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RÉSUMÉ
La plupart des transformations chimiques ou physiques sont accompagnées d’effets thermiques exothermiques ou endothermiques qu’il convient de caractériser, afin de les maîtriser ou de les éviter. Le marché offre une large palette d’appareils de mesures qui sont adaptés aux études de sécurité thermique. Cet article présente une approche structurée de ces problèmes qui permet de limiter l’effort expérimental aux points vraiment essentiels, tout en assurant une étude exhaustive des risques thermiques. Les différentes techniques expérimentales sont mises en regard des problèmes industriels posés l’accent est mis sur l’interprétation des mesures en termes de risque industriel.
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Most chemical or physical transformations are linked to exothermic or endothermic effects, which must be characterized to define the conditions for controlling or avoiding them. The market offers a wide choice of laboratory devices suitable for thermal safety studies. This text presents a structured approach, concentrating the experimental effort on essential points, while ensuring a comprehensive study of thermal risks. The different experimental techniques are placed in relation to industrial problems. The focus is on the interpretation of the results in terms of industrial risks.
Auteur(s)
-
Francis STOESSEL : Docteur-Ingénieur de l’École Nationale Supérieure de Chimie de Mulhouse - Professeur titulaire à École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse
INTRODUCTION
Si la sécurité thermique représente une préoccupation majeure des exploitants de procédés chimiques industriels, elle occupe aussi une place importante dans le développement de procédés sûrs. En effet, un procédé sûr, c’est-à-dire maîtrisé, est aussi un procédé qui délivre des produits de qualité régulière. La sécurité thermique des procédés a une longue tradition entachée d’accidents industriels qui ont conduit au développement d’une méthodologie d’évaluation des risques ainsi que de méthodes instrumentales propres.
La méthodologie suivie pour les études de sécurité doit permettre une évaluation efficace des risques thermiques, c’est-à-dire que parmi les nombreuses données thermodynamiques, cinétiques et techniques utilisées lors de l’évaluation des risques thermiques, elle procède par étapes afin de ne déterminer que les seules données requises, mais toutes les données nécessaires. La démarche, présentée dans cet article, est basée sur un scénario de défaillance qui permet de poser les questions clef, guidant dans l’élaboration d’un plan d’expériences et par conséquent dans le choix des techniques instrumentales à mettre en œuvre. Les techniques présentées sont illustrées par des exemples de problèmes résolus, basés sur des cas industriels.
La démarche préconisée a pour point de départ une question ou un problème industriel à partir duquel est élaboré un plan d’expériences. Les mesures obtenues doivent être évaluées, souvent en mettant en œuvre des techniques originales. Les résultats doivent ensuite être interprétés en termes de risque, afin de définir la stratégie de réduction des risques. Les méthodes thermiques sont donc au cœur de cette démarche. Le premier paragraphe est consacré à la description d’une procédure systématique pour l’évaluation des risques thermiques.
Si les données requises sont très diverses, les appareils présents sur le marché le sont tout autant. Il importe donc de trouver la méthode de mesure la plus appropriée à la résolution d’un problème de sécurité donné. Le deuxième paragraphe est consacré aux principes des méthodes thermiques et plus particulièrement à leur spécificité dans le cadre des études de sécurité. Ces méthodes peuvent être rangées en deux grandes familles : les méthodes d’analyse thermique et les méthodes calorimétriques.
Les instruments d’analyse thermique fonctionnent principalement en mode balayage de température et sont dédiés à la détermination des potentiels énergétiques (température et pression). Il s’agit en général de méthodes microcalorimétriques, travaillant sur de petites masses d’échantillon. Ces méthodes sont très bien adaptées à l’étude de réactions secondaires et de la stabilité thermique. La stabilité thermique fait également appel à des données cinétiques : la notion de temps d’emballement (tmrad) sous conditions adiabatiques. Les méthodes de détermination des potentiels énergétiques et du temps d’emballement sont décrites dans le troisième paragraphe.
Dans le quatrième paragraphe sont traités des calorimètres de réaction qui, comme leur nom l’indique, sont destinés à l’étude de réactions chimiques sous l’angle sécurité, mais souvent également sous l’angle optimisation. Après la description de la mise en œuvre de différents calorimètres disponibles sur le marché, des développements récents non encore commercialisés sont présentés. Ces techniques permettent l’optimisation technico-économique de procédés « difficiles » tout en respectant les limites de sécurité.
