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BADORIS – Document de synthèse relatif à une Barrière Technique de Sécurité (B.

BADORIS – Document de synthèse relatif à une Barrière Technique de Sécurité (B.T.S.) Rideau d'eau Avril 2005 INERIS PREV – avril 2005 – 46059 - toxique-rideau-eau-vers1.doc Page 1 sur 8 Table des matières 1. DESCRIPTIF TECHNIQUE DU DISPOSITIF.................................................................................. 2 1.1. DESCRIPTION DES RIDEAUX D'EAU........................................................................................................ 2 1.1.1. Rideau d'eau fixe ....................................................................................................................... 2 1.1.2. Rideau d'eau mobile .................................................................................................................. 3 1.2. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT.......................................................................................................... 4 1.2.1. Absorption ................................................................................................................................. 4 1.2.2. Autres phénomènes.................................................................................................................... 7 1.2.3. Conclusion................................................................................................................................. 7 2. EXIGENCES TECHNIQUES .............................................................................................................. 8 3. RETOUR D’EXPÉRIENCE................................................................................................................. 8 4. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES............................................................................................. 8 INERIS PREV – avril 2005 – 46059 - toxique-rideau-eau-vers1.doc Page 2 sur 8 1. DESCRIPTIF TECHNIQUE DU DISPOSITIF 1.1. DESCRIPTION DES RIDEAUX D'EAU Un rideau d’eau est un système de protection utilisant le principe d’un écran d’eau. Il peut être fixe ou mobile avec une pulvérisation soit ascendante, soit descendante. 1.1.1. Rideau d'eau fixe Un rideau d'eau fixe est constitué, en bout de chaîne, par une tuyère sur laquelle sont fixées des buses à intervalle régulier. L'ensemble des pulvérisations forme l'écran d'eau, constitué d'une multitude de gouttelettes. Dans la plupart des cas, la géométrie obtenue pour chaque pulvérisation est conique (cône plein ou creux) avec un angle d'ouverture de 30 à 120° suivant les propriétés des buses. Figure 1 : Rideau d'eau pulvérisée fixe vue de face tuyère buses pulvérisations INERIS PREV – avril 2005 – 46059 - toxique-rideau-eau-vers1.doc Page 3 sur 8 1.1.2. Rideau d'eau mobile Un rideau d'eau mobile est constitué par un ensemble lance – déflecteur qui transforme le jet bâton en jet "queue de paon" (180 ou 360°). Dans ce cas, l'écran d'eau est un film très fin, différent du rideau d'eau obtenu par pulvérisation (buse). Cette différence suggère que les rideaux d'eau mobiles ne peuvent pas être traités avec la même approche, développée tout au long de ce rapport, que les rideaux d'eau pulvérisés, même si leurs principes de fonctionnement sur les gaz toxiques sont identiques. Figure 2 : Rideau d'eau mobile vue de face A titre d'exemple, des caractéristiques hydrauliques, pour les rideaux d'eau "queue de paon", sont résumés dans le tableau suivant : Diamètre nominal 40 mm Diamètre nominal 65 mm Pression (bar) Débits (L/min) Hauteur (m) Largeur (m) Débits (L/min) Hauteur (m) Largeur (m) 4 318 4 20 925 5.2 28 5 363 4.8 24 1025 5.8 30 6 400 5.3 26 1146 6.2 32 8 460 6.4 29 1320 7.3 35 10 516 6.8 31 1470 7.8 37 Tableau 1 : Caractéristiques hydrauliques pour un rideau queue de paon lance Jet bâton déflecteur Jet queue de paon L H INERIS PREV – avril 2005 – 46059 - toxique-rideau-eau-vers1.doc Page 4 sur 8 1.2. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT Une approche "Génie des procédés" indique qu’un rideau d’eau est un réacteur à l’air libre. Ses modes d’action sur les vapeurs ou gaz dangereux reposent sur des processus fondamentaux de transfert : − soit d’énergie : - échange de quantité de mouvement entre la phase liquide, la phase gazeuse du polluant et l'air environnant, qui produit une dilution artificielle du nuage. L’action du rideau est mécanique, - échange de chaleur : un nuage cryogénique mis au contact avec des gouttes d’eau à la température ambiante va se réchauffer par transfert convectif. Cet effet peut conduire à une inversion de densité du mélange gazeux, − soit de matière : lorsque le polluant présente une certaine affinité avec l’eau ou un produit additivé à l’eau pulvérisée, une fraction du polluant passe de la phase gazeuse dans la phase liquide. Ce transfert est gouverné par la solubilité du gaz dans l’eau, ou la cinétique chimique de réaction du polluant avec l’eau ou le réactif. L'action du rideau est physico-chimique. 