VOCs: the emissions challenge New laws and new attitudes to environmental protection are driving down emissions of volatile organic compounds (VOCs). In 1997, the United Nations Economic Council for the Environment agreed to cut global VOC emissions by 30% by 2002. The aim is to reduce the damage that VOCs cause to human health and the environment. Many of these substances are carcinogenic and a key cause of photochemical smog.

Individual countries are now following the UN lead. Germany's latest TA Luft regulations and the UK's Environmental Protection Act, for instance, set stringent discharge limits for VOCs such as monomers and organic solvents. Allowable emissions vary according to the source and nature of each VOC, but a typical value for Trichloroethylene, a common solvent, is 20 mg/m³.

Manufacturers handling VOCs have had to think seriously about how to meet these new limits. Some have been able to substitute water-based alternatives or non-volatile organic solvents, but often this is not possible. Traditional technologies for controlling emissions include adsorption on activated carbon and various methods of incineration.

However, the neatest and cleanest way to remove VOCs from exhaust gas streams is by condensation with liquid nitrogen. Using proprietary technology, Air Products' Cryo-Condap™ process removes VOCs to meet emission evels of 20 mg/m³, as well as overcoming many of the limitations of traditional emission-control methods. Cryo-Condap™ can be fully customised to remove most VOCs and to suit most process types.

Meeting the challenges of environmental legislation

European Vinyls Corporation (EVC) is a world leader in the manufacture of polyvinyl chloride (PVC), a commodity polymer used in almost every aspect of modern life. EVC employs more than 4000 people across Europe and India. EVC works closely with industry associations such as the European Council of Vinyl Manufacturers (EVCM), of which it is a founder member. EVC has signed the EVCM Industry Charters which set demanding environmental targets for the production of vinyl chloride monomer (VCM) and PVC.

Keeping VCM under control

Cargo ship docked next to liquid N2 tank.

Vinyl Chloride Monomer (VCM) manufactured at the Runcorn site is exported by ship to other EVC plants in Europe for conversion to PVC. Occasionally VCM can also be imported by ship to cover a prolonged shutdown of the Runcorn PVC plant. The shipping terminal is located at the Runcorn layby of the Manchester Ship Canal and is linked by pipeline to the production plants. To comply with Environment Agency regulations, it is necessary to limit the release of VCM to atmosphere to a total emission of 0.1 kg during the removal of VCM liquid and vapour from the marine loading arm, following the filling or emptying of a ship. By using the Cryo-Condap™ cryogenic VOC recovery system, EVC is able to achieve results significantly lower than this value. VCM is pumped into the ship's cargo tanks through an articulated loading arm. Once loading is complete,the VCM vapour remaining in the loading arm and its associated pipework must be removed, both to protect dock workers and to meet UK emission regulations. The challenge was to find the quickest and most effective way to achieve this within the 1 hour time slot. The actual time achieved, including disconnection of the loading arm is 45 minutes. EVC Senior Process Engineer Mike Newman comments: "With the terminal 3km from the main plant, we wanted a recovery system which would meet all our recovery requirements whilst operating independently from the plant. We also needed a source of nitrogen for purging the pipework."

Why cryogenic condensation?

The Cryo-Condap™ cryogenic VOC recovery system, designed and supplied by Air Products, combines the refrigeration power of liquid nitrogen with the inerting properties of nitrogen gas. The result is a skid-mounted VOC control system that is simple to install, economical to run and highly effective.

At temperatures down to -196°C, liquid nitrogen removes most VOCs almost completely. Solvent recovery performance is typically better than 99.9%, giving discharge concentrations sufficiently low to meet even the most stringent environmental standards. The graph below illustrates the reduction in concentration of vinyl chloride in nitrogen gas as the temperature of nitrogen decreases.

Compared to other abatement technologies, the capital cost of the equipment is low.

Recovered VOCs can often be re-used directly—something that is more difficult with adsorption systems and impossible with incinerators or catalytic oxidisers. Another factor that helps keep running costs to a minimum is the ability to re-use the nitrogen. Sites handling VOCs commonly use nitrogen to purge and blanket pipework and tanks; nitrogen gas recovered from the Cryo-Condap™ process is effectively free.

Air Products has over 50 years of cryogenic experience and has installed more than 50 Cryo-Condap™ systems worldwide.

Designing and installing

EVC provided Air Products with a performance specification for the VCM recovery process. After the ship has been docked,the loading arm, initially containing a VCM atmosphere, is purged using nitrogen gas. Purging must continue until the concentration of VCM in the loading arm is sufficiently low to minimise risk to personnel when the arm is disengaged. Purging is calculated to require 100 volume changes before acceptable concentrations can be achieved prior to disconnection. This was calculated for EVC by Air Products. The purge gas is treated in the Cryo-Condap™ system, VCM condenses and is recovered. The cleaned purge gas, which now meets environmental legislation, is vented to atmosphere. The gas, evolved from the liquid nitrogen used as the refrigerant in the Cryo-Condap™ system, also provides a cost effective source of clean gas for purging. Air Products [senior engineer] Nanna Heiberg says: "In theory the solution was simple enough: a Cryo-Condap™ system to condense the VCM requires only a carefully-designed heat exchanger. However, the installation and control package surrounding the heat exchanger is key to providing a system which is operator-friendly and integrates with the total site."

Cryo-Condap™ System

Air Products used its own in-house modelling software to design a system to meet EVC's current and future needs. The heat exchanger and gas handling systems are custom designed and all fit on a single compact skid.

Detailed site engineering and equipment procurement was done by Simon Carves, a company that for over 100 years has provided engineering and project management services to the process industries. For this project Simon Carves worked as a sub-contractor for EVC.

