DE2221081A1

DE2221081A1 - System zur Temperatursteuerung durch Druckmessung in einem Fluessigkeit-Dampf-Prozess

Info

Publication number: DE2221081A1
Application number: DE19722221081
Authority: DE
Inventors: Byrd Hopkins
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1971-04-29
Filing date: 1972-04-28
Publication date: 1972-11-16
Also published as: US3708658A; BE782793A; JPS564925B1; CA941934A; IT954915B; ES402035A1

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWALTS a MÜNCHEN 8O. MAUERKIRCHERSTR. 45

Anwaltsakte 22 367 ²⁸' ^ΑρΓ" ^197äS

Monsanto Company St. Louis, Mo./USA

System zur Temperatursteuerung durch Druckmessung in einem Flüssigkeit- Dampf - Prozeß

Die Erfindung betrifft ein System zur dynamischen überwachung und Regelung der Temperatur in der Flüssigkeit bei einem Flüssigkeit - Dampf - Prozeß.

VII/bo

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Bei Prozessen, in denen Flüssigkeits- und Dampfphase zugleich vorkommen, im folgenden Flüssigkeit - Dampf-Prozesse genannt, muß oftmals die Temperatur dynamisch sehr genau gesteuert werden. Besonders trifft dies bei chemischen Prozessen zu, wie der Polymerisation von monomeren Verbindungen. Z.B. haben bei einer Polymerisation mit einer flüssigen Masse und der darüber befindlichen Dampfphase, die in einem geschlossenen Behälter stattfindet, die Reaktionstemperatur und ihre ständige Änderung während der Reaktion häufig einen tiefgehenden Einfluß auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Polymers (Molekulargewicht, Farbe usw.). Folglich ist es von äußerster Wichtigkeit, die auftretenden Temperaturen sorgfältig zu überwachen und genau zu steuern. Zwei Forderungen sind für eine wirkungsvolle Temperatursteuerung bestimmend: Erstens ist es notwendig, schnell und genau die tatsächlich in der flüssigen Masse herrschende Temperatur festzustellen, zweitens müssen erkannte Ungleichheiten und Abweichungen von einer bestimnten Temperatur schnell und genau beseitigt werden.

Die zweite Forderung ist in der Praxis mit heute üblichen Vorrichtungen einhaltbar. Die Erfüllung der ersten

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Forderung ist jedoch ein Problem. Ihre Hauptursache ist darin zu suchen, daß in einem geschlossenen Behälter, der eine flüssige Masse und ihre darüber befindliche Dampfphase enthält, zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Momentantemperatur ein systemeigener Zeitunterschied auftritt. Dieser Zeitunterschied folgt aus der Wärmekapazität des Temperaturmeßfühlers und durch den schlechten Wärmeübergangswert infolge des Films zwischen der Flüssigkeit und dem Meßfühler. Folglich dauert es eine endliche Zeitspanne, bis eine Temperaturänderung in der Flüssigkeit die gleiche Veränderung im Temperaturmeßfühler hervorruft.

Andererseits ist der Zeitunterschied zwischen dem gemessenen und dem tatsächlichen Momentandruck im wesentlichen vernachlässigbar. Da der Druck in einem geschlossenen Behälter eine Funktion der Temperatur ist, bildet der Dampfdruck eine kennzeichnende Größe für die im Behälter herrschende Temperatur. Der Druck der Dampfphase ist schnell und genau meßbar. Die Verwendung des Drucks als einziges Maß für die Temperatur ergibt jedoch bei allen Systemen, bei denen die Beziehung zwischen dem Druck auf die Flüssigkeit und der Temperatur nicht genau bekannt ist, bzw. sich mit der Zeit verändert, einen Fehler.

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Die Druckmessung bei gleichzeitiger Temperaturmessung ist das heute übliche Verfahren bei Temperatursteuersystemen von Reaktoren. Z.B. wird nach dem US-Patent 2 886 6l6 von Merz et al. die Steuereinstellung eines Druckreglers in Abhängigkeit von einem Signal eines Temperaturreglers zurückgestellt. Obwohl mit derartigen Verfahren die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Veränderung der Prozeßbedingungen oder der Temperatursollwerte etwas zu verbessern ist, sind sie nicht fehlerfrei. Der Temperaturregler muß die Abweichung des Istwerts vom Sollwert und den Fehler aus der Temperaturabhängigkeit der Druckänderung ausgleichen. Das System gemäß der Erfindung vermeidet diesen Fehler, indem unabhängig vom Temperaturregler eine Rechenschleife vorgesehen ist, in der die Beziehung zwischen Temperatur und Druck automatisch berücksichtigt wird.

Die Erfindung schafft ein System, d.h. eine Vorrichtung verbunden mit einem Verfahren, zur dynamischen überwachung und Regelung der Temperatur in der Flüssigkeit bei einem Flüssigkeit- Dampf - Prozeß unter Verwendung der gemessenen Momentantemperatur der flüssigen Phase und dem Momentandruck der Dampfphase. Unter

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anderem ist das System zur überwachung und Steuerung von Polymerisationsreaktionen verwendbar, wobei eine sehr genaue Temperatursteuerung der beteiligten Flüssigkeitsphase erreichbar ist. Das System beinhaltet also ein Verfahren zur dynamischen Messung und Steuerung der Temperatur der flüssigen Masse in einem Flüssigkeits-Dampf - Prozeß mit eher schnellen und genauen Reaktion, und eine Vorrichtung zur praktischen Anwendung des Verfahrens.

Mit der Erfindung ist eine Temperatursteuerung zu einem beliebigen Zeitpunkt in einem geschlossenen Behälter, wie er normalerweise bei chemischen Prozessen verwendet wird, möglich. Der Behälter ist betriebsmäßig mit einem Wärmetauscher versehen. Im Betriebszustand enthält der Behälter eine flüssige Masse mit ihrer darüber befindlichen Dampfphase. Bei einem derartigen Behälter tritt zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Momentantemperatur der flüssigen Masse ein systemeigener Zeitunterschied auf. Der systemeigene Zeitunterschied zwischen dem gemessenen und dem tatsächlichen Momentandruck im Behälter ist jedoch im wesentlichen vernaehlässigbar.

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Das Verfahren gemäß der Erfindung weist verschiedene Schritte auf. Zuerst werden gleichzeitig und im wesentlichen unabhängig und fortlaufend Bezugssignale erzeugt, die der gemessenen Momentantemperatur der flüssigen Masse und dem gemessenen Momentandruck im Behälter entsprechen.

Hierauf wird das Drucksignal mit einem konstanten Signal multipliziert und ein veränderliches Korrekturfaktorsignal hinzuaddiert. Damit erhält man ein berechnetes Temperatureignal, das der tatsächlichen Temperatur der flüssigen Masse entspricht. Für die Beziehung gilt die folgende Gleichung:

(1) T = AP + Y

wobei T die berechnete Momentantemperatur (d.h. ein druckkorrigierter Temperaturwert) ist und A eine Konstante zur Druckkorrektur ist, deren Wert zwischen o,l s und lo,o s liegt und wobei

(2) s=

P - P *2 *1

T₁ bzw. T₂ sind die während des chemischen Prozesses im Behälter in der flüssigen Masse auftretenden Minimalbzw. Maximaltemperaturen, P^ bzw. P₂ sind die den Tem-

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peraturen T^ bzw. T„ entsprechenden minimalen bzw. maximalen Momentandruckwerte in der Dampfphase über der flüssigen Masse.

P ist der Druck in der Dampfphase über der flüssigen Masse zu einem dem Wert T entsprechenden Zeitpunkt. Y ist ein veränderlicher Korrekturfaktor, der von der Differenz zwischen der gemessenen Momentantemperatur (T_m) und der mit dem Momentandruck korrigierten Temperatur (T_n) abhängt.

Der veränderliche Korrekturfaktor Y (Gleichung (I)) wird erzeugt, indem zuerst die gemessene Momentantemperatur mit der berechneten Temperatur verglichen wird, und dann die sich ergebende Differenz nach der Zeit integriert wird. Für die Beziehung gilt folgende Gleichungß

r
(3) Y = B j (T_m - T_c)dt

Y, T , T entsprechen den bereits erläuterten Werten.

B ist eine Korrekturkonstante der Temperatur, ihre Di-

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mension ist Zeit , ihr Grenzwert kleiner als Io t , wobei t die Zeitkonstante der Temperaturmessungdes Systems ist.
Die Integration erfolgt nach der Zeit (dt).

