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 œuvre. 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. <br /><br />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.<br /><br />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. <br /><br />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 tert-butylperoxy-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.<br /><br />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).<br /><br />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 !

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. <br />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. <br />Du point de vue compréhension, nos expériences 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 2ème 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. <br />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). <br />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.

Dans l’industrie chimique, la majorité des réacteurs est équipée d’un dispositif « évent de sécurité » permettant d’éviter leur éclatement en cas de surpression accidentelle conséquente à un emballement. La nature physique du rejet (gazeux ou diphasique gaz-liquide) influe fortement sur la taille requise de l’évent. L’objectif de notre étude est de connaitre mieux le comportement de l’écoulement (désengagement) en cas d’un emballement de réaction et de prédire la nature du rejet (mono ou diphasique) notamment à l’échelle industrielle.Une étude expérimentale d’une réaction d'estérification fut réalisée dans un réacteur en verre de 0,5 l afin de visualiser la nature de l’écoulement et de mesurer la fraction de vide moyenne (ᾱ) lors de l’emballement de réaction. Une étude paramétrique fut effectuée de façon à identifier, pour le régime d'écoulement et la transition, les paramètres clés : la viscosité et l’agitation. Un calorimètre pseudo-adiabatique (VSP2) fut utilisé pour étudier la thermodynamique de l’emballement d’estérification. Les bilans massique et énergétique ont été utilisés pour calculer la vitesse superficielle de la vapeur (jg,max). En outre, le jg, max fut calculé aussi à partir de différentes corrélations, issues d’études en colonne à bulles. Une comparaison entre les résultats obtenus a montré l’inadéquation de ces corrélations pour un système réactif. Une carte de régime pour un système réactif a été construite pour la première fois (jg,max versus ᾱ, combinée à l'observation du régime d'écoulement dans le réacteur), avec une méthodologie pour la prédiction de la nature du rejet en cas d’emballement. / In chemical industry, most reactors are equipped with an emergency relief vent to prevent bursting in case of accidental overpressure due to a runaway reaction scenario. The physical nature of the vent release (gas phase or gas-liquid) strongly influences the necessary vent size. The objective is to enhance the knowledge on the flow behavior (disengagement) during a runaway reaction and to be able to predict the nature of the vent flow (1 or 2-phase) namely at industrial scale.Experiments of esterification were done in a 0.5 l glass reactor in order to visualize the flow pattern (hydrodynamic) and to measure the average void fraction (ᾱ) during the runaway. A parametric study was carried out to identify the key parameters onto the flow pattern and transition, they were: the viscosity and the stirring. A pseudo-adiabatic calorimeter (VSP2) was used to study the runaway P and T profile and the kinetic of the esterification. The thermodynamic data and the mass & heat balances were used to calculate the superficial vapor velocity (jg,max). Furthermore, this jg,max was also calculated from different correlations, obtained from bubble column research. A comparison showed the incorrectness of using these correlations for a reactive system. A flow pattern map (jg,max versus ᾱ combined with the observation of the flow pattern,) for a reactive system was built up for the first time together with a methodology to predict the vent flow nature.