Dimensionnement Nuage toxique - Rupture de piquage 

D4 ToxicitéBernard FRANOZ
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Scénario de rupture instantanée du piquage entrainant le plus gros débit massique

La méthode consiste à calculer le débit de gaz ou de vapeur toxique émis à la suite de la rupture du réservoir ou de la canalisation, en appliquant les formules décrites en détail dans la Fiche D4, puis à évaluer la dispersion atmosphérique du panache toxique correspondant, afin de calculer les distances auxquelles une personne exposée sera susceptible d’inhaler les doses causant les différents effets redoutés correspondant aux flux de référence (voir Fiche F1).

Lorsqu’il s’agit d’une fuite de gaz comprimé, ou d’une fuite sur la phase gazeuse d’un gaz liquéfié sous pression, le débit gazeux sera calculé directement par la formule suivante :

Avec :

Lorsqu’il s’agit d’une fuite sur la phase liquide d’un gaz liquéfié sous pression, le débit gazeux sera évalué par estimation de la fraction vaporisée à partir du débit monophasique en phase liquide par la démarche suivante :

Avec :

Le débit gazeux de produit toxique en kg/s est alors:

Scénario de rupture instantanée du piquage entrainant le plus gros débit massique

Données entrantes :

Puisqu’il s’agit d’une fuite sur la phase liquide d’une conduite de chlore liquéfié sous pression, le débit de fuite sera d’abord calculé dans une première étape comme s’il se trouvait exclusivement sous forme monophasique liquide par la formule ci-dessous :

Il conviendra dans un second temps de calculer la fraction vaporisée au cours du flash adiabatique qui se produira à la mise à l’atmosphère de cette phase gazeuse

Le débit gazeux alimentant globalement le nuage de chlore sera évalué dans un troisième temps par estimation de la fraction vaporisée totale à partir du débit monophasique en phase liquide trouvé précédemment.

Etape n°1 : Calcul du débit monophasique liquide

Avec : 

D'où :

Etape n°2 : Calcul de la fraction de chlore vaporisée au cours du flash adiabatique

Avec : 

D'où :

D'où :

Etape n°3 Calcul de la fraction vaporisée totale

Pour estimer la fraction vaporisée par cette fuite en phase liquide, il faut se rappeler que le chlore ne génère pas d’aérosols de ce fait :

D'où :

La valeur expérimentale communément admise est de 30 %.


Ce qui nous donne au final un débit gazeux lié à cette fuite sur la phase liquide :

Scénario de perte instantanée de confinement d’un réservoir de gaz toxique

La méthode consiste à calculer la masse de gaz ou de vapeur toxique émise à la suite de la rupture du réservoir, en appliquant les formules décrites en détail dans les Fiches D.4, puis à évaluer la dispersion atmosphérique du panache toxique correspondant, afin de calculer les distances auxquelles une personne exposée sera susceptible d’inhaler les doses causant les différents effets redoutés correspondant aux flux de référence (voir Fiche F1).

Si le gaz est un gaz comprimé, il conviendra de prendre la masse maximale de produit susceptible d’être contenue dans le réservoir.

 

Si le gaz est liquéfié sous pression à l’intérieur du réservoir, il conviendra d’estimer la masse de la bouffée gazeuse qui sera produite instantanément par flash.

 

Comme indiqué dans la Fiche D.7.3, le nuage toxique gazeux généré par la rupture totale du réservoir sera constitué de :

  • la masse de gaz ou de vapeur libérée instantanément par flash lors de la rupture du réservoir ou de la canalisation,

  • la fraction de produit rejetée dans l’air sous forme d’aérosol pour certains gaz liquéfiés (l’ammoniac notamment),

  • la fraction de la phase liquide s’écoulant au sol qui va se vaporiser instantanément du fait de l’apport thermique important apporté par le sol,

  • la vaporisation plus lente du reste de la nappe liquide liée aux apports de chaleur par le sol, l’atmosphère et le rayonnement solaire. Cette dernière fraction peut être négligée car elle constitue tout au plus 10 % des apports au nuage.

Cette masse gazeuse de la bouffée gazeuse peut être estimée en kg par la formule suivante :

Cette masse gazeuse de la bouffée gazeuse peut être estimée en kg par la formule suivante :

Avec :

F’v = 2 Fv pour les produits générant peu d’aérosols (chlore)
F’v = 3 Fv pour les produits générant beaucoup d’aérosols (ammoniac, acide fluorhydique)

Dimensionnement Nuage toxique - Modèle de dispersion 

Estimation de la dispersion atmosphérique et des zones à risque

Une personne située à l’extérieur à une distance x sous le vent et non protégée va inhaler une quantité de produit toxique durant le passage du nuage.

 

Cette dose inhalée, susceptible de causer les différents effets redoutés correspondant aux flux de référence (voir Fiche F1), sera fonction de la concentration du nuage en ce point et de son temps de passage.

Les hypothèses de référence à prendre en compte pour les calculs de dispersion sont les suivantes :

  • atmosphère stable (conditions d’inversion de température) et vent faible de 3 à 5 m/s,

  • prise en compte de la réflexion par le sol.

A l’aide d’un modèle de dispersion atmosphérique (CEA-DOURY ou PASQUILL), on évalue la concentration reçue à la distance donnée.

 

Ces abaques permettent d’estimer le Coefficient de Transfert Atmosphérique (CTA) maximal au sol, en fonction de la distance sous le vent d’une émission ponctuelle de hauteur effective nulle.

En connaissant la valeur du CTA, il est possible de déduire la concentration en toxique dans l’air :

Modèle de Doury


Conditions de diffusion faible - vents de 0 à 5 m/s

Modèle de dispersion - Application numérique

Utilisation de l’abaque de DOURY

Le scénario de fuite de chlore liquéfié sous pression en phase liquide étudié dans les Fiches D.4.2 et D.4.3, nous a permis d’aboutir à un débit gazeux calculé de 10 kg/s.

En reprenant les conditions atmosphériques de référence à savoir :

  • Diffusion faible

  • vent de 5m/s

Estimons à partir de l’abaque de DOURY la concentration reçue par un groupe de personnes se trouvant sans possibilité de s’abriter à 400 m du point de fuite sous le vent et dans son axe (voir flèches bleues sur diagramme de la Fiche D.4.6

En utilisant la Fiche D.4.9, on peut convertir cette concentration en ppm.

Sachant que la masse molaire du chlore est de 71 g et que :

On en déduit que :

L’abaque de la Fiche D.4.8 nous permet de constater que l’on approche la concentration fatale si le temps de passage de ce nuage en ce point est de l’ordre d’une minute. Or nous avons pris par hypothèse un temps de fuite de 3 minutes.

Dimensionnement Nuage toxiques - Courbes iso-effets

Utilisation des courbes d’iso-effets

Les courbes d’iso-effets toxiques permettent de connaître les symptômes observés en fonction de la concentration en toxique dans l’air et de la durée d’exposition.

Les courbes ci-dessous décrivent les effets de l’exposition au chlore.

Dimensionnement Nuage toxiques - Conversion d'unités

Conversion des unités de concentration les plus utilisées

Exemples d’application

Rappel