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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.
The present contribution reports on specific aspects of safety engineering in heterogeneously catalysed oxidation reactions. Results for ethene-oxygen-mixtures in a continuous-flow micro reactor are reported related to the safety issues of the ethylene oxide process. Initial pressure is ranging from below 1 bar up to 10 bar at initial temperatures ranging from room temperature up to 673 K. Micro structured reactors offer an extended range of operating conditions. The key issue to be discussed in the present contribution is how to safely operate a micro reactor at conditions in conventional devices to be characterised as inside the explosion region. Within certain limits suppression of explosion inside a micro reactor can be achieved.
This holds true for chain reactions as well as runaway reactions. Nevertheless it is not possible to safely operate micro structured reactors at any condition. Therefore, explosion propagation through a Micro structured reactor and initiation of gas phase explosions by hot spots inside the reactor were investigated.
The investigation methods applied are subject to actual standardization.
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.
Es wird eine Methode zur sicherheitstechnischen Untersuchung von Mikroreaktoren und mikrostrukturierten Komponenten, die im Explosionsbereich betrieben werden sollen, vorgestellt. Mikrostrukturierte Reaktoren sind nicht inhärent sicher, wenngleich der Bereich der sicheren Betriebsbedingungen gegenüber konventionellen Reaktoren erweitert ist. Der Explosionsbereich kann durch die Mikrostrukturen eingeengt werden. Am Beispiel von Ethylen/Sauerstoff-Gemischen und Ethylen/N2O-Gemischen wird hinsichtlich der Ausbreitung von Detonationen durch Kapillarrohre gezeigt, dass die sogenannte λ/3-Regel angewandt werden kann. Darüber hinaus werden erste Ergebnisse der Untersuchung der Ausbreitung von Explosionen durch einen Mikroreaktor mit rechteckigem Strömungskanal vorgestellt.
The interaction of TS-1 with gaseous hydrogen peroxide at temperatures above 373 K has been investigated by in situ EPR measurements. Treatment of TS-1 with hydrogen peroxide in the gas phase leads to a strong EPR signal, assigned to the Ti(IV)-superoxide species. In contrast to investigations with liquid hydrogen peroxide,
here only one Ti(IV)-superoxide species could be detected in the EPR spectrum. The time constant of the reaction of the Ti(IV)-superoxide species detected by in situ EPR measurements was much larger than that observed for the rate of consumption of propane or propene via gas chromatographic analysis. Thus, we conclude that the Superoxide species may take part in the oxidation reaction (via side reactions or the formation of unselective products), but is probably not the main responsible species in the oxidation of propane or propene.