DE2224637C3 - Regelanordnung zur Optimierung einer Produktkenngröße bei einem Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen - Google Patents

Description

11. Regelanordnung nach Anspruch 4 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße des Temperaturreglers (112, 114; 112', 114') die Menge an jeder Reaktionszone zugeführtem überhitztem Wasserdampf ist.

12. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Reformierverfahren die auf einem Zielwert zu haltende Produktkenngröße die Octanzahl ist.

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung zur Optimierung einer Produktkenngröße unter Einhaltung eines Zielwertes für eine weitere Produktkenngröße bei einem Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Es ist eine derartige Regelanordnung bekannt (US-PS 97 449), die einen mit einem mathematischen Prozeßmodell arbeitenden Prozeßrechner enthält, welcher als Anpassungsrechner auch am Prozeßausgang abgenommene Produktkenngrößen berücksichtigt. Die bekannte Regelanordnung hat den Nachteil, daß man das Prozeßmodell kennen muß. Bei vielen Verfahren zur

Umwandlung von Kohlenwasserstoffen ist es nicht möglich, ein so genaues Prozeßmodell anzugeben, daß auch geringe Beeinflussungen der Verfahrensbudingungen, welche gemäß der Zielsetzung der Au:neldung für die Optimierung einer Produktkenngröße bei Einhaitung eines Zielwertes für eine andere Produktkenngröße vorgenommen werden, erfaßt werden. So hangen allein viele Polymerisationsreaktionen von unwägbaren Einflüssen ab, wie sie das Material des Reaktionsgefäßes darstellt: Oftmals ist es nicht möglich, beispielsweise einen zu Versuchszwecken in einem Glasbehälter in halbtechnischem Maßslab durchgeführten Verfahrensablauf in einem Behälter gleichen Maßstabes aus metallischem Werkstoff zu reproduzieren. Beispielsweise wird bei der bekannten Regelanordnung die Annahme getroffen, daß sich keine wesentlichen Anteile an Koksablagerungen oder Leckströmen ergeben. Für den Bereich, in welchem vorliegend- optimiert werden soll, können aber selbst diese geringen Anteile durchaus wesentlich sein.

Es sind auch Regelanordnungen bekannt (S c h i η k, »Projektierung von Regelanlagen«, VDI-Verlag Düsseldorf 1970, Seiten 3 und 14-17), welche im Suchverfahren arbeiten. Bis jetzt wird in der verfahrenstechnischen Praxis, insbesondere der chemischen Industrie, im wesentlichen nur das Modellverfahren angewendet, gegebenenfalls in der Modifikation als Modeliverfahren mit Anpassung, während das Suchverfahren bisher auf Einzelfälle beschränkt ist. Das Suchverfahren arbeitet grundsätzlich mit kleinen Änderungen sämtlicher das Verfahren beeinflussender Bedingungen. Hier besteht für eine Regelanordnung zur Optimierung einer Produktkenngröße unter Einhaltung eines Zielwertes für eine weitere Produktkenngröße bei einem Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen das Problem, einen Zielwert für eine Produktkenngröße einzuhalten, ohne die Arbeitsweise der Regelanordnung im Suchverfahren zu behindern.

Es sind auch Regelanordnungen bekannt, welche mit einem nach einem Modell arbeitenden Prozeßrechner ausgestattet sind, der ein Anpassungsrechner ist, d. h. ein Prozeßrechner, der zwar nach dem Modellverfahren arbeitet, das Modell aber nach gemessenen Prozeßausgangsgrößen korrigiert. Ist das Prozeßmodell relativ grob, was in sehr vielen Fällen auf dem Gebiet der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen der Fall ist, so kann es durch sehr kleine Änderungen der Prozeßausgangsgrößen nicht in der notwendigen Feinheit angepaßt werden.

Es ist auch eine Regelanordnung für ein Verfahren bekannt (DT-OS 19 45 643), bei dem eine hundertprozentige Umsetzung des Einsatzgutes erzielt werden soll. Bei dieser bekannten Regelanordnung wird zur Verkürzung der Totzeit einer Regelstrecke für die Regelung der Reaktortemperatur über den Flüssigkeitsstand der letzten Fraktionierungssäule einem Summierungsrelais ein Wert aufgeschaltet, der der Fließrate des Ergänzungswasserstoffes entspricht und welcher schneller auf Temperaturänderungen im Reaktor anspricht. Mit Hilfe dieser bekannten Regelanordnung wird zwar die Einhaltung einer hundertprozentigen Umsetzung des Einsatzgutes angestrebt, es findet jedoch keine Optimierung des Benzinausstoßes statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche in einfacher Weise und ohne Kenntnis eines Prozeßmodells bei einem Verfahren zur Umwandlung; von Kohlenwasserstoffen die Optimierung einer Produktkenngröße gestattet, ohne die unbedingt gewünschte Einhaltung eines Zielwertes für eine andere Produkthenngröße hierdurch zu gefährden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Regelanord nung gemäß Anspruch 1.

Die erfindungsgemäße Regelanordnung ist besonders vorteilhaft in den Bereichen, in welchen der Verfahrensablauf bereits in der Nähe optimaler Werte stattfindet, d. h. wo vorzunehmende Änderungen der Verfahrensbedingungen für eine weitere Verbesserung sehr klein und in einer technischen Anlage schwer genau zu bestimmen sind. In diesem Falle müssen Regelanordnungen, welche mit einem nach einem Modell arbeitenden Prozeßrechner ausgestattet sind, versagen, selbst wenn es sich um einen Anpassungsrechner handelt, d. h. einen Prozeßrechner, der zwar nach dem Modellverfahren arbeitet, das Modell aber nach gemessenen Prozeßausgangsgrößen korrigiert. Ist das Prozeßmodell nämlich relativ grob, was in sehr vielen Fällen auf dem Gebiet der Umwandlung von Kohlenwasserstoffen der Fall ist, so kann es durch sehr kleine Änderungen der Prozeßaus-'gangsgrößen nicht in der notwendigen Feinheit angepaßt werden. Mit Hilfe der Erfindung gelingt es, die kumulative Wirkung aller Änderungen der Verfahrensbedingungen zu verbessern. Die erfindungsgemäße Regelanordnung hält das Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen durch an sich äußerst verwickelt und umständlich durchzuführende, viele kleine Änderungen der Betriebsweise und hinreichend genaue Feststellung von deren Wirkungen in einfacher, sicherer und wirtschaftlicher Weise ständig bei optimalen Bedingungen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Regelanordnung werden weiter durch das angeführte Beispiel einer Reformierung zahlenmäßig belegt.

Bei der Konzeption der erfindungsgemäßen Regelanordnung mußte eine Schaltung gefunden werden, welche die Einhaltung eines Zielwertes für eine Produktkenngröße gestattet, ohne die Arbeitsweise der Regelanordnung im Suchverfahren zu behindern. Dies wird erreicht durch die Kombination des von dem Prozeßrechner aus dem Meßwert der zu optimierenden Produktkenngröße errechneten Signals mit dem von dem Sollwertgeber aus dem Vergleich des Meßwertes der auf einem Zielwert zu haltenden Produktkenngröße mit deren Sollwert ermittelten Signal und Weitergabe des so kombinierten Signals an die jeweiligen Regler für die Verfahrensbedingungen, welche die Betriebsschärfe beeinflussen.

Ein typisches Umwandlungsverfahren, für welches die neue Regelanordnung geeignet ist, ist die katalytische Reformierung, bei der eine Schwerbenzinfraktion in Anwesenheit von Wasserstoff in eine Reaktionszone geleitet wird, die Edelmetallkatalysatoren enthält. Ein anderes Verfahren, bei dem die Erfindung vorteilhaft Anwendung finden kann, ist die Dehydrierung von Äthylbenzol zu Styrol. Als weitere Beispiele seien genannt: Die thermische Krackung, die katalytische Krackung, die thermische oder katalytische Hydrokrakkung, die Isomerisierung, die Alkylierung, die Polymerisation.

Bei der Reformierung laufen im wesentlichen vier Hauptreaktionen ab: (1) die Dehydrierung von Naphthenen zu Aromaten, (2) die Dehydrocyclisierung von Paraffinen zu Aromaten, (3) die Hydrokrackung von Kohlenwasserstoffen höheren Molekulargewichts zu Kohlenwasserstoffen tieferen Molekulargewichts, und (4) die Isomerisierung von Normalparaffinen zu

lsoparaffinen gleichen Molekulargewichts. Jede dieser vier Reaktionen führt zu einer Umwandlung von niederoctanigen Kohlenwasserstoffen zu hochoctanigen Kohlenwasserstoffen, dabei hat jedoch jede Reaktion einen unterschiedlichen Einfluß auf die s Flüssigkeitsausbeute. Es besteht ein ausgeprägtes Interesse der Technik nach einer solchen Steuerung der Betriebsschärfe, die es erlaubt, sowohl die Octanzahl des Produktes als auch die Flüssigkeitsausbeute so groß wie möglich und die Erzeugung von paraffinischen Gaskom- ι ο ponenten, d. h. Methan, Äthan und Propan, so gering wie möglich zu machen.