"Ideal for our requirements"

The Loading Arm

Once the new system was commissioned, EVC was able to use it to remove VCM vapour far more easily than would have been possible using remote incineration. The cryogenic installation has the benefit of recovering VCM efficiently, enabling a complete purge of the loading arm within two hours, thus minimising the turnaround time of the ship. Mike Newman is pleased with the results. "This system is ideal for our requirements, especially for a remote operation such as at the Runcorn terminal where the full range of services and a permanent operator presence are not available," he says. "Since our needs are intermittent, it is essential that we are able to turn the system on and off as required and have rapid recovery to suit the requirements of the docked ship. Any delay in the system working would lead to a delay in loading—which in turn could mean the ship being docked unnecessarily for over 24 hours." "We are very happy with the system at Runcorn and it has met all our requirements. As for future installations, we would certainly install the Cryo-Condap™ system where flexible VOC recovery is required. It is an ideal solution for bulk carriers that have to load at a location remote from the manufacturing plant."

European Vinyls Corporation (UK) Ltd
1 Kings Court
Manor Farm Road
Runcorn
Cheshire  WA7 1HR

Tel: +44 1928 570100
Fax: +44 1928 570200

VOCs [Volatile Organic Compounds]—Flüchtige organische Verbindungen—eine besondere Herausforderung, wenn es um Emissionen geht. Neue Gesetze und ein neues Bewusstsein für den Schutz unserer Umwelt erzwingen bei der Emission flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) niedrigere Grenzwerte. Im Jahr 1997 stimmte der "Economic Council for the Environment" der Vereinten Nationen dafür, bis zum Jahr 2002 den Ausstoß an VOC weltweit um 30 %abzusenken. Ziel ist es, die Schäden,die von VOCs an der menschlichen Gesundheit und an der Umwelt ausgehen, einzugrenzen. Viele der Verbindungen sind Krebs erzeugend und zudem eine der Ursachen für die Bildung von photochemischem Smog.

Einzelne Länder beachten bereits die von den UN aufgestellten Empfehlungen. So sind z.B.in Deutschland durch die z.Z.gültige TA-Luft (Technische Anleitung Luft) und in Großbritannien durch den "Environmental Protection Act" strenge Auflagen für die Abgabekonzentration von VOCs bei Monomeren und organischen Lösungsmitteln erlassen. Abhängig von der Beschaffenheit einer flüchtigen organischen Verbindung sind erlaubte Grenzwerte formuliert worden. Für z.B.Trichlorethylen [ClHC = CCl₂ ], einem weitverbreiteten Lösungsmittel, sind <20 mg/m³ festgelegt worden.

Die bisherige Art des Umgangs mit VOCs beim Hersteller machte es dringend notwendig,ernsthaft darüber nachzudenken, wie den neuen Auflagen entsprochen werden kann. Einigen Anwendern ist es geglückt, auf Lösemittel mit Wasserbasisoder auf nichtflüchtige organische Verbindungen auszuweichen. Häufig ist dies aber nicht möglich.Die herkömmlichen Technologien zur Reduzierung der Emissionen nutzen Adsorptionsverfahren unter Verwendung von Aktivkohle und andere Verfahren,die mit Nachverbrennung arbeiten.

Aber es besteht kein Zweifel daran,dass im Gegensatz hierzu der Einsatz von flüssigem Stickstoff zur Kondensation der VOCs den geschicktesten und umweltfreundlichsten Weg darstellt, um die Lösemittel aus dem Abgasstrom zu entfernen.

Mit dem von Air Product entwickelten Verfahren "Cryo-Condap™" kann der Grenzwert von <20 mg/m³ eingehalten werden. Viele der Nachteile bei den herkömmlichen Verfahren zur Emissionsbegrenzung werden zudem hiermit vermieden. Cryo-Condap™ kann genau auf die Erfordernisse des Kunden zugeschnitten werden. Die meisten flüchtigen organischen Verbindungen können so entfernt und die Mehrzahl der Verarbeitungsprozesse bedient werden.

Erfüllung von gesetzlichen Umweltschutz-Auflagen

European Vinyls Corporation (EVC) ist eines der weltweit führenden Unternehmen für die Herstellung von Polyvinylchlorid (PVC), ein breit einsetzbares Polymer, das aus dem modernen Leben nicht wegzudenken ist. EVC hat über 4000 Mitarbeiter in Europa und Indien. Es besteht eine enge Zusammenarbeit mit Industrieverbänden, so auch mit dem "European Council of Vinyl Manufactures" (ECVM). EVC gehört hier zu den Gründungsmitgliedern und hat die Industrierichtlinien der ECVM anerkannt. Für Vinylchlorid-Monomer (VCM) und PVC sind darin klare Ziele zum Schutz der Umwelt bei der Produktion gesetzt.

VCM—Erzeugung im Griff halten

Vinylchlorid-Monomer (VCM) wird im Werk Runcorn (UK) erzeugt und von dort aus mit dem Schiff zur Herstellung von PVC zu anderen EVC-eigenen Werken in Europa verbracht. Gelegentlich wird aber auch VCM mit Schiff hier angelandet, falls ein längerer Anlagenstillstand in der VCM-Fertigung in Runcorn notwendig ist. Das Schiffsterminal liegt an einem Nebenarm des Manchester-Schiffskanal und ist mit der Produktionsanlage über Rohrleitung verbunden. Um den örtlichen Behördenauflagen für den Betrieb der Abfüllvorrichtung entsprechen zu können, ist sicherzustellen, dass der Ausstoß von VCM an die Atmosphäre -flüssig und dampfförmig - nicht das Gewicht von insgesamt 0,1 kg während eines einzelnen Befüll-oder Entleerungsvorgangs überschreitet. EVC ist in der Lage, dies durch den Einsatz des Tieftemperatur-Kondensationsverfahrens Cryo-Condap™ zur Rückgewinnung von VOC zu gewährleisten. Dabei werden erheblich niedrigere VOC-Emissionen erreicht.

