DE4108460A1 - Verfahren zur schnellen regelung und steuerung eines prozesses in einem reaktor und messeinrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung und Steuerung eines Prozesses in einem vorzugsweise durchströmten Reaktor, in dem sprunghafte Änderungen eines Parameters z. B. der Reaktionstemperatur auftreten können.

Bekanntlich zeigen Thermometer und andere aktive Sensoren als Meßeinrichtung die Änderung eines Parameters nur mit einer gewissen durch die Meßeinrichtung bedingten Verzögerung an. Eine von den verzögerten Signalen der Meßeinrichtung aktivierte Regeleinrichtung führt zu einer weiteren Verzögerung, bis eine Regelung oder Steuerung wirksam wird. Hierdurch können schwere Störungen eines Prozesses und Fehlproduktionen eintreten.

Bei Thermometern kann das Zeitverhalten der Anzeige nach einer sprunghaften Veränderung der zu messenden Temperatur als Sprungantwort angegeben werden. Üblich ist die Angabe einer Übergangsfunktion, die die auf die Sprunghöhe bezogene Sprungantwort in einer bestimmten Übergangszeit angibt (vergl. VDI/VDE-Richtlinie 3522 von Juni 1987).

Ein Verfahren, bei dem sprunghafte Änderungen der Reaktionstemperatur auftreten können, ist die Herstellung von LDPE (Hochdruckpolyethylen). Hierbei wird das Reaktionsmedium beispielsweise in einen mehrere hundert Meter langen, rohrförmigen, gekühlten Reaktor eingeleitet, in dessen Verlauf die exotherme Reaktion zu einer Temperaturerhöhung oder mehreren Temperaturerhöhungen bis zu einem ersten Maximum oder mehreren Maxima führt, in dem nach einem Zurückgehen der Temperatur gegebenenfalls weiteres, kaltes Reaktionsgas eingeleitet wird und abhängig vom jeweiligen Reaktor in weiteren Zonen ähnliche Temperaturmaxima auftreten. In dem Reaktor steht das Gas unter einem hohen Druck von z. B. mehreren tausend bar. Das Reaktions-Produkt tritt schließlich als Fluid durch ein Entlastungs- oder Druckregelventil in einen Separator aus. Dieser Prozeß ist dergestalt isotherm zu führen, daß eine Zersetzungstemperatur nicht erreicht wird. Die Werte für die maximalen Temperaturen werden so festgelegt, daß eine gewisse Sicherheit gegen die Überschreitung einer maximal zulässigen Temperatur besteht. Hierdurch wird die Produktionsleistung beträchtlich vermindert, ohne daß ausgeschlossen werden kann, daß sich nicht doch z. B. aufgrund von Änderungen in der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe oder der Initiator- oder Radial-Konzentration eine Temperaturerhöhung und insbesondere ein plötzlich einsetzender sprunghafter Temperaturanstieg, der zur Überschreitung der Zersetzungstemperatur führt, einstellt. Dieser sprunghafte Temperaturanstieg tritt überwiegend im Bereich der hohen Betriebstemperaturen, aber auch bei niedrigerer Temperatur am Anfang des Reaktors auf. Es handelt sich um einen instabilen Zustand, der sich ohne sofortige Gegenmaßnahme in und entgegen der Strömung ausbreiten kann.

