Analyse et modélisation du comportement des caissons d'épuration de l'air équipant les engins de chantier pour la protection des opérateurs contre les gaz et vapeurs

Overview & Synopsis

Cette thèse développe quatre modèles pour simuler le procédé d’adsorption de l’ammoniac sur du charbon actif dopé au sulfate de zinc. Ils sont décrits par des équations de bilans de matière, de la thermodynamique, de l’hydrodynamique et de la cinétique d’adsorption. Puisqu’il est nécessaire de connaitre les valeurs de certains paramètres pour simuler les modèles, le charbon actif est d’abord caractérisé. Des mesures expérimentales des isothermes d’adsorption de l’ammoniac sur le charbon actif dopé ont d’abord été réalisées. Une méthode basée sur l’analyse de sensibilité des paramètres a ensuite été utilisée pour évaluer l’estimabilité des paramètres inconnus impliqués dans l’équation de l’isotherme d’adsorption de Sips et de Toth. Les paramètres estimables ont ensuite été identités en utilisant des données expérimentales trois températures différentes 288, 303 et 313K. Cette thèse développe quatre modèles pour simuler le procédé d'adsorption de l'ammoniac sur du charbon actif dopé au sulfate de zinc. Ils sont décrits par des équations de bilans de matière, de la thermodynamique, de l'hydrodynamique et de la cinétique d'adsorption. Puisqu'il est nécessaire de connaître les valeurs de certains paramètres pour simuler les modèles, le charbon actif est d'abord caractérisé. Des mesures expérimentales des isothermes d'adsorption de l'ammoniac sur le charbon actif dopé ont d'abord été réalisées. Une méthode basée sur l'analyse de sensibilité des paramètres a ensuite été utilisée pour évaluer l'estimabilité des paramètres inconnus impliqués dans l'équation de l'isotherme d'adsorption de Sips et de Toth. Les paramètres estimables ont ensuite été identifiés en utilisant des données expérimentales à trois températures différentes 288, 303 et 313 K. Des fronts de percée expérimentaux à différentes concentrations d'ammoniac et à différents débits de gaz ont ensuite été mesurés et utilisés pour déterminer le coefficient de transfert de matière global (kLDF), le coefficient de dispersion axiale (Dax), le coefficient de diffusion effectif (De) et le coefficient de diffusion intracristalline (Dµ) mis en jeu dans les équations du modèle, implémentées et résolues dans le logiciel Comsol Multiphysics®. Il a été démontré que les étapes limitantes du procédé d'adsorption sont la diffusion et l'adsorption de l'ammoniac sur le cristal de sulfate de zinc. Les modèles ont ensuite été validés en utilisant quatre fronts de percée supplémentaires différents de ceux utilisés pour identifier les paramètres. Les prédictions du modèle et les mesures expérimentales montrent un bon accord, quantifié par les indices de performance et validés par le test d'hypothèse de Kolmogorov-Smirnov. Enfin, la simulation CFD de l'écoulement gazeux dans un caisson de purification d'air a été réalisée en développant un modèle dynamique qui prend en compte la géométrie et l'hydrodynamique. Les modèles développés ont permis de mieux comprendre les phénomènes d'adsorption et peuvent être utilisés comme un outil prédictif pour la conception et le fonctionnement optimal du procédé d'adsorption de l'ammoniac pour les caissons d'épuration de l'air équipant les cabines pressurisées à air épuré (CPAE) des engins mécanisés.