Paris,�27�mars�2013
Les�Journées�d’information�du�Cedre�
La�modélisation de�la�dispersion�des�produits chimiques
Laurent�Aprin
Institut�des�Sciences�des�Risques,�LGEI,�Ecole�des�Mines�d’Ales
Plan
1. Introduction• Contexte• Description phénoménologique
2. Les mécanismes de dispersion en milieu aquatique
3. Les stratégies de modélisation• Rejet de produit en surface• Rejet de produit en profondeur
4. Exemple de modélisation
2
MarineTraffic.com 3
Contexte
Accidents�maritimes significatifs impliquant des�Substances�Nocives�et�Potentiellement�Dangereuses�(SNDP)
Hazardand�
Noxious Substances(HNS)
Contexte
Source: European Maritime Safety Agency (EMSA)4
Evolution�des�accidents�maritimes impliquant des�SNPD
� Augmentation�constante du�transport�des�produits chimiques par�voies maritimes
Number of accidents involving HNS
Augmentation�de�la�probabilité�d’accidents�ayant�des�conséquences�graves�
5
Contexte
� Multiplication�des�échanges�par�3.5�en�20�ans
� Grande diversité des produits chimiques
� Comportements�physico�chimiques�différents�en�milieu�marin�� Code�SEBC
Grande�variété�des�produits�transportés
Différentes�stratégies�d’intervention�
Caractéristiques�du�polluant
� Pétroles� Produits chimiques� Produits agroalimentaires
Caractéristiques�des�zones�polluées
� Mer, océan, estuaires…� Parc marins, zones protégées� Zone d’aquacultures, de pêches ou de tourismes 6
Contexte
Exemple�d’accident
Ievoli�Sun�(2000)� Quantités�transportées
� Styrene :4000�T� Methyl Ethyl Ketone (MEK)�:1000�T� Iso�Propylique Alcohol (IPA)�:�1000�T
� Quantités�rejetées:�� Styrene :400�T�� Methyl Ethyl Ketone :100�T� Iso�Propylique Alcohol :�1000�T
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Contexte
Entrée�d’eau�dans�le�compartiment�du�propulseur�d’étrave
Source: French Navy
Exemple�d’accident
Ievoli�Sun�(2000)
8
Contexte
SubstancesTransport�maritime
• Styrène• MEC• IPA
Phase S d Vp[%] [kg/m3] [kPa]
LLL
0,0326,379
906805786
0,66710,334,1
FEDED
� Formation�d’un�nuage�toxique�?� Risque�de�feu�ou�d’explosion�?
� Conditions�non�représentatives� Présence�possible�de�différents�produits
� Modification�de�la�solubilisation� Réaction�chimique
� Aucune�prise�en�compte�de�la�dynamique� Solubilisation� Compétitions�des�phénomènes
� Produit�pur� Petite�quantité� 20°C� Pression�atmosphérique� Eau�douce
Conditions�de�la�classification Conditions�réelles
� Pureté�non�garantie� Plusieurs�tonnes� 4°C� 10�bar� Eau�de�merLimites
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Description�phénoménologique
Evaporant�(ex�:�Styrene)Coulant�(ex:�Toluene Diisocyanate)�
Flottant�(ex�:Dodecylbenzene) Soluble�(ex�:�butanol)
Exemple�de�comportements
10
Description�phénoménologique
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Quantité
évaporée
Quantité
solubilisée
Etalement
Les�mécanismes�de�dispersion
Rejets de�polluants en�surface�1. Détermination�du�terme�source�(quantité�rejetée�ou�débit)�>�Bernoulli2. Bilan�de�matière�en�fonction�du�temps
Quelle�surface�de�produitQuelle�quantité�évaporée?Quelle�quantité�solubilisée�?Combien�de�temps�?
12N surfaces Sspillet Qevap et QsolSurface S
Modélisation
Stratégie de�ModélisationDivision�de�la�nappe�en�éléments�unitaires�(spillet)�pour�représenter�la�surface�totale�de�la�nappe
1. Calcul�de�l’évolution�de�chaque�spillet au�cours�du�temps�(Schéma�de�discrétisation�de�type�Runge�Kutta)�• Taux�d’étalement�de�chaque�spillet (Nihoul,�1983)• Quantité�évaporée�(Mackay�et�Matsugu,�1973)• Quantité�solubilisé�(Hayduk�et�Laudie,�1974)
2. Bilan�de�matière�pour�chaque�spillet
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Modélisation
Stratégie de�ModélisationDivision�de�la�nappe�en�éléments�unitaires�(spillet)�pour�représenter�la�surface�totale�de�la�nappe
1. Calcul�de�l’évolution�de�chaque�spillet au�cours�du�temps�(Schéma�de�discrétisation�de�type�Runge�Kutta)�• Taux�d’étalement�de�chaque�spillet (Nihoul,�1983)• Quantité�évaporée�(Mackay�et�Matsugu,�1973)• Quantité�solubilisé�(Hayduk�et�Laudie,�1974)
2. Bilan�de�matière�pour�chaque�spillet
3. Couplage�avec�les�prévisions�hydrodynamiques1. Déplacement�des�spillets à�chaque�pas�de�temps
Rejet de�polluants en�profondeur
1. Détermination�du�terme�source�(quantité�rejetée�ou�débit)�>�Bernoulli2. Mode�de�dispersion�du�produit3. Hydrodynamique�de�remontée�(vitesse)4. Transfert�de�matière�(solubilisation)�
Apparition�du�produit�en�surfaceQuel�volume�en�surface�?Quand�?Combien�de�temps�?
