(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器及びそのジャケットにおいて異なる領域及び異なる時点で温度を測定するための手段（１２）、及びここから危険な暴走条件についての基準を推論するための手段（３〜５）を包含してなるバッチ式化学反応器における暴走の開始を、この反応器で行われるプロセスのモデルを使用することなく、オン−ラインで早期に検出するシステムにおいて、前記推論手段（３〜５）が、温度及び時間-遅延された温度の値の再構成された相空間におけるシステムの面積発展を、式
0003809543.tif 000007
ここで、area（Ｐ１t+Δt，Ｐ２t+Δt，Ｐ３t+Δt）は、時点ｔ＋Δｔにおける前記相空間のポイントＰ１t+Δt、Ｐ２t+Δt、Ｐ３t+Δtによって与えられる平行四辺形の面積であり、及びarea（Ｐ１t，Ｐ２tＰ３t）は、時点ｔにおける前記相空間のポイントＰ１t、Ｐ２t、Ｐ３tによって与えられる平行四辺形の面積である）に従って限定する手段（５）、及びdiv［Ｆ（ｔ）］＞０であればアラームを発報する手段（８，９）を包含するものであることを特徴とする、暴走開始のオン−ライン早期危険検出システム。
【請求項２】
温度測定手段（１，２）が有限インパルス応答フィルターを包含するものであることを特徴とする、請求項１記載の暴走開始のオン−ライン早期危険検出システム。
【請求項３】
時間遅延△tを、温度測定定値を受け取ったところで、反復自己相関関数を使用して計算することを特徴とする、請求項１又は２記載の暴走開始のオン−ライン早期危険検出システム。
【発明の詳細な説明】
化学反応器において安全な操作条件を持続することは、人及び設備の損害及び環境汚染を防止する上で最も重要である。一般に、反応の暴走による重大な事故はただ１つのシナリオに集約される。何らかの理由で、化学反応による熱の発生速度が冷却システムの熱の除去速度を越えると、反応系の温度は上昇し始める。これは、次には熱の発生速度の増大の原因となる。このプラスのフィードバックメカニズムの結果、熱発生速度が自己加速する事態になり、短時間で多量の熱を生成し、爆発及びプラントの破壊又は操作不能につながるオフサイド反応及び連鎖反応を引起す可能性がある。
特殊な化学プロセスの多くの安全性に関するアドバンテージは、研究及び技術経験の長い過程を経て達成される。しかしながら、今日利用できる一般的なフォール−バックメカニズム、スイッチ及び多層制御回路にもかかわらず、常に検出不能な暴走発生の可能性がある。従って、安全な反応器は、安全対策の複雑性の度合だけでなく、予測できない及び避けられない潜在的な危険な状況を処理する速度によっても特徴づけられる。
このため、早期警報装置は、反応の詳細なメカニズム及び他の安全対策に関係なく、欠くことができないものである。
強力な発熱反応が行われる化学反応器の安全な操作には、初期段階で危険な状態を検出して、プラントを操作する者が必要な対抗措置をとって、安全な状態に戻すことができるような測定装置を利用できることが要求される。オン−ライン検出システムに関する根本的なボトルネックは、危険な状況と危険でない状況とを区別する基準である。特に、バッチ式反応器については、プロセスの多様性のため、オン−ライン安全基準は、プラント内で行われる実際のプロセスにできるだけ左右されてはならない。
早期オン−ライン検出法は、使用される量；
−  測定可能なシグナル、
−  測定不能な状態変数、プロセスパラメーター又は特性量
に応じて２つのカテゴリーに分けられる。
第１のケースでは、プロセスの状態に関する測定可能な情報が機能不良を検出するために使用される。第２のケースでは、後に検出システム用の基準で使用される測定不能な量を計算するために、測定方法及びプロセスモデルを開発することが必要である。
