CN101939092A - 用于控制连续的结晶过程的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于控制连续的结晶过程的方法和设备(10)，所述结晶过程特别是可以用于制造双酚A，具有与结晶器(12)在回路中连接的热交换器(14)。根据所输送的供应流(24)对用于冷却安装器械(12)的排出流(16)的热交换器(14)的热交换器功率进行调节，以便控制排出流(16)的排出温度。根据本发明，利用计算机来求得当前需要的热交换器功率，其中时间延迟地在热交换器(14)上调节所算得的热交换器功率。通过这种时间延迟，避免了热交换器(14)中的较大的温度差，从而避免了热交换器(14)中的结垢。这减少了生产停顿，同时改善了控制质量，进而提高了生产率。

Description

用于控制连续的结晶过程的方法和设备
本发明涉及用于控制连续的结晶过程的方法和设备，其可以用于制造化学产品如双酚A(BPA)。
为了制造结晶产品，已知的是，在环路上将结晶器与热交换器连接，希望作为产品的晶体从溶液降落在所述结晶器内。就这种作为强制循环原理公知的连接方式而言，悬浮液借助于泵循环经过热交换器和结晶器。热交换器在此可以将对于悬浮液的过冷所需要的热量以及在结晶时释放的结晶热量排出。利用经过热交换器排出的热量，在连续运行时，可以使得结晶器中的温度保持恒定。特别是对于需要结晶产品的后续过程来说，重要的是，从结晶器排出的排出流的排出温度要保持恒定，因为从排出流分出产品流，产品流输送结晶产品用于后续处理。排出流的排出温度还受输送给循环流的供应流的影响。
因为所输送的供应流通常跳跃式地变化，所以在结晶过程中会产生显著的干扰，所述干扰在经过不能令人满意的漫长的时间之后才能得到消除。为了使得这些干扰保持得尽可能小，已知的是，根据经验值手动地调节热交换器的热交换器功率。然而这导致在热交换器中会在冷却介质和有待冷却的循环流之间产生显著的温度差，这种温度差又导致热交换器结垢，结垢的方式例如为，结晶出的产品沉积在热交换器壁上。因为这种垢会减小热传递系数k以及增大悬浮液侧的压力损失，且按照所使用的泵的泵特性曲线会减小流体速度以及形成垢层，直至堵塞悬浮液侧的流体通道，所以需要将垢层溶解或熔化，反复地对热交换器进行再生处理。因为有垢，所以经过很短的时间间隔就要再生热交换器，因而在热交换器再生期间要中断结晶过程。这导致生产停顿，生产率降低。另外，由于有垢，使得本来可达到的热交换器功率减小，因而难以控制结晶过程。特别是在利用经验值时无法考虑到这种变化，使得所能达到的结晶过程控制质量令人很不满意。
本发明的目的是，提出用于控制连续的结晶过程的方法和设备，其能改善控制质量，提高生产率。
根据本发明，采用一种用于控制连续的结晶过程的方法，即可实现所述目的，其中设有与结晶器在回路中连接的热交换器，且根据所输送的供应流对特别是用于冷却结晶器排出流的热交换器的功率进行调节，以便控制结晶器的结晶温度和/或排出流的排出温度，其特征在于，利用计算机来求得当前需要的热交换器功率，并时间延迟地在热交换器上调节所算得的热交换器功率。
在本发明的用于控制连续的结晶过程的方法中，首先使得结晶器与热交换器在环路中连接，且例如利用泵来调节连续的循环流。这种连续的结晶过程特别是适合于在制造双酚A时对双酚A-苯酚加合物的冷却结晶。在连续地冷却结晶时，有待结晶的产品的产量取决于结晶温度。在温度较低时，结晶功率和产量上升，母液中的浓度相应地下降。除了产量外，还有一些其它标准用于选择结晶温度，例如污物与温度相关地进入到结晶产品中，这会影响生产率。出于这个原因，在连续地冷却结晶时，对结晶器的结晶温度和/或来自结晶器的排出流的排出温度进行控制。为此，在热交换器上调节冷却功率，该冷却功率主要取决于所输送的供应流的量。
根据本发明，利用计算机求得当前需要的热交换器功率，其中在热交换器上时间延迟地调节所算得的热交换器功率。