In dem durchströmten Reaktor sind in Abständen Thermoelemente angeordnet, die in kurzen Zeitintervallen abgefragt werden. Bei ausgeführten Anlagen werden die gemessenen Temperaturwerte auf einem Bildschirm angezeigt, so daß bei unzulässigen Abweichungen der angezeigten Werte z. B. durch Änderung des Druckes im Reaktor das Eintreten unzulässiger Werte von Hand oder durch Regelung oder durch automatisches Abschalten des Reaktors vermieden werden soll. Da die gemessenen und angezeigten Werte nur mit Verzögerung die tatsächlichen Temperaturen wiedergeben und insbesondere sprunghafte Änderungen nicht schnell genug erkannt werden können, erfolgt erfahrungsgemäß die Regel- oder Steuermaßnahme häufig zu spät.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, insbesondere in einem langen, durchströmten Reaktor Änderungen der tatsächlichen Prozeßparameter, die auch sprunghaft erfolgen können, zu erfassen und zur Regelung oder Steuerung einzusetzen, bevor die Parameter einen unzulässigen Wert erreichen oder überschreiten, oder den Zeitraum, in dem ein unzulässiger Wert vorliegt, möglichst kurz zu halten. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, bei der Herstellung von LDPE sprunghafte Erhöhungen der Reaktionstemperatur zu erfassen, möglichst bevor eine tatsächliche Störung des Prozesses eintritt und den gesamten Prozeß durch Erhöhung der lokalen Betriebstemperaturen isotherm mit noch ausreichender Temperaturdifferenz zum instabilen Zustand zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Meßwert eines geeigneten Parameters an wenigstens einer Meßstelle in äquidistanten kleinen Zeitintervallen abgefragt und mit dem jeweils vorhergehenden Meßwert verglichen wird und daß bei einer Differenz beider Meßwerte des Parameters, die auf eine unzulässige, insbesondere sprunghafte Veränderung der tatsächlichen Parameterwerte hindeutet, ein den Prozeß regelnder oder abschaltender Mechanismus aktiviert wird. Bei der Auswertung der zu übertragenden Meßwerte sind die Übertragungsfunktion des Meßwertaufnehmers und die äquidistanten Zeitintervalle der Meßwerterfassung zu berücksichtigen. Die Auswertung erfolgt zweckmäßigerweise in einem Industrie-Rechner oder mehreren parallelen Rechnern oder mittels eines DCS-Systems (Distributed Control System), das auch die Signale für die Regelung oder Steuerung abgibt.

Im Falle des bereits genannten Reaktors für die Herstellung von LDPE werden an einer Vielzahl von Meßstellen Thermoelemente eingesetzt, die die Temperatur an den Meßstellen in äquidistanten Zeitintervallen messen und die Meßwerte an den oder die Rechner abgeben. Die Übergangsfunktion für jede Meßstelle ist gegebenenfalls durch Kalibrieren gesondert festzustellen und in den oder die Rechner einzugeben. Durch einen geeigneten Algorithmus kann aus der Änderung zweier aufeinander folgender Temperaturwerte in dem Zeitintervall auf eine etwa sprunghafte tatsächliche Temperaturänderung und damit auf eine wenigstens lokal unzulässige Veränderung der Reaktion geschlossen sowie gegebenenfalls auch auf die Gefahr hingewiesen werden, daß hierdurch die tatsächliche lokale Temperatur die maximal zulässige Temperatur im Reaktor erreicht, und es kann daher durch rechtzeitig einsetzende Regelung diese Gefahr verringert oder sogar ausgeschlossen werden.

Zur Regelung beim LDPE-Prozeß kommt eine Änderung insbesondere eine Verminderung des Drucks durch entsprechende Einstellung des Entlastungsventils am Ende des Reaktor in Frage. Eine Änderung kann jedoch auch erfolgen durch Verändern der zur Temperaturerhöhung beitragenden Menge eines Initiators, beispielsweise eines innerhalb der Zonen als zusätzlicher Sauerstoffträger zugegebenen Peroxids. Eine Abschaltung des Prozesses erfolgt über Notentspannungsventile mit totaler Druckentlastung des Reaktors.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Überwachung und Regelung beziehungsweise Steuerung eines LDPE-Prozesses beschränkt, sondern kann mit Vorteil auch bei anderen Prozessen in durchströmten Reaktoren wie z. B. in behälterähnlichen Reaktoren (z. B. Autoklaven) oder Reaktoren auch mit mehreren parallelen Rohren und beispielsweise bei Ethylenoxid-Reaktoren angewendet werden. Auch können andere Parameter als die Temperatur, wie z. B. eine im wesentlichen sprunghafte Konzentrationsänderung gleichermaßen mittels aktiver Sensoren ähnlicher Übertragungsfunktionen ausgewertet werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand eines LDPE-Prozesses in einem mehrere hundert Meter langen Rohrreaktor beschrieben. Fig. 1 zeigt mit der Kurve a den erwünschten Temperaturverlauf in dem Reaktor über der Reaktorlänge L. Als maximal erlaubte Temperatur im Reaktor wird T_max mit ca. 300 bis 400°C angenommen. Wird diese Temperatur an wenigstens einer Stelle erreicht, ist davon auszugehen, daß eine Dekomposition stattgefunden hat und daher das Produkt im Reaktor unbrauchbar geworden ist. Sicherheitshalber wurde bisher der Prozeß so geführt, daß die höchsten normalerweise eintretenden Temperaturen in ausreichendem Abstand von T_max bleiben. Die erste Reaktorzone geht von L₀ bis L₁, die zweite Zone von L₁ bis L₂ usw. Bei z. B. L₂ wird das Produktgemisch durch das Entlastungsventil abgegeben. In der ersten Zone kann zusätzlich bei L₀ und/oder L ₁ geregelt Peroxid zugeführt werden. Eine solche Zuführung kann auch in der zweiten Zone vorgesehen sein. Über den Reaktor ist eine Vielzahl von Meßstellen l_i mit Thermoelementen vorhanden. Die Meßwertaufnehmer leiten ihre Signale z. B. über Transmitter an ein DCS-System, in dem die Meßwerte gespeichert und ausgewertet werden. Relativ unbedeutende Meßwertschwankungen führen noch nicht zum Einsetzen eines Regelmechanismus.