Enfin, dans le cinquième paragraphe sont présentées les méthodes adiabatiques permettant de simuler à l’échelle du laboratoire les emballements thermiques pour en déterminer les caractéristiques, notamment pour caractériser un système en cours d’emballement thermique afin d’élaborer les mesures de protection.
Un exemple industriel est traité en détail dans le dernier paragraphe.
Nous conservons ici le système de notations de l’auteur : les majuscules pour les énergies et les minuscules pour les puissances. Les primes indiquent les grandeurs massiques.
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MOTS-CLÉS
Calorimétrie Emballement de réaction Risque thermique Sécurité des procédés chimiques Laboratoires de sécurité
KEYWORDS
calorimetry | runaway reaction | thermal risk | chemical process safety | safety laboratory
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion
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6. Exemple d’étude d’un procédé
L’exemple développé illustre la manière d’articuler les mesures de laboratoire mettant en œuvre différentes méthodes thermiques. L’accent est également mis sur l’interprétation des données obtenues.
6.1 Problème
Il s’agit d’évaluer les risques thermiques encourus lors de la mise en œuvre d’une réaction chimique à l’échelle industrielle. On fournit un procédé de laboratoire succinct, à partir duquel on décide des données à fournir pour permettre l’étude des risques.
La réaction est du type
avec :
- P :
- produit de la réaction désiré
- S :
- produit secondaire.
La chimie proprement dite est mise en arrière-plan pour permettre de se concentrer sur l’étude des aspects thermiques.
Le procédé de laboratoire peut se résumer comme suit :
-
charger A comme solution de concentration 2 mol/l (ρ = 1 000 kg/m3) ;
-
chauffer à 80 °C en agitant (Téb solvant : 205 °C) ;
-
additionner B en 2 h (rapport molaire B/A = 1,1) ;
-
maintenir durant 10 h à 80-90 °C ;
-
refroidir….
Le réacteur industriel de volume nominal 1 600 l présente un volume utile de 1 940 l. La surface d’échange 4,2 m2 est atteinte à partir d’un volume de 1 620 l. De ce fait, on suppose que la surface d’échange durant la réaction est de 4 m2.
Le réacteur est refroidit à l’eau (30 °C) par des demi-coquilles.
La charge est :
-
A : 1,5 m3 à raison de 2 kmol/m3 (3 kmol) ;
-
B : 0,3 m3 à raison de 11 kmol/m3 (3,3 kmol).
Les conditions à respecter sont :
-
en productivité, un temps de cycle de 12 h par charge ;
-
en qualité,...
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Exemple d’étude d’un procédé
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GYGAX (R.) - Sécurité thermique des procédés chimiques, données, critères de jugement, mesures. - Cahier de notes documentaires, ed. INRS Vol. 1837, Paris (1991).
-
(2) - ROUQUEROL (J.), ROUQUEROL (F.) - Proposal for a light classification of calorimeters. - In ESTAC 9, Cracovie (2006).
-
(3) - HÖHNE (G.), HEMMINGER (W.), FLAMMERSCHEIN (H.J.) - Differential Scanning Calorimetry an introduction for practitioners. - Springer, Berlin (1996).
-
(4) - BROGLI (F.), GYGAX (R.), MEYER (M.W.) - DSC a powerful screening method for the estimation of the hazards inherent in industrial chemical reaction. - In Sixth international conference on thermal analysis. Bayreuth (1980).
-
(5) - STOESSEL (A.F.), STOCKS (V.), FIERZ (H.), REUSE (P.) - DSC-Measurement as a powerful tool to assess the sensitivity of chemicals towards oxygen. - Proceedings Mary Kay O’Conner Process Safety Center International Symposium (2008).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Calculs d’évents : Méthodes du DIERS – Systèmes à forte tension de vapeur.
-
Sécurité thermique des procédés ; Évaluation des risques d’emballement.
AKTS : Advanced Kinetics and Solutions, AKTS AG
HAUT DE PAGE
HARSNET Thematic network on hazard assessment of highly reactive systems
HAUT DE PAGE
JCAT : Journées de Calorimétrie et Analyse Thermique organisée par l’AFCAT
Meeting annuel de la STK
HAUT DE PAGE
(listes non exhaustives)
Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)HELGroup : calorimètre de réaction (Simular), calorimètre adiabatique (Phi-TEC)
METTLER-TOLEDO SAS : DSC, calorimètres de réaction RC1,...
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