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Chapitre 2 Etude des phénomènes de la combustion Partie 1 Mécanismes de la com

Chapitre 2 Etude des phénomènes de la combustion Partie 1 Mécanismes de la combustion 1. PHÉNOMÈNE DE LA COMBUSTION  1.1 Qu’est-ce que la combustion ?  La combustion est une réaction chimique globalement et généralement fortement exothermique, autonome, susceptible de s’accélérer brutalement et d’être accompagnée d’émission de rayonnements. Elle peut être lente ou vive, turbulente, spontanée, catalytique...  Elle nécessite un comburant (généralement l’air ou l’oxygène) et un combustible (tels que les composés hydrocarbonés et oxygénés). a. Comburant • Oxygène de l’air : le comburant le plus courant, sa composition volumique dans l’air est de 21%. • Autres Comburants Protoxyde d'azote (N2O) Monoxyde d’azote (NO) Trifluorure de chlore (ClF3) Acide nitrique (HNO3) Nitrate de sodium (NaNO2) Peroxyde d’hydrogène (H2O2) Chlorate de sodium (NaClO3) b. Combustible • Gaz ou vapeurs : hydrogène, HC gazeux, H2S… • Gaz liquéfiés: propane, ammoniac, butadiène…. • Liquides, gouttelettes, aérosols : Alcools, HC liquides, cétones, aldéhydes, solvants. • Solides massifs, poussières: Polystyrène, polyéthylène, soufre, certains métaux (fer, aluminium, sodium, magnésium) c. Source d’énergie (flamme, étincelle …..etc.) 1.2. Paramètres d’évaluation du risque d’inflammabilité • Point éclair (flash point) Température (T0) à laquelle un HC émet des vapeurs en quantité suffisante pour que leur mélange avec l'air soit inflammable. La combustion ne peut pas s'entretenir d'elle-même Selon le point d´éclair, on distingue les liquides: Extrêmement inflammables PE < 0°C (essence, benzène, acétone, éther) Facilement inflammables 0°C < PE< 21°C (éthanol, toluène) Inflammables 21° C < PE < 55°C (xylène) Combustibles PE > 55°C (Gasoil) Produits T° point éclair Essence auto - 40 ° Benzène - 11 ° Hexane - 22 ° Acétone - 18 ° Méthanol 11 ° White spirit + 27 ° Gasoil + 65 ° Huile de graissage > 160 ° • Température d’inflammation Température (T1) à laquelle un HC émet des vapeurs en quantité suffisante pour former avec l'air un mélange inflammable tel que la combustion puisse s'entretenir d'elle-même. T1 > T0 de 1 à 3°C environ Température d’auto – inflammation Température (T2) à partir de laquelle les vapeurs émises par un hydrocarbure s'enflamment spontanément. Limites d’inflammabilité La zone d’inflammabilité est délimitée par deux limites : limite inférieure d’explosivité (LIE) et limite supérieure d’explosivité (LES) Zone 1 : mélange trop pauvre en gaz combustion impossible. Zone2 : mélange en proportion convenable combustion peut se développer Zone3 : mélange trop riche en gaz combustion impossible 15 Méthane Propane Butane Pentane Hexane Heptane Essence super Kérosène Gas Oil Hydrogène H²S Ethylène Acétylène 0% 100% %VOL 5,0 15,0 2,2 10,0 1,9 8,5 1,5 7,8 0,7 5,0 1,0 7,6 1,2 7,5 1,2 6,7 6,0 13,5 4,1 74,0 4,3 46,0 2,7 34,0 2,5 81,0 REMARQUES : Ces limites sont valables à T°AMBIANTE ( entre 15°C et 20°C ) Quelques exemples de LIE/LSE Energie d’inflammation C’est l’énergie minimale de l’étincelle qui provoque l’inflammation d’un mélange gazeux combustible. • les sources d'inflammation Dans la zone d’inflammabilité, un apport d'énergie, même très faible, déclenche le mécanisme de combustion, cet apport est fait par : a. Flamme créé par une soudure, une allumette, une cigarette … b. Elévation de température Elle peut amener le combustible à sa température d’auto – inflammation. c. Etincelles • Elles sont provoquées par des chocs de métal/métal, métal/béton sec, métal/pierre. • Postes de soudages • Matériels électriques d. Composés pyrophoriques Ils s’oxydent rapidement au contact de l’air et dégagent suffisamment de chaleur pour s’enflammer spontanément (phosphore, sulfure de fer….). e - Autres sources d’inflammation • foudre • compression et ondes de chocs • rayonnements ionisants Partie 2 PHÉNOMÉNOLOGIE 1. Définitions 2. Phénomènes dangereux: les grandes familles 3. Objectifs La description de la phénoménologie des phénomènes dangereux et des effets qui leur sont associés est nécessaire, car on essayant de comprendre ces phénomènes dangereux, leur origine et leur effets, cela aide à éviter leur survenue. 