Élimination d'un effluent gazeux (avec schéma)

Élimination d'un effluent gazeux!

Un courant d'effluent gazeux généré dans une unité industrielle doit être finalement rejeté dans l'atmosphère. Avant son rejet, il doit être traité de manière à ramener la concentration des polluants (à la fois particulaires et gazeux) à leurs limites admissibles. Le déchargement / l'élimination se fait à travers une pile.

Une pile ou une cheminée est un conduit vertical cylindrique ou rectangulaire. Lorsqu'un flux gazeux est évacué à travers un empilement, les polluants présents dans le flux se dispersent dans l'atmosphère. Un empilement ne peut pas réduire les polluants présents, mais il libère le polluant à une hauteur appropriée de sorte que, lorsque les polluants rediffusent vers la surface de la terre, leur concentration soit inférieure à la limite autorisée de chaque polluant, même dans les conditions météorologiques les plus défavorables.

Lorsqu'un flux de gaz sort d'une cheminée, il monte à une certaine hauteur en raison de son énergie cinétique et de sa flottabilité avant d'être balayé horizontalement par le vent. Les polluants présents dans le flux de gaz (après leur sortie de la cheminée) se dispersent à la fois dans les directions horizontale et verticale en raison de la diffusion moléculaire et tourbillonnaire. L'effet d'un flux de gaz de la cheminée et le profil du panache résultant dans des conditions idéales sont décrits dans la Fig. 4.18.

Profil de panache actuel:

Le profil réel du panache sous le vent dépend du gradient de température dans la troposphère, de la vitesse du vent et de la topographie située à proximité immédiate d'un empilement. Le gradient de température troposphérique dépend de l'intensité du rayonnement solaire entrant pendant la journée et du degré de couverture nuageuse pendant la nuit.

La dispersion des polluants dans un panache dépend du mouvement vertical de l'air résultant du gradient de température dans la troposphère ainsi que de la vitesse du vent. Sur la base des facteurs susmentionnés, les conditions atmosphériques ont été classées dans différentes classes de stabilité. Le tableau 4.15 répertorie les désignations de stabilité de Pasquill-Gifford.

Les figures 4.19A - G montrent les différents types de profil de panache correspondant aux conditions de stabilité atmosphérique.

(a) Gradient réel de la température troposphérique par rapport au gradient adiabatique sec.

Gradient de température adiabatique, ———–

Gradient de température réel, ————-

(b) Profil de panache

T = température. U = vitesse du vent

Z = altitude

Méthode de conception de la pile:

Dans la section 4.8, il a été mentionné qu'une cheminée est utilisée pour évacuer un flux de gaz résiduaire à une hauteur appropriée du sol. Une fois rejetés, les composants (y compris les polluants éventuels) des gaz résiduaires se dispersent. Certaines parties de celles-ci diffusent à la surface de la terre.

Pour concevoir un empilement, il faut trouver sa hauteur H _s, de sorte que la concentration des polluants qui se sont rediffusés jusqu'au niveau du sol ne soit pas supérieure à leurs limites admissibles respectives, même dans les pires conditions atmosphériques. Il est également nécessaire d'estimer l'aire de la section transversale d'un empilement de manière à ce que la pression à la base de l'empilement soit suffisante pour vaincre la résistance à l'écoulement du flux de gaz à travers l'empilement.

Estimation de la hauteur de pile:

La hauteur de pile peut soit être estimée en utilisant certaines relations empiriques, soit en utilisant une approche semi-empirique. Les relations empiriques ne tiennent pas compte des conditions météorologiques, alors que l'approche semi-empirique prend en compte la montée du panache, la vitesse du vent et les conditions météorologiques. Il va sans dire que la deuxième approche donne une meilleure estimation de la hauteur de la pile.

Approche empirique:

Les équations empiriques énumérées ci-dessous peuvent être utilisées pour estimer la hauteur de la pile:

Si le H calculé en utilisant Eq. (4.64e) ou (4.64f) dépasse 30 m, la hauteur de pile calculée doit être acceptée.