測定可能なインプット及びアウトプット変数は、プロセスにおける変化を監視するために直接的に使用される。最も一般的な方法は温度監視によるものであるが、望ましくない分解反応が非凝縮性ガスを生成するような特殊な種類の反応には、圧力に基づく検出法が適している。他の多くの変数、すなわちｐＨ、粘度、熱伝導率なども容易に測定されるものであり、いくつかのプロセスについて使用される。たとえば、酸化反応は危険な二次反応である。それ故、反応媒体の酸化−還元電位（Redox）は、その最も早い段階でこれら反応の開始を検出するための良好な測度である。しかしながら、実際の場面では、センサーの感度及び信頼性が、検出システムのために選ばれる測定法の選択（しばしば温度測定が好ましい）を決定するための重要な役割を果たす。
最も一般的な方法は、選択した変数をオン−ライン測定し、これを予め選定した限界値、すなわち最大値及び最小値に対してチェックすることからなる。これは絶対値チェックと称される。測定された変数が定められた限度を越えると、警報シグナルが発報される。絶対値チェックに基づく基準による早期危険検出システムは、設置するには容易かつ安価であり、良好な予報能力を有するが、プロセスの知識に完全に左右され（すなわち、限界値が事前に確立されなけらばならない）、予測されない危険の検出には不向きである。
発熱形のバッチ式又はセミバッチ式プロセスにおける制御のロスは、非常に短い時間において放出される多量の熱による反応系の熱及び圧力のエクスカーションによって特徴づけられる。これは、温度及び圧力の導関数又は速度上昇の導関数が暴走エクスカーションを予報するために使用されることを意味する。温度又は圧力の上昇の速度を監視する方法は、確かな導関数が計算される前に、増幅及びフィルターリングが必要であるため、温度及び圧力の測定ほど安価又は簡単ではない。「安全な」温度及び圧力は特定される必要がないため、この方法の独自性及び選択性はより高いが、限界値を限定するためにシステムの特殊な知識（この場合、測定される変数の最大及び／又は最小の変化率上昇である）に左右される。加速度の監視方法は、上述の方法と同じ欠点を示す。
この方向の第１の改良は、L. Hubによって開発された安全基準である（Proc. Loss Prevention and Safety Promotion Proc. Ind. DECHEMA (1978). Frankfurt, p265-272に記載された「化学プロセスの間における危険のオン−ライン同定」参照）。工業的に使用されているこの基準は、反応器とジャケットとの間の温度差の第１の導関数及び時間に対する反応器温度の第２の導関数の両方が次のようにプラスである場合に、反応器の状態を危険なものとみなす。
ｄ2Ｔ／ｄｔ2＞０  及び  ｄ（Ｔ−Ｔe）／ｄｔ＞０      （１）
時間に関して測定された温度の二重微分を使用することに伴う困難性は、シグナルにおけるノイズ部分が大いに増幅され、評価の結果にかなりの影響を及ぼすことであり、誤った警報が主な問題点である。さらに、反応器において自触媒反応がおこなわれる場合、反応速度、及び従って熱発生速度の自己加速のため、第１及び第２の導関数の値について十分なプラスの限度が限定されない場合には、この基準は、プロセスの危険性に関係なく、常に警報を与えるであろう。
一方、化学反応器のパラメーター感度について多大の研究がなされている。このような研究は、パラメーター（これら反応器の物質収支及びエネルギー収支を表す代数−微分等式を）特徴づける）のどの領域において操作が安全であるかを確立することを可能にする簡単な基準の限定を目的とするものであった。この点で生じた疑問点は、これらの研究から早期危険検出基準としてオン−ラインで使用される安全性基準を引出すことができるかどうかである。
