Dans le nouveau réseau de collecte de composés organiques volatils (COV), chaque atelier sera directement relié à un collecteur appelé « clarinette », situé juste avant le catch tank. Cela permettra d’avoir le point de pression neutre à proximité de la clarinette de collecte des COV, ce qui facilitera l’équilibrage aéraulique du réseau.

À la sortie de la clarinette et avant d’entrer dans le catch tank, il y aura un raccord équipé de queues de poêle. Ce raccord permettra d’orienter le flux de COV à traiter vers l’installation actuelle de traitement des COV, qui est une chaufferie, en tant que solution de secours en cas de non-utilisation de l’oxydateur thermique.

Une arrivée d’air de compensation dans la clarinette permettra d’augmenter le débit total jusqu’au débit souhaité, qui correspond au débit nominal de fonctionnement de l’oxydateur thermique considéré à cette phase de l’étude. L’arrivée d’air dans le catch tank servira à maintenir la limite inférieure d’explosivité (LIE) en dessous de la valeur maximale autorisée par le fournisseur de l’oxydateur thermique.

Un deuxième catch tank sera positionné juste avant l’oxydateur thermique afin de collecter les condensats présents dans la dernière partie du collecteur COV.

L’ensemble des données sur les COV, sauf mention contraire, sont issues de l’exploitation des mesures effectuées sur une durée de 7 semaines.

Au cours de l’étude de faisabilité, une analyse des techniques de traitement des COV les plus efficaces a été réalisée, et le choix s’est porté sur l’Oxydateur Thermique Régénératif (RTO). Le RTO est une technologie utilisée pour traiter les COV en les incinérant à haute température. Le principe de fonctionnement du RTO est représenté dans la figure ci-dessous.

Composés organiques volatils (COV)

Les composés organiques volatils (COV) sont des substances chimiques à base de carbone qui peuvent facilement se vaporiser à température ambiante. Ils sont généralement issus de procédés industriels, de la combustion de combustibles fossiles, des solvants, des produits de nettoyage, des peintures et des produits de beauté.

Les COV peuvent réagir avec d’autres substances dans l’atmosphère et former de l’ozone et des particules fines, entraînant ainsi des problèmes de qualité de l’air et de santé publique. Certains COV sont également considérés comme des polluants organiques persistants (POP) en raison de leur nature persistante et de leur potentiel de bioaccumulation dans l’environnement.

Risques explosifs et LIE

Définitions des conditions aux limites

Les risques explosifs associés aux composés organiques volatils (COV) sont principalement liés à leur inflammabilité. En effet, les COV ont une faible température d’ébullition, ce qui signifie qu’ils s’évaporent facilement et peuvent former des mélanges inflammables dans l’air. Lorsque ces mélanges atteignent une concentration suffisamment élevée et qu’une source d’inflammation est présente, une explosion peut se produire.

Certains COV, tels que l’éthane, le propane ou le butane, sont particulièrement inflammables et peuvent former des mélanges explosifs même à faibles concentrations dans l’air. D’autres COV, tels que les solvants organiques, peuvent également présenter un risque explosif s’ils sont présents en quantités importantes et si les conditions sont propices à la formation d’un mélange inflammable.

Les COV peuvent également présenter un risque de dépassement de Limites Inférieures d’Explosivité (LIE). Les LIE correspondent aux concentrations atmosphériques minimales de COV nécessaires pour former un mélange explosif. Si la concentration de COV dans l’air dépasse la LIE, le risque d’explosion augmente considérablement.

Dilution des COV

La dilution du flux de composés organiques volatils (COV) peut être envisagée en utilisant de l’air frais lorsque des pics de pourcentage de limite inférieure d’explosivité (LIE) sont détectés par les capteurs de LIE. Une première estimation du débit nécessaire pour réduire le pourcentage de LIE a été réalisée.

Les concentrations et les valeurs estimées de LIE pour N=10 ont été recalculées pour différents débits. La figure suivante illustre l’impact de la dilution sur le pourcentage de cas où la LIE dépasse 17% et 25%.

En augmentant le débit de 10 000 Nm3/h à 11 000 Nm3/h, les cas où le pourcentage de LIE dépasse 25% diminuent de 0,5% à 0,3%. De même, en passant de 10 000 Nm3/h à 13 000 Nm3/h, les cas où la LIE dépasse 25% diminuent de 0,5% à 0,1%. Dans le cas où la LIE dépasse les 17%, un débit de 13 000 Nm3/h permet de diminuer les cas de dépassement de 5% environ à 1%.

Modélisation CFD de la dilution des COV

Définitions des conditions aux limites

Pour résoudre les équations aux dérivées partielles, il faut indiquer les conditions aux limites du calcul. Les conditions limites auront été définies à l’aide des informations collectées auprès de la maîtrise d’œuvre. Les points d’entrées du système seront modélisés de manière précise. Chaque point de soufflage sera modélisé unitairement (sous réserve de convergence du modèle, voir méthode de calcul).

