Emballements thermiques de réactions. Etude des méthodes de dimensionnement des évents de sécurité applicables aux systèmes hybrides non tempérés

par Wilfried Saturnin Minko

Thèse de doctorat en Génie des Procédés

Sous la direction de Jean-Pierre Bigot.

Soutenue en 2008

à Saint-Etienne, EMSE .


  • Résumé

    Les travaux issus du DIERS ont permis de développer des méthodes simplifiées de dimensionnement des évents pour la protection des enceintes en cas d’emballement de réaction. Appliquée aux systèmes non tempérés (ceux pour lesquels stabiliser la pression ne stabilise pas la température), la méthode DIERS peut conduire à des tailles d’évent très surdimensionnées. Des méthodes en similitude, qui reproduisent le scénario d’emballement dans un réacteur pilote, conduisent à des tailles d’évent plus réalistes. Mais ces méthodes sont lourdes à mettre à oeuvre. Une étude antérieure à la nôtre a conduit au développement d’une maquette en similitude à l’échelle du laboratoire (0,1 L). Elle a été partiellement validée par une étude comparative de la décomposition d’une solution d’hydroperoxyde de cumène (HPOC) à 30 % en masse dans du 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol diisobutyrate (ou butyrate) entre la maquette à 0,1 L et le réacteur ONU 10 L. L’usage de la maquette à 0,1 L a ainsi permis de commencer à mieux comprendre le déroulement du blowdown (vidange d’un réacteur sous pression à travers une ligne d’évent) et d’évaluer la méthode DIERS pour un système non tempéré. L’objectif de notre étude a été d’élargir cette compréhension et de mieux identifier l’origine du caractère surdimensionnant de la méthode DIERS en améliorant la maquette, en abordant de nouveaux systèmes chimiques, et surtout en faisant varier la quantité de vapeur dans les systèmes étudiés. Nous avons complété la maquette en similitude 0,1 L par un système de mesure du volume de gaz évacué. Nous avons réalisé une étude des fuites thermiques qui a montré que cette maquette permet non seulement de reproduire des scénarios d’incendie, mais aussi des scénarios adiabatiques. Puis nous avons recherché des solutions qui se rapprochent le plus possible d’un pur gassy (influence de la vapeur aussi faible que possible) : peroxyde de dycumyl (DCP) et dans une moindre mesure tertbutylperoxy-2-ethylhexanoate (tBPEH) dans le butyrate ou le dodécane. L’étude de la décomposition des mêmes peroxydes dans un solvant plus volatil (le xylène) a ensuite permis de mesurer la sensibilité du blowdown et de la méthode DIERS à la vaporisation. L’étude de ces systèmes en cellule fermée et en cellule ouverte (calorimétrie adiabatique) a accessoirement montré que ces deux méthodes conduisent à évaluer un débit de gaz produit très différent. L’étude du déroulement du blowdown a permis de confirmer les tendances qualitatives attendues : plus il y a vaporisation, plus la cinétique est sensible à la taille de l’évent. Un constat plus surprenant est qu’il y a toujours stabilisation de la température due à une ébullition après le deuxième pic de pression, même pour le système le plus proche d’un pur gassy (DCP dans le butyrate). Pour les systèmes proches d’un pur gassy, notre étude nous a conduit à conclure que le surdimensionnement des méthodes DIERS est essentiellement dû à l’hypothèse de régime homogène dans le réacteur et d’écoulement diphasique homogène à travers l’évent, alors cette hypothèse n’est pas vérifiée. Une part moins importante provient de la nature de l’essai calorimétrique utilisé pour le dimensionnement (cellule ouverte ou cellule fermée). Pour les systèmes non tempérés qui présentent une sensibilité à la vaporisation, il faut ajouter l’influence de la vaporisation sur la cinétique de réaction, qui n’est pas prise en compte par la méthode DIERS. Le surdimensionnement peut alors atteindre trois ordres de grandeur !

  • Titre traduit

    Runaway reactions: Study of emergency vent sizing methods for hybrid untempered systems.


  • Résumé

    DIERS developed simplified emergency vent sizing methods to protect vessels from overpressures. When applied to untempered systems, DIERS methodology can be overly conservative. Some similarity tools (like UN 10 L reactor) lead to more realistic vent sizes. They are however very constraining. A former study led to building a new similarity vent sizing tool at laboratory scale: the 0. 1 L scale model. It was partially validated by a comparative study between the new tool and UN 10 L reactor, of the thermal decomposition of cumene hydro peroxide (CHP) 30 % w/w in 2,2,4-triméthyl-1,3-pentanediol diisobutyrate (butyrate). The 0. 1 L scale model then allowed a better understanding of the blowdown course and assessment of vent sizes from DIERS methodology for untempered systems. This work was aimed at widening that understanding and at a better identification of the origin of DIERS method being so much oversizing. The method was improving the scale model, testing new chemical systems and especially changing the vapour contents of these chemical systems. We added a real time measurement of vented gas volume to the scale model. A study of thermal leaks allowed verifying that the scale model can be used for simulating not only fire scenarios but also adiabatic ones. We then looked for solutions as near as possible from the pure gassy case (vapour influence as low as possible): dycumyl peroxide (DCP) and tert-butylperoxy-2-ethylhexanoate (tBPEH) in butyrate. Study of the decomposition of the same peroxides in a more volatile solvent (xylene) then allowed measuring the sensitivity of the blowdown and the DIERS method to vaporisation. Studying these systems in both closed and open test cells (adiabatic calorimetry) incidentally showed that these two methods lead to very different assessments for gas flow rate. Studying blowdown course allowed confirmation of forecast qualitative trends: the more vaporisation exits, the more kinetics are sensitive to vent size. A more surprising observation is that a temperature stabilisation due to ebullition is always observed after the second pressure peak, even for the most gassy system (DCP in butyrate). For nearly pure gassy system, we concluded that the main origin of DIERS method being oversizing is the assumption of a homogenous flow regime inside the reactor (level-swell) and thus two-phase flow through the safety vent whereas real flow is gaseous. A less important source is the type of calorimetric test used for sizing (closed or open test). For untempered systems sensitive to vaporisation, oversizing is moreover due to the vaporisation effect, which is not taken into account in DIERS methods.

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Informations

  • Détails : 1 volume (ix-223 pages)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliographie pages 219-221

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