EP4633786A1

EP4633786A1 - Reaktor mit rückströmsicherung

Info

Publication number: EP4633786A1
Application number: EP23818025.1A
Authority: EP
Inventors: FRANK Huetten; Hans-Ruediger REEH
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2022-12-14
Filing date: 2023-12-05
Publication date: 2025-10-22
Also published as: KR20250116157A; CN120569255A; WO2024126150A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reaktorsystem umfassend einen Reaktor (1), eine Eduktleitung (2) zur Zuführung eines Einsatzstoffes in den Reaktor (1) und eine Produktleitung (9) zur Ausleitung eines zumindest teilweise flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor (1), wobei die Eduktleitung (2) eine Umlenkung (10) aufweist, die vom Eintritt (3) des Einsatzstoffes in die Eduktleitung nach oben zu einem Scheitel (11) der Umlenkung (10) und vom Scheitel (11) nach unten zur Austrittsöffnung (4) der Eduktleitung in den Reaktor (1) führt, und die Eduktleitung (2) eine verschließbare Belüftungsöffnung (12) aufweist, die bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet ist als der Eintritt (3) des Einsatzstoffes in die Eduktleitung und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem.

Description

Reaktor mit Rückströmsicherung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Reaktorsystem umfassend einen Reaktor, eine Eduktleitung zur Zuführung eines Einsatzstoffes in den Reaktor und eine Produktleitung zur Ausleitung eines flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Absicherung eines Reaktorsystems.

Chemische Reaktionen werden üblicherweise in geschlossenen Apparaten durchgeführt, die im Folgenden auch als „Reaktoren“ bezeichnet werden. Aus Sicherheitsgründen ist darauf zu achten, dass die chemische Reaktion ausschließlich in den dafür vorgesehenen Apparaten abläuft und sich nicht unkontrolliert in anderen als dazu vorgesehenen Apparaten fortsetzt. Häufig werden die zur Reaktion vorgesehenen Einsatzstoffe aus Lagertanks oder anderen Behältern durch Rohrleitungen dem Reaktor zugeführt. Insbesondere in Anwendungen, in denen die Einsatzstoffe bereits beim Inkontaktbringen miteinander reagieren können, ist sicherzustellen, dass die Einsatzstoffe oder das im Reaktor befindliche Reaktionsgemisch nicht aus dem Reaktor zurück in die Lagertanks oder Behälter strömt, um eine unkontrollierte Reaktion in diesen Behältnissen zu vermeiden. Eine Rückströmung kann beispielsweise dadurch verursacht werden, dass der Druck im Reaktor aufgrund der ablaufenden Reaktion ansteigt, und Teile des Reaktorinhalts durch die Rohrleitungen zurückgedrückt werden oder die Pumpe zur Förderung des Einsatzstoffes abgeschaltet wird.

Im Stand der Technik sind sogenannte Rückströmsicherungen bekannt, die die unerwünschte Rückströmung aus dem Reaktor in vorgeschaltete Behältnisse verhindern sollen. Beispielsweise ist bekannt, in der Leitung, durch die ein Einsatzstoff zum Reaktor strömt, mindestens ein Absperrorgan vorzusehen, das derart konfiguriert ist, dass es nach Detektion einer Rückströmung automatisch schließt.

Das Dokument EP 3 417 935 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Kontrolle einer chemischen Reaktion, bei dem die Reaktion in einem Reaktor überwacht und zur Verhinderung eines unkontrollierten Reaktionsablaufs die folgenden Maßnahmen ergriffen werden: Unterbrechung des Zulaufs zum und des Ablaufs aus dem Reaktor, aktive Druckentlastung des Reaktors und Spülung des Reaktors mit einem inerten Stoff.

Das Dokument DE 10 2020 126 882 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kontrolle einer Deflagration oder einer thermischen Detonation in einem kontinuierlich betriebenen chemischen Rohrre- aktor mit dem Ziel, die Ausbreitung einer Wärmefront zu verhindern. Die Vorrichtung weist mindestens eine Sperre zur Unterbrechung des Zulaufs und/oder des Ablaufs auf, wobei die Sperre mindestens ein Ventil und einen Körper aufweist. Der Körper ist ausgebildet, um eine Wärmefront der Deflagration oder der thermischen Detonation aufzuhalten, bis das Ventil geschlossen ist.

Für manche Arten von Reaktionssystemen ist eine derartige Absicherung ausreichend. Nachteilig daran ist jedoch, dass aufgrund von Leckagen am Absperrorgan oder einem zu langsamen Schließen des Absperrorgans eine zwar geringe, aber möglicherweise dennoch unerwünschte oder gar gefährliche Rückströmung stattfinden kann. Zudem besteht bei einem Ausfall oder Defekt des Absperrorgans die Gefahr, dass signifikante Mengen an Reaktorprodukt in die Zuleitungen und daran angeschlossenen Behältnisse zurückströmen.