VCM wird über einen dafür vorgesehenen Ladearm in die Ladetanks eines Schiffes gefördert. Die Dämpfe aus den Schiffstanks werden bei Befüllung mit VCM gependelt; nach Abschluss der Befüllung ist der Restinhalt an dampfförmigem VCM aus Ladearm und Rohrsystem zu entfernen. Dies dient dem Schutz der Hafenarbeiter und entspricht den Emissionsvorschriften in Großbritannien. Es galt herauszufinden, mit welcher Vorgehensweise dies am schnellsten und auf die wirksamste Weise innerhalb des gegebenen Zeitrahmens von einer Stunde durchgeführt werden konnte.

Es ist von uns erreicht worden, innerhalb von 45 Minuten den gesamte Vorgang zu beenden. Die Zeit für die Abkopplung des Ladearms ist hierin mitenthalten.

Der Chefingenieur von EVC-Verfahrenstechnik, Mike Newman,begründet: "Bei 3km Entfernung von Terminal und Werk wollten wir am Terminal ein System zur Abgasreinigung und Dämpfe-Rückgewinnung unabhängig von dem Betrieb der Produktionsanlage haben. Auch brauchten wir eine Versorgungsmöglichkeit mit Stickstoff,um das Rohrleitungssystem spülen zu können."

Warum Kondensation durch Tiefkühlung?

Bei dem von Air Products entwickelten und gelieferten VOC-Rückgewinnungsverfahren Cryo-Condap™ wird die Kältekapazität von flüssigem Stickstoff, kombiniert mit der dem Stickstoff inhärent Schutzeigenschaft eines inerten Gases.Das Ergebnis ist eine skid-montierte verfahrenstechnische Anlage zur Reduzierung des VOC-Restgehaltes in dem Anlagenabgas -einfach im Aufbau,niedrig in den Betriebskosten und sehr effizient.

Bei einer Temperatur nahe -196 °C wird durch den flüssigen Stickstoff der Gehalt an VOCs nahezu vollständig ausgefroren. Der Wiedergewinnungsgrad ist üblicherweise größer als 99,9 %. Dies führt zu einer Absenkung des VOC-Gehaltes, wodurch auch schärfste Auflagen zum Schutz der Umwelt eingehalten werden können.Die grafische Darstellung zeigt den Konzentrationsabbau von Vinylchlorid im Abgasstrom als Funktion fallender Abgastemperatur.

Im Vergleich zu anderen Verfahren zur Minderung des VOC-Gehaltes im Abgasstrom ist der Kapitalaufwand für diese Anlage gering. Das rückgewonnene VOC kann meist unmittelbar wieder genutzt werden. Diese Möglichkeit ist verfahrenstechnisch aufwendiger bei adsorptiven Verfahren, bei Nachverbrennung oder katalytischer Oxidation ohnehin ausgeschlossen. Die andere Tatsache, die mit dazu beiträgt, die Betriebskosten niedrig zu halten, ist die Wiederverwendbarkeit des Stickstoffs. Anlagen zum Umschlag von VOCs benötigen Stickstoff für das Spülen und Befüllen von Rohrleitungen und Lagertanks. Der bei dem Cryo-Condap™ -Verfahren gasförmig anfallende Stickstoff steht gratis zur Verfügung.

Air Products hat über 50 Jahre Erfahrung in der Tieftemperaturtechnik und in den letzten 20 Jahren über 50 Cryo-Condap™ -Anlagen weltweit errichtet. Für das Jahr 2000 sind bereits fünf Anlagen verkauft.

Auslegung, Design und Installation

Für die Anlage zur Rückgewinnung von VCM erstellte EVC ein Pflichtenheft für Air Products. Nach dem Andocken des Tankschiffs ist der Ladearm, der vor dem Einsatz eine Atmosphäre aus VCM enthält, mit gasförmigem Stickstoff zu spülen. Der Spülvorgang wird abgeschlossen, wenn die Konzentration an VCM genügend niedrig ist und keine Gefahr mehr für die Operator beim Abkoppeln des Ladearms darstellt. Es wird von einer hundertfachen Volumenaustausch durch den Spülvorgang zur Sicherung einer zumutbaren Restkonzentration vor der Außerbetriebnahme ausgegangen. EVC gegenüber ist diese Größenordnung von Air Products rechnerisch belegt worden.Das anfallende Spülgas wird in der Cryo-Condap™ -Anlage tiefgekühlt, das VCM-Kondensat wieder zurückgeführt. Das gereinigte Spülgas, mit einer vom Gesetzgeber gestatteten Restkonzentration,wird an die Atmosphäre abgeblasen. Der aus der Cryo-Condap™ -Anlage abgeleitete gasförmige Stickstoff bietet sich preiswert an als Reingas für Spülzwecke.

Chefingenieurin Nanna Heiberg (Air Products) begründet: "Theoretisch war die Lösung einfach: die Cryo-Condap™ -Anlage verlangt lediglich einen sorgfältig ausgelegten Wärmetauscher. Allerdings, Aufbau und Regeleinrichtung um den Wärmetauscher herum, dies bildet den Schlüssel für einen bedienerfreundlichen Betrieb des Systems, eingebunden in die Erzeugungsanlage als Ganzes."

Air Products nutzte die im eigenen Haus vorliegende mathematische Modell-Software, um das System von EVC für die gegenwärtig vorliegenden und für zukünftige Anforderungen auszulegen. Der Wärmetauscher und das gasführende System sind aus Standard-Bauteilen ausgewählt und auf einem Montagerahmen montiert. Detailengineering und Bauteilbeschaffung stammen von Simon Carves, einem Unternehmen mit mehr als 100 Jahren Erfahrung in Engineering und Projektabwicklung für die verfahrenstechnische Industrie. Im vorliegenden Fall war Simon Carves Subunternehmer von EVC.

