II Dispersion Modelisation

Diapositive de titre, ce premier bloc est consacré au titre© Ce document est la propriété de l ’INERIS. Il ne peut pas être reproduit ou exploité sans son accord - 2012
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II. Dispersion atmosphérique
© Ce document est la propriété de l ’INERIS. Il ne peut pas être reproduit ou exploité sans son accord - 2012
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Terme source
Modélisation
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Terme source
Modélisation
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Etat du fluide à pression et température ambiante
Etat de stockage du fluide
liquide
liquide
gaz
gaz
liquide
pressurisé
cryogénique
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Schéma de principe
Instantané
Exemple:
Fumées d’incendie
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Terme source
Evaporation de nappe
Dispersion du nuage
Modélisation
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Brèche
Zone passive
Phénoménologie (1)
Le comportement de l’obstacle peut être assimilé à celui du sol : Dans les deux cas on observera deux phase.
1/ la fraction liquide se vaporise totalement (ou presque) au moment de l’impact le temps que la zone du point d’impact se refroidisse
2/ Une bonne partie du liquide est captée, capturée, par la surface froide (température bien inférieure à la température d’ébullition du fluide)
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Phase passive
Vitesse du jet = vitesse du vent
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Obstacle
- sur l’obstacle
- sur les sondes
Produit piégé dans
FILM
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Mécanismes physiques mis en jeu selon la nature du produit stocké
Rapport -19 de l’INERIS « Détermination des grandeurs caractéristiques du terme source nécessaires à l’utilisation d’un modèle de dispersion atmosphérique des rejets accidentels »
rainout
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Stockages à pression atmosphérique
- substance liquide à température ambiante
(pression de vapeur saturante < 1 atm à Tamb et Tébul > Tamb - ex. : styrène, xylène, benzène)
- gaz liquéfié par réfrigération (ex. : NH3 à -33°C, GNL à -162°C)
REJETS LIQUIDES
- gaz sous pression REJET GAZEUX
Incendies émettant des fumées
REJETS GAZEUX + suies
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Modélisation du terme source: rejet 100% liquide
Pres
Patm
Dh
Q
Bernoulli:
: masse volumique du liquide (kg/m3)
Cd : coefficient de décharge (0.62 bord épais / 0.82 bord mince /0.96 bord arrondi)
S : section de l'orifice (m2)
g : 9,81m/s2
h : hauteur de liquide (m)
P : pression relative dans le réservoir (Pres - Patm) en Pascal (Pa)
Le moteur (vitesse du fluide) de tout type d’écoulement est la différence de pression entre le contenant et l’air ambiant dans lequel le fuite va se propager.
Le principal frein à cet écoulement est la masse volumique du fluide.
Une fois la vitesse du fluide obtenue (racine carrée de 2 fois la différence de pression divisée par la masse volumique), le débit massique est proportionnel à la masse volumique du fluide et à la section de passage de fluide (c à d au carré du diamètre de la brèche).
Les pertes de charge en lignes (frottement entre le fluide et les aspérités de la canalisation) et les pertes de charges singulières (« accident » de géométrie d ’un réseau : coude, embranchement, modification de diamètre…) ralentissent le fluide.
