Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor

Die Erfindung betri f ft ein Proj ektierungssystem und ein Verfahren zur Erstellung eines Programmes zur Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor . Die Erfindung betri f ft ferner ein Computerprogramm zur Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor .

Thermisches Durchgehen ist der Verlust der Temperaturkontrolle einer chemischen Reaktion aufgrund einer exothermen Reaktion, die zu einem explosionshaf ten Temperaturanstieg im Reaktor führen kann . Der Verlust der Temperaturkontrolle tritt dann ein, wenn die erzeugte Wärme , wie bspw . Reaktionswärme , nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann . Die Folgen davon sind eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und ein daher sich selbstbeschleunigter Prozess , der weitere Energie aus dem Reaktions- oder Zersetzungsprozess freisetzt .

Dadurch steigt die Temperatur im Reaktor und damit in der Regel auch der Druck . Dies wird auch als Durchgehreaktion

( engl . „runaway reaction" ) bezeichnet . Diese Durchgehreaktion bzw . die Selbstbeschleunigung führt zum Ansprechen von Si- cherheitseinrichtungen, beispielsweise Sicherheitsventile oder Berstscheiben, und verursacht einen Produktaustritt (oder im schlimmsten Fall eine Explosion des Reaktors ) , bei dessen plötzlicher Freisetzung hohen Gasemissionen auftreten können, die möglicherwiese sogar entflammbar oder gi ftig sind .

Im besonderen Maße tritt dieses Problem bei Reaktoren mit exothermen Reaktionen auf , die in einer Semibatch-Fahrweise betrieben werden . Hierbei kann es u . a . zum Einschlafen der Reaktion kommen und zur gleichzeitigen Anreicherung eines zudosierten Eduktes , der sogenannten Akkumulation . Diese Akkumulation kann bei Wiedereinsetzen der Reaktion zu einer exponentiellen Energiefreisetzung führen, die aufgrund der selbstbeschleunigten Reaktion nur schwer zu kontrollieren ist .

Es ist deshalb wünschenswert , das Gefahrenpotential einer Durchgehreaktion schon im Vorfeld über Früherkennungsmethoden zu ermitteln .

Die Publikation Biernath, Johannes , et al . "Model-based zero emission safety concept for reactors with exothermal reactions for chemical plants . " Journal of Loss Prevention in the Process Industries 72 ( 2021 ) : 104494 gibt einen Überblick über bereits bekannte „online"-modellbasierte Früherkennungsmethoden . Diese Methoden nutzen entweder ein Divergenz- Kriterium, ein adiabatisches Kriterium oder ein Akkumulations-Kriterium .

Die Divergenzmethode auf Basis des Divergenz-Kriteriums , die auch Gegenstand der EP 0 882 499 Al ist , beschreibt , wie über die Temperaturänderungen des Reaktors , die Temperaturände- rungsgeschwindigkeit und die Temperaturdi f ferenzgeschwindigkeit zwischen Reaktor und Kühlmantel ein Volumen aufgespannt wird . Kommt es hierbei zu einer Vergrößerung des Volumens über die Zeit liegt es nahe , dass eine Durchgehreaktion vorliegt . Diese Methode zeigt in den Veröf fentlichungen, dass die Zeit zwischen der Erkennung und Eintreten einer Durchgehreaktion nur eine kurze Zeitspanne beträgt , so dass j e nach Reaktionsbeschleunigung nur bedingt Gegenmaßnahmen möglich sind .

Bei dem Akkumulations-Kriterium wird eine Akkumulation einer Reaktions-Zugabekomponente ( d . h . eines Eduktes ) ermittelt und daraus eine maximale Temperatur und ein maximaler Druck in dem Reaktor im Falle einer Durchgehreaktion ermittelt . Zur Ermittlung der Akkumulation werden dabei direkte Konzentrationsmessungen mit Hil fe optischer Methoden oder IR-Spektros- kopie oder indirekte Methoden, wie z . B . ein Energie-Bilanz- Ansatz , genannt . Die maximale Temperatur wird beispielsweise mit einer Auslegungstemperatur des Reaktors verglichen und bei Überschreiten eines Schwellwertes wird beispielsweise die Zugabe der Reaktionskomponente unterbunden.