Fraction
soluble
Fraction
flottante
Fraction
évaporée
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Les�mécanismes�de�dispersion
Modélisation du�débit à�la�brèche
1. Deux�comportements�hydrodynamiques
2. Modélisation�par�un�bilan�énergétique�local�(Bernoulli)
15
Sortie�de�liquide
Entrée�d’eau
2�orifices
1�orifice
15
Modélisation
Modélisation du�débit à�la�brèche
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Ecoulement�diphasique�à�l’orifice�de�sortie
Débit�Q�constant,Section�� linéaireDébit�Q�constant,Section�� linéaire
Ecoulement�monophasique�à�l’orifice�de�sortie
Modélisation
Débit�Q�linéaire,Section�� constante
Débit�Q�linéaire,Section�� constante
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Bas
Haut
0 15 25 85 100 140Temps [s]
20 cm20 cm
2,2
m
Modélisation
Modélisation de�la�fragmentation�du�jet
Evaluation�de�la�distribution�granulométrique
Modélisation de�la�fragmentation�du�jet
� 2�types�de�distributions�granulométriques� Diamètre�maximal�des�gouttes�de�22�mm
18
Q < 6 L/minQ > 6 L/min
18
Modélisation
Modélisation de�la�fragmentation�du�jet
� Représentation�des�distributions�granulométrique�par�des�log�normale1. Rejet�monophasique�:�distribution�mono�modale2. Rejet�diphasique�:�distribution�bi�modale
19Rejet�monophasique Rejet�diphasique
Modélisation
Modélisation de�l’hydrodynamique�des�gouttes
1. Modélisation�de�la�vitesse�de�remontée�des�gouttes�avec�la�corrélation�de�Clift (1978)
2. Couplage�avec�les�prévisions�hydrodynamiques�pour�prendre�en�compte�le�déplacement�du�panache�de�bulles
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Modélisation
CDOG�model,�Clarkson�Univeristy
Modélisation d’une�fuite�de�butanol�sur�un�chimiquier
1. Fuite�d’une�cuve�de�600�m32. Brèche�sur�un�piquage�de�10cm�de�diamètre
Source: BEAMerCEPPOL�:�Centre�d'Expertises�Pratiques�de�Lutte�Antipollution
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Exemple
Modélisation d’une�fuite�de�butanol�sur�un�chimiquier
1. Modélisation�du�débit�de�fuite�:�vidange�en�1h442. Dispersion�dans�la�colonne�d’eau
1. Nombre�de�gouttes�par�classe�de�diamètre�pour�1�m3�de�produit�libéré2. Répartition�du�volume�par�classe�pour�1�m3�de�produit�libéré
22
Exemple
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
1
2
3
4
5
6
7x 105
Diamètre [mm]
Effe
ctif
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
Diamètre [mm]
Vol
ume
[m3]
Modélisation d’une�fuite�de�butanol�sur�un�chimiquier
1. Solubilisation�des�différentes�classes�de�gouttes• Evolution�du�volume�en�fonction�du�temps�(�t =�15 s)
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Exemple
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
Diamètre [mm]
Vol
ume
[m3]
t�=�0
t�=�2�min�30�s
Modélisation�d’une�fuite�de�butanol�sur�un�chimiquier
Evolution�du�volume�en�surface�sur�le�volume�initial�en�fonction�de�la�hauteur
Après 10 m : 96% du volume total est solubiliséAprès 20 m : le butanol est totalement solubilisé
0 5 10 15 20 250
10
20
30
40
50
60
70
80
X: 10Y: 3.24
Hauteur parcourue h [m]
Vol
ume
à h
/ Vol
ume
libér
é [%
]
24
Exemple
Modélisation de�la�dispersion�des�produits�chimiques�en�mer
Prise�en�compte�d’autres�mécanismesSédimentationBio�accumulationVolatilisation
Prise�en�compte�des�paramètres�environnementauxTempérature�de�l’eauSalinitéPression�hydrostatique
25
Le�futur
Merci�de�votre�attention
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