プロセスの数学的モデルが存在すれば、反応器の状態は測定可能な変数から再構成され、これにより、今後の状態の予測的な計算が可能であるか、又は、少なくとも、これらの測定不能な量に基づく新たな基準の評価が可能であろう。これは、最も高い予測能力及び選択性が達成され、従って、危険な状態の良好な早期検出が達成されることを意味する。
第１に、プロセスに関するすべての既知情報が、通常、１セットの代数及び微分等式でなる数学的モデルに挿入される。このモデルは、バッチ式反応器の全体状態を得るために、数的処理によってオン−ライン解答される。
利用できる測定された変数に加えて、モデルに基づく検出システムには、すべての制御変数、及び初期及び操作時条件が与えられなければならない。仮装の変数が測定された変数と比較されなければならない。非ゼロの差は、モデルにおける不正な計算（未知の妨害、未知の初期条件、誤ったパラメーター、等によるものと考えられる）を表す。その結果、モデルはプロセスの測定から訂正されなければならない。これらの偏差を訂正するための方法は、測定技術（たとえば、状態変数オブザーバー（決定論的な場合）又は状態変数フィルター（推計学的な場合）が使用される）を使用して誤差を最少にすることによる。
いったんシステムの全体状態が推定され、予測された応答と観察された応答との間の誤差がモデルにおけるパラメーターを変更させることによって最少にされると、推定されたデータを使用して異なった基準が適用される。
残念なことは、バッチ式及びセミバッチ式プロセスの小さい生産レベル、時間拘束及び法外な多様性のため、これらの種類のプロセスに関する反応速度モデルの開発は経済的に正当化されず、それ故、モデルに基づく技術の適用は常に可能であるというわけではなく、特別なケースのみ適用される。
請求項１に記載する新たな方法は、測定された変数の簡単な使用と、複雑なモデルに基づく状態再構成技術との間において、化学反応器における危険な状況を事前に評価するための新たなルートを開くものである。この方法は温度測定に基づくものであり、それ故、モデル及び複雑な測定処理が必要でない。他方、このような温度測定に関する特別な数学的処理は、流れの発散が維持される相空間を再構成することを可能にするものであり、従って、暴走開始の早期危険検出に使用される。
次に、好適な具体例及び添付図面によって本発明をより詳細に記述する。
図１は、本発明によるシステムを概略的に示す。
図２は、現実の状態空間における３点の発展を示す。
図３及び４は、本発明によって使用される基準及び人工の状態の相対的なダイアグラムを示す。
ここで提案する早期危険検出システムは、遅延座標埋込みを使用する非線形時系列分析に基づくものである。時間遅延埋込みによる相空間再構成（これは、Packardらによって、「時系列からの幾何学」，Phys. Rev. Lett 45, p712-715で1980年に紹介された）は、暴走発生の早期危険検出に関する別の技術を提供するために、動的システムの幾何学からのアイデアを採用している。時間遅延埋込みによる相空間再構成の基本的アイデアは、単軸上に投影された１つの軌道、Ｔ（ｔ）、（すなわち、異なるサンプリン時間で観察されたいくつかの多変数空間における一続きの点）（本発明の場合、温度測度）があるとすると、自律セットの等式から得られる仮定の軌道は投影により、変数Ｔ（ｔ）における自身とオーバーラップすることである。自律等式の解答についての一意性の定理による状態変数の真のセットでは、軌道の自身とのオーバーラップはないが、これらの真の状態変数がＴ（ｔ）でのみ観察されることは知られていない。観察によって作られた多次元空間について独立の座標を規定することによって軌道が開かれる場合には、投影からのオーバーラップは取消され、あいまいでない軌道が回復される。埋込み定理は、動的システムの運動が次元ｄAのユークリッド空間にある場合、その像は次元ｄ（ｄ≧２ｄA＋１である）の他のユークリッド空間におけるディフェオモルフィズム（diffeomorphism）を介して存在し、オーバーラップしないことを述べる。このように、相空間はその元の形では再構成されない。しかしながら、いくつかの意味において、元のものと等しい相空間、すなわち、動力学の不変特性（たとえば、リヤプノフ指数及び微分特性）が保存される相空間を再構成できる。
