Nella nuova rete di raccolta dei composti organici volatili (COV), ogni officina sarà collegata direttamente a un collettore chiamato “clarinetto”, situato appena prima della vasca di raccolta. In questo modo il punto di pressione neutro sarà situato vicino al raccordo di raccolta dei COV, rendendo più facile il bilanciamento del flusso d’aria nella rete.

All’uscita del clarinetto e prima di entrare nel serbatoio di raccolta, ci sarà un raccordo dotato di code di stufa. Questo collegamento consentirà di indirizzare il flusso di COV da trattare verso l’attuale impianto di trattamento dei COV, che è un locale caldaia, come soluzione di riserva in caso di mancato utilizzo dell’ossidatore termico.

Un ingresso di aria di compensazione nel chiarificatore aumenterà la portata totale fino alla portata desiderata, che corrisponde alla portata operativa nominale dell’ossidatore termico considerato in questa fase dello studio. L’alimentazione dell’aria al serbatoio di raccolta sarà utilizzata per mantenere il limite inferiore di esplosività (LEL) al di sotto del valore massimo autorizzato dal fornitore dell’ossidatore termico.

Un secondo serbatoio di raccolta sarà posizionato appena prima dell’ossidatore termico per raccogliere le condense presenti nell’ultima parte del collettore di COV.

Tutti i dati sui COV, se non diversamente indicato, si basano su misurazioni effettuate in un periodo di 7 settimane.

Durante lo studio di fattibilità, è stata effettuata un’analisi delle tecniche di trattamento dei COV più efficaci e la scelta è caduta sull’ossidatore termico rigenerativo (RTO). La RTO è una tecnologia utilizzata per trattare i COV incenerendoli ad alta temperatura. Il principio di funzionamento dell’RTO è illustrato nella figura seguente.

Composti organici volatili (VOC)

I composti organici volatili (COV) sono sostanze chimiche a base di carbonio che evaporano facilmente a temperatura ambiente.
Sono generalmente prodotti da processi industriali, dalla combustione di combustibili fossili, da solventi, prodotti per la pulizia, vernici e cosmetici.

I COV possono reagire con altre sostanze presenti nell’atmosfera per formare ozono e particelle fini, causando problemi di qualità dell’aria e di salute pubblica.
Alcuni COV sono anche considerati inquinanti organici persistenti (POP) a causa della loro natura persistente e del loro potenziale di bioaccumulo nell’ambiente.

Rischi esplosivi e LEL

Definizioni delle condizioni al contorno

I rischi di esplosione associati ai composti organici volatili (VOC) sono principalmente legati alla loro infiammabilità.
I VOC hanno un basso punto di ebollizione, il che significa che evaporano facilmente e possono formare miscele infiammabili nell’aria.
Quando queste miscele raggiungono una concentrazione sufficientemente elevata ed è presente una fonte di accensione, può verificarsi un’esplosione.

Alcuni COV, come l’etano, il propano o il butano, sono particolarmente infiammabili e possono formare miscele esplosive anche a basse concentrazioni nell’aria.
Anche altri COV, come i solventi organici, possono presentare un rischio esplosivo se sono presenti in grandi quantità e se le condizioni sono favorevoli alla formazione di una miscela infiammabile.

I COV possono anche presentare il rischio di superare i limiti inferiori di esplosività (LEL).
I LEL sono le concentrazioni atmosferiche minime di COV necessarie per formare una miscela esplosiva.
Se la concentrazione di COV nell’aria supera il LEL, il rischio di esplosione aumenta notevolmente.

Diluizione dei COV

La diluizione del flusso di composti organici volatili (VOC) può essere prevista utilizzando aria fresca quando i sensori LEL rilevano picchi nella percentuale del limite inferiore di esplosività (LEL). È stata fatta una stima iniziale della portata necessaria per ridurre la percentuale di LEL.

Le concentrazioni e i valori LEL stimati per N=10 sono stati ricalcolati per diverse portate. La figura seguente illustra l’impatto della diluizione sulla percentuale di casi in cui il LEL supera il 17% e il 25%.

Aumentando la portata da 10.000 Nm3/h a 11.000 Nm3/h, i casi in cui la percentuale di LEL supera il 25% diminuiscono dallo 0,5% allo 0,3%. Allo stesso modo, aumentando la portata da 10.000 Nm3/h a 13.000 Nm3/h, i casi in cui il LEL supera il 25% diminuiscono dallo 0,5% allo 0,1%. Nei casi in cui il LEL supera il 17%, una portata di 13.000 Nm3/h riduce il numero di casi in cui il LEL viene superato da circa il 5% all’1%.

Modellazione CFD della diluizione dei VOC

Definizioni delle condizioni al contorno

Per risolvere le equazioni differenziali parziali, è necessario specificare le condizioni al contorno per il calcolo. Le condizioni al contorno saranno state definite utilizzando le informazioni raccolte dal team del progetto. I punti di ingresso del sistema saranno modellati con precisione. Ogni punto di alimentazione deve essere modellato singolarmente (a patto che il modello sia convergente, vedi metodo di calcolo).