Approche semi-empirique:

Dans cette approche, la hauteur de la pile est estimée par les étapes suivantes:

Étape-I:

Une hauteur de pile, H _s, est supposée. La hauteur supposée peut être celle calculée à l'aide de l'approche empirique décrite à la section 4.8.2.2.

Étape II:

L'augmentation du panache, ∆H, est calculée à l'aide d'une équation semi-empirique appropriée. Quelques-unes des équations rapportées dans la littérature sont énumérées à la section 4.8.2.5. Ces équations sont basées sur la conjecture que l’ascension du panache est influencée par deux facteurs, à savoir:

(i) L'élan du flux d'émission de la pile, et

ii) La flottabilité du flux résultant de la différence de densité des gaz de cheminée et de celle de l'air ambiant à la hauteur physique de la cheminée. Les corrélations proposées par les différents auteurs sont basées sur les données dont ils disposent. Certains auteurs ont pris en compte le critère de stabilité aux intempéries tout en développant leurs corrélations.

Étape III:

La hauteur de pile effective H est prise comme

Étape IV:

Utilisation de l'équation (4.67) et l'estimation de H _e, la concentration maximale de chacun des différents polluants (présents dans le flux de gaz effluent) au niveau du sol est estimée en fonction des différentes désignations de la stabilité atmosphérique. Si ceux-ci se situent dans les limites admissibles respectives, la valeur supposée H _s est acceptée comme hauteur réelle de la pile. Si ce n'est pas le cas, alors sur la base d'une valeur de H _s supérieure à celle présumée précédemment basée sur les étapes II, III et IV, on répète jusqu'à l'obtention d'un H _s acceptable satisfaisant le critère spécifié à l'étape IV.

Profil de concentration de polluant dans un panache:

Une équation exprimant le profil de concentration en polluants dans un panache résultant d’une source ponctuelle continue en régime permanent a été développée sur la base des hypothèses suivantes:

et (iii) le profil de concentration à tout emplacement sous le vent (x, y, z) suit la courbe de distribution de probabilité normalisée gaussienne dans les directions K et Z.

Sur la base des hypothèses mentionnées ci-dessus, l’équation dérivée représentant le profil de concentration est

où C _{x, y, z} = concentration d'un polluant à un emplacement de coordonnées x, y & z,

Q = masse du polluant spécifique émis par unité de temps,

U = vitesse du vent à la hauteur H _e,

σ _y = écart type du coefficient de dispersion dans la direction y,

et σ _Z. = écart type du coefficient de dispersion dans la direction z.

Les valeurs numériques de σ _v et σ _z dépendent des conditions météorologiques, de la vitesse du vent et de la distance d’un emplacement à la base de la pile dans le sens horizontal sous le vent, c’est-à-dire la coordonnée X.

en éq. (4.66) représente une augmentation de la concentration de pollution en raison de la réflexion du sol.

La concentration de tout polluant à tout X serait le maximum à l’axe du panache correspondant à y = 0 et Z = H _e, dans des "conditions de neutralité". L’expression de la concentration au sol de tout polluant sous l’axe du panache serait:

Cette

Si leur rapport est indépendant de X, la concentration maximale au sol de tout polluant spécifique peut être exprimée comme suit:

où _Xmax est la distance entre la base de la cheminée dans le sens du vent, à laquelle la concentration de polluants serait le maximum au niveau du sol.

Il s'ensuit qu'à cet endroit même, c'est-à-dire à X _max

Les diagrammes des valeurs empiriquement estimées de σ _y et σ _z correspondant aux différentes désignations qualitatives de la stabilité en tant que paramètres sont représentés sur les figures 4.20 A et 4.20 B respectivement.

