Sichere Reaktionsführung

Probengefäß vor (links) und aufgeschnitten (rechts) nach dem thermischen Durchgehen (Runaway) einer chemischen Reaktion unter adiabatischen Bedingungen

Die meisten Synthesereaktionen in der chemischen Industrie verlaufen exotherm. Die dabei freigesetzte Wärme muss im Normalbetrieb als auch bei einer Abweichung davon kontrolliert abgeführt werden.

Bei Verlust der Temperaturkontrolle, führt die Temperaturerhöhung des Reaktionsgemisches zu einer exponentiellen Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit. Werden aufgrund des Temperaturanstiegs und/ oder der Druckerhöhung die Auslegungsgrenzen von Anlagenteilen überschritten, kommt es zum Bersten des Apparates und zur Freisetzung des Reaktorinhaltes. Dieser unkontrollierte Ablauf wird als durchgehende Reaktion (runaway) bezeichnet.

Das mögliche Gefahrenpotential aus der Exothermie einer chemischen Umsetzung wird durch sicherheitstechnische Kenngrößen wie z. B. die Bruttoreaktionswärme oder die Gasentwicklungsrate beschrieben. Darüber hinaus sind Kenntnisse der thermischen Stabilität aller bei einer Reaktion eingesetzten und entstehenden Stoffe und Stoffgemische für eine sicherheitstechnische Bewertung der Reaktion von Bedeutung. Die Kenngrößen sind dabei nicht nur für den Normalbetrieb zu betrachten, sondern auch für mögliche Störungen.

Folgende Dienstleistungen zur Beurteilung chemischer Reaktionen im Hinblick auf ihr thermisches Gefahrenpotential bietet die BAM an:

• Anwendungsbezogene Forschungsprojekte auf dem Gebiet der gefährlichen chemischen Reaktionen u. a. in Kooperation mit Universitäten und Fachhochschulen (Dissertationen, Diplom- und Studienarbeiten)
• Sicherheitstechnische Untersuchung zur Charakterisierung einer chemischen Reaktion
  • im Normalbetrieb, z. B. Ermittlung der Wärmeproduktionsrate, der Bruttoreaktionswärme, des Akkumulationsgrades, der Gasproduktionsrate
  • bei Abweichungen vom Normalbetrieb, z. B. Einfluss der Dosierrate oder einer geänderten Konzentration auf die Wärmeproduktionsrate, Temperatur- und Druckverhalten der Reaktion unter adiabatischen Bedingungen
• Thermische Analyse von Stoffen und Stoffgemischen
• BAM-Test zur Untersuchung der chemischen Beständigkeit von Chlorkohlenwasserstoffen gegenüber Aluminium
• Unfallaufklärung
• Erstellen sicherheitstechnischer Gutachten
• Beratung von Behörden und Industrie
• Fachliche Zusammenarbeit mit der BG Chemie

Für die sicherheitstechnischen Untersuchungen kommen die folgenden Methoden zum Einsatz:

• Isotherme, isoperibole, adiabatische Reaktionskalorimetrie (RC1, Phi-Tec und IPK)
• Mini Closed Pressure Vessel Test (MCPVT)
• Thermal Explosion Vessel Test (TEVT)
• Differential Scanning Calorimetry (DSC)
• Thermogravimetrie (TG) gekoppelt mit Differenzthermoanalyse (DTA) und Massenspektrometrie (MS)
• BAM-Test

Die BAM beschäftigt sich ebenfalls mit der Untersuchung von exothermen Reaktionen in mikrostrukturierten Reaktoren. Speziell wird für gas-flüssig Reaktionen ein Fallfilm-Mikro-Reaktor (FFMR) eingesetzt. Durch zusätzlich eingebaute Seebeck-Elemente wird die Messung der ortsaufgelösten Wärmeströme ermöglicht.

Die aufgeführten Untersuchungsmethoden können durch folgende anorganisch- und organisch-chemische Analytik begleitet werden:

• Nasschemische Analytik (u. a. Wasserbestimmung nach Karl Fischer und coulorimetrisch)
• Gaschromatographie/ Massenspektrometrie (GC/MSD)
• Flüssigchromatographie (HPLC)
• Ionenchromatographie (IC)
• Fouriertransform-Infrarotspektrometrie (FTIR).

Ergebnisse aktueller Forschungsarbeiten:

• Andreas Schreck, Systematische sicherheitstechnische Untersuchungen zu Synthesereaktionen ausgewählter Alkylperoxide (Dissertation TU Berlin, 2002)
• Annett Knorr, Anwendung der TRAS 410 auf die sicherheitstechnische Beurteilung einer Perestersynthese (Dissertation TU Berlin, 2006)

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