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Sicherheit µ-strukturierter Apparate: Untersuchungsmethoden zur Explosionsausbreitung (Gasphase)
(2010)
Enhancement of process safety and efficiency are the drivers in EU project SAFEKINEX investigating the mechanisms of hydrocarbon oxidation and explosion safety indices of the associated mixtures. The project produces a wealth of data on explosive behavior at elevated pressures and temperatures. This paper describes some of the self-ignition aspects.
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.
Der vorliegende Beitrag behandelt spezifische Aspekte der Sicherheitstechnik bei heterogen katalysierten Oxidationsreaktionen. Ergebnisse von Explosionsuntersuchungen an Ethen-Sauerstoffgemischen in einem kontinuierlich betriebenen Mikroreaktor, die beispielsweise für den Ethylenoxidprozess relevant sind, werden vorgestellt. Der Anfangsdruck der untersuchten Eduktgemische lag zwischen 1000 hPa und 10000 hPa bei Anfangstemperaturen zwischen Umgebungstemperatur und einer Temperatur bis zu 673 K. Mikrostrukturierte Reaktoren bieten einen erweiterten Bereich von Betriebsbedingungen. Die Untersuchungen zielen auf den sicheren Betrieb eines Mikroreaktors bei Bedingungen, die bei konventionellen Reaktoren als innerhalb des Explosionsbereichs eingestuft werden, ab. In bestimmten Grenzen kann eine Unterdrückung von Explosionen in einem Mikroreaktor erreicht werden. Es ist jedoch nicht möglich, einen Mikroreaktor unter allen Bedingungen sicher zu betreiben. Aus diesen Gründen wurde die Explosionsausbreitung durch einen mikrostrukturierten Reaktor hindurch und die Zündung einer Gasphasenexplosion durch Hot-Spots in dem Reaktor untersucht. Die angewandten Untersuchungsmethoden sind Gegenstand aktueller Normungsaktivitäten.
The selective gas phase oxidation of o-xylene was investigated inside of the explosion regime using a microstructured reactor. The V2O5/TiO2 catalyst was used as microfixed bed and as catalyst coating. There were no significant losses of the selectivity to phthalic anhydride with feed compositions up to 7 vol % o-xylene observable. Above 7 vol % the selectivity decreased due to total oxidation, especially for the microfixed bed, which was probably caused by a hotspot.
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.
Tetrafluorethen wird von der Polymerindustrie seit Jahrzenten als monomeres Ausgangsmaterial sowohl für die Herstellung von Polymeren (PTFE) als auch für Kopolymere (PCTFE) eingesetzt. Aufgrund seiner Eigenschaft als chemisch instabiles Gas kann TFE auch ohne Luftsauerstoff oder einen anderen Oxydator explosionsartig zerfallen. Nach der Initiierung des Zerfalls kann dieser unter bestimmten Bedingungen aufgrund des exothermen Reaktionsverhaltens sich selbstständig in Apparaten und Rohrleitungen ausbreiten. Dies geht aufgrund der freigesetzten Reaktionsenthalpie mit einem schlagartigen Anstieg von Druck und Temperatur einher, was zu erheblichen Belastungen der Materialien bis hin zum Versagen und Bruch und möglichen Folgeschäden einschließlich Personenschäden führen kann und in der Vergangenheit bereits mehrfach geführt hat.
Besonders nach Wartungsarbeiten besteht die Gefahr, dass Teilabschnitte im Rohrleitungssystem mit TFE, Stickstoff oder Luft gefüllt sind mit Drücken in einem Bereich zwischen technischem Vakuum und atmosphärischem Druck wohingegen angrenzende Rohrabschnitte oder Behälter immer noch TFE bei Betriebsdrücken bis 32 bar enthalten können. Dabei sind die Abschnitte in der Praxis häufig durch Kugelhähne voneinander getrennt, die aufgrund ihrer Öffnungscharakteristik bereits bei geringen Betätigungswinkeln eine große Querschnittsfreigabe für die Strömung im Rohr ermöglichen. Dadurch können schlagartige Kompressionsvorgänge des Gases im Niederdruckbereich ermöglicht werden, die allein aufgrund der thermodynamischen Zustandsänderung zu einer erheblichen Temperaturerhöhung führen und im schlimmsten Fall zur Initiierung der Zerfallsreaktion führen können.
Es wird erstmalig ein Versuchsaufbau im Industriemaßstab, der einer explosionsartigen Zerfallsreaktion von TFE standhalten kann. Zahlreiche Sicherheitskonzepte einschließlich diverser Berstscheibenkonfigurationen als auch zeitgesteuerte Schnellschlussventile wurden eingehend untersucht und bewertet, um die optimale Versuchskonfiguration für bestmögliche Reproduzierbarkeit festzulegen. Es fand eine systematische Untersuchung der schlagartigen Kompression der Systeme Luft/Luft, TFE/Luft, TFE/TFE und TFE/N2 statt. In der Hochdrucksektion wurden Drücke bis 30 bar realisiert und im Niederdrucksektor konnten Anfangsdrücke im Bereich weniger Millibar bis hin zu Atmosphärendruck eingestellt werden. Als Hauptergebnis wurde ein „Hazard diagram" erstellt, mit dessen Hilfe die Zündwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit vom Hochdruck und Niederdruck abgeschätzt werden kann. Gefährliche Bedingungen in Rohrleitungen können dadurch auf einfachem Weg identifiziert werden. Als Referenzsystem zur Beurteilung der maximal erreichbaren nicht reaktiven Kompressionstemperaturen wurde Luft/Luft verwendet. Die damit ermittelten Daten dienten zur Bewertung von zusätzlichen exothermen Effekten, wie sie etwa bei Vorreaktion des TFE im Falle einer Dimerisierung auftreten können.
Entgegen der ursprünglichen Annahme konnten die Systeme TFE/Stickstoff und TFE/TFE im verwendeten Aufbau nicht durch Kompressionsvorgänge gezündet werden.
The present issue reports on a specific aspect of safety engineering of the heterogeneously catalysed oxidation of ethene in a continuous-flow microreactor. Conversion of ethene and the corresponding surface temperature of the catalyst were monitored for different reactor temperatures and total flow rates with a stoichiometric ethene/oxygen mixture for total oxidation. Safe operation of the highly exothermic oxidation was possible, but not in the whole parameter range. At high reactor temperatures and flow rates, ignition of an explosion inside the microreactor caused by a hot spot on the surface of the catalyst was observed for the first time.