Durchführung heterogen katalysierter Selektivoxidationen im Explosionsbereich unter Einsatz von Mikrostrukturreaktoren
Final Report Abstract
Es wurden sicherheitstechnische Untersuchungen zum Einsatz von Mikroreaktoren für stark exotherme Oxidationsreaktionen von Gasgemischen mit Zusammensetzungen innerhalb des Explosionsbereiches durchgeführt. Die Messergebnisse zeigen, dass ein in Mikroreaktoren entstehender Hotspot eine wirksame Zündquelle für Gasphasenexplosionen darstellen kann. Potentielle Grenzbedingungen zur Verhinderung dieser Wirksamkeit wurden erarbeitet. Hierbei wurden Betriebsbedingungen wie Anfangsdruck, Volumenstrom, Reaktortemperatur, Mikrokanalhöhe und verwendetes Brenngas untersucht. Es wurde experimentell belegt, dass die Mikrokanalhöhe einen relevanten Einfluss auf die Mikro-Zündtemperatur hat und dass es eine starke Druckabhängigkeit der Zündtemperatur auch in Mikroreaktoren gibt. Im Fall des laserinduzierten Hotspots hatten weder die Reaktortemperatur noch der Volumenstrom im untersuchten Bereich einen signifikanten Einfluss auf die Mikro-Zündtemperatur. Im Falle von Katalysatorbeschichtungen in Mikroreaktoren haben der Volumenstrom und die Reaktortemperatur jedoch einen relevanten Einfluss auf die Zündgefahr, da eine Erhöhung des Volumenstroms bzw. der Reaktortemperatur zu einer Reaktionsbeschleunigung führen kann. Hierdurch nimmt die Hotspottemperatur zu und kann damit zum thermischen Durchgehen (runaway-Reaktion) führen. Der Einsatz von Mikroreaktoren kann weder die Entstehung von Hotspots auf inneren Katalysatoroberflächen, noch eine Zündung der Gasphase im Reaktorkanal grundsätzlich verhindern. Die für eine Zündung notwendige Hotspottemperatur ist jedoch erheblich höher als die entsprechende konventionell bestimmte Zündtemperatur. Das ermöglicht eine sichere Prozessführung bei sonst nicht zu beherrschenden Betriebsbedingungen, wie z. B. hohe Anfangsdrücke, hohe Reaktortemperaturen und hohe Konzentrationen von sowohl Brenngas als auch Oxidatorgas. Die reaktionstechnischen Untersuchungen wurden an zwei Reaktionssystemen unter Verwendung von Mikrostrukturreaktoren und Reaktionsgaskonzentrationen innerhalb des Explosionsbereichs durchgeführt. Neben der Variation des Brenngases wurden die Reaktionsparameter Anfangskonzentration und Verweilzeit untersucht. Zusätzlich wurden die Auswirkungen der Applikationsmethode des Katalysators als Mikrofestbett und als Katalysatorschicht und der Einsatz unterschiedlicher Passivierungsmethoden des Reaktormaterials betrachtet. Die Messergebnisse zeigen, dass der Einsatz von explosionsfähigen Gasmischungen potenziell zu einer Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute führen kann, wie im Falle der partiellen Oxidation von o-Xylol demonstriert wurde. Die Verwendung von Katalysatorschichten anstelle eines Mikrofestbetts zeigte ein verzögertes Einsetzten von runaway-Reaktionen im Vergleich zum Mikrofestbett. Dadurch traten auch ungewollte Nebenreaktionen später auf. Dieses Verhalten kann durch eine erhöhte Wärmeabfuhr erklärt werden. Die Messergebnisse zeigen weiterhin, dass das Prinzip der Prozessführung im Explosionsbereich nicht universell einsetzbar ist. Für die partielle Oxidation von Methan wurde keine Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute beobachtet. Der Einsatz einer Passivierungsschicht stellte sich dabei zwar als notwendig heraus. Die eingesetzten Methoden stellten sich aber als nicht hinreichend geeignet heraus. Zusammenfassend lassen die erbrachten sicherheits- und reaktionstechnischen Untersuchung die Aussage zu, dass Mikrostrukturreaktoren das Potential bieten, exotherme Oxidationsreaktionen sicher und mit höheren Raum-Zeit-Ausbeuten durchzuführen als das in konventionellen Reaktorsystemen der Fall ist.
Publications
- Durchführung heterogen katalysierter Selektivoxidationen im Explosionsbereich unter Einsatz von Mikrostrukturreaktoren, 10. Fachtagung Anlagen-, Arbeits- und Umweltsicherheit, Köthen, 2010, ISBN 978-3-89746-119-2
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