Im neuen Sammelnetz für flüchtige organische Verbindungen (VOC) wird jede Werkstatt direkt an einen Sammler namens „Klarinette“ angeschlossen, der sich direkt vor dem Catch-Tank befindet. Dadurch wird der neutrale Druckpunkt in der Nähe der VOC-Sammelklarinette liegen, was den lufttechnischen Ausgleich des Netzwerks erleichtert.

Am Ausgang der Klarinette und vor dem Eintritt in den Catch Tank wird es eine mit Pfannenschwänzen ausgestattete Verbindung geben. Diese Verbindung wird es ermöglichen, den zu behandelnden VOC-Strom zur derzeitigen VOC-Behandlungsanlage, die ein Heizraum ist, als Notlösung zu leiten, wenn der thermische Oxidator nicht in Betrieb ist.

Eine Ausgleichsluftzufuhr in der Klarinette wird den Gesamtdurchsatz auf den gewünschten Durchsatz erhöhen, der dem nominalen Betriebsdurchsatz des in dieser Phase der Studie betrachteten thermischen Oxidators entspricht. Die Luftzufuhr in den Catch Tank wird dazu dienen, die untere Explosionsgrenze (UEG) unter dem vom Lieferanten des Thermooxidators zugelassenen Höchstwert zu halten.

Ein zweiter Catch Tank wird direkt vor dem thermischen Oxidator positioniert, um das Kondensat zu sammeln, das sich im letzten Teil des VOC-Sammlers befindet.

Alle VOC-Daten, sofern nicht anders angegeben, stammen aus der Auswertung von Messungen, die über einen Zeitraum von 7 Wochen durchgeführt wurden.

Während der Machbarkeitsstudie wurde eine Analyse der effektivsten VOC-Behandlungstechniken durchgeführt und die Wahl fiel auf den Regenerativen Thermischen Oxydator (RTO). RTO ist eine Technologie, die zur Behandlung von VOCs durch Verbrennung bei hohen Temperaturen eingesetzt wird. Das Funktionsprinzip der RTO ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Flüchtige organische Verbindungen (VOC)

Flüchtige organische Verbindungen (VOCs) sind chemische Substanzen auf Kohlenstoffbasis, die bei Raumtemperatur leicht verdampfen können.
Sie entstehen in der Regel bei industriellen Prozessen, bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, in Lösungsmitteln, Reinigungsmitteln, Farben und Kosmetika.

VOCs können mit anderen Stoffen in der Atmosphäre reagieren und Ozon und Feinstaub bilden, was zu Problemen mit der Luftqualität und der öffentlichen Gesundheit führt.
Einige VOCs werden auch als persistente organische Schadstoffe (POPs) betrachtet, aufgrund ihrer persistenten Natur und ihres Potenzials zur Bioakkumulation in der Umwelt.

Explosionsrisiken und UEG

Definitionen der Randbedingungen

Die Explosionsrisiken, die mit flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) verbunden sind, hängen hauptsächlich mit ihrer Entflammbarkeit zusammen.
VOCs haben einen niedrigen Siedepunkt, was bedeutet, dass sie leicht verdampfen und entzündliche Mischungen in der Luft bilden können.
Wenn diese Mischungen eine ausreichend hohe Konzentration erreichen und eine Entzündungsquelle vorhanden ist, kann es zu einer Explosion kommen.

Einige VOCs, wie Ethan, Propan oder Butan, sind besonders brennbar und können schon bei geringen Konzentrationen in der Luft explosive Gemische bilden.
Andere VOCs, wie organische Lösungsmittel, können ebenfalls ein Explosionsrisiko darstellen, wenn sie in großen Mengen vorhanden sind und die Bedingungen für die Bildung eines entzündlichen Gemisches günstig sind.