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Pa : Pression atmosphérique (Pa)
ρg : Masse volumique dans le réservoir (kg/m3)
Cd : Coefficient de décharge
g = CP/Cv
S
Q
Brèche
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ρg : Masse volumique dans le réservoir (kg/m3)
Cd : Coefficient de décharge
g = CP/Cv
Modélisation du terme source: rejet 100% gazeux (2)
S
Q
Brèche
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Les pertes en ligne dépendent principalement:
du diamètre des canalisations
de la géométrie du réseau (coudes, changements de diamètre, jonctions, vannes …)
Effet de constriction
se traduit par un coefficient de décharge Cd
Pertes en ligne
Effets de constriction
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Apparition de phénomènes complexes :
Phénoménologie
Fort écart de débit par rapport à un rejet purement gazeux ou purement liquide
Formules de détermination de débit précédentes inutilisables
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Rejet essentiellement liquide
Formule de Lackmé [1]
Formule de Fauske [2]
Rejet « à l’équilibre »
Formule de Wheatley [3]
Calcul du débit de fuite: plusieurs cas
[1] Thermodynamics of Critical Two-Phase Discharge from Long Pipes of initially Subcooled Water , Heat Transfer in Nuclear Reactors, pp 391-407 1980
[2] Source term consideration in connection with chemical accicents and vapour cloud modelling, J. Loss Prev, Process Ind, Vol 1, p 75, 1988
[3] Discharge of liquid ammonia to moist atmospheres – Survey of experimental data and model for estimating initial conditions for dispersion calculations”, SRD/HSE/R410. United Kindom atomic energy 1987
Réf:
Psat = Pression de vapeur saturante (Pa)
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Cas des rejets confinés
Paramètres supplémentaires
Fuites au niveau des parois
Effets retardateurs
Paramètres supplémentaires
Brèche
obstacle
Évaporation
Capture
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Exercice
La rupture guillotine d’un bras de déchargement de wagon est envisagée. Les 60 tonnes de propylène ou propène (C3H6) présentes dans le wagon sont relâchées à travers le bras de déchargement. Aucun système de sécurité ne fonctionnant, la durée de fuite est indéterminée.
Question 1: Déterminer l’ensemble des paramètres qui vous semblent nécessaires à la réalisation de la modélisation.
Question 2: Calculer le débit de fuite en partie amont. Le logiciel donne un débit de 34,2 kg/s. Critiquer cette valeur obtenue par rapport à la configuration.
Question 3: Calculer le débit de fuite à l’aide du logiciel ALOHA
Data:
Meteorological conditions : Wind speed: 2 m/s (10 meters high), wind direction: West, Clear cloud cover, Air temperature: 10 °C, Humidity: 70%,
Ground roughness: Open country
35m
2m
1m
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Terme source
Modélisation
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Les transfert de masses
Les transferts de chaleur
Flux
solaire
Évaporation
Surface de la nappe
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Vent
Flux
solaire
Évaporation
Surface de la nappe
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Transferts de masse: modélisation du terme source (1)
Corrélation de Mackay et Matsugu (“ Evaporation Rates of Liquid Hydrocarbon Spills on Land and Water ”, Canadian Journal of Chemical Engineering vol.51, August 1973)
Corrélation du TNO 3.75 (Yellow book, third edition, 1997)
…
Qévap
C
Psat
M
T
Température du fluide (K)
Cette distinction n’est que théorique car la phase d’évaporation gouvernée par les transferts de chaleur est relativement brève.
De plus, il semble que le mode de formation de la flaque joue sur la composition de cette dernière : des essais réalisé avec des jets de GPL montrent que dans la flaque on trouve du liquide mais également de la matière solide.
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Limites sur les modèles
Débits d’évaporation très variables d’une corrélation à l’autre (facteur 2, 3…pour une même configuration)
Ecarts liés aux conditions d’essais différentes d’une corrélation à l’autre
Nature du produit testé (peu ou très évaporant)
Conditions extérieures (air libre ou confiné)
Vitesse du vent (air libre ou confiné)
Taille de la nappe utilisée
Transferts de masse: modélisation du terme source (2)
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Surface de la nappe
Vent
Flux
solaire
Évaporation
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Estimation du débit d’évaporation
Corrélation du TNO 3.74 (Yellow book, third edition, 1997)
avec
Evaporation par transferts de masse (vent) et par flux solaire négligeable
Qévap
Qsol
s
Ts
as
t
Temps (s)
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Terme source
Transport / Diffusion
Conditions météorologiques
Conditions environnementales
Modélisation
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Dispersion du nuage en champ lointain
Évolution du nuage dans l’atmosphère régie par 2 phénomènes physiques :
Le déplacement du nuage : transport (= advection)
La dilution du nuage : diffusion
Conditions environnementales : obstacles, rugosité, relief, occupation du sol
Paramètres influençant cette évolution
Conditions météorologiques : vitesse du vent, stabilité atmosphérique
La difficulté majeure en dispersion atmosphérique est que généralement, chaque grandeur influant sur le phénomène a deux actions antagonistes : il est donc très difficile de déterminer a priori si la variation d ’un paramètre dans un sens va plutôt aller dans le sens de la sécurité ou non.