Désignations de stabilité de Pasquill-Gifford:

A: Extrêmement instable

B: modérément instable

C: légèrement instable

D: neutre

E: légèrement stable

F: Modérément stable.

En suivant cette approche σ _z, x _max est estimé en utilisant Eq. (4.70) sur la base de la valeur déjà calculée de H _e Eq. (4, 65). Correspondant à l'estimation de σ _z X _max et à une catégorie de stabilité supposée, X est lu à partir de la figure 4.20B. Ensuite, à partir de la figure 4.20A, on lit un _y correspondant au X (lu plus haut à partir de la figure 4.20B) et à la catégorie de stabilité présumée précédemment. En utilisant les valeurs estimées de o et σ _y, σ _z, C _{X max,, 0, 0} Est calculé pour chaque polluant en utilisant l'équation. (4, 69).

Le C _{X max} calculé pour chaque polluant doit être comparé à sa limite admissible. Si la C _{X max} calculée pour aucun des polluants ne dépasse leur limite, la procédure décrite ci-dessus doit être répétée pour chacune des autres catégories de stabilité. Si le C _{X max} calculé pour tout polluant dépasse sa limite pour toute catégorie de stabilité, les étapes II, III et IV énumérées précédemment doivent être répétées en supposant une valeur de H _s supérieure à celle présumée précédemment jusqu'à ce qu'une solution satisfaisante soit trouvée.

En se référant aux Figs. 4.20A et 4.20B, il convient de souligner que la corrélation entre σ _y et X peut être raisonnablement bien représentée par la relation σ _v = σ _y X ^b, mais celle entre o. et X ne correspond pas à la corrélation σ _z = a _z X ^b

Une meilleure corrélation aurait la forme

Les valeurs numériques de a ' _y a' _z m et n dépendent de la désignation de la stabilité atmosphérique. Diverses estimations de a ' _y a' _z m et n ont été rapportées dans la littérature. Une de ces estimations est donnée au tableau 4.16.

Une meilleure procédure d’estimation de la hauteur de la pile consisterait à suivre les étapes décrites à la Section 4.8.2.3 en conjonction avec Eq. (4.73) au lieu d'utiliser Eq. (4, 69).

Corrélations de la montée de la plume:

Différents chercheurs ont tenté de corréler l'élévation du panache (AH) avec les variables pertinentes. Certains d'entre eux sont énumérés ci-dessous.

1. L'équation de Holland est probablement la plus ancienne et elle est simple.

où ∆H = montée du panache, (m)

U = vitesse du vent, (m / s)

U _s = vitesse des gaz de cheminée à la sortie de la cheminée, (m / s)

D _s = diamètre de la pile à la sortie, (m)

P = pression des gaz de cheminée à la sortie, (kPa)

T _s = température des gaz de cheminée à la sortie, (K)

T _a = température de l'air ambiant à la hauteur physique de la cheminée, (K)

Comme cette équation ne tient pas compte de la condition de stabilité atmosphérique, Holland a suggéré de multiplier l’hypothèse de haussement estimée par un facteur de 1, 1 à. 1, 2 pour les conditions instables et entre 0, 8 et 0, 9 pour les conditions stables. Des études ultérieures ont montré que l'équation de Holland donne une estimation plutôt conservatrice de AH par un facteur de 2 à 3.

2. Moses et Carson ont proposé des équations dépendant des critères de stabilité énoncés ci-dessous:

3. Le groupe de travail ASME a recommandé deux équations. Pour les conditions instables et neutres, l'équation recommandée est la suivante:

Estimation de la section transversale de la pile / du diamètre et de la perte de charge dans la pile:

Le débit volumétrique des gaz de cheminée peut être exprimé en

où

D _s = diamètre moyen de l'empilement, m.

En supposant une vitesse appropriée du gaz de cheminée comprise entre 10 et 15 m / s, la section transversale / le diamètre de la cheminée peuvent être estimés à l'aide de l'Eq. (4, 77).

