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Purpose: Identify risk factors for endophthalmitis after strabismus surgery (EASS) and relate these to incidence and outcome. Methods: Ophthalmologists, who had operated, diagnosed or treated EASS, completed a case record form with 71 questions in six domains: Preoperative, Surgery, Perforation, Postoperative, Outcome and Experts’ opinion. To estimate the age-specific incidence per number of strabismus operations in the Netherlands during 1994-2013, the age distribution of Dutch cases was compared with the age-specific rates of strabismus surgery in the Dutch Registry of Strabismus Operations and with population data. Exploratory data analysis was performed. The immune state was evaluated in six patients. Five enucleated eyes were studied histopathologically. Results: None of the 26 patients (27 eyes with EASS) were between 9 and 65 years old, except for one patient with retinal haemorrhage followed by endophthalmitis. In the Netherlands during 1994-2013, the rate of EASS was approximately one per 11 000 strabismus operations, but one per 4300 for children aged 0–3 and one per 1000 for patients 65 and older. Endophthalmitis was diagnosed on postoperative day 1–4 in children aged 0–3. In all 15 children aged 0–5, the 16 affected eyes were phthisical, eviscerated or enucleated. The involved eye muscle had been recessed in 25 of 27 cases. It was a medial rectus in 15 of 16 children aged 0–6. It was a lateral (6), inferior (2) or medial (1) rectus in elderly. Scleral perforation went unnoticed in all children (no record in three) and in two of seven elderly (no record in two). Histopathology showed transscleral scarring compatible with scleral perforation in four patients but, in a two-year-old girl who had EASS together with a transient medial rectus palsy, the sclera underneath the former suture tract was not perforated but did contain the long posterior ciliary artery. Conclusions: Endophthalmitis after strabismus surgery (EASS) affects children and elderly, with a g

Im Rahmen des Teilvorhabens wurde ein Online-Monitoring-System für stark exotherme Reaktionen entwickelt, das das Bedienungspersonal bei der optimalen und umweltgerechten Prozessführung von komplexen oder sicherheitstechnisch schwierigen Semibatch-Prozessen in Rührkesselreaktoren (Batch-Reaktoren) unterstützen soll. Das Monitoring-System (MoSys) basiert auf dimensionslosen Stoff- und Wärmebilanzen mit adaptiven Komponenten. MoSys muss zuerst mit den Prozessdaten von normalen und unerwünschten Batch-Verläufen angelernt werden, die im Miniplant unter den Bedingungen des Industrieprozesses durchgeführt wurden. Die Adaption der Bilanzmodelle an die Zielanlage erfolgt durch zweischichtige Perceptron-Netze. Um eine vollständige Maßstabsübertragung zu gewährleisten, sollte MoSys mit Prozessdaten von mindestens einem normalen Batch-Verlauf in der Chemieanlage angepasst und validiert werden. MoSys wurde sowohl für eine homogene exotherme Veresterungsreaktion als auch für einen komplexen heterogenen exothermen Hydrierprozess konzipiert. Experimentelle Tests wurden für die Veresterung in einer Pilotanlage und für die Hydrierung in einer industriellen Chemieanlage durchgeführt. Zur Industrieerprobung wurde MoSys in ein Batch-Informations-Management-System (BIMS) integriert, das auch entwickelt und in das Prozessleitsystem (PLS) einer Mehrzweckanlage im Feinchemie-Werk Radebeul (Degussa AG) implementiert wurde. Dadurch konnten die MoSys-Ausgaben simultan mit wichtigen Prozesssignalen auf den Terminals des PLS visualisiert werden. Zum Beispiel werden der Hydrierungsfortschritt, das vorhergesagte Reaktionsende und die Konzentrationsverläufe des Edukts, Zwischenprodukts und Produkts auf den Terminals der Operatorstationen angezeigt. Wenn unerwünschte Betriebszustände auftreten, wird das Bedienungspersonal frühzeitig alarmiert und Anweisungen für Gegenmaßnahmen, die nur vom Operator ausgeführt werden dürfen, werden auf den Terminals angezeigt. Die Leistungsfähigkeit von MoSys/BIMS k

Zusammenfassung Es wurden Verweilzeituntersuchungen und Gasverteilungsmessungen an einer senkrecht mit Wasser durchströmten kiesbefüllten Säule mit vier intermediären Eisengranulatschichten durchgeführt. Zur Messung der Verweilzeitspektren wurde in die Zuleitung der Säule ein 60 ml Bolus BaCl2-Lösung (1,4 mol/l) eingespeist. Der Eintrittszeitpunkt des Bolus an der Säule wurde mittels einer direkt am Eintrittstutzen angebrachten Leitfähigkeitsnadelsonde erfasst. Der Durchgang des Tracerbolus durch verschiedene Messebenen wurde mittels Gammadurchstrahlung aufgezeichnet. Aus dem Schwächungssignal lassen sich Verweilzeitspektren direkt ableiten. Zur Bestimmung der Verweilzeit bzw. der mittleren Strömungsgeschwindigkeit in der Säule wurden zwei charakteristische Zeitpunkte des Verweilzeitspektrums verrechnet. Einmal der Frontzeitpunkt, der den erstmaligen Nachweis von Tracerflüssigkeit in der Messebene bezeichnet, sowie der Boluszeitpunkt, der durch die maximale Tracerkonzentration in der Messebene gegeben ist. Der gammadensitometrische Nachweis des Tracerbolus war aufgrund der starken axialen Dispersion nur in der unteren Hälfte der Säule möglich. Die Ergebnisse gaben keinen Hinweis auf größere gasbedingte hydraulische Obstruktionen in der Säule. Der Nachweis von Gaseinschlüssen bzw. die Darstellung der Gasverteilung in vier ausgewählten Messebenen wurde mit dem Verfahren der Gammastrahlungstomographie realisiert. Die Messebenen wurden jeweils mittig zwischen den Eisengranulatschichten gewählt. Bezüglich der Verteilung des Bariumtracers wurden keine nennenswerten Konzentrationsgradienten im Messquerschnitt gefunden, so dass von einer homogenen Durchströmung der Säule ausgegangen werden kann. Erkannt wurden Gaseinschlüsse besonders im peripheren Bereich des Säulenquerschnitts. Der globale Gasgehalt ist dabei kleiner als 5%.