Die Dehydrierung von Naphthenen zu Aromaten wird durch niedrigen Druck begünstigt. Die Dehydrocyclisierung von Paraffinen zu Aromaten wird durch niedrigen Druck und hohe Temperatur begünstigt. Die Hydrokrackung wird durch hohen Druck, hohe Temperatur und lange Verweilzeit des Einsatzmaterials am Katalysator begünstigt. Die Isomerisierung wird durch mittlere Temperaturen und einen Katalysator, der einen viel höheren Halogengehalt hat, als er normalerweise zur Anwendung kommt, begünstigt. Da aromatische Kohlenwasserstoffe höhere Octanzahlen haben, als andere Kohlenwasserstoffe entsprechenden Molekulargewichts, besteht die Neigung, katalytische Reformiereinrichtungen bei vergleichsweise hohen Temperaturen und niedrigen Drücken zu fahren, um den Aromatengehalt des Benzins zu erhöhen. Für eine solche Betriebsweise werden gewöhnlich Temperaturen im Bereich von 454 bis 566⁰C und Drücke im Bereich von 7,8 bis 28 atm angewendet.

Beim Betrieb der katalytischen Reformicranlage wird die Octanzahl des Produkts laufend überwacht. Wenn das Produkt die vorgeschriebene Octanzahl nicht erfüllt, werden beim Stand der Technik zur Kompensicrung die Reaktionsbedingungen von Hand nachgestellt.

Gewöhnlich werden Rcformieranlagen mit einer etwas höheren als der erforderlichen Temperatur gefahren, um sicherzustellen, daß das Benzin der vorgeschriebenen Octanzahl-Spczifikation genügt. Dies bedeutet eine beträchtliche Verteuerung, da eine Erhöhung der Octanzahl von einer Verringerung der Ausbeute begleitet ist.

In Raffinerien werden seit einiger Zeit auch automatische Übcrwuchungs- und Regeleinrichtungen benutzt, die eine Steuerung der Rcnktortcmpcruturcn nach Maßgabe der Produktoclanznhl herbeirühren, lis befindet sich ein Octun/nhl-AnulyscngcrUi auf dem Markt, duü eine rasche und genaue Analyse eines Reformats gestattet. Hierdurch ist es möglich, die Ausbeute der Reformierung etwas zu erhöhen, indem genau die vorgeschriebene Produktoctarizahl aber nicht mehr als diese eingehalten wird.

Da das Benzin einen wesentlich höheren Wert als alle anderen Produkte eines Reformierverfahrens hat, 1st 5$ eine noch weitere Steigerung der Benzinerzeugung sehr erstrebenswert. BctrlebsdurchfUhrungen bei tieferen Drücken führen zu einer Steigerung der Flüssigkcltsaus· beute, Jedoch führt dies zu einer starken Verringerung der Katalysatorlebensdauer, ho

Ein anderer möglicher Weg der *ur Beeinflussung der Ausbeute besteht darin, die Katalysatorverteilung auf die einzelnen Reaktoren dem im Einzelfall verarbeiteten Einsatzmaterial anzupassen. Allgemein gilt: )e stärker nophthenisch eine Beschickung Ist, desto mehr ft* Katalysator sollte sich in den stromabwärts gelegenen Reaktoren - statt Jn den stromaufwärts gelegenen Reaktoren - befinden Leider ist es jedoch sehr schwierig oder überhaupt unmöglich, die Katalysatorverteilung in einer bereits vorhandenen Anlage zu verändern. Weiterhin sind viele Raffinerien gezwungen, eine Mehrzahl von Einsatzmaterialien zu verarbeiten, so daß keine Katalysatorverteilung ein Optimum für alle unterschiedlichen Einsatzmaterialien darstellen kann.

Es besteht daher ein ausgeprägtes Interesse der Technik nach Angabe einer Regelanordnung wie die erfindungsgemäße, die es gestattet, in einer bereits vorhandenen Anlage auch bei derartigen unterschiedlichen Voraussetzungen jeweils die günstigste Verfahrensdurchführung zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wurde ein einfacher, betriebssicherer und wirtschaftlicher Weg ermittelt, um die Betriebsdurchführung in einer bereits vorhandenen Anlage jeweils so günstig wie möglich zu gestalten. Selbst wenn der Druck der Anlage, die Art des Katalysators und die Verteilung des Katalysators auf die einzelnen Reaktoren festliegen und für irgendeine gegebene Betriebsdurchführung nicht optimal sind, können die Verfahrensergebnisse verbessert werden, indem die Betriebsschärfe in den einzelnen Reaktionszonen angepaßt wird. Als Beispiel sei eine Reformierung betrachtet, bei der sich für eine optimale Betriebsdurchführung zu viel Katalysator im ersten Reaktor befindet. Eine Kompensierung der ungünstigen Katalysatorverteilung kann durch Anpassung der Reaktortemperaturen erfolgen. Eine Verringerung der Temperatur dieses ersten Reaktors führt zu einer gewissen Kompensierung des übermäßig großen Katalysatorvolumens.

Wenn in einer Raffinerie eine Mehrzahl verschiedener Einsatzmaterialien verarbeitet werden muß, ist es unmöglich, selbst eine neu zu erstellende Anlage so auszulegen, daß alle unterschiedlichen Einsatzmatcrialicn in optimaler Weise verarbeitet werden. Die Erfindung gibt hier eine Regclanordnung an die Hand, die automatisch das günstigste Tcmpcrauirprofil für die vorliegenden Reaktoren auswählt und hierdurch die Ausbeute für jedes der verschiedenen Einsatzmaterialicn optimiert, so daß die günstigste Verarbeitung eines jeden Einsatzmatcrials gewährleistet ist.

Ein anderes wichtiges Kohlenwusserstoffumwundlungsverfahren ist die Dehydrierung von Äthylbenzol /u Styrol. Dabei wird ein Gemisch von Äthylhenzol und Wasserdampf zunächst über ein erstes Katalysatorbett geleitet. Die endotherme Umsetzung kühlt den Materialstrom, und es wird weiterer heißer Wiisscrtlumpf zugemischt, bevor das Gemisch durch ein weiteres Katalysatorfestbett Hießt. Der Grund der Anwendung von zwei oder mehreren Reaktoren besteht darin, eine hinreichende Erhitzung des Äthylbenzols zur Erzeugung von Styrol zu gestatten aber gleichzeitig eine so weitgehende Erhitzung, daß eine Krackung eintritt, zu vermeiden. Das ideale Reuktoi'system würde zehn bis vierzig oder noch mehr Reaktoren In Reihe umfassen, mit Zugabe geringer Mengen an erhitztem Wasserdampf nach jedem Reaktor. Das Temperaturprofil durch die gesamten Reaktoren wäre dann fa*t flach, was zu einer optimalen Erzeugung von Styrol mit minimaler Erzeugung von gekrackten Nebenprodukten führen würde. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten Ist jedoch eine derartig umständliche und komplizierte Betriebsdurchführung nicht möglich.

Im allgemeinen werden zwei oder drei Katalysatorbetten angewendet. Das Problem der Betriebsdurchführung liegt dann in folgendem: Es sei beispielsweise eine Äthylbenzol-Dehydrleranlage mit drei Katalysatorbett

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ten gegeben; wieviel Wasserdampf soll dann jedem einzelnen Bett zugeführt werden? Die Materialmenge, die durch jedes einzelne Bett fließt, nimmt wegen der Zugabe von überhitztem Wasserdampf in Fließrichtung zu; demgemäß wird jeweils mehr überhitzter Wasserdampf benötigt, um eine Temperatursteigerung des Materials um I⁰C herbeizuführen. Das zusätzliche Material dient weiterhin im nächsten Bett als wärmeaufnehmender Stoff, so daß die Temperatur beim Durchgang durch das nächste Bett nicht so stark fällt. Weiterhin ändert sich die Zusammensetzung der Beschickung für jedes Bett. Der prozentuale Anteil an Styrol steigt beim Durchgang durch die Reaktorbetten an, während der prozentuale Anteil an Älhylbenzol abnimmt.