Quando si definiscono le condizioni al contorno, bisogna tenere conto della stabilità del calcolo: le equazioni vengono risolte in modo approssimativo, in più fasi, ed è importante avvicinarsi alla soluzione in ogni fase (vedi metodo di calcolo).

Per i sistemi, le condizioni al contorno che danno un calcolo più stabile sono :

un ingresso a cui viene imposta una velocità o una portata;
un’uscita a cui viene applicata una pressione o una portata.

Queste sono le condizioni al contorno più comuni applicate alla risoluzione degli studi. L’implementazione di condizioni al contorno specifiche per il progetto sarà oggetto di uno studio dettagliato all’inizio dell’incarico. In caso di mancata convergenza del modello, EOLIOS adatterà/ridurrà la geometria, assicurandosi che vengano presi in considerazione tutti gli aspetti aeraulici che hanno un impatto sullo studio.

Principio della maglia

Per i sistemi, le condizioni al contorno che danno un calcolo più stabile sono :

un ingresso a cui viene imposta una velocità o una portata;
un’uscita a cui viene applicata una pressione o una portata.

La mesh viene generata automaticamente dalla geometria del modello e dalle condizioni al contorno utilizzando algoritmi che definiscono la soluzione di convergenza ottimale.

La maglia prodotta è di tipo ibrido. Gli elementi di questo tipo di maglia sono generati in modo arbitrario, senza vincoli sulla loro disposizione, consentendo di generare geometrie complesse pur mantenendo una buona qualità degli elementi. La maglia generata combina una miscela di elementi di diverso tipo, tetraedrici, prismatici o piramidali in 3D. Combina i vantaggi delle mesh strutturate e non strutturate.

In ognuno di questi volumi, le equazioni di conservazione sono espresse sotto forma di equazioni algebriche. Questo insieme di volumi finiti viene definito maglia.

Modellazione dei composti volatili

Questa sezione descrive il metodo utilizzato per studiare la diffusione dei composti volatili al fine di analizzare l’omogeneità della miscela all’uscita.

Quando la concentrazione di particelle in un mezzo varia da un punto all’altro, queste particelle si spostano da aree in cui la loro concentrazione è alta ad aree in cui la loro concentrazione è bassa: si dice che le particelle si diffondono nel mezzo.

Per studiare il fenomeno della diffusione dei VOC, utilizziamo un modello CFD che ci fornisce risultati approssimativi per le aree più colpite.

Il modello di diffusione si basa sulla legge di Fick e la caratterizzazione mediante un coefficiente D della diffusione dei gas nell’aria. Il coefficiente di diffusione D dipende dalla natura delle particelle che diffondono e da quelle del mezzo in cui queste particelle si muovono. Nell’aria, i gas non seguono l’esatto percorso dell’aria, ma si diffondono dalla fonte nell’aria secondo l’andamento aeraulico.

Simulazione CFD di una vasca di raccolta (VOC)

Studio delle velocità dell'aria

Le figure mostrano i piani di velocità in diversi punti (all’ingresso della vasca di raccolta, all’uscita dalla vasca di raccolta, nel punto di misurazione e due piani all’interno della vasca di raccolta). Questi piani mostrano una distribuzione non uniforme della velocità, particolarmente pronunciata all’ingresso della vasca di raccolta e meno pronunciata nel punto di misurazione.

Queste variazioni non omogenee di velocità sono attribuite alle curve dei condotti, che creano zone di ricircolo che si estendono su una lunga distanza. Le anse di ricircolo create da queste curve favoriscono la miscelazione del flusso.

I piani di velocità all’interno del serbatoio rivelano la presenza di tre zone di ricircolo principali (cerchiate in nero).
La prima zona di ricircolo, situata lungo l’asse del semitubo, è la più grande delle tre zone individuate.
La miscelazione avviene principalmente in questa zona.
In generale, le ampiezze di velocità all’interno della vasca di raccolta sono relativamente basse, il che favorisce una miscelazione efficiente.

Studio della diluizione dei VOC

I disegni mostrano la distribuzione dei COV in vari punti, tra cui l’ingresso e l’uscita della vasca di raccolta, l’uscita della prima curva a valle della vasca di raccolta e il punto di misurazione.

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

Questi disegni mostrano che la distribuzione dei COV all’uscita della vasca di raccolta è più uniforme rispetto all’ingresso. La modifica del coefficiente di diffusione a una temperatura di 10°C porta a un miglioramento dell’omogeneità della miscela all’uscita della vasca di raccolta. Inizialmente, la disparità di concentrazione all’ingresso è di almeno 0,03 (cioè il 3%), ma diminuisce a 0,016 (cioè l’1,6%) non appena la miscela lascia la vasca di raccolta.

Passando attraverso le due curve, questa disparità si riduce ulteriormente a 0,00035 (cioè 0,035%) nel punto di misurazione, come mostrato nella figura seguente.