O estudo aprofundado conduzido pela EOLIOS permitiu analisar a homogeneidade da mistura COV + ar à saída de um catch tank, a fim de otimizar um processo industrial de tratamento de Compostos Orgânicos Voláteis.
Na nova rede de recolha de compostos orgânicos voláteis (COV), cada oficina estará diretamente ligada a um coletor chamado « clarinete », situado imediatamente antes do catch tank. Isto permitirá ter o ponto de pressão neutra junto do coletor de recolha dos COV, o que facilitará o equilíbrio aeráulico da rede.
À saída do coletor e antes de entrar no catch tank, existirá uma ligação equipada com tomadas de derivação. Esta ligação permitirá orientar o fluxo de COV a tratar para a instalação atual de tratamento dos COV, que é uma central térmica, como solução de recurso em caso de não utilização do oxidante térmico.
Uma entrada de ar de compensação no coletor permitirá aumentar o caudal total até ao caudal desejado, que corresponde ao caudal nominal de funcionamento do oxidante térmico considerado nesta fase do estudo. A entrada de ar no catch tank servirá para manter o limite inferior de explosividade (LIE) abaixo do valor máximo autorizado pelo fornecedor do oxidante térmico.
O essencial. A EOLIOS modelou por simulação CFD uma rede de recolha e de tratamento dos COV: do coletor « clarinete » ao catch tank situado a montante de um oxidante térmico regenerativo (RTO). O estudo caracteriza o risco de explosividade (LIE), a diluição do fluxo com ar fresco e sobretudo a homogeneidade da mistura COV + ar à saída do catch tank, critério-chave para a fiabilidade da medição e o rendimento da depuração. A simulação mostra uma disparidade de concentração reduzida de 3 % à entrada para 0,035 % no ponto de medição.
Um segundo catch tank será posicionado imediatamente antes do oxidante térmico, para recolher os condensados presentes na última parte do coletor de COV.
Todos os dados sobre os COV, salvo menção em contrário, resultam da exploração das medições efetuadas ao longo de 7 semanas.
No decurso do estudo de viabilidade, foi realizada uma análise das técnicas de tratamento dos COV mais eficazes, e a escolha recaiu sobre o Oxidante Térmico Regenerativo (RTO). O RTO é uma tecnologia utilizada para tratar os COV incinerando-os a alta temperatura. O princípio de funcionamento do RTO está representado na figura abaixo.
O catch tank é um volume tampão colocado na rede de recolha, a montante do sistema de tratamento. Recolhe os condensados e funciona como câmara de mistura, onde o fluxo de COV se dilui e homogeneíza com o ar antes de atingir o oxidante térmico e o ponto de medição.
Os compostos orgânicos voláteis (COV) são substâncias químicas à base de carbono que se vaporizam facilmente à temperatura ambiente. Provêm geralmente de processos industriais, da combustão de combustíveis fósseis, dos solventes, dos produtos de limpeza, das tintas e dos produtos de beleza.
Os COV podem reagir com outras substâncias na atmosfera e formar ozono e partículas finas, originando problemas de qualidade do ar e de saúde pública. Alguns COV são também considerados poluentes orgânicos persistentes (POP), devido à sua natureza persistente e ao seu potencial de bioacumulação no ambiente.
Os riscos explosivos associados aos compostos orgânicos voláteis (COV) estão principalmente ligados à sua inflamabilidade. Com efeito, os COV têm uma temperatura de ebulição baixa, o que significa que se evaporam facilmente e podem formar misturas inflamáveis no ar. Quando estas misturas atingem uma concentração suficientemente elevada e existe uma fonte de ignição, pode ocorrer uma explosão.
Alguns COV, como o etano, o propano ou o butano, são particularmente inflamáveis e podem formar misturas explosivas mesmo em concentrações baixas no ar. Outros COV, como os solventes orgânicos, podem também apresentar risco explosivo se estiverem presentes em quantidades importantes e se as condições favorecerem a formação de uma mistura inflamável.
Os COV podem igualmente apresentar um risco de ultrapassagem dos Limites Inferiores de Explosividade (LIE). Os LIE correspondem às concentrações atmosféricas mínimas de COV necessárias para formar uma mistura explosiva. Se a concentração de COV no ar exceder o LIE, o risco de explosão aumenta consideravelmente.
