Éviter les risques d'explosion lors de réactions chimiques

Une explosion est causée par une dilatation rapide en volume accompagnée d'une libération d'énergie soudaine, généralement à cause de fortes températures et d'émanations de gaz. Dans les usines chimiques, les explosions doivent à  tout prix être évitées. Dans les procédés chimiques, deux causes  principales sont à l'origine des explosions :

• La matière est instable sur le plan énergétique et présente des propriétés explosives. Une étude de sécurité complète du procédé permet de déterminer les matières sensibles aux chocs, aux frictions, à la chaleur, etc. et de dicter les procédures de manipulation spécifiques à respecter.
• Le procédé chimique peut entraîner une libération incontrôlée de chaleur ou de gaz, entraînant l'évaporation de substances inflammables ou une surpressurisation du réacteur, qui peut se rompre ou perdre son contenu potentiellement inflammable.

Pour éviter tout dégagement de chaleur incontrôlé, étudiez le procédé avec un calorimètre réactionnel pour déterminer la chaleur de réaction (enthalpie) et la vitesse de libération de chaleur, afin d'élaborer un procédé où le risque d'emballement est limité.

L'accumulation se rapporte généralement au dosage d'une matière lors d'une réaction semi-continue qui ne réagit pas immédiatement.  La concentration de cette matière augmente, présentant alors un risque de sécurité si la réaction se déclenche à une vitesse accélérée ou si le circuit de refroidissement est défaillant. L'accumulation se mesure avec un calorimètre réactionnel, qui détermine la vitesse de génération de chaleur par rapport à la vitesse d'ajout de matière. Il est aussi possible d'utiliser les analyses in situ pour mesurer directement la concentration du réactif non réagi.

Lorsque la sécurité d'un procédé est évaluée, il est essentiel de vérifier si le procédé produit des gaz, et sous quelles conditions. Dans certains cas, comme lorsque la décarboxylation libère du CO₂, cette production de gaz est un élément évident et attendu du procédé.  Dans d'autres cas,  comme un emballement thermique lors de la nitration, la production de gaz est due à une réaction secondaire ou une décomposition inattendue. Une libération de gaz inattendue peut entraîner rapidement une surpressurisation de l'équipement, avec un risque de fuite voire de rupture dans l'usine et des conséquences catastrophiques.

Le contrôle des gaz libérés est un élément essentiel des études de sécurité des procédés à l'échelle du laboratoire. Les calorimètres réactionnels peuvent facilement être équipés d'un instrument de mesure ou de détection pour mesurer la vitesse et le débit de libération des gaz, afin de prendre des dispositions adéquates à l'échelle de l'usine.

Lorsqu'un liquide s'évapore, la quantité d'énergie requise est considérable pour passer de la phase liquide à la phase vapeur. Cela s'appelle l'énergie de vaporisation. Ce phénomène est souvent utilisé en production chimique à grande échelle pour refroidir le système, réduire les coûts et renforcer la sécurité du procédé. Ainsi, il est fréquent qu'au moins une partie du processus en lots est exécutée en conditions de reflux, pour optimiser la vitesse de réaction tout en garantissant l'efficacité et la sécurité du processus. L'utilisation d'un calorimètre réactionnel en conditions de reflux requiert une attention particulière, afin de capturer la chaleur évacuée vers le condenseur de reflux et pour s'assurer que le potentiel énergétique du procédé reste équilibré même dans ces conditions.

Ce document traite des questions suivantes sur l'accumulation thermique, à travers des études de cas pratiques en laboratoire et en usine :

• Pourquoi et à quel moment une accumulation thermique se produit-elle ?
• L'accumulation thermique est-elle un aspect important et quelle est son ampleur ?
• Quel est l'impact d'un mauvais calcul de l'accumulation thermique ?

Généralement, les réactions autocatalytiques commencent très lentement, puis connaissent une accélération subite due à la formation de composés ou d'intermédiaires catalytiques. Cela peut être extrêmement dangereux à grande échelle, car le système de refroidissement peut se trouver dans l'incapacité d'extraire la grande quantité de chaleur générée en peu de temps. Pour concevoir un procédé adéquat, il est donc essentiel de savoir à l'avance si un système est soumis à un comportement autocatalytique. Un calorimètre réactionnel permet de mesurer directement la vitesse de production de chaleur ; les analyses in situ donnent des informations complémentaires sur la vitesse de la réaction déclenchée.

Le déclenchement est le point où la réaction chimique commence. Il est facultatif lorsque les réactifs sont mélangés. Dans certains cas, le déclenchement se produit après un laps de temps (lors de l'autocatalyse), lorsqu'une matière inhibitrice a été consommée où lorsqu'une température donnée est atteinte (lors d'une réaction non-isothermique ou une décomposition). L'existence d'un laps de déclenchement ne signifie pas forcément que la réaction est dangereuse, mais il peut être essentiel de bien comprendre les paramètres du déclenchement (délai, durée, etc.) pour éviter les conditions dangereuses. Par exemple, les réactions de Grignard se déclenchent généralement après un délai, et il faut veiller à ne pas ajouter trop d'halogénure au réacteur avant confirmation du déclenchement. Cela risque de provoquer une accumulation et un emballement thermiques.

La calorimétrie réactionnelle permet aux chercheurs d'évaluer rapidement les conditions et d'extrapoler en toute sécurité, sans avoir à effectuer de tests à grand volume. Exemples :

• Détection de chaleur libérée lors de l'évolution de la température
• Comprendre l'effet d'accumulation de chaleur
• Examen des problèmes d'extrapolation à petite échelle
• Éliminer les risques d'emballement des réactions 

Une déflagration se produit lorsqu'une matière solide, comme une conduite de réacteur ou une cuve de stockage, subit une réaction de décomposition autonome qui libère une quantité importante d'énergie (chaleur).  La déflagration implique généralement une combustion, mais peut se produire en absence d'oxygène dans l'air. Une déflagration n'est pas une détonation. Lors d'une détonation, la vitesse de la réaction est supersonique, alors qu'une déflagration se produit à une vitesse subsonique. Lors d'un processus chimique, les déflagrations doivent être évitées à tout prix. Les études de sécurité des procédés chimiques doivent toujours inclure une évaluation de la susceptibilité de la matière aux déflagrations (et explosions), et mentionner les températures pouvant être atteintes lors du procédé, notamment en cas d'emballement ou de défaillance du refroidissement.

Le système de chauffage et de refroidissement du calorimètre réactionnel RC1 est basé sur la circulation d'un fluide de transfert de chaleur à haute vitesse et sur une grande quantité d'huile pré-refroidie. La circulation à haute vitesse permet de répondre rapidement aux changements de température. Le réservoir d'huile prérefroidie garantit un refroidissement instantané en cas d'urgence ou d'exothermie importante. Avec des algorithmes qui garantissent des calculs extrêmement précis, le thermostat peut répondre rapidement aux conditions changeantes dans le réacteur, pour maintenir la température exacte souhaitée.

Le système de contrôle de la température des calorimètres réactionnels EasyMax et OptiMax repose sur les concepts de chauffage électrique et de technologie de refroidissement à semi-conducteur par effet Peltier. Le chauffage et le refroidissement sont ultra-rapides, grâce au format compact du thermostat. Le système peut atteindre des températures inférieures à 0 °C, sans utiliser de cryostat, et avec un encombrement minimal.