Weitere Details zu dem Akkumulations-Kriterium und zur Berechnung einer adiabatischen Temperaturerhöhung im Fall einer Durchgehreaktion sind in der Publikation Schmidt C., Biernath J., Schmidt J., Denecke J., 2022, Protection of chemical reactors against exothermal runaway reactions with smart overpressure protection devices, Chemical Engineering Transactions, 90, 493-498 DOI : 10.3303/CET2290083 beschrieben. Auch hier sind noch weiter Details zu dem Energie-Bilanz- Ansatz offenbart.

Zum weiteren Stand der Technik wird beispielsweise auf die WO 03/103826 Al (u.a. zum Energie-Bilanz-Ansatz) und auf die WO 00/47632 Al verwiesen.

Eine Herausforderung bei den aus dem Stand der Technik bekannten Früherkennungsmethoden liegt dabei in der Überführung in eine sicherheitsgerichtete, speicherprogrammierbare Steuerung (sSPS) . Diese Steuerungen limitieren die Anzahl an mathematischen Bausteinen, an zyklische Bearbeitungen, stellen nur eine limitierte Programmiersprache (LVL) bereit und unterliegen zudem normativen Anforderungen u.a. nach IEC 61511.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Projektierungssystem und ein Verfahren zur Erstellung eines Programmes zur Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor anzugeben, welches ermöglicht, dass die Überwachung in einer si- cherheitsgerichteten, speicherprogrammierbaren Steuerung implementiert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Pro ektierungssystem gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 6. Ein Computerprogramm zur Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor ist Gegenstand des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Ein erfindungsgemäßes Proj ektierungssystem zur Erstellung eines Programmes zur Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor stellt zur Erstellung des Programmes

- zumindest ein erstes Funktionsmodul mit einem mathematischen Modell zur Ermittlung einer maximalen Temperatur und/oder einem maximalen Druck in dem Reaktor im Falle einer Durchgehreaktion anhand von Messwerten und anhand von Stof fdaten von Komponenten in dem Reaktor, vorzugsweise über eine Ermittlung von Konzentrationen von Komponenten in dem Reaktor, und

- zumindest ein zweites Funktionsmodul zur Ermittlung der Stof fdaten, insbesondere einer Wärmekapazität , einer Dichte , eines Dampfdruckes , einer Leitfähigkeit , einer Löslichkeit und/oder einer Viskosität einer oder mehrerer Komponenten in dem Reaktor, bereit .

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erstellung eines Programmes zur Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor wird das Programm aus

- zumindest einem ersten Funktionsmodul mit einem mathematischen Modell zur Ermittlung einer maximalen Temperatur und/oder einem maximalen Druck in dem Reaktor im Falle einer Durchgehreaktion anhand von Messwerten und anhand von Stof fdaten von Komponenten in dem Reaktor, vorzugsweise über eine Ermittlung von Konzentrationen von Komponenten in dem Reaktor, und

- zumindest einem zweiten Funktionsmodul zur Ermittlung der Stof fdaten, insbesondere einer Wärmekapazität , einer Dichte , eines Dampfdruckes , einer Leitfähigkeit , einer Löslichkeit und/oder einer Viskosität einer oder mehrerer Komponenten in dem Reaktor, erstellt .

Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm zur Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor umfasst - zumindest ein erstes Funktionsmodul mit einem mathematischen Modell zur Ermittlung einer maximalen Temperatur und/oder einem maximalen Druck in dem Reaktor im Falle einer Durchgehreaktion anhand von Messwerten und anhand von Stof fdaten von Komponenten in dem Reaktor, vorzugsweise über eine Ermittlung von Konzentrationen von Komponenten in dem Reaktor, und

- zumindest ein zweites Funktionsmodul zur Ermittlung der Stof fdaten, insbesondere einer Wärmekapazität , einer Dichte , eines Dampfdruckes , einer Leitfähigkeit , einer Löslichkeit und/oder einer Viskosität einer oder mehrerer Komponenten in dem Reaktor .

