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Évents d'explosion de poussières : guide de dimensionnement étape par étape

Méthode pour estimer la taille requise des évents d'explosion, panneaux de décharge / rupture, utilisés pour atténuer les explosions de poussières

Question ou remarque ? Veuillez nous contacter à admin@powderprocess.net

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Résumé de la section
1. Introduction
2. Prérequis pour le dimensionnement des évents d'explosion de poussières
3. Limites de la méthode
4. Procédure de calcul étape par étape
5. Conduits pour évents d'explosion de poussières
6. Autres méthodes de calcul

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Les évents d'explosion de poussières sont des équipements cruciaux pour assurer la sécurité d'un procédé manipulant des poussières combustibles. Cette page explique étape par étape comment estimer la taille d'un évent d'explosion de poussières.

1. Introduction

Il est obligatoire pour un exploitant d’ usine de réaliser une évaluation des risques d'explosion de poussières et de mettre en place toutes les mesures nécessaires pour prévenir les explosions. Cependant, dans certains cas, le risque résiduel reste trop élevé et desmesures d'atténuation des explosions

doivent être mises en œuvre, telles que des panneaux d'explosion sur les trémies, silos, filtres ou certains convoyeurs. Cette page explique comment sont conçus les panneaux d'explosion et propose des méthodes approximatives pour les dimensionner.

Les méthodes présentées ici ne sont pas précises ; elles sont utilisées uniquement à titre d'illustration des concepts guidant la conception et comme première approximation, par exemple pour des estimations budgétaires, mais

**NE DOIVENT PAS ÊTRE UTILISÉES POUR UNE CONCEPTION DÉTAILLÉE**. POUR UNE MISE EN ŒUVRE RÉELLE, FAITES TOUJOURS APPEL À UNE ENTREPRISE RECONNUE POUR DIMENSIONNER ET INSTALLER LES PANNEAUX. 2. Prérequis pour le dimensionnement des évents d'explosion de poussières

Connaître les

• propriétés d'explosion des poussières
• Pour pouvoir dimensionner un panneau d'explosion permettant de soulager la pression d'une explosion de poussières, il est nécessaire de connaître le comportement explosif de la poussière, c'est-à-dire mesurer les propriétés d'explosion du matériau. En particulier, les éléments suivants doivent être connus :

Kst (taux d'augmentation de la pression d'explosion, en bar.m/s)

Pmax (pression maximale d'explosion, en bar)

• Connaître les caractéristiques de l'équipement à protéger
• Le dimensionnement du panneau d'explosion variera en fonction du volume, de la forme et de la pression de conception de l'équipement à protéger. Il est donc nécessaire de recueillir les informations suivantes :
• Pression maximale admissible de service (en bar)

Volume de l'équipement (en m³)

Rapport longueur (hauteur) sur diamètre : L/D

• 3. Limites de la méthode
• La méthode présentée n'est valable que sous les hypothèses suivantes :
• Volume compris entre 0,1 et 10 000 m³
• Pression d'activation statique de l'évent comprise entre 0,1 et 1 bar (relatif)
• Pression réduite d'explosion comprise entre 0,1 et 2 bar (relatif), et doit être au moins égale à deux fois la tolérance de pression de rupture de l'évent
• Pmax comprise entre 5 et 10 bar si Kst est compris entre 10 et 300 bar.m.s⁻¹

Rapport Longueur/Diamètre (L/D) compris entre 1 et 20 ; pour les trémies de forme verticale (si la forme est horizontale, cette méthode ne s'applique pas)

Pression à l'allumage < 110 kPa et concentration en oxygène < 21 %

4. Procédure de calcul étape par étape

4.1 ÉTAPE 1 : recueillir les données caractéristiques d'explosion des poussières et les données de construction de l'équipement

Comme expliqué précédemment_{4.2 ÉTAPE 2 : définir le rapport L/D en fonction de la position de l'évent}Pour une trémie cylindrique verticale, le rapport hauteur/diamètre (L/D) dépendra de la position de l'évent, qui peut typiquement être installé soit sur le dessus, soit sur le côté. La « longueur » est alors la longueur maximale que la flamme, Lₑₓₚₑₖₜᵢᵥₑ (Leff), devra parcourir pour sortir de l'équipement par l'évent d'explosion.

Dans le cas où un cône est présent, la contribution du cône à la longueur efficace de la flamme est considérée comme étant 1/3 de la hauteur du cône [SHAPA 1].

Le « diamètre » est en réalité un diamètre effectif qui doit être calculé grâce au calcul du volume effectif.

