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GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de géni

GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval Air Air- -2 : 2 : 1 1 Cycle de la pollution atmosphérique 1. ÉMISSION 2. DISPERSION ET TRANSPORT 3. ÉLIMINATION pluie réaction dépôt stratosphère Échelle spatiale de la pollution atmosphérique Micro Échelle qq m à 100m Environs immédiats Locale 100 à 500m Proximités des sources : autoroutes, boulevards, usine Quartier 500 m à 5 km Petites villes, quartiers urbains Urbaine ou régionale 5 à 100 km Villes, grandes métropoles zones rurales Continentale 100 à 5000 km Pollution transfrontalière Planétaire > 5000 km Eruptions volcaniques Explosions nucléaires 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 TEMPS (SECONDES) DISTANCE (M) Particules dp >1000 microns dp >100 microns dp <100 microns dp <70 microns NOx,O3,H2S NOx,O3,SO2 dp <1:m CO,CFC dp <0.1:m Heure Jour Semaine An locale régionale planétaire Dispersion des polluants: effets spatial et temporel continentale http://cerea.enpc.fr/fich/doc_ENPC_modelling.pdf http://cerea.enpc.fr/fich/doc_ENPC_modelling.pdf GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval Air Air- -2 : 2 : 2 2 Type des sources d ’émissions: Ponctuelles (cheminées) Linéaires (autoroute) Diffuses (chauffage domestique en ville) définition fonction de l ’environnement géographique choisi: à l ’échelle continentale une ville peut être considérée comme une source ponctuelle. Dispersion et Transport assurés par turbulence thermique - gradient vertical de température vents -vent en altitude >1000m -vent au sol turbulence mécanique: -vent + relief ou bâtiment Gradient thermique vertical Gradient thermique: T vs Altitude z la pression diminue quand z augmente si on détend un gaz alors T si on comprime un gaz alors T l ’air sec se refroidit de 10OC par km 1OC par 100m: gradient adiabatique sec l ’air humide saturé se refroidit de 6.5OC par km: gradient pseudo-adiabatique humide Gradient thermique vertical(suite) La comparaison entre le gradient réel de la température et le gradient adiabatique sec détermine les conditions de stabilité de l ’atmosphère: CAPACITÉ À LA DISPERSION (TRÈS) INSTABLE..…(très) bonne NEUTRE……..moyenne (TRÈS) STABLE …….(très) faible 10 12 14 - 500 M - 100 M - 300 M z PARCELLE D ’AIR EN MOUVEMENT ET SA TEMPÉRATURE - 10 - 14 - 12 TEMPÉRATURE DE L ’AIR AUTOUR DE LA PARCELLE ÉQUILIBRE Position initiale NEUTRALITÉ NEUTRALITÉ 0 100 200 300 400 500 600 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TEMPÉRATURE (C) ALTITUDE (m) ADIABATIQUE SÈCHE NEUTRE GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval Air Air- -2 : 2 : 3 3 10 12 14 - 500 M - 100 M - 300 M - 14.4 z PARCELLE D ’AIR EN MOUVEMENT ET SA TEMPÉRATURE - 9.5 - 12 TEMPÉRATURE DE L ’AIR AUTOUR DE LA PARCELLE Position initiale INSTABILITÉ PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE MONTE ENCORE PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE DESCEND ENCORE INSTABILITÉ 0 100 200 300 400 500 600 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TEMPÉRATURE (C) ALTITUDE (m) ADIABATIQUE SÈCHE SUR- ADIABATIQUE 10 12 14 - 500 M - 100 M - 300 M z PARCELLE D ’AIR EN MOUVEMENT ET SA TEMPÉRATURE - 11 - 13 - 12 TEMPÉRATURE DE L ’AIR AUTOUR DE LA PARCELLE Position initiale STABILITÉ PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE REMONTE PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE REDESCEND STABILITÉ 0 100 200 300 400 500 600 700 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TEMPÉRATURE (C) ALTITUDE (m) ADIABATIQUE SÈCHE SOUS- ADIABATIQUE 10 12 14 - 500 M - 100 M - 300 M z PARCELLE D ’AIR EN MOUVEMENT ET SA TEMPÉRATURE - 12.6 - 11.3 - 12 TEMPÉRATURE DE L ’AIR AUTOUR DE LA PARCELLE Position initiale INVERSION DE TEMPÉRATURE FORTE STABILITÉ PLUS CHAUD QUE L ’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE REMONTE RAPIDEMENT PLUS FROID QUE L’ENVIRONNEMENT: LA PARCELLE REDESCEND RAPIDEMENT TRÈS FORTE STABILITÉ 0 100 200 300 400 500 600 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TEMPÉRATURE (C) ALTITUDE (m) ADIABATIQUE SÈCHE INVERSION DE TEMPÉRATURE Panaches des cheminés: panache sinueux gradient sur-adiabatique = instabilité Panaches conique: gradient sous-adiabatique - stabilité Panaches horizontal: Inversion - forte stabilité GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval Air Air- -2 : 2 : 4 4 Panache tourmenté vers le haut: Inversion de température dans le bas Gradient sur-adiabatique dans le haut Panache piégé (tourmenté vers le bas) Inversion de température dans le haut