Sécurité des procédés chimiques

La sécurité des procédés chimiques se concentre sur la prévention des incidents et des accidents lors de la fabrication de produits chimiques et pharmaceutiques à grande échelle. Elle vise à prévenir le rejet involontaire de matières et d'énergie potentiellement dangereuses dans l'environnement au cours d'une réaction chimique ou en raison d'un emballement de la réaction.

Dans l'industrie chimique, les incidents liés à la sécurité des procédés peuvent être dus à différents facteurs, notamment :

• des informations manquantes ;
• une formation insuffisante des opérateurs ;
• des défauts techniques ;
• des erreurs humaines
• une accumulation de coïncidences regrettables.

Les dysfonctionnements, les erreurs humaines et la méconnaissance de la chimie et de l'ensemble des réactions parallèles possibles ou du procédé et de ses paramètres comptent parmi les causes les plus fréquentes des incidents ou accidents.

L'identification et la compréhension des dangers et des risques ainsi qu'une analyse des risques approfondie permettent d'évaluer le risque de déclencher des décompositions et d'éviter de perdre le contrôle de la réaction.

La sécurité des procédés chimiques est une composante de l'évaluation complète de la sécurité dans le cadre des opérations d'extrapolation et de fabrication. Elle doit donc être considérée comme faisant partie intégrante de la culture et de la politique de l'entreprise. La directive dans laquelle s'inscrit la sécurité des procédés chimiques est également connue sous le nom de directive « HSE » ou « SHE », et elle est incluse dans les directives de nombreux organismes de réglementation.

La sécurité des procédés chimiques s'appuie sur différentes techniques, technologies et modèles et elle nécessite de comprendre les réactions souhaitées et celles qui sont potentiellement indésirables. Cela comprend l'analyse des événements thermiques, du transfert de chaleur, du mélange, du transfert de masse, du dégagement de gaz, ainsi que de la stabilité du matériau de départ, de la masse réactionnelle et des produits résultants.

Un certain nombre de disciplines différentes sont mises à contribution afin de garantir la sécurité des procédés chimiques.

La sécurité des procédés chimiques permet d'éviter les incidents et les accidents aux stades des procédés pilotes et de fabrication. En règle générale, les produits sont développés dans des délais très courts, avec de petites quantités de matières et dans des conditions extrêmes. Au fil des ans, les procédés chimiques se sont multipliés et les usines sont devenues plus complexes, la chimie plus ambitieuse et plus toxique, et les conditions de fonctionnement plus dangereuses. Pour toutes ces raisons et à la suite des accidents qui se sont produits, les organismes de réglementation et la société sont devenus plus sensibles et soucieux en ce qui concerne la sécurité et le respect des règlements. Ces tendances ont obligé les entreprises à améliorer la sécurité générale des procédés chimiques et à développer des concepts qui garantissent des procédés chimiques et une fabrication de produits chimiques intrinsèquement sûrs. Une conception des procédés à sécurité intrinsèque permet d'éviter les risques chimiques plutôt que de les contrôler.

Pour garantir des opérations sûres et conformes, le procédé et les risques liés au procédé doivent être clairement compris.

Des études approfondies sur la sécurité des procédés chimiques permettent non seulement d'éviter les réactions d'emballement, mais également les dommages ou les destructions au niveau des usines, les blessures aux personnes ou la pollution de l'environnement.

L'objectif des études de sécurité des procédés chimiques est de disposer d'une vue d'ensemble de tous les dangers, conséquences et effets potentiels. Celles-ci comprennent l'évaluation de la sécurité des produits et des procédés, ainsi que de la sécurité du personnel et de la sécurité environnementale. Une attention, une gestion et une analyse appropriées doivent être mises en œuvre dans chaque étude mentionnée ci-dessus afin de garantir la fabrication sûre de produits chimiques à grande échelle.