Durch einen derartigen modularen Aufbau, eine flexible Verschaltung derartiger Module und deren Parametrierung ist eine leichte Anpassung an unterschiedliche Prozesse , Stof fe und Anlagengrößen möglich . Die Erstellung des Programmes kann somit sehr ef fi zient erfolgen und systematische Fehler können vermieden werden .

Bei dem mathematischen Modell erfolgt die Ermittlung der maximalen Temperatur und/oder des maximalen Drucks in dem Reaktor im Falle einer Durchgehreaktion anhand von Messwerten und anhand von Stof fdaten von Komponenten in dem Reaktor vorzugsweise über eine Ermittlung von Konzentrationen von Komponenten in dem Reaktor . Mit anderen Worten ist die Ermittlung der Konzentrationen ebenfalls von dem mathematischen Modell umfasst und es erfolgt zuerst eine Ermittlung von Konzentrationen von Komponenten in dem Reaktor und aufbauend darauf erfolgt dann die Ermittlung der maximalen Temperatur und/oder des maximalen Drucks in dem Reaktor .

Das zweite Funktionsmodul kann dabei auch Reinstof fgleichungen beinhalten, es kann aber beispielsweise auch nur für eine Einheitenumrechnung genutzt werden . Das erstes Funktionsmodul und/oder das zweite Funktionsmodul kann dabei auch Anlagengrößen als Eingangsgrößen haben ( z . B . ein Reaktorvolumen) .

Für eine einfache Zuspielung und Ermittlung von Stof fdaten umfasst zumindest das zweite Funktionsmodul dabei vorzugsweise eine Schnittstelle zur Erfassung von Konstanten von Reinstof fgleichungen, insbesondere aus einer Stof fdatenbank .

Für eine einfache Programmierung sind die Funktionsmodule vorzugsweise als Elemente ( z . B . als Bausteine oder sogenanntes „Modultypicals" ) in einer Bibliothek bereitgestellt .

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Programm Befehle , die bei der Aus führung des Programmes durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren aus zuführen, bei dem zur Überwachung der exothermen Reaktionen in dem Reaktor eine Akkumulation mindestens einer Reaktionskomponente in dem Reaktor ermittelt und basierend darauf eine maximale Temperatur und/oder ein maximaler Druck in dem Reaktor im Falle einer Durchgehreaktion ermittelt wird . Die Akkumulation der Reaktionskomponente kann dabei mit Hil fe von Messwerten, wie z . B . Temperatur, Druck und/oder Schallgeschwindigkeit in dem Reaktor ermittelt werden . Vorzugsweise erfolgt die Überwachung dabei „online" ( d . h . in Echtzeit ) auf Basis von „online "-Mess wer ten .

Wie sich herausgestellt hat , kann die Akkumulation der Reaktionskomponente und basierend darauf eine maximale Temperatur und/oder ein maximaler Druck dann besonders einfach, und somit auch für eine Implementierung in einer sicherheitsgerichteten, speicherprogrammierbaren Steuerung geeignet , ermittelt werden, wenn die Akkumulation der Reaktionskomponente mit Hil fe von Messwerten einer Schallgeschwindigkeit in dem Reaktor ermittelt wird . Dieses Verfahren kann sehr einfach in verschiedene aufeinander aufbauende Teile untergliedert werden, die dann als j eweils separate Funktionsmodule implementiert werden können . Als Eingangsgrößen sind beispielsweise nur die Messwerte , Stof fdaten und kinetische Daten der Produktion notwendig . Die Stof fdaten können beispielsweise ( automatisch oder über einen Operator ) von einer Stof fdatenbank wie dem VDI Wärmeatlas erfasst werden . Für die Ermittlung der maximalen Temperatur und/oder des maximalen Drucks sind dann nur relativ einfache mathematische Berechnungen notwendig, die auch in einer sicherheitsgerichteten, speicherprogrammierbaren Steuerung mit ihren begrenzten mathematischen Möglichkeiten und der zyklischen Programmbearbeitung implementiert werden können .

