Sécurité des réacteurs chimiques - Définition

Emballement d'un réacteur

L'emballement d'un réacteur survient lorsque son système de refroidissement ne parvient plus à évacuer la chaleur produite par la réaction chimique. La température augmente alors et il n'est plus possible de reprendre le contrôle de la situation. Cette augmentation non contrôlée de la température peut mener à des situations extrêmement graves, comme l'explosion du réacteur.

La loi d'Arrhenius, qui stipule que les réactions s'accélèrent exponentiellement quand la température monte, explique pourquoi il peut devenir impossible de maitriser l'augmentation de température au sein du réacteur : au fur et à mesure que la température monte, la réaction s'accélère, ce qui provoque une augmentation de la puissance produite par la réaction, qui va à son tour provoquer une augmentation de température.

L'emballement est un problème qui concerne principalement les réacteurs fermés et tubulaires, puisqu'ils contiennent au début de la réaction une quantité énorme d'énergie sous forme de réactifs. Les réacteurs continus de type cuve agitée, ainsi que les réacteurs semi-ouverts, ne sont concernés par ce point que dans une moindre mesure, car les réactifs ne sont généralement présents qu'en faibles concentrations résiduelles au sein de la cuve.

Réactions secondaires et réactions de décomposition

Le principal danger d'un emballement de température est l'amorçage de réactions secondaires en plus de la réaction désirée, notamment des réactions de décompositions des réactifs ou des produits. Ce type de réactions est très exothermique, c'est-à-dire qu'il produit une très grande chaleur. De plus, les réactions de décompositions produisent en grande partie des gaz.

Les gaz sont dangereux pour deux raisons : la première consiste en une augmentation de la pression dans le réacteur, augmentation qui peut conduire à l'explosion du réacteur. La deuxième raison de la dangerosité des gaz est leur possible inflammation, notamment si la surpression dans le réacteur a conduit à un dégagement via une rupture dans l'étanchéité du réacteur. Les solvants représentent le même danger du fait de leur volatilité et de leur inflammabilité.

Estimation rapide du danger d'une réaction : montée en température adiabatique

On procède généralement au calcul de la montée en température adiabatique afin d'estimer en première approximation le niveau de gravité d'un emballement de réaction. On utilise pour cela un système adiabatique, où toute l'énergie libérée par la réaction va se retrouver sous forme d'augmentation de température :

Ou :

Où C_p est la capacité thermique de la masse réactionnelle. En connaissant l'enthalpie de réaction on peut ainsi estimer l'augmentation de température dans un cas adiabatique. Si celle-là vaut plus que 100 °C, la situation est potentiellement très grave. Si la montée en température est inférieure à 50 °C, la gravité est considérée comme faible.

Mais cette règle est à prendre avec précaution, car on n'estime que l'augmentation de température due à la réaction attendue. En général, plus la température est élevée plus le risque de voir une réaction secondaire ou de décomposition démarrer est grand et ces réactions non-désirées sont des sources de chaleur supplémentaires.

Méthodes de mesures pour la sécurité thermique

Les méthodes calorimétriques permettent d'obtenir expérimentalement des données primordiales pour l'évaluation du risque thermique d'une réaction, comme l'enthalpie de réaction, ou la température de déclenchement d'une réaction secondaire. Il existe un grand nombre de ces méthodes, parmi lesquelles on citera les plus utilisées en laboratoire :

• Vase de Dewar
• Calorimétrie différentielle à balayage
• Calorimétrie de réaction