The flow distribution in the rectangular channel of a pilot-scale electrolytic cell was observed using an imperfect tracer-pulse injection technique in order to study residence time distribution (RTD), back-mixing effects and velocity profiles of the electrolyte liquids within the cathode compartment. The electrolytic cell was operated under cold flow and at process conditions. While residence time studies performed in a vast number of applications are mainly based on classical conductometric measurements, alternative measurement methods have to be applied in electrochemical systems. Hence, the paper deals with the investigation of the residence time distribution (RTD) using laser induced fluorescence (LIF) visualization. Back-mixing effects of the electrolyte are quantified using the axial dispersion flow model. RTD studies for the overall cell as well as velocity profile analysis for selected individual regions are conducted. Additionally, the effects of the non-stabilized membrane and of the membrane stabilizing spacer grid are investigated.

Despite intensive work in the past decades, hydrodynamics of the widely used trickle bed reactors are still on the focus of today’s research. There are a lot of questions and obstacles to be solved and simple but accurate and reliable measurement devices to be developed. In this study we present a new capacitance wire-mesh sensor system applied to a trickle bed reactor to investigate steady-state and dynamic hydrodynamic characteristics allowing to get new insights into the temporal and spatial behaviour of the trickle flow and pulse flow.

Zur Aufrechterhaltung der Kernkühlung bei Kühlmittelverluststörfällen (KMV) in Leichtwasserreaktoren wird das aus dem Leck im Primärkreislauf austretende Kühlwasser im Reaktorsumpf gesammelt und über Notkühlpumpen in den Kühlkreislauf zurückgeführt. Auf der Saugseite der Notkühlpumpen befinden sich Sumpfsiebe zur Rückhaltung von im Kühlwasser suspendierten Fremdstoffen. Im Fokus von Arbeiten zur Gewährleistung einer gesicherten Kernkühlung bei KMV-Störfällen steht seit Jahren die Erforschung von Transport- und Verblockungsprozessen von Isoliermaterialfasern im Reaktorsumpf bzw. an entsprechenden Rückhaltevorrichtungen. Im Verlauf eines KMV-Störfalles können neben dem Isoliermaterial weitere Feststoffe im Kühlwasser sowohl das Verblockungsverhalten an den Sumpfsieben als auch die Wasserchemie beeinflussen. Speziell der Langzeitkontakt des Leckwasserstrahls mit feuerverzinkten Lichtgitterrosten kann zur Bildung löslicher und partikelförmiger Korrosionsprodukte führen. Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Forschungsvorhabens soll der Einfluss derartiger Korrosionsprozesse auf die chemische Zusammensetzung des Kühlwassers und auf das Sumpfsieb-Verstopfungsverhalten untersucht werden. Ziel ist die Unterstützung der Modellierung für eine konsistente Strömungssimulation von KMV-Störfällen unter Einbeziehung von chemischen Langzeiteffekten. Neben grundlegenden Aussagen zur Korrosionschemie verzinkter Stahloberflächen und Einflussfaktoren auf die Korrosionsprozesse beinhaltet der Vortrag die geplanten Versuchsstrategien und die darauf aufbauenden Auslegungskriterien für die am FZD zu errichtenden Versuchsanlagen für korrosionschemische Experimente unter störfallspezifischen Bedingungen. Weiterhin wird die Mess- und Analysentechnik für die Untersuchung der Korrosionsvorgänge vorgestellt und diskutiert.

In the fine chemical and pharmaceutical industry, batch and semi-batch processes are mostly used to produce special chemicals in small amounts. The behaviour of such strongly exothermic processes in stirred tank reactors is characterised by instationarity, non-linearity and a large number of influences which may affect the process safety and efficiency as well. Especially in multi purpose plants, such complex processes are usually controlled by conventional process variables, such as temperatures, pressures, dosing rates etc., but without any knowledge of the crucial parameters of a chemical reaction, the concentration profiles of reactants, products and intermediates. Thus, even experienced operators have difficulties to distinguish allowable from undesired process deviations and to identify the cause of process trends. Therefore, it is of vital importance to establish industrially applicable methods for an objective detection of the actual process state and for alerting the operators in case of undesired process deviations. To avoid the use of expensive and fragile on-line analytics, a real-time monitoring approach based on adaptive energy and mass balances was developed, and related monitoring systems were tested at pilot scale and industrial applications as well. Especially, if such a real-time monitoring approach is used as an integral part of a batch information management system (BIMS), the additional data could contribute to the enhancement of the process knowledge as a basis for continuative process optimisation. The additional process information provided by real-time monitoring systems enables application of advanced control strategies up to the point of a safety-oriented fully automated control of complex exothermic batch and semi-batch processes.

Grignard reagents are of vital importance as intermediate products of numerous organic syntheses in the fine-chemical and pharmaceutical industry. They are commonly prepared by reactions between organic halides and magnesium. These so-called Grignard reactions possess considerable hazard potentials due to the spontaneous heat release during the strongly exothermic initiation stage and the high reactivity of the Grignard compounds. From process safety point of view, it is of vital importance to establish industrially applicable methods for an objective real-time detection of the reaction start-up and for educt accumulations in the reaction mixture of the stirred tank reactor during the semi-batch process. To avoid the use of fragile and expensive on-line analytics, a balance-based on-line monitoring approach for Grignard processes was developed and tested. By solving a set of energy/ mass balances in real-time, concentration profiles of reactants and products can be calculated based on process signals, substance data and plant parameters. Instead of operating under reflux conditions which are commonly used to control the spontaneous exothermic initiation of Grignard reactions, a pressurised vessel process regime is preferred when the on-line monitoring method is applied. In such a way, the accuracy of the calculation can be considerably increased. Additionally, the approach provides an estimation of the hazard potential due to the reactivity of the organic halide accumulated in the reaction mixture. Assuming an adiabatic behaviour as the worst case, the Maximum Temperature of the Synthesis Reaction (MTSR) and the related pressure in the case of a runaway can be estimated as time-dependent functions and compared with pre-defined thresholds. Furthermore, these safety-relevant parameters enable the optimisation of the process regime. Thus, the reaction can be carried out as a non-stop semi-batch process to increase the space-time yield. The real-time estimation of safet