"Ideal für unsere Erfordernisse"

Seit der Übergabe der neuartigen Anlage ist EVC in der Lage, gasförmiges VCM weitaus einfacher zu entfernen, als dies mit einer Nachverbrennung möglich gewesen wäre. Mit Tieftemperatur-Technik werden vorteilhaft die Rückgewinnung von VCM und die vollständige Spülung des Ladearms innerhalb von zwei Stunden durchgeführt. Die Liegezeit für das Tankschiff wird zudem noch verkürzt. Mike Newman ist mit dem Ergebnis zufrieden. "Das System ist ideal für unsere Erfordernisse, da besonders bei dem Runcorn Terminal bei örtlich weit auseinander-liegenden Betriebsanlagen der volle Umfang an Aufsicht und ständiger Operator-Bereitschaft nicht gegeben ist," sagt er. "Da die Anforderungen an unsere Einsatzbereitschaft zeitlich immer wieder unterbrochen auftreten, ist es von herausragender Bedeutung, dass wir in der Lage sind, das System so an-oder abzuschalten, wie es die betriebliche Situation an dem angedockten Schiff erforderlich macht und gleichzeitig eine schnelle Rückgewinnung zu bewirken. Jede Verzögerung innerhalb des Gesamtsystems führt zu einer Verzögerung der Ladezeit. Daraus folgt eine unnötige Verlängerung der Liegezeit des Schiffes über 24 Stunden hinaus."

"Wir in Runcorn sind mit der Anlage sehr glücklich. Sie erfüllt alle unsere Erfordernisse. Bei zukünftigen Betriebseinrichtungen werden wir sicherlich das Cryo-Condap™ -System wieder auswählen, wenn eine vielseitig verwendbare VOC-Rückgewinnung erforderlich ist. Hier ist eine ideale Lösung für Tankschiffe realisiert worden, deren Ladestelle in größerer Entfernung von der Erzeugungsanlage liegt."

European Vinyls Corporation (UK) Ltd
1 Kings Court
Manor Farm Road
Runcorn
Cheshire  WA7 1HR

Tel: +44 1928 570100
Fax: +44 1928 570200

COV: le défi des émissions Les nouvelles législations et les nouvelles attitudes à l'égard de la protection de l'environnement exercent une pression à la baisse sur les émissions de composants organiques volatils (COV). En 1997, le Conseil Economique pour l'Environnement des Nations Unies s'est engagé à diminuer de 30% les émissions mondiales de COV pour 2002. L'objectif consiste à réduire les dommages occasionnés par les COV pour la santé humaine et l'environnement. Bon nombre de ces substances sont cancérigènes et sont une cause majeure du smog photochimique.

Les différents pays suivent à présent l'exemple de l'ONU. Les dernières réglementations TA Luft de l'Allemagne et l'Environmental Protection Act britannique, par exemple, fixent des limites d'émission rigoureuses pour les COV comme les monomères et les solvants organiques. Les émissions autorisées varient selon la source et la nature de chaque COV, mais une valeur typique pour le Trichloréthylène, un solvant courant, est de 20 mg/m³.

Les fabricants traitant des COV ont dû réfléchir sérieusement aux moyens de se conformer à ces nouvelles limites. Certains ont pu remplacer les COV par des solutions alternatives à base d'eau ou par des solvants organiques non volatiles, mais ces solutions ne sont pas souvent praticables. Les technologies traditionnelles de contrôle des émissions incluent l'adsorption au charbon actif et diverses méthodes d'incinération.

Cependant, la méthode la plus propre d'élimination des COV des flux de gaz d'échappement consiste à recourir à la condensation à l'azote liquide. L'utilisation d'une technologie exclusive, le procédé Cryo-Condap™ d'Air Products, supprime les COV pour atteindre des niveaux d'émission de 20 mg/m³ et permet de surmonter bon nombre de limitations des méthodes classiques de contrôle des émissions. Cryo-Condap™ peut parfaitement être conçu sur mesure pour supprimer la plupart des COV et s'intégrer dans la plupart des types de procédés.

Relever les défis de la législation environnementale

European Vinyls Corporation (EVC) est un leader mondial dans le domaine de la production de chlorure de polyvinyle (PVC), un polymère de base utilisé dans pratiquement chaque aspect de la vie moderne. EVC emploie plus de 4000 personnes en Europe et en Inde.

EVC collabore étroitement avec des associations industrielles comme le European Council of Vinyl Manufacturers (EVCM - Conseil européen des producteurs de vinyle) dont elle est un membre fondateur. EVC a signé la Charte industrielle d'EVCM qui fixe des objectifs environnementaux ambitieux pour la production de monomère de chlorure de vinyle (VCM) et de PVC.

Contrôler le VCM

Le site EVC (canal maritime de Manchester, RU)

Le Monomère de chlorure de vinyle (VCM) fabriqué au site de Runcorn est exporté par bateau vers d'autres usines EVC en Europe pour être transformé en PVC. Il arrive également que le VCM soit aussi importé par bateau pour couvrir un arrêt prolongé de l'usine de PVC de Runcorn. Le terminal d'expédition est situé à la gare du canal maritime de Manchester à Runcorn et est relié par pipeline aux installations de production. Afin de se conformer aux réglementations de l'Agence pour l'Environnement, il est nécessaire de limiter le rejet de VCM dans l'atmosphère à une émission totale de 0,1 kg durant l'élimination de liquide et de vapeur de VCM du bras de chargement maritime par suite du remplissage ou du déchargement d'un bateau. En utilisant le système de récupération cryogénique de COV Cryo-Condap™, EVC est en mesure d'atteindre des résultats nettement inférieurs à cette valeur. Le VCM est pompé dans les citernes du bateau par un bras de chargement articulé. Une fois le chargement terminé, la vapeur de VCM restant dans le bras de chargement et ses canalisations doit être éliminée, tant pour protéger les dockers que pour répondre aux réglementations britanniques en matière d'émission. Le défi consistait à trouver le moyen le plus rapide et le plus efficace d'y parvenir en l'espace d'une heure. En fait, l'opération, y compris la déconnexion du bras de chargement, est bouclée en 45 minutes.