Notez que dans certains cas, le trajet de flamme le plus long peut aller du sommet de la trémie jusqu'au bas du panneau d'explosion. Cela peut être le cas pour certains filtres.

4.3 ÉTAPE 3 : calculer la surface requise pour l'évent d'explosion

A = B*[1 + C*log₁₀(L/D)]

B = [3,264·10⁻⁵ * Pₘₐₓ * Kst * Pʳᵉᵈ⁻⁰·⁵⁶⁹ + 0,27*(Pₛₜₐₜ - 0,1)*Pʳᵉᵈ⁻⁰·⁵] * V⁰·⁷⁵³

C = [-4,305*log₁₀(Pʳᵉᵈ) + 0,758]

Avec :

A = surface requise pour l'évent (en m²)
V = volume réel de l'équipement (en m³)
Kst = taux d'augmentation de la pression d'explosion (en bar.m/s)
_{Pₘₐₓ = pression maximale d'explosion (en bar)}
Pʳᵉᵈ = pression réduite d'explosion (en bar) = pression réduite d'explosion en bar (il s'agit de la pression maximale cible dans l'équipement atteinte après l'ouverture du panneau d'explosion)
P_stat = pression d'ouverture statique du panneau d'explosion en bar (il s'agit de la pression statique de conception à laquelle le panneau d'explosion s'ouvrira)
L/D = L/D_eff = rapport de forme de l'équipement protégé par le panneau d'explosion

[SHAPA 2] mentionne qu’un facteur d’ efficacité doit être pris en compte pour corriger la surface de ventilation calculée. Il est alors crucial de concevoir le panneau avec le fabricant, qui sera en mesure de déterminer l’efficacité du système. Une telle conception ne doit pas être réalisée uniquement par les opérateurs de l’**usine**.

Si l’efficacité est, par exemple, de 90 %, alors la surface réelle requise sera A/0,9

4.4 Exemple de calcul de la taille d’un panneau d’explosion pour poussières

La trémie à protéger est située à l’extrémité d’une ligne de transport pneumatique. Il s’agit d’une trémie conique équipée d’un filtre, pour laquelle l’**usine** a déterminé, via son analyse des risques d’explosion de poussières, qu’elle devra être dotée d’un panneau d’explosion latéral. L’objectif est de vérifier la taille requise pour le panneau, afin de s’assurer de sa faisabilité d’installation, puis d’estimer son coût. Ce travail est réalisé en **conception préliminaire** et l’entreprise prévoit ensuite de faire appel à une société spécialisée pour validation en **conception détaillée**.

La trémie présente les dimensions suivantes :

• D = 2 m (diamètre)
• Hauteur cylindrique H_virole = 3 m
• Le panneau doit être positionné au-dessus du niveau de produit, soit à 1 m du sommet de la trémie (H)_vent = 2 m
• Hauteur du cône h_cône = 2,5 m
• Diamètre de sortie du cône d_o = 0,25 m

ÉTAPE 1 : recueillir les caractéristiques d’explosivité des poussières

Le produit stocké présente les caractéristiques suivantes :

• Kst = 150 bar·m/s
• Pmax = 8,5 bar

Compte tenu de la résistance mécanique de la trémie, l’**usine** souhaite que le panneau s’ouvre à 0,2 bar (rel.) et que la pression résiduelle Pred ne dépasse pas 0,5 bar (rel.).

ÉTAPE 2 : définir le rapport L/D

• Longueur efficace de flamme L_eff = 2,5/3 + 2 = 2,8 m (voir cas 2 du paragraphe 4.2)
• Le volume efficace V_eff = π·D^²/4·H_vent + (2π/3·(D^²/4 + (D/₂·d_o/2) + d_o^²/4))/3 = 7,08 m³
• Le diamètre efficace est alors D_eff = 2·(V_eff/L_eff/π)^{^0,5} = 1,78 m
• Le rapport L/D_eff = 2,8/1,78 = 1,58

La taille requise pour le panneau peut alors être calculée :

• V = 12,4 m³ (le couvercle supérieur est considéré plat ici pour simplifier les calculs)
• B = 0,66
• C = 2,05
• A = 0,94 m²

Il est nécessaire d’installer un panneau d’une surface > 0,94 m² pour protéger la trémie.

AVERTISSEMENT : le calcul ci-dessus est fourni à titre illustratif sur ce site ; il ne peut être utilisé pour une **conception détaillée**. Toute autre utilisation se fait sous la seule responsabilité de l’utilisateur. La **conception détaillée** doit impérativement être réalisée par une entreprise spécialisée.