Um den genannten Problemen abzuhelfen sind Rückströmsicherungen bekannt, die mindestens zwei in Reihe geschaltete Absperrorgane vorsehen. Neben der Redundanz, die im Falle eines Versagens oder Defekts eines der Absperrorgane relevant wird, bieten diese Systeme auch einen gewissen Schutz gegen Leckagen. Wenn beispielsweise aufgrund eines schnellen Druckanstiegs das dem Reaktor als nächstes angeordnete Absperrorgan nicht schnell genug schließt, kann die noch durch dieses Absperrorgan fließende Menge an rückströmendem Reaktorinhalt gegebenenfalls in dem Rohrleitungsstück zwischen den beiden Absperrorganen aufgefangen werden, sofern das vom Reaktor entfernt angeordnete Absperrorgan schnell genug schließt. Bei solchen Vorrichtungen kann vorgesehen sein, dass das Rohrleitungsstück zwischen den Absperrorganen mit einer Ablasseinrichtung versehen ist, durch die gegebenenfalls aufgefangenes Reaktorprodukt sicher entsorgt werden kann. Obwohl diese Art von Rückströmsicherung bereits einen Vorteil gegenüber oben beschriebenen einfachen Systemen darstellt, bietet sie dennoch keinen vollständigen Schutz gegen eine mögliche Rückströmung, insbesondere im Falle einer plötzlich auftretenden Rückströmung beispielsweise aufgrund einer rapiden Druckerhöhung im Reaktor.

Es stellte sich die Aufgabe, bekannte Reaktorsysteme mit Rückströmsicherungen derart weiterzuentwickeln, dass eine potenzielle Rückströmung von Reaktorinhalt aus dem Reaktor in vorgelagerte Behältnisse wie Lagertanks oder andere verfahrenstechnische Apparate zuverlässig vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Reaktorsystem gemäß Anspruch 1 und Verfahren zur Absicherung des Reaktorsystems gemäß Ansprüchen 8 und 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Reaktorsystems sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Ein erster Gegenstand der Erfindung ist ein Reaktorsystem umfassend einen Reaktor, eine Eduktleitung zur Zuführung eines Einsatzstoffes in den Reaktor und eine Produktleitung zur Ausleitung eines zumindest teilweise flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor. Die Eduktleitung weist eine Umlenkung auf, die vom Eintritt des Einsatzstoffes in die Eduktleitung nach oben zu einem Scheitel der Umlenkung und vom Scheitel nach unten zur Austrittsöffnung der Eduktleitung in den Reaktor führt. Die Eduktleitung weist weiterhin eine verschließbare Belüftungsöffnung auf, die bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet ist als der Eintritt des Einsatzstoffes in die Eduktleitung und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Absicherung eines Reaktorsystems umfassend einen Reaktor, eine Eduktleitung zur Zuführung eines Einsatzstoffes in den Reaktor und eine Produktleitung zur Ausleitung eines zumindest teilweise flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor, wobei die Eduktleitung eine Umlenkung aufweist, die vom Eintritt des Einsatzstoffes in die Eduktleitung nach oben zu einem Scheitel der Umlenkung und vom Scheitel nach unten zur Austrittsöffnung der Eduktleitung in den Reaktor führt, und die Eduktleitung eine verschließbare Belüftungsöffnung aufweist, die bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet ist als der Eintritt des Einsatzstoffes in die Eduktleitung und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem. Das Verfahren umfasst die Schritte der messtechnischen Ermittlung eines für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung charakteristischen Signals, und des Öffnens der Belüftungsöffnung, wenn das charakteristische Signal einen vorgegebenen Grenzwert verletzt.

Das erfindungsgemäße Reaktorsystem und das erfindungsgemäße Verfahren haben den Vorteil, dass über die Belüftungsöffnung in der Eduktleitung eine Gasblase erzeugt werden kann, die sowohl den Strom des Einsatzstoffes in Richtung des Reaktors als auch eine Rückströmung von Teilen des Reaktorinhaltes in Richtung der Eduktleitung zuverlässig verhindert. Dadurch, dass sich die nach dem Öffnen der Belüftungsöffnung bildende Gasblase an einer Stelle in der Eduktleitung befindet, die höher angeordnet ist als der Eintritt des Einsatzstoffes in die Eduktleitung und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem, stellt die Gasblase in der Eduktleitung ein unüberwindliches Hindernis für eine potenzielle Rückströmung aus dem Reaktor in die Eduktleitung dar. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Reaktorsystems ist darin zu sehen, dass die Rückströmsicherung auf einfache Weise mit robusten und bewährten Bauteilen realisierbar ist, die zudem wartungsarm sind.

Die Begriffe „oben“, „nach oben“, „unten“, „nach unten“ und ähnliche Richtungs- oder Ortsangaben sind in Bezug auf das Erdschwerefeld zu verstehen. Ein erstes Bauteil, das „oberhalb“ eines zweiten Bauteils angeordnet ist, weist also einen größeren Abstand von der Erdoberfläche auf als das zweite Bauteil. Entsprechend ist unter dem „Scheitel“ der in Bezug auf das Erdschwerefeld höchstgelegene Punkt der Umlenkung der Eduktleitung zu verstehen.