Commentaire de Mike Newman, Senior Process Engineer d'EVC: "Etant donné que le terminal se situe à 3km de l'usine principale, nous souhaitions un système de récupération qui répondrait à toutes nos exigences de récupération tout en fonctionnant indépendamment de l'usine. Nos avions également besoin d'une source d'azote pour purger les canalisations."

Pourquoi la condensation cryogénique?

Le système de récupération cryogénique de COV Cryo-Condap™, conçu et fourni par Air Products, combine la puissance de refroidissement de l'azote liquide avec les propriétés d'inactivation du gaz azoté. Le résultat en est un système de contrôle COV monté sur un châssis-skid simple à installer, d'une exploitation économique et très efficace.

A des températures descendant jusqu'à -196°C, l'azote liquide élimine presque entièrement la plupart des COV. Les performances de récupération de solvants sont typiquement supérieures à 99,9%, ce qui donne des concentrations d'émission suffisamment basses pour répondre aux normes environnementales les plus sévères. Le graphique ci-dessous illustre la réduction de la concentration de chlorure de vinyle dans le gaz azoté au fur et à mesure que la température de l'azote diminue.

Comparativement à d'autres technologies de réduction, cet équipement s'assortit d'un faible coût d'investissement. Les COV récupérés peuvent souvent être réutilisés directement -- ce qui est plus difficile avec les systèmes d'adsorption et impossible avec des incinérateurs ou oxydants catalytiques. Un autre facteur qui contribue à comprimer les coûts d'exploitation est la possibilité de réutiliser l'azote. Les sites traitant des COV utilisent communément de l'azote pour purger et envelopper les canalisations et les citernes; le gaz azoté récupéré du procédé Cryo-Condap™ est effectivement libre. Air Products peut se targuer de plus de 50 ans d'expérience dans le domaine de la cryogénie et a installé plus de 50 systèmes Cryo-Condap™ dans le monde entier.

Conception et installation

EVC a fourni à Air Products un cahier des charges pour le système de récupération de VCM. Une fois le bateau mis à quai, le bras de chargement, contenant initialement une atmosphère VCM, est purgé à l'aide de gaz azoté. Le drainage doit se poursuivre jusqu'à ce que la concentration de VCM dans le bras de chargement soit suffisamment basse pour réduire les risques auxquels sont exposés les travailleurs lorsque le bras est débranché. D'après les calculs, le drainage requiert 100 changements de volume avant que des concentrations acceptables soient atteintes pour la déconnexion. Ceci a été calculé par Air Products pour EVC. Le gaz de purge est traité dans le système Cryo-Condap™, le VCM se condense et est récupéré. Le gaz de purge nettoyé, à présent conforme à la législation environnementale, est évacué dans l'atmosphère. Le gaz, dérivé de l'azote liquide utilisé comme réfrigérant dans le système Cryo-Condap™, fournit également une source efficace de gaz propre pour la purge. Nanna Heiberg, [senior engineer] d'Air Products, déclare: "En théorie, la solution était on ne peut plus simple: un sytème Cryo-Condap™ pour condenser le VCM ne requiert qu'un échangeur thermique soigneusement conçu. Cependant, le programme d'installation et de contrôle entourant l'échangeur thermique joue un rôle clé pour obtenir un système convivial et qui s'intègre dans l'ensemble du site."

Le système Cryo-Condap™

Air Products a utilisé son propre logiciel de modélisation interne pour concevoir un système répondant aux besoins actuels et futurs d'EVC. L'échangeur thermique et les systèmes de traitement des gaz ont été conçus sur mesure et s'adaptent tous sur un seul châssis-skid. L'étude technique et de l'équipement détaillée du site a été réalisée par Simon Carves, une société qui fournit depuis plus d'un siècle des services de gestion technique et de projets aux industries de transformation. Dans le cadre de ce projet, Simon Carves a travaillé en qualité de sous-traitant d'EVC.

"Une solution idéale pour nos besoins"

Le bras de chargement

Une fois le nouveau système mis en service, EVC a pu l'utiliser pour éliminer les vapeurs de VCM beaucoup plus aisément que cela n'aurait été possible en recourant à l'incinération à distance. L'installation cryogénique offre l'avantage de récupérer le VCM efficacement, permettant une purge complète du bras de chargement en l'espace de deux heures, ce qui réduit l'estarie du bateau. Mike Newman se déclare satisfait des résultats. "Ce système répond idéalement à nos besoins, surtout pour une exploitation à distance comme au terminal de Runcorn où nous ne disposons par d'une gamme complète de services ni de la présente permanente d'un opérateur," confie-t-il. "Comme nos besoins sont intermittents, il est essentiel que nous puissions enclencher et déclencher le système selon les nécessités et procéder à une récupération rapide pour satisfaire aux exigences du bateau à quai. Tout retard dans le fonctionnement du système entraînerait un retard du chargement qui, à son tour, pourrait se traduire par une immobilisation inutile du bateau à quai durant plus de 24 heures." "Nous sommes satisfaits du système de Runcorn et il répond à toutes nos attentes. Dans le cas d'installations futures, nous choisirions certainement le système Cryo-Condap™ si une récupération flexible de COV est requise. C'est une solution idéale pour les vraquiers qui doivent charger à un endroit distant de l'unité de production."

