Outil prévisionnel des concentrations et des températures locales dans un adsorbeur
Risques et prévention dans les installations d'adsorption de COV

J3930 v1 Article de référence

Outil prévisionnel des concentrations et des températures locales dans un adsorbeur
Risques et prévention dans les installations d'adsorption de COV

Auteur(s) : Pierre LE CLOIREC, Pascaline PRÉ

Date de publication : 10 mars 2013 | Read in English

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Sommaire
Médias

Présentation

1 - Exemples d'incidents et d'accidents

2 - Adsorption et chaleur

2.1 - Adsorption : réaction exothermique
2.2 - Visualisation du dégagement de chaleur
2.3 - Effet de l'échauffement sur la capacité d'adsorption utile du filtre
2.4 - Cas particulier des cétones

3 - Inflammation des lits garnis de charbons actifs

3.1 - Mise en évidence de l'inflammation des filtres à charbon actif
3.2 - Combustion du charbon versus oxydation du solvant
3.3 - Paramètres influençant l'oxydation et l'inflammation

4 - Outil prévisionnel des concentrations et des températures locales dans un adsorbeur

4.1 - Modèle de transfert de masse et de chaleur

Tableau 2
4.2 - Exemples d'applications

Tableau 3

5 - Conclusions

Bibliographie & annexes

Présentation

RÉSUMÉ

Les risques et les moyens de prévention à mettre en oeuvre lors de l'utilisation des filtres de charbon actif pour le traitement de l'air chargé en polluants et en particulier en COV font l'objet de cet article. Des exemples d'incidents sont recensés. Les mécanismes d'exothermicité et leur visualisation sont présentés. Afin de mieux comprendre les phénomènes et de les contrôler, l'influence des conditions opératoires sur le dégagement de chaleur, est décrite et analysée. Dans un but d'une meilleure compréhension et d'une prévision des températures locales lors de l'adsorption de COV sur charbon actif, des modèles déterministes sont proposés.

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Auteur(s)

Pierre LE CLOIREC : Professeur - Directeur de l'École nationale supérieure de chimie de Rennes (ENSCR)
Pascaline PRÉ : Maître assistante, HDR - GEPEA UMR CNRS 6144 – École des mines de Nantes

INTRODUCTION

Le charbon actif est utilisé, de manière intensive, comme adsorbant universel pour le traitement des fumées, l'élimination des composés organiques volatils (COV) ou des molécules odorantes présents dans les émissions gazeuses industrielles . Les installations d'adsorption sur charbon actif représentent, en France en 2010, environ 30 à 35 % du parc des installations de traitement des rejets gazeux chargés en COV. Généralement, les installations sont sous la forme de lits fixes garnis de grains de charbon actif (vierge ou imprégné) au travers desquels passe l'air ou le gaz à dépolluer. Le transfert du contaminant de la phase gazeuse dans la porosité du matériau carboné permet une purification du gaz. Après saturation, le charbon actif est soit mis en centre de stockage de déchets, soit réactivé en usine, soit régénéré in situ par un fluide caloporteur (vapeur d'eau, gaz chaud) ou encore par chauffage intrinsèque du matériau (électrodésorption, par exemple) . Du fait d'une réaction exothermique se produisant lors de la réaction d'adsorption, un échauffement local peut se produire. Cette augmentation de température est fonction de nombreux paramètres tels que la concentration du polluant, le type de charbon actif ou les conditions opératoires (débit, humidité…). Ce phénomène particulier d'exothermicité des réactions d'adsorption est connu depuis longtemps mais se doit d'être mieux compris et mieux appréhendé pour éviter des incidents comme des points chauds, des emballements thermiques ou des inflammations de lits. Le premier accident impliquant la combustion d'un lit de charbon actif a été reporté dans les années 1940. L'inflammation de l'adsorbeur, garni de charbon actif à base de noix de coco, s'est produite durant le traitement d'air chargé de cyclohexane . Une définition des conditions d'utilisation des filtres de charbon actif dans la purification des gaz et spécifiquement de l'air se doit donc d'être proposée.

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MOTS-CLÉS

COV Etat de l'art Adsorption Charbon actif

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j3930

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4. Outil prévisionnel des concentrations et des températures locales dans un adsorbeur

Afin de minimiser les risques et donc les incidents d'inflammation des lits de charbons actifs utilisés pour l'élimination des contaminants volatils, il est nécessaire de concevoir et de réaliser des outils prédictifs des quantités de COV adsorbée et des augmentations de températures locales engendrées par cette adsorption. La modélisation et la simulation des adsorbeurs de COV suivant une approche déterministe couplée à des modèles probabilistes décrivant les paramètres d'interactions gaz-adsorbant doivent permettre, en fonction du dimensionnement de l'installation et des conditions opératoires, d'obtenir des données et d'effectuer des choix opérationnels.

4.1 Modèle de transfert de masse et de chaleur

Les modèles développés pour décrire les variations spatiales et temporelles de grandeurs macroscopiques caractérisant l'étape d'adsorption dans une colonne de charbon actif reposent sur l'énoncé des lois de conservation : masse, énergie, quantité de mouvement. Afin de quantifier les termes de transport et de génération dans les équations de bilans, il est nécessaire d'introduire dans le modèle des équations constitutives ou des lois de comportement rendant compte avec suffisamment de justesse des interactions gaz-solide tout en s'affranchissant de la nécessité d'expliciter les processus élémentaires qui s'opèrent à l'échelle moléculaire. Ces lois comportementales doivent permettre de quantifier les concentrations à l'équilibre, les flux de matière et de chaleur transférés entre les phases. Elles doivent être d'un formalisme suffisamment simple pour ne pas engendrer des temps de calcul prohibitifs et par ailleurs généralisables à un assez grand nombre de systèmes COV-charbon actif. Pour des adsorbants à structure complexe et désordonnée tels que les charbons actifs, l'élaboration de telles lois constitue le principal verrou à la démarche de modélisation phénoménologique. La variété des systèmes COV-charbon actif rencontrés dans la pratique industrielle ainsi que les limites de nos connaissances actuelles concernant la structure des matériaux et les caractéristiques morphologiques et topologiques du réseau poreux la rendent aussi malaisée.

Dans ce qui suit, nous décrivons donc en premier lieu des lois comportementales issues d'approches semi-empiriques ou statistiques qui ont été validées...

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