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Bei Destillationskolonnen, besonders solchen mit hohen Bodenzahlen, treten bei der Regelung sehr grosse
Zeitkonstanten in Erscheinung. Diese grossen Zeitkonstanten bedingen für ein stabiles Regelverhalten auch hohe
Werte für die Zeitparameter eines Reglers, der die Zusammensetzung eines der Destillationskolonne entnommenen Produktes auf einem vorgegebenen Wert halten soll. (Vgl. z. B. die österr. Patentschrift Nr. 280212.)
Damit ist aber verbunden, dass auftretende Störungen zu relativ grossen und lang andauernden Abweichungen der
Ist- von der Sollzusammensetzung eines Produktes führen.
Ein an sich bereits bekanntes Verfahren bei Regelstrecken mit grossen Zeitkonstanten ist es, zur
Verbesserung des Regelverhaltens eine sogenannte "Hilfsregelgrösse" einzuführen. (VgL z. B. die beiden letzten
Absätze der Seite 1359 des Buches "Messen und Regeln in der Chemischen Technik", 2. Auflage,
Dr. Hengstenberg, Dr. Sturm, Dr. Winkler, Springer Verlag, 1964). Diese Hilfsregelgrösse muss ein solches zeitliches Verhalten zeigen, dass durch sie eine Antwort auf Stoor- odeur Stellgrösseneinflüsse wesentlich früher erfolgt, als die zu regelnde Grösse sie geben kann. Die Erfindung benutzt diesen Gedanken bei einem Verfahren zur Regelung der Zusammensetzung bzw.
Qualität eines oder mehrerer dem Kopf, dem Sumpf oder andern
Stellen einer Destillationskolonne entnommenen Produkte (s) durch Beeinflussung des Verhältnisses von abgegebener zu rückfliessende bzw. rückverdampfter Produktmenge, und besteht darin, dass die selbsttätige Veränderung dieses die Zusammensetzung des Produktes beeinflussenden Rücklaufverhältnisses (Rückverdampfungsverhältnisses) im geschlossenen Regelkreis sowohl durch eine in eindeutigem Zusammenhang mit der Produktzusammensetzung stehende"Hauptregelgrösse", z.
B. durch das Resultat einer Produktanalyse, als auch durch eine"Hilfsregelgrösse"erfolgt, die zwar in keinem eindeutigen Zusammenhang mit der Produktzusammensetzung steht, aus deren zeitlichem Verhalten aber auf den Einfluss von Stoor- soie Stellgrössenänderungen auf die Produktzusammensetzung rascher als aus dem zeitlichen Verhalten der letzteren selbst geschlossen werden kann.
Die Erfindung verbessert nicht nur die Regelung der Kolonne, sondern macht diese Regelung in manchen Fällen überhaupt erst möglich. Als Hilfsregelgrösse kann grundsätzlich eine Temperatur, ein Druck, eine Konzentration oder eine Kombination aus diesen Grössen herangezogen werden oder, allgemeiner, irgendeine Grösse, die in einem physikalischen bzw. chemischen Zusammenhang mit der Konzentration des Gemisches bzw. der Zusammensetzung des Produktes steht, wobei diese Grösse (n) an anderer Stelle in der Kolonne abgegriffen wird (werden), als die Regelgrösse selbst.
Von den im obigen angeführten Hilfsregelgrössen seien zunächst die Temperatur und die Gemischkonzentration herausgegriffen. Betrachtet sei beispielsweise eine Zweistoff-Bodendestillationskolonne, bei der die Kopfproduktzusammensetzung (Destillat) auf einem bestimmten Wert gehalten werden soll. Ist die Destillationskolonne im stationären Gleichgewicht, so kann auf jedem Boden der Kolonne-sofern die entsprechenden Messgeber eingebaut sind-eine ganz bestimmte stationäre Temperatur und auch eine ganz bestimmte stationäre Gemischzusammensetzung festgestellt werden. Sowohl das Temperatur- als auch das Gemischzusammensetzungsprofil, aufgetragen über der Bodenzahl, werden einen ganz bestimmten Verlauf aufweisen. Tritt un, von der Umwelt bedingt, z.
