Lever le voile sur les explosions de brouillard d'hydrocarbures : une nouvelle procédure pour déterminer l'inflammabilité et l'explosivité des rejets de brouillard

Lifting the fog off fuel mist explosions : a new procedure to determine the ignitability and explosivity of mist releases

• Auteur / Autrice : Stephanie El-Zahlanieh
• Direction : Olivier Dufaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 04/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Alexandre Glaude
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Dufaud, Fabien Halter, Philip Bowen, Sabine Zakel, Simon Gant, Agnès Janès, Alexis Vignes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Halter, Philip Bowen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liquides inflammables

Vitesse de diffusion

Flamme

Atmosphères contrôlées

Explosions

Hydrocarbures

Inflammabilité

Aérosols

Mots clés libres

Aérosol liquide

Inflammabilité

Explosivité

Hydrocarbures

Atmosphère explosive

Propagation de flamme

Liquid aerosol

Flammability

Explosivity

Fuel

Explosive atmosphere

Flame propagation

Résumé

Dans un monde où les combustibles sont d'un usage indispensable et sont omniprésents dans l'industrie, il convient de prêter attention aux dangers qu'ils peuvent représenter. En effet, de nombreux incidents se sont produits au fil des ans en raison de rejets accidentels de combustibles liquides sous forme de brouillard, entraînant des explosions. Néanmoins, si les normes et réglementations relatives aux gaz et poussières inflammables sont bien établies, celles relatives aux aérosols liquides le sont bien moins. Ceci est principalement dû au manque de moyens de caractérisations, de données disponibles et de connaissances scientifiques. L'objectif est de proposer une procédure complète permettant d'évaluer la sensibilité à l'inflammation et la sévérité d'explosion de nuages de brouillard d'hydrocarbures. Des moyens de prévention, de protection et de mitigation adaptés pourront donc être mis en œuvre de manière harmonisée et systématique. Sept combustibles aux propriétés physico-chimiques et aux usages industriels différents ont été choisis. Un système de génération de brouillard, relativement aisé à concevoir et à contrôler, a été développé pour simuler des fuites de liquide tout en restant adaptable à un équipement à l'échelle d'un laboratoire. Basé sur une jonction Venturi, le système a été équipé de jeux de buses à deux fluides dont les diamètres d'orifice peuvent varier. Des modifications ont été apportées à la sphère d'explosion de 20 L afin d'accueillir ce système de génération de brouillard. En outre, un système de contrôle et d'acquisition de données avec un logiciel personnalisé a été développé pour assurer le fonctionnement sûr de l'équipement d'essai et l'interprétation optimale des données expérimentales. Des essais de caractérisation ont eu lieu et trois jeux de buses ont été choisis. La distribution de la taille des gouttelettes a été examinée à l'aide d'un appareil de diffraction laser. La vélocimétrie par image de particules a été réalisée pour déterminer le niveau de turbulence du nuage à l'intérieur de l'équipement. Les résultats expérimentaux ont permis de proposer une corrélation qui prédit le diamètre moyen de Sauter d'un nuage de brouillard généré à l'aide d'une buse bi-fluide à partir des caractéristiques du fluide et des conditions d'injection. Un mode opératoire complet a été proposé après des tests de calibration. Le nuage de brouillard pré-caractérisé est ensuite enflammé dans différentes conditions afin de déterminer la sensibilité à l'inflammation et la sévérité d'explosion des sept combustibles sélectionnés dans un seul et même appareil. Il a été constaté que les combustibles pouvaient être classés en trois classes d'énergie minimale d'allumage. La limite inférieure d'explosivité et la concentration limite en oxygène ont également été déterminées. Il a été observé qu'un DSD plus petit, une température initiale plus élevée et un nuage de brouillard plus turbulent conduisent à une sévérité d'explosion plus élevée dans une certaine mesure. L'influence de la nature chimique, de la teneur en vapeur, de l'énergie d'allumage et de l'ajout de gaz inflammables a également été évaluée. Cette analyse paramétrique a permis de différencier des classes distinctes de combustibles et a été complétée par des études de propagation de flamme. Les vitesses de flamme ont été déterminées permettant la compréhension de la phénoménologie des explosions de brouillard. Cette étude a proposé un système de classification des liquides, à partir duquel des procédures d'essai spécifiques sont recommandées. Les résultats ont été également appliqués à des études de cas industriel afin d'illustrer d'une part l'importance de la prise en compte des scénarios impliquant la génération de brouillards d'hydrocarbures et particulièrement ceux présentant des points d'éclair élevés et d'autre part, la nécessité d'évaluer les paramètres de sécurité des brouillards au travers de moyens expérimentaux destinés à être normalisés.