European Vinyls Corporation (UK) Ltd
1 Kings Court
Manor Farm Road
Runcorn
Cheshire  WA7 1HR

Tel: +44 1928 570100
Fax: +44 1928 570200

Meeting the Needs of the Pharmaceutical Industry

It would be unacceptable and somewhat ironic if an industry which finds cures for some of the world's most serious diseases were producing by-products harmful to people's health and the environment. This is why, in anticipation of environmental legislation, leading pharmaceutical group Pharmacia S.A.S looked to Air Products, a specialist in solvent recovery, to set up two Cryo-Condap™ VOC (Volatile Organic Compound) recovery stations at its Val-de-Rueil site in France.

Background

Pharmacia S.A.S is one of the top fifteen leading pharmaceutical laboratories in the world. In 1999, the group of American-Swedish origin had a turnover of almost 7 billion dollars (with over 40% coming from Europe) and currently employs over 30,000 people. It specialises predominantly in metabolic, cardiovascular and inflammatory diseases, and in the fields of oncology, ophthalmology, the central nervous system, neurology, infectious diseases, urology, gynaecology and obstetrics. Pharmacia S.A.S is also working in the fields of auto-medication, allergy, auto-immune disease diagnosis and animal health. One-fifth of its turnover is actually dedicated to research and development.

The merger with the Monsanto group at the beginning of the year 2000, establishing the world heavyweight Pharmacia Corporation, will enable it to strengthen its expertise in these areas. The annual R&D budget will exceed 2 billion dollars.

A solvent-reliant industry

The manufacture of pharmaceutical products is reliant on a number of organic solvents. Emissions, which vary in composition and quantity, are released from reactor vents, storage tanks and vacuum pumps, and represent an annual flow of approximately 220t prior to processing. Dichloromethane, methanol, ethyl acetate, acetone, toluene, xylene, triethylamine, tetrahydrofurane, butyl acetate and isopropanol are among the organic compounds discharged in the air. However, legislation is limiting these discharges year on year.

A mission for clean air

Even before the advent of legislation, Pharmacia S.A.S had been committed to preserving the environment. In partnership with Air Products, it put its first cryogenic VOC processing station into operation in January 1993, before the regulations of March 1993 had been formalised. The group was solely motivated by the need for a cleaner manufacturing process and by a desire to preserve the air we breathe. The whole project fell within the company's environmental strategy—a voluntary initiative (along the same lines, Pharmacia S.A.S signed the "Clean Air Act" charter in the United States). Once the legislation concerning VOCs appeared, Pharmacia S.A.S incorporated these new restrictions, so that its processing stations could achieve the levels required.

A tailored solution

Air Products' team of engineers worked closely with Pharmacia S.A.S to assess how bi-products of its processes could best be dealt with. By analysing the overall emissions from reactors and vacuum pumps it became clear that cryogenic condensation by means of liquid nitrogen would be the most appropriate solution. The overall emissions from reactors and vacuum pumps were collected to allow a quantitative and qualitative analysis of the discharges carrying VOCs. The results of this report showed a maximum output of 2,000 m³/h and a VOC concentration of 5% by volume. With this relatively low output and high concentration, cryogenic condensation by means of liquid nitrogen was chosen. A system capable of processing an output varying between 50 Nm³/h and 2,000m³/h, with a VOC concentration ranging from 0.5 to 5%, on a continuous basis, had to be defined and designed. Air Products took this data and set about designing and installing a bespoke VOC recovery system for its customer.

More than meets the eye With major advantages over other methods of VOC recovery, liquid nitrogen can prove a much more cost-effective and environmentally friendly option: Solvent recovery without contamination by other intermediary fluids Compliance with the regulations in force on the subject of emissions for virtually every solvent Potential to meet more stringent requirements in the future Effectively 'frees' nitrogen gas, uncontaminated and recovered from the process, and allows it to be used for inerting other processes on site The whole Air Products offering is tailored to the individual needs of its customers, providing full technical support, advice and monitoring as required.

An innovative process

The system set up for Pharmacia S.A.S is remarkable for several reasons:

• VOC recovery using the Cryo-Condaps process, unlike other technologies (incineration, activated carbon), allows excellent operational flexibility and is perfectly suited to meet variable production demands.

• The refrigerating energy required to run these installations is nonpolluting. This avoids any transfer of harmful pollution to a third environment (water, for instance).

• The use of nitrogen has no consequences on the operating costs, as it can be reintroduced into the process for inerting reactors, storage areas, product lines and transfers.

• In addition, the Cryo-Condap process falls within the current environmental policy of waste upgrading, as it does not adversely affect the quality of products and allows abatement of the solvents achieving very low emissions.

• Lastly, because liquid nitrogen has a high refrigerating energy, the installations which use it can be very compact, involving lower investment costs.

Perhaps most significantly, the Cryo-Condap installations mean that Pharmacia S.A.S now produces 10 times fewer emissions than the regulatory requirement.

A global partnership

PRISM membrane generator

Commenting on the partnership is Diana McCormick, European Marketing Manager for cryogenic applications: "With Cryo-Condap, we have answered the needs of a demanding and environmentally-committed customer. By working closely with Pharmacia S.A.S, we have been able to tailor our technology to provide superior flexibility to meet the needs of this important customer. And thanks to our telemetry monitoring systems, we can guarantee continuous production. In real terms, this translates into reduced operation and maintenance costs." Air Products has also supplied two membrane systems to Pharmacia S.A.S These systems from the PRISM® range (series 3000 and 5000), act as a backup supply when demand for gaseous nitrogen is high. The membranes were put into operations in November 1996 and June 1998 respectively and are running efficiently. Air Products also helped Pharmacia S.A.S in the design and construction of a reaction cooling station, which cools chemical reactions to -80°C using liquid nitrogen. This enables the company to precisely control the temperature of all types of reactions, allowing maximum product yield as well as bringing considerable environmental and safety benefits.