Es kann unterstellt werden, daß es irgendeine optimale Verteilung des Wasserdampfes auf diese drei Betten geben muß, diese optimale Verteilung ist jedoch nach den bisherigen Methoden sehr schwer oder gar nicht aufzufinden. Bei einem Extrem, bei dem beispielsweise 90% des gesamten Wasserdampfes dem Einlaß des ersten Bettes zugeführt und jeweils 5% des gesamten Wasserdampfcs in jedes nachfolgende Bett eingeführt werden, ergibt sich eine starke Überhitzung des Äthylbcnzols im ersten Bett. Dies führt zu einer übermäßigen Krackung. Beim anderen Extrem, bei dem beispielsweise nur jeweils 5% des gesamten Wasserdampfcs in die beiden ersten Betten eingeführt und die restlichen 90% dem letzten Bett zugeleitet werden, ergibt sich eine Überhitzung des Äthylbenzols im _w letzten Bett mit fast gleichartiger Ncbcnproduktbildung. Es ist daher der beste Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen aufzufinden, der zu einer Optimierung der Styrolerzcugung führt. Dabei besteht bei diesem System natürlich der Zwang, bei gegebener Anlagekapazität χ eine bestimmte tägliche Erzeugung an Styrol aufrechtzuerhalten.

Nach einer Ausführungsform aev Erfindung wird die Produktkenngröße als Funktion der unerwünschten zu den erwünschten Produkten im Ausfluß gebildet, d. h. in Form des Verhältnisses von unerwünschten zu erwünschten Produkten. Der Prozeßrechner liefert ein erstes Signal für jeden der Kegler zur Annäherung an einen Minimalweit dieses Verhältnisses. Die Kegler können die Temperatur einer jeden Reaktionszeit· oder 45, den Druck oder den Zufluß eines Materials regeln, um die Ikti'icbsscharfe der Umsetzung zu steuern.

Die Bezeichnung Umwandlung, wie sie hier benutzt wird, kann sich auf die prozentuale Umwandlung des Einsatzmutcrials zu einem erwünschten Produkt oder j₀ auf irgendeine andere geeignete Eigenschaft, z. 13. die Ocianzuhl, beziehen.

Bei den nachstehenden Erlllutcrungcn und in den Zeichnungen werden zur Vereinfachung einige Abkürzungen verwendet, die zwecks Übersichtlichkeit nach· ^ stehend zusammengestellt sind:

I) Benzol

AB Äthylbenzol

S/ Styrol 1«)

T Toluol

FC Durchflußreglcr

7Γ Temperaturregler

LK Produktkenngröße

13c! einer Ausführungsform der erflndungsgemuUun Regelanordnung für dlo Dehydrierung von Älhylbenzol Im Gemisch mit Wasserdampf zur Styrolor/eugung wird das Produktkenngröße-Ausgangssignal gemäß dem Verhältnis von Benzol und Toluol zu Styrol im Ausfluß gebildet. Für optimale Leistung wird dieses Verhältnis so klein wie möglich gemacht. Die Umwandlung ist das Verhältnis von erzeugtem Styrol zu dem in der Beschickung anwesenden Äthylbenzol. Bei 80%iger Umwandlung von Äthylbenzol zu Styrol werden je 100 Mol Äthylbenzolbeschickung 80 Mol Styrol erzeugt. Ein Teil des Äthylbenzols kann ohne Umwandlung hindurchgehen und ein Teil kann gekrackt werden, jedoch werden 80 Mol Styrol gebildet. Es kann ein Proportionalregler zur Lieferung des zweiten oder Umwandlungssign'als an die Sollwerte der Regler benutzt werden, wobei das Signal durch Vergleich der tatsächlichen Umwandlung mit der gewünschten Umwandlung, d. h, 80%, gebildet wird. Der bevorzugte Weg zur Steuerung der Umwandlung besteht darin, den Wasserdampffluß zu den Reaklorbetten zu regeln.

Die Regelung des Wasserdampfflusses zu den Einlassen der einzelnen Reaktoren stellt einen indirekten Weg der Regelung der Reaktionstemperatur und damit der Reaktionsschärfc dar. Der Prozeßrechner bewirkt Änderungen oder Abweichungen der Wasserdampfvcrtcilung in den verschiedenen Reaktoren. Diese Änderung der Wasserdampfverteilung zur Herbeiführung einer geringstmöglichen Erzeugung von Benzol und Toluol und damit zur Optimierung der Produktkenngröße, bildet das erste Signal. Das zweite Signal ist das Umwandlungssignal, das sicherstellt, daß mindestens 80 Mol Styrol je 100 Mol Äthylbenzolbcschickung erzeugt werden. Der Wasserdampffluß zu den Reaktoren wird also so nachgestellt, daß die vorgegebene Erzeugung von Styrol aufrechterhalten bleibt und gleichzeitig die Erzeugung von Benzol und Toluol so gering wie möglich gemacht wird. Im einzelnen wird dies nachstehend noch weiter erläutert.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform uqv erfindungsgcmttßcn Regelanordnung eignet sich für die Rcformicrung von Kohlenwasserstoflcinsatzmaterialien, bei der das Kohlenwusserstoffeinsatzimiierial durch mindestens zwei kaialytische Kuaktions/.onun geleitet und ein reformiertes Produkt gewonnen wird.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen weiter erläutert.

F i g. 1 veranschaulicht ein Verfahren mit zwei Reaktionszonen, bei dem die Reakioreinlaüicmperatu· rc η geregelt werden.

I'ig. 2 zeigt hypothetische Leistungskurven einer Anlage mit zwei Reaktoren,

F i g. 3 zeigt ein RoaklorsyMvim, wi« es für clic Dehydrierung von Äthylbenzol zu Styrol «ngewendet werden kann, wobei die Regelanordnung gcmltß der Erfindung veranschaulicht ist.

Fig.4 veranschaulicht eine katalytisch^ Reformier anlage unter Anwendung der Regelanordnung gemlll: der Erfindung,

FI g. I zeigt eine typische Anlage mit Steuerung de Ronktorelnlaßicmperaturcn. Sie umfaßt zwo! Henkln ren I und 1', bei denen es sich um irgendwelche de zahlreichen Reaktoren handeln kann, wie sie sie bei de Reformierung der Äihylbcnzoldchydrierung, der ihor mischen Krockung, der kaialylischen Krackung, de thermischen Hydrokrackung, der kaiulytischen llydrc krackung, der Isomerisierung, dor Alkylierung, dc Polymerisation verwendet werden. Die Rcaktlonsbi Schickung tritt durch dnc Leitung 2 In einen Erhitzer ein Bei dem Erhitzer 4 kann cn sich um eint Wärmeaustauscher oder, wie dargestellt, einen dire

befeuerten Ofen mit einer Brennereinrichtung 5, die über eine Leitung 6 mit Brennstoff versorgt wird, handeln. Die Beschickung wird in Rohrschlangen 7 des Erhitzers 4 erhitzt und fließt weiter durch die Leitung 2 in den Reaktor 1. Der Ausfluß wird durch eine Leitung3' einem Erhitzer 4' zugeführt. Das wieder aufgeheizte Gemisch tritt dann durch einen Einlaß 34· in die Reaktionszone Γ ein. Der Ausfluß aus dieser Reaktionszone wird durch eine Leitung 3 zur Lagerung oder weiteren Verarbeitung abgezogen. Die Reaktionsschärfe wird durch Regelung der Einlaßtemperatur für jeden Reaktor gesteuert.

Die Einlaßtemperatur wird durch Änderung des Brennstoffzuflusses zu den Brennern 5 und 5' geregelt. Der Brennstoff fließt durch Leitungen 6 und 6' zu. Durchflußmeßeinrichtungen 9 und 9', dargestellt als Meßblenden, übermitteln Signale durch Leitungen 10 und 10' zu Durchflußreglern 12 und 12'. Diese Durchflußregler geben dann ein Ausgangssignal an Regelventile 8 und 8' über Leitungen 13 und 13'. Die Sollwerte der Durchflußregler 12 und 12' werden durch Temperaturregler 14 und 14' eingestellt; letzteren werden die Einlaßtemperaturen übermittelt, die von Thermoelementen oder anderen Meßeinrichtungen 15 und 15', welche sich in den Einlaßleitungen 2 und 34 befinden, festgestellt werden.