Carrying out electrochemical processes at high efficiency would require having optimal hydrodynamic conditions of the electrolyte liquids within the cell, forcing high mass transfer rates of the relevant components at the electrodes as well as through the membrane. Hence, the electrolyte residence time distribution (RTD) in the individual compartments is one of the key issues, affecting the performance. For the investigation of RTD and spatially resolved velocity profiles at different compartment levels of technical electrolytic cells, a new laser induced fluorescence (LIF) visualization method has been developed. Back-mixing effects of the electrolytes are quantified by axial dispersion coefficients using adequate dispersion models. Among the description of the measurement setup, the contribution mainly discusses the effects of liquid flow rate, spacer grids and pressure conditions in the compartments as well as the effect of gas evolution on RTD. The measurements provide an informative basis for optimization of the flow textures that diverge from expected symmetric flows. The aim of the research is to get a better understanding regarding the RTD behaviour and to draw conclusions on the cell behaviour as basis for optimization of the cell design as well as of the process parameters. Moreover, the experimental results can prove to be useful to evaluate modelling and simulation of hydrodynamics using CFD methods which is also shown by means of selected examples.

Das vom VKTA entwickelte elektrochemische Verfahren zur Aufbereitung schwefelsaurer Wässer aus Tagebau-Restseen (RODOSAN®) befindet sich zurzeit in der Phase der Pilotierung. Hierzu wurde vom VKTA im Gebiet des Lausitzer Braunkohlen-Tagebaureviers eine Grubenwasserreinigungs-Pilotanlage errichtet. Durch das FZD wurden prozessbegleitende Untersuchungen sowohl zur Optimierung des Elektolyseprozesses als auch zur Aufbereitung der Koppelprodukte durchgeführt. Schwerpunkte waren experimentelle Untersuchungen zum Einfluss des Abstandgitters, der beweglichen Membran sowie der Volumenströme auf die Verweilzeitverteilung der Flüssigkeit im Katodenraum unter Verwendung der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Außerdem gibt die Visualisierung durch die Verwendung fluoreszierender Tracer Informationen über Strömungsasymmetrien durch die Einlassgeometrie, das Abstandsgitter sowie den Aufbau der Zelle. Dazu wurde die Strömung im Katodenraum der Elektrolysezelle in unterschiedlichen Konfigurationen untersucht. Die Messungen stellen eine informative Basis zur Optimierung der Strömungsstruktur in der Zelle dar. Ziel der Untersuchung war, das Verweilzeitverhalten besser zu charakterisieren und damit Rückschlüsse auf das Elektrolyseergebnis ziehen zu können.

Das vom VKTA entwickelte elektrochemische Verfahren zur Aufbereitung schwefelsaurer Wässer aus Tagebau-Restseen (RODOSAN®) befindet sich zurzeit in der Phase der Pilotierung. Hierzu wurde vom VKTA im Gebiet des Lausitzer Braunkohlen-Tagebaureviers eine Grubenwasserreinigungs-Pilotanlage errichtet. Durch das FZD wurden prozessbegleitende Untersuchungen sowohl zur Optimierung des Elektolyseprozesses als auch zur Aufbereitung der Koppelprodukte durchgeführt. Schwerpunkte waren experimentelle Untersuchungen zum Einfluss des Elektrolyseprozesses (Gasblasenbildung) auf die Verweilzeitverteilung der Flüssigkeit im Katodenraum unter Verwendung der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Dazu wurde die Strömung im Katodenraum der Elektrolysezelle bei laufender Elektrolyse unter Anwendung verschiedener Stromdichten untersucht. Die Messungen stellen eine informative Basis zur Optimierung der Strömungsstruktur in der Zelle dar. Im Mittelpunkt des Projektes stand weiterhin eine Machbarkeitsstudie zur Abtrennung des Koppelproduktes Ammoniumperoxodisulfat aus der Anolyt-Lösung. Hierzu wurden thermodynamische Kristallisationsparameter ermittelt und Verfahrensvorschläge für die großtechnische Koppelproduktaufbereitung erarbeitet. Ziel ist die optimale Verwertung der beim Elektrolyseprozess entstehenden Koppelprodukte zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens.

Trickle bed reactor performance and safety may suffer from radial and axial liquid maldistribution and thus from non-uniform utilization of the catalyst packing. Therefore, experimental analysis and fluid dynamic simulation of liquid-gas flow in trickle bed reactors is an important topic in chemical engineering. In the presented study for the first time a truly high-resolution gamma ray tomography technique was applied to the quantitative analysis of the liquid flow texture in a laboratory cold flow trickle bed reactor of 90 mm diameter. The objective of this study was the comparative analysis of the liquid flow dynamics for two different initial liquid distributions and two different types of reactor configurations. Thus, the hydrodynamic behavior of a glass bead packing was compared to a porous Al2O3 catalyst particle packing using inlet flow from a commercial spray nozzle (uniform initial liquid distribution) and inlet flow from a central point source (strongly non-uniform initial liquid distribution), respectively. The column was operated in downflow mode at a gas flow rate of 180 L/h and at liquid flow rates of 15 L/h and 25 L/h.

Experimental and numerical studies of a gas-liquid two-phase flow were applied to a non-baffled laboratory-scale stirred tank reactor, mechanically agitated by a gas-inducing turbine. The dispersion of air as gas phase into isopropanol as liquid phase at room temperature under different stirrer speeds was investigated. The X-ray cone beam computed tomography (CBCT) measurements were taken at five different stirrer speeds starting from 1000 rpm at which the gas inducement occurs for the given operating conditions. The considerable difficulties in acquiring the phase distribution due to beam hardening and radiation scattering effects were overcame by developing a suitable measurement setup as well as by calibration and software correction methods to achieve high accuracy. The computational fluid dynamics analyses of the stirred tank reactor were performed in 3D with CFX 10.0 numerical software.