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Schließlich wird das berechnete Temperatursignal mit einem Soll-Temperatursignal, das einem vorher ausgewählten Temperaturwert der flüssigen Masse zum Zeitpunkt der Messung entspricht, verglichen, und ein Fehlersignal erzeugt. Dieses liegt an einer Temperatur steuereinrichtung an. Dort wird ein Steuersignal erzeugt, durch das Wärmetauscheinrichtungen folgerichtig in Betrieb gesetzt werden. Auf diese Weise reduziert man den Unterschied zwischen dem berechneten Temperatursignal und dem Sollwertsignal auf Null.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung, die das Drucksignal (P), das Temperatursignal (T ) und das Sollwertsignal (T ), das einer gewünschten Temperatur der flüssigen Masse entspricht, verarbeitet; eine Einrichtung zur Veränderung der Temperatur der flüssigen Masse und eine Temperatursteuereinrichtung, welche die Einrichtung zur Veränderung der Temperatur in Betrieb setzt um die Temperatur der flüssigen Masse zu regeln. Die Recheneinrichtung löst dynamisch die Gleichungen (l) und (3) und steuert die Temperatursteuereinrichtung, um die Differenz zwischen dem Sollwert (T ) und der druckkorrigierten Temperatur (T ) zu minimieren, wodurch die Temperatur der flüssigen Masse auf einem bestimmten Wert gehalten wird.

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Die Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur zu einem beliebigen Zeitpunkt in einem geschlossenen Behälter. Dieser weist Druckfühler, Temperaturfühler und Wärmeaustauscheinrichtungen auf. Letztere dienen der Steuerung der Temperatur der flüssigen Masse in Abhängigkeit von obigen Signalen. Ferner ist der Behälter mit einer Temperatursteuereinrichtung versehen, mit der die Wärmeaustauscheinrichtungen gesteuert und betätigt werden. Die Druckfühler weisen eine Meßeinrichtung zur Peststellung des Momentandrucks im Behälter auf und dazu betriebsmäßig mit einer Einrichtung verbunden, mit der ein dem gemessenen Druck entsprechendes Signal erzeugt wird. Ebenso weist der Temperaturfühler eine Meßeinrichtung für die Momentantemperatur im Behälter und eine betriebsmäßig damit verbundene Einrichtung zum Erzeugen eines der gemessenen Temperatur entsprechenden Signals auf.

Die Vorrichtung weist einen ersten Signalgeber zum Erzeugen eines konstanten Vorwahlsignals auf. Dieses konstante Vorwahlsignal liegt an einer Signalmultipliziereinrichtung an, in der ein Momentandrucksignal mit dem konstanten Signal multipliziert und ein Produktsignal erzeugt wird.

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Mit einem zweiten Signalgeber wird ein Sollsignal, das einer gewählten Temperatur der flüssigen Masse entspricht, erzeugt.

Die Vorrichtung ist ferner gekennzeichnet durch eine Rechenschleife, die eine Signalvergleichseinrichtung, eine Signalintegriereinrichtung und eine Signaladdiereinrichtung aufweist. Als Eingangssignale liegen an der Schleife das Produktsignal und ein Signal, das der Momentantemperatur entspricht, an. Das Ausgangssignal der Schleife ist ein berechnetes Signal, das der tatsächlichen Momentantemperatur entspricht, an. Das Ausgangssignal der Schleife ist ein berechnetes Signal, das der tatsächlichen Momentantemperatur der flüssigen Masse im geschlossenen Behälter entspricht.

In der Schleife wird in der Signaladdiereinrichtung ein Produktsignal mit einem veränderlichen Korrekturfaktorsignal addiert und ein berechnetes Signal erzeugt. In einem ersten Vergleicher wird das berechnete Signal nifc dem gemessenen Momentanwert der Temperatur verglichen und ein erstes Fehlersignal erzeugt.

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In der Integriereinrichtung wird das erste Fehlersignal nach der Zeit integriert und damit ein veränderlicher Korrekturfaktor erzeugt.

Schließlich weist die Vorrichtung eine zweite Signalvergleichsvorrichtung auf, in der das berechnete Signal" mit dem Sollwertsignal verglichen wird, um ein zweites Fehlersignal zu erzeugen, mit dem die Temperatursteuereinrichtung in Betrieb gesetzt und so die gewünschte Steuerung der Temperatur der flüssigen Masse erzielt wird.

Eine besonders brauchbare Ausführungsform der Erfindung erzeugt ein berechnetes Signal das der tatsächlichen Momentantemperatur der flüssigen Masse mit ihrer darüber befindlichen Dampfphase in einem geschlossenen Behälter entspricht. In dieser Vorrichtung wird ein Signal, das der gemessenen Momentantemperatur der flüssigen Masse entspricht und ein Signal, das dem Momentandruck im Behälter entspricht, verarbeitet. Diese Vorrichtung weist einen ersten Signalgeber, eine Signalmultipliziereinrichtung und eine Schleife,wie oben erläutert, auf.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Systems gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Temperatursteuereinrichtung gemäß der Erfindung, die bei einem mit einer Ummantelung versehenen Behälter vorgesehen ist, und die eine Kombination der in Fig. 1 gezeigten Baueinheiten aufweist, durch die die Wärmeübergangsrate durch die Wände des Behälters gesteuert wird.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die bei einem Behälter, der mit einem Rücklaufkondensator versehen ist, vorgesehen ist, und bei der die Wärmetauschkapazität des Kondensators durch eine Kombination der in Fig. 1 gezeigten Bauänheiten gesteuert wird.

Fig. h zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, die bei einem Polymerisationsverfahren von Styrol und Acrylonitril verwendet wird.

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Pig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, die bei einem Polymerisationsverfahren von Vinylchlorid verwendet wird.

Bei einer bevorzugten Ausfürhungsform der Erfindung weist die Recheneinrichtung ein Rechenrelais auf, das durch das Drucksignal (P) erregt ist und die Gleichung (1) T = AP + Y löst, und damit ein hierzu proportionales Signal erzeugt. Mit dem Rechnrelais ist eine Integriereinrichtung verbunden, die ein Signal (T_m), das der gemessenen Temperatur entspricht, und ein Signal (T ), das der druckkorrigierten Temperatur entspricht, verarbeitet und so die Gleichung (2) Y=B (T -T )dt

ΙΩ C

löst. Auf diese Weise wird ein hierzu proportionales Signal erzeugt, das am Rechenrelais anliegt. Die Vorrichtung kann auch eine zweite Integriereinrichtung und einen damit verbundenen Geber für das Sollwertsignal (T_n) aufweisen. Bei dieser Ausfuhrungsform ist der zweite Integrator mit dem Rechenrelais verbunden. Er verarbeitet das der druckkorrigierten Temperatur entsprechende Signal (T_n) und das Sollwertsignal (Τ_σ) und erzeugt damit ein Steuersignal, das den Differen -

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tialwerten zwischen den beiden Signalen entspricht. Der zweite Integrator ist auch mit den Wärmetauscheinrichtungen verbunden und gibt das Steuersignal für sie ab.

Die Einrichtung zur Veränderung der Temperatur der flüssigen Masse weist einen Rücklaufkondensator auf, dessen Wärmetauschkapazität mittels der Temperatursteuereinrichtung gemäß den Signalen von der Recheneinheit gesteuert wird. Ersatzweise oder zusätzlich kann die Einrichtung zum Verändern der Temperatur eine Ummantelung des Behälters aufweisen, durch die ein geschlossener Raum zwischen dem Mantel und wenigstens einem Teil der Wände des Behälters entsteht. Durch diesen Raum fließt eine wärmeübertragende Flüssigkeit, mit der die Wärmeübertragung durch die Wände des Behälters beeinflußt ist. Die Wärmetauschkapazität dieser Ausführungsform ist ebenfalls in Abhängigkeit von den Signalen der Recheneinheit durch die Temperatursteuereinrichtung gesteuert. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist der Behälter verschlossen, mit einem Rührwerk versehen und wird als Reaktionsgefäß für die Polymerisation verwendet. Ein Temperaturfühler ist so in dem Behälter angebracht, daß er die darin befindliche flüssige Masse berührt. Zum Erzeugen eines SoIl-

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wertsignals, das dann an der zweiten Integriereinrichtung anliegt, ist ein mechanischer Signalgeber vorgesehen, der die Form einer Steuerscheibe aufweist. Die Konstante A nimmt ehen Wert zwischen o,5s und 2,os an.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird der Prozeß unter folgenden Bedingungen in einem Behälter durchgeführt :

Im Behälter befindet sich eine flüssige Masse mit der darüber befindlichen Dampfphase, Der Dampfdruck (P) über der flüssigen Masse wird gemessen und ein dazu proportionales Signal erzeugt. Die Temperatur (T ) der flüssigen Masse im Behälter wird ebenfalls gemessen und ein dazu proportionales Signal erzeugt. Entsprechend einer bestimmten Temperatur, die in der flüssigen Masse gewünscht wird, liegt ein Sollwertsignal (Τ_σ) an. Aufbauend auf der Lösung der Gleichungen (1) und (2) wird ein Steuersignal (S.) erzeugt, das einem Differentialwert zwischen der tatsächlichen Temperatur der flüssigen Masse, dem berechneten, druckkorrigierten Temperaturwert (T ) und dem gewünschten Temperaturwert entspricht. Eine Ein-

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flußgröße auf die Temperatur der flüssigen Masse im Prozeßbehälter wird entsprechend dem Steuersignal (S_) verändert, um die Temperatur der flüssigen Masse so zu steuern, daß die Differentialwerte zwischen T₃ und T ein Minimum annehmen. Die Temperatur der flüssigen Masse wird auf diese Weise auf einer bestimmten, vorgegebenen Höhe gehalten.

