Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les réacteurs de l’industrie chimique sont en général équipés d’évents de secours permettant d’éviter leur éclatement en cas d’emballements de réactions. Cet article traite du dimensionnement de ces dispositifs dans le cas des réactions de Gassy : sa détermination, ses paramètres d’influence et quelques exemples. La particularité de ces réactions, souvent de décomposition, est de produire des gaz incondensables. En cas d’accident, ces gaz s’accumulent provoquant une importante montée en pression, d’autant plus forte que le taux de remplissage est élevé.
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Auteur(s)
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Jean-Louis GUSTIN : Rhodia Recherches et Technologies
INTRODUCTION
Dans un premier dossier , nous avons présenté les méthodes développées par le DIERS de dimensionnement des évents, pour le contrôle des emballements de réactions dans des réacteurs ou appareils de l’industrie chimique. Dans ce même texte, nous avons présenté de manière détaillée les méthodes applicables aux systèmes réactionnels à forte pression de vapeur (« High Vapor Systems »).
Ce second dossier concerne les « Gassy Reactions ». Dans la méthodologie du DIERS , les « Gassy Reactions » sont des réactions en phase condensée qui produisent des gaz incondensables comme CO, CO2, N2, NO, N2O, O2, H2, HCl... Il s’agit souvent de réactions de décomposition. Lors de l’emballement d’une de ces réactions dans une enceinte, la pression dans l’enceinte est uniquement ou essentiellement liée à l’accumulation de gaz incondensables ; il n’y a pas de pression de vapeur ou cette contribution est négligeable ou encore n’est pas essentielle.
De ce fait, la température du système n’est pas contrôlable. Même si l’on parvient à limiter la pression dans l’enceinte par le fonctionnement d’un évent, il n’y a pas de puits thermique de vaporisation, l’augmentation de la température n’est pas modifiée et les réactions chimiques s’accélèrent avec l’augmentation de la température. On dit que ces systèmes réactionnels ne sont pas tempérés, ce qui signifie que la température du mélange réactionnel n’est pas liée à la pression par la relation P = f(T) qui serait imposée par un équilibre liquide – vapeur.
Pour ces réactions, la pression dans l’enceinte dépend du taux de remplissage. Plus celui-ci est élevé, plus l’augmentation de la pression est importante et la vitesse d’augmentation de la pression élevée. Dans les essais de laboratoire visant à reproduire les conditions industrielles, comme par exemple des essais en « Vent Sizing Package », utilisant des cellules de mesure fermées, le taux de remplissage doit fréquemment être limité pour éviter l’éclatement de la cellule de mesure. De ce fait, les conditions expérimentales peuvent se trouver éloignées des conditions adiabatiques ou des conditions industrielles et il peut être préférable dans ce cas de recourir à des essais en cellule ouverte pour éviter cet inconvénient. Le dimensionnement d’évents pour le contrôle des emballements de réactions produisant des gaz incondensables est basé sur la vitesse maximale de production de gaz mesurée dans des conditions adiabatiques ou dans des conditions représentatives de la situation industrielle. Il est en effet conservatif de considérer que cette vitesse maximale sera atteinte même si l’évent est activé et de dimensionner l’évent sur la base de cette hypothèse.
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Conclusion5. Exemples de réactions produisant des gaz incondensables
5.1 Réaction d’oxydation nitrique des matières organiques
L’acide nitrique est un oxydant. Le chauffage de matières organiques comme par exemple des diacides organiques en présence d’acide nitrique conduit à leur dégradation progressive avec production de gaz, oxydes de l’azote NOx, CO, CO2 . Lorsque la concentration en eau dans le milieu est faible, il s’agit d’une réaction produisant des gaz incondensables car la pression de vapeur de ces mélanges est relativement faible par rapport à la pressurisation des enceintes résultant de la production de gaz incondensables. Les enceintes dans lesquelles cette réaction intervient sous confinement sont protégées par des évents de secours. Le cas se pose donc à la fois de dimensionner des évents de secours et d’évaluer la protection apportée par des évents de secours existants. Une part importante de l’activité dans le domaine du calcul d’évent consiste en effet à faire des calculs à l’envers pour évaluer la protection apportée par des évents existants.
Considérons une enceinte fermée de forme cylindrique disposée verticalement, de 3 m de diamètre D, de 4,2 m de hauteur, de volume total V 29,760 m3, contenant une charge m0 de 17 500 kg de diacides organiques dont le volume est de 13,5 m3.
La pression maximale de service de l’enceinte est de 3 bar G = 4 bar abs.
Cette enceinte est protégée par un évent de secours obturé par un disque de rupture de diamètre d = 10 cm, dont la pression d’ouverture est PS = 2,5 bar G = 3,5 bar abs à la température de 403 K.
La ligne d’évent située en aval du disque de rupture est horizontale et le rejet de cette ligne se fait à la pression atmosphérique, sans contre-pression extérieure imposée. La résistance équivalente de cette ligne d’évent est de 4f(L/d) = 5,17...
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Exemples de réactions produisant des gaz incondensables
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GUSTIN (J.L.) - Risque d’explosion en phase condensée - . Techniques de l’Ingénieur, Sécurité et gestion des risques.
-
(2) - GUSTIN (J.L.) - Calculs d’évents. Méthodes du DIERS. Systèmes à forte pression de vapeur - . Techniques de l’Ingénieur , 2006. Sécurité et gestion des risques.
-
(3) - BOYLE (W.J.) - Sizing relief area for polymerisation reactors - . Chem. Eng. Prog. 63 (8), 61-66, 1967.
-
(4) - LEUNG (J.C.) - Chemical Process Relief System Design Seminar - . École des Mines de Saint Étienne, 9-11 Avril 2003.
-
(5) - GUSTIN (J.L.) - Assessment of runaway reaction hazards using the experimental methods of the process safety laboratories - . Int. symp. on runaway reactions and pressure relief design, A.I.Ch.E., Boston, p. 150-185, 2-4 August 1995. ISBN 0-8169-0676-9.
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