Sécurité des procédés, emballement de réaction, dimensionnement des évents de sécurité pour systèmes gassy ou hybrides non tempérés. Outil, expériences et modèle

par Luc Véchot

Thèse de doctorat en Génie des Procédés

Sous la direction de Jean-Pierre Bigot.

Soutenue en 2006

à Saint-Etienne, EMSE .


  • Résumé

    Les évents de sécurité protègent de l’explosion les réacteurs chimiques sièges d’un emballement thermique de réaction. Pour les systèmes non tempérés (c’est à dire produisant majoritairement des gaz incondensables), les méthodes de dimensionnement des évents issues des travaux du DIERS sont très surdimensionnantes. Une méthode basée sur le principe de similitude, développée dans le cadre de l'ONU pour la famille des peroxydes, fournit des aires d’évent plus réalistes mais elle est très contraignante. Le présent travail a permis la réalisation d’un nouvel outil de dimensionnement en similitude pour scénario d’incendie : la maquette à 0,1 litre. Il s’agit d’une extension du calorimètre adiabatique VSP2. Cette maquette permet, à l’échelle du laboratoire, la réalisation de blowdowns et la détermination directe du rapport A/V de l’évent nécessaire, mais également le suivi en temps réel de la masse réactionnelle évacuée. Nous avons validé l’utilisation de cette maquette à 0,1 litre (1 x 10-3 m⁻¹ < A/V < 3,5 x 10-3 m⁻¹) en comparant avec des blowdowns analogues effectués à l'INERIS dans le réacteur ONU 10 litres. Ces blowdowns ont été réalisés avec une solution d’hydroperoxyde de cumène (30% en masse) dans 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol diiso-butyrate. Ces essais ont montré que la maquette à 0,1 litre conduit à des évents légèrement plus grands (0 à 50 %) que le réacteur ONU 10 litres. Elle se situe donc du côté de la sécurité, tout en étant beaucoup moins surdimensionnante que la méthode DIERS, et utilisable à l’échelle du laboratoire. La principale limite est due à des fuites thermiques dont il faut vérifier pour chaque système étudié que l’influence est négligeable. Du point de vue compréhension, nosexpériences montrent que, même si la décomposition de notre système ressemble à celle d’un système non tempéré (2 pics de pression), elle génère des vapeurs (produits de la décomposition) qui ont une forte influence sur le 2e pic : Ces vapeurs provoquent un ralentissement de la réaction et l’atténuation des températures maximales atteintes. On constate même une corrélation Pmax = f(Tmax). Ce comportement pourrait concerner la plupart (toutes ?) des décompositions. Les mesures de masse évacuée ont permis de distinguer trois types de comportements qui illustrent l’influence de la pression dans le réacteur sur le « level swell ». La confrontation avec un modèle dynamique purement « gassy » a montré que l’évacuation de masse réactionnelle peut se traduire par une évacuation purement diphasique ou par une alternance gaz/ diphasique, que pour les hautes pressions l’évacuation est purement gazeuse au turnaround et que l’évacuation diphasique lors de la dépressurisation du second pic doit être imputée en grande partie à la présence de vapeur (ébullition). Enfin, nous avons identifié et quantifié la contribution des différentes hypothèses au caractère surdimensionnant de la méthode DIERS appliquée à notre système hybride non tempéré. Parmi les hypothèses surdimensionnantes identifiées, celle qui suppose que le « turnaround » est gouverné par une égalité de débit volumique est de loin celle qui est la cause principale de surdimensionnement.

  • Titre traduit

    Process safety. Runaway reaction. Vent sizing for untempered systems : tool, experiments and model.


  • Résumé

    Safety vents allow avoiding explosion of chemical reactors in case of thermal runaway reaction. The Vent sizing methods designed by the DIERS often lead to large oversizing for non tempered systems. An alternative method, based on the principle of similarity, was developed within UN for peroxide transportation. It provides more realistic vent areas but is very constraining. This PhD work allowed us to build a new similarity vent sizing tool: the 0,1 litre scale model. This new tool is based on the VSP2 adiabatic calorimeter. It allows for direct determination of the necessary A/V ratio at laboratory scale. It also allows real time measurement of vented mass during the relief. We validated the 0,1 litre scale model (1 x 10-3 m⁻¹ < A/V < 3,5 x 10-3 m⁻¹) by comparing with similar tests carried out by INERIS with UN 10 litre reactor. These blowdowns were conducted with cumene hydroperoxide (30% w/w) in 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol diiso-butyrate. They showed that the 0,1 litre scale model leads to vents a bit larger (0 to 50%) than the UN 10 l reactor. It is thus conservative, but much less oversizing than DIERS method for gassy systems, while at the lab scale. The main limit is related to thermal leaks. It has to be verified that their influence is negligible for all studied systems. Decomposition of the studied systems looks like that for a non tempered system (2 pressure peaks). However some products of the decompositions are vapour. These latter have a large influence on 2nd pressure peak. They slow the reaction and decrease the maximum reached temperature. One can even observe a correlation Pmax = f(Tmax). This behaviour could concern most decompositions (all ones?) Vented mass measurements allowed us to distinguish three types of behaviour which illustrate the influence of pressure in the vessel on level swell. Comparison with a purely gassy dynamic model showed that the vented mass can be either two-phase venting or an alternation of gas and two-phase venting. It also showed that purely gas venting occurs at turnaround for high pressures and that two phase venting during pressure decrease after the second pressure peak can only be explained by presence of vapour (boiling phenomenon). Finally, we identified the oversizing assumptions of the DIERS method for gassy systems. It appeared that, the main cause of oversizing is assuming that the turnaround is controlled by volume flow equality (volume vented = generated gas volume).

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Informations

  • Détails : 1 volume (238 pages)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie pages 213-217

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  • Bibliothèque : Ecole nationale supérieure des mines. Centre de documentation et d'information.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 539.7 VEC
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