Tritt nun im Reaktor bei L₀ beginnend oder dicht vor der Meßstelle l_i in dem Reaktionsgemisch eine unerwünschte Reaktion ein, die die Temperatur sprunghaft auf T_zi erhöht, bleibt die gemessene und in herkömmlicher Weise angezeigte Temperaturerhöhung bei l_i nach einem Zeitintervall tau wegen der Verzögerung der Thermoelemente erheblich unter der tatsächlichen Temperatur, die der gestrichelt gezeichneten Kurve b in Fig. 1 entsprechen mag, bei der die erhöhte Temperatur nach einem ersten Intervall tau noch unter T_max bleibt.

Nach der Erfindung soll aus der von dem Thermoelement einer Meßstelle ermittelten Temperaturerhöhung auf die tatsächliche sprunghaft eingetretene Temperatur geschlossen werden, und es soll weiterhin der Prozeß möglichst so beeinflußt werden, daß sich die lokal normalen Temperaturen wieder einstellen, daß aber auf jeden Fall die Ausbreitung der Temperaturerhöhung auf den gesamten Inhalt des Reaktors verhindert wird.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der tatsächlichen und der angezeigten Temperatur für einen Meßpunkt, z. B. bei l_i von Fig. 1. T₀ entspricht T_i in Fig. 1 und ist der Sollwert der Temperatur am Meßpunkt l_i. Tau ist ein Zeitintervall am Meßpunkt von z. B. konstant gleich 250 msec., einem für DCS-Systeme geeignetes Zeitintervall, jedoch sind mit erhöhtem Rechneraufwand auch noch kürzere Intervalle möglich. T₂ ist die angezeigte Temperatur am Ende des Zeitintervalls tau. T_z entsprechend T_zi in Fig. 1 ist die tatsächliche Temperatur oder Sprungtemperatur, die in Fig. 2 als am Anfang des Zeitintervalls plötzlich aufgetreten und danach konstant bleibend dargestellt ist. Der vom Meßwertaufnehmer mit Verzögerung angezeigte Temperaturverlauf ist mit der Kurve d dargestellt, und diese Kurve erreicht den Wert T_z asymptotisch erst nach einer großen Vielzahl von Intervallen tau. Aus den Temperaturen T₀ und T₂ kann bei einem konstanten beziehungsweise äquidistanten Zeitintervall und mit Hilfe eines konstanten für die Meßeinrichtung charakteristischen Kennwertes alpha, der auf der Übergangsfunktion beruht und einmalig durch in einem Labor ermittelte Meßdaten gegebenenfalls für jeden Reaktorort gesondert festgestellt und ermittelt werden kann, die momentane Sprungtemperatur T_z errechnet werden.
T_z=T₂+alpha (T₂ T₀).

Die Ermittlung kann auch über mehrere äquidistante Zeitintervalle tau erfolgen und daher auch zeitlich gemittelte Änderungen der Temperatur T_z voraussagen.