利用计算机根据供应流求得热交换器功率，这样就可以在很早的时间点求得所需要的热交换器功率，在此特别是可以考虑结晶过程多个惯性。特别是可以考虑结晶器中的平均停留时间，工业设备的平均停留时间例如可以在30分钟至10秒的范围内。由此可以采用前馈控制方式对热交换器功率的预期变化预先做出反应。然而，并不立即地，而是时间延迟地在热交换器中调节所算得的热交换器功率。因此特意比技术所及延迟地做出反应。通过这种时间延迟，避免了热交换器中的温度突然变化，从而避免或者至少减小热交换器冷却介质与循环流之间的显著的温度差。这减少了热交换器中的过饱和尖峰，并促使在热传递面上形成固体或结晶，例如在紧贴管壁处由于悬浮液局部过冷而出现所述过饱和尖峰。由于在热传递面上的固体生长引起的热交换器结垢由此可以得到明显的延缓。在结垢缓慢的情况下，增大了热交换器的再生时间间隔，由此减少了生产停顿，提高了生产率。此外，相比于手动干预，基于数学计算例如能量平衡的前馈控制能对结晶过程中的干扰做出更精确、快速的反应，从而改善了控制质量。特别是在运用能量平衡计算热交换器功率时，可以得到精确的数学解决方案，从而可以避免有时计算复杂的众多的叠代方法。试验表明，相比于无时间延迟的前馈控制，具有时间延迟的这种前馈控制使得排出流的排出温度的差很小。但可以在后续过程中通常没有太大问题地消除排出温度的微小变化，因此尚无需担心最终产品的产量的微小损失。
时间延迟可以采用不同的措施来实现。例如，控制系统可以具有迟滞元件，从而时间延迟具有迟滞。附加地或替代地，在供应流跳跃式地变化时，热交换器功率可以基本上累积地变化，从而热交换器功率基本上呈斜坡形地变化。附加地或替代地，可以规定带有延迟的成比例的传递特性，其特别是主要具有PT1特性(具有时间延迟的1阶延迟元件)。
特别优选的是，在时间延迟的情况下，相比于排出温度更多地考虑所输送的供应流。在此可以考虑，在结晶过程连续地运行时，始终都会出现由系统引起的一定的温度波动，这种温度波动无需予以干预，因为这种温度波动可以在结晶器本身中得到矫正。另外可以考虑，供应流通常突然出现变化，且变化剧烈，因为例如手动地改变了所希望的生产量。使这种变化在时间上大大地延迟，就可以避免热交换器过于剧烈地反应，从而减小热交换器结垢的危险，且能确保热交换器长期运行。
特别优选的是，时间延迟通过级联的控制回路来实现。特别是可以针对时间延迟，借助于第一控制回路，根据结晶器的排出温度，来控制热交换器给定排出温度。借助于第二控制回路，可以根据供应流来控制矫正项，该矫正项用于使得受第一控制回路控制的热交换器给定排出温度在时间上延迟。由此可以借助于第一控制回路，在连续的运行中补偿通常出现的排出温度波动。因为在这种运行模式下，基本上无需改变供应流，所以第二控制回路基本上没有影响。但如果这种连续的运行受到了干扰，其中所输送的供应流的量明显增加或者大大地减少，则第二控制回路就防止对于连续的运行最佳的第一控制回路过多地改变热交换器的功率。通过时间延迟的矫正项，可以对热交换器给定排出温度进行适当调节，使得热交换器中结垢的概率减小。
可以借助能量平衡来计算热交换器功率，这种计算恰恰是需要的，或者在规定的较晚的时间点是需要的。为此，特别是考虑来自结晶器的、进入到热交换器中的热交换流的流量和温度。热交换流的流量和温度特别是可以计算得到。因为为了控制排出流的排出温度而测量排出流的实际排出温度，所以可以根据经验值或者根据对功率损失的计算，来求得热交换流在进入到热交换器中时的温度大小。此外，输入的供应流的流量和输出的产品流的流量通常是已知的，所以可以计算出进入到热交换器中的热交换流的流量。另外，可以根据经验估计或模拟结晶器的特性，从而知道输入的供应流的温度和流量就足以计算出进入到热交换器中的热交换流的流量和温度。因而可以计算出需要用于控制排出温度的热交换器给定排出温度，且在知道流量的情况下非常精确地确定出进入到热交换器中的热交换流的温度和所需要的热交换器功率。
根据一种优选的实施方式，在计算热交换器功率时考虑热交换器的结垢状态。这特别是可以采用如下方式来实现，即考虑热交换器的热传递系数k。热传递系数k特别是可以采用如下方式来求得，即对理论算得的热交换器排出温度与实际测得的热交换器排出温度进行比较。基于这种比较，可以确定出所需要的热传递系数k，由此使得算得的热交换器排出温度与测得的热交换器排出温度一致。由此特别是还可以借助于与结垢状态成比例的唯一的参数来确定和显示热交换器的结垢状态。这样就能在热传递系数k处于预定的值范围之外时才对热交换器进行维护和再生。而无需设定固定的维护时间间隔。替代地，也可以在实际需要维护时才进行维护。特别是可以外推热传递系数k的时间变化曲线，从而能预先大致估计出热交换器的下一次维护时间点。