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Rappel diffusion
1)
2)
3)
La difficulté majeure en dispersion atmosphérique est que généralement, chaque grandeur influant sur le phénomène a deux actions antagonistes : il est donc très difficile de déterminer a priori si la variation d ’un paramètre dans un sens va plutôt aller dans le sens de la sécurité ou non.
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Durée/type du rejet
A
B
B
A
A
A
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Gaz passif
Gaz lourd
Gaz léger
Gaz de même densité que l’air Gaz très dilué dans l’air Pas d’effet de jet (évaporation)
Gaz de forte densité à Tamb (Cl2, COCl2 …) Rejet diphasique (GPL pressurisé …) Gaz froid
Gaz de densité plus faible que l’air (H2, CH4, NH3 gazeux …) Gaz chaud (fumées d’incendie …)
Transport à la vitesse du vent Dilution par la turbulence atmosphérique
Effets de gravité Effondrement Dilution latérale accrue Frottement à la surface du sol Fortes concentrations à la surface du sol
Elévation Dilution augmentée par cisaillement du vent Concentrations plus faibles à la surface
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Champ lointain : gaz dense
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Terme source
Modélisation
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3 m/s
5 m/s
10 m/s
Plus la vitesse du vent est élevée, plus le nuage polluant se déplace vite. Les frottements avec l’air sont donc plus importants. Cela augmente les turbulences et contribue donc à mieux diluer le nuage de polluant.
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Déplacement vertical d ’une masse d ’air
Conditions météorologiques: la stabilité atmosphérique (1)
Rappel
Air sec = 0,98 °C / 100 m
Air humide = 0,55 °C / 100 m
Taux de refroidissement - Gradient thermique adiabatique :
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OMEGA 12
Atmosphère instable
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Classification
F très stable
Ce tableau permet de connaître les associations stabilité / vitesse de vent possible ainsi que les conditions dans lesquelles elles peuvent se rencontrer.
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Rejet vertical ou rejet de gaz léger
D - 5 m/s
F - 3 m/s
A - 3 m/s
E - 3 m/s
F - 3 m/s
Réglementation française
Phast v6.51
Circulaire du 10 mai 2010
La condition D est la conditions atmosphérique que l’on peut rencontrer le plus souvent (nuit et jour sauf en cas d’ensoleillement fort)
Dans le cas d’un rejet au niveau du sol (à hauteur d’homme) on sait à l’avance qu’une condition F3 sera défavorable (les distances de sécurités obtenues seront les plus grandes)
Dans le cas d’un rejet en altitude (toutes les fumées d’incendie par exemple), on ne sait pas dire a priori quel sera la condition atmosphérique la plus pénalisante : il faut donc explorer un panel de conditions.
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Terme source
Modélisation
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Obstacle
FILM
Un obstacle crée des zones de re-circulation qui peuvent soit contribuer à l’accumulation de polluants, soit protéger la zone : cela dépend de la position du rejet par rapport à l’obstacle et à l’orientation du vent.
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10 m
0 m
Influence de la rugosité du sol sur la vitesse du vent
Rugosité du sol
Lorsqu’on parle de condition F3, cela correspond à une vitesse de vent de 3 m/s mesurée à 10 m d’altitude. Lorsqu’on s’approche du sol, les éléments occupant le sol perturbent le champ de vent et ont pour effet principal de réduire la vitesse du vent.
