Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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As runaway reactions are common and can be potentially destructive, regulatory systems have been strengthened and notably the emblematic Seveso Directive. However, the assessment of thermal risks, one of the causes of major accidents is still considered difficult due to its interdisciplinary nature. The evaluation method presented in this article has been proven in the industrial sector. It is based on a failure scenario involving key questions in order to characterize the main reaction as well as secondary reactions, and classify the process into criticality classes. These classes then allow for selecting the relevant protection strategy against thermal runaway.
Auteur(s)
-
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
KEYWORDS
State of the art | runaway reactions | heat balance | chemical reaction engineering | calorimetry | thermal Analysis
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Éviter les réactions secondaires
En anglais
5. Maîtrise des réactions exothermiques
En chimie fine ou chimie des spécialités, la grande majorité des réactions de synthèse sont exothermiques. Dès lors, il s'agit d'être en mesure de contrôler la production de chaleur, donc le déroulement de la réaction. De ce fait, dans ce paragraphe, nous abordons l'étude des réactions dans le sens où l'on s'intéresse à leur caractérisation en termes de risques thermiques, mais nous utilisons cette connaissance pour la conception d'un réacteur sûr.
L'étude de la sécurité thermique d'une réaction de synthèse implique sa maîtrise sous conditions opératoires nominales, essentiellement la comparaison de la puissance de réaction à la capacité de refroidissement, mais aussi l'étude de son comportement en cas de dysfonctionnement.
Après une introduction aux méthodes expérimentales, nous étudions deux réacteurs typiques de la chimie fine, à savoir le réacteur fermé ou réacteur batch et le réacteur semi-batch.
5.1 Méthodes expérimentales
Pour une étude fiable d'une réaction de synthèse, il faut être en mesure de déterminer ses caractéristiques principales (chaleur de réaction, puissance thermique, avancement de la réaction, production de gaz) dans des conditions opératoires aussi proches que possible du mode opératoire industriel. Il existe beaucoup de calorimètres sur le marché, mais nous nous intéressons ici aux seuls calorimètres de réaction.
Un calorimètre de réaction type consiste en un réacteur agité, présentant si possible une similitude de géométrie (diamètre, hauteur, agitateur) avec le réacteur industriel (figure 7). Dans un tel calorimètre, toutes les opérations habituelles comme l'addition, le contrôle du pH, le chauffage, le refroidissement, la distillation, etc. peuvent être exécutées, avec la mesure simultanée des effets thermiques. Il existe également des réacteurs travaillant sous pression. Le calorimètre réactionnel autorise une évaluation directe de la puissance thermique, de son intégrale donnant accès à la conversion thermique (X, figure 8). La conversion thermique représente donc la fraction de la chaleur totale dégagée jusqu'à l'instant t :
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Maîtrise des réactions exothermiques
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
HAUT DE PAGE
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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