Das Verfahren ist sehr vorteilhaft bei der Polymerisation von monomeren Verbindungen anwendbar. Die Temperatursteuerung dient der Regelung der während des Polymerisationsprozesses auftretenden Temperaturen. Im Idealfall ist das Verfahren immer dann anwendbar, wenn der Wärmeaustausch durch indirekte Wärmeübertragung auf die flüssige Masse und durch die Kondensation eines Teils der Dampfphase beeinflußbar ist. In diesem Fall ist eir. hoher Wirkungsgrad bei der Steuerung des wärmeübertragenden Mediums erzielbar. Obwohl das Verfahren bevorzugt der Prozeßsteuerung dient, ist es natürlich auch zur einfachen Temperaturbestimmung der flüssigen Masse in einem Flüssigkeit - Dampf - Prozeß verwendbar.

Fig. 1 zeigt eine Ausfürhungsform der Erfindung zur Erläuterung der grundsätzlichen Arbeitsweise. Der gestri-

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chelte Kasten zeigt einen gesteuerten Prozeß von der Art, die üblicherweise in einem geschlossenen Behälter ablaufen. Der Prozeß wird auf eine Flüssigkeit mit darüber befindlicher Dampfphase angewendet. Die Prozeßflüssigkeit ist mittels einer Einrichtung zur Wärmeübertragung beeinflußbar (d.h. die Einrichtung ist mit dem geschlossenen Behälter verbunden). Mit dieser Einrichtung wird die Temperatur der Flüssigkeit gesteuert. Der Druck im Innern des Behälters ist zu jeder beliebigen Zeit eine Funktion der Temperatur der Prozeßflüssigkeit.

Die Temperatur der Prozeßflüssigkeit und der Druck im Behälter werden gemessen und die entsprechenden Signale erzeugt, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Das der Druckmessung entsprechende Signal liegt an einer Multipliziereinrichtung an, in dem es mit einem konstanten vorgegebenen Signal eines ersten Signalgebers multipliziert wird um ein Produktionssignal zu erzeugen. Das ProduMjsignal und ein veränderliches Korrekturfaktorsignal liegen zusammen an einer Addiereinrichtung an, in der ein berechnetes Temperatursignal erzeugt wird. Das berechnete Temperatursignal wird in einem Vergleicher mit dem Signal, das der gemessenen Temperatur entspricht,

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verglichen und ein Pehlersignal erzeugt. Dieses Fehlersignal wird nach der Zeit integriert und das veränderliche Korrektursignal erzeugt. Die erste Vergleichseinrichtung, die Integriereinrichtung und die Addiereinrichtung bilden eine Schleife, in der die Beziehung zwischen der Temperatur der Prozeßflüssigkeit und dem Druck im Behälter berechnet wird. Der Fehler zwischen der berechneten und der gemessenen Temperatur ist hierdurch auf Null zu reduzieren. Das berechnete Temperatursignal wird auch mit einem Temperatursollwert verglichen, um eine Temperaturabweichung zu erkennen. Der Temperatursollwert wird in einem zweiten Signalgeber erzeugt. Die Temperaturabweichung wird in eine Temperatursteuereinrichtung eingegeben und ein Steuersignal erzeugt, mit dem die Einrichtung zum Wärmeaustausch im Prozeß so gesteuert ist, daß die Temperaturabweichung Null wird.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Temperatursteuereinrichtung gemäß der Erfindung. Die Temperatursteuereinrichtung ist mit einem Reaktionsbehälter verbunden, der in seiner Gesamtheit mit Io bezeichnet ist. Der Behälter ist mit einem Rührwerk 12 versehen. Am

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unteren Teil des Behälters Io ist ein Mantel 14 angebracht. Hierdurch wird ein Raum 16 geschaffen, durch den eine Wärmeübertragungsflüssigkeit zwischen dem Mantel Ik und den entsprechenden Teilen der Behälterwand geleitet wird.

Durch die Deckenwand 2o des Behälters Io ragt ein Temperaturfühler 18 und berührt die im Behälter befindliche flüssige Masse 22. Der Fühler 18 ist mit einem Temper atufüb ertrager 24 verbunden. Mit diesem wird ein der gemessenen Temperatur (T ) proportionales Signal über eine Pneumatikleitung 26 zu einer Anordnung von Bauelementen, der Recheneinheit, übertragen. Die Recheneinheit ist in ihrer Gesamtheit mit 28 bezeichnet. Die Recheneinheit 28 kann alle Elemente außerhalb des gestrichelten Kastens in Fig. 1 enthalten, ausgenommen die Meßeinrichtungen für Druck und Temperatur. Im Behälter Io ist ebenso ein geeigneter Meßwertwandler 3o zur Messung des Drucks (P) über der flüssigen Masse 22 angebracht. Der Meßwertwandler 3o ist mie einer Druckübertragungseinrichtung 32 verbunden. Mit dieser wird ein dem Druck im Behälter Io proporationales Signal über die Pneumatikleitung 34 zur Recheneinheit 28 übertragen.

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Im Mantel Ik des Behälters Io ist eine Einlaßleitung angebracht, die rr.it einer Wasserzufuhr verbunden ist. Durch sie WIi-¹U äsn Haum 16 zwischen Mantel und Behälter ein Wärmet aus ehr β-.ium zugeführt. Im Mantel 1*1 ist auch eine Aus la...·d situi:c 38 angebracht, um das Wasser aus dem Raun Ic wieder „-rauszuleiten. Die Durchflußmenge von Nasser ;v:reh die Leitung 36 wird durch das darin angebrachte "entil ^o geregelt. Das Ventil wird durch ein Signal, das in der Recheneinheit 28 erzeugt und über die Pneumatikleitung '42 geleitet wird, betätigt. Um einen geeigneten Wert des am Ventil ^o anliegenden Steuersignals (S^) au erhalten3 verarbeitet die Recheneinheit die über die Übertragungseinrichtungen 23 bzw. 32 ankommenden Druck und Temperatursignale und ein der ge- <■■: unseren temperatur der flüssigen Masse entsprechendes öcll»vi:,'Lsignal, das von einem nicht gezeigten Geber erzeugt wird, Das Sollwertsignal kann jedoch in der Recheneinheit 28 auch sirprogrammiert sein. Entsprechend der. an der Leitung ^2 anliegenden Steuersignal wird das Ventil ^o so eingestellt, daß eine ausreichende V.'asser-Lenre in :";-:! Kau:;· 1': fließt. Auf diese Weise wird die Temperatur c-". flüssiger. Masse 22 entsprechend dem

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Sollwertsignal eingestellt, Bei Bedarf kann in der Auslaßleitung 38 ein ähnlich arbeitendes Ventil, das ebenfalls über die Recheneinheit 28 gesteuert ist, angebracht sein.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Reaktionsbehälters, der in seiner Gesamtheit mit 50 bezeichnet ist. Der Behälter 5o weist ein Rührwerk 52, einen Temperaturfühler 54, eine damit verbundene Temperaturübertragungseinrichtung 56» einen Druckmeßwertwandler 58 und eine damit verbundene Druckübertragungseinrichtung 60 auf. Anstelle der in Pig. I gezeigten Ummantelung 12, die eine Einrichtung zum Wärmeaustausch darstellt, isb der Behälter 50 mit einem Rücklaufkondensator 62 versehen. Der Kondensator 62 weist die Einlaßleitung 64 und die Auslaßleitung 66 auf. In der Einlaßleitung 64 ist ein Ventil 68 angebracht, das über eine Pneumatikleitung 7o von einem Proportional-Integral-Regler 72 gesteuert ist.

