Unsteady state runaway boundaries for plug flow reactors involving catalytic oxidations

In chemical industry, one major cause of accidents is thermal runaway. Many industrial processes are based on fast and strongly exothermic reactions. In these systems, a small variation in the system conditions can cause much larger variations in the system behavior, for example to a sharp rises in temperature that can lead to serious consequences, from the opening of relief systems to the very explosion of the reactor. For these reasons, fast and strongly exothermic reactions have been the object of a huge number of studies, aimed at identifying safe and unsafe operating conditions for these systems. This work focuses on Plug Flow Reactors (PFR), traditionally used for large, continuous productions, but increasingly employed also to perform typical discontinuous processes. The most used model for PFR is a steady-state model, which neglects the reactor dynamic, i.e. unsteady conditions in the start-up and shut-down operations. This approximation allows treating PFRs with methods very similar to the ones developed for Batch Reactors. In runaway boundaries studies, for example, the parametric sensitivity criterion is often used. In this work, the parametric sensitivity approach has been extended to different PFR models, respectively considering unsteady state conditions, material and thermal diffusion and density variations with temperature. Particularly the removal of the steady state approximation has raised a safety concern, as it produces a change in runaway boundaries towards non-conservative values. Thus, the traditional steady state model may lead to dangerous conclusions in certain cases.

Nell’industria chimica, una delle principali cause di incidenti è il runaway termico. Molti processi industriali sono basati su reazioni veloci e fortemente esotermiche. In questi sistemi, una piccola variazione nelle condizioni del sistema può causare variazioni molto più ampie del comportamento del sistema stesso, come ad esempio a un brusco innalzamento della temperatura, che può portare a conseguenze severe, dall’apertura del sistema di scarico fino all’esplosione del reattore. Per queste ragioni, le reazioni veloci e fortemente esotermiche sono state oggetto di un gran numero di studi, il cui obiettivo era l’identificazione di condizioni operative sicure o non sicure per questi sistemi. Questo lavoro è incentrato sui reattori con flusso a pistone (PFR), tradizionalmente utilizzati per grandi produzioni in continuo ma sempre più impiegati anche per condurre processi tipicamente discontinui. Il modello più utilizzato per i PFR è un modello stazionario, che trascura la dinamica del reattore, cioè la presenza di condizioni non stazionarie nella fase di avviamento e di spegnimento. Questo metodo permette di trattare i PFR in modo analogo ai reattori Batch. Nell’analisi delle frontiere di runaway, per esempio, il criterio della sensitività parametrica è spesso utilizzato. In questo lavoro, il metodo della sensitività parametrica è stato esteso a diversi modelli di PFR, rispettivamente considerando la presenza di condizioni non stazionarie, di termini diffusivi e la variazione della densità con la temperatura. In particolare, la rimozione dell’ipotesi di stazionarietà ha sollevato un problema di sicurezza, in quanto produce uno spostamento delle frontiere di runaway verso valori non conservativi. Perciò, il tradizionale modello stazionario in alcuni casi potrebbe portare a previsioni pericolose.