Das Reaktorsystem umfasst mindestens einen Reaktor. Das Reaktorsystem kann auch mehrere Reaktoren umfassen, die strömungstechnisch in Reihe, parallel oder teilweise in Reihe und teilweise parallel angeordnet sind. Das Reaktorsystem kann weitere Bestandteile umfassen, beispielsweise für verfahrenstechnische Anlagen typische Einrichtungen wie Pumpen, Rohrleitungen, Behälter, Tanks, Wärmetauscher oder Trenneinrichtungen wie Phasenscheider, Extraktionskolonnen, Rektifikationskolonnen oder andere Stofftrennapparate.

Der mindestens eine Reaktor ist ein gegenüber der Umgebung geschlossener Behälter, in dem eine chemische Reaktion ablaufen kann. Der Reaktor kann jegliche bekannte Form und Funktion aufweisen und als Einzelapparat oder in einen anderen Apparat integrierte Reaktionszone gestaltet sein, beispielsweise als Rührkesselreaktor, Rohrreaktor oder Reaktivdestillationskolonne.

Das erfindungsgemäße Reaktorsystem ist hinsichtlich der darin ablaufenden chemischen Reaktionen nicht beschränkt. So kann die in dem Reaktor ablaufende Reaktion beispielsweise spontan durch Inkontaktbringen der Einsatzstoffe ablaufen oder durch einen Katalysator in Gang gesetzt werden. Dabei kann der Katalysator homogen oder heterogen sein. Das Reaktionssystem kann für jegliche Art der Durchführung der Reaktion vorgesehen sein, beispielsweise für eine Batch-Fahrweise, Semi-Batch-Fahrweise oder eine kontinuierliche Fahrweise.

Das Reaktorsystem ist dazu vorgesehen, dass mindestens ein Einsatzstoff dem Reaktor zugeführt wird. Es können auch mehrere Einsatzstoffe dem Reaktorsystem zugeführt werden. Im Fall mehrerer Einsatzstoffe können diese gemeinsam durch eine Eduktleitung oder getrennt durch separate Eduktleitungen dem Reaktor zugeführt werden. Zusätzlich kann dem Reaktor auch ein Katalysator zugeführt werden, der die Reaktion des Einsatzstoffes im Reaktor begünstigt oder in Gang setzt.

Die Eduktleitung zur Zuführung des mindestens einen Einsatzstoffes sowie die Produktleitung zur Ausleitung des Reaktionsproduktes können in bekannter Weise ausgeführt sein, beispielsweise als Rohrleitungen, die den Reaktor mit einem Tank oder anderen Behältnissen oder verfahrenstechnischen Apparaten verbinden. In der Eduktleitung oder der Produktleitung können weitere Bauteile wie Pumpen, Wärmetauscher, Regelarmaturen, Messeinrichtungen oder Absperrorgane angeordnet sein. Das Reaktionsprodukt, das sich durch Umsetzung des dem Reaktor zugeführten Einsatzstoffes ergibt, ist zumindest teilweise flüssig. Das Reaktionsprodukt kann vollständig flüssig sein. Es kann auch Anteile von Dampf oder Gas enthalten, sowohl als separate Phasen oder in der Flüssigkeit gelöst. Das Reaktionsprodukt kann auch eine oder mehrere flüssige Phasen sowie eine Dampfphase oder Gasphase umfassen. Je nach Art der Einsatzstoffe und der ablaufenden chemischen Reaktion können sich in dem Reaktionsprodukt auch Feststoffe befinden, beispielsweise im Falle einer Fällung oder Kristallisation.

Erfindungsgemäß ist die verschließbare Belüftungsöffnung bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem. Der höchstmögliche Flüssigkeitspegel wird zum einen durch die baulichen und geometrischen Gegebenheiten des Reaktorsystems und zum anderen durch das im Reaktorsystem durchgeführte Verfahren beeinflusst. Der höchstmögliche Flüssigkeitspegel entspricht dem Flüssigkeitspegel, den das flüssige Reaktionsprodukt im Reaktorsystem maximal erreichen kann. Dabei kann es sich um einen Flüssigkeitspegel handeln, der im regulären Ablauf des durchgeführten Verfahrens erreicht wird. Es kann sich auch um einen Flüssigkeitspegel handeln, der nur in Sondersituationen erreicht wird, beispielsweise während einer ungeplanten Druckerhöhung im Reaktorsystem.

Der höchstmögliche Flüssigkeitspegel kann sich im Reaktor einstellen oder in einem an den Reaktor angeschlossenen Behälter oder Apparat. Beispiele für angeschlossene Apparate oder Behälter sind Wärmetauscher wie Kondensatoren, Phasenscheider, Trenneinrichtungen wie Kolonnen, Druckminderer wie Entspannungsventile, Lagertanks sowie die Apparate und/oder Behälter verbindenden Rohrleitungen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktorsystems ist in der Eduktleitung in Strömungsrichtung des Einsatzstoffes vor der Umlenkung ein Absperrorgan angeordnet. Das Vorhandensein eines Absperrorgans in der Eduktleitung hat den Vorteil eines zusätzlichen Schutzes vor einer Rückströmung. Zudem kann dadurch sichergestellt werden, dass kein weiteres Edukt in Richtung des Reaktors gefördert wird. Das Absperrorgan ist vorzugsweise mit einem Antrieb versehen, der über elektronische Signale angesteuert werden kann. Bevorzugt ist das Absperrorgan ein ansteuerbarer Kugelhahn oder ein Stellventil. In einer Abwandlung dieser Ausführungsform sind mindestens zwei Absperrorgane in Reihe hintereinander in der Eduktleitung in Strömungsrichtung des Einsatzstoffes vor der Umlenkung angeordnet.