VOCs können auch ein Risiko für die Überschreitung der unteren Explosionsgrenzen (UEG) darstellen.
UEGs sind die Mindestkonzentrationen von VOCs in der Atmosphäre, die notwendig sind, um ein explosives Gemisch zu bilden.
Wenn die VOC-Konzentration in der Luft die UEG überschreitet, steigt das Risiko einer Explosion erheblich.

Verdünnung von VOCs

Die Verdünnung des Stroms flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) kann durch die Verwendung von Frischluft in Betracht gezogen werden, wenn Spitzenwerte des Prozentsatzes der unteren Explosionsgrenze (UEG) von den UEG-Sensoren erfasst werden. Eine erste Schätzung des erforderlichen Volumenstroms zur Reduzierung des UEG-Prozentsatzes wurde durchgeführt.

Die Konzentrationen und die geschätzten UEG-Werte für N=10 wurden für verschiedene Durchflüsse neu berechnet. Die folgende Abbildung zeigt die Auswirkung der Verdünnung auf den Prozentsatz der Fälle, in denen die UEG 17% und 25% überschreitet.

Bei einer Erhöhung des Durchflusses von 10.000 Nm3/h auf 11.000 Nm3/h sanken die Fälle, in denen der UEG-Prozentsatz 25% übersteigt, von 0,5% auf 0,3%. Auch bei einer Erhöhung von 10.000 Nm3/h auf 13.000 Nm3/h sanken die Fälle, in denen die UEG 25% übersteigt, von 0,5% auf 0,1%. In den Fällen, in denen die UEG 17% überschreitet, führt eine Durchflussrate von 13.000 Nm3/h zu einem Rückgang der Überschreitungen von etwa 5% auf 1%.

CFD-Modellierung der VOC-Verdünnung

Definitionen der Randbedingungen

Um die partiellen Differentialgleichungen zu lösen, müssen Sie die Randbedingungen für die Berechnung angeben. Die Randbedingungen werden mit Hilfe der vom Auftraggeber gesammelten Informationen definiert worden sein. Die Eintrittspunkte des Systems werden genau modelliert. Jeder Ausblaspunkt wird als Einheit modelliert (vorbehaltlich der Konvergenz des Modells, siehe Berechnungsmethode).

Bei der Definition der Randbedingungen muss die Stabilität der Berechnung berücksichtigt werden: Die Lösung der Gleichungen erfolgt näherungsweise in mehreren Schritten, und es ist wichtig, dass man sich in jedem Schritt der Lösung nähert (siehe Berechnungsmethode).

Für Systeme sind die Randbedingungen für die stabilste Berechnung :

einen Eingang, der mit einer Geschwindigkeit oder einem Durchfluss beaufschlagt wird;
einen Auslass, der mit einem Druck oder einer Durchflussrate beaufschlagt wird.

Hierbei handelt es sich um die gängigsten Randbedingungen, die bei der Lösung von Studien angewendet werden. Die Implementierung von projektspezifischen Randbedingungen muss zu Beginn des Auftrags detailliert untersucht werden. Falls das Modell nicht konvergiert, wird EOLIOS die Geometrie anpassen/reduzieren und dabei sicherstellen, dass alle lufttechnischen Aspekte, die sich auf die Studie auswirken, berücksichtigt werden.

Prinzip der Maschenöffnung

Für Systeme sind die Randbedingungen für die stabilste Berechnung :

ein Eingang, der mit einer Geschwindigkeit oder einem Durchfluss beaufschlagt wird;
einen Auslass, der mit einem Druck oder einer Durchflussrate beaufschlagt wird.

Das Netz wird automatisch aus der Modellgeometrie und den Randbedingungen generiert, indem Algorithmen verwendet werden, die die optimale Konvergenzlösung definieren.

Das erstellte Netz ist vom hybriden Typ. Die Elemente dieses Gittertyps werden willkürlich generiert, ohne Einschränkungen hinsichtlich ihrer Anordnung, so dass eine komplexe Geometrie erzeugt werden kann, während die Qualität der Elemente erhalten bleibt. Das erzeugte Netz kombiniert eine Mischung aus Elementen verschiedener Typen, tetraedrische, prismatische oder pyramidenförmige Elemente in 3D. Es kombiniert die Vorteile von strukturierten und unstrukturierten Netzen.