Einem Meßglied 18 zur Feststellung der Produktkenngröße wird über eine Leitung 19 kontinuierlich eine Probe des endgültigen Reaktorausflusses zugeführt. Bei dem Meßglied kann es sich um einen Chromatographen, ein kontinuierlich arbeitendes Octanzahlüberwachungsgerät oder ein Durchflußmeßgeräi, das den Gesamtfluß durch den Auslaß 3 feststellt, oder um eine Kombination derartiger Einrichtungen handeln. Das Meßglied erzeugt mindestens zwei Ausgangssignale, eines zur Kennzeichnung der Umwandlung und eines zur Bildung eines Produktkenngrößcnsignals. Das Umwandlungssignal wird über eine Leitung 20 einem zwcckmiißig gleichzeitig schreibenden Sollwertgeber 21 zugeführt. Der Sollwertgeber 21 hat einen auf die vorgeschriebene Umwandlung eingestellten Sollwert. Wenn die vorgeschriebene Umwandlung die Octanzahl des Produkts ist, überwacht der Sollwertgeber 21 die Octunzuhl. Das Atisgangssignul des Sollwertgebers 21 wird über Leitungen 23 Summierern 24 und 24' zugeführt. Die Ausgangssignale der Summierer 24 und 24'. abgeleitet aus dem Sollwertsignal von dem Sollwertgeber 21 und aus dom von dem Prozeßrechner 30 errechneten Signal werden über Leitungen 25 und 25' den Temperaturreglern 14 und 14' zur Nachstellung ihrer Sollwerte zugeführt.

Das Meßglied 18 erzeugt weiterhin Signale nur Bestimmung einer Produktkenngröße. Bei dieser Produktkenngröße kann es sich etwa um die Flüssigkeitsausbeute oder um eine von der Nebenprodukterzeugung abhangige Größe handeln. Das Meßglied kann z. B. aus einem Chromatographen bestehen, der die Mengen an erwünschten und unerwünschten Produkten im Ausfluß bestimmt. Die gebildeten beiden Signale werden über Leitungen 26 und 27 einer Produktkenn· größen-Bestlmmungselnrichtung 28 zugeleitet. Wenn das Signal aus dem Meßglied 18 von vornherein eine Produktkenngröße Ist, z. B. die Plüssigkeitsausbeute, so kann es direkt dem Prozeßrechner 30 zugeführt werden. Bei der ProduktkenngröOen-Bestlmmungselnrlchtung 28 kann es sich um einen Operationsverstärker handeln, der das Verhältnis von unerwünschten zu erwünschten Produkten Im Reoktlonszonenausfluß bestimmt. Das

erzeugte Signal wird durch eine Übermittlungsleitung 29 dem Prozeßrechner 30 zugeführt. Der Prozeßrechner sendet ein Ausgangssignal über Leitungen 31 und 33 zu den Summierern 24 bzw. 24', Die Signale in den Leitungen 31 und 33 stellen somit Produktkenngrößen-Optimiersignale dar, während das Ausgangssignal in den Leitungen 23 der Meßwert der auf einem Zielwert zu haltenden Produktkenngröße (Umwandlung) ist. Diese Signale werden in den Summierern 24 und 24' kombiniert und über die Leitungen 25 und 25' als Sollwerte den Temperaturreglern 14 und 14' zugeführt. Der Prozeßrechner ermittelt die Produktkenngröße der Leitung 29 und bestimmt das Ausgangssignal, das für jede Reaktionszone erforderlich ist, um eine optimale Leistung in den Reaktorgefäßen anzunähern. Bei dem Prozeßrechner 30 handelt es sich um eine auf dem Fachgebiet bekannte Einrichtung, die irgendeine Verfahrenskenngröße auf einen Höchstwert oder einen Geringstwert bringt. Als Beispiel sei angenommen, daD die Reaktorkenngröße das Verhältnis von unerwünschten zu erwünschten Produkten ist und dieses Verhältnis sich mit der Wärmezufuhr oder Einlaßtemperatur jeder Reaktionszone ändert. Das Verhältnis für jede Reaktionszone geht durch ein Minimum, wie das in der F i g. 2 dargestellt ist. Die Abszisse kennzeichnet die Wärmezufuhr oder die Temperatur, die Ordinate kenn/eichnei das genannte Verhältnis. Wenn die Reaktions/one 1 an einem Punkt α arbeitet und die Rcukiions/one Γ an einem Punkt c/arbeitct, bestimmt der Prozeßrechner die Ausgangssignale, die erforderlich sind, um die Sollwerte der Temperaturregler so zu ändern daß sich das besagte Verhältnis den Punkten b und e, d. h. den Minima der Kurven, annähen. Wenn die Reaktionszone 1 am Punkl c und die Reaktionszonc Γ am Punkt /' arbeitet verschiebt der Prozeßrechner in entsprechender Weise den Bctriebsablauf zur Einstellung des geringstmöglichen Verhältnisses. Dabei ist es egal, ob tatsächlich ein Optimum existiert oder an welchem Punkt es vorliegt Der Prozeßrechner stellt jedenfalls ihren Ausgang zur Verbesserung der Leistung nach. Bezüglich einer zusammenfassenden Darstellung der Grundlagen derartiger Prozeßrechner sei auf Perry, »Chemicul Engineering Handbook«, 4. Auflage, Seiten 22 - ^r>2 bis 22 - 54, McGraw-Hill Book Company, verwiesen.

Es befinden sich verschiedene Arten von Prozeßrechnern auf dem Markt. Ein im Handel erhältlicher Prozeßrechner umfaßt einen Analogrechner und arbeitet nach dem Prinzip der Einführung kleiner Auszugsänderungen unil ,Feststellung der Wirkung. In dieser Weise kann eine Entscheidung der Änderung des Ausgangssignals getroffen werden, wie das erforderlich ist. um optimale Leistung anzunllhern. Der Prozeßrechner knnn dabei den Ausfluß eines jeden Reaktors oder den Ausfluß nur des letzten Reaktors berücksichtigen Wenn der Ausfluß nur des letzten Renktors überwaehl wird, werden die kleinen Verstellungen oder Änderungen in jedem Reaktor vorzugsweise nicht In unmittelbarer Kolgc aufeinander vorgenommen, damit dor Prozeßrechner leichter und rascher unterscheiden kann welche Verstellung eine Veränderung der Produktkenn· größe verursacht hat.

Wenn die Umwandlung auch durch ein Verhältnil von erwünschten Produkten zu nlchtumgesetzten Reaktlonsteilnehmern Im Ausfluß definiert werden kann übermittelt das Meßglied über die Ausgungsslgnollel· ei"⁸ . «' ^{einor Ap}derung dieses Werts ein neue« signal. Der Sollwertgeber 21 sendet ein Signal über die Leitungen 23 zu den Summierern 24 und 24'. Diese«

ir

Umwandlungssignal stellt eine zweite Komponente des Signals zu den Sollwerten der Temperaturregler dar und stellt sicher, daß die Reaktionsschärfe zur Erzeugung einer genügenden Produktmenge ausreicht. Vorzugsweise erfolgen die Entscheidungen des Sollwertgebers 21 nicht in direkter Folge auf irgendwelche durch den Prozeßrechner 30 vorgenommenen Änderungen, damit die Ursachen für jegliche Änderungen der Produktkenngröße klar erkennbar sind.

In F i g. 3 der Zeichnungen ist ein dreistufiger Reaktor 51 mit Katalysatorzonen A. B und C für die Dehydrierung von Äthylbenzol zu Styrol dargestellt. Bei dem Katalysator handelt es sich vorzugsweise um einen alkali-promotierten Eisenkatalysator. Ein vorteilhafter Katalysator umfaßt beispielsweise 85 Gewichtsprozent Eisen(ll)-oxyd, 2 Gewichtsprozent Chromoxyd, 12 Gewichtsprozent Kaliumhydroxyd und 1 Gewichtsprozent Natriumhydroxyd. Ein anderer geeigneter Katalysator besteht aus 90 Gewichtsprozent Eisenoxyd, 4 Gewichtsprozent Chromoxyd und 6 Gewichtsprozent Kaliumcarbonat. Natürlich können auch andere bekannte Katalysatoren verwendet werden.

Die Menge des Katalysators in jedem der Katalysatorbetten kann beträchtlich geändert werden. Gewöhnlich wird die Katalysatormenge durch die Bettiefe ausgedrückt, diese kann im Bereich von 15 cm bis 18 m liegen; meist liegt sie im Bereich von 0,6 bis 1,8 m.

Der Reaktordruck kann von untcratmosphärischcm Druck bis zu überatmosphärischem Druck geändert werden. Vorzugsweise wird im Bereich von 1,3 bis 2,4 atm gearbeitet.

Mehrere Katalysatorbetten in einem einzigen Reaktor werden bevorzugt, es können aber auch Ein/clbetten in mehreren Reaktoren zur Anwendung kommen.

Beim Durchgang der Reaktionsteilnehmer durch das erste Katalysatorbett tritt infolge der endothermen Reaktion eine Tcmperaturabnahme um bis zu ^ri^rj°C odor mehr ein. Fs erfolgt auch ein Druckabfall beim Durchfluß durch das Bett, in manchen Rillen um bis zu 0,7 atm, in den meisten Füllen jedoch um 0,14 bis 0.41 atm.