Insbesondere in der Feinchemie und der pharmazeutischen Industrie erfolgt die Produktion von Spezialchemikalien meist im Batch- oder Semibatch-Betrieb in sog. Mehrzweckanlagen. Als Reaktionsgefäße kommen Rührkesselreaktoren zum Einsatz. Das instationäre und nichtlineare Prozessverhalten ist dabei durch eine Reihe von Einflussfaktoren gekennzeichnet, welche sich sowohl auf die Prozesssicherheit als auch auf die Effizienz des Gesamtverfahrens auswirken können. Demgegenüber werden jedoch gerade in Mehrzweckanlagen meist konventionelle Prozessgrößen für die Steuerung komplexer chemischer Prozesse verwendet. Da PAT bei Mehrzweckanlagen nur in begrenztem Umfang einsetzbar ist, stehen Echtzeit-Informationen über Konzentrationsverläufe, die für den Prozesszustand und das Gefahrenpotenzial des Prozesses kennzeichnend sind, oftmals nicht zur Verfügung. Somit besteht für den Operator das Problem, tolerierbare von unerwünschten Prozessabweichungen zu unterscheiden und die Ursachen bestimmter Prozess-Trends zu identifizieren. Von besonderer Bedeutung ist die Entwicklung und Etablierung industriell anwendbarer Methoden für eine objektive Detektion des aktuellen Prozesszustandes in Echtzeit sowie für die frühzeitige Identifikation unerwünschter Betriebszustände. Aus diesen Gründen entwickelt das Institut für Sicherheitsforschung des FZD bereits seit Jahren Methoden zum Online-Monitoring sicherheitsrelevanter Batch- und Semibatch-Prozesse. Zur Vermeidung des Einsatzes von teuren und empfindlichen Online-Analysesystemen, wurden Methoden entwickelt, welche auf Echtzeit-Stoff- und Energiebilanzen basieren. Diese können den Anlagenfahrern als Hilfe zur Objektivierung der Prozessführung und, im Falle unerwünschter Prozesszustände, als Werkzeug zur Handlungsempfehlung für geeignete Gegenmaßnahmen dienen. Die Idee ist nun, aufbauend auf die bisherigen Entwicklungen, derartige Verfahren als Komponente einer sicherheitsbasierten Regelungsstrategie zu nutzen. Die Echtzeit-Resultate des Monit

Trickle bed reactor performance and safety may suffer from radial and axial liquid maldistribution and thus from non-uniform utilization of the catalyst packing. Therefore, experimental analysis and fluid dynamic simulation of liquid-gas flow in trickle bed reactors is an important topic in chemical engineering. In the presented study for the first time a truly high-resolution gamma ray tomography technique was applied to the quantitative analysis of the liquid flow texture in a laboratory cold flow trickle bed reactor of 90 mm diameter. The objective of this study was the comparative analysis of the liquid flow dynamics for two different initial liquid distributions and two different types of reactor configurations. Thus, the hydrodynamic behavior of a glass bead packing was compared to a porous Al2O3 catalyst particle packing using inlet flow from a commercial spray nozzle (uniform initial liquid distribution) and inlet flow from a central point source (strongly non-uniform initial liquid distribution), respectively. The column was operated in downflow mode at a gas flow rate of 180 L/h and at liquid flow rates of 15 L/h and 25 L/h.

Metallorganische Verbindungen, wie beispielsweise Grignard-Reagenzien, haben große Bedeutung als Zwischenprodukte für organische Synthesen in der Feinchemie und der pharmazeutischen Industrie. Auf Grund des spezifischen Prozessverhaltens der stark exothermen Bildungsreaktionen und der hohen Reaktivität der Grignard-Reagenzien besitzen Grignard-Reaktionen ein hohes Gefahrenpotential. Von großer Bedeutung für die Prozesssicherheit ist deshalb die Entwicklung industriell anwendbarer Methoden für eine objektive Detektion des Reaktionsstarts und für die Online-Verfolgung von Edukt-Akkumulationen im Reaktionsgemisch des Rührkessel-Reaktors. Hierfür wurde eine wärmebilanzbasierte Online-Überwachungsmethode entwickelt und anhand von Experimenten im Miniplant getestet. Neben der Ermittlung von Konzentrationsverläufen ist mit der Methode eine Abschätzung von sicherheitsrelevanten Parametern realisierbar (on-line worst case calculations). Die Ergebnisse ermöglichen den Einsatz sicherheitsorientierter Regelungsstrategien für Grignard-Reaktionen. Gleichzeitig können derartige Systeme zu einer Erhöhung der Effizienz durch Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute sowie zur Realisierung einer inhärenten Prozesssicherheit beitragen. Durch Einbindung in ein komplexes Batch Information Management System (BIMS) können die Ergebnisse des Monitoring Systems chargenweise zusammen mit den Prozess-, Anlagen- und Analysedaten gespeichert und archiviert werden und dienen somit einer späteren Prozessanalyse und –optimierung.

We applied gamma ray tomography to the problem of phase fraction measurement in chemical reactors. Therefore, we used a new tomography device that is operated with a Cs-137 source and a high resolution gamma ray detector. One application example is the reconstruction of the fluid distribution and the measurement of radial gas fraction profiles in a laboratory scale stirred vessel. The tomograph was used to obtain radiographic projections of the averaged gamma ray attenuation for different stirrer speeds along the height of the vessel. With tomographic reconstruction techniques we calculated the angularly averaged radial distribution of the attenuation coefficient for as many as 150 single cross-sectional planes and synthesised from this data set the axial and radial fluid distribution pattern. Further, we exemplarily reconstructed the radial gas fraction distributions induced by the stirrer in the area of the stirrer blades. In a second application the gamma ray measurement system was used to visualise gas inclusions in a water cleaning column that is used to remove hazardous heavy metal species from water.