In jedem dieser Volumina werden die Erhaltungsgleichungen in Form von algebraischen Gleichungen ausgedrückt. Dieser Satz von endlichen Volumen wird als Maschenweite bezeichnet.

Modellierung von flüchtigen Verbindungen

Dieser Abschnitt beschreibt die Methode zur Untersuchung der Diffusion von flüchtigen Verbindungen, um die Homogenität der Mischung am Auslass zu untersuchen.

Wenn sich die Konzentration von Partikeln in einem Medium von einem Punkt zum anderen ändert, bewegen sich die Partikel von Bereichen mit hoher Konzentration zu Bereichen mit niedriger Konzentration: Man sagt, dass die Partikel im Medium diffundieren.

Um das Phänomen der VOC-Diffusion zu untersuchen, verwenden wir ein CFD-Modell, das uns annähernde Ergebnisse für die am stärksten betroffenen Bereiche liefert.

Das Diffusionsmodell basiert auf dem Fickschen Gesetz und der Charakterisierung durch einen Koeffizienten D der Diffusion von Gasen in der Luft. Der Diffusionskoeffizient D hängt von der Art der diffundierenden Teilchen und von dem Medium ab, in dem sich diese Teilchen bewegen. In der Luft folgen die Gase nicht genau dem Weg der Luft, sondern verteilen sich von der Quelle in der Luft entsprechend den aeraulischen Trends.

CFD-Simulation eines Catch Tanks (VOC)

Untersuchung der Luftgeschwindigkeiten

Die Abbildungen zeigen Geschwindigkeitsebenen an verschiedenen Stellen (am Eingang des Auffangbehälters, am Ausgang des Auffangbehälters, am Messpunkt und zwei Ebenen im Inneren des Auffangbehälters). Diese Ebenen zeigen eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung, die am Eingang des Auffangbehälters besonders ausgeprägt ist und am Messpunkt weniger ausgeprägt ist.

Diese ungleichmäßigen Geschwindigkeitsschwankungen werden auf die Krümmungen in den Kanälen zurückgeführt, die über eine lange Strecke rezirkulierende Bereiche schaffen. Die durch die Knicke verursachten Rezirkulationsschleifen fördern die Vermischung der Strömung.

Die Geschwindigkeitsebenen im Inneren des Catch Tanks zeigen drei Hauptumlaufzonen (schwarz eingekreist).
Die erste Rezirkulationszone, die sich entlang der Achse der Halfpipe befindet, ist die größte der drei identifizierten Zonen.
Die Vermischung findet hauptsächlich in diesem Bereich statt.
Insgesamt sind die Geschwindigkeitsamplituden innerhalb des Catch Tanks relativ gering, was für eine effiziente Vermischung vorteilhaft ist.

Studie zur Verdünnung von VOCs

Die Pläne zeigen die Verteilung der VOCs an verschiedenen Stellen, einschließlich des Eingangs und des Ausgangs des Auffangbehälters, des Ausgangs der ersten Biegung stromabwärts des Auffangbehälters und des Messpunkts.

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

Diese Pläne zeigen, dass die Verteilung der VOCs am Auslass des Auffangbehälters gleichmäßiger ist als am Einlass. Die Änderung des Diffusionskoeffizienten bei einer Temperatur von 10°C führt zu einer Verbesserung der Homogenität der Mischung am Ausgang des Auffangbehälters. Anfänglich beträgt die Konzentrationsdisparität am Eingang mindestens 0,03 (oder 3%), aber sie sinkt auf 0,016 (oder 1,6%), sobald die Mischung den Auffangbehälter verlässt.

Wenn Sie die beiden Knicke passieren, verringert sich diese Disparität noch weiter auf 0,00035 (oder0,035%) am Messpunkt, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.