バッチ式又はセミバッチ式で行われる散逸化学反応を研究することにより、状態空間におけるトラジェクトリー（温度及び濃度）は、すべての試薬が消費され、反応系の最終温度がジャケット温度と等しくなる際、ｔ→∞で１つの固定点に収束するであろう。換言すれば、次元ｎのシステム（異なる種類の反応器温度及び濃度）は１つの点、次元ゼロに崩壊する。それにもかかわらず、固定点に達する以前では、軌道は発散し、従って、このような軌道の発散の動力学を研究することは興味深い。この理由のため、カオス理論からの技術は、過渡的な部分（アトラクターではない）を研究するために変更されている。
この基本的な考察から、相空間再構成のもとで保存された量に基づくシステム（すなわち、システムの発散）が早期危険検出基準として使用されている。このような量をオン−ライン計算するため、反応器及びジャケットの異なる部位での温度測定のみ必要であり、このような温度測定のデータ処理が、この新しい早期危険検出基準を誘導することを可能にする。
以下では、次元２（１つは温度であり、１つは濃度である）の状態空間を考察するが、より高級な次元、すなわち、より複雑な速度論的スキームのシステムについても同じ考察が適用される。
本発明による早期危険検出装置は異なるモジュームに分割される（図１参照）。
ａ／温度測定センサー１：反応器ｂ及びジャケット７において、異なる３つの温度（等温反応の場合について）が、異なる空間位置で測定される。これらの温度センサーは管の内部に配置され、できるだけ相互に離して配置される。このようなセンサーのデザインについては、温度が測定されている媒体に対して熱的に適切に結合されていること、その結果、急激な温度の変化に応じて、流体温度における変動に追随するため、センサーとプロセス流体との間の熱伝達速度が、センサーの熱容量を克服するに充分である旨の配慮のみが要求される。
ついで、反応器について及び同等にジャケットについて、異なる温度時系列：
Ｔ1＝（Ｔ11，Ｔ12，・・・）；Ｔ2＝（Ｔ21，Ｔ22，・・・）；Ｔ3＝（Ｔ31，Ｔ32，・・・）；
が得られる。
ｂ／シグナル調節モジュール２：ついで、相空間再構成技術を適用する際に、シグナルの動力学的特性を変化させないFIR（有限インパルス応答）フィルターを使用して、温度測定シグナルを濾波する。これは標準的な技術であり、本発明の一部を構成するものではない。
ｃ／反復時間遅延計算アルゴリズム３：反復自己相関関数を使用して、温度速度を受け取ったところで、時間遅延τを計算する。自己相関関数は次のように定義される。
0003809543.tif 000002
ここで、
0003809543.tif 000003
は、Ｔ1(i)、Ｔ2(i)又はＴ3(i)のいずれかを表し、Ｔは
0003809543.tif 000004
を表し、Ｎは受け取った直後の温度測度の数を表す。この関数のゼロ又は第１の最小値を通っての第１のクロッシングから、相空間の再構成の時間遅延が得られる。両基準間の選択は、いずれが最小時間を与えるかに左右される。
ｄ／相空間再構成４：この時間遅延τ及び埋込み次元を値２に設定することにより、相空間は、３つのシグナル（アイソペリボリック（isoperibolic）反応器の場合、反応器温度、すなわち、一定のジャケット温度、又は等温操作の場合の反応器及びジャケット間の温度差）を使用して再構成される。
これは、時系列が次のように非常に簡単に再構成されることを意味する：
Ｔ1＝（Ｔ11，Ｔ12，・・・Ｔ1N-τ+1）；Ｔ2＝（Ｔ21，Ｔ22，・・・，Ｔ2N-τ+1）；
Ｔ3＝（Ｔ31，Ｔ32，・・・Ｔ3N-τ+1）；