Weist die Auswertung im Rechner der aufeinanderfolgend gemessenen Temperaturen T₀ und T₂ an wenigstens einer Meßstelle darauf hin, daß die tatsächliche Temperatur vom vorgegebenen Sollwert abweicht und sich erheblich erhöht oder ein Temperatursprung eingetreten ist, so kann hieraus auf eine wenigstens lokal eingetretene unerwünschte Reaktion im Reaktor geschlossen werden, und es können vom Rechner aus Maßnahmen zur Beseitigung der Störung schneller als bei Abwarten der verzögerten Anzeige der trägen Meßeinrichtung eingeleitet werden. So können beispielsweise spontan der Druck oder die zusätzliche Zugabe von Peroxid reduziert werden, wodurch eine anlaufende Zersetzungsreaktion noch ohne größeren Produktionsausfall wieder auf normale Bedingungen zurückgeführt werden kann. Gegebenenfalls ist der Prozeß durch Druckentlastung des ganzen Reaktors abzubrechen.

Infolge der schnellen Ermittlung sprunghaft auftretender Änderungen kann der Prozeß in dem Reaktor bei höherer Temperatur (Kurve a in Fig. 1) mit einer verbesserten Ausbeute durchgeführt werden, da die Gefahr des Eintretens unzulässiger Reaktionen und der Überschreitung von T_max deutlich vermindert ist.

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Verbesserung für das Anfahren einer Anlage vorteilhaft, wobei über längere Zeit labile Zustände bestehen.

Somit werden z. B. bei der LDPE-Herstellung durch frühzeitiges Erkennen von insbesondere sprunghaften Temperaturveränderungen und daraus abgeleitete Maßnahmen zur Regelung und Steuerung des Prozesses eine Anzahl von Vorteilen erzielt. Das Verfahren zur Regelung von Prozeßbedingungen (Variation des Prozeßdruckes, der Zugabemenge von Initiatoren, von Kühlmedien, von Drehzahl von Autoklavrührern, von Kaltgasmengen usw.) oder zur Steuerung z. B. durch Unterbrechung des Prozesses ist insbesondere für durchströmte Reaktoren geeignet, um in ihnen lokal auftretende Änderungen der Reaktion, die an z. B. sprunghaften Temperaturänderungen zu erkennen sind, möglichst schnell und bevor sie sich über die ganze Länge des Reaktors erstrecken auf die normalen Reaktionsverhältnisse zurückzuführen.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Meßeinrichtung zur Signalverarbeitung, wobei nur zwei Thermoelemente 11 und 12 dargestellt sind, die die Temperatur an verschiedenen Meßstellen im Reaktor messen. Die Thermoelemente arbeiten mit Operationsverstärkern 13, 14 zusammen und diese leiten die Meßwerte an AD-Wandler 15, 16 weiter, die mit einem DCS-System 17 verbunden sind, welches auf einen Regler 18 gegebenenfalls einwirkt. In dem DCS-System sind die charakteristischen Daten der einzelnen Meßstellen sowie vorherige Meßwerte der Meßstellen gespeichert und werden mit den jeweils neuen Werten verglichen, wobei das DCS-System auch die Abfrage der Meßwerte in den vorgegebenen Zeitintervallen vornimmt. Mit dem Regler 18 können je nach dem verwendeten Reaktor und Prozeß der Reaktionsdruck, die Initiatormenge, die Reaktionskaltgasmenge, die Drehzahl von Autoklav-Rührern, die Menge an Kühlmedien usw. variiert werden.

Bei der Meßeinrichtung gemäß Fig. 4 ist für jedes Thermoelement 11, 12 nach dem zugeordneten AD-Wandler 15, 16 ein Mikrocomputer 21, 22 vorgesehen, der die spezifischen Daten der jeweiligen Meßstelle enthält und vergleicht und der räumlich nahe der Meßstelle außerhalb des Reaktors angeordnet wird. Von den Mikrocomputern 21, 22 werden im wesentlichen nur Meßwerte über ein Datenbus-System 23 an einen Mikrocontroller 24 weitergegeben, die auf Abweichungen von dem lokalen Sollwert des isotherm durchzuführenden Prozesses hindeuten. Die Mikrocomputer tragen zu einer Vereinfachung und Beschleunigung der Signalverarbeitung bei, die innerhalb weniger msec. erfolgt. Unter Signalverarbeitung im Mikrocomputer wird Einlesen, Filterung, Berechnung und Ausgabe der ermittelten Werte verstanden.

