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Auteur(s)
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Jean-Louis GUSTIN : Rhodia Recherches et Technologies
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La protection des réacteurs et des enceintes fermées par des évents de secours destinés à les protéger contre l'emballement de réactions, fait appel aux méthodes du DIERS (Design institute for emergency relief systems). Les méthodes du DIERS ont déjà fait l'objet de deux articles dans les Techniques de l'Ingénieur.
L'article [SE 5 041] [1] fournit une présentation générale des méthodes du DIERS pour le dimensionnement des évents de secours destinés à protéger les réacteurs et les autres appareils contre des emballements de réactions en phase condensée.
Les méthodes du DIERS distinguent trois catégories de systèmes réactionnels en fonction du type de pressurisation qu'ils produisent :
• Les systèmes à forte pression de vapeur « High vapor systems » font l'objet de ce même article [SE 5 041]. Ils représentent 90 % des cas de dimensionnement d'évents pour le contrôle de réactions.
• Les réactions produisant des gaz incondensables « Gassy reactions » constituent la seconde catégorie de systèmes réactionnels pour laquelle nous disposons de méthodes spécifiques de dimensionnement d'évents de secours. Ces systèmes réactionnels font l'objet de l'article [SE 5 042] [2] dans les Techniques de l'Ingénieur. Ils ne concernent que moins de 10 % des cas de dimensionnement d'évents de secours.
• Les systèmes hybrides, enfin, sont des systèmes réactionnels qui pressurisent les enceintes par pression de vapeur et par production de gaz incondensables, simultanément. Ils font l'objet du présent article [SE 5 043].
La demande concernant le dimensionnement pour ce type de système réactionnel est relativement faible en raison de la complexité de la situation, de celle des méthodes de calcul d'évent et de la difficulté de disposer des données expérimentales nécessaires au calcul. Les systèmes réactionnels hybrides existent pourtant, pour lesquels des méthodes empiriques de dimensionnement d'évents ont parfois été appliquées. On citera, par exemple, le cas de la décomposition de l'eau oxygénée 25 % catalysée par des sels ferriques, qui a fait l'objet d'exercices inter-laboratoires pour l'obtention des données expérimentales nécessaires au calcul et séparément d'un exercice de dimensionnement d'évents entre les membres du DIERS. Le fait de rendre ces méthodes de calcul plus familières peut contribuer à leur utilisation dans l'industrie lorsque cela est nécessaire. Il convient de noter que la méthode de traitement des données expérimentales obtenues lors d'essais dans le VSP, l'appareil de laboratoire du DIERS, décrite dans un article précédent [SE 5 040] [3], permet justement de disposer des informations nécessaires au dimensionnement d'évents pour les systèmes hybrides.
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Exemple de système réactionnel hybride tempéré : la décomposition de l'eau oxygénée
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2. Dimensionnement d'évents pour les systèmes hybrides tempérés
2.1 Modèle de H.K. Fauske pour les systèmes hybrides tempérés
2.1.1 Détermination du flux massique d'un écoulement hybride
Le mélange réactionnel d'un système hybride est un liquide initialement sous-refroidi (Subcooled liquid). Un liquide est sous- refroidi si sa température est inférieure à sa température à saturation sous la pression actuelle dans l'enceinte. Un liquide sous- refroidi est également désigné sous le nom de liquide comprimé, pour signifier que la pression dans l'enceinte est supérieure à la pression à saturation à la température du milieu.
L'effet du sous-refroidissement du milieu réactionnel sur le flux massique dans un orifice est obtenu en tenant compte de la différence de pression [P 0 – P (T 0)] entre la pression de stagnation et la pression à saturation sous la température de stagnation dans l'enceinte.
Fauske [7] a proposé le modèle simple suivant pour évaluer le flux massique G (kg · m–2 · s –1) d'un liquide sous-refroidi dans un orifice assimilé à une tuyère idéale, applicable à des écoulements diphasiques de systèmes hybrides.
Lorsqu'il n'y a pas de vaporisation du liquide s'écoulant dans un orifice, le flux massique d'un écoulement de liquide dans un orifice sans friction, assimilé à une tuyère idéale, est donné par la formule de Bernoulli :
où ρL est la masse volumique du liquide et ΔP la perte de charge à travers l'orifice.
Dans le cas d'un écoulement de liquide sous-refroidi, l'effet du sous-refroidissement sur le flux massique de l'écoulement dans un orifice idéal, peut être obtenu en tenant compte de la perte de charge résultant du sous-refroidissement [P 0 – P (T...
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Dimensionnement d'évents pour les systèmes hybrides tempérés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GUSTIN (J.-L.) - Calculs d'évents, méthodes du DIERS, les systèmes à forte pression de vapeur. - [SE 5 041] dans Sécurité et gestion des risques (2006).
-
(2) - GUSTIN (J.-L.) - Calculs d'évents, méthodes du DIERS, Gassy Reactions. - [SE 5 042] dans Sécurité et gestion des risques (2006).
-
(3) - GUSTIN (J.-L.) - Explosion en phase condensée. - [SE 5 040] dans Sécurité et gestion des risques (2002).
ANNEXES
Emergency Relief System Design Using DIERS Technology. - The Design Institute for Emergency Relief Systems (DIERS) Project Manual, AIChE editor, ISBN 0-8169-0568-1, p. 375-376 (1992).
GROLMES (M.A.), LEUNG (J.C.), FAUSKE (H.K.) - Reactive Systems Vent Sizing Evaluations. - International Symposium on Runaway Reactions, Cambridge MA, 7-9 mars 1989.
LEUNG (J.C.) - Simplified Vent Sizing Methods incorporating Two-phase Flow. - International Symposium on Runaway Reactions and Pressure Relief Design, Boston Massachusetts USA, ISBN 0-8169-0676-9, 2-4 août 1995.
FAUSKE (H.K.) - Flashing flows or : Some practical guidelines for emergency releases. - Plant Operations Progress, vol. 4, no 3, p. 132-134, juil. 1985.
Emergency Relief System Design Using DIERS Technology. - The Design Institute for Emergency Relief Systems (DIERS) Project Manual, AIChE editor, ISBN 0-8169-0568-1, p. 75 (1992).
FAUSKE (H.K.) - Revisiting DIERS two-phase methodology for reactive systems twenty years later. - 3rd International Symposium on Runaway Reaction, Pressure Relief Design and Effluent Handling, Cincinnati Ohio, USA (2005).
Emergency Relief System Design Using DIERS Technology. - The Design Institute for Emergency Relief Systems (DIERS) Project Manual, AIChE editor, ISBN 0-8169-0568-1, p. 428-431 (1992).
LEUNG (J.C.) - Chemical Process Relief System Design Seminar. - École des Mines de Saint-Étienne, 9-11 avr. 2003.
LEUNG (J.C.) - Venting of Runaway Reactions with gas Generation. - AIChE Journal, 38(5), p. 723-732 (1992).
LEUNG (J.C.), GROLMES (M.A.) - A Generalized Correlation for Flashing Choked flow of Initially Subcooled Liquid. - AIChE Journal, 34(4), p. 688-691 (1988).
LEUNG (J.C.), EPSTEIN (M.) - Flashing two-phase flow including the effect of non-condensable gases. - ASME Trans. J. of Heat Transfer, 113 (1), p. 269-272, fév. 1991.
LEUNG (J.C.) - The Omega Method for Discharge Rate Evaluation. - International Symposium on Runaway Reactions and Pressure Relief Design, Boston Massachusetts USA, ISBN 0-8169-0676-9,...
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