In a world where fuels are indispensable and ubiquitous in nearly every industry, attention should be paid to the dangers they might cause. Indeed, numerous incidents have occurred throughout the years due to accidental fuel releases in the form of mists, resulting in explosions and human and material losses. Nevertheless, while standards and regulations for flammable gases/vapours and dust are well-established, those for liquid aerosols remain less so. This is mainly due to the lack of means of characterisation, available data, and scientific knowledge in such a matter. The objective of this study is to propose a complete procedure allowing the evaluation of the ignition sensitivity and explosion severity of fuel mist clouds. Suitable prevention, protection and mitigation measures can then be implemented in a harmonised and systematic way. For this study, seven fuels of different physicochemical properties and industrial uses were chosen. A gravity-fed mist generation system, which is relatively easy to find and controllable, was designed to mimic industrial leaks and ruptures while remaining adjustable to a laboratory-scale apparatus. Based on a Venturi junction, the system was equipped with twin-fluid nozzle sets with varying orifice diameters. Subsequently, modifications were made to the standardised 20 L explosion sphere used for dust explosion tests to accommodate the mist generation system. Moreover, a control and data acquisition system with customised software was specifically developed to ensure the safe operation of the test equipment and optimal interpretation of the experimental data. Once the test apparatus was ready and validated, characterisation tests took place. Three nozzle sets were chosen with a maximum attainable mist concentration of about 800 g.m⁻³ and droplet diameters ranging between 5 µm and 100 µm. The mist cloud's droplet size distribution was examined using an in-situ laser diffraction sensor. Moreover, Particle Image Velocimetry was performed to determine the level of turbulence of the cloud inside the equipment throughout the injection process up to the moment of ignition. Experimental findings also allowed the proposition of a correlation that predicts the Sauter Mean Diameter of a mist cloud generated using a twin-fluid nozzle based on the characteristics of the fluid and the injection conditions. Subsequently, a complete modus operandi was established and proposed after calibration and validation tests. The pre-characterised mist cloud would then be ignited under different conditions to determine the ignition sensitivity and explosion severity of the seven selected fuels in a single apparatus. It was seen that the fuels could be classified into three minimum ignition energy classes ranging from less than 130 mJ to 5 kJ. The lower explosion limit and the limiting oxygen concentration were also determined. Moreover, it was observed that a smaller DSD, a higher initial temperature, and a more turbulent mist cloud all lead to higher explosion severities to a certain extent. The influence of the chemical nature, the vapour content, the ignition energy, and the addition of flammable gases was also evaluated. This parametric analysis allowed the differentiation between distinct classes of fuels and was complemented by flame propagation studies conducted in a flame propagation tube. The flame speeds and burning velocities were determined, allowing the understanding of the phenomenology of mist explosions. An evaporation model was also developed to complement experimental findings. This study proposed a liquid classification system, depending on which specific test procedures were recommended. It also put forward the application of such procedures in industrial cases to illustrate the importance of considering scenarios involving the generation of fuel mists, particularly those with high flashpoints, and the need to assess the safety parameters of mists through experimental means for standardisation.