Lors de la définition des conditions aux limites, il faut prendre en compte la stabilité du calcul : la résolution des équations se fait de manière approchée, en plusieurs étapes, et il importe que l’on se rapproche à chaque étape de la solution (voir méthode de calcul).

Pour les systèmes, les conditions aux limites donnant le calcul le plus stable sont :

une entrée sur laquelle on impose une vitesse ou un débit ;
une sortie sur laquelle on impose une pression ou un débit.

Il s’agit ici des conditions limites les plus courantes appliquées à la résolution des études. La mise en place des conditions aux limites spécifiques du projet devra faire l’objet d’une étude détaillée lors du commencement de la mission. En cas de non-convergence du modèle, EOLIOS adaptera/réduira la géométrie en garantissant la prise en compte de l’ensemble des aspects aérauliques ayant un impact sur l’étude.

Principe du maillage

Pour les systèmes, les conditions aux limites donnant le calcul le plus stable sont :

une entrée sur laquelle on impose une vitesse ou un débit ;
une sortie sur laquelle on impose une pression ou un débit.

Le maillage est généré automatiquement depuis la géométrie du modèle et à partir des conditions aux limites par l’usage d’algorithmes définissant la solution optimale de convergence.

Le maillage réalisé est de type hybride. Les éléments de ce type de maillage sont générés arbitrairement sans aucune contrainte quant à leur disposition permettant de générer une géométrie complexe tout en gardant une bonne qualité des éléments. Le maillage généré combine un mélange d’éléments de différents types, tétraédriques, prismatiques, ou pyramidaux en 3D. Il combine les avantages des maillages structurés et non structurés.

Dans chacun de ces volumes, les équations de conservation sont exprimées sous forme d’équations algébriques. Cet ensemble de volumes finis est désigné comme le maillage.

Modélisation des composés volatils

Cette section décrit la méthode d’étude de diffusion de composés volatils afin d’étudier l’homogénéité du mélange en sortie.

Lorsque la concentration des particules contenue dans un milieu varie d’un point à un autre, ces particules se déplacent des zones où leur concentration est forte vers les zones où leur concentration est faible : on dit que les particules diffusent dans le milieu.

Pour étudier le phénomène de diffusion de COV, nous utilisons un modèle CFD qui nous donne des résultats approchés des zones les plus impactées.

Le modèle de diffusion repose sur la loi de Fick et la caractérisation par un coefficient D de la diffusion des gaz dans l’air. Le coefficient de diffusion D dépend de la nature des particules qui diffusent et de celles du milieu dans lequel ces particules se déplacent. Dans l’air, les gaz ne suivent pas exactement le chemin de l’air, mais se diffusent depuis la source dans l’air au grès des tendances aérauliques.

Simulation CFD d'un catch tank (COV)

Etude des vitesses d'air

Les figures présentent des plans de vitesse à différents emplacements (à l’entrée du catch tank, à la sortie du catch tank, au point de mesure, et deux plans à l’intérieur du catch tank). Ces plans illustrent une distribution de la vitesse qui n’est pas uniforme, particulièrement marquée à l’entrée du catch tank et moins prononcée au niveau du point de mesure.

Ces variations de vitesse non homogènes sont attribuées aux coudes présents dans les conduits, qui créent des zones de recirculation s’étendant sur une longue distance. Les boucles de recirculation engendrées par ces coudes favorisent le mélange du flux.

Les plans de vitesse à l’intérieur du catch tank révèlent la présence de trois zones principales de recirculation (entourée en noir). La première zone de recirculation, située le long de l’axe du half pipe, est la plus grande parmi les trois zones identifiées. Le mélange se produit principalement dans cette zone. Dans l’ensemble, les amplitudes de vitesse à l’intérieur du catch tank sont relativement faibles, ce qui est bénéfique pour favoriser le mélange efficace.

Etude de la dilution des COV

Les plans présentent la distribution des COV à divers emplacements, notamment à l’entrée et à la sortie du catch tank, à la sortie du premier coude en aval du catch tank, et au point de mesure.

Graphique illustrant l'évolution extrême de la variable scalaire dans un catch tank, montrant les fluctuations et les tendances au cours du temps.

Ces plans révèlent que la répartition des COV à la sortie du catch tank est plus uniforme qu’à l’entrée. La modification du coefficient de diffusion à une température de 10°C entraîne une amélioration de l’homogénéité du mélange à la sortie du catch tank. Initialement, la disparité de concentration à l’entrée est d’au moins 0.03 (soit 3%), mais elle diminue à 0.016 (soit1.6%) dès la sortie du catch tank.

En passant par les deux coudes, cette disparité se réduit encore davantage pour atteindre 0.00035 (soit0.035%) au point de mesure comme le montre la figure suivante.