Außer Kontrolle, chemische Reaktionen auf Abwegen

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Außer Kontrolle –
chemische Reaktionen auf Abwegen
Dr. Joachim Sommer
Referat Anlagen- und Verfahrenssicherheit
Exotherme Reaktion
Exotherme Reaktion
Wärme
Wärmeabfuhr
Exotherme Reaktion  Durchgehende Rkt.
Exotherme Reaktion
Temperatur
Wärmeabfuhr
erhöht
Wärme
Durchgehende Reaktion: Zeitverlauf
Induktionsphase
Thermische
Explosion
Reaktion
Stabiler
Bereich
Zeit
Erkennen und Bewerten nach TRAS 410
Stoff
Thermische Eigenschaften
der eingesetzten Stoffe
Verfahren
Thermisches Potential
der gewünschten Reaktion
Anlage
Thermische Effekte
unerwüschter Nebenreaktionen
Ganzheitliche Betrachtung: Stoffe
Stoff
Kenntnis der thermischen
Eigenschaften der beteiligten
Stoffe und Stoffgemische
Ganzheitliche Betrachtung: Stoffe
Alle (organischen) Stoffe zersetzen sich
Stoff
• ab einer stoffspezifischen Temperatur
• unter Freisetzung einer
stoffspezifischen Energie
Stoffe mit
thermischen
Potenzial
Differenzthermoanalyse
Ganzheitliche Betrachtung: Verfahren
Stoff
Verfahren
Kenntnis der thermischen
Eigenschaften der beteiligten Stoffe
und Stoffgemische...
... unter den bestimmungsgemäßen
Prozess- & Reaktionsbedingungen
Reaktionskalorimeter
Stark exotherme Reaktionen
Bildung von Polymeren
(Polymerisationen, Polyadditionen)
Oxidationsreaktionen
(Reaktionen mit Sauerstoffträgern)
Neutralisationen
(Reaktionen mit starken Säuren oder Basen)
Ganzheitliche Betrachtung: S+V+A
Stoff
Verfahren
Anlage
Kenntnis der
thermischen Eigenschaften
in Abhängigkeit der
Verfahrensbedingungen
und möglicher
Abweichungen
Relevante Abweichungen
Art und Spezifikation der Ausgangsstoffe
Dosierung (Menge, Geschwindigkeit, Reihenfolge)
Vermischung (Rührerfunktion und -typ)
Relevante Abweichungen
Art und Spezifikation der Ausgangsstoffe
Dosierung (Menge, Geschwindigkeit, Reihenfolge)
Vermischung (Rührerfunktion und -typ)
Präsenz von Hilfsstoffen (Katalysator, Inhibitor, Inertisierung)
Verfügbarkeit von Hilfsenergien (Kühlung, Heizung, Kondens.)
Relevante Abweichungen
Art und Spezifikation der Ausgangsstoffe
Dosierung (Menge, Geschwindigkeit, Reihenfolge)
Vermischung (Rührerfunktion und -typ)
Präsenz von Hilfsstoffen (Katalysator, Inhibitor, Inertisierung)
Verfügbarkeit von Hilfsenergien (Kühlung, Heizung, Kondens.)
Integrität der Anlage (Dichtheit, Korrosion, Einbauten)
Relevante Abweichungen
Art und Spezifikation der Ausgangsstoffe
Dosierung (Menge, Geschwindigkeit, Reihenfolge)
Vermischung (Rührerfunktion und -typ)
Präsenz von Hilfsstoffen (Katalysator, Inhibitor, Inertisierung)
Verfügbarkeit von Hilfsenergien (Kühlung, Heizung, Kondens.)
Integrität der Anlage (Dichtheit, Korrosion, Einbauten)
Maßstab des Prozesses
Scale Up von Reaktoren
Oberflächen : Volumen - Verhältnis
Beispiel: Innentemperatur 80 °C
Reaktorgröße [m³]
Kühlfläche [m²]
Wärmeverlust Umgebung [kW]
Wärmeabfuhr Kühlung [kW]
Quelle: Barton, Rogers, Moritz
0,001
0,046
0,06
0,69
x1000
x100
x100
x100
1,0
4,4
6
66
Scale Up von Reaktionen
Innentemperatur 80 °C
Beispiel: Reaktion mit 360 kJ/kg
Reaktorgröße [m³]
Kühlfläche [m²]
Wärmeverlust Umgebung [kW]
Wärmeabfuhr Kühlung [kW]
0,001
0,046
0,06
0,69
Wärmeproduktion [kW]
(Dosierzeit 3 h)
0,03
Heizen
erforderlich
Quelle: Barton, Rogers, Moritz
x100
4,4
x100
66
Scale Up von Reaktionen
Innentemperatur 80 °C
Beispiel: Reaktion mit 360 kJ/kg
Reaktorgröße [m³]
Kühlfläche [m²]
Wärmeverlust Umgebung [kW]
Wärmeabfuhr Kühlung [kW]
0,001
0,046
0,06
0,69
Wärmeproduktion [kW]
(Dosierzeit 3 h)
0,03
x1000
Heizen
erforderlich
Quelle: Barton, Rogers, Moritz
x1000
x100
x100
x100
1,0
4,4
6
66
33
Kühlung
ausreichend
Scale Up  Runaway
Reaktorgröße [m³]
Kühlfläche [m²]
Wärmeverlust Umgebung [kW]
Wärmeabfuhr Kühlung [kW]
0,001
0,046
0,06
0,69
Wärmeproduktion [kW]
(Dosierzeit 3 h)
0,03
x1000
Heizen
erforderlich
33
Kühlung
ausreichend
Wärmeproduktion [kW]
(Dosierzeit 1 h)
0,1
keine
Kühlung
100
Kühlung
unzureichend
Quelle: Barton, Rogers, Moritz
x1000
x100
x100
x100
1,0
4,4
6
66
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