5. Conduites de ventilation d’explosion

Il est parfois nécessaire d’orienter la flamme et l’onde de pression de l’explosion à l’écart de l’équipement, par exemple vers l’extérieur d’un bâtiment. Cela est réalisé par l’installation d’une conduite en sortie du panneau d’explosion. La présence de la conduite est un paramètre de conception majeur, car elle influence la pression réduite réelle atteinte dans l’équipement protégé. Après avoir calculé la surface de ventilation requise selon la méthode décrite ci-dessus, il est donc nécessaire de corriger la pression réduite d’explosion en raison de la présence de la conduite. Si la pression réduite devient trop élevée, la conception du panneau doit être ajustée.

Dans tous les cas, le **diamètre intérieur** de la conduite doit être au moins égal à celui du panneau. [SHAPA 2] précise que la conduite doit être droite.

La pression réduite en présence d’une conduite peut être calculée, pour des équipements d’un volume maximal de 100 m³, par la formule suivante [Laurent] :

P'_red/P_red = 1 + 17,3·(A/V^{^0,753})^{^1,6}·(L/D)

Avec :

P'_red = pression réduite avec conduite (bar rel.)
P_red = pression réduite sans conduite (bar rel.)
L = longueur de la conduite (m)
D = diamètre intérieur de la conduite

Un point important à considérer est pour l'éventage sans flamme (arrête-flammes) : une étude [Grégroire] a montré que les formules ci-dessus n'étaient pas directement applicables à ce type d'évents, car la dynamique des fluides y est totalement différente en raison de la présence d'un filtre. Ces systèmes présentent de nombreux avantages, mais leur dimensionnement doit impérativement être confié à leurs seuls fabricants,, seules entités disposant de suffisamment de données pour dimensionner correctement ces évents.

6. Autres méthodes de calcul

La méthode présentée ci-dessus est en réalité dérivée d'une méthode antérieure appelée méthode "nomographie". Il s'agit d'une méthode graphique proposée comme norme allemande VDI dès 1979 et révisée à plusieurs reprises. Cette méthode a servi de base à d'autres normes aux États-Unis, en France, etc.

[Laurent] rapporte que les équations ci-dessus peuvent être légèrement modifiées afin de prendre en compte la turbulence dans l'enceinte au moment de l'explosion, paramètre très influent dans ce phénomène.

Un coefficient de turbulence τ est introduit, avec τ compris entre 0 et 3,5 :

La NFPA recommande la formule suivante [Agarwal] :

A_{_v} = a.(V^{^(2/3)}).(Kst)^{^b}.(P_{_red})^{^c}

a = 5,71×10^{^(-4)}*exp(2*P_{_stat})

b = 0,978*exp(-0,105*P_{_stat})

c = -0,687*exp(0,0226*P_{_stat})

Avec

A_{_v} = Surface d'évent requise en m^²
V = Volume de l'enceinte vide en m^³
Kst = Valeur caractéristique d'explosivité des poussières en bar.m/s
P_{_red} = Pression réduite en bar(g) (pression maximale atteinte dans l'enceinte lors d'une explosion avec évent), elle ne doit pas dépasser 2/3 de la pression de rupture de l'enceinte.
P_{_stat} = Pression d'ouverture de l'évent en bar(g), elle doit être > 0,1 bar(g) (l'équation ci-dessus n'est pas validée pour des pressions inférieures), tandis qu'une bonne pratique consiste à la régler à 0,5 psi au-dessus de la pression de fonctionnement de la trémie.

Les mesures mises en œuvre pour éviter les sources d'inflammation et le type de mitigation d'explosion choisi, doivent être décrites dans l’**analyse des risques d’explosion de poussières** (Dust Hazard Analysis) et les mesures à mettre en place doivent être expliquées. Les conclusions de l'analyse des risques doivent être appliquées par l’**usine**.

Source

[SHAPA 1] Dimensionnement des évents de décharge d'explosion, SHAPA Bulletin Technique 10

[SHAPA 2] Dimensionnement des évents de décharge d'explosion, SHAPA Bulletin Technique 10 révisé, 2013

[Laurent] Sécurité des procédés chimiques, André Laurent, Tec & Doc, 2003, pages 257-261

[Grégroire] Évents sans flamme : réalisations et difficultés, Grégroire et al, Ineris, 2016
[Agarwal] Explosions de poussières : prévention et protection, *Chemical Engineering Magazine*