The future

Mr. Bertheux, Pharmacia S.A.S

Mr Bertheux, responsible for fluids at Val-de-Rueil says: "Pharmacia S.A.S is looking for long-term growth whilst respecting people and the environment; this is why we make every effort in the treatment of waste. "Our relationship with Air Products, which started in 1993, fits well with this policy. It has allowed us to set up recovery methods that suit our needs, comply with the legal framework and help us prepare for the future. This is why we are currently building a station which deals with the solvents recovered by the Cryo-Condap system." Pharmacia S.A.S, whose aim is "long-lasting industrial development while protecting the Environment and Mankind (sic)", is continuing its efforts on the subject of waste processing. An on-site station for upgrading solvents recovered using the Cryo-Condap process is near completion.

Pharmacia S.A.S, whose aim is "long-lasting industrial development while protecting the Environment and Mankind (sic)", is continuing its efforts on the subject of waste processing. An on-site station for upgrading solvents recovered using the Cryo-Condap process is near completion.

After a strong seven-year relationship with Pharmacia S.A.S, Air Products continues in its commitment and drive, and is closely following regulatory developments aimed at further consistent reduction of the volume and concentration of solvents discharged into the air. Air Products knows that its client will be able to meet requirements, as the Cryo-Condap process is perfectly capable of complying with the new standards. A simple lowering of the temperature index-value will increase the proportion of VOC recovered.

Diana McCormick concludes: "At Air Products, we are determined more than ever to establish close relationships with our customers from the pharmaceutical industry all over the world. The key to successfully achieving this is a strong understanding of those customers' needs which will enable us to create the optimum solution, at the best possible price".

Pharmacia S.A.S
1 Rue Antoine Lavoisier
F-78280 Guyancourt
FRANCE

Mailing address
BP 210
F-78051 St Quentin Yvelines Cx
FRANCE

Tel: 33 1 30 64 34 00
Fax: 33 1 30 43 44 45

Histoire d'une Collaboration

Quand un groupe pharmaceutique travaille sur les médicaments de demain pour guérir nos maux les plus graves, il cherche naturellement à prévenir tout rejet dans l'atmosphère nocif pour l'homme et ne peut faire appel, pour ce faire, qu'à un spécialiste qui raisonne lui aussi avec une longueur d'avance. Pharmacia S.A.S et Air Products ont ainsi réalisé ensemble deux stations de récupération des COV (Composés Organiques Volatils) en anticipant des mesures législatives qui n'ont depuis cessé de se durcir. Conçu autour de la technologie Cryo-Condap® de condensation à l'azote liquide des solvants, le dispositif a d'ailleurs été primé par l'ADEME en 1995 au titre de l'innovation technologique.

Un groupe qui nous veut du bien

Pharmacia S.A.S se classe parmi les quinze premiers laboratoires pharmaceutiques mondiaux. D'origine américano-suédoise, le groupe a réalisé en 1999 près de 40 milliards de francs de CA (dont plus de 40 % en Europe) et emploie au total plus de 30 000 salariés. Ses domaines d'expertise majeurs sont les maladies métaboliques, cardio-vasculaires, inflammatoires, l'oncologie, l'ophtalmologie, le système nerveux central, la neurologie, l'infectiologie, l'urologie, la gynécologie et l'obstétrique. Pharmacia S.A.S développe également ses activités dans les domaines de l'automédication, du diagnostic de l'allergie et des maladies auto-immunes ainsi qu'en santé animale. Il consacre par ailleurs près d'un cinquième de son CA à la recherche et au développement.

Sa fusion avec le groupe Monsanto au début de l'an 2 000 pour créer le poids lourd mondial Pharmacia Corporation, renforce ces différentes orientations. Le budget de R&D annuel va ainsi notamment dépasser les 2 milliards de dollars.

L'unité de chimie fine de Val de Reuil (Eure-France) est l'un des sites stratégiques du groupe. Deux usines y produisent des principes actifs pour le monde entier. Val-de-Reuil accueille également une unité pharmaceutique de fabrication de produits stériles et de conditionnement.

Une industrie gourmande en solvants

La fabrication de spécialités pharmaceutiques nécessite l'utilisation d'un certain nombre de solvants organiques. Les émissions, variables en composition et discontinues, proviennent d'évents de réacteurs, bacs de stockage, pompes à vide, et représentent un flux annuel d'environ 220 t avant traitement. Parmi ces composés organiques rejetés, on relève du chlorure de méthylène, du méthanol, de l'acétate d'éthyle, de l'acétone, du toluène, du xylène, de triéthylamine, du tétrahydrofurane, de l'acétate de butyle et de l'isopropanol. Or la législation limite ces rejets dans des proportions qui ne cessent de diminuer d'année en année (voir encadré).

Un pharmacien avide d'air pur

Lorsque Pharmacia S.A.S a mis en service sa première station cryogénique de traitement des COV de l'usine Europe 2000.1 en janvier 1993, le texte réglementaire de mars 1993 n'était de fait pas encore paru. La seule motivation du groupe était alors de produire encore plus proprement et de préserver l'air que nous respirons. Le tout s'inscrivait dans le cadre de sa stratégie environnement, particulièrement volontariste (Pharmacia S.A.S a ainsi signé la charte Clean Air Act aux Etats-Unis).Une fois le texte sur les COV publié, Pharmacia S.A.S a intégré ces nouvelles contraintes afin que ses stations de traitement permettent au moins d'obtenir, dans les cas les plus défavorables, les valeurs prescrites.

La nécessité d'une installation de récupération des COV

L'unité de fabrication de principes actifs pharmaceutiques des laboratoires Pharmacia S.A.S disposait de 15 réacteurs travaillant sous atmosphère d'azote gazeux pour les différentes phases de leur procédé (inertage, extraction, séchage, etc.) L'ensemble des évents de réacteurs et des pompes à vide a été collecté afin d'effectuer une analyse quantitative et qualitative des rejets chargés en COV. Les résultats de ce bilan ont donné un débit maximum de 2 000 m³/h et une concentration de 5 % volumique en COV. Avec ce débit relativement faible et cette concentration élevée, la condensation cryogénique à l'azote liquide s'imposait. Il a donc fallu définir et concevoir un système capable de traiter un débit variant entre 50 Nm³/h et 2 000m³/h avec une concentration pouvant passer de 0,5 à 5 % en COV ; et ceci en continu.

