Pogłębiona analiza EOLIOS pozwoliła ocenić jednorodność mieszaniny LZO i powietrza na wyjściu zbiornika buforowego (catch tank), aby zoptymalizować przemysłowy proces oczyszczania lotnych związków organicznych.
W nowej instalacji zbiorczej lotnych związków organicznych (LZO) każda hala zostanie połączona bezpośrednio z kolektorem nazywanym « klarnetem », umieszczonym bezpośrednio przed catch tank. Pozwoli to mieć płaszczyzny ciśnienia neutralnego blisko klarnetu zbierającego LZO, co ułatwi równoważenie hydrauliczne instalacji.
Na wyjściu klarnetu, przed wejściem do zbiornika buforowego, znajdzie się złączka z trójnikami przełączającymi. Złączka pozwoli skierować strumień LZO do obecnej instalacji oczyszczania, którą jest kotłownia, jako rozwiązanie awaryjne, gdy utleniacz termiczny nie pracuje.
Dopływ powietrza uzupełniającego do klarnetu pozwoli zwiększyć całkowity wydatek do wartości docelowej, odpowiadającej wydatkowi nominalnemu utleniacza termicznego przyjętego na tym etapie analizy. Dopływ powietrza do zbiornika buforowego posłuży do utrzymania dolnej granicy wybuchowości (DGW) poniżej wartości maksymalnej dopuszczonej przez dostawcę utleniacza termicznego.
Najważniejsze. EOLIOS odwzorował symulacją CFD instalację zbierania i oczyszczania LZO: od « klarnetu » zbiorczego do catch tank umieszczonego przed regeneracyjnym utleniaczem termicznym (RTO). Analiza opisuje ryzyko wybuchu (DGW), rozcieńczenie strumienia świeżym powietrzem, a przede wszystkim jednorodność mieszaniny LZO i powietrza na wyjściu zbiornika buforowego — kryterium kluczowe dla wiarygodności pomiaru i sprawności oczyszczania. Symulacja pokazuje, że rozrzut stężenia spada z 3 % na wejściu do 0,035 % w punkcie pomiarowym.
Drugi zbiornik buforowy zostanie umieszczony bezpośrednio przed utleniaczem termicznym, aby zebrać kondensat z końcowego odcinka kolektora LZO.
Wszystkie dane o LZO, o ile nie zaznaczono inaczej, pochodzą z opracowania pomiarów prowadzonych przez 7 tygodni.
W studium wykonalności przeanalizowano najskuteczniejsze techniki oczyszczania LZO i wybrano regeneracyjny utleniacz termiczny (RTO). RTO to technologia oczyszczania LZO przez spalanie w wysokiej temperaturze. Zasadę działania RTO przedstawia rysunek poniżej.
Catch tank to zbiornik buforowy na instalacji zbiorczej, przed układem oczyszczania. Zbiera kondensat i pełni rolę komory mieszania, w której strumień LZO rozcieńcza się i ujednorodnia z powietrzem, zanim dotrze do utleniacza termicznego i punktu pomiarowego.
Czy Lotne związki organiczne (LZO) to substancje chemiczne na bazie węgla, które łatwo parują w temperaturze otoczenia. Pochodzą zwykle z procesów przemysłowych, ze spalania paliw kopalnych, z rozpuszczalników, środków czyszczących, farb i kosmetyków.
LZO mogą reagować z innymi substancjami w atmosferze i tworzyć ozon oraz Pył zawieszony, co powoduje problemy z jakością powietrza i zdrowiem publicznym. Część LZO uznaje się także za trwałe zanieczyszczenia organiczne (TZO) z powodu ich trwałości i zdolności do bioakumulacji w środowisku.
Ryzyko wybuchu związane z lotnymi związkami organicznymi (LZO) wynika głównie z ich palności. LZO mają niską temperaturę wrzenia, więc łatwo parują i mogą tworzyć mieszaniny palne w powietrzu. Gdy takie mieszaniny osiągną dostatecznie wysokie stężenie i pojawi się źródło zapłonu, może dojść do wybuchu.
Niektóre LZO, na przykład etan, propan czy butan, są szczególnie palne i mogą tworzyć mieszaniny wybuchowe nawet przy małych stężeniach w powietrzu. Inne LZO, na przykład rozpuszczalniki organiczne, również stwarzają ryzyko wybuchu, jeśli występują w dużych ilościach i warunki sprzyjają powstaniu mieszaniny palnej.