Gradient sous-adiabatique dans le bas Panache d ’enfumage (tourmenté vers le bas) Inversion de température dans le haut Gradient sur-adiabatique dans le bas Évolution d ’un panache suivant le cycle quotidien: - la nuit par temps clair, le sol et l ’air des basses couches se refroidissent par rayonnement plus vite que l ’air : inversion de température Z température Air très stable Air neutre ou stable AVANT LE LEVER DU SOLEIL Z température Air instable Air neutre ou stable LEVER DU SOLEIL Air très stable Hauteur de mélange Z température Air instable Air neutre ou stable AVANT MIDI Hauteur de mélange GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval Air Air- -2 : 2 : 5 5 Z température Air instable DÉBUT APRÈS-MIDI Hauteur de mélange Z température Air instable SOIRÉE - NUIT FORMATION DE LA COUCHE D ’INVERSION Turbulence mécanique: Le gradient thermique n ’est pas le seul indice du pouvoir dispersif de l ’atmosphère La friction du vent sur le sol et les bâtiments influence aussi la dispersion: accumulation derrière des obstacles sous le vent hauteur de cheminée = 2.5 la hauteur des édifices environnants Cheminée en amont: vent Cheminée en amont: vent H 2.5 H Vent: résulte des forces: - du gradient de pression, des hautes vers les basses pression - de Coriolis, déviation de 90o à droite dans l ’hémisphère nord à cause de la rotation de la terre - et de friction au sol GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval Air Air- -2 : 2 : 6 6 En altitude le vent est parallèle aux isobares 1000 1004 1008 1012 1016 1020 F.gradient de pression. F.Coriolis. millibars Hautes pressions Basses pressions VENT Au sol, le vent traverse les isobares 1000 1004 1008 1012 1016 1020 F. gradient de pression. F.Coriolis. millibars Hautes pressions Basses pressions VENT F. de friction Topographie vs dispersion effets de littoral (enfumage du littoral) effets de vallée (forte stabilité) Modélisation de la dispersion atmosphérique Prévoir les relations: Sources d’émissions vs Concentrations des milieux récepteurs (en tenant compte des conditions météorologiques) 1) Modèle physique (maquette) à l’échelle réduite en laboratoire 2) Modèles statistiques (à partir de données historiques) 3) Modèles numériques 4) Modèles semi-empiriques (ex. modèle gaussien) Modèle gaussien de dispersion FY, FZ fonction de la stabilité de l ’atmosphère: classe de Pasquil x y z vent Hauteur effective de mélange: GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval Air Air- -2 : 2 : 7 7 Jour : rayonnement solaire incident Nuit Vitesse du vent (m/s) Fort Modéré Léger Légèrement couvert ou couverture en nuages bas>1 /2 Couverture en nuage < 3/8 < 2 A A-B B Très stable 2-3 A_B B C E F 3-5 B B-C D D E 5-6 C C-D D D D > 6 C D D D D Stabilité de l ’atmosphère: classes de Pasquill-Guifford A-B-C: instables D: neutre E-F: stables Fy Fz Conditions de bonne dilution des polluants vitesse du vent élevée (bon transport horizontal) hauteur de mélange élevée (large volume d ’air de dilution) instabilité de l ’air (bonne diffusion verticale) précipitations Conditions de faible dilution des polluants vitesse du vent faible hauteur de mélange basse forte stabilité de l ’air (condition d’inversion) absence de précipitations Mécanismes d’élimination des contaminants réactions chimiques entraînement par les précipitations: dépôts humides dépôts secs: sédimentation, capture par les végétaux, absorption dissolution dans les lacs, les océans Milieu atmosphérique Milieu terrestre Milieu aquatique SO 2 Capture et lessivage par pluies et neiges. Transformation en sulfates Sol : dégradation microbienne Végétaux : absorption, adsorption Absorption à la surface des lacs et océans H 2S Oxydation en SO 2 NO x Transformations en nitrates Photoréactions avec COV Sol : réactions chimiques Végétaux : absorption, adsorption CO Réactions avec radicaux OH dans la stratosphère Sol : activité microbiologique CO 2 Végétaux : photosynthèse Absorption à la surface HC-COV Transformation chimique Photoréactions avec NO x et O 3 Sol: activité microbiologique Végétation : réaction bactérienne, absorption O 3 Réaction avec NO x Réactions à la surface Éliminations des polluants GCH2101 Assainissement industriel Préparé par B. Grandjean, Département de génie chimique Université Laval Air Air- -2 : 2 : 8 8 Exemple de prévisions avec le modèle gaussien On envisage de construire une usine de pâtes et papiers qui doit rejeter 200 kg/j de H2S. Une petite ville est située à 1. km au Nord Est du site prévu pour cette usine et environ 10% des vents balayant la ville uploads/Litterature/ air2-pdf.pdf