为了调节热交换器的功率，特别地规定，对热交换器的冷却介质的冷却温度和/或冷却量进行控制。为此例如可以将两个或多个冷却源接通至和/或切断至不同的冷却水平，以便改变冷却介质的冷却温度和/或冷却量。此外可以改变用于冷却介质的冷却泵的功率，以便改变冷却介质的流量。特别优选的是，借助于第三控制回路对冷却介质的冷却温度和/或冷却量进行控制，该第三控制回路根据时间延迟的热交换器功率来控制冷却介质的冷却温度和/或冷却量。这特别是可以实现预先控制，因为例如已经可以将变化的供应流的信息用于热交换器的冷却介质。这是特别有所帮助的，如果为了足够地制冷而需要附加的器械，这些器械首先必须被接通或切断，且为此需要预先运行。
本发明还涉及一种用于控制连续的结晶过程的设备，其特别适合于实施前述方法，和/或如借助前述方法所述，可以被改型和改进。这种设备特别是可以用于制造双酚A(BPA)。该设备具有结晶器，结晶器与用于冷却结晶器排出流的热交换器在环路中连接。为了控制排出流的排出温度和/或结晶器的结晶温度，可借助于调节单元，根据所输送的供应流来调节热交换器的功率。根据本发明，设有至少一个计算机单元，其算得当前需要的热交换器功率，并将算得的热交换器功率传递至调节单元，从而可时间延迟地在热交换器上调节所算得的热交换器功率。
通过在热交换器上有待调节的热交换器功率的时间延迟，将避免热交换器内的较大的温度差，由此避免或者至少减少热交换器的结垢。因为由此很少需要维护和再生热交换器，所以避免了生产停顿，提高了生产率。另外，利用与调节单元连接的计算机单元，将改善结晶过程的控制质量，因为能避免手动的调节干预。
为了实现时间延迟，特别是设有第一控制回路，其用于根据结晶器的排出温度来控制热交换器给定排出温度。第一控制回路特别是可以具有至少一个PID调节器。此外，可以设有第二控制回路，其用于根据供应流来控制矫正项，矫正项用于使得受第一控制回路控制的热交换器给定排出温度在时间上延迟。第二控制回路特别是具有PT1调节器。特别优选的是，第一控制回路具有用于控制热交换器给定排出温度的第一调节器特别是PID调节器。此外，在第一控制回路上可以设有第二调节器特别是PID调节器，用于控制热交换器的冷却介质的冷却温度和/或冷却量。第一调节器特别是要比第二调节器反应慢。由于第一调节器反应慢，所以能避免热交换器中的温度差过大，否则过大的温度差会导致结垢。但因为冷却介质未必含有能结晶出的物质，所以为了控制冷却介质的温度，完全可以设定较大的温度差。反应快的第二调节器因此导致尽快地提供冷却介质的所需要的温度和/或冷却量，而无需担心结垢。
优选第二调节回路具有第三调节器特别是PT1调节器，该调节器特别是具有作为调节参数的时间常数。调节参数特别是T1元件可以根据热交换器的结垢状态和/或根据热交换器的热传递系数k来调节。这使得在控制时能考虑热交换器的在运行期间变化的结垢状态。
特别优选的是，设备具有一种温度测量器，借助于这种温度测量器能测量热交换器排出温度。借助于计算机单元能对测得的热交换器排出温度与由计算机单元算得的热交换器排出温度进行比较。通过这种比较可以求得热交换器的结垢状态或热交换器的热传递系数k。
下面对照附图借助优选的实施例详细地介绍本发明。
图中示出：
图1为本发明的设备的方框图；和
图2为本发明的方法的示意性的控制回路图。
图1中所述的设备10具有结晶器12，其与热交换器14在回路中连接。从结晶器12引出排出流16，该排出流分支成产品流18和热交换流20。热交换流20通入到热交换器14中。热交换器排出流22从热交换器14流出，直至流到结晶器12。在所示实施例中，向热交换器排出流22输送供应流24。但供应流24也可以输送给热交换流20。由排出流16、热交换流20和热交换器排出流22形成环路26，在该环路上设有泵28，以便输送位于环路26中的悬浮液。