Von der Temperaturübertragungseinrichtung 56 wird über die Pneumatikleitung 70 ein Signal, das der gemessenen Temperatur (T ) in der flüssigen Masse 73 im Behälter 5o proportional ist, zu einem zweiten Proportional-

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Integral-Regler 7β übertragen. Von der Druckübertragungseinrichtung 60 wird über die Pneumatikleitung ein Signal, das dem im 3ehälter 50 herrschenden Druck (P) proportional ist, zum Rechenrelais 80 übertragen. Das Rechenrelais 80 verarbeitet das von der übertragungseinrichtung 60 ankommende Signal und erzeugt ein druckkorrigiertes Temperatursignal (T.). Dieses Signal wird über die Pneumatikleitung 88 zu den beiden Proportional-Integral-Reglern 72 bzw. 76 übertragen. Der Proportional-Integral-Regler 76 verarbeitet das druckkorrigierte Temperatursignal (T ) vom Rechenre-

lais 80 und ein Signal der gemessenen Temperatur (T ), das von der übertragungseinrichtung 56 kommt und bestimmt den Wert der Veränderlichen (Y), die aus der Differenz der beiden Temperaturwerte abgeleitet ist. Die Steuereinrichtung 76 überträgt ein der Variablen (Y) proportionales Signal über die Pneumatikleitung zum Rechenrelais 80, wo damit der druckkorrigierte Temperaturwert (T_n)berechnet wird.

Der Proportional-Rückstell-Regler 72 verarbeitet ein im Rechenrelais 80 erzeugtes Signal, das der druckkorrigierten Temperatur (T ) entspricht, und ein Sollwert-

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signal (T„), das über die Pneumatikleitung 92 übertrapen und in einer Sollwertgebereinrichtung 82₅ z.B. einer mechanischen Steuereinrichtung mit Nocken, erzeugt wird. Der Proportional-Integral-Regler 72 stellt die Differenz zwischen dem Sollwertsignal (T_) und dem druckkorrigierten Temperatursignal fest und erzeugt ein dazu proportionales Steuersignal (S )«, Das Signal (S ) dient zur Steuerung des Ventils 68 und damit zur Regelung des Wasserflusses durch die Leitung 64 in den Kondensator 62« Der Wasserfluß steuert nun die Wärmetauschkapazität des Kondensators 62„ Der gestrichelte Kasten 28' enthält eine Anordnung von Bauelementen nach Fig. 3, die der Recheneinheit 28 in Fig. 2 entsprechen.

Aus dem Behälter 5o strömen ifie üblich Dämpfe durch die Leitung £4 in den Kondensate*? o2« Das Kondensat fließt über die Leitung 86 zum Reaktor 5o zurück. Der Rückflußdurchsatz und die von dem System abgeführte Wärmemenge hängen von der Kühlkapazität des Kondensators ab. In der gezeigten Ausführungsform hängt die abgeführte Wärmemenge von der Durchflußmenge Wasser ab.

Die Wirksamkeit des überwachungs- und Steuersystems hängt sehr stark von der Möglichkeit_s den Dampfdruck

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rasch zu erfassen, ab. Der Dampfdruck entspricht einem guten Näherungswert der in der Prozeßmasse herrschenden Temperatur. Ferner ist die Wirksamkeit von einer schnellen Vex-'besserung des Dampfdruckwertes, um eine Nichtlinearität und eine mit der Zeit veränderliche Temperatur-Druck-Beziehung zu berücksichtigen, abhängig. Sind diese Voraussetzungen gegeben, wird eine hohe Wirksamkeit erzielt. Die Druckmessung erzeugt ein schnelles Signal, das der momentan herrschenden Temperatur entspricht. Die überlagerung mit einem niedrigeren Temperatursignal erzeugt einen Korrekturfaktor, um im eingeschwungenen Zustand die Abweichung zu minimieren.

Das Steuersystem kann bei nahezu jeder Masse in einem Flüssigkeit-Dampf-Prozeß (d.h. über der flüssigen Masse befindet sich ihre Dampfphase), in dem der Dampfdruck eine Funktion der Temperatur ist und eine Steuerung der Temperatur gewünscht ist, verwendet werden. Das System erhöht die Ansprechgeschwindigkeit auf Änderungen und Abweichungen der Einflußgrößen, wie sie bei einem Arbeitszyklus vorkommen und minimiert die Instabilität und die Schwankungen der Einflußgrößen. Insbesondere treten Schwankungen als Folge des Zeitunter-

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schieds zwischen der Veränderung einer Prozeßvariablen und dem Wirksamwerden einer entgegengesetzt wirkenden Maßnahme auf. Der Mangel an Empfindlichkeit des Steuersystems bewirkt normalerweise, selbst wenn eine unerwünschte Änderung (s.E. ein Temperaturanstieg) voll ausgeglichen ist (z.B. durch erhöhte Wärmeabfuhr), daß diese Änderung nicht erkannt wird. Polglich wird die Korrekturgröße nicht sofort wieder unwirksam (z.B. wird Wärme in der ursprünglichen Menge weiter abgeführt, nachdem die Temperatur bereits auf den gewünschten Wert gesunken ist) und erzeugt einen entgegengesetzten Fehler (die Temperatur wird zu niedrig). Hierdurch pendelt der Prozeß und erreicht kaum den eingeschwungenen Zustand einer gewünschten Temperatur- bei dynamischem Betrieb. In einigen Fällen können die Korrekturgrößen im Prozeß Zustände hervorrufen, die extremer als die ursprünglichen Schwankungen sind, was ein "Davonlaufen" des Prozesses bewirkt.

Das Steuersystem findet bei den verschiedensten Prosessen Verwendung, eingeschlossen eine einfache Wärmebehandlung oder ähnliches. Besonders vorteilhaft wird das System jedoch bei exothermen Prozessen eingesetzt,

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bei denen durch eine positive Rückwirkung von Daten entsprechend der freigesetzten Wärme, eine Steuerung sehr schwierig ist. Auch bei der Steuerung von Polymerisationsvorgängen ist das System sehr wirkungsvoll einsetzbar, da sich hierbei das Material gern auf den Temperaturfühlern ablagert und mit dem Entstehen des Polymers eine Erhöhung der Viskosität verbunden ist. Diese beiden Erscheinungen beeinflussen den Wärmeübergang, der für eine genaue Steuerung der Temperatur notwendig ist, sehr nachteilig.

Besonders bei Folymerisationsreaktionen ist deren spezielle Art der Durchführung für die Erfindung nicht kritisch und kann als Blockpolymerisations-, Lösungspolymerisations- und Dispersionspolymerisat ionsverfahren in wäßriger Lösung durchgeführt werden, solange die Reakticnsmasse eine wfe'ßrige und über ihr eine dampfförmige Phase aufweist und der Druck der dampfförmigen Phase eine Punktion der Temperatur der flüssigen Phase ist. Die Anwesenheit fester Stoffe hindert normalerweise ein Steuern mit diesen Systemen nicht. Bei PoIymerisationsreaktionen weist das Verfahren leicht einen festen Stoff, einschließlich eher in der flüssigen Phase gelösten oder dispergierten kautschukartigen Phase auf.

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Beispiele von polymerisierten Verbindungen, bei denen die Reaktion gemäß der Erfindung steuerbar ist, sind Vinylidenmonomere, wie z.B. Vinylhalogenide, aromatische Monovinyliden-Kohlenwasserstoffe, und äthylenisch ungesättigte nitrile. Insbesondere von den Vinylhalogeniden können sowohl Vinylchlorid wie auch Vinylfluorid entweder als einziges Monomeres oder als monomere Hauptkomponente zusammen mit anderen damit polymerisierbaren äthylenisch ungesättigten Monomeren verwendet werden. Geeignete Comonomere sind z.B. die Vinylester organischer Säure, z.B. Vinylacetat;· die Vinyl-Halogenide z.B. Vinyliden-Chlorid; ungesättigte Nitrile, z.B. Acrylonitril; Alkylacrylatester_s z.B. Äthylacrylat und Methylmethacrylat; Maleate, Pumarate und andere.