Die Belüftungsöffnung in der Eduktleitung ist erfindungsgemäß sowohl höher als der Eintritt des Einsatzstoffes in die Eduktleitung als auch höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem angeordnet. Die Belüftungsöffnung kann daher an unterschiedlichen Stellen in der Eduktleitung angebracht sein. In einer Ausführungsform ist die Belüftungsöffnung am Scheitel der Umlenkung angeordnet.

Die Belüftungsöffnung kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein. Vorzugsweise ist die Belüftungsöffnung derart gestaltet, dass beim Öffnen der Belüftungsöffnung keine potenziell schädliche Substanz, beispielsweise gasförmige Anteile eines Einsatzstoffes oder aus dem Reaktorinneren, durch die Belüftungsöffnung in die Umgebung gelangen können. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktorsystems ist an die Belüftungsöffnung eine Belüftungsleitung zur Zuführung eines Gases in die Eduktleitung angeschlossen ist, wobei die Belüftungsleitung ein Absperrorgan aufweist. Durch die Belüftungsleitung kann beispielsweise ein Inertgas, das hinsichtlich des in der Eduktleitung vorhandenen Einsatzstoffes inert ist, in die Eduktleitung eingebracht werden, um eine Gasblase zu bilden, die die Rückströmung verhindert. Besonders geeignet als Inertgas ist Stickstoff. Abhängig von den Eigenschaften des Einsatzstoffes können aber auch andere Substanzen als Inertgas geeignet sein.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Reaktorsystem weiterhin einen Behälter, in den die Produktleitung zur Ausleitung des flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor mündet, der Behälter eingerichtet ist, ein Gasvolumen und ein Flüssigvolumen aufzunehmen, das Flüssigvolumen mit mindestens einem Auslass für flüssiges Reaktionsprodukt versehen ist, und das Gasvolumen mindestens einen Auslass in eine Leitung aufweist, die absperrbar mit der Belüftungsöffnung verbunden ist. In dieser Ausführungsform des Reaktorsystems kann vorteilhaft ein in sich geschlossenes System in dem Sinne realisiert werden, dass das Gasvolumen aus dem Behälter bei Bedarf durch die Belüftungsöffnung in der Umlenkung in die Eduktleitung eingebracht werden kann, um dort eine Gasblase zu bilden, die eine Rückströmung verhindert.

Bei dem Gasvolumen im Behälter kann es sich um Gas handeln, das während der Reaktion des Einsatzstoffes im Reaktor gebildet wird und aus dem Reaktor in den Behälter strömt. Es kann aber auch ein weiterer Anschluss einer Gasleitung an dem Behälter vorhanden sein, durch die gezielt Gas in den Behälter eingebracht werden kann. Diese Variante ist beispielsweise von Vorteil, wenn als Gasvolumen im Behälter ein Inertgas, z.B. Stickstoff, bereitgestellt werden soll.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Reaktorsystem weiterhin ein Sensorsystem und eine Sicherheitsschaltung mit einer Vergleichseinheit und Ausgabemitteln, wobei das Sensorsystem eingerichtet ist, ein für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung charakteristisches Signal zu ermitteln, die Vergleichseinheit eingerichtet ist, das Signal mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen, und bei Verletzung des Grenzwertes durch das Signal die Ausgabemittel das Schließen des Absperrorgans in der Eduktleitung und das Öffnen der Belüftungsöffnung veranlassen. Mittels des Sensorsystems und der Sicherheitsschaltung kann eine vollautomatische Überwachung des Reaktorsystems realisiert werden.

Das Sensorsystem kann im Stand der Technik bekannte Sensoren für unterschiedliche Zustandsgrößen in dem verfahrenstechnischen Prozess umfassen, beispielsweise Sensoren zur Erfassung von Druck, Temperatur, Durchfluss, Dichte. Als für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung charakteristische Signale sind alle Signale anzusehen, die eine Aussage über die Strömung in der Eduktleitung erlauben. In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung charakteristischen Signal um eine Mengenmessung des strömenden Einsatzstoffes, um eine Differenzdruckmessung oder um sowohl eine Mengenmessung als auch eine Differenzdruckmessung. Ein Vorteil dieser Signale ist darin zu sehen, dass ausreichend etablierte Technik vorhanden ist, die Signale zuverlässig und wartungsarm bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sich für diese Art von Signalen auf einfache und intuitive Weise ein Grenzwert vorgeben lässt, gegen den die aus den Sensoren ermittelten Werte verglichen werden können.