供应流24的量，也就是说，特别是流量，可以通过设置在供应流24上的第一阀30来调节。代替第一阀30，产品流18例如可以具有第二阀32，以便调节从环路26中取出的产品量。因为设备特别是被完全装满，所以在连续运行中，通过产品流18从回路26输出的流体恰好与通过供应流24输送给环路26的流体一样多。
通过带有热交换器14的回路26所输送的介质在热交换器14中借助于冷却介质被冷却，所述冷却介质借助于冷却泵34在回路上的冷却回路36中输送。在冷却回路36上设有冷却热交换器38，借助于该冷却热交换器能将冷却介质控制到规定的温度。通过第三阀40，经由外部的冷却管路42，可以将用于对冷却介质进行冷却的外部冷却剂输送经过冷却热交换器38。
借助于第一测量器44来测量排出流16的排出温度，该排出温度将采用本发明的方法来控制。借助于第二测量器46来测量供应流24的温度和流量，以便能够借助于该信息针对热交换器14来计算所需要的控制参数。为了改善控制质量，可以在热交换器14的输入端借助于第三测量器48来测量热交换流20的温度和流量。为了能对控制成功与否进行检查，可以在热交换器14的输出端借助于第四测量器50来测量热交换器排出流22的温度。为了控制排出流16的排出温度，特别是调节冷却回路36的进入到热交换器14中的冷却介质的温度，其中该温度可以借助于第五测量器52来测量。因为该温度将通过冷却热交换器38来调节，所以已表明适宜的是，在冷却介质进入到冷却热交换器38中之前，通过第六测量器54来测量冷却回路36中的冷却介质的温度和流量。借助于测量器56可以测量进入到热交换器38中的外部冷却剂的温度和流量，用于调节温度和冷却回路36的冷却介质。借助于所测得信息，可以调节外部冷却剂流42的第三阀40。此外，可以根据所测得的参数来改变冷却泵34的功率。
图2中所示的控制回路58为级联设计，且具有外部的第一控制回路60和内部的第二控制回路62。第一控制回路60具有比较单元64，在该比较单元中对结晶器12的排出流16的排出温度与给定值进行比较。基于这种比较，借助于缓慢调节的第一PID调节器66来求得热交换器排出流22的热交换器排出温度的给定值。为了能够达到该热交换器给定排出温度，借助于快速调节的第二PID调节器68来调节进入到热交换器14中的冷却介质温度。通过对冷却介质温度的调节，来调节热交换器排出温度，热交换器排出温度又对结晶器12产生影响，从而能控制从结晶器12中排出的排出流16的排出温度。
为了避免在热交换器14中结垢，在第二控制回路62上设有计算机单元70，该计算机单元根据供应流24的流量和/或排出流16的流量来计算热交换器14的有待调节的热交换器功率。在此，特别是可以考虑热交换器14的结垢状态，其方式为，例如求取热交换器14的热传递系数k。此外可以处理其它信息，这些信息特别是由本来就设有的测量器44、46、48、50、52、56提供。针对热交换器14算得的热交换器功率通过PT1调节器72被时间延迟地传递。为此求得一个矫正项，该矫正项对由第一PID调节器66输出的热交换器给定排出温度进行矫正。由此避免热交换器给定排出温度过于剧烈地变化。

Claims (15)

1.一种用于控制连续的结晶过程的方法，所述结晶过程特别是用于制造双酚A，其中：
设有与结晶器(12)在回路中连接的热交换器(14)；
根据所输送的供应流(24)对热交换器(14)的热交换器功率进行调节，以便控制结晶器(12)的结晶温度和/或排出流(16)的排出温度，该热交换器(14)特别是用于冷却结晶器(12)的排出流(16)，