Aromatische Monovinyliden-Kohlenwasserstoffe sind z.B. Styrol, ringsubstituierte Alkylstyrol, ringsubstituierte Halogenstyrole, Ringalkyl-Ringhalogen-substituierte Styrole, Vinylnaphtalin usw. Beispiele für andere Vinylidenmonomere, die als Basismonomere verwendbar oder mit aromatischen Monovinyliden-Kohlenwasserstoffen polymerisierbar sind, sind äthylenisch ungesättigte Nitrile wie insbesondere Acrylnitril, Methaeryl·

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nitril und Propanylnitril, alpha- oder beta-ungesättigte einbasische Säuren und deren Derivate wie z.B. Acryl- und Methacrylsäuren und -ester, Vinylester wie z.B. Vinylacetat5 Vinylpropionat, Dialkylmaleate und Fumarate usw.

Gegebenenfalls kann der Monomeren-Formulierung bis zu 15,o Sew.$ eines vorgeformten kautschukartigen Polymerisats zugesetzt werden, auf das mindestens ein Teil des polymerisierbaren Monomeren pfropfpolymerisiert ist. Hierfür im allgemeinen verwendete kautschukartige Polymerisate sind z.B. olefinische Verbindungen wie z.B. Polyäthylen, chloriertes Polyäthylen, chlorsulfoniertes Polyätiylen, Äthylen-Acrylat-Mischpolymerisate, Sthylen-Propylen-Mischpolymerisate, Äth/Len-Propylen-Dien-Terpolymerisate, Äthylen-Vinylacetat-Mischpolymerisate, natürliche Kautschuke, Polyisoprenkautschuk, Acrylatkautschuk usw., sowie deren Gemiscte. Wie bekannt ist, hängt die Eigenschaft eines kautschukartigen Polymers für einen bestimmten Verwendungszweck von den beteiligten spezifischen Monomeren ab.

Es kann jeder unter den bestimmten Reaktionsbedingungen geeignete Katalysator oder Initiator verwendet werden-,

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Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die erhöhte Geschwindigkeit und Genauigkeit der Steuerung die Durchführung der Polymerisationsreaktionen auf wirksamste Weise unter Verwendung sogenannter "schneller" oder hochaktiver Initiatoren ermöglicht. Daricdieser schnellen Initiatoren können durch wirkungsvolles Ausnützen der vorhandenen Apparatur die Kosten des Prozesses herabgesetzt werden. Außerdem entsteht dadurch ein verbessertes Produkt, da keine Reste von Initiatoren oder Nebenprodukte der Reaktion vorhanden sind. Die Bezeichnung "schneller Initiator", wie sie bei der Polymerisation von Monomeren verwendet wird, beinhaltet jeden frei radikalischen Initiator, mit einer Halbwertszeit von weniger als 2,5 Stunden bei Reaktionstemperatur. Die Halbwertszeit ist definiert durch die Zerfallsgeschwindigkeit einer o,o25 mol p^o Liter Lösung in 1,2-Dichloräthan. Bevorzugt wird eine Halbwertzeit des Initiators von weniger als 1,5 Stunden bei den gleichen Bedingungen. Besonders wirksam sind Acetylpersulfonate der Art, wie sie in der US-PS 3 3¹Jo 243 beschrieben sind, mono- und dialky!substituierte Peroxide und symmetrische Azoverbindungen. Normalerweise werden Initiatoren in einer Menge von o,oo5 bis l,o Gew.^, bezo- gen auf die polymerisierbaren Monomeren, verwendet. Die-

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" ^3o " 222108]

se Grundsätze gelten selbstverständlich auch bei anderen Reaktionen. Die Polymerisation wurde nur zu Erläuterungszwecken ausgewählt.

Die Einrichtung, mit der die Temperatur der flüssigen Masse verändert wird, kann entweder direkt oder indirekt auf die flüssige Masse einwirken. Die Temperaturregelung der flüssigen Masse durch Wärmezufuhr oder -ableitung ist auf vielfache Art durchführbar. Wie in den Zeichnungen gezeigt ist, weist die Einrichtung zum Vor ändern der Temperatur je nach Ausführungsform eine Ummantelung des Behälters und/oder einen Rücklaufkondensator auf, Darüberhinaus ist eine Temperaturregelung durch Zuführen, Entfernen oder wechselweises Zuführen und Entfernen von Reaktionsteilnehmern oder anderen Stoffen e'rzielbar, wie z.B. durch Katalysatoren, Reaktionsteilnehmer, Produkte usw. Auch sind Reagentien, die auf die Reaktion eine negative Wirkung ausüben, wie z.B. solche, die in der Lage sind, einen Katalysator zu "töten" oder unwirksam zu machen, für Steuerzwecke verwendbar.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, handelsübliche Geräte einfach in dem Steuersy-

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stem zu verwenden. Auch spezielle Bauteile, die in jedem Fall notwendig sind, können vom Fachmann leicht hergestellt werden. Die Art des Behälters für die Prozeßmasse hängt von der Art des zu verarbeitenden Materials, vom durchzuführenden Prozeß und von der Temperatursteuereinrichtung ab, Ist z.B. die Prozeßmasse eine polymerisierbare Verbindung, wie bei den erläuterten Ausführungsformen, ist der Behälter auf geeignete Weise verschlossen und weist ein Rührwerk auf (um den Wärmeaustausch in der Prozeßmasse zu optimieren). Ferner weist der Behälter eine Ummantelung oder einen Rücklaufkondensator als Steuereinrichtung der Wärmezufuhr auf. Selbstverständlich sind für verschiedene Prozeßmassen verschiedene Behälter zu verwenden.

Die Recheneinheit weist einen einfachen Digital- oder Analogrechner auf. Sie ist ebenfalls aus einer Anzahl von verschiedenen Bauteilen zusammensetzbar, wie z.B. Summiereinrichtungen, Integriereinrichtungen, Proportionalregler und ähnliche. Die einzige wesentliche Forderung an die Recheneinheit ist, daß sie die erläuterten Signale aufnimmt und verarbeitet, um die festgelegten Gleichungen zu lösen. Sie muß auch ein Signal erzeugen, auf das die Einrichtung zur Veränderung der

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Temperatur anspricht. Selbstverständlich ist die Arbeitsweise und die Art der Verbindungsleitungen zwischen den verschiedenen Fühlern, Steuereinrichtungen und Bauteilen der Recheneinheit nicht von besonderem Einfluß, Auch die Rechenoperationen können in beliebiger Form und mit beliebig geeigneten Geräten und Programmen durchgeführt werden. Diese Tatsachen sind dem Fachmann bekannt und es gibt zahlreiche Veröffentlichungen, mit denen eine geeignete Auswahl getroffen werden kann. Es ist möglich, daß die oben aufgestellten Gleichungen mit anderen Ausdrücken formuliert, und daß sie in eine andere Form kombiniert und/oder abgewandelt werden. Trotzdem liegt jede gleichwertige Beziehung oder Gleichung, mit der ein druckkorrigiertes Temperatursignal der hier erläuterten Art erzeugbar ist, im Rahmen der Ansprüche der Erfindung.

Die Gleihung, die den Wert der Konstanten A zur Druckkorrektur liefert, ist oben erläutert. Es wird angenommen, daß A eine einfache Funktion der Steigung (s) einer Temperatur-Druck-Kurve (aufgetragen mit der Temperatur als Funktion des Drucks) ist. Bevorzugt nimmt man für A einen Wert von o,5 bis 2,ο mal der Steigung der Kurve an. Im Idealfall stimmt A mit der Steigung überein. Ist A kleiner als ca. o,ls, ist die Einfluß-

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größe Druck ohne Bedeutung und die Vorteile der Erfindung werden nicht entsprechend genützt. Andererseits führt ein ungewöhnlich hoher Wert A zur Instabilität des Systems und ist damit von geringem Wert.

Die Temperaturkonstante B ist die inverse Punktion der Zeitkonstanten des Systems. Sie muß einen geeigneten Wert annehmen, damit eine zufriedenstellende Steuerung erzielbar ist. Sie muß größer sein als Null, kann jedoch sehr nahe bei Null liegen, wenn die Veränderungen im Prozeß sehr langsam erfolgen, da sie in einer Integralgleichung vorkommt. Ist der Wert B zu groß, neigt das Steuersystem zur Instabilität. Die Zeitkonstante ist ein bei der Prozeßsteuerung wohlbekannter Begriff. Sie ist definiert (siehe Process Instruments and Control Handbook, Considine, First Edition) als die Zeit eines Änderungsschritts, der innerhalb von 1/e der Gesamtveränderung möglich ist (angenähert 63»2$ der Gesamtveränderung) . Für die vorliegenden Erläuterungen gilt: Wird ein Änderungsschritt der tatsächlichen Temperatur des Prozesses durchgeführt, entspricht die Zeitkonstante des Systems der Zeit, die notwendig ist, um die gemessene Temperatur um 63_} 2% der Differenz zwischen ihrem Wert vor dem Änderungsschritt und ihrem Zielwert der tatsächlichen Temperatur, der durch die Änderung erreicht werden soll, zu verändern.

