WEBVTT Kind: captions Language: de-DE 00:00:07.440 --> 00:00:15.800 Thema dieser Videoserie ist die Sicherheit chemischer Reaktionen im Rahmen der Anlagen- und Verfahrenssicherheit. 00:00:15.880 --> 00:00:23.000 In diesem Video soll verdeutlicht werden, wie ein exponentieller Temperaturanstieg bei einer chemischen Reaktion verläuft. 00:00:24.240 --> 00:00:33.400 Doch zunächst ein kleiner Fun-Fakt: Anlagensicherheit wird im Englischen häufig – und korrekt – mit „Plant Safety“ übersetzt. 00:00:34.800 --> 00:00:41.920 Lässt man wiederum Plant Safety vom Englischen ins Deutsche übersetzen, kommt manchmal „Pflanzensicherheit“ als Ergebnis. 00:00:42.160 --> 00:00:49.560 Beginnen wir dieses Video daher in der Botanik. Und einer altbekannten Rechenaufgabe. 00:00:50.240 --> 00:01:05.560 Die Zahl der Seerosen auf einem Teich verdoppelt sich jeden Tag. Nach zehn Tagen ist bereits die halbe Oberfläche bedeckt. Wie lange dauert es, bis der ganze See zugewachsen ist? 00:01:07.280 --> 00:01:21.840 Nun, bei einer Verdopplung pro Tag dauert es einen weiteren Tag, bis statt dem halben See der ganze See bedeckt ist. Am Ende geht es ganz schnell – das ist das Phänomen exponentieller Verläufe. 00:01:23.440 --> 00:01:34.000 Blicken wir auf chemische Reaktionen. Manche laufen bereits bei Raumtemperatur ganz schnell ab, wie beispielsweise die Reaktion von Schwefelsäure mit Natronlauge. 00:01:35.400 --> 00:01:42.360 Andere Reaktionen brauchen höhere Temperaturen, um einen messbaren Umsatz in kürzerer Zeit zu erzielen. 00:01:43.600 --> 00:01:47.440 Bei diesen Prozessen ist so ähnlich wie bei den Seerosen. 00:01:48.160 --> 00:01:59.280 Frage: Die Geschwindigkeit einer Reaktion verdoppelt sich bei einem Anstieg um 10 Grad. Das sagt die Regel von van't Hoff. 00:01:59.680 --> 00:02:07.280 Wenn nach 10 Minuten die Temperatur um 10 Grad gestiegen ist, wo liegt sie nach 20 Minuten? 00:02:10.400 --> 00:02:23.760 Weil der Zeitraum für die nächste Temperaturerhähung immer kürzer wird und die Reaktion immer schneller wird, wird der Ansatz immer heißer. Nach 20 Minuten geht die Temperatur steil nach oben. 00:02:24.320 --> 00:02:30.960 Es folgt eine durchgehende Reaktion, auch als Runaway oder als thermische Explosion bezeichnet. 00:02:32.520 --> 00:02:43.920 Der Zeitraum ist übrigens frei skalierbar: manchmal dauert es nur wenige Minuten bis zum Durchgehen, manchmal Stunden, in manchen Fällen sogar Tage. 00:02:45.400 --> 00:02:55.160 Aber der Verlauf ist immer ähnlich: nach einer scheinbar ereignislosen Induktionsphase folgt die thermische Explosion mit einer Selbstbeschleunigung der Reaktion. 00:02:56.440 --> 00:03:01.800 Sie glauben, das ist nur bloße Theorie? Dann machen wir dazu ein Experiment. 00:03:05.840 --> 00:03:13.320 Ich mache das Multimeter schon mal an, damit wir den Wert sehen der Temperatur: wir haben hier 27 Grad im Raum. 00:03:13.360 --> 00:03:22.760 Wir haben hier ein Zwei-Komponenten-Harz aus dem Baumarkt. Das sind 242 Gramm Harz und 8 Gramm Härter. 00:03:22.920 --> 00:03:40.920 Die 8 Gramm Härter sind dies hier, und die packe ich jetzt – so ist das nicht ganz vorgesehen, aber für das Experiment ganz sinnvoll – in diese Dose rein. 00:03:50.160 --> 00:04:05.920 So, jetzt habe ich alles reingequetscht. Und dann schüttle ich das Ganze auch noch, damit es ganz schön homogenisiert, schön verteilt ist. 00:04:07.000 --> 00:04:18.800 Dann stelle ich unser Thermoelement, das mit der Multimeter verbunden ist, in das Harz rein und dann schauen wir einfach mal, was passiert. 