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Schwöppe, Patrick

Name:Schwöppe, Patrick
Thema:Ausbreitung exothermer Reaktionsfronten in durchströmten inerten Feststoffstrukturen
Abgabe:2010

Zusammenfassung:


Dauerbrandsicherungen (,,Flammenfilter'') sind für viele Industriezweige von großer Bedeutung. Sie kommen an nahezu allen größeren Anlagen zum Einsatz, in denen brennbare Medien verarbeitet oder gespeichert werden. Ihre Aufgabe besteht darin, im Brandfall Anlagen gegen die Umgebung oder einzelne Anlagenteile gegeneinander abzusichern. In den vergangenen Jahrzehnten konnten funktionierende Flammenfilter für die meisten Kohlenwasserstoffe auf der Basis von Experimenten entwickelt werden. Für andere Brennstoffe, insbesondere für Wasserstoff, existiert bis zum heutigen Tage keine Sicherung, die den Prüfbedingungen für eine Zertifizierung nach Euro- oder ATEX- Normen standhält.

Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die Arbeit mit der Ausbreitung von exothermen Reaktionsfronten in chemisch inerten Feststoffstrukturen, die in einer Richtung von einem Gas oder einer Flüssigkeit durchströmt werden. Die exotherme(n) Reaktion(en) läuft dabei im strömenden Medium ab.

Verfahrenstechnisch kann diese Anordnung zunächst als eindimensionaler Rohrreaktor aufgefasst werden. Bei einem Rohrreaktor handelt es sich um ein verfahrenstechnisches Grundmodell, welches in vielfältigen industriellen Anwendungen realisiert ist.

In den meisten Anwendungen wird ein gewünschter Reaktionsverlauf über der Reaktorlänge eingestellt, indem das Temperaturprofil des Reaktionsgemisches über eine entsprechend ausgelegtes Kühlung oder Heizung von außen aufgeprägt wird. Auf diesem Weg kann besonders bei kleinen Reaktoren mit einem günstigen Oberflächen-Volumen-Verhältnis ein stabiler Betrieb gewährleistet werden.

Im Unterschied dazu gibt es andere Anwendungen, insbesondere in der Verbrennungstechnik, bei denen die Reaktionsführung durch Steuerung des Wärmehaushalts von außen nicht möglich ist. Eine gezielte Beeinflussung des Reaktorverhaltens kann in solchen Fällen nur durch die Veränderung der Bedingungen am Reaktoreintritt (Menge und Zusammensetzung) und in einigen Fällen durch die Wahl von Reaktormaterial- und geometrie erfolgen.

Ein Rohrreaktor, bei dem dieser Sachverhalt besonders anschaulich hervortritt, sind die bereits erwähnten Dauerbrandsicherungen. Dabei handelt es sich um näherungsweise adiabate Rohrreaktoren mit engen Strömungskanälen und großen inneren Oberflächen. Läuft in einer solchen Struktur eine Verbrennungsreaktion ab, so können drei grundsätzliche Fälle unterschieden werden:


a) Die Verbrennungsfront breitet sich gegen die Strömung aus und führt somit zu einem Versagen der Sicherung.
b) Die Verbrennungsfront breitet sich mit der Strömung aus und wird somit ausgeblasen.
c) Die Verbrennungsfront ist stationär.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Modell zu entwickeln, welches für beliebige Parameterkombinationen (Gas, Feststoff, Geometrie, Betriebsdaten) allgemeingültige Aussagen darüber ermöglicht, welcher der drei beschriebenen Fälle eintritt.

Hierzu wurde zunächst eine vereinfachte, aber tragfähige Modellvorstellung über die in solchen Strukturen ablaufenden physikalischen und chemischen Vorgänge entwickelt. Diese Modellvorstellung wurde anschließend in ein mathematisches Modell gefasst. Die aufgrund der Verbrennungskinetik im mathematischen Modell zwangsläufig entstehenden Nichtlinearitäten wurden zunächst umgangen, indem Annahmen über den lokalen Verlauf der Wärmefreisetzung bei der Verbrennung getroffen wurden. Die Annahmen erlauben eine zunächst lineare Betrachtung des Problems, für das eine dimensionslose Formulierung gewählt wurde. Es konnte eine analytische Lösung des so gewonnenen Gleichungssystems gefunden werden.

Aus einer umfassenden Untersuchung der analytischen Lösung wurden dimensionslose Stabilitätsparameter abgeleitet, mit denen eine zusammenfassende und übersichtliche Abgrenzung der eingangs erwähnten Fälle a), b) und c) gegeneinander gelingt. Es konnte insbesondere bewiesen werden, dass die in der Literatur zu diesem Problem häufig gewählte Vereinfachung einer unendlich schnell ablaufenden Kinetik zu erheblichen Fehlern bei der Stabilitätsbetrachtung führen kann.

Die für dieses Modell getroffenen Annahmen wurden anhand eines erweiterten mathematischen Modells verifiziert, bei dem der reaktionstechnische Mechanismus der Wärmefreisetzung mit einer vereinfachten Einschrittkinetik dargestellt wurde. Die Lösung dieses zwangsläufig nichtlinearen Modells erfolgte numerisch.

Die mithilfe der analytischen und numerischen Berechnungen gefundenen grundlegenden Zusammenhänge konnten in geeigneten Technikumsversuchen mit guter qualitativer Übereinstimmung bestätigt werden.

 

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