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Die Einrichtungen zum Peststellen der Temperatur und des Drucks in der Prozeßmasse sind ebenfalls handelsübliche Bauteile. Ihre Form hängt von der Prozeßmasse und der Recheneinrichtung ab und ist entsprechend veränderbar. Die benötigten FühTereinrichtungen können sowohl Einzelbauteile, mit denen die gewünschte Größe festgestellt und ein dazu proportionales Signal erzeugt wird, als auch zusammengesetzte Bauteile sein. Bei letzteren übernehmen verschiedene Bauteile die einzelnen Punktionen; z.B. ist ein Meßfühler mit einer Übertragungseinrichtung verbunden.

Normalerweise werden geeignete Meßwertumwandler verwendet; so sind z.B. Temperaturmessungen einfach mit einer geeigneten Heißleiter-Brücken-Anordnung durchzuführen. Obwohl normalerweise die Temperaturmessung bei Berührung der flüssigen Phase der Prozeßmasse erfolgt, ist dies keine wesentliche Voraussetzung. Der Temperaturfühler kann auch oberhalb der flüssigen Masse vorgesehen sein. Bei der erstgenannten Anordnung sind jedoch die besten Ergebnisse erzielbar. Die Auswahl der Einrichtungen zum Verbinden der verschiedenen beteiligten Bauteile des Steuersystems hängt von den Bauteilen ab. Es sind Pneumatik- oder HydraulikleiOungen oder auch

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elektrische Leitungen verwendbar. Normalerweise ist bei dem Steuersystem eine Kombination von zwei oder mehr verschiedenen Arten von Leitungen möglich.

Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der wesentlichen Eigenschaften und der Anwendung der Erfindung. Sie stellen keinerlei Begrenzung dar, sondern sind als Auswahl zur Erläuterung der Erfindung anzusehen. Alle erwähnten "Teile" sind Gewichtsteile_s wenn nicht anders erwähnt.

BeJSp_-JeI_-I

In einem gut isolierten_s verschlossenen Reaktionsbehälter, der ein Rührwerk und eine Ummantelung aufweist, und der mit Einlaßöffnungen im Mantel für Dampf und Kaltwasser versehen ist, wird Wasser erhitzt, In das Wasser taucht ein Temperaturfühler ein, der mit einem Proportionsregler pneumatisch verbunden ist. Am Regler liegen Signale vom Temperaturfühler und von einer Einrichtung zur Veränderung des Sollwerts an. Die Vierte werden im Regler verglichen. Darauf erzeugt er ein Signals das dem Differential zwischen der festgestellten Temperatur und dem Sollwert proportional ist. Durch dieses Signal werden in den Zuleitungen für Dampf bzw. KaIt-

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wasser Ventile geöffnet oder geschlossen. Damit wird die Wassertemperatur auf einen Sollwert eingeregelt. Nach einem Erhitzen des Wassers auf 12o°C wird der Sollwert auf 125° angehoben. Die gemessene Temperatur steigt langsam innerhalb von ca. 4,5 Minuten auf ca. 126,5° an. In den folgenden drei Minuten fällt sie auf 325°, fällt weiter und erreicht nach ca. 9>5 Minuten nach dem Verstellen des Sollwerts den Wert von ca. 12^,5°. Hierauf steigt die Temperatur wfeder an. Nach insgesamt 13 Minuten ist die gewünschte Temperatur erreicht.

In einem Vergleichsversuch wird nun ein Steuersystem gemäß der Erfindung (siehe die Ausführungsform nach Fig. 2) vorgesehen. Es werden die gleichen Geräte ver wendet, zusäi?zlich ist jedoch eine Recheneinheit 28 vorgesehen, und der Behälter weist einen Druckfühler auf, mit dem der Dampfdruck über dem Wasser gemessen und übertragen wird. Der Rechner verarbeitet die gemessenen Druck- und Temperaturwerte und erzeugt ein proportionales, druckkorrigiertes Temperatursignal, das am Proportionalregler anliegt. Anstatt nun das Sollwertsignal mit der direkt gemessenen Temperatur zu vergleichen, vergleicht der Proportionalregler bei

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dieser Versuchsanordnung den Sollwert mit einer druckkorrigierten Temperatur. Die Recheneinheit ist so programmiert, daß die Gleichungen (1) und (2) gelöst werden. Die für die Konstanten A und B eingesetzten VJerte betragen 1,16 bzw. o,l (die Steigung der Temperatur-Druck-Kurve beträgt für Wasser 1,16°C pro psi (1 psi entspricht 72 Gramm pro cm ), die Zeitkonstante des Systems beträgt eine Minute; A entspricht also der Steigung und B ist größer als Null und kleiner als Io t~ ).

V/ie bereits erläutert, wird nach dem Erhitzen auf 12o°C der Sollwert auf 125° erhöht. Ilach ca. 1,5 Minuten wird im System ein druckkorrigierter Temperaturwert etwas höher als 125° festgestellt. Zwei Minuten nach dem Verstellen fällt der Wert leicht unter 125°. Hierauf bleibt die Temperatur ohne weitere wesentliche Schwankung auf dem gewünschten Wert. Obwohl der Versuch mit der direkten Messung optimal ausgelegt ist, während das bei dem Versuch mit der druekkorrigierten Temperatur nicht der Fall ist, erreicht man in letzterem einen der gewünschten Temperatur sehr nahe liegenden und im wesentlichen konstanten Wert ca. L,5 Minuten nach einer Änderung. Tm ernten B'all ist ein vergleichbares Ergebnis erst nach einer Zeitspanne von 13 Minuten erreicht. Jeder

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Prozeßj bei dem das Steuersystem gemäß der Erfindung verwendet wird, weist daher den Vorteil auf, daß sich Temperaturwerte einstellen, die sehr schneLL und genau der stattfindenden tatsächlichen Veränderung foLgen, Damit ist eine bessere Steuerung des Prozesses als bisher möglich.

Beisp.iel_II

Ein mit einer Ummantelung versehener Reaktionsbehälter, der einen Rückflußkühler aufweist, ist mit loo Teilen Wasser, 60 Teilen Styrol, }o Teilen Acr/lonitriL, o,l Teil t-Dodecylmercaptan, o,25 Teilen Natriumchlorid, o,o5 Teilen Di-t-butylperoxid und o,l Teil di-t-ßutylp-cresol beschickt. Dem Inhalt wird durch Sieden unter Inertgasatmosphäre der Sauerstoff entzogen. Hierauf wird er zuerst unter Rühren unter Inertgas erhitzt, dann wird unter Rühren das Erhitzen mit erhöhtem Druck Ie:; Schutzgases fortgesetzt. Es erfoLgt eine Polymerisation ler Monomere in einem Zeit-Teirperatur-Zyklus von 2 stunden bei LlO⁰C, 2 Stunden bei LH5^C)O, 3 Stunden bei ! >n°r; und '.I Stunden bei l^l\^r> C. IHhrend der Po Ly/.^-ri >'it ions reakt ion W;?rcien lern Re'ikt ion?;gemisch folgende ₍'i,.-. "t ^r;v. zugegeben,

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(1) bei 26% Umwandlung: 3 Teile einer l$igen wässrigen Lösung eines Acrylsäure 2-/ithylhexylacrylat-Mischpolynerisats mit einem Acrylsäureanteil von insgesamt 93,5 - 98,5 mol£.

(2) zwischen ¹Jo^ und 9o$ Umwandlung: kontinuierliche Zu-Cabe von Io Teilen Styrol.

(3) bei 4o/a Umwandlung: o,l Teil t-Dodecylmercaptan. (k) bei Gor Umwandlung: o,l Teil t-Dodecylmercaptan.

Die Polymerisation ist bei 9$% Umwandlung beendet. Unverbrauchte Monomere werden abdestilliert, das Produkt abgekühlt, entwässert, gewaschen und getrocknet. Die verwendete Apparatur und das Steuersystemfür diese diskontinuierliche Suspensionspolymerisation von Styrol-Acrylnitril-Ilischpolynerisat entspricht der in Pig. ¹I gezeigten Ausführungsform. Die Berechnung der druckkorrigierten Temperatur wird mit Bauteilen, wie sie in Fig. 1 und 3 gezeigt sind, durchgeführt. Als Ausnahme sind hier bein: gleichen Reaktor Kühlmantel und Rücklaufkondensator vorgesehen. Die Temperatur der flüssigen Masse im Reaktor zeigt während des Ablaufs eine Schwankung von i O₃IR⁰C. . . - · .

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Beisgiel_III

Ein mit einer Ummantelung versehener Reaktionsbehälter der einen Rückflußkühler und eine Einrichtung zum Einspritzen von Wasser aufweist, ist mit 150 Teilen Wasser mit einer Temperatur von ca. 55 - 60⁰C und mit einer l,o ; 1,0-Mischung von Zelluloseester und teilweise hydrolisiertem Polyvinylacetat beschickt. Bei den Zelluloseestern handelt es sich um eine Hydroxypropylmethyl-Zellulose,deren 2%ige wässrige Lösung eine Viskosität von ca. 5o cP bei 2o°C aufweist, wie sie von "The Dow Chemical Company" unter dem Warenzeichen "METHOCEL 65 HG" in den Handel gebracht wird. Das hydrolisierte Polyvinylacetat weist einen Restacetatgehalt von 35$ auf und hat in einer M%igen wässrigen Lösung eine Viskosität von ca. Io cP bei 2o°C. Es ist unter dem Warenzeichen "GELVATOL D 369" von Monsanto Company im Handel. Eine Kombination von Suspensionsmitteln wird in einer ausreichenden Menge zugegeben, sodaß ca. 0,085 Teile davon vorhanden sind. Hierauf werden o,l6 Teile Sorbitan-Monolaurat-Surfactant (SPAN 2o, ein Erzeugnis der Atlas Chemical Industries Inc.) zugegeben und das Gemisch mit einer geringen Menge eines Hitzestabilisators (2,6-Di-tert,-butyl-p-cresol) verrührt.

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Der Reaktionsbehälter wird darauf entlüftet und zusätzlich mit 15o Teilen eines Vinylchlorid Monomeren beschickt. Hierauf wird eine Lösung von Diisop^pyl-Peroxydikarbonat in Diäthylmaleat unter Rühren zugegeben. Diese ergibt ca. o,o48 Teile Initiator. Unmittelbar hierauf beginnt die Polymerisation, wobei die dafür notwendige Wärme von dem anfangs eingefüllten Wasser abgegeben wird.

Während der ersten Stufen der Polymerisation wird in den Behältermantel ein Kühlmittel, z.B. Leitungswasser, eingeleitet, um darin die Temperatur bei 54°C mit einer Abweichung von o,25° zu halten. Nach ungefähr einer Stunde und nachdem ca. 13% der polymerisierbaren Monomere in ein Polymer umgewandelt sinc._s wird der Rückflußkühler in das System eingeschaltet, indem Kühlwasser durchgeleitet wird, wobei der Kühler zum Reaktionsgefäß hinständig offen war. Die Reaktion läuft dann zweieinhalb bis zweidreiviertel Stunden weiter, bis etwa 75 ₃o bis 80,o# der Monomere polymerisiert sind. Zu diesem Zeitpunkt ereignet sich der sogenannte "Hitzeschlag" - im englischen "heat kick" genannt- und es werden schlagartig etwa o,2 1 Wasser pro o,45 kg Polymerisationsgemisch in den Reaktor eingespritzt. Es wird ein kurzer Temperaturanstieg um ca. o,5°C beobachtet. Das einge-

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spritzte Wasser senkt die Temperatur wieder auf 54⁰C. Diese Temperatur wird nun für eine weitere halbe bis dreiviertel Stunde im wesentlichen konstant gehalten. Die Reaktion läuft weiter, bis ca. 92% der Monomere umgesetzt sind. Das Harz wird aus dem Reaktionsgemisch gewonnen. Etwas davon dient zur Herstellung von Proben für die Bewertung.

Etwas Harz wird mit einem Weichmacher, einem Pigment und einem Stabilisator in einem Brabender Test gemischt, um Formproben von ca. 1/2 Gramm Gewicht für eine optitische Beurteilung zu erhalten. Die Testmuster erreichen einen Durchschnitt vonIo "Fischaugen" (engl. "fish eyes"), ein Wert, der beträchtlich unter dem Maximum von 35 liegt, wie es für handelsübliche Harze, die mit einem üblichen Suspensionspolymerisationsverfahren hergestellt sind, festgelegt ist. Die spezifische Viskosität einer Lösung von o,4 Gramm in loo ml Cyclohexan beträgt o,48, die Schüttdichte beträgt o,48 g/cm . Messungen der Porösität zeigen bei diesen Harzen eine um 155& höhere Porösität als bei Harzen, die mit einem üblichen Suspensionspolymerisationsverfahren hergestellt sind.

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Eine Siebanalyse (U.S. Standard Sieb) der mit dem Verfahren hergestellten Perlen ergab folgende Werte.

Sieb	Siebrückstand	0	27
(Maschenzahl / 2.5cm)	(50	2	Ho
Ho	25
60	5
80	1
loo
IMo
2oo
Bodentrommel

Die Apparatur und das Steuersystem sind in Fig. 5A und

Pip.
5B gezeigt./5A zeigt eine Gesamtanordnung der Apparatur für die diskontinuierliche Suspensionspolymerisation von Vinylchlorid. Fig. 5B zeigt Einzelheiten des Verfahrens, bei dem ein berechneter Wert, welcher der tatsächlichen Momentantemperatur der flüssigen Masse im Reaktor entspricht, verwendet wird, um die tatsächliche Temperatur mit einer Temperatursteuereinrichtung schrittweise zu steuern. Die verschiedenen Steuereinrichtungen wie für die Temperatur im Kühlmantel, für den Betrieb des Rückflußkühlers und die Wasserzugabe von außen wer-

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-HH-

den damit gesteuert. Die Berechnung der druckkorrigierten Temperatur erfolgt mit den in Pig. I und 3 gezeigten Bauteilen. Abweichend davon erfolgt bei diesem Verfahren die Steuerung der Temperatur im Reaktor durch einen Kühlmantel, einen Rücklaufkondensator, und durch die Zugabe von Kühlwasser. Die Temperatur der flüssigen Masse im Reaktor zeigt während des Arbeitszyklus eine Abweichung von + ο,15 ⁰C.

Die Erfindung schafft also ein System zur dynamischen Steuerung der Temperatur der flüssigen Masse in einem Flüssigkeit-Dampf-Prozeß auf einen bestimmten Wert. Zum Erzeugen von Signalen, die dem Druck und der Temperatur im Behälter mit der flüssigen Masse entsprechen, werden Temperatur und Druckfühler verwendet. Das Drucksignal wird mit einem Umwandlungsfaktor umgeformt und so ein berechnetes Temperatursignal erzeugt. Das berechnete Temperatursignal wird mit dem Signal von Temperaturfühlern verglichen, wobei der Umwandlungsfaktor automatisch korrigiert wird. Das berechnete Temperatursignal und ein Solltemperatursignal werden verglichen und so ein Fehlersignal erzeugt, das an einer Temperatursteuereinrichtung anliegt, die wiederum die Wärmetauscheinrichtungen,mit denen die Temperatur der flüssigen Masse geregelt wird, steuert.

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Claims

Patentansprüche

( 1·)Verfahren zur Steuerung der Temperatur einer Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter zu einem beliebigen Zeitpunkt mittels einer Steuereinrichtung, wobei der Behälter betriebsmäßig mit Wärmetauscheinrichtungen versehen ist und eine flüssige Masse mit ihrer darüber befindlichen Dampfphase enthält, wobei zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Momentantemperatur der flüssigen Masse ein systemeigener Zeitunterschied auftritt, wobei aber der Zeitunterschied zwischen dem gemessenen und demtatsächlichen Momentandruck vernachlässigbar ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(A)gleichzeitiges und im wesentlichen unabhängiges, stetiges Erzeugen von Bezugssignalen, die der gemessenen Momentantemperatur (T_1n) der flüssigen Masse und dem gemessenen Momentandruck entsprechen.

(B)Multiplizieren des so erhaltenen Drucksignals mit einem konstanten Signal und durch Hinzuaddieren eines

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veränderliehen Korrekturfaktorsignals, wodurch ein berechnetes Temperatursignal (T ) erzeugt wird, das der tatsächlichen Temperatur der flüssigen Masse entspricht.

(C)Vergleichen des berechneten Temperatursignals mit einem Solltemperatursignal (T„), das einer gewünschten Temperatur der flüssigen Masse entspricht, wodurch ein Pehlersignal erzeugt wird, das an der Temperatursteuereinrichtung anliegt und ein Steuersignal (S₀) hervorruft, das die Wärmetauscheinrichtungen in Betrieb setzt, und damit den Unterschied zwischen dem berechneten Temperatursignal und dem Solltemperatursignal zu Null macht, und

(D)Erzeugen des veränderlichen Korrektursignals (Y), indem zuerst das gemessene Temperatursignal (T ) mit dem berechneten Temperatursignal (T„) verglichen und das resultierende Differenzsignal nach der Zeit integriert wird.
2. Vorrichtung zum Erzeugen eines berechneten Signals, das der tatsächlichen Momentantemperatur einer flüssigen Masse, über der sich ihre Dampfphase befindet,

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in einem geschlossenen Behälter entspricht, wobei in der Vorrichtung sowohl ein Sgnal, das der gemessenen Momentantemperatur der flüssigen Masse, wie auch ein Signal, das dem Momentandruck im Behälter entspricht, verarbeitet wird, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(A)eine Einrichtung zum Erzeugen eines konstanten Vorwahlsignals (T₃),

(B)eine Signalmultipliziereinrichtung zur Multiplikation
eines Momentandrucksignals mit dem konstanten Vorwahlsignal, um ein Produktsignal zu erzeugen,

(C)eine Signalvergleichseinrichtung
(D)eine Signalintegriereinrichtung
(E)eine Signaladdiereinrichtung

(F)eine betriebsmäßige Verbindung der Vergleichseinrichtung, der Integriereinrichtung und der Addiereinrichtung zu einer Schleife (28), an der als Eingangssignal im wesentlichen das Produktsignal und ein Signal entsprechend

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der gemessenen Momentantemperatur (T ) anliegt, und deren Ausgangssignal dem gewünschten berechneten Temperatursignal (T ) entspricht.

(G)die Summierung des Produktsignals und des veränderlichen Korrektursignals in der Signaladdiereinrichtung, um das gewünschte Signal zu erzeugen.

(H)ein Vergleichen des gewünschten Signals mit einem Signal entsprechend der gemessenen Momentantemperatur (T ) in der Signalvergleichseinrichtung, um ein Pehlersignal zu erzeugen und

(I)eine Integration des Fehlersignals in der Integrationseinrichtung nach der Zeit, um das veränderliche Korrektursignal (Y) zu erzeugen.
3. Vorrichtung zum Erzeugen eines Fehtrsignals, das der Differenz zwischen einer gewünschten Temperatur und einem berechneten Wert der tatsächlichen Momentantemperatur einer flüssigen Masse, über der sich ihre Dampfphase befindet, in einem geschlossenen Behälter, wobei das Fehlersignal eine Temperatursteuereinrichtung steuert, wobei in der Vorrichtung Signale der gemessenen Momentantemperatur der flüssigen Masse

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und des Momentandrucks im Behälter verarbeitet werden, und wobei die Temperatursteuereinrichtung betriebsfähig am Behälter vorgesehen ist und die ebenfalls betriebsfähig, mit dem Behälter verbundenen Wärmetauscheinrichtungen steuert, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(A) einen ersten Signalgeber zum Erzeugen eines konstanten Vorwahlsignals,

(B)eine Signalmultipliziereinrichtung in der ein Momentandrucksignal mit dem konstanten Vorwahlsignal multipliziert wird, um ein Produkt, signal zu erzeugen.

(C)einen zweiten Signalgeber zum Erzeugen eines Sollsignals (T_o) das einer vorgewählten Temperatur der flüssigen Masse entspricht,

(D)eine erste Signalvergleichseinrichtung, (E) eine Signalintegriereinrichtung, (F)eine Signaladdiereinrichtung,

(G)eine betriebsmäßige Verbindung der ersten Signalvergleichseinrichtung, der Signalintegriereinrichtung

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" ⁵° ■ 2271081

und der Signaladdiereinrichtung zu einer Schleife,
an der als Eingangssignal im wesentlichen das Produktsignal und ein Signal entsprechend der gemessenen Momentantemperatur (T_m) anliegt, und deren Ausgangssignal ein berechnetes Signal (T ) ist, das der tatsächlichen Momentantemperatur der flüssigen Masse im Behälter entspricht, wobei

(1) die Signaladdiereinrichtung,das Produktsignal
und ein veränderliches Korrekturfäktorsignal zu einem berechneten Signal summiert,

(2) die erste Vergleichseinrichtung das berechnete
Signal mit einem Signal entsprechend der gemessenen Momentantemperatur vergleicht, und ein erstes Pehlersignal erzeugt,

(3) die Integriereinrichtung das erste Fehlersignal nach der Zeit integriert und so das veränderliche Korrekturfaktorsignal (Y) erzeugt, und

(H)eine zweite Signalvergleichseinrichtung, die das berechnete Signal (T„) mit dem Sollsignal (T ) vergleicht und so ein zweites F«hlersignal, nämlich das ge^unsch- «te Pehlersignal, erzeugt.

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k. Vorrichtung zur dynamischen Steuerung der Temperatur einer flüssigen Masse auf einen bestimmten, vorgewählten Wert bei einem Flüssigkeit-Dampf-Prozeß, der in einem bestimmten Bereich durchgeführt wird, und bei dem die Temperatur eine Punktion des Drucks ist, bei dem ferner ein systemeigener Zeitunterschied zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Momentantemperatur der flüssigen Phase besteht, während der Zeitunterschied zwischen dem gemessenen und dem tatsächlichen Momentandruck in dem Bereich im wesentlichen vernachlässigbar ist, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(A)einen Behälter (lo,5o) zum Aufnehmen einer flüssigen Masse, über der sich ihre Dampfphase befindet,

(B)eine Einrichtung zur Druckerfassung, die eine erste Messeinrichtung (3o,58) aufweist, mit der der Momentandruck im Behälter gemessen wird, und die eine damit betriebsfähig verbundene Signalgebereinrichtung (32,6o) aufweist, die ein Signal, das dem mit der ersten Meßeinrichtung festgestellten Druck entspricht, erzeugt.

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(C)eine Einrichtung zur Temperaturerfassung, die sowohl eine zweite Meßeinrichtung (18,5*1) für die Momentantemperatur im Behälter (lo), wie auch eine damit betriebsmäßig verbundene Signalgebereinrichtung (2¹I, 56) aufweist, die ein Signal, das der mit der zweiten Meßeinrichtung festgestellten Temperatur entspricht, erzeugt,

(D)eine Wärmetauscheinrichtung (14,16,62) zum Regeln der Temperatur der flüssigen Masse,

(E)eine Temperatursteuereinrichtung (28,ho) zum Steuern und in Betrieb setzen der Wärmetauscheinrichtung,

(P)eine erste Signalgebereinrichtung zum Erzeugen eines konstanten Vorwahlsignals,

(C)eine Signalmultipliziereinrichtung (8o) zum Multiplizieren des Momentandrucksignals mit dem konstanten Signal, um ein Produktsignal zu erzeugen,

(II)eine zweite Signalgebereinrichtung zum Erzeugen eines Sollwertsignals, das einer vorgewählten Temperatur der flüssigen Masse entspricht,

(I)eine erste Signalvergleichseinrichtung,

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(J)eine Signalintegriereinrichtung, (K)eile Signaladdiereinrichtung,

(L)eine betriebsfähige Verbildung der ersten Signalvergleichseinrichtung, der Signalintegriereinrichtung und der Signaladdiereinrichtung zu einer Schleife, an der als Eingangssignal im wesentlichen das Produktsignal und ein Signal entsprechend der gemessenen Momentantemperatur anliegt, deren Ausgangssignal ein berechnetes Signal ist, das der tatsächlichen Momentantemperatur der flüssigen Masse im Behälter entspricht, wobei

(1) die Signaladdiereinrichtung das Produktsignal und ein veränderliches Korrektur faktor signal zujäem berechneten Signal summiert,

(2) die erste Vergleichseinrichtung das berechnete Signal mit einem Signal entsprechend der gemessenen Momentantemperatur vergleicht und ein erstes Pehlersignal erzeugt,

(3) die Integriereinrichtung das erste Fehlersignal nach der Zeit integriert und so das veränderliche Korrekturfaktorsignal erzeugt, und

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(M)eine zweite Signalvergleichseinrichtung, die das berechnete Signal mit dem Sollsignal vergleicht und ein zweites Pehlersignal erzeugt, das die Temperatur steuereinrichtung erregt und damit die gewünschte Steuerung der Temperatur der flüssigen Masse erreicht.

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