LZO mogą też przekroczyć dolne granice wybuchowości (DGW). DGW to najmniejsze stężenie LZO w powietrzu potrzebne do powstania mieszaniny wybuchowej. Jeśli stężenie LZO przekroczy DGW, ryzyko wybuchu znacznie rośnie.
Dolna granica wybuchowości (DGW) to najmniejsze stężenie paliwa w powietrzu, poniżej którego mieszanina jest zbyt uboga, aby się zapalić. Górna granica wybuchowości (GGW) to stężenie, powyżej którego mieszanina jest zbyt bogata. Między nimi leży zakres wybuchowości, którego należy unikać w eksploatacji.
Rozcieńczenie strumienia LZO można prowadzić świeżym powietrzem, gdy czujniki wykryją szczyty udziału DGW. Wykonano pierwsze oszacowanie wydatku potrzebnego do obniżenia udziału DGW.
Stężenia i oszacowane wartości DGW dla N = 10 przeliczono dla różnych wydatków. Rysunek poniżej pokazuje wpływ rozcieńczania na odsetek przypadków, w których DGW przekracza 17 % i 25 %.
Zwiększając wydatek z 10 000 Nm³/h do 11 000 Nm³/h, przypadki przekroczenia 25 % DGW spadają z 0,5 % do 0,3 %. Podobnie przy przejściu z 10 000 do 13 000 Nm³/h, przypadki przekroczenia 25 % DGW spadają z 0,5 % do 0,1 %. Dla progu 17 % wydatek 13 000 Nm³/h obniża liczbę przekroczeń z około 5 % do 1 %.
Aby rozwiązać równania różniczkowe cząstkowe, trzeba określić warunkach brzegowych obliczeń. Warunki brzegowe określa się na podstawie informacji zebranych od nadzoru projektowego. Punkty wejściowe układu odwzorowuje się dokładnie. Każdy punkt nawiewu modeluje się osobno (pod warunkiem zbieżności modelu, patrz metoda obliczeń).
Przy określaniu warunków brzegowych należy uwzględnić stabilność obliczeń: równania rozwiązuje się w sposób przybliżony, w kilku krokach, i ważne jest, aby każdy krok zbliżał do rozwiązania (patrz metoda obliczeń).
Dla układów najbardziej stabilne obliczeniowo warunki brzegowe to:
To najczęstsze warunki brzegowe stosowane w analizach. Ustalenie warunków właściwych dla projektu wymaga szczegółowego rozpoznania na początku zlecenia. Jeśli model nie osiągnie zbieżności, EOLIOS dostosuje lub uprości geometrię, zachowując wszystkie aspekty przepływowe istotne dla analizy.
Czy Siatka jest generowana automatycznie z geometrii modelu i warunków brzegowych, algorytmami wyznaczającymi optymalne rozwiązanie zbieżności.
Zastosowana siatka jest typu hybrydowego. Elementy takiej siatki powstają dowolnie, bez ograniczeń co do ich układu, co pozwala odwzorować złożoną geometrię przy dobrej jakości elementów. Powstała siatka łączy elementy różnych typów — czworościenne, pryzmatyczne lub piramidalne w 3D — i łączy zalety siatek strukturalnych i niestrukturalnych. W każdej z tych objętości równania zachowania zapisuje się jako równania algebraiczne: ten zbiór objętości skończonych nazywamy siatką.
Ta część opisuje metodę analizy dyfuzji związków lotnych, służącą ocenie jednorodności mieszaniny na wyjściu. Gdy stężenie cząstek w danym środowisku zmienia się od punktu do punktu, cząstki przemieszczają się ze strefy, gdzie ich stężenie jest wysokie do strefy, gdzie ich stężenie jest niskie: mówimy, że cząstki dyfundują w tym środowisku.
Do analizy dyfuzji LZO wykorzystujemy model CFD który daje przybliżone wyniki dla stref najbardziej narażonych. Model dyfuzji opiera się na prawie Ficka i na opisie, przez współczynnik D, dyfuzji gazów w powietrzu. Współczynnik dyfuzji D zależy od rodzaju dyfundujących cząstek i od środowiska, w którym się przemieszczają. W powietrzu gazy nie płyną dokładnie torem powietrza, lecz dyfundują od źródła, zgodnie z tendencjami przepływowymi.
Rysunki przedstawiają rozkłady prędkości w różnych miejscach: na wejściu zbiornika buforowego, na jego wyjściu, w punkcie pomiarowym oraz w dwóch płaszczyznach wewnątrz zbiornika. Pokazują one rozkład prędkości, który nie jest jednorodny, szczególnie wyraźnie na wejściu zbiornika i słabiej w punkcie pomiarowym.
