Met een grondige studie heeft EOLIOS de homogeniteit van het mengsel VOS + lucht aan de uitgang van een catch tank geanalyseerd, om een industrieel proces voor de behandeling van vluchtige organische stoffen te optimaliseren.
In het nieuwe collectienet voor vluchtige organische stoffen (VOS) wordt elke werkplaats rechtstreeks verbonden met een collector, de zogenaamde « clarinette », die net vóór de catch tank ligt. Zo komt het neutrale drukvlak dicht bij de VOS-collector te liggen, wat de aeraulische inregeling van het net vergemakkelijkt.
Aan de uitgang van de clarinette en vóór de catch tank komt een verbindingsstuk met broekstukken. Dat stuk maakt het mogelijk de te behandelen VOS-stroom naar de huidige VOS-behandelingsinstallatie te leiden — een ketelhuis— als noodoplossing wanneer de thermische oxidator niet in bedrijf is.
Een toevoer van compensatielucht in de clarinette laat toe het totale debiet op te trekken tot het gewenste debiet, dat overeenstemt met het nominale werkingsdebiet van de thermische oxidator zoals aangenomen in deze studiefase. De luchttoevoer in de catch tank houdt de onderste explosiegrens (LEL) onder de maximumwaarde die de leverancier van de thermische oxidator toestaat.
De kern. EOLIOS heeft met CFD-simulatie een collectie- en behandelingsnet voor VOS gemodelleerd: van de «clarinette» tot de catch tank stroomopwaarts van een regeneratieve thermische oxidator (RTO). De studie karakteriseert het explosiegevaar (LEL), verdunning van de stroom met verse lucht en vooral de homogeniteit van het mengsel VOS + lucht aan de uitgang van de catch tank, een sleutelcriterium voor de betrouwbaarheid van de meting en het rendement van de zuivering. De simulatie laat een concentratieverschil zien dat daalt van 3 % aan de ingang tot 0,035 % op het meetpunt.
Een tweede catch tank wordt net vóór de thermische oxidator geplaatst om het condensaat in het laatste deel van de VOS-collector op te vangen.
Alle gegevens over de VOS komen, tenzij anders vermeld, uit de verwerking van de metingen over een periode van 7 weken.
Tijdens de haalbaarheidsstudie zijn de meest efficiënte technieken voor VOS-behandeling geanalyseerd; de keuze viel op de regeneratieve thermische oxidator (RTO). De RTO is een technologie die VOS behandelt door ze op hoge temperatuur te verbranden. Het werkingsprincipe van de RTO is in de figuur hieronder weergegeven.
De catch tank is een buffervolume in het collectienet, stroomopwaarts van het behandelingssysteem. Hij vangt het condensaat op en werkt als mengkamer waar de VOS-stroom zich met de lucht verdunt en homogeniseert vóór de thermische oxidator en het meetpunt.
De vluchtige organische stoffen (VOS) zijn chemische stoffen op koolstofbasis die bij omgevingstemperatuur gemakkelijk verdampen. Ze komen doorgaans vrij bij industriële processen, bij de verbranding van fossiele brandstoffen en uit oplosmiddelen, schoonmaakmiddelen, verven en cosmetica.
VOS kunnen in de atmosfeer met andere stoffen reageren en ozon en er kunnen fijne deeltjesvormen, met problemen voor de luchtkwaliteit en de volksgezondheid tot gevolg. Sommige VOS worden ook beschouwd als persistente organische verontreinigende stoffen (POP's) vanwege hun persistentie en hun vermogen tot bioaccumulatie in het milieu.
Het explosiegevaar van vluchtige organische stoffen (VOS) hangt hoofdzakelijk samen met hun ontvlambaarheid. VOS hebben immers een laag kookpunt: ze verdampen gemakkelijk en kunnen ontvlambare mengsels in de lucht vormen. Zodra die mengsels een voldoende hoge concentratie bereiken en er een ontstekingsbron aanwezig is, kan een explosie optreden.
Sommige VOS, zoals ethaan, propaan of butaan, zijn bijzonder ontvlambaar en kunnen zelfs bij lage concentraties in de lucht explosieve mengsels vormen. Andere VOS, zoals organische oplosmiddelen, kunnen eveneens explosiegevaar opleveren als ze in grote hoeveelheden aanwezig zijn en de omstandigheden de vorming van een ontvlambaar mengsel bevorderen.