Eine Schallgeschwindigkeitsmessung zur Ermittlung von Gasanteilen in einem Gasgemisch ist grundsätzlich bereits aus der Publikation Bates R . , et al „Implementation of Ultrasonic Sensing for High Resolution Measurement of Binary Gas Mixture Fractions" , Sensors 2014 , 14 , 11260- 11276 ; doi : 10 . 3390/ s l 40611260 bekannt . Wie sich herausgestellt hat , kann eine derartige Messung der Schallgeschwindigkeit von großem Vorteil auch für eine Messung der Stof fmengenkonzentrationen in einem Reaktor genutzt werden und darauf aufbauend mit relativ einfachen Gleichungen beispielsweise eine Konzentration der Reaktionskomponente und/oder anderer Komponenten in dem Reaktor und deren Akkumulation ermittelt werden .

Grundsätzlich ist dabei eine Messung in einer Flüssigkeit oder in einem Gasraum des Reaktors möglich .

Vorzugsweise bezieht sich die Schallgeschwindigkeit auf eine Geschwindigkeit eines Schalls im Ultraschallbereich, d . h . Schallwellen oberhalb der menschlichen Hörgrenze . Wie sich herausgestellt hat , ist dieser Schallbereich gut messbar und hat wenig Störeinflüsse .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Ermittlung der maximalen Temperatur und/oder des maximalen Drucks zusätzlich mit Hil fe von Messwerten einer Dichte , einer Temperatur und einem Druck in dem Reaktor ( oder von Größen, aus denen die vorgenannten Größen ableitbar sind) . Hierdurch kön- nen die mathematischen Berechnungen der Akkumulation der Reaktionskomponente und somit die Ermittlung der maximalen Temperatur und/oder des maximalen Drucks noch weiter vereinfacht werden .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mit Hil fe der Messwerte eine Konzentration von Komponenten in dem Reaktor ermittelt .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Ausgangssignal für eine Aktivierung einer Sicherheitsreaktion erzeugt , wenn die ermittelte maximale Temperatur und/oder der maximale Druck einen Schwellwert überschreitet . Das Ausgangssignal kann beispielsweise einen Alarm für einen Operator des Reaktors auslösen, der dann seinerseits eine Sicherheitsreaktion auslöst , oder aber direkt eine automatische Sicherheitsreaktion auslösen .

Der Schwellwert ist vorzugsweise aus einem Auslegungsgrenzwert des Reaktors oder einem Ansprechwert einer Sicherheitseinrichtung des Reaktors abgeleitet .

Die Sicherheitsreaktion umfasst im einfachsten Fall eine Reduzierung oder eine Beendigung ( Stop ) einer Zufuhr der Reaktionskomponente zu dem Reaktor und/oder eine Erhöhung einer Kühlung des Reaktors .

Da die Gefahr von Durchgehreaktionen bei einer Semi-Batch- Fahrweise besonders groß ist , kommt es mit großem Vorteil dann zum Einsatz , wenn der Reaktor in einer Semi-Batch- Fahrweise betrieben wird .

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Programm ein fehlersicheres Programm einer sicherheitsgerichteten, insbesondere speicherprogrammierbaren, Steuerung .

Das vorstehend beschriebene Proj ektierungssystem, Proj ektierungsverfahren und Computerprogramm können auch in Fällen eingesetzt werden, in denen eine Akkumulation einer Reaktionskomponente auch z . B . ohne Messwerte einer Schallgeschwindigkeit ermittelt wird, beispielsweise mit Hil fe optischer Verfahren oder einer Energie-Bilanz-Berechnung . Sie sind besonders zur Erstellung von fehlersicheren Programmen, insbesondere für eine sicherheitsgerichtete , speicherprogrammierbare Steuerung geeignet .

