Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les emballements de réaction ne sont pas rares et ont un potentiel destructeur certain, d'où le renforcement des systèmes règlementaires dont la directive Seveso est le plus représentatif. Or, l'évaluation des risques thermiques, l'une des causes des accidents majeurs, reste perçue comme difficile puisqu'interdisciplinaire par nature. La méthode d'évaluation présentée ici a fait ses preuves dans le milieu industriel. Elle repose sur un scénario de panne comportant des questions clefs permettant de caractériser la réaction principale, ainsi que les réactions secondaires, et de classer le procédé en classes de criticité. Ces dernières sont utilisées alors pour choisir la stratégie de protection contre l'emballement thermique.
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Francis STOESSEL : Docteur-Ingénieur de l'École nationale supérieure de chimie de Mulhouse - Ingénieur conseil à Swissi process safety GmbH, Bâle, Suisse - Professeur titulaire à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)
INTRODUCTION
Les emballements de réaction ne sont pas rares et ont un potentiel destructeur certain, ce qui a conduit à un renforcement des systèmes réglementaires, dont la directive Seveso est probablement la plus représentative. L'évaluation des risques thermiques inhérents aux réactions chimiques apparaît souvent difficile parce qu'elle fait appel à différentes disciplines.
• La conception du procédé : le mode opératoire est un facteur déterminant pour le risque. Il est évident qu'une réaction effectuée en charge cumulée (mode batch) sera plus difficile à contrôler qu'une réaction effectuée en mode semi-batch où l'un des réactifs est ajouté au fur et à mesure de l'avancement de la réaction.
• Le génie chimique : la conception et la réalisation de l'équipement technique, ainsi que les éléments de contrôle et régulation implémentés, interviennent de façon déterminante dans la maîtrise d'une réaction exothermique. La puissance du système de chauffage et de refroidissement est particulièrement importante dans ce contexte.
• La chimie : la nature de la réaction et les propriétés des composés présents doivent être connues, non seulement dans les conditions opératoires prévues, mais également en cas de dérive par rapport à ces conditions (par exemple, les réactions secondaires possibles, l'instabilité de certains composés, la tendance à la décomposition).
• La physico-chimie et la cinétique chimique : la dynamique d'une réaction chimique et les propriétés physico-chimiques des mélanges réactionnels sont d'une importance primordiale dans toute évaluation des risques.
La compréhension et l'interprétation de données thermiques n'est pas toujours aisée. Le présent document est destiné à guider le lecteur dans l'interprétation de données thermiques et dans l'évaluation des risques thermiques en fournissant une démarche systématique et structurée – c'est-à-dire en posant les questions adéquates, donnant les réponses appropriées tirées des données de l'analyse thermique.
Pour cela, nous utiliserons une approche sélective qui garantit que toutes les données nécessaires ont été déterminées et interprétées correctement. La démarche systématique, élaborée dans le laboratoire de recherche sur la sécurité d'un grand groupe industriel est basée sur un outil puissant : l'élaboration d'un scénario de panne et la détermination des classes de criticité. Elle a fait ses preuves dans de nombreuses entreprises industrielles.
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MOTS-CLÉS
Etat de l’art emballement thermique bilan thermique conception de réacteurs calorimétrie analyse thermique
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Évaluation des conséquences : l'énergie thermique
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2. La systématique de l'évaluation
2.1 Scénario d'emballement
Le scénario de panne présenté ci-après a été proposé par R. Gygax . Le comportement du système chimique en cours d'emballement peut être décrit en considérant l'exemple d'une réaction batch exothermique. Le schéma classique pour un tel procédé est le suivant : les réactifs sont chargés dans le réacteur à température ambiante, puis tout en agitant, on amène le milieu réactionnel à la température de réaction où on poursuit l'agitation le temps nécessaire à l'optimisation du rendement et du temps de cycle. La réaction terminée, le réacteur est refroidi et vidangé (ligne en pointillés sur la figure 4).
Supposons que durant le maintien à la température de réaction, le système de refroidissement tombe en panne (point 4 sur la figure 4). Si à cet instant, il reste dans le réacteur des réactifs non convertis, la chaleur libérée par la réaction va provoquer une augmentation de la température. Cette augmentation de température est proportionnelle à la quantité de réactifs non convertis à l'instant de la panne. À la température atteinte lors de cet échauffement, une réaction secondaire de décomposition peut être déclenchée. La chaleur produite par cette réaction conduit à son tour à une élévation de température (période 6 sur la figure 4).
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La systématique de l'évaluation
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GYGAX (R.) - Facts finding and basic data second part : desired chemical reactions. - In : 1st IUPAC-Workshop on safety in chemical production, Basel, 9-13 sept. 1990.
-
(2) - GYGAX (R.) - Sécurité thermique des procédés chimiques, données, critères de jugement, mesures. - INRS, Paris (1991).
-
(3) - STOESSEL (F.) - What is your thermal risk ? - Chemical Engineering Progress, p. 68-75, oct. 1993.
-
(4) - TOWNSEND (D.I.), TOU (J.C.) - Thermal hazard evaluation by an accelerating rate calorimeter. - Thermochimica Acta, 37, p. 1-30 (1980).
-
(5) - REGENASS (W.) - The development of heat flow calorimetry as a tool for process optimization and process safety. - Journal of Thermal Analysis, 49, p. 1661-1675 (1997).
-
(6) - BROGLI (F.), GYGAX (R.), MEYER (M.W.) - DSC a powerful screening...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
CHETAH CHETAH. – The ASTM chemical thermodynamic and energy release evaluation program. ASTM, 1916 Race street, Philadelphie, Pa 19103, 1974.
AKTS: Advanced Kintetics and Solutions, AKTS AG http://www.akts.com,Techno-pôle 3960 Siders, Switzerland
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HARSNET Thematic network on hazard assessment of highly reactive systems http://www.harsnet.net/
Source de données physic-chimiques : The NIST chemistry Webbook (National Institute of Standard and Technology) http://www.webbook.nist.go./chemistry
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