Ｚ1＝（Ｔ1τ，Ｔ1τ+1，・・・Ｔ1N）；Ｚ2＝（Ｔ2τ，Ｔ2τ+1，・・・Ｔ2N）；
Ｚ3＝（Ｔ3τ，Ｔ3τ+1，・・・Ｔ3N）；
ここで、Ｔ及びＺは、τによって遅延された同じ温度時系列を表す。これにより、再構成された相空間では、温度及び濃度を有する代わりに、温度及びこれらの時間−遅延された値が得られる。従って、この空間では、ポイントは次の座標を有するであろう。
Ｐ1t＝（Ｔ1t，Ｚ1t）；Ｐ2t＝（Ｔ2t，Ｚ2t）；Ｐ3t＝（Ｔ3t，Ｚ3t）      （４）
この再構成された相空間（現実の相空間ではない）では、不変特性が保存される。特に早期危険検出基準のために発散が使用される。
ｅ／発散再構成５：次に、手続きがさらに良好に理解されるように、
ｄｘ／ｄｔ＝Ｆ（ｘ）          （５）
（ここで、Ｆ＝（ｆ1，ｆ2）及びｘ＝（Ｔ，Ｚ）である）によって与えられたシステムに関する発散の数値計算を記述する。式５によって与えられるシステムの発散は、そのヤコビアン、すなわち、下記行列の
0003809543.tif 000005
対角要素の総和のトレースである。
ヤコビアンは、フィデューシアルポイントｘ0に近い１セットの摂動の発展則、すなわち
δｘ0（ｔ）＝Ｊ（ｔ）δｘ0（ｔ）            （７）
を与える。
式５によって与えられたシステムの解は、各種の価の体積に、exp（ｔ．tr（Ｊ（ｔ）））に等しい要素をかける。Ｊ（ｔ）が一定である状態空間内に領域があるとみなすと、時間ｔにおける発散は次のように計算される（図２参照）：
0003809543.tif 000006
ここで、Area（Ｐ1t，Ｐ2t，Ｐ3t）はポイントＰ1t，Ｐ2t，Ｐ3tによって与えられた平行四辺形の面積である。適切な時間遅延△τが計算された及び埋込み次元が値２を有すると仮定すると、再構成された空間における発散を計算するために、
Ｐ1t＝（Ｔ1t，Ｚ1t）；Ｐ2t＝（Ｔ2t，Ｚ2t）；Ｐ3t＝（Ｔ3t，Ｚ3t）、
すなわち、温度及び転化によって与えられる座標のポイントとみなす代わりに、ポイントは、これらが温度遅延座標のみを使用して限定される新たな空間にあるとみなされる。この場合、転化ポイントは、次のように与えられる。
Ｚ1＝（Ｔ1τ，Ｔ1τ+1，・・・Ｔ1N）；Ｚ2＝（Ｔ2τ，Ｔ2τ+1，・・・Ｔ2N）；
Ｚ3＝（Ｔ3τ，Ｔ3τ+1，・・・Ｔ3N）；
ｆ／発散がプラスである際の警報（図１における決定モジュール８）：反応経路の一部分において発散がプラスになる、すなわち、
ｔｒ［Ｊ（ｘ（ｔ））］＝div［Ｆ（ｘ（ｔ））］＞０            （９）
であると、警報が発報され、さもなければ何ら措置がとられない（アラームモジュール９）。
次に、この基準を、以前に使用されていた基準（式１）と比較する。図３は、異なるオン−ライン基準を使用して得られる安全操作と暴走との間の境界領域のシミュレートした結果を示す。低いＢ値（Ｂは無次元の断熱温度上昇であり、αは無次元の熱伝達係数である）について見られるように、式９は式１と同様の結果を与え、Ｂのより大きな値（これは警報又はアラームが母数空間においてより早期に生ずることを意味する）についてわずかに保守的である。図４は、図３と同様の比較を表すものであるが、ただし自触媒反応に関するものである。この場合、アイソペリボリックバッチ操作のため、式１によって与えられる基準は、自触媒反応の間における温度挙動（いくつかのケースにおいて、この効果は無視されるとしても、転化の増大につれて自己加速される）のため、常にアラームが発生されるであろう（第１及び第２導関数に限度が課されなければ）。
【図１】
0003809543.tif 000008
【図２】
0003809543.tif 000009
【図３】
0003809543.tif 000010
【図４】
0003809543.tif 000011