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Aus führungsbeispielen in den Figuren näher erläutert , aber beschränken sich nicht auf diese ; darin zeigen :

FIG 1 in schematischer Darstellung einen Reaktor mit einer Steuerung zur Überwachung einer exothermen Reaktion in dem Reaktor,

FIG 2 ein Beispiel für eine Erstellung eines Programmes zur Überwachung einer exothermen Reaktion in dem Reaktor .

Die FIG 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen chemischen Reaktor 1 mit einem Reaktorkessel 2 , mehreren Zuläufen zu dem Kessel 2 für Reaktanten und weitere Hil fsstof fe (beispielhaft sind in FIG 1 zwei Zuläufe 3 , 4 dargestellt ) , einem Ablauf 5 aus dem Kessel 2 für ein Reaktionsprodukt , und einen Kühlmantel 6 , dem über eine Zulauf 7 ein Kühlmittel zuführbar und über einen Ablauf 8 abführbar ist . In dem Kessel 2 ist ein Rührer 9 angeordnet , dessen Welle nach oben aus dem Kessel herausgeführt ist und von einem Motor M angetrieben wird . In dem Kessel 2 befindet sich unten ein flüssiges Phasengemisch 11 und oben ein Gasraum 14 .

Mit Hil fe verschiedener Messwertaufnehmer ( Sensoren) können physikalische Größen im Reaktor und in den Zu- und Abläufen gemessen werden . Beispielhaft sind in FIG 1 ein Drucksensor P zur Messung des Drucks im Reaktorkessel 2 , ein Temperatursensor T zur Messung der Temperatur es flüssigen Phasengemisches 11 im Reaktorkessel 2 , einen Dichtemesser D zur Messung einer mittleren Dichte des flüssigen Phasengemisches 11 , ein Füllstandmessgerät L zur Messung eines Füllstands des flüssigen Phasengemisches 11 und ein Schallgeschwindigkeitsmessgerät S zur Messung einer Schallgeschwindigkeit in dem Gasraum 14 . Es könne noch weitere Messwertaufnehmer vorhanden sein, wie z . B . Durchflussmesser in den Zuläufen und Abläufen, Temperatursensoren im Kühlmantel 6 , etc .

Eine Steuerung 10 dient zur Steuerung und Überwachung des Reaktors 1 . Vorzugsweise handelt es sich um eine sicherheitsgerichtete , fehlersichere Steuerung wie beispielsweise eine fehlersichere S IMATIC S7 der Anmelderin . Die Steuerung erfasst die von den Messwertaufnehmern ( Sensoren) erzeugten Messwerte und ist hierzu über schematisch dargestellte Signalleitungen 12 mit den Messwertaufnehmern P, T , D, L, S verbunden . Die Steuerung 10 kann wiederum über Aktoren wie z . B . Ventile in den Zu- und Abläufen ( siehe Ventile 15 , 16 , 17 , 18 ) eine Zufuhr bzw . Abfuhr von Reaktanten, Hil fsstof fen, Reaktionsprodukten und Kühlmittel steuern und ist hierzu über Steuerleitungen 19 mit den Aktoren verbunden .

In dem Reaktor 1 findet eine exotherme Reaktion von Reaktanten statt . Der Reaktor wird dabei beispielsweise in einer Semi-Batch-Fahrweise betrieben . Durch eine fehlersichere Programmierung 20 in der Steuerung 10 wird nun ein modellbasiertes kontinuierliches online-Verf ahren zur Überwachung der exothermen Reaktion in dem Reaktor durchgeführt , d . h . die Überwachung erfolgt in Echtzeit .