Überhitzter Wasserdampf mit einer Temperatur von 760" C wird durch eine Leitung 85 in eine Reaktoreinlaßleitung 52 in einem Verhältnis von 0,65 k;; Wasserdampf auf 1,0 kg Älhylbcn/.ol eingeführt. Das Gemisch aus Wasserdampf und Äthylbonzol tritt in die Katulysalor-/ono Λ mit einer Temperatur von 64TC ein. Durch eine /weite Wasserdampfzuführungsleitung 85' wird Wasserdampf bei einer TemperuUir von 8lfa"C zwischen den Katalysatoren A und β in einem Verhältnis von I : 1 bis 1,2:1, berechnet als Gewichtsteile Wasserdampf je Qewichtsieil Ausfluß, eingerührt, um die Temperatur des Ausflusses aus der Kntnlysatorzone A zu steigern. Durch eine dritte Wnsserdampf/.uführungsleitung 83" wird Wusserdampf mit einer Temperatur von 816⁰C zwischen den Katalysatorzonen S und C In einem Verhältnis von 0,80:1 bis 1,35:1, berechnet als öewichistoilo Wasserdampf je Gewichtstell Ausfluli aus der Katalysatorzone B, eingeführt, um diesen Ausfluß weiter zu erhitzen. Der Gcsnmtousfluß wird durch eine Auslaßleitung 3.1 abgezogen.

Temperaturregler 64, 64' und 64" empfangen Temperatursignale über Leitungen 67,67' und 67" von den Einlassen der Reaktorzonen A, Sund Cgemessen mittels Thermoelementen 63, 63' und 63". Die Temperaturregler 64, 64' und 64" haben wiederum verstellbare Sollwerte. Diese Temperaturregler bewirken eine Nachstellung von Durchflußreglern 62,62' und 62" zur Steuerung der Wasserdampfmenge, die durch Regelventile 53, 53' und 53" eingespeist wird. Die Menge des in jede Reaktionszone einfließenden Wasserdampfes wird mittels Meßblenden 59, 59' und > 59" gemessen.

Von dem durch die Auslaßleitung 53 abfließenden Produkt wird kontinuierlich eine Probe durch eine Leitung 69 einem Meßglied 68 zugeführt. Bei dem Meßglied 68 handelt es sich um einen Chromatographen, der die Mengen a Benzol fßj, Toluol (T), Styrol (St) und Äthylbenzol (AB) im Ausfluß bestimmt. Die für diese Mengen kennzeichnenden Signale werden über Leitungen 86,87,88 bzw. 89 Speicherverstärkern 35,36, 37 utid 38 zugeführt. Vorzugsweise erhalten die

is Speicherverstärker die Spitzenhöhen der Benzol-, Toluol-, Styrol- und Äthylbenzolwerte, jedoch können auch gefilterte oder Mittelwerte verwendet werden. Die Ausgänge des Styrol-Speicherverstärkers 37 und des Äthylbenzol-Speicherverstärkers 38 werden über Lei-

2ü tungen 43 und 44 einer Dividicreinrichtung 45 zugeführt und ein Quotientensignal, das das Verhältnis von Styrol zu Äthylbenz.ol kennzeichnet, wird über eine Leitung 70 einem zweckmäßig schreibenden Sollwertgeber 71 zugeleitet, der dieses Verhältnis überwacht. Der

:5 Sollwertgeber 71 erzeugt ein zweites oder Umwandlungssignal, das sicherstellt, daß je 100 Mol Äthylbenzolbeschickung 80 Mol Styrol erzeugt werden. Der Ausgang dieses Sollwertgebers wird über eine Leitung 73 gleichzeitig drei Summierern 74, 74' und 74"

\o zugeführt, deren Ausgänge schließlich über Leitungen 75, 75' und 75" den Temperaturreglern zugeführt werden.

Der Ausgang der Benzol- und Toluol-Speichervcrstärker 35 bzw. 36 wird über Leitungen 39 und 40 einem

is Summierer 46 zugeführt, der die für Benzol und Toluol kennzeichnenden Signale summiert und das gebildete Summcnsignal über eine Leitung 41 einer Divicliereinrichtting 47 zuführt. Der Ausgang des Styrol-Speicherverstärkers 17 wird über eine Leitung 42 ebenfalls der

•Ρ Dividiereinrichtung 47 zugeleitet. Der Ausgang der

Divkliereinrichtung 47, der das Verhältnis ., und

damit die Produktkenngröße LK darstellt, wird über eine Leitung 79 einem Prozeßrechner 80 zugeführt. Der •is Prozeßrechner führt kleine Verstellungen in den Regelvorgang über die Temperaturregler ein, stellt die Wirkung auf die Produktkenngröße fest und erzeugt ein Ausgiingssignal für jede Reaktionszone, das erforderlich ist, um optimale Leistung anzunähern, d.h. das

Verhältnis ^(β|₍ ^Γ) so klein wie möglich zu machen. Die

Ausgangssignale sind Optimiorungs· oder erste Signali und werden über Leitungen 81, SV und 81" det Summierern 74,74' und 74" zugeführt. Signale von dei Summierern stellen die Sollwerte der Temperaturregle 64,64' und 64" nach und regeln somit die Wasserdampl zufuhr zu den Katalysatorzonen A flund C

Die von dem PioieOrcchncr vorgenommenen kinine Verstellungen werden vorzugsweise nicht in unmittclbc

fio rcr Folge aufeinander vorgenommen, damit de Prozeßrechner klar unterscheiden kann, welche Verste lungcn eine Änderung der Produktkenngrößc vcrui sacht haben. Die Signale von dem Sollwertgeber 7 stellen ebenfalls die Sollwerte der TemperaturregU

a$ nach, um das Verhältnis von Styrol zu Äthylbenzi Innerhalb des gewünschten Bereiches zu halte Vorzugswelse erfolgen die von dem Sollwertgeber 1 vorgenommenen Änderungen nicht In unmlttelbari

Folge auf Änderungen, die von dem Prozeßrechner 80 vorgenommen werden, damit die Ursachen jeglicher Änderungen des Verhältnisses -^- klar erkennbar

sind. s

Fig.4 zeigt eine katajytische Reformieranlage zur Verfahrensregelung mit der erfindungsgemäßen Regelanordnung. Ein niederoctaniges Schwerbenzin fließt durch eine Leitung 100 dem Reformierverfahren zu. Ein Rückführgasstrom aus Wasserstoff mit einem gewissen ₍₀ Gehalt an Methan, Äthan und Propan sowie Spuren an schwereren Kohlenwasserstoffen wird durch eine Leitung 99 zu der Beschickung zugegeben. Das Gemisch fließt in einen Erhitzer 104, der aus einem Wärmeaustauscher oder, wie dargestellt, einem direkt befeuerten Ofen bestehen kann. Das Gemisch wird in Rohrschlangen 107 erhitzt und tritt durch eine Leitung 102 bei einer Temperatur von 482 bis 538°C aus. Das heiße Gemisch fließt bei einem Druck von 21,4 atm in einen Reaktor 101. Der Reaktor enthält einen Edelmetallkatalysator. In dem Reaktor wird das Gemisch zu Kohlenwasserstoffen höherer Octanzahl umgesetzt. Die Reaktionen sind vorwiegend endotherm, so daß das Gemisch die Reaktionszone durch eine Leitung 150 mit einer Temperatur verläßt, die um 11 bis 83°C unterhalb der Einlaßtemperatur liegt. Der Reaktorausfluß fließt durch die Leitung 150 in einen Erhitzer 154. Der Ausfluß des ersten Reaktors wird in einer Rohrschlange 157 auf 482 bis 538°C erhitzt und geht dann in einen Reaktor 151, der ebenfalls mit Katalysator beschickt ist. Das Gemisch y> verläßt die Reaktionszone 151 durch eine Leitung 103 bei einer etwas niedrigeren Temperatur und fließt dann in einen Wärmeaustauscher 135, wo es auf 16 bis 49°C gekühlt wird, so daß bei Normalbedingungen flüssige Bestandteile kondensiert werden. Das Gemisch tritt dann durch eine Leitung 137 in einen Abschneider 136 ein. Der Abscheider 136 arbeitet infolge des Druckabfalls in dem System bei einem etwas geringeren Druck als die Reaktoren, normalerweise bei etwa 18 atm oder darunter. Die abgetrennte dampfförmige Phase wird durch die Leitung 99 zu nicht dargestellten Kompressoren abgezogen und dann zur Leitung 100 zurückgeführt. Überschüssiges wasserstoffreiches Gas wird zu anderweitiger Verwendung in der Raffinerie durch eine Leitung 140 abgezogen.