Claims (11)

1. Verfahren zur schnellen Regelung und Steuerung eines Prozesses in einem Reaktor durch zeitlich äquidistant aufeinanderfolgende Messungen eines Parameters und dessen Anzeige und einer sich hieraus ergebenden Maßnahme zur Beeinflussung des Prozesses, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Meßstelle für den zu überwachenden Prozeß-Parameter Meßwerte abgefragt und aufeinanderfolgende Meßwerte miteinander verglichen werden und bei sich änderndem Parameter, dessen tatsächlicher Wert unter Berücksichtigung der äquidistanten Zeitintervalle und der Übergangsfunktion des Meßwertaufnehmers in einem Rechner ermittelt wird und bei auf eine Störung hindeutenden Abweichungen des tatsächlichen Parameterwertes vom Sollwert die Abweichung zum Einleiten von Maßnahmen zur Vermeidung und/oder Behebung der Störung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeß-Parameter die Temperatur ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeß eine Stoffumwandlung in einem durchströmten behälter- oder rohrähnlichen Reaktor ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeß die Herstellung von LDPE in einem Rohrreaktor ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Meßstellen mit Thermoelementen nacheinander in dem durchströmten Reaktor angeordnet sind, deren Meßwerte abgefragt, gespeichert und verglichen und daß die aus ihnen ermittelten tatsächlichen Temperaturen auch bildlich dargestellt werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem DCS-System oder in Industrie-Rechnern jeweils die Meßwerte wenigstens der ersten und zweiten aufeinanderfolgenden Messung jeder Meßstelle gespeichert und über einen geeigneten Algorithmus die tatsächliche Änderung des überwachten Parameters innerhalb und außerhalb des Zeitintervalls ermittelt und bei unzulässigen Änderungen des Parameters ein Steuer- oder Regelmechanismus von dem Rechner oder mehreren Rechnern einleitet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten jeder Meßstelle in einem nahe der Meßstelle angeordneten Mikrocomputer gespeichert sind und dort aufeinanderfolgende Meßwerte verglichen werden und auf Temperaturänderungen hinweisende Meßwerte einem Mikrocontroller zugeleitet werden, der bei unzulässigen Werten des überwachten Parameters einen Steuer- oder Regelmechanismus einleitet.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelmechanismus bei der Herstellung von LDPE den Druck im Reaktor durch Öffnen des Entlastungsventils oder der Notentspannungsventile und/oder die Zudosierung des Sauerstoffträgers vermindert.

9. Meßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 unter Verwendung wenigstens eines Meßwertaufnehmers für einen Parameter sowie Einrichtungen zur Umwandlung, Weiterleitung und Speicherung von Signalen sowie deren Auswertung zur gegebenenfalls notwendigen Beeinflussung eines Reglers für Verfahrensbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Signalverarbeitung so ausgebildet ist, daß sie Meßwerte in konstanten kurzen Zeitintervallen vom Meßwertaufnehmer (11, 12) unter Berücksichtigung seiner Übergangsfunktion abfragt, jeweils wenigstens zwei aufeinanderfolgende Meßwerte vergleicht und bei Abweichungen, die auf eine vom Meßwertaufnehmer wegen dessen Trägheit noch nicht ermittelte sprunghafte Änderung des Parameters hindeuten, auf den Regler (18) einwirken kann.

10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für von mehreren Meßwertaufnehmern (11, 12) abgefragt digitalisierte Signale ein DCS-System (17) vorgesehen ist.

11. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem von mehreren Meßwertaufnehmers (11, 12) eines Reaktors ein Mikrocomputer (21, 22) in räumlicher Nähe zugeordnet ist, in dem die digitalisierten Signale des Meßwertaufnehmers unter Berücksichtigung seiner Übergangsfunktion vorübergehend gespeichert und verglichen werden und der nur Abweichungen an einen Mikrocontroller (24) weiterleitet.