Globalement, plus la taille des éléments occupant le sol est fait, moins le module de la vitesse du vent est modifié.
L’effet de la rugosité du sol sur le nuage de polluant est double :
Pour une rugosité élevée, la vitesse du vent étant réduite, le nuage de polluant est mélangé à l’air plus lentement
Toutefois, localement, la présence d’éléments de grande taille crée plus de turbulences ce qui contribue à augmenter la dilution du nuage
Malgré ces deux effets antagonistes, l’expérience montre que sur une grande distance c’est de l’augmentation des turbulences par une rugosité élevée qui l’emporte. Ainsi, en cas de modélisation d’effets toxiques (quand on cherche des concentrations faibles), une rugosité faible (0,1 par exemple) ira dans le sens de la sécurité. En revanche, ceci n’est pas forcement vrai à proximité de la zone de rejet (concentrations élevées dans le cas de la recherche d’une LIE par exemple).
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Influence du relief sur le panache
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Terre
Air froid descendant
Air chaud montant
Brise de terre
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Terme source
Modélisation
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Modèle gaussien
Exemples : ALOHA (EPA/NOAA, USA), EPIcode (Homann Associates, Inc.), INPUFF (EPA)….
Modèle CFD (= Computational Fluid Dynamics)
Equation de la mécanique des fluides moins simplifiées
validité : 1 cm < d < 2 km
Exemples : Fluent, Phoenics, Star-CD, Flacs, Fluidyn…
Modèle de type intégral
validité : 20 m < d < 10 km
Exemples : EFFECTS (TNO, Pays-Bas), SAFER (Safer Systems, USA), PHAST (DNV Software, UK)….
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La concentration est calculée sur l’axe du panache
Une loi Gaussienne (statistique) permet d’en déduire la concentration dans tout le panache
Z
Y
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H : hauteur d'émission (m)
Modèle Gaussien (2)
Rejet instantané
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Rejet continu
Un rejet prolongé est assimilé à une succession de bouffées élémentaires
Les effets s’additionnent aux différents points de l’espace, à chaque instant

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Principe
Solution de l’équation de dispersion est une loi de distribution gaussienne dans l’espace
Applications
Situation d’urgence
Valables pour des distances comprises entre 100 m et 10 km
Hypothèses simplificatrices
Relation simple entre la diffusion turbulente et le gradient moyen de concentration
Néglige la diffusion moléculaire
Champs de vent uniforme (en vitesse et direction) dans le temps et l ’espace
Turbulence homogène et isotrope
Exemples de logiciels
ADMS : logiciel de nouvelle génération (tient compte de la topographie)
Modèle Gaussien (4)
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Approche paramétrique prudente
Limitations
Météo constante, ni reliefs, ni obstacles
Inadapté pour des rejets faible vitesse, vent faible car néglige la diffusion moléculaire
Exemple de logiciels
EFFECTS (TNO, Pays-Bas)
SAFER (SAFER System, USA)
Phast v6.51
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Modèle CFD
Applications / Hypothèses
Prise en compte des fluctuations turbulentes, des obstacles et du relief
Simulation d’environnements complexes
Principe
Utilisation de modèles de turbulence
Limitations
Temps de calcul important
Précision dépendant de la méthode de résolution, du maillage utilisé, du choix des modèles...
Exemples
FDS modelling
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Cas : Installation frigorifique - Rejet d’ammoniac dans la salle des machines
Objectif : Calcul des concentrations au niveau des maisons
Modèle CFD: application d’un modèle (1)
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Maillage
Utilisation du code Saturne
Route Nationale n°3"
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Coupe horizontale
26.bin
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Modèle CFD: cadre réglementaire
Les deux conditions pour lesquelles l’utilisation de la CFD est acceptée par l’administration sont:
Scénarios présentant un milieu composé de nombreux obstacles naturels ou anthropiques
Scénarios aboutissant à des distances d’effets irréversibles (SEI) de plusieurs
milliers de mètres avec des modèles intégraux ou gaussiens
(Des distances d’effets irréversibles (SEI) inférieures à 2000 m seront particulièrement examinées)
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Exercice (suite)
La rupture guillotine d’un bras de déchargement de wagon est envisagée. Les 60 tonnes de propylène ou propène (C3H6) présentes dans le wagon sont relâchées à travers le bras de déchargement. Aucun système de sécurité ne fonctionnant, la durée de fuite est indéterminée.