1.2.1. Absorption Les gaz qui présentent une très forte affinité pour l’eau, à la différence d’électrolytes qui sont totalement dissociés dans l’eau, conduisent à une réaction équilibrée : O H Gaz O H Gaz 2 2 , ↔ + Le transfert de matière est donc contrôlé par le gradient de concentration existant entre l’interface (solubilité) et au sein du liquide. Lorsque la goutte se rapproche de la saturation, le flux de polluant absorbé décroît et tend vers zéro. Il est donc important d’utiliser de l’eau en quantité suffisante pour ne pas être limité par ce phénomène. La dissolution des composés moléculaires dans l'eau est rendue possible grâce aux interactions électrostatiques faibles dipôle-dipôle (van der Waals) ou aux intéractions plus fortes type liaisons hydrogène entre le soluté et le solvant. La solubilité d’un gaz peut être exprimée par la constante de Henry : * , 2O H Gaz Gaz C P H = avec : H : Constante de Henry (Pa.m3/mol), PGaz : Pression partielle du gaz (Pa), C* Gaz,H2O : Solubilité du gaz dans l’eau (mol/m3). INERIS PREV – avril 2005 – 46059 - toxique-rideau-eau-vers1.doc Page 5 sur 8 La relation de Henry montre l’importance des pressions partielles en polluant élevées à l’abord du rideau d’eau. En effet, le gradient de concentration entre la phase liquide et la phase gazeuse est le principal moteur de l'absorption. Par conséquent, le rideau d'eau doit être positionné près de la fuite. De plus, pour les fuites importantes, le flux de polluant absorbé étant proportionnel à la pression partielle, la quantité de gaz absorbée sera plus élevée que pour des faibles rejets. Dans ce contexte, l’efficacité du rideau d’eau croît : − avec la finesse des gouttelettes car le temps d'interaction gaz/eau et les surfaces de contact sont accrus. De plus, des gouttelettes fines provoquent de faible capacité d'entraînement ce qui minimise la dilution du nuage, facteur favorable à l'absorption, • avec l'augmentation du rapport des débits massiques eau/gaz. Les rideaux d'eau sont utilisés sur les fuites de gaz toxiques tels que les acides halogénés (HF, HCl, HBr), les amines, l'ammoniac et le chlore. 1.2.1.1. L'ammoniac anhydre L'ammoniac est très soluble dans l'eau. Lors de son contact avec l'eau, l'ammoniac subit une réaction rapide d'ionisation : − + + ↔ → + OH NH OH NH OH NH O H NH 4 4 4 2 3 Le tableau suivant indique la solubilité de l'ammoniac en fonction de la température (WHO, 1986). Température (°C) Solubilité (g/L) 0 895 20 529 40 316 60 168 Tableau 2 : Solubilité de l'ammoniac dans l'eau en fonction de la température Par ailleurs, la réaction de dissolution de l'ammoniac dans l'eau est fortement exothermique, soit 2000 kJ par kilogramme d'ammoniac dissous dans l'eau et le tableau montre que la solubilité de l'ammoniac diminue avec l'augmentation de température. La chaleur de dissolution de 529 g d'ammoniac dans un litre d'eau à 20 °C provoque l'évaporation de 32 % de la masse d'eau initiale. Ainsi, la chaleur de dissolution de l'ammoniac dans l'eau est un facteur limitant l'absorption de façon très significative. 1.2.1.2. L'acide fluorhydrique anhydre HF est très soluble dans l'eau. Lors de son contact avec l'eau, HF, acide faible, est peu ionisé. − + + ↔ + F O H O H HF 3 2 De par cette faible ionisation, la réaction chimique n'est pas prépondérante dans le phénomène d'absorption. Ce phénomène s'explique par la formation de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau et les molécules d'acide fluorhydrique. INERIS PREV – avril 2005 – 46059 - toxique-rideau-eau-vers1.doc Page 6 sur 8 1.2.1.3. L'acide chlorhydrique anhydre HCl est très soluble dans l'eau. Température (°C) Solubilité (g/L) 0 823 20 670 40 633 60 561 Tableau 3 : Solubilité de l'acide chlorhydrique anhydre dans l'eau en fonction de la température Lors de son contact avec l'eau, HCl, acide fort, est fortement ionisé, favorisant ainsi son absorption. La chaleur de dissolution est faible, sans influence sur la réaction. 1.2.1.4. Le chlore La solubilité du chlore en fonction de la température est indiquée dans le tableau suivant : Température (°C) Solubilité (g/L) 0 14.6 20 7.16 40 4.51 60 3.24 Solubilité du chlore dans l'eau en fonction de la température Le chlore est très peu soluble dans l'eau. Par conséquent, l'effet recherché sera la dilution du nuage et non l'absorption, trop faible pour avoir un effet significatif. INERIS PREV – avril 2005 – 46059 - toxique-rideau-eau-vers1.doc Page 7 sur 8 1.2.2. Autres phénomènes 1.2.2.1. dilution (action mécanique) L’énergie cinétique des gouttes est convertie en force de traînée, provoquant l’aspiration du gaz dans leurs sillages. L’entraînement d’air et de polluant produit une dilution artificielle du nuage. Au niveau macroscopique, l'action mécanique du rideau d'eau consiste à injecter un débit d'air frais non pollué à l'intérieur du nuage de gaz dangereux incident. L’efficacité de la dilution est directement liée au débit et la pression d’eau pulvérisée, à la taille et la vitesse des gouttelettes. D'après les observations mentionnées dans la bibliographie, la dilution provoque un abaissement des concentrations dans le champ proche du rideau d'eau mais se révèle avec des effets limités dans le champ lointain. ([6], [8]) On peut penser que dans certains cas, la dilution pourrait même aggraver les conséquences s'il est tenu compte du risque mesuré en surface et non pas en distance. 1.2.2.2. transfert thermique Le transfert de chaleur dans un milieu biphasique liquide uploads/Litterature/ tox-rideau-eau-v1-0.pdf