Optimization of potentially runaway reactions carried out in plug flow reactors

Plug flow reactors are frequently used in chemical applications where continuous production is required. These reactors could be operated with exothermic reactions which, under certain operating conditions, can generate an uncontrolled temperature increase (thermal runaway) that can lead to the triggering of other more exothermic reactions, such as decomposition reactions. These unsafe operating conditions could be generated by changing the set points of some process variables, unexpected cooling system failures, wrong loading operations or just at the reactor start-up time (where the reactor can go to thermal runaway while it is operated under unsteady state conditions). Thermal runaway studies on continuous reactors are normally held for steady state operation, because all the dynamical changes take place in a short period of time (e.g. the residence time). But, in some cases, higher temperature values can be reached during unsteady state operation with respect to those ones that can be expected in steady state. This dynamical approach is also important from the safety point of view. The scopes of this work are: 1) identify possible thermal runaway conditions for steady and unsteady state operation; 2) set a safety operation range for a case study of a high exothermic reaction (gas phase); 3) develop a criteria for thermal runaway conditions during unsteady state. All the simulations are held on MATLAB.

I reattori con flusso a pistone (meglio noti come PFR, acronimo inglese di “Plug Flow Reactor”) vengono spesso impiegati in applicazioni chimiche in cui `e richiesta una produzione in continuo. Questi reattori possono essere utilizzati anche per condurre sintesi in cui siano coinvolte reazioni veloci ed altamente esotermiche; tuttavia, in determinate condizioni operative, `e possibile che si generi un incremento incontrollato della temperatura del sistema che pu`o portare il reattore ad operare in condizioni di instabilit`a termica. Alcune di queste condizioni operative potrebbero essere generate da un cambiamento dei valori di set point del processo, guasti imprevisti, errato funzionamento di sistemi di controllo o, semplicemente, a causa di una non corretta procedura di avviamento (start-up). Queste anomalie rendono il reattore termicamente instabile nell’intervallo temporale che precede il raggiungimento dello stato stazionario. Normalmente, gli studi d’instabilit`a termica vengono condotti ipotizzando un funzionamento del reattore in condizioni di regime; ci`o in quanto l’evoluzione dinamica delle variabili di processo avviene in un breve periodo di tempo. In alcuni range di condizioni operative, `e per`o possibile osservare il raggiungimento di picchi di temperatura lungo la coordinata assiale del reattore (i cosiddetti punti caldi o “hot spot”) pi`u elevati rispetti a quelli che normalmente si otterrebbero analizzando il solo comportamento in condizioni stazionarie. Ci`o rende questo approccio dinamico molto importante dal punto di vista della sicurezza. Gli scopi del presente lavoro sono quelli di: 1) individuare le possibili condizioni di instabilit`a termica sia per funzionamento a regime sia in transitorio di avviamento; 2) individuare un intervallo di funzionamento sicuro per un caso di studio coinvolgente una reazione altamente rapida ed esotermica; 3) sviluppare criteri per le condizioni di instabilit`a termica durante il transitorio di avviamento e 4) realizzare un primitivo tuning del sistema di controllo della temperatura del reattore. Tutte le simulazioni vengono svolte utilizzando il software MATLAB.