Durchführung heterogen katalysierter Selektivoxidationen im Explosionsbereich unter Einsatz von Mikrostrukturreaktoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Durchführung heterogen katalysierter Selektivoxidationen im Explosionsbereich unter Einsatz von Mikrostrukturreaktoren, 10. Fachtagung Anlagen-, Arbeits- und Umweltsicherheit, Köthen, 2010, ISBN 978-3-89746-119-2
S. Heinrich, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm
- Sicherheitstechnische Untersuchungen zum Betrieb von Mikroreaktoren im Explosionsbereich, Chemie Ingenieur Technik, 2011, 83, 1742-1747
H. Hieronymus, J. Fischer, S. Heinrich, C. Liebner, T. Lange, E. Klemm
- Are micro reactors inherently safe? An investigation of gas phase explosion propagation limits on ethene mixtures, Process Safety and Environmental Protection, 2012, 90, 77-82
C. Liebner, J. Fischer, S. Heinrich, T. Lange, H. Hieronymus, E. Klemm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.psep.2011.08.006) - Catalyst as ignition source of an explosion inside a microreactor, Chemical Engineering Science, 2012, 84, 540-543
S. Heinrich, F. Edeling, C. Liebner, H. Hieronymus, T. Lange, E. Klemm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ces.2012.08.049) - Reaction engineering investigations of the heterogeneously catalyzed partial oxidation of o-xylene in the explosion regime using a microfixed bed reactor, Chemical Engineering Science, 2012, 69, 440-448
T. Lange, S. Heinrich, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.10.072) - Explosion Initiation, Propagation, and Suppression Inside a Micro Structured Reactor, 14. International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries, Florenz, 2013, ISBN 978-88-95608-22-8
C. Liebner, S. Heinrich, F. Edeling, H. Hieronymus, T. Lange, E. Klemm
- Partial oxidation of o-xylene to phthalic anhydride inside of the explosion regime using a micro structured reactor, AIChE Annual meeting, Pittsburgh, 2013, ISBN 9781622767380
T. Lange, S. Heinrich, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm
- Reaction Engineering Investigations of the Partial Oxidation of o-Xylene in the Explosion Regime - Microfixed Bed versus Catalyst Coating, Chemie Ingenieur Technik, 2013, 85, 461-466
T. Lange, S. Heinrich, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cite.201200197) - Untersuchungen zur Explosionsausbreitung im Mikroreaktor, Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Mikroverfahrenstechnik, Frankfurt am Main, 2013
C. Liebner, E. Balcazar, S. Heinrich, E. Klemm, F. Neher
- Zündung, Ausbreitung und Unterdrückung von Explosionen in einem Mikroreaktor, 13. BAM/PTB-Kolloquium zur chemischen und physikalischen Sicherheitstechnik, Braunschweig, 2013, ISBN 978-3-95606-062-5
C. Liebner, H. Hieronymus, S. Heinrich, F. Edeling, T. Lange, E. Klemm
- Heterogeneous Catalysis Meets Micro Reactors: Partial Oxidations in the Explosion Regime, DGMK Conference Selective Oxidation and Functionalization, Berlin, 2014, ISBN 978-3-941721-44-9
T. Lange, F. Neher, E. Klemm, S. Heinrich, E. Balcazar, C. Liebner, H. Hieronymus
- Sicherheitstechnische Untersuchungen zu Mikrostrukturreaktoren für heterogen katalysierte Oxidationsreaktionen im Explosionsbereich, Universität Stuttgart, 2014
S. Heinrich
- Bestimmung der Zündtemperatur in Mikroreaktoren, 12. Fachtagung Anlagen-, Arbeits- und Umweltsicherheit, Köthen, 2015
E. Balcazar, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm, F. Neher
- Hotspots as Ignition Sources in Micro Reactors, European Symposium on Chemical Reaction Engineering, Fürstenfeldbruck, 2015
E. Balcazar, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm, F. Neher
- Determination of ignition temperature in micro reactors, 15. International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries, Freiburg, 2016
E. Balcazar, F. Neher, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm
(Siehe online unter https://doi.org/10.3303/CET1648092) - Determination of ignition temperature in micro reactors, Chemical Engineering Transactions, 2016, 48, 547-552
E. Balcazar, F. Neher, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm
(Siehe online unter https://doi.org/10.3303/CET1648092) - Hotspots als potentielle Zündquelle in Mikroreaktoren, 14. BAM-PTB-Kolloquium zur chemischen und physikalischen Sicherheitstechnik, Berlin, 2016
E. Balcazar, C. Liebner, H. Hieronymus, E. Klemm, F. Neher
- Reaktionstechnische Untersuchung der Selektivoxidation von o-Xylol zu Phthalsäureanhydrid im Explosionsbereich unter Verwendung von Mikrostrukturreaktorent, 2018. VIII, 167 S.
T. Lange
(Siehe online unter https://doi.org/10.18419/opus-10449) - Sicherheitstechnische Untersuchungen von Hotspots als potentielle Zündquelle in Mikroreaktoren, Universität Stuttgart, 2018. 180 S.
E. Balcazar
(Siehe online unter https://doi.org/10.18419/opus-9663) - Selektivoxidation von Methan zu Methanol : Reaktionsführung im Explosionsbereich unter Verwendung von Mikrostrukturreaktoren, Universität Stuttgart, 2019. XX, 152
F. Neher
(Siehe online unter https://doi.org/10.18419/opus-10643)