Une fois que la vitesse des gaz de cheminée (U _s ), le diamètre de la cheminée (D _S ) et la hauteur de la cheminée sont connus, la chute de pression dans la cheminée / la pression de base dans la cheminée peuvent être calculées à l'aide d'une équation de Bernoulli (bilan énergétique) modifiée, comme indiqué ci-dessous:

Exemple 4.5:

Une pile doit être conçue pour un four à charbon dans laquelle 500 T de charbon contenant 2% de soufre, 20% de cendres et le reste du carbone doivent être brûlés.

Les informations / données suivantes peuvent être utilisées à des fins de conception:

Solution:

Estimation de la hauteur de pile (H _s ):

(i) Une estimation préliminaire de la hauteur de la pile est obtenue sur la base de l’approche empirique Eq. (4.64e)

(ii) Une estimation préliminaire de la hauteur effective de la pile H _e est obtenue en utilisant Eq. (4.65)

H _e = H _s + ∆H

L'élévation du panache (H) est calculée à l'aide de l'équation de Holland, Eq. (4, 74).

(iii) La concentration maximale de SO ₂ au sol doit être calculée à l'aide de l'équation. (4.73)

Les tableaux a'y, a ' _z, m et n doivent être lus dans le tableau 4.16 correspondant à une désignation de stabilité de Pasquill-Gifford qui aboutira probablement à la valeur maximale de la concentration de SO ₂ au niveau du sol. En parcourant les tableaux 4.15 et 4.16 correspondant à la vitesse du vent U = 4 m / s, il apparaît que la désignation de stabilité D de Pasquill-Gifford entraînerait une concentration maximale de SO ₂ . Les valeurs de a ' _z, a' _y m et n lues dans le tableau 4.16 sont

Par conséquent, la hauteur de la cheminée qui donnerait une concentration de SO2 au niveau du sol proche de 80 µg / m ³ est

H _s = H _e - ∆H = 200 - 31 = 169 m.

Diamètre de la pile, D _s = 3, 06 m.

Dépôt de poussière de panache:

Les particules de poussière, qui sont émises à travers une pile, se dispersent comme les polluants gazeux. Mais les particules étant plus volumineuses et plus denses que le gaz de cheminée / air, elles commencent à se déposer immédiatement après leur émission en raison de la force de gravité. Les particules atteignent finalement leurs vitesses terminales respectives. La vitesse terminale d’une particule ayant un diamètre en dpi peut être exprimée en

où U _t, _dpi = vitesse terminale de particules ayant un diamètre dpi et une densité p _p, m / s

g = accélération due à la pesanteur, m / (s ² )

dpi = diamètre de la particule (m)

p _a = densité de l'air ambiant kg / (m ³ )

p _p = densité de particules kg / (m ³ )

C _D = coefficient de traînée

En supposant que les particules de poussière soient sphériques, C _D peut être évalué en utilisant l’une des relations suivantes, en fonction du nombre de Reynolds de la particule;

Les particules de poussière se déposent finalement sur le sol. Des particules relativement plus grosses se déposent le long de l'axe du panache tandis que les particules plus fines se déposent tout autour. Comme la direction du vent et sa vitesse changent de temps en temps, l'orientation du panache change en conséquence.

Par conséquent, le taux de dépôt de poussière moyen dans le temps est estimé à différents endroits en fonction de X, la distance sous le vent de la base de la cheminée. D'après Bosanquet et al. la vitesse de dépôt en un point P à une distance X de la base de la pile peut être exprimée par

F = une fonction de U, _dpi / U et X / H _e (comme indiqué à la Fig. 4.21)

H _e = hauteur de pile équivalente.

Le taux de dépôt de poussière au point P dans le plan axial du panache peut être calculé en utilisant Eq. (4.82)

Le taux de dépôt total de toutes les particules de tailles différentes peut être estimé en additionnant les taux des particules individuelles comme indiqué ci-dessous: