gases presentes en el balance de masa
realizados sobre la cantidad de carbón requerido para el proceso de cocción del ladrillo durante 1
día de trabajo (24h), se obtiene que los niveles de remoción para Gases contaminantes son:
Tabla 15. Porcentajes de remoción de gases del sistema
EMISIONES DE
GASES
CONTAMINANTES
REDUCCIÓN DE
CONTAMINANTES
FILTRO
CICLÓNICO
REDUCCIÓN DE
CONTAMINANTES
FILTRO DE
MANGAS PULSE-
JET
REDUCCIÓN DE
CONTAMINANTES
FILTRO DE
CARBÓN
ACTIVADO
Contaminante Entrada
Kg/día
Porcentaje
de
remoción
Salida
Kg/día
Porcentaje
de
remoción
Salida
Kg/día
Porcentaje
de
remoción
Salida
Kg/día
CO2 799,5 799,5 799,5 100% 0
CO 2,132 2,132 2,132 99% 0,021
TOTAL 801,632 0,00% 801,632 0,00% 801,632 99,90% 0,021
Nota. Adaptado de "Desarrollo del Diseño Fluidodinámico de un Filtro de Mangas (Tipo
Pulse - Jet) para Partículas Minerales de Origen Industrial”, de fuente (Peralta Castillo,
2016) Recuperado de https://docplayer.es/16709926-Calculo-y-diseno-fluidodinamico-de-un-filtro-
de-mangas-tipo-pulse-jet-para-particulas-minerales-de-origen-industrial-ing-german-peralta-
castillo.html
Los procesos empleados para el control de las emisiones de NO2 y el SO2 son más costosos
que los utilizados en este sistema, para manejar y evitar que se generen estos gases, durante la
combustión se recomienda utilizar cal apagada como alternativa secundaria para su reducción, por
lo que no es necesario calcularlos datos de estos elementos en el análisis cuantitativo.
64
64
Figura 24. curvas de remoción de gas del sistema
Nota: vista de la capacidad de remoción de gases de cada componente del sistema. Tomada
de Autores
La Eficiencia de operación teórico-experimental del sistema es de un 99,99 %, lo que indica
una excelente remoción de Gases como el CO2 y el CO en un escenario operacional optimo, por lo
tanto, una considerable disminución de emisión a la atmósfera.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Entrada Filtro de Ciclón Filtro de Mangas Filtro de Carbón A
CURVA DE REMOSION
CO2 CO TOTAL
65
65
Figura 25. Componentes del sistema
Nota: ciclón modelado en software Sketchup LayOut 2020. Tomada de Autores
5.3.2 Evaluar la factibilidad con base en los costos generados al ejecutarse el proyecto.
5.3.2.1 Presupuesto del proyecto
Semanas trabajadas por mes
30𝐷í𝑎𝑠/ 1 𝑀𝑒𝑠 × 1𝑆𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎 /7𝐷í𝑎𝑠 = 4,29 𝑆𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠/mes
horas trabajadas en un mes
4,29 𝑆𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑀𝑒𝑠 × 48 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑆𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎 = 205,7 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑀𝑒s
Precio por hora de un tecnólogo profesional (Manejo y operación del diseño)
66
66
$1. 088.000 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠 𝑀𝑒𝑠 ÷ 205,7 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑀𝑒𝑠 =$ 5.289,25 𝑃𝑒𝑠𝑜𝑠 𝐻𝑜𝑟𝑎
5.3.2.2 costos del sistema
Tabla 16. Costos aproximados del sistema
Costos aproximados prototipo
Componente Cantidad Materia Costo de material Costo
fabricacion
Ciclón 4 Lamina de acero
galvanizada de
60x 60
160. 252 $ 640.000 $
motores de alta
eficiencia IE2
1 50 mm, motores
de alta eficiencia
IE2, con potencia
de entre 0,18kW
- hasta 2.000kW,
de bajo peso y
tamaño de entre
56 y 60 mm
625.000
Filtro de
mangas (tipo
pulse jet)
1 Acero
Tela alta
temperatura
(polímero de alta
densidad)
El costo
ponderado será
de alrededor de
entre $46.