4. Les effets Les types d’effets que l’on rencontre dans l’industrie (excepté l’industrie nucléaire) peuvent être classés en trois catégories : Effets thermiques (incendies, BLEVE) Effets de pression (explosions) Effets toxiques (dispersion atmosphérique) Effet missile (fragments) La finalité de l’estimation des conséquences est de déterminer l’intensité des effets sur: l’homme, l’environnement les installations des événements indésirables. Scénarios, termes source et effets 5. Phénomènes instantanés Les phénomènes dangereux susceptibles de produire d’importants effets thermiques et dont la durée est considérée comme instantanée sont les suivants : - UVCE (Unconfined Vapour cloud Explosion) - BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) - Boil Over Unconfined Vapour Cloud Explosion « Explosion d’un nuage de gaz en atmosphère libre » 5.1. UVCE Description du phénomène • fuite d'un gaz combustible liquéfié ou évaporation d'une flaque de liquide inflammable • mélange de ce rejet avec l'oxygène,(mélange inflammable) • on observe la dispersion et la convection du nuage de gaz (dérive), dont une fraction reste inflammable, c’est- à-dire une atmosphère où la limite inférieure d’explosivité LIE est atteinte. • La formation d’un nuage explosible dérivant reste toujours possible mais, dans la majorité des cas, les explosions se produisent à proximité du lieu de formation, donc sans dérive ou avec une dérive très faible ; • déplacement du nuage hautement inflammable. • inflammation du nuage lors de la rencontre avec une source de chaleur. puis une explosion de type UVCE (explosion non confinée de gaz ou de vapeurs) ; • Un front de flamme se propage associé à l’expansion des gaz brûlés créant une onde de pression aérienne, si sa vitesse de propagation est suffisante. • La température des gaz brûlés passent alors par des températures de plusieurs centaines de degrés Celsius, et peuvent atteindre 2 000 °C Origines - Fuite d'un gaz combustible liquéfié ; - Évaporation d'une flaque de liquide inflammable. Une très faible énergie suffit pour initier l'explosion. Par ailleurs, l'allumage peut être différé dans le temps et par conséquent se produire à une certaine distance du lieu de la fuite. Délai d’allumage Le délai d’allumage est le temps nécessaire compris entre l’instant de la fuite et l’instant de l’allumage. Généralement, le temps d’allumage est très court (inférieur à la minute). Cela est lié au fait que nombre d’accidents prennent naissance dans des zones industrielles où les sources d’ignition sont nombreuses. l’énergie d’inflammation Plus l’énergie d’inflammation est plus importante, plus la vitesse de propagation des flammes est aussi plus importante. les sources d’inflammation accidentelles les plus fréquentes (comme l’électricité statique, les surfaces chaudes, etc.) délivrent des énergies d’inflammation de l’ordre du joule. Remarque: L’inflammation d’un nuage à l’air libre peut être due à une explosion interne, dans un bâtiment par exemple. Dans ce cas, l’explosion interne peut être à l’origine d’une onde de choc elle- même capable de compresser les gaz du nuage jusqu’à leur température d’auto-inflammation.(l’effet domino) Accélération des flammes et effets de pression  Lors d’une explosion, plusieurs régimes de combustion des gaz sont susceptibles d’être observés successivement au cours du temps.  Propagation d’un front de flamme luminaire  Propagation d’un front de flamme cellulaire  Propagation d’un front de flamme turbulent Propagation d’un front de flamme luminaire  Juste après l’inflammation, le régime de combustion des gaz est généralement laminaire  Ce front de flamme est lisse, le mélange inflammable est transformé en gaz brûlés avec une densité moindre que le mélange initial, si bien qu’il s’ensuit une brusque expansion volumique. Les flammes agissent comme un piston sur les gaz réactifs et provoquent leur écoulement.  la vitesse relative du front de flamme par rapport au mélange combustible, appelée vitesse fondamentale de combustion Su est de l’ordre de 0,5 m/s pour des mélanges vapeurs inflammables et air (Lewis et Von Elbe, 1987). La vitesse absolue est de l’ordre de quelques m/s, elle correspond dans ce cas au rapport d’expansion des gaz (environ 8) multiplié par Su et est donc de l’ordre de quelques m/s. Propagation d’un front de flamme laminaire Propagation d’un front de flamme cellulaire  Un front de flamme laminaire est très sensible aux perturbations de son environnement d’après Leyer (1969) : variation de la vitesse des gaz, interaction avec des ondes de pression, variation locale de la concentration du mélange… Rapidement, la flamme prend une structure plissée et instable, ce qui a pour effet d’accroître la surface de flamme, donc la consommation du mélange combustible, la production de gaz brûlés et la vitesse du front de flamme.  dès que ce régime de combustion est observé, la vitesse « apparente » de combustion ne correspond plus à Su mais à une vitesse de combustion dont la valeur varie entre 1,5×Su à 3×Su. La vitesse absolue, Vf des flammes devient donc proche de la dizaine de m/s. Représentation d’un front de flamme cellulaire  Le frottement du fluide sur des parois ou son interaction avec des obstacles induit de la turbulence dans l’écoulement, ce qui accentue encore ce phénomène. Cette accélération augmente la vitesse d’écoulement dans le mélange combustible et le niveau de turbulence de l’écoulement. Ainsi, par ce mécanisme auto-entretenu , la flamme s’accélère d’elle-même : il s’agit du régime de déflagration.  La présence d’un confinement partiel (mur, auvent, etc..) peut accentuer la montée en pression en bloquant l’expansion volumique des uploads/Finance/ phenomenes-dangereux-chap2.pdf