B. eine Änderung, etwa Erhöhung der dem Sumpf zugeführten Dampfmenge ein, so wird mehr als schwerer flüchtigen Sumpfproduktes aufgekocht werden. Die Temperatur wird auf allen Böden ansteigen und die Gemischzusammensetzung, gemessen in Anteilen der leichter flüchtigen Komponente, wird sich auf allen Böden verschlechtern. Damit wird sich aber auch die Zusammensetzung des Kopfproduktes ändern, d. h. das Kopfprodukt wird-wohl immer noch relativ-aber doch mehr des schwerer flüchtigen Sumpfproduktes enthalten als vor der Änderung der zugeführten Dampfmenge.
Da sich die Störung des Temperatur- und auch des Gemischzusammensetzungsprofils durch die Änderung der Dampfmenge vom Sumpf zum Kopf der Kolonne fortpflanzt, wird ein Messgerät zur Bestimmung der Gemischzusammensetzung bzw. ein Temperaturfühler auf einem Boden, der dem Sumpf näher ist, als der Kopf der Kolonne, schon früher von der eingetretenen Störung des Temperatur- bzw. Gemischzusammensetzungsgleichgewichtes Kenntnis erlangen als ein Messfühler am Kopf der Kolonne. Dieses frühzeitige Erkennen einer sich anbahnenden Verschlechterung der Kopfproduktszusammensetzung kann somit regelungstechnisch in Form einer Hilfsgrössenregelung ausgenutzt werden.
Obwohl nun der Zusammenhang zwischen erhöhter Temperatur auf einem Boden der Kolonne und Verschlechterung der Zusammensetzung des Kopfproduktes zu Tage tritt, kann dennoch nicht behauptet werden, dass dieser Zusammenhang eindeutig ist. Es hätte eine Temperaturerhöhung ja auch in Folge einer Druckerhöhung in der Kolonne eintreten können, ohne dass sich das Gemischzusammensetzungsprofil der Kolonne hätte ändern müssen. Wünscht man eine Grösse, die der Gemischzusammensetzung gleichgesetzt werden kann, so wird man also zweckmässig eine kombinierte Grösse aus Temperatur und Druck auf einem bestimmten Boden der Destillationskolonne bilden, z. B. durch Einsatz analogrechnerähnlicher elektronischer Schaltkreise.
In bestimmten Fällen ist es aber auch denkbar, den Druck allein als Hilfsregelgrösse einzuführen. Bei jeder Destillationskolonne besteht ein Druckunterschied zwischen Kopf und Sumpf der Kolonne. Dieser Druckunterschied ist notwendig, um den aufsteigenden Dampf zum Durchtritt durch die Kolonneneinbauten (Glockenböden, Siebböden, Ventilböden, Füllkörper usw. ) und zum Aufsteigen gegen die herabfliessende Flüssigkeit zu veranlassen. Die Grösse des Druckunterschiedes wird somit von der Höhe der zu durchdringenden
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Flüssigkeitssäule als auch von den Durchströmwiderständen der Kolonneneinbauten selbst bestimmt. Besonders letztere sind die Ursache dafür, dass die Druckdifferenz zwischen Kopf und Sumpf sehr wesentlich auch von der durchgesetzten Dampfmenge (bzw. Flüssigkeitsmenge) abhängt.
Druckdifferenzen von einigen 0, 1 bis mehr als 1, 0 at sind bei grossen Destillationskolonnen durchaus anzutreffen.
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der im Kopf abgeführten Wärmemenge konstant gehalten wird. Da der Druck im Sumpf der Kolonne in ursächlichem Zusammenhang mit einer Menge steht und Mengenänderungen als relativ langsam sich ändernde Grösse bezeichnet werden können, muss daher die regelungstechnische Verwendung des Druckes im Sumpf der Kolonne als Hilfsregelgrösse als geeignet angesehen werden, Änderungen in der Produktzusammensetzung infolge der im Sumpf der Kolonne erhöht aufgekochten Dampfmenge frühzeitig zu erkennen.
