Reaktorstabilität und sichere Reaktionsführung

Abstract

Stabiles Betriebsverhalten chemischer Reaktoren und Stabilität im Sinne der Stabilitäts-Theorie chemischer Prozesse sind in der Praxis durchaus nicht immer synonyme Begriffe. So kann an einem instabilen Betriebspunkt durch geeignete Regelung ein sicherer Betrieb möglich sein, während selbst globale Stabilität ein Durchgehen der Reaktion nicht notwendigerweise ausschließt. Letzteres ist der Fall, wenn stark exotherme Reaktionen durch eine ausgeprägte parametrische Empfindlichkeit gekennzeichnet sind. Zur Abgrenzung der Begriffe werden "Stabilität" und "parametrische Empfindlichkeit" zunächst am Beispiel von Rührkessel- und Rohrreaktoren mit stark exothermer Reaktion erläutert. Dabei wird sowohl auf die in der Reaktionstechnik übliche Betrachtungsweise wie auf die in der Sicherheitstechnik gebräuchliche Theorie der Wärme-Explosion näher eingegangen. Anschließend werden praktische Probleme der sicheren Reaktionsführung am Beispiel der Regelung von Batch-Reaktoren, der Führung von Semibatch-Reaktoren und dem Verhalten von Rohrbündel-Reaktoren diskutiert.

Stable operating behaviour of chemical reactors and stability in the sense of stability theory of chemical processes are by no means synonymous concepts. Thus, appropriate control can permit reliable operation at a unstable operating point, while even global stability will not necessarily rule out a runaway reaction. The latter is the case when strongly exothermal reactions are characterized by a pronounced parametric sensitivity. In order to delineate the concepts, stability and parametric sensitivity are explained first for stirred tank and tubular reactors with strongly exothermal reaction. Both the conventional view of reaction engineering and the theory of heat explosion commonly used in reaction engineering are considered in detail. Practical problems of safe reaction engineering are subsequently discussed for the control of batch reactors, the control of semibatch reactors, and the behaviour of bundled-tube reactors.