L'étude approfondie menée par EOLIOS a permis d'analyser l'homogénéité du mélange COV + air en sortie d'un catch tank, afin d'optimiser un procédé industriel de traitement des Composés Organiques Volatils.
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.
L'essentiel. EOLIOS a modélisé par simulation CFD un réseau de collecte et de traitement des COV : de la « clarinette » de collecte au catch tank situé en amont d'un oxydateur thermique régénératif (RTO). L'étude caractérise le risque d'explosivité (LIE), la dilution du flux à l'air frais et surtout l'homogénéité du mélange COV + air en sortie du catch tank, critère clé pour la fiabilité de la mesure et le rendement de l'épuration. La simulation montre une disparité de concentration ramenée de 3 % à l'entrée à 0,035 % au point de mesure.
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.
Le catch tank est un volume tampon placé sur le réseau de collecte, en amont du système de traitement. Il collecte les condensats et joue le rôle de chambre de mélange où le flux de COV se dilue et s'homogénéise avec l'air avant d'atteindre l'oxydateur thermique et le point de mesure.
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.
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.
La Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) est la concentration minimale de combustible dans l'air en dessous de laquelle le mélange est trop pauvre pour s'enflammer. La Limite Supérieure d'Explosivité (LSE) est la concentration au-delà de laquelle le mélange est trop riche. Entre les deux se situe le domaine d'explosivité, à maintenir hors de portée en exploitation.
La dilution du flux de COV peut être envisagée en utilisant de l'air frais lorsque des pics de pourcentage de 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 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 %.
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 :
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 ou réduira la géométrie en garantissant la prise en compte de l'ensemble des aspects aérauliques ayant un impact sur l'étude.
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, ce qui permet 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 — et réunit 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.
Cette section décrit la méthode d'étude de diffusion des 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 des 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 celle 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, au gré des tendances aérauliques.
Les figures présentent des plans de vitesse à différents emplacements : à l'entrée du catch tank, à sa sortie, 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. 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 un mélange efficace.
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.
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 (soit 1,6 %) dès la sortie du catch tank.
En passant par les deux coudes, cette disparité se réduit encore davantage pour atteindre 0,00035 (soit 0,035 %) au point de mesure, comme le montre la figure suivante.
En homogénéisant le mélange COV + air le long du réseau, de la clarinette au catch tank, la simulation CFD ramène la disparité de concentration de 3 % à l'entrée à 0,035 % au point de mesure. Un flux homogène et une concentration maîtrisée sont deux conditions essentielles à la sécurité de l'installation : ils évitent la formation de poches localement riches en COV susceptibles de franchir la limite inférieure d'explosivité (LIE), et fiabilisent la mesure sur laquelle repose le pilotage de la dilution à l'air frais.
Menée dans le cadre de la conception d'un nouveau réseau de collecte alimentant un oxydateur thermique régénératif (RTO), cette étude a permis à EOLIOS de dimensionner l'arrivée d'air de compensation, de vérifier le maintien de la LIE sous le seuil imposé par le fournisseur, et de garantir que le point de mesure reflète fidèlement la teneur réelle en COV. La démarche est transposable à tout procédé industriel où la maîtrise du risque d'explosion et la qualité de la mesure conditionnent la sûreté d'exploitation.
Catch tank, homogénéité du mélange et sécurité explosive autour du traitement des COV.
Le catch tank est un volume tampon placé sur le réseau de collecte, en amont de l'oxydateur thermique. Il collecte les condensats et joue le rôle de chambre de mélange où le flux de COV se dilue et s'homogénéise avec l'air avant d'atteindre le point de mesure.
Un mélange homogène évite les poches localement riches en COV susceptibles de franchir la limite inférieure d'explosivité, et fiabilise la mesure de concentration sur laquelle repose le pilotage de la dilution. La simulation ramène la disparité de concentration de 3 % à l'entrée à 0,035 % au point de mesure.
La LIE est la concentration minimale de combustible dans l'air en dessous de laquelle le mélange est trop pauvre pour s'enflammer. Au-delà de la limite supérieure d'explosivité (LSE), le mélange est trop riche. Entre les deux se situe le domaine d'explosivité, à maintenir hors de portée en exploitation.
En augmentant le débit d'air, on abaisse le pourcentage de LIE. En passant de 10 000 à 13 000 Nm³/h, les cas où la LIE dépasse 25 % chutent de 0,5 % à 0,1 % ; pour le seuil de 17 %, ils passent d'environ 5 % à 1 %.
Le RTO traite les COV en les incinérant à haute température, avec une récupération d'énergie qui limite la consommation. Il a été retenu à l'issue de l'étude de faisabilité comme la technique de traitement la plus efficace pour ce réseau de collecte.
Explorez nos expertises, projets et dossiers techniques pour aller plus loin que la FAQ.
Le plus simple, c'est d'en discuter ensemble. Nos ingénieurs vous répondent avec une première lecture technique.