Bei diesem Verfahren wird eine Akkumulation mindestens einer Reaktionskomponente (üblicherweise eines Eduktes ) in dem Reaktor ermittelt und basierend darauf eine maximale Temperatur und/oder ein maximaler Druck in dem Reaktor im Falle einer Durchgehreaktion ermittelt . Die Akkumulation der Reaktionskomponente wird dabei von der fehlersichere Programmierung 20 mit Hil fe der vorstehend beschriebenen Messwerte der Schallgeschwindigkeit , der Temperatur, der Dichte und des Drucks in dem Reaktor 1 ermittelt . Die Messung der Schallgeschwindigkeit durch das Schallge- schwindigkeitsmessgerät S erfolgt vorzugsweise im Ultraschallbereich . Für das Schallgeschwindigkeitsmessgerät S kann beispielhaft ein Ultraschallsensor vom Typ Echomax xps- 10 in Verbindung mit einem S ITRANS LUT400 Ultraschall-Auswertegerät der Anmelderin zum Einsatz kommen . Das Schallgeschwindig- keitsmessgerät S bzw . die zugehörigen Schallsensoren sitzen beispielsweise oben auf dem Kessel 2 und speisen somit von oben den Schall in vertikaler Richtung in den Kessel bzw . empfangen oben einen von einem Reflektorelement 22 reflektierten Schall . Das Reflektorelement 22 ist im Gasraum 14 im Kessel 2 angeordnet . Grundsätzlich ist aber auch ein Einspeisen bzw . Empfangen des Schalls in hori zontaler Richtung möglich

Zur Verlängerung der Wegstrecke und somit zur Erhöhung der Genauigkeit der Messung wird der Schall über ein Umlenkelement 23 , das ebenfalls im Gasraum 14 im Kessel 2 angeordnet ist , in eine Richtung senkrecht zur Einspeiserichtung ( d . h . in eine hori zontale Richtung) umgelenkt . Der somit umgelenkte Schall wird dann von dem Reflektorelement 22 reflektiert und über den gleichen Weg - nur im umgekehrter Richtung ( d . h . wiederum über das Umlenkelement 23 ) - zu dem Schallgeschwin- digkeitsmessgerät S zurückgeführt .

In der Steuerung 10 ist ein Schwellwert für eine maximale Temperatur und/oder einen maximalen Druck abgespeichert . Der Schwellwert ist beispielsweise aus einem Auslegungsgrenzwert des Reaktors oder einem Ansprechwert einer Sicherheitseinrichtung des Reaktors abgeleitet . Die Steuerung 10 bzw . das fehlersichere Programm 20 vergleicht nun kontinuierlich die ermittelte maximale Temperatur und/oder den maximalen Druck und erzeugt bei einem Überschreiten entweder ein Ausgangssignal 30 ( z . B . einen Alarm) für einen Operator, der dann eine Sicherheitsreaktion auslösen kann, oder löst automatisch selbst eine Sicherheitsreaktion aus . Eine mögliche Sicher- heitsreaktion könnte beispielsweise eine Erhöhung der Kühl- mittelzufuhr zu dem Kühlmantel oder eine Reduzierung oder Beendigung einer Zufuhr des Edukts zu dem Reaktor 1 sein.

Im Folgenden soll nun das Ausführungsbeispiel für eine beispielhafte, aber nicht nur darauf zu beschränkende, chemische Reaktion erläutert werden, Hierbei handelt es sich um eine- Verestherung von Essigsäureanhydrid mit Methanol zur Erzeugung Essigsäure und Essigsäuremethylesther (d.h. 4 Komponenten) :

Abkürzungen :

A = Essigsäureanhydrid

B = Methanol

C = Essigsäuremethylesther (Nebenprodukt)

D = Essigsäure (Hauptprodukt)

1) Messung der mittleren Flüssigkeitsdichte und Mischung über den reziproken Ansatz der mit dem Massenanteil gewichteten Reinstoffdichten (z.B. nach VDI WA) : p _m : mittlere Dichte der Flüssigphase (gemessen mit Dichtemesser D)

Pi : Dichte der Komponente i (i = A, B, C, D)

Xi : Stoffmengenanteil der Komponente i in der Flüssigphase (i = A, B, C, D) Mi : Molare Masse der Komponente i in der Flüssigphase (i = A,

B, C, D)