Question 1: En utilisant le logiciel ALOHA, modéliser le nuage toxique à hauteur d’homme à 1000, 1500, 2000 ppm suite à la dispersion du propylène (seule la contribution amont est étudiée)
Données:
Durée de fuite: 30 min
Conditions météorologiques: B/2, Temps clair, Température de l’air: 15 °C, Humidité: 70%, direction du vent: Ouest
Rugosité du sol: 3 cm
Question 2: Donner la concentration de propylène à 200 m de la source à hauteur d’homme dans l’axe du rejet
1m
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Terme source
Modélisation
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Définition
Concentration d’un gaz toxique dans l’air ambiant à partir de laquelle des effets sur la santé des personnes exposées sont observés
En France, plusieurs seuils réglementaires
SEI: Seuil d’Effets Irréversibles
SEL (CL 1%): Seuils des premiers Effets Létaux (dangers graves)
SELS (CL 5%) : Seuils des Effets Létaux Significatifs (dangers très graves)
Détermination d’un seuil d’effets toxiques associé à un produit
A partir de différents résultats d’essais menés sur des rats / souris
Pour différentes durées d’exposition et différents niveaux de concentration
Extrapolation de ces résultats à l’être humain, par des experts toxicologues
Détermination des couples de données (durée d’exposition / niveau de concentration) capables de générer des effets chez l’homme
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Exemple: SEI pour du Dichlore (Cl2) (Réf: fiche INERIS)
Données accessible sur le site de l’INERIS pour:
≈ 60 produits
Les 3 seuils d’effets toxiques réglementaires (SEI, SEL, SELS)
Pour des durée d’exposition comprises généralement entre 1 et 60 min
Mélanges de produits :
1/Séquivalent = C1/S1+C2/S2+…+Cn/Sn
Avec C la fraction volumique du produit pur composant le polluant total (en % volumique) et Sx le seuil d’effet du produit x (en ppm).
Pour calculer un n équivalent, il faut calculer deux seuils équivalents pour deux durées d’exposition différentes.
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Détermination du paramètre n
n peut être calculé à partir du tableau précédent
Relation de Haber (1)
C : Concentration
t : Durée d’exposition
n : Paramètre associé à un produit et des effets toxiques recherchés
I = ò Cn(t) * dt
(Relation de Haber)
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Droite de régression linéaire
(a = -1/n)
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Le produit toxique ne suit pas la loi de Haber
Droite de régression linéaire
Rupture de pente
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SEI: Seuil d’Effets Irréversibles
SEL (CL 1%): Seuils des premiers Effets Létaux (dangers graves)
SELS (CL 5%) : Seuils des Effets Létaux Significatifs (dangers très graves)
Dépendent de la nature du produit et de la durée d’exposition
A noter qu’en pratique, les seuils peuvent varier d’une personne à l’autre suivant les hypothèses
Bébé
Sportif
…
En l’absence de seuils réglementaire français, possibilité d’utiliser d’autres seuils
Guide pratique de choix des valeurs seuils de toxicité aigue en cas d’absence de valeurs françaises (sur le site de l’INERIS) 2008
Seuils américains …
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Toxicité d’un mélange d’espèces (ex: fumées d’incendie)
Gaz toxique
Equivalent threshold (-)
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AEGL : Acute Exposure Guideline Level
ERPG : Emergency Response Planification Guideline
IDLH : Immediately Dangerous to Life or Health
IDLH 1987 ppm / 30 min
IDLH 1994 ppm / 30 min
AEGL (ppm / 30 min)
1 100
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AEGL : Acute Exposure Guideline Level
AEGL-1 is the airborne concentration, expressed as parts per million or milligrams per cubic meter (ppm or mg/m3) of a substance above which it is predicted that the general population, including susceptible individuals, could experience notable discomfort, irritation, or certain asymptomatic nonsensory effects. However, the effects are not disabling and are transient and reversible upon cessation of exposure.
