Pourquoi la sécurité thermique des procédés ?
Le 4 août 2020, un entrepôt contenant du nitrate d'ammonium a explosé dans le port de Beyrouth. L'explosion a détruit large parties du port. Au total, plus de 200 personnes ont été tuées et environ 7 000 ont été blessées [1]. La sécurité thermique concerne non seulement la production, mais aussi le stockage et le transport des produits chimiques.
Contrôle des risques de réaction dans les industries pharmaceutiques, chimiques, alimentaires et agricoles
Seveso 1976, Bhopal 1984 - Deux accidents chimiques très large-scale causés par des réactions chimiques exothermiques incontrôlées connues sous le nom d'Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC).emballement thermique.
L'Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC).emballement thermique (parfois appelé explosion thermique) fait référence à une surchauffe due à un processus ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique qui se renforce ou s'accélère de lui-même. Le taux de production de chaleur est supérieur au taux de dissipation de la chaleur, ce qui entraîne une augmentation continue de la température (et donc de la pression) dans un récipient de réaction. Les conséquences de l'Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC).emballement thermique sont des incendies et/ou des explosions potentiels qui peuvent libérer des gaz toxiques et mettre en danger la vie humaine.
Le rejet d'isocyanate de méthyle d'une usine de pesticides de Union Carbide le 3 décembre 1984 en Inde est parfois considéré comme la "catastrophe chimique la plus dévastatrice de l'histoire"[3]. [Des milliers de personnes sont mortes à la suite de cet accident.
L'accident de Seveso s'est produit le 10 juillet 1976 dans l'usine chimique Icmesa à Meda, près de Milan, en Italie, et a entraîné le rejet massif de la dioxine TCDD (nom chimique : 2,3,7,8-tétrachlorodibenzodioxine) [4]. Il a donné son nom au règlement européen 2012/18/UE "concernant la maîtrise des dangers liés aux accidents majeurs impliquant des substances dangereuses", connu sous le nom de directive Seveso III.
Heureusement, ces accidents graves sont très rares, mais des incidents mineurs se produisent de temps à autre. Par exemple, environ 25 % des incidents survenus dans l'industrie chimique française entre 1974 et 2014 peuvent être attribués à des emballements thermiques [5]. En Chine, les réactions d'Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC).emballement thermique ont été à l'origine de 271 incidents entre 1984 et 2019 [6]. Aux États-Unis, 167 incidents liés à des emballements thermiques se sont produits entre 1985 et 2001 [7].
Récemment, les réactions d'Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC).emballement thermique dans les batteries lithium-ion, qui sont utilisées dans les voitures électriques, les vélos électriques et les scooters électriques, ont fait la une des journaux. En juillet 2023, un incendie s'est déclaré dans un transporteur de 3 000 véhicules près de la côte néerlandaise.
Qu'est-ce que la sécurité des procédés thermiques ?
L'objectif de la sécurité thermique des procédés est de permettre aux réactions chimiques de se dérouler de manière contrôlée et de prévenir l'Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC).emballement thermique.
L'analyse des risques, une question importante
Pour atteindre l'objectif susmentionné, les risques d'une réaction chimique ou les produits chimiques utilisés doivent être systématiquement déterminés et évalués, et des mesures appropriées doivent être prises pour minimiser les dangers. Cela se fait dans le cadre d'une analyse de risque détaillée qui est réalisée dans des cas tels que :
- Lors de l'introduction d'un nouveau processus de synthèse (mise à l'échelle)
- Lors de la modification/optimisation d'un procédé existant en ce qui concerne
- la quantité et le type de réactifs
- La quantité et le type de solvants
- La séquence d'ajout
- Les conditions du procédé
- En cas de déplacement du site de production
- d'un réacteur à un autre
- d'une usine à une autre ou
- d'un pays à un autre
Du développement à la production, les quantités de matériaux passent du mg au kg, voire à la tonne. De même, les dangers liés à la ManipulationL'adhésivité décrit l'interaction entre deux couches de matériaux identiques (auto-adhésion) ou différents (cohésion) en termes d'adhérence de surface.manipulation de solvants inflammables et de substances/réactions énergétiques augmentent également.
Que se passe-t-il si une réaction échappe à tout contrôle, par exemple en raison de la défaillance d'un système de refroidissement ?
Afin d'identifier, de quantifier et de comprendre les dangers potentiels, les risques et les dangers pour l'environnement de travail, diverses techniques et modèles peuvent être utilisés.