2) Messung Druck im Gasraum 14 mit dem Drucksensor P (setzt sich aus Stickstoffüberlagerung und Partialdrücke der Komponenten zusammen) : p: Druck im Gasraum 14 (gemessen) p ^s i : partieller Sättigungsdruck der Komponente i (i = A, B,

C, D) n _N 2 : Stoffmenge Stickstoff

R: molare Gaskonstante

T: absolute Temperatur

V _g : Volumen des Gasraums

3) Messung Schallgeschwindigkeit im Gasraum 14: c _P ,g,i: spezifische Wärmekapazität der Komponente i (i = B, C, N2 ) bei konstantem Druck c _P ,v,i: spezifische Wärmekapazität der Komponente i (i = B, C, N2 ) bei konstantem Volumen p: Druck im Gasraum 14

Mi : Molare Masse der Komponente i (i = B, C, N2) p _c ^s i : kritischer Sättigungsdampfdruck der Komponente i

Bemerkung: Bei obiger Formel für die Schallmessung wurden zur Vereinfachung der Berechnung Komponenten, die vergleichsweise gering dampfbildend sind (hier die Komponenten A und D) nicht berücksichtigt . 4 ) Schließbedingung der Aufteilung der Komponenten in der Flüssigphase :

Es liegen somit 4 unbekannte Stof fmengenanteile (bzw . Konzentrationen) und 4 Gleichungen hierzu vor, d . h . dieses System ist algebraisch lösbar .

Die weiteren Schritte sind : a) Auflösung des Gleichungssystems nach der akkumulierten Menge x _B der zudosierten Menge B . b) Bestimmung der akkumulierten Stof fmengenkonzentration c _B der zudosierten Menge B aus der akkumulierten Menge x _B in bekannter Weise über eine Stof fmengenumrechung . c) Bestimmung der adiabaten Temperaturerhöhung mittels der akkumulierten Masse c _B = akkumulierte Stof fmengenkonzentration der zudosierten Menge B p : mittlere Dichte der Flüssigphase c _p : mittlere spezi fische Wärmekapazität über alle Komponenten der Flüssigphase

AHR : Reaktionsenthalpie

AT _a d : adiabate Temperaturerhöhung d) Bestimmung der adiabaten Druckerhöhung Ap _a aus der adiabate Temperaturerhöhung AT _a mit Hil fe der allgemeinen Gasgleichung .

Ausgehend von der aktuellen Temperatur bzw . dem aktuellen

Druck im Reaktor kann anhand der adiabaten Temperaturerhöhung bzw . der adiabaten Druckerhöhung eine maximale Temperatur bzw . ein maximaler Druck im Reaktor im Fall einer Durchgehreaktion ermittelt werden .

In dem Beispiel von FIG 1 wurden 4 Stof f komponenten verwendet bzw . Gleichungen für 4 Stof f komponenten aufgestellt . In analoger Weise können natürlich auch weniger oder mehr Stof fkomponenten zum Einsatz kommen bzw . entsprechende Gleichungen für eine größere oder kleinere Zahl von Komponenten aufgestellt werden .

FIG 2 zeigt beispielhaft eine Erstellung eines Programmes zur Überwachung exothermer Reaktionen in einem Reaktor, insbesondere für das fehlersichere Programm 20 in der Steuerung 10 von FIG 1 .

FIG 2 zeigt dabei eine Sicht , die einem Proj ekteur zur Erstellung des Programmes auf einer Bedienoberfläche 51 eines Proj ektierungssystems 50 angeboten wird . Das Pro ektierungssystem 50 umfasst weiterhin eine zentrale Recheneinheit 52 wie beispielsweise einen PC .

Die fehlersichere Programmierung umfasst mehrere Funktionsmodule 41 , 42 , 43 , 44 .