00:04:18.840 --> 00:04:26.560 Sie sehen, das Harz war noch ein bisschen kühler als die warme Luft am Tisch, deswegen geht die Temperatur erst mal runter auf 26 Grad. 00:05:35.160 --> 00:05:45.840 Aber warum geht nicht jede Reaktion durch? Weil normalerweise die freigesetzte Reaktionswärme über die Kühlung abgeführt wird. 00:05:47.320 --> 00:06:00.760 Idealerweise wird genau so viel Wärme dem System entzogen, wie durch die exotherme Reaktion freigesetzt wird. Dann bleibt die Temperatur auf gleichem Niveau und die Reaktion verläuft konstant. 00:06:02.560 --> 00:06:11.960 Fehlt aber die Wärmeabfuhr ganz oder ist sie geringer als die Wärmeproduktion, so setzt die Selbstbeschleunigung der Reaktion ein. 00:06:12.840 --> 00:06:24.840 Der Prozess verläuft umso rasanter, je größer das thermische Potenzial ist, also je mehr Stoffmenge vorhanden ist, je mehr Wärme durch die Reaktion freigesetzt wird, 00:06:25.160 --> 00:06:35.600 also um welche Reaktion es sich handelt, und je weniger Wärme dem System entzogen wird, also wie gut oder schlecht die Kühlung funktioniert. 00:06:37.600 --> 00:06:43.320 Die Wärmeabfuhr hängt auch von der Größe des Behälters und der Durchmischung ab. 00:06:44.160 --> 00:06:51.960 Bei einem kleinen Behälter, wie bei der Dose, geht ein Teil der Reaktionswärme als Strahlungswärme über die Oberfläche verloren. 00:06:53.520 --> 00:07:07.000 Aber da die Reaktionswärme der Polymerisation relativ groß ist, kommt es dennoch zu einer Selbsterwärmung. Bis nach einigen Minuten alle Monomere vernetzt sind und die Reaktion zum Stillstand kommt. 00:07:08.120 --> 00:07:18.520 Anmerkung: weil bei höherer Temperatur noch Parallel-Reaktionen einsetzen, ist der Temperaturanstieg etwas steiler als von van 't Hoff postuliert. 00:07:20.400 --> 00:07:31.440 Bei großen Behältern, insbesondere bei ungerührten Lagerbehältern von zig Kubikmeter Volumen, reichen zu Beginn minimale Reaktionswärmen aus, 00:07:31.960 --> 00:07:37.680 die unter den wärmedämmenden Bedingungen einen selbstbeschleunigten Ablauf auslösen kännen. 00:07:38.640 --> 00:07:50.280 Dieser kann dann durchaus einige Tage dauern, bis es zur thermischen Explosion kommt – ausgelöst mäglicherweise durch eine ungeplante Verunreinigung. 00:07:51.200 --> 00:08:00.200 Und eine Anmerkung aus gegebenem Anlass: der exponentielle Verlauf beginnt bereits im Kleinen und nicht erst mit dem steilen Anstieg. 00:08:02.000 --> 00:08:08.800 Zusammengefasst: Liegen größere Mengen an reaktiven Stoffen oder Reaktionsgemischen vor, 00:08:09.520 --> 00:08:18.880 deren Umsetzung Wärme freisetzt, die wiederum nicht vollständig dem System entzogen wird, kann es zu einer durchgehenden Reaktion kommen. 00:08:19.480 --> 00:08:34.680 Die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion durchgeht, sowie die Temperatur, die maximal erreicht werden kann, hängen von der Starttemperatur und der Bilanz aus Wärmeproduktion und Wärmeabfuhr ab. 00:08:35.400 --> 00:08:47.400 Somit sind eigentlich ausreichend Parameter vorhanden, die eine sichere Reaktionsführung ermäglichen – wenn man die entsprechenden Daten kennt und im Sicherheitskonzept berücksichtigt.