Die bei der Trennung erhaltene flüssige Phase, die gelöste gasförmige Komponenten enthält, wird durch eine Leitung 141 über ein Regelventil 142 zur Fraktionierung abgeführt.

Den Erhitzern wird Brennstoff über Leitungen 106 und 156 zur Speisung von Brennern 105 und 155 zugeführt. Die Verbrennung bewirkt durch Strahlung und Konvektion eine Erhitzung der Reaktorbeschikkung in den Heizschlangen 107 und 157.

Die Reaktoreinlaßtemperaturen werden durch Regelung des Brennstoffflusses zu den Brennern gesteuert. Meßblendcn 109 und 109' übermitteln Durchflußsignalc über Leitungen HO und 110' zu Durchflußreglern 112 und 112'. Die Durchflußreglcr 112 und 112' übermitteln Signale an Regelventile 108 und 108' über Leitungen 113 ho und 113'. Die Sollwerte der Durchflußregler 112 und 112' werden über Leitungen 117 und 117' von Temperaturreglern 114 und 114' nachgestellt; letzteren werden die von Thermoelementen 115 und 115', welche sich in den Einlaßleitungen 102 und 152 befinden, <>.s festgestellten RcaktoreinlaßtempcraUiren zugeführt.

Ein Octanzahl-Mcßglied 118 erhält einen Probcstrom mis der Leitung 143 über eine Leitung 119, d.h. eine kontinuierliche Probe der flüssigen Phase des Reaktiorausflusses. Die Probe wird ohne zwischengeschaltete Druckentlastung abgezogen und in das Octanzahl-Meßglied geleitet. Vorzugsweise arbeitet das Octanzahl-Meßglied mit einem Generator zur Erzeugung einer stabilisierten kalten Flamme mit eingestellter Flammenfront.

Das Ausgangssignal des Octanzahl-Meßgliedes wird über eine Leitung 120 einem zweckmäßig schreibenden Sollwertgeber 121 zugeführt. Wenn die Octanzahl zurückgeht, fordert der Sollwertgeber 121 eine Erhöhung der Reaktoreinlaßtemperatur, Der Sollwertgeber 121 ist über Leitungen 131 mit Summierer 124 und 124' verbunden; letztere sind über Leitungen 125 und 125' mit Temperaturreglern 114 und 114' verbunden. Die Summierer 124 und 124' kombinieren Signale aus dem Sollwertgeber 121 und einem Prozeßrechner 130. Die Temperaturregler 114 und 114' !ordern daraufhin eine Erhöhung des Brennstoffflusses zu den Erhitzern 104 und 154, um die Wärmezufuhr zu den Heizschlangen 107 und 157 zu steigern und hierdurch die Reaktoreinlaßtemperaturen zu erhöhet, so daß die Erzeugung eines Produkts konstanter Octanzahl aufrechterhalten wird.

Wenn die Octanzahl der Probe zu hoch ist, erfolgt eine korrigierende Änderung in gegenüber dem Vorstehenden umgekehrter Weise.

Wenngleich durch das Octanzahl-Meßglied und den Sollwertgeber 121 die Octanzahl des flüssigen Produkts auf der gewünschten Höhe gehalten werden kann, wird durch die übrigen Regelmaßnahmen eine weitere wesentliche Verbesserung erreicht. Die Anwendung de; Prozeßrechners 130 gewährleistet, daß nicht nur die Octanzahl des Produkts aufrechterhalten wird, sonderr gleichzeitig die Flüssigkeitsausbeute verbessert wird Der Prozeßrechner 130 kann nach der vorstehenc erläuterten Art arbeiten und kleine Verstellungen dei Bedingungen für jede Reaktionszone herbeiführen uric dann die Wirkung auf die überwachte Produktkenngrö ße feststellen. Bei der erläuterten Ausführungsform isi die Produktkenngröße eine Funktion der Flüssigkeitsausbeute. Eine Durchflußmeßblende 143 in der Leitung 141 stromabwärts von dem Abschneider 136 mißt die Durchflußmenge. Ein Durchflußsignal wird über eine Leitung 144 einem Speicherverstärker 145 zugeführt der die Spitzenfließrate über eine Leitung 146 de; Prozeßrechners 130 mitteilt; es kann auch eine gemittelte oder gefilterte Fließrate benutzt werden. Dei Prozeßrechner übermittelt Signale über Leitungen 14/ und 197 an die Summierer 124 bzw. 124'. Die Summierci 124 und 124' summieren die Signale aus den Leitunger 131 und 147 bzw. aus den Leitungen 131 und 197 unc geben Ausgangssignale über die Leitungen 125 und 125 zur Nachstellung der Sollwerte der Temperaturreglei 114 und 114' ab. Der Prozeßrechner stellt dk Flüssigkeitsausbeute fest und erzeugt kleine Verstellun gen in einem oder mehreren Reaktoren durch Änderung der Reaktoreinlaßtemperaturen. Danach stellt dei Prozeßrechner fest, ob die Flüssigkeitsausbeute zu nimmt oder abnimmt, und gibt dann Signale ab, die dii Flüssigkeitsausbeute erhöhen. Dabei ist es egal, ob c: tatsächlich eine maximale Ausbeute gibt oder nicht, d; der Prozeßrechner nur Signale abgibt, die die Ausbeuti erhöhen. Der Prozeßrechner bewirkt jedoch keint Erhöhung der Ausbeute auf Kosten der vorgeschriebc nen Octanzahl, da die Octanzahl durch den schreiben den Sollwertgeber 121 gesteuert und gehalten wird vorzugsweise nicht in unmittelbarer Folge auf Maßnah men des Prozeßrechners.

IS

Das erläuterte Verfahren ist nicht auf ein System beschränkt, bei dem die Betriebsschärfe durch die Reaktoreinlaßtemperaturen gesteuert wird. Es können auch andere Steuermaßnahmen angewendet werden, beispielsweise kann eine der Beschickungskomponenten die Veränderliche zur Steuerung der Betriobsschärfe der Umsetzung bilden. Ferner kann ein Temperaturregler verwendet werden, dessen Sollwert durch den Temperaturabfall Δ T in der jeweiligen Reaktionszone bestimmt ist. _|0

Bei dem erläuterten Verfahren wird somit die Produktvorschrift, z. B. die Styrolerzeugung oder die Octanzahl, eingehalten und gleichzeitig der Verfahrensablauf optimiert, z. B. die Erzeugung von unerwünschten Nebenprodukten so gering wie möglich gemacht oder ,₅ die Flüssigkeitsausbeute so groß wie möglich gemacht; hierzu wird die Betriebsschärfe in den miteinander verbundenen Reaktionszonen geregelt. Relais, Gatter und Zeitgeber können zugeordnet werden, um Nachhinkzeiten, wie sie bei großen Reaktorsystemen unvermeidlich sind, zu kompensieren. Weiterhin brauchen die Signale von den Prozeßrechnern und den Sollwertgebern nicht unbedingt gleichzeitig zugeführt zu werden; so kann der Sollwertgeber den Sollwert periodisch, z. B. alle 30 Minuten, nachstellen und das Signal von dem Prozeßrechner alle 60 Minuten zur Nachregelung des Sollwertes des Temperaturreglers benutzt werden. Natürlich kann dies auch in anderen zeitlichen Abständen erfolgen.

Die erläuterte Regelanordnung kann bei sehr zahlreichen Reaktionsverfahren, wie Thermokrackung, katalytischer Krackung, thermischer Hydrokrackung, katalytischer Hydrokrackung, Isomerisierung, Alkylierung, Polymerisation u.dgl., bei denen in mehreren Reaktorgefäßen gearbeitet wird, Anwendung finden. Natürlich kann in entsprechender Weise auch bei Verfahrensdurchführungen mit mehr als zwei oder drei Reaktoren gearbeitet werden.

Bei der Verfahrensdurchführung kann, wie bereits gesagt, die Betriebsschärfe durch Regelung von anderen 40, Verfahrensveränderlichen als der Reaktoreinlaßtemperatur gesteuert werden. Beispielsweise kann bei der katalytischen Fließbett- oder Wirbelschichtkrackung nach der erläuterten Regelmethode die Katalyatorzirkulationsrate gesteuert werden. Bei der HF-Alkylierung kann die Zirkulation des Isobutanreaktionsteilnehmers geregelt werden. Bei der Polymerisation über festem Phosphorsäurekatalysator kann der Fluß des Olefinreaktionsteilnehmers zu der Reaktionszone gesteuert werden. In allen Fällen führen die durch die erläuterte Regelung herbeigeführten Nachstellungen der Umwandlung oder Reaktionsschärfe zu einer Erzeugung des der Vorschrift genügenden Produkts in maximal möglicher Menge.

