Simulation d’un réacteur d’ozonation par CFD en 3D

Le réacteur d’ozonation est la dernière étape de traitement d’une station d’épuration. L’objectif principal est de détruire des micropollutants organiques tels que des médicaments, des produits chimiques ou encore des produits nettoyants. L’efficacité de l’ozonation dépend principalement du temps de résidence des eaux usées dans le réacteur d’ozonation et de son mélange avec l’ozone. Si le temps de résidence est trop faible, l’oxydation des micropolluants n’est pas optimale. Aussi, les performances dépendent fortement des conditions d’écoulement dans le réacteur. Par temps de pluie, le réacteur d’ozonation étudié n’a pas démontré les performances de traitement attendues.

Les opérateurs de l’usine ont donc décidé de déterminer le temps de séjour de leur réacteur en injectant un traceur directement en entrée. Suite à quoi, ils ont observé que le pic de concentration en sortie apparaissait trop tôt comparé au temps de résidence théorique calculé. De plus, la concentration diminuait très lentement avec l’observation du pic. Ce phénomène indique la présence de courts-circuits hydrauliques et de zones mortes importantes.

Dans le but de mieux comprendre les conditions d’écoulement actuelles et de les optimiser en modifiant la configuration du réacteur, TK CONSULT AG a été mandaté pour mener des simulations CFD en 3D en tenant compte du mélange biphasique air/eau. Dans une première étape, l’objectif était de calibrer le modèle numérique en se basant sur les expériences de détermination de temps de séjour réalisées par le client. Les paramètres les plus importants pour cette modélisation étaient l’écoulement d’ozone gaz, le débit d’eau et la concentration en traceur. Les courbes de concentration simulées à la sortie du réacteur montrent une bonne corrélation avec les résultats expérimentaux. En se basant sur la visualisation des résultats du modèle numérique 3D, des mesures ont été prises pour optimiser les conditions d’écoulement dans le réacteur. Ces mesures incluent une augmentation du passage d’écoulement et une diminution des zones mortes après l’ajout de mur de séparation et de régulateur de débit dans plusieurs des chambres du réacteur. L’amélioration des conditions d’écoulement retarde ainsi la détection du pic en sortie du réacteur. En s’aidant de ces simulations CFD en 3D, le client a pu identifier rapidement les zones problématiques à l’intérieur de son réacteur et de procéder à son amélioration pour un moindre coût.