La sécurité avant tout ! - Détermination des paramètres clés
La Fédération européenne du génie chimique (EFCE) définit le terme "risque" comme une mesure du potentiel de dommage et de préjudice pour l'environnement ou les personnes en termes de probabilité et de gravité. Cette relation est souvent exprimée sous la forme de l'équation suivante :
Risque = gravité x probabilité[8]
Pour déterminer les faiblesses inhérentes à un processus, des scénarios d'incidents sont décrits et analysés en fonction de la gravité attendue et de la probabilité d'occurrence. Le résultat peut être une matrice des risques.
Exemple de critères pour une évaluation des risques (d'après [9]) :
Gravité : Plus la température et la pression sont élevées, plus les dommages attendus sont importants.
Probabilité : Plus le temps restant pour rétablir une situation sûre est court, plus la probabilité d'un Emballement thermiqueUn emballement thermique est la situation dans laquelle un réacteur chimique est hors de contrôle en ce qui concerne la production de température et/ou de pression causée par la réaction chimique elle-même. La simulation d'un emballement thermique est généralement réalisée à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC).emballement thermique est élevée.
ΔTad désigne l'augmentation de la température dans des conditions adiabatiques et mesure les conséquences d'un emballement de la réaction ; TMRad désigne le temps nécessaire pour atteindre le taux maximal dans des conditions adiabatiques.
Que sont les conditions adiabatiques ?
AdiabatiqueAdiabatique décrit un système ou un mode de mesure sans aucun échange de chaleur avec l'environnement. Ce mode peut être réalisé à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC). L'objectif principal d'un tel dispositif est d'étudier des scénarios et des réactions d'emballement thermique. Une brève description du mode adiabatique est la suivante : "pas d'entrée de chaleur - pas de sortie de chaleur".Adiabatique signifie : Pas d'échange de chaleur entre un système et son environnement. Si la chaleur ne peut pas être évacuée lors d'une réaction ExothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est exothermique si elle produit de la chaleur.exothermique, il s'agit d'un scénario catastrophe. Toute l'énergie libérée par la réaction augmente la température du système.
Qu'est-ce que le TMR ?
Le temps de réaction maximale est le temps qui s'écoule entre le début d'une réaction d'emballement et le point de réaction maximale. En d'autres termes, il s'agit du temps nécessaire pour qu'une explosion thermique se produise.
Selon la règle de Van't Hoff, la vitesse de réaction double lorsque la température augmente de 10 K [8].
la TMR est une spécification de temps, tandis que la TMR24h (ou TD24, D = Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition) est une température : la température à laquelle la TMR est de 24 heures. Cependant, d'autres durées sont parfois utilisées comme base de calcul, par exemple 8 heures comme mesure pour une couche.
Exemple d'organigramme pour l'évaluation des risques chimiques (d'après [10]) :
Les méthodes d'analyse thermique (calorimétrie différentielle dynamique, analyse thermogravimétrique, calorimétrie AdiabatiqueAdiabatique décrit un système ou un mode de mesure sans aucun échange de chaleur avec l'environnement. Ce mode peut être réalisé à l'aide d'un calorimètre selon la méthode de la calorimétrie à taux accéléré (ARC). L'objectif principal d'un tel dispositif est d'étudier des scénarios et des réactions d'emballement thermique. Une brève description du mode adiabatique est la suivante : "pas d'entrée de chaleur - pas de sortie de chaleur".adiabatique) permettent d'évaluer la Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique.
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Pour les études d'évaluation des risques thermiques, la calorimétrie différentielle à balayage(DSC) est la méthode la plus couramment utilisée. La calorimétrie à vitesse accélérée (ARC® ) est également incluse (voir organigramme). Le Calorimètre à modules multiples (MMC)Un calorimètre à modes multiples composé d'une unité de base et de modules interchangeables. Un module est préparé pour la calorimétrie à vitesse accélérée (ARC), le module ARC. Un deuxième module est utilisé pour les essais de balayage (module de balayage). Un deuxième module est utilisé pour les tests de balayage (module de balayage) et un troisième et un quatrième modules sont utilisés pour les tests de batteries et de polymères, ainsi que pour les tests pharmaceutiques pour les cellules à pièces de monnaie (module de cellules à pièces de monnaie).calorimètre à modules multiples Calorimètre à modules multiples (MMC)Un calorimètre à modes multiples composé d'une unité de base et de modules interchangeables. Un module est préparé pour la calorimétrie à vitesse accélérée (ARC), le module ARC. Un deuxième module est utilisé pour les essais de balayage (module de balayage). Un deuxième module est utilisé pour les tests de balayage (module de balayage) et un troisième et un quatrième modules sont utilisés pour les tests de batteries et de polymères, ainsi que pour les tests pharmaceutiques pour les cellules à pièces de monnaie (module de cellules à pièces de monnaie).MMC occupe une position particulière car il peut être utilisé à la fois pour les procédures de dépistage (module à balayage) et pour les tests ARC® (moduleARC ).
