Calcul d’évents : méthodes du DIERS - Systèmes à forte pression de vapeur

Dans l’industrie chimique, la plupart des réacteurs et de nombreux appareils sont équipés d’un dispositif d’évent de secours pour éviter leur éclatement en cas de surpression accidentelle. Il est cependant peu fréquent que ces dispositifs d’évent présentent une capacité suffisante pour contrôler toutes les causes possibles de pressurisation. Le scénario de dimensionnement de ces évents n’a souvent pas ou peu de relation avec les réactions chimiques qui sont mises en œuvre dans le procédé. C’est notamment le cas dans les ateliers polyvalents où un même réacteur est utilisé pour la mise en œuvre de fabrications très différentes au cours de la vie de l’installation.

Les cas les plus fréquents de pressurisation accidentelle de réacteurs ou d’appareils sont les suivants :

• surpression résultant d’un poussage à l’air ou à l’azote de mélange réactionnel liquide pour accélérer son transfert dans un autre appareil ;

• incendie autour d’un réacteur entraînant une pressurisation excessive par pression de vapeur de solvants ;

• pressurisation excessive par la pression de vapeur de solvants en raison d’un chauffage excessif ou de la perte du refroidissement sur un réacteur, une colonne de distillation ;

• pressurisation excessive par suite du confinement accidentel d’un réacteur ou d’une capacité et de l’injection de liquide par une pompe ;

• remplissage total d’un réacteur, d’une enceinte, d’une conduite isolée, par un liquide et dilatation thermique de ce liquide ;

• pénétration accidentelle de fluide d’échange thermique dans une enceinte à la suite d’une fuite sur un échangeur interne.

Ces cas de pressurisation des enceintes conduisent à les protéger par des soupapes ou des disques de rupture. Les méthodes de dimensionnement proposées par l’American Petroleum Institute (API)   sont généralement utilisées. Ces méthodes de calcul sont basées sur le fait avéré que le rejet de ces évents est uniquement gazeux ou exceptionnellement liquide dans le cas de pressurisation par dilatation thermique de liquide ou par injection de liquide dans une enceinte. Ces évents sont également de surface relativement faible par rapport au volume de l’enceinte protégée.

Les évents dimensionnés pour protéger les réacteurs et autres équipements contre des pressurisations excessives résultant de l’emballement de réactions chimiques sont en général de surface beaucoup plus grande que les évents décrits précédemment. Cela peut être dû à la cinétique rapide de la réaction ou des réactions chimiques en cause, mais également au fait bien connu que le rejet de l’évent est dans ce cas un mélange diphasique de gaz ou de vapeurs et de mélange réactionnel liquide entraîné. Parfois, le rejet peut même être triphasique gaz / liquide / solide.

À l’extérieur des appareils, ce rejet diphasique gaz/liquide se traduit par l’émission d’un aérosol de mélange réactionnel qui peut être transporté par le vent à grande distance du point d’émission et qui finit par retomber sur le sol. Ce phénomène a été décrit dans le dossier Leçons des accidents majeurs dans l’industrie chimique faisant référence aux accidents de Seveso, Bhopal et Griesheim.

Le fait que le rejet de l’évent soit un fluide diphasique gaz/liquide n’est souvent pas lié à la violence de l’emballement de réaction, mais à des causes purement hydrodynamiques qui seront expliquées plus loin. Le dimensionnement de l’évent tient compte de la cinétique des réactions chimiques en cause, du type de pressurisation et du comportement hydrodynamique du rejet. La surface de l’évent dépend des réactions chimiques et donc du procédé considéré.

Cependant, on ne peut pas exclure que des évents de secours dimensionnés sur la base de scénarios de type API donnent lieu à l’émission de rejets diphasiques gaz/liquide si un emballement de réaction se produit dans l’enceinte sur laquelle ils sont installés. Des cas semblables sont précisément décrits dans le dossier Leçons des accidents majeurs dans l’industrie chimique.

Dans le présent dossier, nous allons présenter les méthodes de dimensionnement des évents pour le contrôle des emballements de réactions dans des réacteurs ou appareils de l’industrie chimique.