Das vom VKTA entwickelte elektrochemische Verfahren zur Aufbereitung schwefelsaurer Wässer aus Tagebau-Restseen befindet sich zurzeit in der Phase der Pilotierung. Hierzu wurde vom VKTA im Gebiet des Lausitzer Braunkohlen-Tagebaureviers eine Grubenwasserreinigungs-Pilotanlage errichtet. Durch das FZD wurden prozessbegleitende Untersuchungen sowohl zur Optimierung des Elektolyseprozesses als auch zur Aufbereitung der Koppelprodukte durchgeführt.

Grignard reactions possess considerable hazard potentials due to the spontaneous heat release during the initiation of these strongly exothermic reactions and the high reactivity of the Grignard compounds. To establish an industrially applicable method for an objective real-time detection of the reaction start-up and for the accumulation of the organic halide during the process, a heat/ mass balance-based real-time monitoring approach was developed and tested by miniplant experiments. Additionally to the concentration profiles provided by the approach, the real-time estimation of the safety-relevant parameters, like adiabatic temperature rises and corresponding pressures, enables application of advanced control strategies up to the point of a safety-oriented fully automated control of Grignard reactions. In the same time, such systems can contribute to improve process efficiency by increasing the space-time yield as well as to enhance the inherent process safety.

Over the last century two-phase flow mixing, engineered to take place in mechani-cally agitated tank reactors, has become one of the most common operations in the industry. Traditionally the gas-phase is supplied via a single pipe or a ring sparger mounted beneath the rotating impeller. The gas-inducing impellers provide an alter-native gas injection, in which case the gas is fed directly in the stirrer region. A non-baffled laboratory-scale tank reactor mechanically agitated by a gas inducing turbine was experimentally and numerically studied. Above a certain impeller speed, at the investigated experimental conditions, the stirrer becomes able to induce gas and consequently disperse it into the bulk liquid phase. The two-phase system under examination comprises air as gas phase into isopropanol as liquid phase at room temperature. The gas-phase distribution was assessed at five different impeller speeds starting from 1000 rpm, at which gas inducement occurs. The cone-beam type X-Ray tomography, which can provide three-dimensional infor-mation on the gas-phase distribution, was employed to experimentally study the two-phase system. The reconstruction of a rotationally symmetric distribution-field is pos-sible from a single radiographic image. Such an experimental approach was applied to obtain the quantitative measurements of gas-fraction profiles. Additionally, a mov-ing slit technique was adapted to estimate the inherent scattered radiation offset, which emerges while un-collimated X-rays penetrate the fluid-filled tank. An addi-tional reference measurement was introduced and used to remove beam hardening artefacts. An absolute quantification was possible due to the knowledge of the ratio of the fluids and the reference-materials X-ray absorption coefficients. Phantom-measurements inside the vessel were conducted for performance evaluation. The computational fluid dynamics analyses of the stirred tank reactor were performed with CFX 10.0 numerical software. The nu

A non-baffled laboratory-scale stirred tank reactor, mechanically agitated by a gas-inducing turbine, was experimentally and numerically studied. The system under investigation comprises air as gas phase and isopropanol as liquid phase at room temperature. The initially stationary isopropanol and air were brought into motion by the rotating impeller. The X-Ray cone beam tomography measurements were taken at five different stirrer speeds with thresholds of 50 rpm starting from 1000 rpm at which the gas inducement occurs for the given operating conditions. The final stirrer speed was 1200 rpm at which the central vortex virtually reaches the impeller. Additionally, video observations, performed with a digital camcorder, were taken to study the unsteady behaviour of the central vortex. CFX 10.0 numerical software was used to carry out the computational fluid dynamics analyses of the stirred tank reactor. A full three dimensional approach was adopted in order to capture the unsteady behaviour of the central vortex. Transient and steady state numerical calculations were performed. Four steady state simulations, at stirrer speed from 200 to 800 rpm, were conducted to obtain an initial guess of the flow field and the phase distribution for the steady state and the transient simulations at 1000 rpm. The numerical predictions above 1000 rpm used the previous simulation results as an initial guess. Starting from 1000rpm, five steady state simulations were performed at stirrer speed thresholds of 50 rpm to be compared with the experimental observations. The transient numerical predictions were compared with visual observations, since the X-Ray cone beam tomography provides an average phase distributions more suitable for comparison with the steady state predictions. The tetrahedral mesh with above 1500000 elements was globally refined since a detailed view in the whole geometry is required. The inhomogeneous two-phase flow model with the particle transport model was applied to

Grignard reactions comprise considerable hazard potentials due to the spontaneous heat release during the initiation of the exothermic reactions and the high reactivity of the Grignard compounds. To establish industrially applicable methods for an objective detection of the reaction start-up and for the accumulation of the organic halide during the process, calorimetric studies of a special Grignard reaction in a pressurised vessel were carried out using several on-line monitoring methods. In general, the process signal profiles, FTIR measurements and balance-based on-line monitoring systems are applicable to provide the operator with additional information on the process state. Further experiments at adiabatic and isothermal conditions show significant influences of impurities (i.e. water) on the thermal process behaviour.

The experimental and the numerically studies were applied to a non-baffled laboratory-scale stirred tank reactor, mechanically agitated by a gas-inducing turbine. The dispersion of air as gas phase into isopropanol as liquid phase at room temperature under different stirrer speeds was investigated. The X-Ray cone beam tomography measurements were taken at five different stirrer speeds with thresholds of 50 rpm starting from 1000 rpm at which the gas inducement occurs for the given operating conditions. The cone-beam type X-Ray tomography is a potential method to measure the phase-distributions in stirred vessels. Three-dimensional information can be gathered within only one tomographic scan. The reconstruction of a rotationally symmetric distribution-field is even possible from a single radiographic image. Such an experimental approach was carefully examined and applied to obtain the quantitative measurements of gas-fraction profiles in a stirred tank reactor. Additionally, a moving slit technique was adapted to estimate the inherent scattered radiation offset, which emerges while un-collimated x-rays penetrate the fluid-filled tank. An additional reference measurement was introduced and used to remove beam hardening artefacts. An absolute quantification was possible due to the knowledge of the ratio of the fluids and the reference-materials x-ray absorption coefficients. Phantom-measurements inside the vessel were conducted for performance evaluation. A systematic measurement error of less then 1.5% absolute gas fraction for local gas fractions up to 30% was achieved while maintaining a spatial resolution of better then 1 mm. The computational fluid dynamics analyses of the stirred tank reactor were performed in 3D with CFX 10.0 numerical software. Five steady state simulations, at stirrer speeds corresponding to the ones at which the measurements were performed, were conducted to be compared with the experimental observations. The tetrahedral mesh with above 15000