O Limite Inferior de Explosividade (LIE) é a concentração mínima de combustível no ar abaixo da qual a mistura é demasiado pobre para se inflamar. O Limite Superior de Explosividade (LSE) é a concentração acima da qual a mistura é demasiado rica. Entre os dois situa-se o domínio de explosividade, a manter fora de alcance em exploração.
A diluição do fluxo de COV pode ser considerada utilizando ar fresco quando os sensores de LIE detetam picos de percentagem de LIE. Foi realizada uma primeira estimativa do caudal necessário para reduzir a percentagem de LIE.
As concentrações e os valores estimados de LIE para N = 10 foram recalculados para diferentes caudais. A figura seguinte ilustra o impacto da diluição na percentagem de casos em que o LIE excede 17 % e 25 %.
Ao aumentar o caudal de 10 000 Nm³/h para 11 000 Nm³/h, os casos em que a percentagem de LIE excede 25 % diminuem de 0,5 % para 0,3 %. De igual modo, ao passar de 10 000 para 13 000 Nm³/h, os casos em que o LIE excede 25 % diminuem de 0,5 % para 0,1 %. No caso em que o LIE excede os 17 %, um caudal de 13 000 Nm³/h permite reduzir os casos de ultrapassagem de cerca de 5 % para 1 %.
Para resolver as equações às derivadas parciais, é necessário indicar as condições de fronteira do cálculo. As condições de fronteira serão definidas com base nas informações recolhidas junto da fiscalização de obra. Os pontos de entrada do sistema serão modelados de forma precisa. Cada ponto de insuflação será modelado unitariamente (sob reserva de convergência do modelo, ver método de cálculo).
Ao definir as condições de fronteira, é necessário ter em conta a estabilidade do cálculo: a resolução das equações é feita de forma aproximada, em várias etapas, e importa que a cada etapa nos aproximemos da solução (ver método de cálculo).
Para os sistemas, as condições de fronteira que dão o cálculo mais estável são:
Trata-se aqui das condições de fronteira mais correntes aplicadas à resolução dos estudos. A definição das condições de fronteira específicas do projeto deverá ser objeto de um estudo detalhado no início da missão. Em caso de não convergência do modelo, a EOLIOS adaptará ou reduzirá a geometria, garantindo a consideração de todos os aspetos aeráulicos com impacto no estudo.
A malha é gerada automaticamente a partir da geometria do modelo e das condições de fronteira, através de algoritmos que definem a solução ótima de convergência.
A malha realizada é de tipo híbrido. Os elementos deste tipo de malha são gerados arbitrariamente, sem qualquer restrição quanto à sua disposição, o que permite gerar uma geometria complexa mantendo uma boa qualidade dos elementos. A malha gerada combina uma mistura de elementos de diferentes tipos — tetraédricos, prismáticos ou piramidais em 3D — e reúne as vantagens das malhas estruturadas e não estruturadas. Em cada um destes volumes, as equações de conservação são expressas sob a forma de equações algébricas: este conjunto de volumes finitos designa-se por malha.
Esta secção descreve o método de estudo da difusão dos compostos voláteis para analisar a homogeneidade da mistura à saída. Quando a concentração das partículas contidas num meio varia de um ponto para outro, essas partículas deslocam-se das zonas onde a sua concentração é elevada para as zonas onde a sua concentração é baixa: diz-se que as partículas se difundem no meio.
Para estudar o fenómeno de difusão dos COV, utilizamos um modelo CFD que nos dá resultados aproximados das zonas mais afetadas. O modelo de difusão baseia-se na lei de Fick e na caracterização, por um coeficiente D, da difusão dos gases no ar. O coeficiente de difusão D depende da natureza das partículas que se difundem e daquela do meio em que essas partículas se deslocam. No ar, os gases não seguem exatamente o percurso do ar, mas difundem-se a partir da fonte, ao ritmo das tendências aeráulicas.
As figuras apresentam planos de velocidade em diferentes locais: à entrada do catch tank, à sua saída, no ponto de medição e dois planos no interior do catch tank. Estes planos ilustram uma distribuição da velocidade que não é uniforme, particularmente marcada à entrada do catch tank e menos acentuada ao nível do ponto de medição.