Le protocole d'essai standard pour les mesures ARC® est appelé Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search est un mode de mesure utilisé dans les appareils calorimétriques selon la calorimétrie à taux accéléré (ARC).Heat-Wait-Search [11]. L'échantillon est chauffé par étapes et son auto-échauffement est vérifié dans une phase d'attente correspondante (voir diagramme). Si une certaine valeur seuil d'auto-échauffement (généralement 0,02 K/min) est dépassée, le système de mesure passe en mode suivi et mesure l'augmentation de température qui se produit.
Schéma d'une expérience Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search est un mode de mesure utilisé dans les appareils calorimétriques selon la calorimétrie à taux accéléré (ARC).heat-wait-search [12]
Conformément à la norme ASTM E1981 [11], la quantité de chaleur libérée peut être déterminée à partir de l'augmentation de Modèle de burgersLe modèle de Burgers est un modèle général de matériau viscoélastique, couramment utilisé pour décrire une mesure de récupération du fluage sur le site classic.température observée, ΔTobs, en la multipliant par l'Inertie thermiqueL'inertie thermique est équivalente au facteur PHI. Tous deux décrivent le rapport entre la masse et la capacité thermique spécifique d'un échantillon ou d'un mélange d'échantillons et celle du récipient ou du conteneur d'échantillons.inertie thermique (ou le facteur Phi), ΔTad, et en multipliant le produit, à son tour, par la capacité thermique du récipient de l'échantillon.
LeTMR24h ouTD24 peut être calculé sur la base de différents modèles cinétiques.
Le nouveau logiciel Termica Neo permet de simuler le comportement thermique de produits chimiques dans des volumes large (réacteurs, silos, etc.).
Webinaires :
Références :
Littérature :
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/2020_Beirut_explosion
[2] K. Hungerbühler, Risk Analysis of Chemical Processes and Products, conférence, FS 2017
https://ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/chab/icb/set-dam/documents/downloads/risk-analysis17/2017-05-16-Part5.pdf.
[3] Article dans le magazine GEO (langue allemande) du 13 janv. 13, 2023 ; https://www.geo.de/wissen/weltgeschichte/katastrophe-von-bhopal-1984--das-schwerste-chemieunglueck-aller-zeiten-32733526.html
[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Sevesounglück
[5] A. Dakkoune, L. Vernières-Hassimi, S. Leveneur, D. Lefebvre et L. Estel ; Analysis of Thermal Runaway Events in French Chemical Industry, HAL Id : hal-02314230,
https://normandie-univ.hal.science/hal-02314230
[6] H. Zhang, M. Bai, X. Wang, J.gai, Chi-Min Shu, N. Roy, Yi Liu, Thermal Runaway Incidents - a Serious Cause of Concern : An Analysis of Runaway Incidents in China, Process Saf Environ Prot, Vol. 155, 2021, p 277 - 286
[7] Improving Reactive Hazard Management ; Hazard Investigation Report ; United States Chemical Safety Board, 2002. https://www.hsdl.org/?view&did=234839
[8] F. Stoessel, Thermal Safety of Chemical Processes, Wiley-VCH, 2008
[9] F. Stoessel, EPSC Award Lecture, Leverkusen, 6. Oktober 2020
https://epsc.be/About+Us/EPSC+Award/_/Award_2020_Presentation.pdf
[10] P. Sharrat, S. Shaik, Institute of Chemical & Engineering Sciences, conférence dans le cadre du Chemical Reaction Safety Workshop, Technical Process Safety Seminar, Singapour, 19 août 2019
https://www.icheme.org/media/12371/w1-icheme-tpsseminar-chemrxnsafetywrkshp-aug2019.pdf
[11] ASTM E1981 - 22, Guide standard pour l'évaluation de la Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique des matériaux par des méthodes de calorimétrie à vitesse accélérée
[12] NETZSCH Date de début 26, 2023