We applied gamma ray tomography to the problem of phase fraction measurement in chemical reactors. Therefore, we used a new tomography device that is operated with a Cs-137 source and a high resolution gamma ray detector. One application example is the reconstruction of the fluid distribution and the measurement of radial gas fraction profiles in a laboratory scale stirred vessel. The tomograph was used to obtain radiographic projections of the averaged gamma ray attenuation for different stirrer speeds along the height of the vessel. With tomographic reconstruction techniques we calculated the angularly averaged radial distribution of the attenuation coefficient for as many as 150 single cross-sectional planes and synthesised from this data set the axial and radial fluid distribution pattern. Further, we exemplarily reconstructed the radial gas fraction distributions induced by the stirrer in the area of the stirrer blades. In a second application the gamma ray measurement system was used to visualise gas inclusions in a water cleaning column that is used to remove hazardous heavy metal species from water.

Zur Untersuchung von Zweiphasenströmungen in horizontalen Geometrien wurde am FZD eine neue Versuchsanlage aufgebaut. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Druckbehälter mit einem Schnellverschlussdeckel, einer Umluftkühlung sowie einer Kompressorenanlage. Bei einem Test der Wärmeisolierung der Testsektionen kam es zu einem Brand im Druckbehälter. Der damit verbundene Temperatur- und Druckanstieg im Behälter führte zum Abriss der zum Sicherheitsventil führenden Leitung. Personen kamen nicht zu Schaden. Im Zuge der Brand-Ursachenermittlung wurden vom FZD und dem Institut Fresenius u.a. thermische und chemische Analysen des neuen und havarierten Isoliermaterials (Polysiloxan-Schaum) sowie Pyrolyseuntersuchungen mit Gasanalysen durchgeführt. Im Ergebnis der Untersuchungen wurden brennbare Substanzen identifiziert (z.B. niedermolekulare zyklische Siloxane), die bei thermischer Belastung des Isoliermaterials innerhalb der Polysiloxanschaum-Poren entstehen und bei Kontakt mit Luftsauerstoff ein zündfähiges Gemisch bilden können. Ausgegangen wird von einer lokalen Anreicherung brennbarer Substanzen im Isoliermaterial und einer Zündung vorzugsweise am heißesten Anlagenteil. Begünstigt wurde der Zündprozess durch die druckbedingte Herabsetzung der Zündtemperatur, die temperaturbedingte Verringerung von Sauerstoffgrenzkonzentration und UEG sowie der Präsenz eines Platin-Katalysators. Die Brandausbreitung über die gesamte Oberfläche des Isolationsmaterials erfolgte durch Erhitzung umliegender Isolationsmaterial-Bereiche durch Wärmeleitung und Konvektion, Reaktionsbeschleunigung durch Erwärmung unter Bildung weiterer brennbarer Stoffe in den umliegenden Isoliermaterial-Bereichen sowie wärmebedingten Transport der Substanzen an die Oberfläche des Materials. Zur Verhinderung weiterer Störfälle erfolgte ein Austausch des Polysiloxan-Schaumes durch ein anorganisches Isoliermaterial, welches vor dem Einsatz thermischen und chemischen Analysen unterzogen wurde. Da der Einsatz von org

The experimental and the numerically studies were applied to a non-baffled laboratory-scale stirred tank reactor, mechanically agitated by a gas-inducing turbine. The dispersion of air as gas phase into isopropanol as liquid phase at room temperature under different stirrer speeds was investigated. The X-Ray cone beam tomography measurements were taken at five different stirrer speeds with thresholds of 50 rpm starting from 1000 rpm at which the gas inducement occurs for the given operating conditions. Cone-beam type X-ray computed tomography is a potential method to measure three-dimensional phase distributions in vessels. An example for that is the measurement of gas profiles in stirred chemical reactors. However, there are considerable difficulties for accurate quantitative measurements, for instance of average gas fraction in a fluid, due to beam hardening and radiation scattering effects. We have developed a suitable measurement setup as well as calibration and software correction methods to achieve a highly accurate void fraction measurement. The computational fluid dynamics analyses of the stirred tank reactor were performed in 3D with CFX 10.0 numerical software. Five steady state simulations, at stirrer speeds corresponding to the ones at which the measurements were performed, were conducted to be compared with the experimental observations. The tetrahedral mesh with above 1500000 elements was globally refined since a detailed view in the whole geometry is required. The inhomogeneous two-phase flow model with the particle transport model was applied to the system with momentum transfer described by the drag force and turbulence transfer modelled by Sato enhanced eddy viscosity model. The gas phase was modelled as dispersed fluid and the liquid phase as continuous fluid. Different turbulence models and their suitability were considered in the simulations.

Mixing in stirred vessels of different density liquids is common operation in the process industry. The hydrodynamic behaviour of such a system could be crucial for the overall process performance. The aim of this work is to numerically predict the dynamics of the mixing process of initially stratified system of two different density liquids. Stratified conditions could occur in the stirred vessel, especially in the case of impeller malfunctioning, i.e. impeller breakdown. This effect might prove to be of significant importance, particularly in the case of reacting liquids for large-scale reactors operating in the industry. The CFD analyses were performed for a non-baffled stirred vessel reactor, mechanically agitated by the Pfaudler impeller. The two main cases of passive and reactive tracer mixing behaviour were numerically predicted by the means of the CFD software CFX 5.7. In both cases the system of two miscible liquids with different densities was dynamically predicted in 3D from an initially stratified to a complete mixing condition. The full 3D simulation was applied in order to capture the flow instabilities associated with the impeller blade passage, especially pronounced in the first few seconds after the impeller start. In order to study the effect of the free surface deformation on the mixing process, the gas phase was also involved into the system via the free surface model. The different density liquids were comprised into the liquid phase by the means of the multicomponent model. In the case of the reactive tracer mixing, the alkali was diluted in the lighter liquid. The simulations were performed on different grids in order to obtain grid independent results. The accuracy of the numerical simulations was evaluated experimentally using video visualisation technique. The lighter (alcoholic) coloured component and the heavier (water) transparent one which were initially stratified were brought into motion by the rotating impeller. In the case of the pa

