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Theses Year : 2020

New insights on the explosion severity of nanopowders: a nano-grain of sand in the gears of the standards

Nouvelles considérations sur l'explosivité des nanopoudres : un nano-grain de sable dans les rouages des standards

Abstract

The small size of nanoparticles implies a high specific surface area, which induces original properties when compared to micropowders, such as chemical, mechanical, optical or biological properties. Among these new specificities, nanoparticles are subjected to weak cohesion forces, such as van der Waals, electrostatic or capillary forces, which cause them to agglomerate in a reversible way. However, dust explosions require the dispersion of the dust in the air, which can lead to a breakage of these agglomerates. The aim of this work is then to study the influence of nanoparticles specificities, notably the agglomeration, on their ignition sensitivity and explosion severity, and evaluate the adequacy of the international standard methods to determine these parameters when it comes to nanoparticles. Four types of powders were chosen to highlight the specific behavior of each type of combustible powder: carbon black, nanocellulose, aluminum and carbon-coated silicon. The powders were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), specific surface measurement and helium pycnometer, and their particle size distribution (PSD) was measured before and after dispersion using different methods. The mean surface diameter, used to consider the high surface area of nanoparticles, considerably decreases after the injection in the 20L sphere, i.e the standard equipment to measure the explosion severity of a dust. This observation highlighted the necessity to characterize the dust after injection in the 20L sphere, to accurately evaluate the explosion risk. Ignition and explosion tests were conducted in standard conditions, but also by varying the powder preparation (aging, drying, sieving, agglomeration), and the operating conditions (dispersion procedure, ignition energy, initial turbulence). Specific behaviors related to the powder nature (carbonaceous, organic or metallic) were then observed, discussed, and alternative measurement methods were proposed. For instance, alternative dispersion nozzles were tested to provide a better cloud homogeneity or to reproduce industrial release conditions. Dispersion procedure and ignition source should be adapted to the minimum ignition energy of the nanopowders to avoid both pre-ignition and overdriving. Variation of the ignition delay time can be helpful to obtain the most conservative results. One of the main proposals consists in the consideration of the laminar burning velocity as a standard characteristic of the explosion severity. Experiments were conducted in a flame propagation tube and a vented 20L sphere to evaluate the unstretched burning velocity of nanocellulose. The results were then compared to an existing correlation based on the pressure-time evolution during standard experiments. Furthermore, a flame propagation model, initially designed for hybrid mixtures, was adapted to the flame propagation in a cloud of organic nanoparticles, showing consistent results with the experiments.
La petite taille des nanoparticules induit une grande surface spécifique, qui procure des propriétés inédites, notamment chimiques, mécaniques, optiques ou biologiques, comparées aux particules micrométriques. Parmi ces nouvelles spécificités, les nanoparticules sont soumises à des forces de cohésion plus intenses, telles que des forces de van der Waals, électrostatiques ou capillaires, ce qui les amène à s’agglomérer de manière réversible. Cependant, une explosion de poussières nécessite une dispersion de la poudre dans l’air, ce qui peut mener à une fragmentation de ces agglomérats. L’objectif de ce travail est ainsi d’étudier l’influence des spécificités des nanoparticules, notamment de l’agglomération, sur leur sensibilité à l’inflammation et leur sévérité d’explosion, et d’évaluer l’adéquation des méthodes définies par les standards internationaux pour la détermination de ces paramètres concernant les nanoparticules. Quatre types de poudres ont été considérées pour étudier le comportement spécifique de chaque type de combustible: noirs de carbone, nanocellulose, aluminium et silicium enrobé de carbone. Les poudres ont été caractérisées au repos, et leur distribution de tailles de particules a été mesurée avant et après dispersion à l’aide de méthodes complémentaires. Le diamètre moyen en surface diminue significativement après l’injection dans la sphère de 20L, i.e l’équipement standard utilisé pour mesurer la sévérité d’explosion. Cette observation prouve la nécessité de caractériser la poudre après injection dans la sphère de 20L, pour évaluer le risque de manière fiable. Des essais d’inflammation et d’explosion ont été réalisés dans des conditions standards, mais aussi modifiant la préparation de la poudre (vieillissement, séchage, tamisage, agglomération) ainsi que les conditions opératoires (procédure de dispersion, énergie d’inflammation, turbulence initiale). Des comportements spécifiques liés à la nature de la poudre (carbonée, organique ou métallique) ont été observés, discutés, et des méthodes alternatives de mesure ont été proposées. Par exemple, la procédure de dispersion et la source d'inflammation doivent être adaptées à l'énergie d'allumage minimale des nanopoudres pour éviter à la fois les phénomènes de pré-inflammation et ‘d’overdriving’. Enfin, l’une des principales propositions consiste à considérer la vitesse laminaire de flamme comme un paramètre standard représentant la sévérité d’explosion. Des tests ont été réalisés dans un tube de propagation de flamme et dans une sphère éventée pour évaluer la vitesse non étirée de la nanocellulose. Les résultats obtenus ont alors été comparés à une corrélation existante basée sur les paramètres obtenus lors d’essais standards. De plus, un modèle de propagation de flamme, initialement développée pour des mélanges hybrides, a été adapté pour représenter la propagation de flamme dans un nuage de nanoparticules et a montré des résultats en adéquation avec les résultats expérimentaux.
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tel-02976265 , version 1 (23-10-2020)

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  • HAL Id : tel-02976265 , version 1

Cite

Audrey Santandrea. New insights on the explosion severity of nanopowders: a nano-grain of sand in the gears of the standards. Chemical and Process Engineering. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0104⟩. ⟨tel-02976265⟩
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