Die Regelmaßnahmen können weiter abgewandelt werden, um Besonderheiten einer Verfahrensdurchführung Rechnung zu tragen. Beispiele derartiger Abwandlungen werden nachstehend erläutert.

Allgemein beeinflussen jegliche Änderungen der Reaktionsschärfe sowohl die Umwandlung als auch die do Produktkenngröße. So ist es bei der Äthylbenzoldehydrierung unmöglich, die Wasserdampfzufuhr zu einem einzelnen Reaktor zu ändern, ohne daß damit eine Änderung sowohl der Nebenprodukt- als auch der Styrolerzeugung eintritt. In ähnlicher Weise führt bei (15 einem Reformierverfahren eine Steigerung der Temperatur eines einzelnen Reaktors zu einer Steigerung der Produktoctanzahl und einer Verringerung der Ausbcu-

te. Es kann daher zweckmäßig sein, eine Kompensation vorzunehmen, um dieser Wechselbeziehung von Umwandlung und Produktkenngröße Rechnung zu tragen.

Bei einem Reformierverfahren kann die Kompensationsmaßnahme einfach in einer Anweisung an den Prozeßrechner bestehen, bei einem Rückgang der Produktoctanzahl um 1,0 Einheiten die ermittelte Flüssigkeitsausbeute ebenfalls zu verringern, z. B. um 0,75 Volumprozent, bezogen auf flüssigen Zustand (nachstehend abgekürzt als Volumenprozent, flüssig). Wenn somit die Solloctanzahl 95,0 beträgt und der Prozeßrechner eine Reaktortemperatur im normalen Ablauf der Optimierung senkt, wird die Flüssigkeitsausbeute ansteigen und die Produktoctanzahl abfallen. Dies stellt nicht unbedingt eine Optimierung des Verfahrensablaufs dar. Mit der angegebenen Kompensationsmaßnahme wird der Prozeßrechner jedoch die Ausbeute-Octanzahl-Wechselbeziehung durch Ermittlung, welche Ausbeute bei einer Octanzahl von 95,0 vorliegen würde, entsprechend kompensieren. Wenn die Octanzahl nur 94 beträgt und die Ausbeute 75,75 Volumenprozent, flüssig, beträgt, gibt der Prozeßrechner bzw. die zugehörige Recheneinrichtung an, daß die Ausbeute bei konstanter Octanzahl d. h. 95,0, nur 75,0 Volumenprozent, flüssig, betragen würde.

Eine andere Methode zum Trennen der Umwandlung von der Produktkenng^röße besteht darin, eines der Signale des Meßgliedes mit einer Zeitverzögerung zu belegen. Wenn bei der Reformierung die Temperatur eines Reaktors verringert wird, steigt die Ausbeute an und die Octanzahl fällt ab. Bevor die Ausbeutemessung dem Prozeßrechner zugeführt wird, ermittelt ein Octanzahl-Meßgüed den Rückgang der Octanzahl und ein Stellglied erhöht die Temperatur aller Reaktoren, um die Octanzahl wieder auf den vorgeschriebenen Wert zu bringen. Nachdem sich die Octanzahl auf dem vorgeschriebenen Wert stabilisiert hat, wird das Ausbeutesignal dem Prozeßrechner zugeführt.

Eine andere Methode ist eine abgewandelte Ausgleichsregelung. Man läßt den Prozeßrechner eine Änderung der Temperatur eines einzelnen Reaktors vornehmen. Das System unterliegt dem Zwang, daß die mittlere Einlaßtemperatur aller Reaktoren gleichbleiben muß. Wenn beispielsweise vier Reaktoren gleicher Größe vorhanden sind und die Temperatur eines Reaktors um z. B. 3° C gesenkt wird, werden somit die Einlaßtemperaturen der übrigen drei Reaktoren um je TC erhöht. Der Prozeßrechner ändert somit das Temperaturprofil der Reaktoren, jedoch mit wenig oder keiner Änderung der mittleren Einlaßtemperatur. Dies führt die Beeinflussung der Umwandlung durch den Prozeßrechner auf ein Geringstmaß zurück.

Ein weiterer Weg zum Optimieren einer Verfahrensdurchführung wie der Reformierung besteht darin, daß man mittels des Prozeßrechners das Verknüpfungsprodukt von zwei miteinander in Beziehung stehenden Veränderlichen, z. B. die Ausbeute und die Octanzahl (Octanzahl-Volumenausbeute), überwacht und optimiert.

Es können auch andere Funktionen von zwei odei mehreren Veränderlichen zur Bildung einer Produkt kenngröße herangezogen werden. Bei einem Refor mierverfahren ist die Dichte des Rückführgases ein Mai für die Wasserstoffreinheit. Allgemein erzeugt eil optimiertes Reformierverfahren weniger leichte Ender d. h. weniger leichte gasförmige Kohlenwasserstoffe, s< daß das Rückführgas eine geringere Dichte aufweist. E kann also als Zielwert die Octanzahl und als ζ

/l/i

optimierende Produktkenngröße die Rückführgasdichte oder eine davon abhängige Größe gewählt werden. Auch hier können Kompensationsmaßnahmen zweckmäßig oder erforderlich sein, da auch hier eine Änderung der Reaktionsschärfe sowohl die Rückführgasdichte als auch die Octanzahl beeinflußt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Betriebsdurchführung eines Reformierverfahrens weiter veranschaulicht. Das Reformierverfahren wurde in Übereinstimmung mit dem in der F i g. 4 dargestellten Fließbild durchgeführt, mit der Ausnahme, daß mit vier Reaktoren gearbeitet wurde.

Die Reaktoren waren nicht von gleicher Größe, vielmehr lag die nachstehende Katalysatorverteilung vor: 10% in Reaktor 1, 15% in Reaktor 2, 25% in Reaktor 3,50% in Reaktor 4.

Die Betriebsdurchführung erfolgte in einer großtechnischen Anlage zur Verarbeitung einer Beschickung mit 100 m³/h Einsatzmaterial. Die Anlage war für eine stündliche Raurnströmungsgesehwindigkeit der Flüssigkeit, d. h. Volumei.teile flüssige Beschickung, gemessen bei 15° C, je Stunde und je Volumenteil Katalysator, von 1,0 ausgelegt. Die Anlage enthielt somit 100 m³ Edelmetall-Reformierkatalysator. Der Druck am Einlaß des ersten Reaktors betrug 22 atm, der Druck in dem bei hohem Druck und niedriger Temperatur arbeitenden Abschneider betrug 18 atm. Die vorgeschriebene Octanzahl des Produkts betrug 95,0.

Die erforderlichen Reaktoreinlaßtemperaturen vor und nach Anwendung der Betriebsweise gemäß der Erfindung sind nachstehend tabellarisch zusammengestellt:

35

40

Bei der optimierten Betriebsdurchführung mit Hilfe der neuen Regelanordnung, d. h. mit Steuerung der Reaktortemperaturen durch den Prozeßrechner, stieg die Flüssigkeitsausbeute von 7 L.2 Volumenprozent, flüssig, auf 72,2 Volumenprozent, flüssig, an. Dies ist, bei gleicher Octan2:ahl, eine ganz wesentliche Ausbeuteverbesserung mit maßgeblicher Beeinflussung der Wirtschaftlichkeit. Da eine Ausbeuteänderung von 1,0 Volumenprozent, flüssig, bei einer großtechnischen Anlage im laufenden Betrieb in Form von Momentanwerten vergleichsweise schwierig zu überwachen ist, wurden auch andere Größen, die stärkeren Änderungen als die Flüssigkeitsausbeute unterliegen, überwacht. Beim Übergang von der nichtoptimierten Fahrweise auf die optimierte Fahrweise trat eine sprunghafte Verringerung der Dichte des Rückführgases, bezogen auf Luft, von 0,30 auf 0,285 ein, was eine wesentliche Erhöhung des Wasserstoffgehalts im Rückführgas und eine wesentliche Verringerung der Krackung unter Erzeugung leichter gasförmiger Kohlenwasserstoffe anzeigt. Die vorstehend erwähnte Ausbeutesteigerung von 1,0 Volumenprozent, flüssig, bedeutet bei dem angegebenen Anlagendurchsatz eine zusätzliche Benzinerzeugung von 1 m³/h. Diese wird erreicht einzig auf Kosten einer geringeren Bildung von leichten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Molekül, die bekanntlich einen viel geringeren Wert als Benzin

Reaktor	Nichtoptimierte	Optimierte
	Betriebsdurchführung,	Betriebsdurch
	Reaktortemperaturen,	führung, Reaktor
	0C	temperat., 0C
1	i)07	505
2	504	502
3	504	503
4	500	504

haben. Es werden somit wesentliche technische Vorteile erzielt.