其特征在于，利用计算机来求得当前需要的热交换器功率，并时间延迟地在热交换器(14)上调节所算得的热交换器功率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，时间延迟具有迟滞，和/或要调节的热交换器功率基本上累积地变化，和/或时间延迟具有成比例的带有延迟的传递特性，这种传递特性的形式主要为PT1特性。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，相比于排出温度更多地考虑所输送的供应流(24)的时间延迟。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，针对时间延迟，借助于第一控制回路(60)，根据结晶器(12)的排出温度，来控制热交换器给定排出温度，借助于第二控制回路(62)，根据供应流(24)来控制矫正项，该矫正项用于使得受第一控制回路(60)控制的热交换器给定排出温度在时间上延迟。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，借助于能量平衡来计算热交换器功率，其中特别是计算来自结晶器(12)的、进入到热交换器(14)中的热交换流(20)的流量和温度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在计算热交换器功率时考虑热交换器(14)的结垢状态。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，为了考虑结垢状态，考虑热交换器(14)的热传递系数k。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，热传递系数k通过对算得的热交换器排出温度与测得的热交换器排出温度的比较来求得。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，为了调节热交换器功率，对用于热交换器(14)的冷却介质的冷却温度和/或冷却量进行控制。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，设有用于根据时间延迟的热交换器功率来控制冷却介质的冷却温度和/或冷却量的第三控制回路。
11.一种用于控制连续的结晶过程的设备，这种设备特别是用于制造双酚A，该设备具有：
结晶器(12)；
与结晶器(12)在环路中连接的热交换器(14)，该热交换器(14)特别是用于冷却结晶器(12)的排出流(16)，其中为了控制结晶器(12)的结晶温度和/或排出流(16)的排出温度，可借助于调节单元(40)，根据所输送的供应流(24)来调节热交换器(14)的热交换器功率，
其特征在于，
设有至少一个计算机单元(70)，其算得当前需要的热交换器功率，并将算得的热交换器功率传递至调节单元(40)，从而可时间延迟地在热交换器(14)上调节所算得的热交换器功率。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，为了实现时间延迟，设有第一控制回路(60)和第二控制回路(62)，第一控制回路用于根据结晶器(12)的排出温度来控制热交换器给定排出温度，第二控制回路用于根据供应流(24)来控制矫正项，矫正项用于使得受第一控制回路(60)控制的热交换器给定排出温度在时间上延迟。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，第一控制回路(60)具有第一调节器(66)特别是PID调节器和第二调节器(68)特别是PID调节器，第一调节器用于控制热交换器给定排出温度，第二调节器用于控制热交换器(14)的冷却介质的冷却温度和/或冷却量，其中第一调节器(66)比第二调节器(68)反应慢。
14.如权利要求12或13所述的设备，其特征在于，第二调节回路(62)具有第三调节器(72)特别是PT1调节器，其中该第三调节器(72)具有调节参数特别是时间常数，该调节参数特别是可根据热交换器(14)的结垢状态和/或根据热交换器(14)的热传递系数k来调节。
15.如权利要求11至14中任一项所述的设备，其特征在于，设有用于测量热交换器排出温度的温度测量器(50)，可借助于计算机单元(70)对测得的热交换器排出温度与由计算机单元(70)算得的热交换器排出温度进行比较，以便求得热交换器(14)的结垢状态和/或热交换器(14)的热传递系数k。
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