Estas variações de velocidade não homogéneas são atribuídas aos curvas presentes nas condutas, que criam zonas de recirculação que se estendem por uma longa distância. Os circuitos de recirculação gerados por estas curvas favorecem a mistura do fluxo.
Os planos de velocidade no interior do catch tank revelam a presença de três zonas principais de recirculação. A primeira zona de recirculação, situada ao longo do eixo do half pipe, é a maior das três zonas identificadas: a mistura ocorre principalmente nesta zona. No conjunto, as amplitudes de velocidade no interior do catch tank são relativamente baixas, o que é benéfico para favorecer uma mistura eficaz.
Os planos apresentam a distribuição dos COV em vários locais, nomeadamente à entrada e à saída do catch tank, à saída da primeira curva a jusante do catch tank e no ponto de medição.
Estes planos revelam que a distribuição dos COV à saída do catch tank é mais uniforme do que à entrada. A alteração do coeficiente de difusão a uma temperatura de 10 °C traduz-se numa melhoria da homogeneidade da mistura à saída do catch tank. Inicialmente, a disparidade de concentração à entrada é de pelo menos 0,03 (ou seja, 3 %), mas diminui para 0,016 (ou seja, 1,6 %) já à saída do catch tank.
Ao passar pelas duas curvas, esta disparidade reduz-se ainda mais, atingindo 0,00035 (ou seja, 0,035 %) no ponto de medição, como mostra a figura seguinte.
Ao homogeneizar a mistura COV + ar ao longo da rede, do coletor ao catch tank, a simulação CFD reduz a disparidade de concentração de 3 % à entrada para 0,035 % no ponto de medição. Um fluxo homogéneo e uma concentração controlada são duas condições essenciais para a segurança da instalação: evitam a formação de bolsas localmente ricas em COV suscetíveis de ultrapassar o limite inferior de explosividade (LIE) e tornam fiável a medição em que se baseia o controlo da diluição com ar fresco.
Conduzido no âmbito da conceção de uma nova rede de recolha que alimenta um oxidante térmico regenerativo (RTO), este estudo permitiu à EOLIOS dimensionar a entrada de ar de compensação, verificar a manutenção do LIE abaixo do limiar imposto pelo fornecedor e garantir que o ponto de medição reflete fielmente o teor real em COV. A abordagem é transponível para qualquer processo industrial em que o controlo do risco de explosão e a qualidade da medição condicionem a segurança de exploração.
Catch tank, homogeneidade da mistura e segurança explosiva no tratamento dos COV.
O catch tank é um volume tampão colocado na rede de recolha, a montante do oxidante térmico. Recolhe os condensados e funciona como câmara de mistura, onde o fluxo de COV se dilui e homogeneíza com o ar antes de atingir o ponto de medição.
Uma mistura homogénea evita bolsas localmente ricas em COV suscetíveis de ultrapassar o limite inferior de explosividade e torna fiável a medição de concentração em que se baseia o controlo da diluição. A simulação reduz a disparidade de concentração de 3 % à entrada para 0,035 % no ponto de medição.
O LIE é a concentração mínima de combustível no ar abaixo da qual a mistura é demasiado pobre para se inflamar. Acima do limite superior de explosividade (LSE), a mistura é demasiado rica. Entre os dois situa-se o domínio de explosividade, a manter fora de alcance em exploração.
Ao aumentar o caudal de ar, baixa-se a percentagem de LIE. Ao passar de 10 000 para 13 000 Nm³/h, os casos em que o LIE excede 25 % caem de 0,5 % para 0,1 %; para o limiar de 17 %, passam de cerca de 5 % para 1 %.
O RTO trata os COV incinerando-os a alta temperatura, com uma recuperação de energia que limita o consumo. Foi escolhido no final do estudo de viabilidade como a técnica de tratamento mais eficaz para esta rede de recolha.
Explore as nossas especialidades, projetos e dossiês técnicos para ir além da FAQ.
O mais simples é conversarmos. Os nossos engenheiros respondem-lhe com uma primeira leitura técnica.