VOS kunnen ook de onderste explosiegrenzen (LEL) overschrijden. De LEL is de minimale VOS-concentratie in de lucht die nodig is om een explosief mengsel te vormen. Overschrijdt de VOS-concentratie in de lucht de LEL, dan neemt het explosiegevaar aanzienlijk toe.
De onderste explosiegrens (LEL) is de minimale brandstofconcentratie in de lucht waaronder het mengsel te arm is om te ontsteken. De bovenste explosiegrens (UEL) is de concentratie waarboven het mengsel te rijk is. Daartussen ligt het explosiegebied, dat tijdens de exploitatie buiten bereik moet blijven.
De verdunning van de VOS-stroom met verse lucht kan worden overwogen wanneer de LEL-sensoren pieken in het LEL-percentage vaststellen. Er is een eerste schatting gemaakt van het debiet dat nodig is om dat percentage te verlagen.
De concentraties en de geschatte LEL-waarden voor N = 10 zijn voor verschillende debieten herrekend. De volgende figuur toont de invloed van de verdunning op het percentage gevallen waarin de LEL 17 % en 25 % overschrijdt.
Door het debiet van 10 000 Nm³/h naar 11 000 Nm³/h te verhogen, dalen de gevallen waarin het LEL-percentage 25 % overschrijdt van 0,5 % naar 0,3 %. Gaat men van 10 000 naar 13 000 Nm³/h, dan dalen de gevallen boven 25 % van 0,5 % naar 0,1 %. Voor de drempel van 17 % brengt een debiet van 13 000 Nm³/h de overschrijdingen van ongeveer 5 % terug naar 1 %.
Om de partiële differentiaalvergelijkingen op te lossen, moeten de randvoorwaarden van de berekening worden opgegeven. Die randvoorwaarden worden vastgelegd op basis van de informatie die bij de projectleiding is verzameld. De ingangspunten van het systeem worden nauwkeurig gemodelleerd. Elk inblaaspunt wordt afzonderlijk gemodelleerd (onder voorbehoud van convergentie van het model, zie rekenmethode).
Bij het vastleggen van de randvoorwaarden moet rekening worden gehouden met de stabiliteit van de berekening: de vergelijkingen worden benaderend opgelost, in meerdere stappen, en het is belangrijk dat elke stap dichter bij de oplossing komt (zie rekenmethode).
Voor de systemen leveren de volgende randvoorwaarden de stabielste berekening op:
Dit zijn de meest voorkomende randvoorwaarden bij het oplossen van studies. De projectspecifieke randvoorwaarden worden bij de start van de opdracht in detail onderzocht. Bij niet-convergentie van het model past EOLIOS de geometrie aan of vereenvoudigt ze, met de garantie dat alle aeraulische aspecten die de studie beïnvloeden worden meegenomen.
De rekennet wordt automatisch gegenereerd uit de geometrie van het model en de randvoorwaarden, met algoritmen die de optimale oplossing voor convergentie bepalen.
Het gebruikte rekenrooster is van het hybride type. De elementen van dat type rooster worden vrij gegenereerd, zonder beperking op hun schikking, waardoor een complexe geometrie mogelijk blijft met behoud van een goede elementkwaliteit. Het gegenereerde rooster combineert elementen van verschillende types — tetraëdrisch, prismatisch of piramidaal in 3D — en verenigt de voordelen van gestructureerde en ongestructureerde roosters. In elk van die volumes worden de conserveringsvergelijkingen als algebraïsche vergelijkingen geschreven: dat geheel van eindige volumes is het rekenrooster.
Dit onderdeel beschrijft de methode om de diffusie van de vluchtige stoffen te onderzoeken en zo de homogeniteit van het mengsel aan de uitgang te beoordelen. Wanneer de deeltjesconcentratie in een medium van punt tot punt verschilt, verplaatsen die deeltjes zich van zones met een hoge concentratie naar zones met een lage concentratie: men zegt dat de deeltjes in het medium diffunderen.
Om het diffusieverschijnsel van de VOS te onderzoeken, gebruiken wij een CFD-model dat benaderende resultaten geeft voor de meest getroffen zones. Het diffusiemodel berust op de wet van Fick en op de karakterisering van de gasdiffusie in de lucht met een coëfficiënt D. De diffusiecoëfficiënt D hangt af van de aard van de diffunderende deeltjes en van het medium waarin ze zich verplaatsen. In de lucht volgen gassen niet exact de baan van de lucht, maar diffunderen ze vanaf de bron, meegevoerd door de aeraulische tendensen.
