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Aus der Literatur ist bekannt, dass ein Hotspot innerhalb eines Mikroreaktors auf einer Katalysatoroberfläche entstehen und zur Zündung einer Detonation im Reaktorinneren führen kann.
Um die Sicherheit von Mikroreaktoren diesbezüglich genauer untersuchen zu können, wurde ein Verfahren entwickelt, um einen künstlichen Hotspot mit regelbarer Temperatur im Inneren eines hierfür konstruierten Hochdruck-Mikroreaktors zu erzeugen.
Explosion protection of oxidation reactions in micro reactors was investigated. Lange et al. (2014) reported on the possibilities of operating oxidation reactions in catalyst coated micro reactors within the explosion regime, but also warned about hotspot induced thermal runaway and detonation ignition at certain conditions. Methane and ethene, representing the explosion groups IIA1 and IIB (DIN EN ISO 16852), were used in stoichiometric oxygen mixtures with respect to total oxidation, which represents the worst case scenario in terms of safety assessment. Using laser radiation on a ceramic target inside of the micro channel, an artificial, controllable hotspot was generated. The ignition temperatures of fuel gas/oxygen mixtures inside a micro reactor were measured and their dependencies on initial pressure, initial temperature, volumetric flow rate, and micro channel height were examined. Deflagration reactions prior to the detonation were observed for the first time inside a micro reactor.
Investigations on primary, secondary and tertiary explosion protection have been performed for micro reactors with slit-like channels which are coated with catalyst. Ethene/oxygen mixtures have been used as model gas mixtures representing explosion group IIB (DIN EN ISO 16852). It could be shown that the explosion regime can be significantly reduced when using micro reactors (primary explosion protection). Furthermore, safe Operation inside the explosion regime is possible with micro reactors (secondary explosion protection), but, at certain conditions thermal runaway and ignition of detonations are possible. An unexpected behaviour has been found, because thermal runaway occurred when Volumetrie flow rate was increased. This behaviour is completely opposite to that of multi tube fixed bed reactors which show an increase of safety when increasing volumetric flow rate. Micro reactors can be constructed pressure-resistant even when detonations occur inside (tertiary explosion protection). For the example of o-xylene oxidation it could be shown that space time yield can be increased significantly when entering explosion regime.
Die zeitlichen Druckanstiege dp/dt von binären Methan/Sauerstoffgemischen wurden im Explosionsbereich bei Anfangsdrücken von 1 bar und 5 bar experimentell untersucht und das normierte europäische Bestimmungsverfahren für zeitliche Druckanstiege DIN EN 15967 [1] auf Anwendbarkeit bei erhöhtem Anfangsdruck und reinem Sauerstoff als Oxidator geprüft.
Die Messergebnisse zeigen eine Zunahme der zeitlichen Druckanstiege bei einem Annähern der Gemischzusammensetzung an das stöchiometrische Verhältnis der vollständigen Verbrennungsreaktion (CH4:O2 1:2). Eine zuverlässige Bestimmung der zeitlichen Druckanstiege ist ab einer bestimmten Zusammensetzung nicht mehr möglich, da starke Oszillationen der Drucksignale auftreten. Um trotz der Oszillationen Auswertungen zu ermöglichen wird erstmals zur Glättung der Signale ein physikalisches Modell für Gasexplosionen im geschlossenen Gefäß verwendet. Damit ist es möglich, noch stark oszillierende Signale auszuwerten. Trotzdem gelingt es nicht, den gesamten Explosionsbereich mit der üblichen Messtechnik zu untersuchen. Für die Druckmessung wurden sowohl piezoresistive als auch piezoelektrische Druckmessensoren eingesetzt. Die Messergebnisse der beiden Sensoren stimmen sehr gut überein. Die verwendeten piezoresistive Druckmesssensoren können jedoch ab einer bestimmten Gemischzusammensetzung durch die sehr schnellen Druckstöße (dp/dt > 30000 bar/s) zerstört werden. Für solche Fälle wären die robusteren piezoelektrischen Sensoren besser geeignet. Bei einem Anfangsdruck von 5 bar liegen die Konzentrationsbereiche, in denen keine Auswertung mehr möglich ist bei 16 Mol-% bis 53 Mol-% Methananteil. Bei einem Anfangsdruck von 1 bar fällt dieser Konzentrationsbereich kleiner aus (von 24 Mol-% bis 42 Mol-% Methananteil).
Die Messergebnisse zeigen jedoch, dass die ausschließlich für Atmosphärendruck geltende Norm DIN EN 15967 auch für höhere Anfangsdrücke und reinen Sauerstoff als Oxidator prinzipiell anwendbar ist.