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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Destillationskolonne.
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Destillationsverfahren sind in der chemischen Verfahrenstechnik üblich, um Gemische verschiedener relativer Flüchtigkeit und/oder ineinander löslicher Stoffe thermisch zu trennen.
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Im einfachsten Fall wird ein Zulaufgemisch, bestehend aus einer Leicht- und einer Schwersiederfraktion in seine zwei Fraktionen, eine leichtsiedende Kopffraktion und eine schwersiedende Sumpffraktion, zerlegt. Dabei wird das zu trennende Gemisch zwischen Sumpf und Kopf der Destillationskolonne eingebracht. Der Zulauf unterteilt die Kolonne in einen Verstärkungsteil und einen Abtriebsteil. Die schwersiedende Fraktion wird im Sumpf aus der Kolonne entnommen. Ein Teil des Konzentrats wird durch eine Heizung (z.B. einem Naturumlaufverdampfer), die im Sumpfbereich eingebaut ist, verdampft. Der Leichtsieder steigt als Brüden in der Kolonne hoch, wird am Kopf der Kolonne aus dieser abgezogen und in einem Kondensator verflüssigt. Ein Teil des Kondensats wird wieder in die Kolonne zurückgeführt und läuft im Gegenstrom zu den aufsteigenden Brüden nach unten (Rücklauf).
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In Bodenkolonnen sind Sieb-, Glocken- oder Ventilböden eingebaut, auf denen die Flüssigkeit steht. Durch spezielle Schlitze oder Löcher wird der Dampf mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht, so dass eine Sprudelschicht entsteht. Auf jedem dieser Böden stellt sich ein neues temperaturabhängiges Gleichgewicht zwischen der Flüssig- und Gasphase ein. Im Idealfall entspricht ein Boden einer theoretischen Trennstufe.
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Die Herstellung von polykristallinem Silicium, welches z.B. in der Photovoltaik oder in der Halbleiter-Industrie Verwendung findet, geht vom Rohstoff Trichlorsilan (TCS) aus.
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Dieses TCS wird hauptsächlich über drei verschiedene Verfahren erzeugt. Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 + Nebenprodukte A) Si + 3SiCl4 + 2H2 → 4SiHCl3 + Nebenprodukte B) SiCl4 + H2 → SiHCl3 + HCl + Nebenprodukte C) Bei diesen Prozessen entstehen neben anderen Nebenprodukten oder Verunreinigungen größere Mengen an Dichlorsilan (DCS). Als Verunreinigungen sind u.a. Bor- und Phosphorverbindungen enthalten.
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Die Nebenprodukte und SiCl
4 (STC) werden üblicherweise durch Destillation vom Trichlorsilan getrennt.
US 20120193214 A1 offenbart ein solches Verfahren zur destillativen Reinigung von Chlorsilanen.
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Es ist bekannt, dass sich die die Zusammensetzungen der Chlorsilanmischungen, die einer Destillationskolonne zugeführt werden, oder allgemein die Feedzusammensetzungen während des Betriebs ändern. Die Kolonnenparameter müssen entsprechend dieser Größe angepasst werden Da Konzentrationsmessungen in der Regel teuer und wartungsintensiv sind, werden in der Praxis häufig Temperaturen in der Kolonne als Ersatzgrößen für die Regelung verwendet. Auf diese Weise kann auf Änderungen in der Zusammensetzung des Feed reagiert werden, so dass die erforderlichen Reinheiten der Zielprodukte eingehalten werden. Dieses Konzept wird im Allgemeinen als Trenntemperaturregelung (TTR) bezeichnet.
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Beim Betrieb der Destillationskolonne besteht grundsätzlich die Möglichkeit die innere Massenbilanz (Rücklaufverhältnis) und die äußere Massenbilanz (Produktabzugsmengen) zu beeinflussen. Bei einer Änderung der Feedzusammensetzung kommt der äußeren Massenbilanz die größere Bedeutung zu.
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DE 1 059 410 B offenbart ein Verfahren zur automatischen Durchführung chargenweiser Destillation durch Regelung der Dampfbelastung der Kolonne, dadurch gekennzeichnet, dass das Rücklaufverhältnis von einem niedrigen auf einen höheren Wert umgeschaltet wird, wenn zwischen zwei am oberen Ende der Kolonne im Abstand untereinander angeordneten Thermometern eine Temperaturdifferenz auftritt. Damit lässt sich das Rücklaufverhältnis, also die innere Massenbilanz der Kolonne regeln. Die äußere Massenbilanz lässt sich jedoch nicht beeinflussen.
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DE 35 22 234 A1 offenbart ein Verfahren zum energiegünstigen Betreiben einer Destillationskolonne, die in einem Teilbereich eine Längsunterteilung – ausgeführt in Form einer Trennwand – zur Unterdrückung einer Quervermsichung von Flüssigkeits- und Brüdenströmen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass man im längsunterteilten Bereich der Kolonne im mittleren Bereich des Teilstücks, das sich sowohl oberhalb der Zulaufstelle als auch oberhalb der Entnahmestelle der Seitenfraktion bzw. im Falle von 2 Entnahmestellen oberhalb der obersten Entnahmestelle befindet, im Zulauf- und im Entnahmeteil paarweise Temperaturmessstellen auf gleicher Höhe der Kolonne anordnet und/oder im längsunterteilten Bereich der Kolonne im mittleren Bereich des Teilstücks, das sich sowohl unterhalb der Entnahmestelle der Seitenfraktion bzw. im Falle von 2 Entnahmestellen unterhalb der untersten Entnahmestelle befindet, im Zulauf- und im Entnahmeteil paarweise Temperaturmessstellen auf gleicher Höhe der Kolonne anordnet, und durch eine Temperaturdifferenzregelung, die automatisch oder von Hand erfolgt, die Temperaturen an den beschriebenen Messstellen so einstellt, dass die Temperatur im Zulaufteil an der oberen Messstelle niedriger oder höchstens gleich hoch ist wie im Entnahmeteil und die Temperatur im Zulaufteil an der unteren Messstelle höher oder mindestens genau so hoch ist wie im Entnahmeteil und als Stelleingriff für die Temperaturdifferenzregelung die Flüssigkeitsaufteilung am oberen Ende der Längsunterteilung benutzt.
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Die beschriebene Regelung der Flüssigkeits- bzw. Brüdenaufteilung wirkt sich nicht auf die äußere Massenbilanz der Kolonne aus. Die TTR im eigentlichen Sinne hat die Einhaltung der richtigen Abzugsbilanz und der gewünschten Entnahmekonzentration zum Ziel (Regelung der äußeren Massenbilanz).
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Neben der Änderung der Feedzusammensetzung kommt es im laufenden Betrieb der Destillationskolonne auch häufig zu Laständerungen durch höhere oder niedrigere Feedmengen und damit verbunden zu höheren oder niedrigeren Gasbelastungen.
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Dies wirkt sich auf die Druckverhältnisse in der Kolonne aus. Da Druck und Temperatur in einem Stoffaustauschapparat grundsätzlich zusammenhängen und zum Regeln der äußeren Massenbilanz Temperaturmessungen eingesetzt werden, können Laständerungen an der Kolonne das Ergebnis der Regelung negativ beeinflussen. Aus diesem Grund existiert der Wunsch, die Druckschwankungen in der Kolonne bei der TTR zu berücksichtigen, bzw. diese davon zu entkoppeln.
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US 5368699 A offenbart ein Verfahren zur Regelung der Konzentrationen eines Mehrstoffgemisches am Ausgang eines thermischen Trennapparates wie z. B. einer Destillationskolonne, bei dem im Trennapparat die Temperatur T und der Druck P gemessen werden und aus diesen Messwerten eine druckkompensierte Temperatur T* = f(T, P) gebildet wird, die als Ersatzregelgröße für wenigstens eine Konzentration benutzt wird, wobei der Ist-Wert der druckkompensierten Temperatur T* mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird, wobei der Druck P in der geometrischen Nähe der Messstelle für die Temperatur T im Systemteil des Trennapparates gemessen wird, so dass der Druck P im physikalischen Zusammenhang mit dieser Temperatur T steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Werte der druckkompensierten Temperatur T* nach der Beziehung T* = T – A1/(A2 – log(P)) gebildet werden, wobei A1, und A2 Konstanten sind, die vor dem Beginn der Regelung in an sich bekannter Weise empirisch bestimmt werden.
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Die Temperatur T wird beispielsweise im Abtriebsteil oder im Verstärkerteil der Destillationskolonne gemessen. Der Druck P wird in der geometrischen Nähe dieser Temperaturmessstelle erfasst und steht damit in physikalischem Zusammenhang mit der gemessenen Temperatur T.
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Diese Regelung funktioniert im Sinne einer herkömmlichen TTR mit dem zusätzlichen Vorteil, dass Schwankungen im Druckverlust der Kolonne (Änderung der Gasbelastung) über eine Berechnung aus einer Druckmessung berücksichtigt werden. Somit ist zu jedem Zeitpunkt die äußere Massenbilanz an der Kolonne eingehalten, was eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass die erforderliche Reinheit in den Zielprodukten der Kolonnen eingehalten wird. Die Eingangsgröße für diese Regelung ist die Temperatur auf einer festgelegten Trennstufe der Kolonne. Für diese Temperatur wird ein fester Sollwert vorgegeben, der durch die Variation des Kopfabzugs eingehalten werden soll.
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Die zusätzliche Berechnung der druckkompensierten Trenntemperatur ist allerdings aufwändig, zumal zunächst eine empirische Bestimmung der Konstanten A1 und A2 vorgenommen werden muss. Dazu werden zu verschiedenen Zeitpunkten Temperaturen T1, T2 ... und die entsprechenden Drücke P1, P2 ... experimentell bestimmt. Im Allgemeinen werden dazu drei bis zehn Messwerte Ti und Pi benötigt. Mit diesen Messwerten werden die Konstanten A1 und A2 sowie T*(Soll) durch Regression ermittelt.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, diesen Aufwand für die Berücksichtigung Druckkompensation zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Regelung der Konzentrationen eines Mehrstoffgemisches am Ausgang einer Destillationskolonne, bei dem im Verstärkungsteil der Destillationskolonne eine Temperatur T1 und im Abtriebsteil der Destillationskolonne eine Temperatur T2 gemessen werden, wobei die Temperaturdifferenz ∆T = T2 – T1 als Ersatzregelgröße für wenigstens eine Konzentration benutzt wird, wobei der Ist-Wert der Temperaturdifferenz ∆T mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird.
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Die Messung der Temperatur T1 erfolgt vorzugweise an einer bestimmten Trennstufe im Verstärkungsteil der Destillationskolonne, während die Messung der Temperatur T2 an einer bestimmten Trennstufe im Abtriebsteil der Destillationskolonne erfolgt.
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Abweichend vom Stand der Technik der Trenntemperaturregelung, bei der eine Temperatur gemessen und daraus eine druckkompensierte Temperatur bestimmt wird (Trenntemperatur), erfolgen also zwei Temperaturmessungen, wobei als Regelgröße die sich ergebende Temperaturdifferenz dient. Dieses Konzept wird als Differenztrenntemperaturregelung (DTTR) bezeichnet.
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Somit wird eine Differenz aus der bisherigen Trenntemperatur (ohne Druckkompensation) und einer Referenztemperatur z. B. im Verstärkungsteil der Destillationskolonne gebildet.
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Da beide gemessenen Temperaturen den Druckschwankungen folgen, ist die Druckkompensation bei der Bildung der Temperaturdifferenz automatisch berücksichtigt. Die Temperaturdifferenz als Regelgröße ist also automatisch gegenüber Druckschwankungen kompensiert.
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Die Regelung sieht vor, die Temperaturdifferenz konstant zu halten. Damit ist zu jedem Zustand automatisch die optimale Trenntemperatur eingestellt.
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Insbesondere bei Kolonnen mit hohem Druckverlust und bei häufigen Änderungen der Feedmengen- und zusammensetzungen ist das Verfahren von Vorteil, da das in diesem Fall erforderliche Nachführen des Sollwerts der Einzeltemperaturregelung entfällt.
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Dadurch, dass nicht mehr nur eine sensitive Temperatur als Regelgröße verwendet wird, sondern auch eine Temperatur in einem Bereich der Kolonne, der zuvor „unbeobachtet“ war, kann eine schlagartige Änderung des Trennprofils in diesem Bereich ebenfalls erkannt werden. Dies führt zu einer erhöhten Prozessstabilität.
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Der Aufwand für die Implementierung des Verfahrens, der im Wesentlichen nur darin besteht, eine zweite Temperaturmessstelle und eine zweite Temperaturmessung vorzusehen, ist gering und kann bei modernen Prozessleitsystemen softwareseitig implementiert werden.
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Die aufwändige Berechnung der druckkompensierten Trenntemperatur entfällt. Die Regelung soll auf Änderungen in der Feedzusammensetzung reagieren und somit gewährleisten, dass zu jedem Zeitpunkt die Massenbilanz an der Kolonne eingehalten wird. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass die erforderliche Reinheit in den Zielprodukten der Kolonnen gewährleistet ist. Die Eingangsgröße für diese Regelung ist die Temperaturdifferenz ermittelt aus den auf zwei festgelegten Trennstufen der Kolonne gemessenen Temperaturen. Für diese Temperaturdifferenz wird ein fester Sollwert vorgegeben, der durch die Variation des Kopfabzugs eingehalten werden soll.
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Vorzugweise wird die Destillationskolonne kontinuierlich betrieben. Dabei wird das zu trennende Gemisch in konstantem Strom an einem fixen Punkt der Kolonne (Zulauf) aufgegeben (Feed), von wo aus es über die Einbauten nach unten in den Sumpf rieselt. Beim intensiven Wärme- und Stoffübergang mit den von unten aufsteigenden Dämpfen steigen die leichter siedenden Komponenten in der Gasphase nach oben. Die schwerer siedenden Komponenten fließen weiter nach unten und werden kontinuierlich aus dem Sumpf abgezogen. Am Kopf werden die leicht siedenden Komponenten verflüssigt und zum Teil als Rückfluss wieder in den Kopf zurückgespeist. Teilweise werden die Leichtsieder kontinuierlich abgezogen.
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Beim zu trennenden Mehrstoffgemisch handelt es sich vorzugweise um eine Mischung aus Chlorsilanen enthaltend Trichlorsilan und Siliciumtetrachlorid.
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In einer Ausführungsform handelt es sich beim Mehrstoffgemisch um eine Mischung aus Chlorsilanen enthaltend Trichlorsilan, Dichlorsilan und Siliciumtetrachlorid.
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1 zeigt schematisch eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zulauf
- 2
- Brüden
- 3
- Sumpfabzug
- 4
- Temperaturmessstelle 1
- 5
- Temperaturmessstelle 2
- 6
- Regler
- 7
- Rücklauf
- 8
- Kopfabzug
- 9
- Kondensator
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Ein Gemisch bestehend aus einer Leicht- und einer Schwersiederfraktion wird über Zulauf 1 in die Destillationskolonne eingebracht und in seine zwei Fraktionen, eine leichtsiedende Kopffraktion und eine schwersiedende Sumpffraktion, zerlegt. Dabei wird das zu trennende Gemisch zwischen Sumpfabzug 3 und Kopfabzug 8 der Destillationskolonne eingebracht. Der Zulauf 1 unterteilt die Kolonne in einen Verstärkungsteil und einen Abtriebsteil. Die schwersiedende Fraktion wird im Sumpfabzug 3 aus der Kolonne entnommen. Ein Teil des Konzentrats wird durch eine Heizung, die im Sumpfbereich eingebaut ist, verdampft. Der Leichtsieder steigt als Brüden 2 in der Kolonne hoch, wird am Kopfabzug 8 der Kolonne aus dieser abgezogen und in einem Kondensator 9 verflüssigt. Ein Teil des Kondensats wird über den Rücklauf 7 wieder in die Kolonne zurückgeführt und läuft im Gegenstrom zu den aufsteigenden Brüden 2 nach unten. Es sind zwei Temperaturmessstellen 4, 5 vorgesehen. Über einen Regler 6 wird der Kopfabzug 8 variiert, indem die Differenz der an den Temperaturmessstellen 4, 5 gemessen Temperaturen als Regelgröße dient.
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Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind.
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Beispiel und Vergleichsbeispiel
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Beispiel und Vergleichsbeispiel beziehen sich auf die Trennung der Komponenten STC und TCS.
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Vergleichsbeispiel
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Eine Temperaturregelung bei Destillationskolonnen ohne eine Druckkompensation gemäß Vergleichsbeispiel reagiert nicht auf Druckänderungen in der Kolonne, die vor allem bei Lastwechseln auftreten.
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Dies wird in der 2 deutlich, in der die entsprechenden Messdaten dargestellt sind.
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Die dargestellten Diagramme wurden mit Messdaten einer Destillationskolonne zur Abtrennung von STC und TCS erstellt.
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Im oberen Diagramm fällt der Druckverlust in der Kolonne aufgrund einer geringeren Belastung ab. Die Temperatur T1 bleibt davon unberührt, da sie durch die Trenntemperaturregelung auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Die Temperatur T2 fällt hingegen entsprechend dem Verlauf des Druckverlusts ab, da diese nicht explizit geregelt wird sondern einen Freiheitsgrad darstellt. Die Differenz aus beiden Temperaturen Delta T ist naturgemäß nicht konstant und steigt nach einer gewissen Messdauer leicht an. Die Temperaturdifferenz stellt im Vergleichsseispiel ebenfalls einen Freiheitsgrad dar.
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Beispiel
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Das Beispiel zeigt die Messgrößen des Vergleichsbeispiels über einen ähnlichen Zeitraum mit dem Unterschied, dass als Regelgröße für die Temperaturregelung die Differenz Delta T verwendet wird.
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In der 3 sind die entsprechenden Messdaten dargestellt. Bei dieser Messung erzeugt eine Erhöhung der Last auf die Kolonne einen Anstieg im Druckverlust ∆p. Das Verhalten der Größen T1 und T2 ist aufgrund der erfindungsgemäßen Regelung nun ein anderes. Beide Temperaturen steigen gemäß dem Druckanstieg in der Kolonne an, während die neue Regelgröße Delta T konstant bleibt.
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Beide Temperaturen T1 und T2 stellen nun Freiheitsgrade in der Kolonne dar und passen sich den Druckverhältnissen im Apparat an. Durch die Regelung der Differenz aus beiden Temperaturen ist weiterhin die äußere Massenbilanz definiert und damit die Qualität der jeweiligen Zielprodukte auf dem gewünschten Niveau.
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Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen des beschriebenen Verfahrens. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen sowie Äquivalente von dem durch die Ansprüche festgelegten Schutzbereich abgedeckt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20120193214 A1 [0007]
- DE 1059410 B [0010]
- DE 3522234 A1 [0011]
- US 5368699 A [0015]