Les conséquences des incidents et des accidents au sein des usines chimiques peuvent s'avérer mineures, avec la perte d'un lot ou des dommages insignifiants au niveau de l'installation, et évoluer jusqu'à être désastreuses, avec des employés blessés ou morts, des dommages matériels considérables ou des destructions, ainsi que des dommages sociaux et environnementaux catastrophiques impactant de vastes zones environnantes. Des incidents de cette importance auront également un impact important en termes d'atteinte à la réputation et de pertes financières pour l'entreprise.

C'est pourquoi il est essentiel d'investir dans la sécurité des procédés chimiques.

La sécurité des procédés chimiques s'appuie sur différentes techniques et technologies et différents modèles, qui permettent aux scientifiques d'étudier la réaction chimique, les propriétés des solvants et des produits chimiques utilisés, et les paramètres de procédé appropriés.

Les réactions chimiques, leur évolution et la formation de sous-produits et d'impuretés sont généralement contrôlées via certains paramètres, notamment la température, le pH, la pression, les vitesses de dosage, l'agitation, le mélange, le type de solvant, le catalyseur et bien d'autres.

Lors du développement du procédé, des paramètres supplémentaires, tels que la cinétique des réactions chimiques, le dégagement de chaleur maximal, l'accumulation de chaleur et de matière n'ayant pas réagi, le transfert de chaleur et de masse, les modifications de viscosité, l'encrassement, les précipitations ou le dégagement de gaz doivent également être pris en compte.

Par conséquent, les analyses de la ou des réactions souhaitées et potentiellement indésirables sont les plus pertinentes pour garantir la sécurité des procédés chimiques et elles font l'objet d'analyses approfondies.

La calorimétrie est utilisée pour analyser le comportement thermique des réactions chimiques. Alors que la calorimétrie réactionnelle est utilisée pour étudier la réaction souhaitée, un analyseur calorimétrique différentielle (DSC) est généralement utilisé pour étudier la réaction indésirable. La réaction secondaire est souvent une décomposition de la masse réactionnelle ou de ses composants conduisant à une réaction d'emballement dans le pire des cas.

Les calorimètres réactionnels  fournissent des informations thermiques, notamment les profils de flux thermique en fonction du temps ou du dosage, le dégagement de chaleur maximal, l'accumulation thermique, l'accumulation de réactifs, l'enthalpie de réaction et les coefficients de transfert de chaleur. Les études des procédés chimiques dans les calorimètres à réaction permettent également de découvrir les dépendances de la réaction en ce qui concerne l'agitation et le mélange. La combinaison des informations issues du calorimètre de réaction avec les informations collectées par dépistage thermique (avec un DSC par exemple) permet de développer des protocoles de sécurité, en se basant sur le graphique d'emballement ou la criticité d'une réaction.

Les informations complètes obtenues via la calorimétrie réactionnelle aident les scientifiques à identifier et à éliminer les paramètres critiques ou non évolutifs, en permettant ainsi d'atteindre un niveau de sécurité élevé des procédés chimiques.

En calorimétrie réactionnelle, un procédé chimique est étudié en fonction de l'influence de la réaction et des paramètres du procédé durant l'évolution de la réaction, de la vitesse de la réaction, du dégagement de chaleur en fonction du temps ou du dosage, du dégagement de chaleur maximal, ainsi que de l'influence de l'accumulation d'énergie et de réactifs ou les transferts de masse et de chaleur.

Lors de l'exécution d'une réaction chimique dans des conditions proches de celles du procédé, la quantité d'énergie libérée ou absorbée est déterminée en fonction du temps et enregistrée avec d'autres données de procédé.

Le calorimètre réactionnel RC1mx prend en charge différentes méthodes pour mesurer la chaleur de la réaction. Par exemple, la technique éprouvée de mesure du flux de chaleur dans laquelle le comportement de transfert de chaleur en fonction du temps est déterminé grâce à un étalonnage du coefficient de transfert de chaleur ou RTCal (qui mesure et présente le flux de chaleur en ligne et en temps réel).