De figuren tonen snelheidsvlakken op verschillende plaatsen: aan de ingang van de catch tank, aan de uitgang, op het meetpunt, en twee vlakken binnen de catch tank. Ze laten een snelheidsverdeling zien die niet uniform is, bijzonder uitgesproken aan de ingang van de catch tank en minder op het meetpunt.
Die inhomogene snelheidsvariaties worden toegeschreven aan de bochten in de leidingen, die recirculatiezones over een lange afstand veroorzaken. De recirculatielussen die door die bochten ontstaan, bevorderen de menging van de stroom.
De snelheidsvlakken binnen de catch tank tonen drie hoofdzones van recirculatie. De eerste recirculatiezone, langs de as van de half pipe, is de grootste van de drie: de menging vindt hoofdzakelijk daar plaats. Globaal zijn de snelheidsamplitudes binnen de catch tank relatief laag blijven, wat gunstig is voor een efficiënte menging.
De vlakken tonen de verdeling van de VOS op verschillende plaatsen: aan de ingang en de uitgang van de catch tank, na de eerste bocht stroomafwaarts van de catch tank, en op het meetpunt.
Die vlakken tonen dat de verdeling van de VOS aan de uitgang van de catch tank uniformer is dan aan de ingang. Het aanpassen van de diffusiecoëfficiënt bij een temperatuur van 10 °C verbetert de homogeniteit van het mengsel aan de uitgang van de catch tank. Aanvankelijk bedraagt het concentratieverschil aan de ingang minstens 0,03 (ofwel 3 %), maar het daalt tot 0,016 (ofwel 1,6 %) al bij de uitgang van de catch tank.
Na de twee bochten neemt dat verschil nog verder af tot 0,00035 (ofwel 0,035 %) op het meetpunt, zoals de volgende figuur laat zien.
Door het mengsel VOS + lucht over het hele net te homogeniseren, van de clarinette tot de catch tank, brengt de CFD-simulatie het concentratieverschil van 3 % aan de ingang tot 0,035 % op het meetpunt. Een homogene stroom en een beheerste concentratie zijn twee essentiële voorwaarden voor de veiligheid van de installatie: ze voorkomen plaatselijk VOS-rijke zakken die de onderste explosiegrens (LEL) kunnen overschrijden, en maken de meting betrouwbaar waarop de regeling van de verdunning met verse lucht steunt.
Uitgevoerd in het kader van het ontwerp van een nieuw collectienet dat een regeneratieve thermische oxidator (RTO) voedt, liet deze studie EOLIOS toe de toevoer van compensatielucht te dimensioneren, te verifiëren dat de LEL onder de door de leverancier opgelegde drempel blijft, en te garanderen dat het meetpunt het werkelijke VOS-gehalte getrouw weergeeft. De aanpak is overdraagbaar naar elk industrieel proces waar de beheersing van het explosiegevaar en de kwaliteit van de meting de bedrijfsveiligheid bepalen.
Catch tank, homogeniteit van het mengsel en explosieveiligheid rond de behandeling van VOS.
De catch tank is een buffervolume in het collectienet, stroomopwaarts van de thermische oxidator. Hij vangt het condensaat op en werkt als mengkamer waar de VOS-stroom zich met de lucht verdunt en homogeniseert vóór het meetpunt.
Een homogeen mengsel voorkomt plaatselijk VOS-rijke zakken die de onderste explosiegrens kunnen overschrijden, en maakt de concentratiemeting betrouwbaar waarop de regeling van de verdunning steunt. De simulatie brengt het concentratieverschil van 3 % aan de ingang naar 0,035 % op het meetpunt.
De LEL is de minimale brandstofconcentratie in de lucht waaronder het mengsel te arm is om te ontsteken. Boven de bovenste explosiegrens (UEL) is het mengsel te rijk. Daartussen ligt het explosiegebied, dat tijdens de exploitatie buiten bereik moet blijven.
Door het luchtdebiet te verhogen daalt het LEL-percentage. Van 10 000 naar 13 000 Nm³/h dalen de gevallen waarin de LEL 25 % overschrijdt van 0,5 % naar 0,1 %; voor de drempel van 17 % gaan ze van ongeveer 5 % naar 1 %.
De RTO behandelt VOS door ze op hoge temperatuur te verbranden, met een warmteterugwinning die het verbruik beperkt. Na de haalbaarheidsstudie is hij weerhouden als de meest efficiënte behandelingstechniek voor dit collectienet.
Verken onze expertise, projecten en technische dossiers om verder te komen dan deze vragenlijst.
Het eenvoudigst is om er samen over te praten. Onze ingenieurs antwoorden met een eerste technische analyse.