Die Sicherheitsschaltung umfasst eine Vergleichseinheit, die eingerichtet ist, das Sensorsignal mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen. Der Vergleich kann in jeder dazu geeigneten Recheneinheit durchgeführt werden, beispielsweise in der Recheneinheit eines Mikrocontrollers, der in einer sicherheitsgerichteten Steuerung, einer programmierbaren Steuerung oder in einem Prozessleitsystem (PLS) implementiert ist. Die Sicherheitsschaltung kann in Form von Softwarekomponenten, Hardwarekomponenten oder Kombinationen aus Hardware- und Softwarekomponenten realisiert sein. Die Sensorsignale können über sämtliche Kommunikationsmittel eingelesen werden, über die Datensignale von einer Messeinrichtung zu einer Datenverarbeitungseinrichtung übertragen werden können. Dabei kann es sich um drahtgebundene Kommunikationsmittel, drahtlose Kommunikationsmittel oder Kombinationen daraus handeln. Die Auswahl der jeweiligen Mittel richtet sich nach den Erfordernissen der Anwendung.

Die Vorgabe des Grenzwertes in der Vergleichseinheit kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. In einer Ausführungsform wird der Grenzwert manuell über eine Bedieneinheit eingegeben, beispielsweise eine Tastatur, ein Bedienpanel, ein beschreibbares Display oder ein Mikrofon zur Eingabe von Sprachbefehlen. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Rückströmsicherung als Stand-alone-Anwendung vorgesehen ist. In einer weiteren Ausführungsform wird der Grenzwert der Vergleichseinheit über eine Kommunikationsschnittstelle übermittelt. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Rückströmsicherung Teil eines umfassenderen Automatisierungssystems oder Überwachungssystems ist, beispielsweise wenn die Rückströmsicherung in ein Prozessleitsystem integriert ist.

Die Ausgabemittel der Sicherheitsschaltung sind dazu geeignet, das Schließen des Absperrorgans in der Eduktleitung und das Öffnen der Belüftungsöffnung zu veranlassen. In einer Ausführungsform handelt es sich bei den Ausgabemitteln um Signale, die über Kommunikationsschnittstellen an das Absperrorgan und die Belüftungsöffnung geschickt werden. In diesem Fall sind das Absperrorgan und die Belüftungsöffnung entsprechend zum Empfang der Signale konfiguriert. Die Signale können dabei über drahtgebundene Kommunikationsmittel, drahtlose Kommunikationsmittel oder Kombinationen daraus übermittelt werden. Die Auswahl der jeweiligen Mittel richtet sich nach den Erfordernissen der Anwendung.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Absicherung eines Reaktorsystems umfassend einen Reaktor, eine Eduktleitung zur Zuführung eines Einsatzstoffes in den Reaktor und eine Produktleitung zur Ausleitung eines zumindest teilweise flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor, wobei die Eduktleitung eine Umlenkung aufweist, die vom Eintritt des Einsatzstoffes in die Eduktleitung nach oben zu einem Scheitel der Umlenkung und vom Scheitel nach unten zur Austrittsöffnung der Eduktleitung in den Reaktor führt, die Eduktleitung eine verschließbare Belüftungsöffnung aufweist, die bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet ist als der Eintritt des Einsatzstoffes in die Eduktleitung und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem, in der Eduktleitung in Strömungsrichtung des Einsatzstoffes vor der Umlenkung ein Absperrorgan angeordnet ist, und das Reaktorsystem weiterhin ein Sensorsystem und eine Sicherheitsschaltung mit einer Vergleichseinheit und Ausgabemitteln umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Ermitteln eines für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung charakteristischen

Signals im Sensorsystem, b) Vergleichen des charakteristischen Signals mit einem vorgegebenen Grenzwert in der Vergleichseinheit, und c) bei Verletzung des Grenzwertes durch das charakteristische Signal Ausgeben von Ausgabesignalen durch die Ausgabemittel, die das Schließen des Absperrorgans in der Eduktleitung und das Öffnen der Belüftungsöffnung veranlassen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems in Verfahren, bei denen Einsatzstoffe in einer chemischen Reaktion zu Produkten umgesetzt werden, wobei mindestens ein Einsatzstoff ausgewählt ist aus der Gruppe der Aldehyde, Alkohole, Epoxide, Amine und organischen Säuren, und/oder wobei die chemische Reaktion ausgewählt ist aus der Gruppe der Enalisierungen, Ethoxylierungen, Amidierungen und Veresterungen. Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind als Prinzipdarstellungen zu verstehen. Sie stellen keine Beschränkung der Erfindung dar, beispielsweise im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Ausgestaltungsvarianten, sofern sich aus der Beschreibung der Zeichnungen nichts Gegenteiliges ergibt. Es zeigen:

Fig. 1: Fließbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems Fig. 2: Fließbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 ... Reaktor

