budde safety consulting GmbH 
                                                         Chemische Prozess- und Anlagensicherheit

 

Thermische Prozesssicherheit

Bei der Risikoanalyse chemischer Prozesse spielt die thermische Prozesssicherheit eine wichtige Rolle. Bei thermischer Belastung von Stoffen/Stoffgemischen kann Zersetzung eintreten, verbunden mit unkontrollierter Wärmefreisetzung und möglicher Bildung von Permanentgas. Durch eine ausführliche hazop study muss das Gefahrpotential für jede einzelne Prozessstufe eines Verfahrens abgeklärt werden.

Zur experimentellen Bestimmung der thermischen Stabilität eignet sich neben Screening-Methoden wie DTA/DSC besonders die adiabatische Kalorimetrie. Im Versuch werden der zeitliche Temperatur- und Druckverlauf der Probe parallel registriert. Aus den Daten können weitere Grössen berechnet werden wie Reaktionsenthalpie, Reaktionswärmeleistung (temperaturabhängig), Gasbildungsgeschwindigkeit (temperaturabhängig), AZT24 (Ausgangstemperatur, bei der die Zeitspanne bis zum Erreichen der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit 24 h beträgt) oder Texo (maximal zulässige Prozesstemperatur). Durch modifizierte Versuchsführung ist zudem die Möglichkeit gegeben, kinetische Parameter zur Auslegung von Notentlastungseinrichtungen (Berstscheiben, Sicherheitsventile) zu bestimmen.

In der Regel geht man in Deutschland bei der Beurteilung der thermischen Prozesssicherheit gemäss der TRAS 410 (Technischen Regel Anlagensicherheit) vor, wobei für jeden Prozessschritt der bestimmungsgemässe und der nicht bestimmungsgemässe Betrieb eines Anlagenteils betrachtet werden.


          Beispiel: Kühlungsausfall bei einer exothermen Reaktion nach Zudosierung des Reaktanden 

 

 

 

Die Diagramme zeigen den zeitlichen Temperatur- und Druckverlauf für eine exotherme chemische Reaktion bei Kühlungsausfall nach erfolgter Dosierung eines Reaktanden bei der vorgesehenen Prozesstemperatur. Die Reaktion wurde im adiabatischen Kalorimeterversuch nachgestellt. 

Es ist festzustellen, dass sich nach Ablauf der ersten Reaktion (Sollreaktion) eine exotherme Folgereaktion zeigt, die in einer Wärmeexplosion mit sehr starkem Druckanstieg  endet.

Kühlungsausfall,  Ausfall der Stromversorgung, falsche Auslegung des Wärmetauschers sowie Fehldosierung  sind die häufigsten Ursachen für ernste Vorfälle bei chemischen Prozessen.

Die Aufgabe des Sicherheitsexperten besteht in der sorgfältigen Analyse der jeweiligen Prozessstufe und in der Festlegung von wirksamen Gegenmassnahmen für die Erkennung und Beherrschung der Reaktion im Fall einer Betriebsstörung . Dazu ist oftmals die Durchführung von geeigneten Kalorimeterversuchen zur Charakterisierung des Reaktionsverlaufes erforderlich (Ermittlung von Basisdaten).

Die Auswahl von Gegenmassnahmen zur Vermeidung eines unerwünschten Temperatur- und Druckanstieges  hängt sehr vom zu betrachtenden Stoffystem selbst ab, - sowie von den betrieblichen Gegebenheiten, wie beispielsweise  Verfügbarkeit von Energie (Stromversorgung) oder einer chemisch wirksamen Stopperlösung. 

Oftmals ist das Auslegen einer geeigneten Notentlastungseinrichtung für den Reaktor (Berstscheibe, Sicherheitsventil) erforderlich.

                

 

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