Ein erstes Funktionsmodul 41 umfasst ein mathematisches Modell , wie das beispielhaft vorstehend beschriebene Modell , zur Ermittlung der maximalen Temperatur und/oder des maximalen Drucks im Fall einer Durchgehreaktion anhand von Messwerten und anhand von Stof fdaten der Komponenten in dem Reaktor . Je nach Bedarf können noch weitere Funktionsmodelle zur Ermittlung der maximalen Temperatur und/oder des maximalen Drucks im Fall einer Durchgehreaktion anhand von Messwerten und anhand von Stof fdaten der Komponenten in dem Reaktor ergänzt werden .

Die Funktionsmodule 42 , 43 , 44 dienen zur Ermittlung und Bereitstellung der Stof fdaten (und ggf . weiterer kinetischer Daten) einer oder mehrerer Komponenten in dem Reaktor für das Funktionsmodul 41, das Funktionsmodul 42 dient zur Ermittlung von Dampfdrücken, das Funktionsmodul 43 dient zur Ermittlung von Dichten und das Funktionsmodul 44 dient zur Ermittlung von Wärmekapazitäten. Je nach Bedarf können noch weitere Funktionsmodelle zur Ermittlung und Bereitstellung der Stoffdaten (und ggf. weiterer kinetischer Daten) einer oder mehrerer Komponenten in dem Reaktor ergänzt werden.

Für die Ermittlung von Stoffdaten (und ggf. weiterer kinetischer Daten) sind in jedem der Funktionsmodule 41, 42, 43, 44 Reinstoffgleichungen hinterlegt.

Jedes der Funktionsmodule 41, 42, 43, 44 hat Eingänge El für Messwerte und Eingänge E2 für Konstanten der Reinstoffgleichungen. Außerdem können Eingänge E4 für Anlagengrößen (z.B. ein Reaktorvolumen) vorhanden sein.

Die Konstanten der Reinstoffgleichungen können beispielsweise von einem Operator oder automatisiert aus einer Reinstoffdatenbank wie z.B. dem VDI Wärmeatlas erfasst werden.

Jedes der Funktionsmodule 42, 43, 44 hat Ausgänge Al für die ermittelten Stoffdaten, die wiederum mit entsprechenden Eingängen E3 des Funktionsmoduls 41 verbunden sind. Das Funktionsmodul 41 hat Ausgänge A2, die beispielsweise bereits eine Information über ein Überschreiten eines Schwellwertes, d.h. eine kommende Gefahrensituation, ausgeben. Es kann aber über die Ausgänge A2 beispielsweise auch nur eine ermittelte maximale Temperatur und/oder maximaler Druck ausgegeben werden und der Vergleich mit einem Schwellwert erfolgt außerhalb des Funktionsbausteins 41.

Die Ausgänge Al, A2 können dabei auch ein BAD-Signal umfassen, das eine fehlerhaften Berechnung signalisiert. Beispielsweise sind die Funktionsmodule 42, 43, 44 über jeweils ein BAD-Signal an das Funktionsmodul 41 angebunden, so dass bei fehlerhaften Berechnungen auch das Funktionsmodul 41 am Ausgang A2 ein BAD-Signal anliegen hat , welches als Alarm an einen Operator ausgegeben werden kann .

Vorzugsweise werden die Funktionsmodule als Elemente ( sogenannte Modultypicals ) in einer Bausteinbibliothek für die fehlersichere Programmierung der Steuerung 10 bereitgestellt .

Aufgrund des beschriebenen modularen Aufbaus kann ein Pro ek- teur flexibel für seinen j eweiligen Anwendungs fall aus der Bibliothek die benötigten Module auswählen, miteinander verschalten und parametrieren . Die Erstellung des Programmes kann somit sehr ef fi zient und frei von systematischen Fehlern erfolgen .

Das Programm kann, aber muss nicht , in einer sicherheitsgerichteten Steuerung zum Einsatz kommen . Beispielsweise kann das Programm auch als Überwachungs funktion in einer nicht si- cherheitsgerichteten Applikation ( z . B . cloudbasiert ) zum Einsatz kommen . Diese Applikation kann beispielsweise zur Überwachung einer Produktqualität dienen .