2 ... Eduktleitung

3 ... Eintritt in die Eduktleitung

4 ... Austritt aus der Eduktleitung

5 ... Weitere Eduktleitung

6 ... Umlauf

7 ... Pumpe

8 ... Wärmetauscher

9 ... Produktleitung

10 ... Umlenkung

11 ... Scheitel der Umlenkung

12 ... Belüftungsöffnung

13 ... Belüftungsleitung

14 ... Absperrorgan

15 ... Absperrorgan

16 ... Messblende

17 ... Differenzdruckregler

18 ... Behälter

19 ... Flüssigvolumen

20 ... Gasvolumen

Fig. 1 zeigt schematisch ein Fließbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems. Das Reaktorsystem umfasst einen Reaktor 1 , in dem ein Einsatzstoff (Edukt) durch Inkontaktbringen mit einer weiteren Substanz in einer chemischen Reaktion zu einem Produkt umgesetzt wird. Die weitere Substanz kann beispielsweise ein weiterer Einsatzstoff (weiteres Edukt) oder ein Katalysator sein. Die chemische Reaktion findet zumindest teilweise in der Flüssigphase statt, und das Produkt der Reaktion ist zumindest teilweise flüssig. Der umzusetzende Einsatzstoff wird dem Reaktor 1 über eine Eduktleitung 2 zugeführt, beispielsweise aus einem nicht dargestellten Vorratstank. Der weitere Einsatzstoff oder Katalysator wird dem Reaktor 1 über eine weitere Eduktleitung 5 zugeführt, beispielsweise aus einem ebenfalls nicht dargestellten weiteren Vorratstank. Im dargestellten Beispiel weist der Reaktor 1 einen Umlauf 6 auf, bei dem ein Teil des flüssigen Reaktorinhalts am Boden des Reaktors abgezogen, über eine Pumpe 7 einem Wärmetauscher 8 zugeführt und nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher dem Reaktor 1 wieder zugeführt wird. Je nach Art der durchzuführenden Reaktion kann über den Umlauf 6 durch den Wärmetauscher 8 in geeigneter Weise dem Reaktionsgemisch Wärme zugeführt oder aus dem Reaktionsgemisch Wärme abgeführt werden. Im dargestellten Beispiel mündet die weitere Eduktleitung 5 in die Umlaufleitung zwischen Austritt aus dem Reaktor und Eintritt in die Pumpe 7. Der weitere Einsatzstoff oder Katalysator kann allerdings auch an anderer Stelle in den Umläuf e oder direkt in den Reaktor 1 eingespeist werden. Am Kopf des Reaktors 1 wird das zumindest teilweise flüssige Reaktionsprodukt durch eine Produktleitung 9 abgezogen.

Die Eduktleitung 2 weist eine Umlenkung 10 auf, die vom Eintritt 3 des Einsatzstoffes in die Eduktleitung nach oben zu einem Scheitel 11 der Umlenkung und vom Scheitel 11 nach unten zur Austrittsöffnung 4 der Eduktleitung in den Reaktor 1 führt. Im dargestellten Beispiel ist der Eintritt 3 der Eduktleitung bezüglich des Erdschwerefeldes tiefer angeordnet als der Austritt 4 der Eduktleitung. Eintritt 3 und Austritt können jedoch auch auf gleicher Höhe angeordnet sein, oder der Eintritt 3 kann höher angeordnet sein als der Austritt 4.

Die Eduktleitung 2 weist eine verschließbare Belüftungsöffnung 12 auf, die bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet ist als der Eintritt 3 des Einsatzstoffes in die Eduktleitung 2 und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem. Im dargestellten Beispiel bildet die aus dem Kopf des Reaktors 1 abführende Produktleitung 9 den höchstmöglichen Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes in diesem Reaktorsystem. Die Belüftungsöffnung 12 ist in diesem Beispiel als Absperrorgan 14 in Form eines Drei-Wege-Ventils ausgestaltet, in das eine Belüftungsleitung 13 mündet. Das Absperrorgan 14 ist am Scheitel 11 der Umlenkung 10 angeordnet und befindet sich oberhalb des Produktabzugs 9. In Strömungsrichtung des Einsatzstoffes ist in der Eduktleitung 2 vor der Umlenkung 10 ein weiteres Absperrorgan 15 angeordnet.

Das Reaktorsystem gemäß Fig. 1 ist sicher gegen eine mögliche Rückströmung des flüssigen Reaktorinhalts in Richtung der Eduktleitung 2 geschützt. Sollte eine Rückströmung auftreten, beispielsweise verursacht durch einen Druckanstieg im Reaktor 1 , wird zum einen das Absperr- organ 15 in der Eduktleitung 2 geschlossen. Weiterhin wird das Absperrorgan 14 in der Umlenkung 10 derart geschaltet, dass durch die Belüftungsleitung 13 ein Gas, beispielsweise ein Inertgas wie Stickstoff, in die Belüftungsöffnung 12 der Umlenkung 10 eingeleitet wird. Da sich die Belüftungsöffnung 12 oberhalb sämtlicher möglicherweise Flüssigkeit führenden Bestandteile des Reaktorsystems befindet, stellt das in der Belüftungsöffnung 12 der Eduktleitung 2 vorhandene Gasvolumen ein für einen möglichen flüssigen Rückstrom unüberwindliches Hindernis dar, sodass selbst bei einer Leckage des Absperrorgans 15 in der Eduktleitung 2 keine Flüssigkeit aus dem Reaktor 1 zu dem Absperrorgan 15 gelangen kann.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Fließbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems. Die grundlegende Konfiguration des Reaktors inklusive der Eduktzuführungen und des Umlaufs 6 durch einen Wärmetauscher 8 entspricht im Wesentlichen dem oben in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Reaktorsystem. Der Reaktor 1 weist eine Düse auf, in die der Austritt 4 aus der Eduktleitung 2 mündet. Ebenso mündet der in den Reaktor 1 zurückgeführte Umläuf e in die Düse und sorgt im Betrieb für eine intensive Durchmischung des Reaktorinhaltes mit dem zugeführten Einsatzstoff. Das im Reaktor 1 entstehende Produkt wird über eine Produktleitung 9 am Kopf des Reaktors 1 abgezogen und einem Behälter 18 zugeführt, in dem sich das Reaktionsprodukt physikalisch trennen kann. In dem in diesem Beispiel dargestellten Behälter 18, der auch als „Phasenscheider“ bezeichnet wird, trennt sich das Reaktionsprodukt in eine Gasphase sowie zwei unterschiedliche Flüssigphasen auf. Je nach Zusammensetzung des Reaktionsprodukt kann dies beispielsweise eine organische Phase und eine wässrige Phase sein. In dem Behälter 18 ist somit ein Gasvolumen 20 und ein Flüssigvolumen 19 vorhanden. Die Phasen bzw. Volumina können unabhängig voneinander aus dem Behälter 18 durch Leitungen abgezogen werden. Das Gasvolumen 20 des Behälters 18 ist in diesem Beispiel über eine Leitung und zwei strömungstechnisch parallel angeordnete Absperrorgane 14 mit der Belüftungsleitung 13 verbunden. In die Gasphase des Behälters 18 mündet eine weitere Leitung, über die beispielsweise ein Inertgas dem Gasvolumen 20 im Behälter 18 zugeführt werden kann.