AEGL-2 is the airborne concentration (expressed as ppm or mg/m3) of a substance above which it is predicted that the general population, including susceptible individuals, could experience irreversible or other serious, long-lasting adverse health effects or an impaired ability to escape.
AEGL-3 is the airborne concentration (expressed as ppm or mg/m3) of a substance above which it is predicted that the general population, including susceptible individuals, could experience life-threatening health effects or death.
≈SEI
≈SEL
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Exemple de seuils issus de la réglementation américaine (3)
The Emergency Response Planning Guideline (ERPG) values are intended to provide estimates of concentration ranges where one reasonably might anticipate observing adverse effects as described in the definitions for ERPG-1, ERPG-2, and ERPG-3 as a consequence of exposure to the specific substance.
The ERPG-1 is the maximum airborne concentration below which it is believed that nearly all individuals could be exposed for up to 1 hr without experiencing other than mild transient adverse health effects or perceiving a clearly defined, objectionable odor.
The ERPG-2 is the maximum airborne concentration below which it is believed that nearly all individuals could be exposed for up to 1 hr without experiencing or developing irreversible or other serious health effects or symptoms which could impair an individual's ability to take protective action.
The ERPG-3 is the maximum airborne concentration below which it is believed that nearly all individuals could be exposed for up to 1 hour without experiencing or developing life-threatening health effects.
≈SEI (60 min)
≈SEL (60 min)
≈Seuil d’Effets Réversibles (60 min)
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Exemple de seuils issus de la réglementation américaine (4)
IDLH is an acronym for Immediately Dangerous to Life or Health, and is defined by the US National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) as exposure to airborne contaminants that is "likely to cause death or immediate or delayed permanent adverse health effects or prevent escape from such an environment." Examples include smoke or other poisonous gases at sufficiently high concentrations.
≈SEL
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Démarche antérieure
Etude des effets au sol uniquement
Nouvelle démarche
Modélisation du panache toxique en hauteur
Distances d’effets toxiques en hauteur
Maitriser l’urbanisation: bâtiments grande hauteur aux abords des sites industriels
Phast v6.51
FILM
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Exercice
Question 1: Une fuite de Cl2 se produit dans une canalisation. Les différentes iso-concentration observée dans le nuage sont présentées sur le schéma suivant:
Tracer directement sur le schéma les distances d’effets à 1 m de hauteur au Seuil d’Effet Irréversible (SEI) pour une durée de fuite de:
1 min
30 min
Question 2: En utilisant le logiciel ALOHA, calculer les distances d’effets irréversibles (SEI) à hauteur d’homme liées à un rejet de CO d’une durée de:
10 min
30 min
Débit de fuite de 20 kg/s
Conditions météorologiques: D/5, couvert, température de l’air: 5°C, taux d’humidité: 50%, direction du vent: Est
Rugosité du sol: 20 cm
Hauteur de rejet: 1 m
SEI (CO 30 min) = 1 500 ppm
Question 3: Même question avec une vitesse de vent de 10 m/s. Conclusion
20 ppm
50 ppm
100 ppm
200 ppm
Distance (m)
0
20
40
1m
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Seuils d’effets issus de la réglementation française
SEI
SELS (CL 5%)
dépendent de la nature du produit et de la durée d’exposition
Phénomènes susceptibles de générer un nuage de gaz toxiques
Brèche dans une canalisation ou un réservoir
Rupture de canalisation
Evaporation de nappe
Ruine de réservoir

Documents

II Dispersion Modelisation