Die Grignard-Chemie erlebt eine Renaissance bei der industriellen Herstellung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe, Lebensmitteladditive und Feinchemikalien. Sicherheitsprobleme können aufgrund der sehr großen Exothermie und der hohen Reaktivität der Grignard-Reagenz beim Scale-up in den großtechnischen Maßstab auftreten. Die Hauptgefahrenquelle ist das spontane Starten der Grignard-Reaktion, wenn bereits eine kritische Menge an organischem Halogenid akkumuliert ist, und dann die durchgehende Startreaktion durch den starken Druckanstieg zur Stofffreisetzung führt. Die genaue Bestimmung der reaktionstechnischen Prozessparameter zur Auslegung des Kühlsystems für das Produktions-Betriebsregime wird an einem ge-schlossenen Reaktionskalorimeter mit integriertem in-situ FTIR-Spektrometer für eine industrielle Grignard-Reaktion beschrieben. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Detektion des Reaktionsstarts und zur Verfolgung der Halogenid-Akkumulation vorgestellt. Durch den Einsatz der in-situ FTIR-Spektroskopie läßt sich einerseits der Re-aktionsstart eindeutig detektieren, andererseits können sowohl der Verbrauch des organischen Halogenids als auch der Aufbau der Grignard-Reagenz in Echtzeit überwacht werden. Neben den Online-Konzentrationsmessungen können an einem geschlossenen Rührkesselreaktor auch die steilen Anstiege der Reaktortemperatur und des Druckes sowie die Wärmebilanz zum Nachweis des Reaktionsstarts genutzt werden. Durch Online-Konzentrationsmessungen und/oder Wärmebilanzmessungen ist es außerdem möglich, das Einschlafen der Hauptreaktion durch Verunreinigungen zu erkennen und das spätere Wiederstarten zu verhindern. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, daß im geschlossenen Reaktionskalorimeter die reaktionstechnischen Parameter, wie Induktionszeit, Dauer des Startprozesses und Reaktionsenthalpie, wesentlich genauer als im offenen Reaktor gemessenen werden können. Ferner werden Untersuchungen dieser Grignard-Reaktion im adiabatischen Reaktionskalorimeter (

A non-baffled stirred vessel reactor was investigated computationally with CFX-5 numerical package. The mixing of two miscible liquids with different densities was dynamically predicted from an initially stratified to a complete mixing condition. Although for a non-baffled vessel an axi-symmetric behaviour can be expected, the process was regarded as three dimensional in order to demonstrate the local instabilities associated with the blade passage. Additionally, the gas phase was involved into the simulations to investigate the effect of the free surface deformation on the mixing process. The two-phase gas-liquid interactions were modelled using the free surface model. The different density liquids were comprised into the liquid phase by the means of the multicomponent model. The grid elements size was kept relatively low because of the dynamic behaviour of the liquid surface central vortex. Furthermore, the available turbulence models were considered to obtain the closest possible match with the experimental observations. In such a way, the stirred vessel hydrodynamics was dynamically calculated in 3-D in order to study the effect of the density difference. The numerical simulations were evaluated experimentally using video visualisation technique. The lighter (alcoholic) coloured component and the heavier (water) transparent one, which were initially stratified, were brought into motion by the means of the rotating impeller and the mixing process was captured by digital camcorder and subsequently the images were digitally processed. Several points, close to vessel central line and wall, for which the optical distortion was minimal were considered for evaluation of the numerical predictions. The hydrodynamics of the above described system is of particular concern for many chemical and biochemical reactions engineered to take place in stirred vessel reactor. Although the initial conditions were to some extend idealised in order to avoid some complications raised by

Ausgehend von den physikochemischen Grundlagen der Grignard-Chemie werden Einflussfaktoren für eine sichere Prozessführung beschrieben. Bei Grignard-Synthesen tritt das größte Gefahrenpotential in der ersten Reaktionsstufe, der Herstellung der Grignard-Reagenz, auf. Insbesondere muss das Anspringen der Reaktion bei einer unzulässig großen Akkumulation von organischem Halogenid verhindert werden, wenn keine ausreichende, schnell wirksam werdende Kühlleistungsreserve vorhanden ist. Vor der Überführung einer neuen Grignard-Synthese in den großtechnischen Maßstab sollten umfassende Untersuchungen der Grignard-Reaktionsstufe in Laborreaktoren durchgeführt werden. Mit Hilfe isothermer und adiabatischer kalorimetrischer Messungen konnten die wichtigsten Prozessparameter, wie molare Reaktionsenthalpie, adiabatische Temperaturerhöhung, Induktionszeit, Anstiegsgeschwindigkeit der Wärmeleistung und Dauer der Startphase, ermittelt werden. Sie sind notwendig, um die maximal zulässige Akkumulation des organischen Halogenids für die verfügbare Kühlleistung der Produktionsanlage bestimmen zu können. Die Untersuchungen zeigten, dass gleiche Werte der molaren Reaktionsenthalpie sowohl bei isothermer als auch adiabatischer Kalorimetrie gemessen wurden. Als Ursache für die gemessenen größeren Enthalpiewerte während der isotherme Startreaktionsphase konnten noch vorhandene Wasser-Restmengen identifiziert werden, die infolge ihrer exothermen Folgereaktion mit der gebildeten Grignard-Reagenz einen zusätzlichen Wärmebeitrag lieferten. Eine Temperaturabhängigkeit der molaren Reaktionsenthalpie konnte im Temperaturbereich von 25°C bis 120°C nicht festgestellt werden. Um subjektive Fehleinschätzungen des Anspringens der Grignard-Reaktion zu vermeiden, wurden die Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Messmethoden zur Online-Überwachung getestet. Mit der in situ-Infrarotspektroskopie ließ sich das Anspringen der Grignard-Reaktion eindeutig und empfindlich detektieren. Ebenso könnte das spätere