In der Eduktleitung 2 sind in dem dargestellten Beispiel in Strömungsrichtung des Einsatzstoffes vor der Umlenkung 10 zwei Absperrorgane 15 hintereinander angeordnet. Zwischen dem Eintritt 3 in die Eduktleitung und dem ersten Absperrorgan 15 ist eine Messblende 16 angebracht. Über nicht dargestellte Drucksensoren werden Signale für den Druck in Strömungsrichtung betrachtet vor und hinter der Messblende 16 ermittelt. Aus den beiden Sensorsignalen wird in einem Differenzdruckregler 17 ein Wert für den ermittelten Differenzdruck berechnet. Dem Differenzdruckregler 17 ist ein Grenzwert für den zulässigen maximalen Differenzdruck vorgegeben. Sobald der auf Basis der gemessenen Drucksignale berechnete Differenzdruck den vorgegebe- nen Grenzwert übersteigt, übermittelt der Differenzdruckregler 17 Ausgangssignale an die beiden Absperrorgane 15 in der Eduktleitung 2 sowie an die beiden Absperrorgane 14 in der Belüftungsleitung 13. Die Ausgangssignale veranlassen das Schließen der beiden Absperrorgane 15 in der Eduktleitung 2 und das Öffnen der beiden Absperrorgane 14 in der Belüftungsleitung. Dies hat zur Folge, dass ein Teil des Gasvolumens 20 im Behälter 18 durch die Belüftungsleitung 13 über die Belüftungsöffnung 12 am Scheitel 11 der Umlenkung 10 in die Eduktleitung 2 strömt. Da sich die Belüftungsöffnung 12 oberhalb sämtlicher möglicherweise Flüssigkeit führenden Bestandteile des Reaktorsystems befindet, stellt das in der Belüftungsöffnung 12 der Eduktleitung 2 vorhandene Gasvolumen ein für einen möglichen flüssigen Rückstrom unüberwindliches Hindernis dar, sodass selbst bei einer Leckage des Absperrorgans 15 in der Eduktleitung 2 keine Flüssigkeit aus dem Reaktor 1 zu dem Absperrorgan 15 gelangen kann.

In dem dargestellten Beispiel liefert ein Signal für einen Differenzdruck vor und hinter der Messblende 16 einen zuverlässigen Wert als Indikator für eine mögliche Rückströmung eines Teils des Reaktorinhalts in die Eduktleitung. Der Differenzdruck ist ein charakteristisches Signal für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung 2. Es können jedoch auch andere charakteristische Signale zur Erkennung einer möglichen Rückströmung verwendet werden, beispielsweise eine Messung der durch die Eduktleitung 2 strömenden Menge an Einsatzstoffe. Entsprechende technische Messgeräte zur Ermittlung des Massendurchflusses oder Volumendurchflusses sind im Stand der Technik bekannt und verfügbar.

Claims

Patentansprüche

1. Reaktorsystem umfassend einen Reaktor (1), eine Eduktleitung (2) zur Zuführung eines Einsatzstoffes in den Reaktor (1) und eine Produktleitung (9) zur Ausleitung eines zumindest teilweise flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Eduktleitung (2) eine Umlenkung (10) aufweist, die vom Eintritt (3) des Einsatzstoffes in die Eduktleitung nach oben zu einem Scheitel (11) der Umlenkung (10) und vom Scheitel (11) nach unten zur Austrittsöffnung (4) der Eduktleitung in den Reaktor (1) führt, und die Eduktleitung (2) eine verschließbare Belüftungsöffnung (12) aufweist, die bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet ist als der Eintritt (3) des Einsatzstoffes in die Eduktleitung und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem.

2. Reaktorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Eduktleitung (2) in Strömungsrichtung des Einsatzstoffes vor der Umlenkung (10) ein Absperrorgan (15) angeordnet ist.

3. Reaktorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftungsöffnung (12) am Scheitel (11) der Umlenkung (10) angeordnet ist.

4. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an die Belüftungsöffnung (12) eine Belüftungsleitung (13) zur Zuführung eines Gases in die Eduktleitung (2) angeschlossen ist, wobei die Belüftungsleitung (13) ein Absperrorgan (14) aufweist.

5. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorsystem weiterhin einen Behälter (18) umfasst, in den die Produktleitung (9) zur Ausleitung des flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor (1) mündet, der Behälter (18) eingerichtet ist, ein Gasvolumen (20) und ein Flüssigvolumen (19) aufzunehmen, das Flüssigvolumen (19) mit mindestens einem Auslass für flüssiges Reaktionsprodukt versehen ist, und das Gasvolumen (20) mindestens einen Auslass in eine Leitung aufweist, die absperrbar mit der Belüftungsöffnung (12) verbunden ist.

6. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorsystem weiterhin ein Sensorsystem und eine Sicherheitsschaltung mit einer Vergleichseinheit und Ausgabemitteln umfasst, wobei das Sensorsystem eingerichtet ist, ein für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung (2) charakteristisches Signal zu ermitteln, die Vergleichseinheit eingerichtet ist, das Signal mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen, und bei Verletzung des Grenzwertes durch das Signal die Ausgabemittel das Schließen des Absperrorgans (15) in der Eduktleitung (2) und das Öffnen der Belüftungsöffnung (12) veranlassen.

7. Reaktorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung (2) charakteristischen Signal um eine Mengenmessung des strömenden Einsatzstoffes und/oder um eine Differenzdruckmessung handelt.

8. Verfahren zur Absicherung eines Reaktorsystems umfassend einen Reaktor (1), eine Eduktleitung (2) zur Zuführung eines Einsatzstoffes in den Reaktor (1) und eine Produktleitung (9) zur Ausleitung eines zumindest teilweise flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor (1), wobei die Eduktleitung (2) eine Umlenkung (10) aufweist, die vom Eintritt (3) des Einsatzstoffes in die Eduktleitung nach oben zu einem Scheitel (11) der Umlenkung (10) und vom Scheitel (11) nach unten zur Austrittsöffnung (4) der Eduktleitung in den Reaktor (1) führt, und die Eduktleitung (2) eine verschließbare Belüftungsöffnung (12) aufweist, die bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet ist als der Eintritt (3) des Einsatzstoffes in die Eduktleitung und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem, das Verfahren umfassend die Schritte der messtechnischen Ermittlung eines für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung (2) charakteristischen Signals, und des Öffnens der Belüftungsöffnung (12), wenn das charakteristische Signal einen vorgegebenen Grenzwert verletzt.

9. Verfahren zur Absicherung eines Reaktorsystems umfassend einen Reaktor (1), eine Eduktleitung (2) zur Zuführung eines Einsatzstoffes in den Reaktor (1) und eine Produktleitung (9) zur Ausleitung eines zumindest teilweise flüssigen Reaktionsproduktes aus dem Reaktor (1), wobei die Eduktleitung (2) eine Umlenkung (10) aufweist, die vom Eintritt (3) des Einsatzstoffes in die Eduktleitung nach oben zu einem Scheitel (11) der Umlenkung (10) und vom Scheitel (11) nach unten zur Austrittsöffnung (4) der Eduktleitung in den Reaktor (1) führt, die Eduktleitung (2) eine verschließbare Belüftungsöffnung (12) aufweist, die bezüglich des Erdschwerefeldes höher angeordnet ist als der Eintritt (3) des Einsatzstoffes in die Eduktleitung und höher als der höchstmögliche Flüssigkeitspegel des flüssigen Reaktionsproduktes im Reaktorsystem, in der Eduktleitung (2) in Strömungsrichtung des Einsatzstoffes vor der Umlenkung (10) ein Absperrorgan (15) angeordnet ist, und das Reaktorsystem weiterhin ein Sensorsystem und eine Sicherheitsschaltung mit einer Vergleichseinheit und Ausgabemitteln umfasst, das Verfahren umfassend die Schritte: a) Ermitteln eines für die Strömung des Einsatzstoffes in der Eduktleitung (2) charakteristischen Signals im Sensorsystem, b) Vergleichen des charakteristischen Signals mit einem vorgegebenen Grenzwert in der Vergleichseinheit, und c) bei Verletzung des Grenzwertes durch das charakteristische Signal Ausgeben von Ausgabesignalen durch die Ausgabemittel, die das Schließen des Absperrorgans (15) in der Eduktleitung (2) und das Öffnen der Belüftungsöffnung (12) veranlassen. Verwendung eines Reaktorsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in Verfahren, bei denen Einsatzstoffe in einer chemischen Reaktion zu Produkten umgesetzt werden, wobei mindestens ein Einsatzstoff ausgewählt ist aus der Gruppe der Aldehyde, Alkohole, Epoxide, Amine und organischen Säuren, und/oder wobei die chemische Reaktion ausgewählt ist aus der Gruppe der Enalisierungen, Ethoxylierungen, Amidierungen und Veresterungen.