Eine mögliche Deutung für die Ausbeutesteigerung liegt darin, daß die tieferen Temperaturen in den ersten drei Reaktoren eine milde Behandlung des Einsatzmaterials zur Umwandlung von Naphthenen in Aromaten und zur Dehydrocyclisierung von Paraffinen zu Aromaten herbeiführen. Im letzten Reaktor werden die Temperaturen dagegen zur Octanzahlsteigerung beträchtlich erhöht, Die Ausbeuteverbesserung kann darauf beruhen, daß weniger Paraffine in den ersten drei Reaktoren gekrackt werden und damit die Möglichkeit einer Umwandlung in Aromaten erhalten. Diese Aromaten sind sehr beständig und passieren den letzten Reaktor unversehrt. Die Temperatur des ersten Reaktors ist möglicherweise höher als die der nachfolgenden Reaktoren wegen der umfangreichen Dehydrierung, die in den obersten wenigen Zentimetern des ersten Katalysatorbetts erfolgt. Eine etwas höhere Einlaßtemperatur im ersten Reaktor kann wegen des sehr raschen Temperaturabfalls beim Durchgang des Öls durch die anschließenden Teile des Katalysatorbetts geduldet werden. Die mittlere Katalysatortemperatur ist im ersten Reaktor wegen des Temperaturgefälles über die Längs des Bettes am geringsten.

Ein weiteres Merkmal für die Ausbeutesteigerung ist die geringe Zunahme der auf das Gewicht bezogenen mittleren Einlaßtemperatur. Die Produktoctanzahl blieb konstant, die auf das Gewicht bezogene mittlere Einlaßtemperatur war um etwa '/2⁰C erhöht. Dies kann als Hinweis dafür angesehen werden, daß in stärkerem Maße endotherme Dehydrierung eintritt.

Die angegebenen Temperaturen können wohl nicht als optimale Temperaturen für alle Reformierungen oder selbst nicht für die erläuterte Reformierung mit allen möglichen Einsatzmaterialien angesehen werden. Jegliche Änderungen der Beschickung, der Produktoctanzahl oder der Art des verwendeten Katalysators können die optimale Temperaturverteilung verschieben. Wesentlich ist jedoch, daß durch die Regelanordnung gemäß der Erfindung das optimale Temperaturprofi!; für jeden vorgegebenen Satz festgelegter Betriebsbedingungen herbeigeführt und eingehalten wird.

Alle erläuterten Änderungen sind, absolut betrachtet, sehr klein und in einer technischen Anlage schwer genau zu bestimmen. Die kumulative Wirkung all dieser Änderungen belegt jedoch eindeutig, daß die Regelanordnung gemäß der Erfindung die Ergebnisse, hier aufgezeigt am Beispiel der Reformierung, wesentlich verbessert. Die geringe Größe der vorgenommenen Veränderungen läßt auch verstehen, warum in dem langen Zeitraum der intensiven Bearbeitung bisher niemand das optimale Temperaturprofil etwa für die vorstehend erläuterte Verfahrensdurchführung ermittelt hat. Es ist äußerst verwickelt und umständlich, viele kleine Änderungen der Betriebsweise vorzunehmen und deren Wirkungen hinreichend genau festzustellen. Durch die Regelanordnung gemäß der Erfindung gelingt es jedoch in einfacher, sicherer und wirtschaftlicher Weise, den Betrieb durch jeweils geringe Änderungen ständig bei optimalen Bedingungen zu halten.

Die: Regelanordnung gemäß der Erfindung ist auf Betriebsdurchführungen in zwei oder mehr Reaktoren anwendbar und hat sich als besonders vorteilhaft für die katalytische Reformierung von Benzin und die Dehydrierung von Äthylbenzol erwiesen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Regelanordnung zur Optimierung einer Prociuktkenngröße unter Einhaltung eines Zielwertes für eine weitere Produktkenngröße bei einem Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, bei dem ein Reaktionsteilnehmerstrom durch mindestens zwei in Reihe geschaltete Reaktionszonen geleitet wird, bestehend aus jeder Reaktionszone zugeordneten Reglern für eine die Betriebsschär- ι ο fe der Umsetzung beeinflussende Verfahrensbedingung, wenigstens einem Meßglied zur Messung der

zu optimierenden Produktkenngröße und der auf einem Zielwert zu haltenden Produktkenngröße, wenigstens einem Meßwertumwandler für das (die) ι s von dem Meßglied kommende(n) Signal(e), sowie einem Prozeßrechner zur Berechnung der Sollwerte für die Regler der die Betriebsschärfe beeinflussenden Verfahrenbedingung aus dem (den) von dem Meßglied kommenden Signal(en) und zur Einstellung dieser Sollwerte, gekennzeichnet durch eine Arbeitsweise des Prozeßrechners (30 bzw. 80 bzw. 130) im Such verfahren ohne Prozeßmodell, einem dem Meßglied (18 bzw. 68 bzw. 143) nachgeschalteten Sollwertgeber (21 bzw. 71 bzw. 121) zum Vergleich des Meßwertes der auf einem Zielwert zu haltenden Produktkenngröße mit dem Zielwert, sowie je einen vor jeden Regler (12,14; 12', 14' bzw. 62,64; 62', 64'; 62", 64" bzw. 112,114; 112', 114') für die die Betriebsschärfe beeinflussende Verfahrensbedingung geschalteten Summierer (24, 24' bzw. 74,74', 74" bzw. 124,124') zur Kombination des von dem Prozeßrechner aus dem Meßwert der zu optimierenden Produktkenngröße errechneten Signals mit dem von dem Sollwertgeber aus dem Vergleich des Meßwertes der auf einem Zielwert zu haltenden Produktkenngröße mit deren Sollwert ermittelten Signal.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu optimierende Produktkenngröße für das Verhältnis unerwünschter Produkte zu erwünschten Produkten im Ausfluß der letzten Reaktionszone kennzeichnend ist.

3. Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu optimierende Produktkenngröße die Ausbeute an flüssigem Endprodukt ist.

4. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler für die die Betriebsschärfe der Umsetzung beeinflussende Verfahrensbedingung ein Temperaturregler (12,14; 12', 14' bzw. 62, 64, 62', 64'; 62", 64" bzw. 112, 114; 112', 114') ist, dessen Meßgröße die Temperatur des jeder Reaktionszone zugeführten Beschickungsstromes ist und dessen Stellgröße die dem Beschickungsstrom jeder Reaktionszone zugeführte Wärmemenge ist.

5. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einem Zielwert zu haltende Produktkenngröße für das Verhältnis erwünschter Produkte zu nicht-umgesetzten Reaktionsteilnehmern im Ausfluß der letzten Reaktionszone kennzeichnend ist.

6. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Abhängigkeit beider Produktkenngrößen von der die Betriebsschärfe beeinflussenden Verfahrensbedingung der Prozeßrechner (30 bzw. 80 bzw. 130) für eine gleichzeitig mit der Abgabe des aus dem Meßwert der zu optimierenden Produktkenngröße errechneten Signals vorgenommene, aus der Veränderung der auf einem Zielwert zu haltenden Produktkenngröße ermittelte Korrektur dieses !Signals programmiert ist.

7. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Abhängigkeit beider Produktkenngrößen von der die Betriebsschärfe beeinflussenden Verfahrensbedingung der Prozeßrechner (30 bzw. 80 bzw. 130) für eine Korrektur des aus dem Meßwert der zu optimierenden Produktkenngröße errechneten Signals programmiert ist, durch welche die auf das Gewicht bezogene mittlere Einlaßtemperatur jeder Reaktionszone konstant bleibt.

8. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Abhängigkeit beider Produktkenngrößen von der die Betriebsschärfe beeinflussenden Verfahrensbedingung dem Prozeßrechner (30 bzw. 80 bzw. 130) der Meßwert der zu optimierenden Produktkenngröße nicht zugeführt wird, bevor die auf dem Zielwert zu haltende Produktkenngröße nicht den Zielwert hat.

9. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Abhängigkeit beider Produktkenngrößen von der die Betriebsschärfe beeinflussenden Verfahrensbedingung der Prozeßrechner (30 bzw. 80 bzw. 130) das Verknüpfungsprodukt der beiden Produktkenngrößen bildet und optimiert.

10. Regelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verfahren zur Dehydrierung von Äthylbenzol im Gemisch mit Wasserdampf zur Erzeugung eines Styrols (Si^ sowie nicht-umgesetztes Äthylbenzol (AB), Benzol (B) und Toluol (T) enthaltenden Ausflusses, die zu optimierende Produktkenngröße

H -4- T"

das Verhältnis -^- ist, während die auf einem Zielwert zu haltende Produktkenngröße das Verhältnis ^g ist.