Die Qualität der Simulationsergebnisse existierender Computercodes zur dynamischen Simulation von Druckentlastungsvorgängen (z.B. SAFIRE/ Vent, BRICK) ist von der Genauigkeit der Untermodelle zur Berücksichtigung von Wärme- und Stofftransport, Reaktionskinetik, Mischphasenthermodynamik sowie Aufwall- und Schaumverhalten abhängig. Die Untersuchungen dienen einer verbesserten Modellierung dieser Teilprozesse unter Berücksichtigung der spezifischen Prozessbedingungen der Druckentlastung. Hierzu sind sowohl reaktionsgetriebene Druckentlastungsexperimente in Rührkesselreaktoren unter prozessnahen Bedingungen als auch zusätzliche Experimente zur Ermittlung von apparate- und prozessspezifischen Parametern durchzuführen. Die Ergebnisse liefern den Prozessdaten-Pool zur Weiterentwicklung und Validierung von Simulationssoftware für Druckentlastungsprozesse in Batch-Reaktoren. Ziel ist die Simulation des Gesamtprozesses vom Reaktionsstart über die hydro- und thermodynamischen sowie die prozesskinetischen Vorgänge während der Druckentlastung bis hin zu Nachreaktionen. Als Modellprozess wurde die Veresterung von Essigsäureanhydrid mit Methanol gewählt. Zur Berücksichtigung der stofflichen und wärmetechnischen Einflüsse der Reaktion auf den Druckentlastungsprozess wurde ein reaktionskinetisches Modell entwickelt, das die thermischen und chemischen Reaktionsverläufe über weite Temperatur- und Konzentrationsbereiche unabhängig von der Prozessführung wiedergibt. Hauptgegenstand der experimentellen Untersuchungen sind reaktive Druckentlastungsexperimente unter prozessnahen Bedingungen. Die Experimente werden unter isoperibolen Prozessbedingungen in mantelgekühlten Rührkesselreaktoren aus Glas und Edelstahl durchgeführt. Die Reaktorvolumina betragen 1 bis 10 Liter. Bei Verwendung der Glasreaktoren kann, bedingt durch die Positionierung des kritischen Querschnittes (wechselbare Lochblende) in Höhe des Reaktordeckels, das Einströmverhalten in die Blende mittels High-Speed-Videotechnik b

This work deals with on-line monitoring of exothermic chemical processes in stirred tank reactors. To support the personnel in the efficient and safe operation of batch processes, the monitoring system (MoSys) based on heat/mass balancing was developed. A model was implemented for estimating concentrations from heat/mass balances. Dimensionless balances with adaptive parameters were used to adapt the heat/mass balances to the chemical target reactor and to realise the scale-up. For industrial testing, MoSys was integrated in a batch-information-management system (BIMS), which was also developed and implemented in the process control system of a multipurpose reactor installation. As a result, the outputs of MoSys can simultaneously be visualised with important process signals on terminals of the process control system. Operational experiences in monitoring an industrial hydrogenation process are represented.

Es wird ein entwickeltes Überwachungssystem vorgestellt, das zum Online-Monitoring sicherheitstechnisch schwieriger chemischer Reaktionen in Rührkesselreaktoren entwickelt wurde. Die Industrieerprobung erfolgte an einer Mehrzweckanlage der Degussa AG. Betriebserfahrungen und der praktische Nutzen werden am Beispiel des Semibatch-Betriebes eines heterogenen exothermen Hydrierprozesses aufgezeigt und diskutiert.

Zur Dimensionierung von Schutzeinrichtungen und nachgeschalteten Anlagenteilen von Rührkesselreaktoren sowie für die sicherheitstechnische Bewertung unerwünschter Betriebszustände ist die Kenntnis der bei Druckentlastungen ablaufenden hydro- und thermodynamischen sowie reaktionskinetischen Prozesse unabdingbar. Die Qualität der Simulationsergebnisse existierender Computercodes (z.B. SAFIRE/ Vent, BRICK) ist von der Genauigkeit der Untermodelle zur Berücksichtigung von Wärme- und Stofftransport, Reaktionskinetik, Mischphasenthermodynamik sowie Aufwall- und Schaumverhalten abhängig. Reaktionskinetische Modelle zur Simulation von Druckentlastungsprozessen wurden bisher meist auf der Grundlage von Experimenten in adiabatischen Kalorimetern ermittelt. Wie eigene Untersuchungen unter isothermen Bedingungen zeigen, geben diese Formalkinetiken den thermischen Reaktionsverlauf oft nur unzureichend wieder. Ziel der Arbeiten ist eine Verbesserung der Modellierung der Einzelphänomene unter Berücksichtigung der spezifischen Prozessbedingungen der Druckentlastung. Die Modelle werden in den am FZ Rossendorf entwickelten 1D-Code BRICK eingebunden. Hierdurch soll eine Ertüchtigung des Codes für die Simulation von Druckentlastungsprozessen siedend aufwallender bzw. schäumender reaktiver Stoffsysteme erfolgen. Als Modellprozess wurde die Veresterung von Essigsäureanhydrid mit Methanol gewählt. Die Modellbildung bzw. –auswahl erfolgt auf der Grundlage isothermer und isoperiboler Experimente im Reaktionskalorimeter RC1, wobei zur Erfassung der Konzentrationsverläufe während der Reaktion, Messungen mit einem In-Situ-FTIR-Spektrometer erfolgen. Die Ausdehnung des Gültigkeitsbereiches der Modelle erfolgt anschließend durch ergänzende Experimente im adiabatischen Kalorimeter PhiTecII. Gleichzeitig werden zur Berücksichtigung thermodynamischer Einflüsse Mischungsenthalpien und Mischleistungsverläufe im RC1 gemessen, modelliert und in das Prozessmodell integriert. Zur Bewertung von Druckentla