Pourquoi avoir opté pour la technique de condensation à l'azote ?

La réduction des émissions de solvants et le respect des normes en matière d'environnement sont souvent considérés comme des contraintes extérieures coûteuses pour une entreprise. C'est effectivement le cas lorsque les techniques de dépollution éludent le problème de mise au rebut des déchets ou traitent seulement les effluents gazeux pour récupérer les solvants, sans offrir d'avantages supplémentaires. En revanche, les techniques de condensation à l'azote liquide diminuent les coûts de fonctionnement d'une usine. Elles présentent en effet tout ou partie des caractéristiques suivantes : récupération des solvants sans contamination par d'autres fluides intermédiaires ; conformité aux normes en matières d'émissions pour quasiment chaque solvant ; récupération de l'azote liquide utilisé non contaminé pour inertage.

Le principe de base :

La réduction des émissions au moyen de l'azote liquide consiste à condenser, voire solidifier les solvants. Les solvants changent d'état en formant des gouttes liquides, parfois même des matières solides qui, en tant que particules, peuvent être retirées du flux gazeux avec des séparateurs de phase. L'enthalpie pour ce refroidissement est fournie par l'azote liquide qui subit le processus inverse, en étant porté à ébullition à –196°C et en se réchauffant à température ambiante. Le transfert thermique se fait dans un échangeur conçu pour le processus.

Le Cryo-Condap® d'Air Products :

Il comprend deux étapes successives :

• un pré-échangeur pour pré-refroidir le mélange Air + COV entrant par échange thermique avec l'air épuré froid issu du condenseur avant son rejet dans l'atmosphère. Ce pré-échangeur permet également de piéger l'humidité éventuelle en tête d'appareil.

• un condenseur basses températures (conditions cryogéniques) à travers lequel l'air se voit séparé des COV par condensation de ceux-ci sur les serpentins d'azote liquide.

Concrètement, les deux installations de Val-de-Reuil (Europe 2 000.1 et 2 000.2) fonctionnent de la manière suivante :

Les effluents gazeux contenant 5 à 10 % de solvants, sont collectés dans un réseau en polyéthylène. Chaque piquage est équipé d'un clapet anti-retour afin d'éviter une éventuelle contamination. En bout de réseau, un extracteur assure la dépression de l'ensemble. Il refoule ensuite les effluents dans la station de traitement.

Compte tenu de la présence d'humidité dans les effluents, il est indispensable de la piéger avant introduction du mélange dans le condenseur à azote liquide. Cette opération s'effectue dans deux pré-échangeurs à plaques soudées dans lesquels le mélange gazeux est refroidi à environ s Ils fonctionnent en alternance : pendant que le premier est en marche, le second est régénéré par un courant d'azote chaud (40°C). La durée de fonctionnement d'un pré-échangeur est gérée par une temporisation et un pressostat de seuil se déclenchant pour une perte de charge qui implique un givrage. On réalise alors une purge générale de l'installation.

Après passage dans le pré-échangeur, le mélange est introduit dans le condenseur équipé d'un serpentin dans lequel circule l'azote liquide. La vaporisation de l'azote permet de refroidir le mélange gazeux à –100°C. La conception du condenseur permet d'avoir une condensation des solvants en évitant leur solidification. C'est la température de l'échangeur qui dicte la pureté du traitement.

Les condensats sont ensuite acheminés dans des cuves de stockage puis neutralisés avant destruction. Le mélange épuré qui sort du séparateur peut ensuite être utilisé pour le refroidissement des pré-échangeurs, avant d'être rejeté dans l'atmosphère à une température voisine de 10°C.

Les deux stations fonctionnent de manière identique à ceci près que la seconde installation, dédiée à l'usine Europe 2000.2 et démarrée en janvier 1995, a bénéficié des enseignements de la première. Elle se compose ainsi de deux stations construites en parallèle qui basculent automatiquement de l'une vers l'autre pour permettre un cycle de purge et éviter le givrage. Fonctionnant 365 jours par an, elle est par ailleurs dimensionnée pour recevoir jusqu'à 2 000 m³/heure d'effluents gazeux.

Les résultat :

Un rejet à l'atmosphère de flux d'air dont la teneur en COV est en conformité avec l'arrêté de mars 1993 (flux de COV = 2kg / h pour l'ensemble des solvants). Valeur mesurée pour la première station : 0, 2 kg/h soit 10 fois inférieure aux exigences réglementaires.

Une réalisation exemplaire

L'installation réalisée pour Pharmacia S.A.S est remarquable à plusieurs titres : La récupération des COV avec le procédé Cryo-Condap®, contrairement aux autres technologies (incinération, charbons actifs), permet une très grande souplesse de fonctionnement et s'adapte parfaitement aux productions en campagnes. L'énergie frigorifique nécessaire pour faire fonctionner ces installations est non polluante. On évite ainsi tout transfert de pollution nuisible dans un milieu tiers (les eaux par exemple). L'emploi de l'azote n'a pas d'impact sur les coûts d'exploitation puisqu'il est réintroduit dans le process pour l'inertage des réacteurs, des stockages, des lignes et le transfert des produits. De plus, le procédé Cryo-Condap® s'inscrit dans la politique environnementale actuelle de revalorisation des déchets puisqu'il n'altère pas la qualité des produits et permet de récupérer jusqu'à 99 % des solvants. Enfin, l'azote liquide, du fait de son énergie frigorifique élevée, permet de réaliser des installations très compactes donc d'un investissement réduit.