233.000 y
$80.676.000,
dependiendo de
67
67
la calidad de los
materiales a
utilizar.
Ventilador
centrifugo de
aire
acero galvanizado
(soporta aire
caliente)
$ 570.000
Filtro de carbón
activado
1 Carbón activado
(cascara de coco)
Cilindro de malla
acero
300.000
Soporte de
sistema filtrante
Varilla de hierro 149.800
total 67.674.300
Nota. Estimación de costos para la construcción del sistema, fuente Autores
La inversión del proyecto circunda los $ 67. 674.300 pesos sin contar con costos de
operación, teniendo en cuenta que los costos pueden variar en el momento que se decida
implementar, debido a los precios comerciales de los materiales a utilizar. El equipo que equivaldría
mayor costo de inversión resultaría ser el filtro de mangas tipo pulse jet.
Para realizar un análisis de la factibilidad económica del proyecto se requeriría considera
ciertos factores como la inversión que debe asumir la compañía para implementar el proyecto, tales
como costos relacionados con los materiales, profesionales a cargo de la obra y la mano de obra,
teniendo en cuenta también que estos se verían reflejados en el ahorro (ganancia) de obligaciones
pecuniarias al convertirse en una empresa modelo al manejar procesos de producción más limpios.
68
68
Otro valor a tener en cuenta que se vuelve muy importante es el gasto energético que se ve
reflejado en el moto de alta eficiencia tipo IE2 utilizado en el extractor el cual tiene un gasto 16, 56
kW / suponiendo un trabajo de 2500 horas al año multiplicando esto por el costo de kW
actualmente que es de $ 108.10 pesos tendríamos un gasto energético de 270.250 pesos anuales
multiplicado por dos que es el número de motores a utilizar se produce un costo anual de $ 540.500
pesos, siendo este muy eficiente energéticamente superando en casi un 96% la eficiencia de
cualquier motor convencional. (OME, 2020)
69
69
Conclusiones
Con base en los resultados obtenidos en las estimaciones resultado del balance de masa y en
la búsqueda y análisis de la información se pudo obtener un referente teórico- tecnológico de los
procesos de depuración de material particulado y gases donde se concluyó que era necesario
realizar unos ajustes al diseño, esto en virtud de aspectos como; el consumo total de combustible
utilizado en el proceso industrial de una ladrillera, resultando así un sistema que aprovecha de
manera eficiente cada componente, ofreciendo una reducción considerable material particulado y
gases al final del proceso.
El software utilizado para el proceso de modelación es el programa Sketchup 2020 con el cual
se hizo el establecimiento del diseño a escala con las medidas previamente establecidas, las
limitaciones que presenta este programa es que este está especializado únicamente para la
elaboración de planos arquitectónicos, mecánicos y estructurales en 2d y 3d, y no cuenta con
mecánicas de animación o simulación para tratar de emular las condiciones reales de operación el
prototipo. Debido a esto para realizar un análisis complejo del diseño y plantear nuevas mejoras en
cuanto a la optimización de recolección se debe utilizar una herramienta software con un sistema de
modelación más compleja.
El costo que generaría la ejecución del proyecto es de $ 67. 674.300 millones de pesos, pero
para saber si este es económicamente factible se requeriría considerar factores como; el costo de
inversión que la compañía tendría que asumir para ejecutar el prototipo y la mano de obra necesaria
para el desarrollo y manejo del mismo. Teniendo en cuenta que este costo de inversión se vería
deducido del ahorro que tendría la empresa en gastos médicos generados por el deterioro en la salud
de los trabajadores a causa de las emisiones y posibles cargas pecuniarias que se podrían generar
por índices de contaminación elevados.
70
70
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74
Apéndices
Apéndice A: Planos de Componentes del sistema de filtro
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Fuente: Autores del proyecto.
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Apéndice B. ficha técnica del carbón activado de cascara de coco. (GGC carbotecnia, 2016),
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Apéndice C. Motores IE2 de OME (High Efficiency) de alto ahorro energético.(OME,
2020),
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