Indépendamment de la méthode utilisée, des algorithmes spéciaux garantissent que la chaleur de réaction est mesurée avec exactitude et fidélité, quelle que soit la configuration du réacteur, dans toutes les conditions expérimentales, notamment les suivantes :

• conditions de températures isothermes ;
• conditions de températures non isothermes ;
• ajout de réactifs froids et chauds.

Pour réaliser des études approfondies de la sécurité des procédés chimiques, des calorimètres réactionnels sont utilisés afin d'obtenir des détails sur la réaction étudiée, notamment :

• influence du changement de comportement de mixage ;
• réactions parallèles ou consécutives ;
• capacités calorifiques évolutives ;
• évaporation ou dégagement de gaz.

Qu'ils soient utilisés de manière autonome ou intégrés à une station de travail de chimie, ces outils apportent une aide essentielle pour améliorer la sécurité des procédés chimiques :

• Réacteurs de synthèse chimique
  Les postes de synthèse automatisés permettent de réaliser des expériences sans surveillance en bénéficiant d'un contrôle précis des conditions de réaction et de la collecte des données issues de chaque expérience, de jour comme de nuit.
   

• Calorimètres réactionnels
  Les calorimètres réactionnels permettent d'analyser les réactions à petite échelle, d'identifier les conditions non évolutives, d'explorer les paramètres du procédé pour l'extrapolation et d'évaluer les risques et la criticité des procédés. La gamme des calorimètres réactionnels disponibles autorise le développement de procédés sûrs, économiques et écologiques.
  
  
• Spectromètres FTIR et Raman
  La surveillance de la réaction en continu permet de suivre l'évolution des composants pour disposer d'une « vidéo moléculaire » de la réaction. Le suivi et le profilage en temps réel des principaux types de réactions en fonction de la durée de la réaction facilitent les études cinétiques et mécaniques.
  
  
• Logiciel iC
  Transformez les données expérimentales en connaissances importantes sur les procédés et intégrez des flux de données pour une compréhension et une gestion complètes des données. iC DataCenter capture l'ensemble des données expérimentales en toute sécurité et permet de préparer et de partager des données au sein de l'organisation pour contribuer au développement les connaissances institutionnelles.

La sécurité des procédés chimiques et les applications associées sont mentionnées dans de nombreuses publications. Liste de publications :

• Thirumalai Lakshminarasimhan, Predicting 24 and 8 h Adiabatic Decomposition Temperature for Low Temperature Reactions by Kinetic Fitting of Nonisothermal Heat Data from Reaction Calorimeter, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 315−320
  
  
• Kamala Jyotsna G, Srikanth S, Ratnaparkhi V, et al. Reaction calorimetry as a tool for thermal risk assessment and improvement of safe scalable chemical processes. Inorg Chem Ind J. 2017;12(1):110
  
  
• Darja Pecar and Andreja Gorsek, Saponification Reaction System: a Detailed Mass Transfer Coefficient Determination, Acta Chim. Slov. 2015, 62, 237–241
  
  
• Christopher W. Mitchell, Josiah D. Strawser, Alex Gottlieb, Michael H. Millonig, Frederick A. Hicks, and Charles D. Papageorgiou, Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1828-1835
  
  
• Min Hua, Min Qi, Xuhai Pan, Wendi Yu, Lu Zhang, and Juncheng Jianga, Inherently Safer Design for Synthesis of 3-Methylpyridine-N-Oxide, Process Safety Progress, Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI 10.1002/prs.11952
  
  
• Alexandre M. Monteiro, Roy C. Flanagan, Process Safety Considerations for the Use of 1 M Borane Tetrahydrofuran Complex Under General Purpose Plant Conditions, Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 241-246
  
  
• Jingyao Wang, Yanyan Huang, Benjamin A. Wilhite, Maria Papadaki, M. Sam Mannan, Toward the Identification of Intensified Reaction Conditions Using Response Surface Methodology: A Case Study on 3‑Methylpyridine N‑Oxide Synthesis, Industrial & Engineering Chemistry Research 2019 58 (15), 6093-6104