Wie bereits angeführt, wird der Zusammenhang zwischen Temperatur und Gemischzusammensetzung bei Druckänderungen gestört. Um den Einfluss des Druckes zu eliminieren, kann man nur entweder eine kombinierte Grösse und Temperatur bilden (s. oben) oder durch Differenzbildung der Temperaturen verschiedener Stellen der Kolonne den Druckeinfluss von vornherein weitgehend eliminieren, da der Druck die (Siede-) Temperatur in erster Näherung linear beeinflusst. Dass bei dieser Differenzbildung nicht auch der Einfluss der Gemischzusammensetzung auf die (Siede-) Temperatur ausgeschaltet wird, liegt darin begründet, dass sich das Profil der Gemischzusammensetzung einer Kolonne bei einer entsprechend reichlich bemessenen Anzahl von Böden im Kopf und Sumpf der Kolonne nur sehr wenig ändert, während es sich im Mittelteil der Kolonne pro Boden relativ sehr schnell ändert.
Aus der Grösse dieser Änderung der Gemischzusammensetzung im Mittelteil der Kolonne, also aus einer Differenz der Gemischzusammensetzungen und damit letztlich der Temperaturen, kann auf die in den Enden oder auch an andern Stellen der Kolonne bestehende bzw. nach Abklingen eines Übergangszustandes sich einstellende Gemischzusammensetzung geschlossen werden, wobei aber nur der Einfluss des Druckes auf die Temperatur weitgehend ausgeschlossen ist.
Nach obigen Darlegungen könnte man nun geneigt sein, die Messstelle der Hilfsregelgrösse direkt in den Einlauf bzw. in den Sumpf der Kolonne zu legen. Dies wäre aber dann eine Störgrössenaufschaltung mit allen dieser anhaftenden Vor-und Nachteilen. Der Vorteil wäre zwar, dass der Einfluss der Störgrösse (Einlaufzusammensetzung bzw. zugeführte Wärmemenge) unmittelbar erfasst wird, der Nachteil aber, dass nur diese Störgrösse erfasst wird. Alle andern Störgrössen, die zwar wohl zweitrangig, aber nichtsdestoweniger vorhanden wären, könnten nur vom Hauptregelkreis mit all seinen bekannten Nachteilen ausgeregelt werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in Fig. l der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, dessen regeltechnisches Schaltbild durch Fig. 2 gegeben ist.
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des im Kühler--K--kondensierten Kopfproduktes wird der Kolonne als Rücklauf--R--wieder zugeführt. In gleicher Weise wird ein Teil des Ablaufproduktes über den Aufkocher-Ak-als Rückverdampfung - in die Kolonne zurückgeführt. Die Rückflussmenge wird im Durchflussregler-DR-auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten. Die Vorgabe dieses Sollwertes erfolgt selbsttätig durch den Regler-Rg-.
Auf diesen wirken eingangseitig sowohl die in eindeutigem Zusammenhang mit der Produktzusammensetzung stehende Grösse --x--, als auch die auf Veränderungen der Rückflussmenge rascher reagierende Hilfsregelgrösse --xh--, die im vorliegenden Fall etwa der Mitte der Kolonne-D-entnommen ist.
Fig. 2 zeigt das regelungstechnische Schaltbild des geschlossenen Regelkreises zur Einhaltung einer bestimmten Produktzusammensetzung--x--, wobei der Rückfluss--r--als Stellgrösse verwendet wird. Die
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zusammengefasst im Regler--Rg--, wirken auf die Stellgrösse--r--ein. Das zeitliche Verhalten der einzelnen Regelkreisglieder ist in üblicher Weise durch die eingezeichneten Übergangsfunktionen dargestellt. In
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Die Erfindung hindert es nicht, auch noch eine an sich bekannte Vorwärtssteuerung vorzusehen, durch die auch sehr grosse Schwankungen der Konzentration des der Kolonne zugeführten Einsatzproduktes aufgefangen werden können.
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