Te niejednorodności prędkości wynikają z kolan w przewodach, które tworzą strefy recyrkulacji rozciągające się na dużą odległość. Pętle recyrkulacji wywołane kolanami sprzyjają mieszaniu strumienia.
Rozkłady prędkości wewnątrz zbiornika ujawniają trzy główne strefy recyrkulacji. Pierwsza strefa, wzdłuż osi półrury, jest największa z trzech: mieszanie odbywa się głównie w niej. Ogólnie prędkości wewnątrz zbiornika są względnie małe, co sprzyja skutecznemu mieszaniu.
Rysunki przedstawiają rozkład LZO w różnych miejscach: na wejściu i wyjściu zbiornika buforowego, za pierwszym kolanem za zbiornikiem oraz w punkcie pomiarowym.
Rysunki pokazują, że rozkład LZO na wyjściu zbiornika buforowego jest bardziej jednorodny niż na wejściu. Zmiana współczynnika dyfuzji dla temperatury 10 °C poprawia jednorodność mieszaniny na wyjściu zbiornika. Początkowo rozrzut stężenia na wejściu wynosi co najmniej 0,03 (czyli 3 %), ale spada do 0,016 (czyli 1,6 %) już na wyjściu zbiornika buforowego.
Po przejściu przez dwa kolana rozrzut zmniejsza się jeszcze bardziej, do 0,00035 (czyli 0,035 %) w punkcie pomiarowym, co pokazuje rysunek poniżej.
Ujednorodniając mieszaninę LZO i powietrza wzdłuż instalacji, od klarnetu do zbiornika buforowego, symulacji CFD obniża rozrzut stężenia z 3 % na wejściu do 0,035 % w punkcie pomiarowym. Jednorodny strumień i kontrolowane stężenie to dwa podstawowe warunki bezpieczeństwa instalacji: zapobiegają powstawaniu miejscowych kieszeni bogatych w LZO, które mogłyby przekroczyć dolnej granicy wybuchowości (DGW), i uwiarygodniają pomiar, na którym opiera się sterowanie rozcieńczaniem świeżym powietrzem.
Prowadzona w ramach projektu nowej instalacji zbiorczej zasilającej regeneracyjnym utleniaczem termicznym (RTO), analiza pozwoliła EOLIOS dobrać dopływ powietrza uzupełniającego, sprawdzić utrzymanie DGW poniżej progu narzuconego przez dostawcę i zapewnić, że punkt pomiarowy wiernie odzwierciedla rzeczywistą zawartość LZO. Podejście można przenieść na każdy proces przemysłowy w którym kontrola ryzyka wybuchu i jakość pomiaru decydują o bezpieczeństwie eksploatacji.
Catch tank, jednorodność mieszaniny i bezpieczeństwo wybuchowe w oczyszczaniu LZO.
Catch tank to zbiornik buforowy na instalacji zbiorczej, przed utleniaczem termicznym. Zbiera kondensat i pełni rolę komory mieszania, w której strumień LZO rozcieńcza się i ujednorodnia z powietrzem przed dotarciem do punktu pomiarowego.
Jednorodna mieszanina zapobiega miejscowym kieszeniom bogatym w LZO, które mogłyby przekroczyć dolną granicę wybuchowości, i uwiarygodnia pomiar stężenia, na którym opiera się sterowanie rozcieńczaniem. Symulacja obniża rozrzut stężenia z 3 % na wejściu do 0,035 % w punkcie pomiarowym.
DGW to najmniejsze stężenie paliwa w powietrzu, poniżej którego mieszanina jest zbyt uboga, aby się zapalić. Powyżej górnej granicy wybuchowości (GGW) mieszanina jest zbyt bogata. Między nimi leży zakres wybuchowości, którego należy unikać w eksploatacji.
Zwiększenie wydatku powietrza obniża udział DGW. Przy przejściu z 10 000 do 13 000 Nm³/h przypadki przekroczenia 25 % DGW spadają z 0,5 % do 0,1 %; dla progu 17 % — z około 5 % do 1 %.
RTO oczyszcza LZO przez spalanie w wysokiej temperaturze, z odzyskiem energii ograniczającym zużycie. Wybrano go w studium wykonalności jako najskuteczniejszą technikę oczyszczania dla tej instalacji zbiorczej.
Przejrzyj nasze specjalizacje, projekty i opracowania techniczne, aby wyjść poza FAQ.
Najprościej po prostu o tym porozmawiać. Nasi inżynierowie odpowiedzą i przedstawią pierwszą ocenę techniczną.
