Empêcher les réactions d'emballement chimique

Analyser la dynamique des réactions permet aux chercheurs de modéliser des scénarios d'emballement et d'établir une procédure de réaction idéale. Mesurer, calculer et la comprendre les paramètres ci-dessous sont essentiels pour évaluer et réduire les risques inhérents aux procédés chimiques. Les chercheurs peuvent ainsi faire des prédictions sur les profils de température et de distribution, les concentrations ou la température de service maximale. Du point de vue thermochimique, les informations clés sont :

1. Accumulation
2. Elevation de température adiabatique
3. Capacité thermique
4. Enthalpie de réaction
5. Vitesse de production de chaleur/Chaleur de réaction
6. MTSR (Température maximale de la réaction de synthèse)
7. Réaction souhaitée, Réaction  non souhaitée , Décomposition, Emballement thermique

L'accumulation se rapporte généralement à la matière distribuée lors d'une réaction en demi-lot, qui ne réagit pas immédiatement, ou à l'énergie accumulée car la production de chaleur est supérieure à la capacité d'extraction de chaleur.

Si la concentration de matière première sans réaction augmente en continu, un risque existe en cas de défaillance du refroidissement. Pour évaluer ce risque, utilisez un calorimètre réactionnel, qui déterminera la vitesse de génération de chaleur par rapport à la vitesse d'ajout de matière. Il est aussi possible d'utiliser la spectroscopie FTIRin situ pour mesurer directement la concentration du réactif inerte.

L'accumulation thermique correspond à la hausse de l'énergie contenue dans un système. Elle est due à une production de chaleur supérieure à la capacité d'extraction de chaleur, entraînant une hausse de la température. En mesurant la capacité thermique et le changement de température avec un calorimètre réactionnel, vous pouvez calculer l'accumulation thermique et l'écart par rapport à la chaleur de réaction.

La hausse adiabatique de la température est une propriété calculée pour toute réaction afin d'indiquer la gravité potentielle d'une défaillance du refroidissement ou de toute autre défaillance du procédé. Elle dépend de la quantité d'énergie totale libérée (enthalpie de réaction), de la masse totale du mélange de réaction et de la capacité thermique totale du système. Il est essentiel de savoir si  cette hausse peut amener le mélange de réaction à une température où une réaction secondaire ou une décomposition peut se produire. La hausse adiabatique de la température se calcule facilement, à l'aide d'un calorimètre réactionnel. Ce dernier donne une simple indication de hausse maximale potentielle de la température. Des calculs plus complexes, comme ceux réalisés par iC Safety, permettent d'obtenir des paramètres connexes comme la MTSR (Température maximale de la réaction de synthèse), qui est un paramètre très utile pour les études d'extrapolation.

La capacité thermique ou capacité thermique spécifique d'une matière correspond à la quantité d'énergie requise pour augmenter la température d'un degré Celsius pour un kilogramme de matière. L'unité standard de la capacité thermique est kJ/kg.K-1. Cette propriété joue un rôle direct dans le calcul de la chaleur accumulée, de la hausse adiabatique de la température et de la MTSR. Puisqu'elle varie en fonction de la nature du contenu du réacteur, il faut déterminer de façon expérimentale la capacité thermique du mélange lors d'une étude de sécurité du procédé. En outre, ce paramètre est très utile aux ingénieurs qui travaillent sur l'extrapolation, car il permet de calculer l'équilibre énergétique total du procédé.

L'enthalpie d'une réaction chimique correspond à l'évolution de la quantité d'énergie dégagée lorsque des substances sont transformées par une réaction chimique. Elle indique la quantité d'énergie dégagée par le procédé complet, et se mesure avec un calorimètre réactionnel. L'enthalpie d'une réaction se calcule en déterminant la tendance de chaleur d'une réaction au fil du temps.

La vitesse de production de chaleur ou chaleur de réaction est liée à l'enthalpie de la réaction et tient compte de la quantité d'énergie libérée au fil du temps. C'est une notion fondamentale, car l'enthalpie totale de la réaction n'est pas forcément une donnée critique. À l'inverse, la vitesse à laquelle l'énergie est libérée peut faire la différence entre un procédé sûr et un procédé dangereux.

La chaleur de réaction donne des informations essentielles sur le début et la fin d'une réaction, sur l'accumulation possible de réactifs, sur l'évolution de chaleur maximale, sur la cinétique de la réaction et sur la cinétique et la capacité de refroidissement requises du réacteur. La vitesse de production de chaleur dépend de plusieurs facteurs, notamment la température, le débit de distribution, la concentration, la cinétique et le mélange. 

Pour déterminer la chaleur de réaction, vous devez connaître le bilan du flux de chaleur total, notamment la quantité d'énergie qui traverse la paroi du réacteur (qflow), la quantité pouvant être ajoutée/consommée lors de la distribution (qdos) et la quantité accumulée lors de la hausse de la température (qaccu). Ces données exhaustives permettent de déterminer l'enthalpie de réaction.

La température maximale de la réaction de synthèse (MTSR) est une donnée fondamentale pour la sécurité des procédés utilisant un réacteur semi-continu. Elle correspond à l'évolution de la température après échec du système de refroidissement, en raison de la quantité de matière non réagie au moment de la défaillance. Le calcul de la MTSR est basé sur la température de procédé. Il est effectué de façon dynamique, pour déterminer la température maximale atteinte par le mélange de réaction, en supposant que toute l'énergie de la réaction reste dans le réacteur (c.-à-d. le système est ou devient adiabatique). Le calorimètre réactionnel est essentiel pour mesurer la chaleur de réaction, l'accumulation de réactif et la MTSR. Remarque importante : cette propriété ne concerne que la réaction souhaitée (synthèse). Des procédures complémentaires (DSC, calorimétrie différentielle à balayage) sont requises pour comprendre les effets de réactions secondaires ou de décomposition.

Un emballement ou une explosion thermique peut se produire suite au déclenchement adiabatique d'une réaction ou d'une série de réactions. Cela se produit lorsque la chaleur produite par une réaction exothermique s'accumule, entraînant une hausse de la température dans le mélange de réaction. La vitesse de réaction augmente alors, entraînant une accélération de la production de chaleur.

La hausse de température peut alors déclencher des réactions secondaires, comme une décomposition de la masse réactionnelle, des intermédiaires ou du produit final, entraînant un emballement thermique. En réalisant des études de sécurité de procédé à l'échelle du laboratoire, les conditions menant à un emballement thermique peuvent être identifiées et évitées avant l'extrapolation du procédé.

Il est particulièrement important d'étudier à la fois la réaction souhaitée et les réactions indésirables. Les réactions indésirables sont étudiées à l'aide de calorimètres adiabatiques, DSC et de flacons Dewar ; la réaction souhaitée est généralement étudiée avec un calorimètre réactionnel.

Le calorimètre réactionnel permet de déterminer des facteurs clés comme la Chaleur de Réaction, l'accumulation, la Hausse Adiabatique de la Température et la MTSR, pour évaluer les conséquences d'une défaillance du circuit de refroidissement. Autrement dit, il indique si la réaction de synthèse souhaitée peut déstabiliser le procédé et causer une réaction secondaire.

Dans la plupart des cas, la réaction secondaire libère davantage d'énergie que la réaction souhaitée, et plus rapidement. Le site de production rencontre alors des difficultés à libérer cette énergie en toute sécurité. Il est donc nécessaire de concevoir une réaction n'entraînant pas de conditions potentiellement dangereuses, ou de définir des mesures adéquates afin de garantir la sécurité du procédé à chaque instant.

Les calorimètres réactionnels déterminent avec une grande précision la plage de paramètres de sécurité. Pour obtenir des données calorimétriques précises et de grande qualité, il est essentiel d'utiliser des systèmes prévus à cet effet.

Les thermostats METTLER TOLEDO sont dotés de dispositifs exclusifs de refroidissement instantané, pour un contrôle rapide et précis de la température. Les conditions de travail sont ainsi optimisées et sécurisées.

Nos équipements spécifiques, associés à des logiciels perfectionnés et intuitifs, calculent avec précision tous les paramètres relatifs à la réaction chimique : chaleur spécifique, transfert de chaleur, chaleur effective de la réaction, accumulation de produit et de chaleur. Les ingénieurs en chimie disposent alors des données essentielles pour garantir la sécurité du procédé et réussir l'extrapolation.