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Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Fahrweise von
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Kristallisationsprozessen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
automatischen Fahrweise von Kristallisationsprozessen und eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens unter Verwendung eines Programmgebers, der Steuerimpulse zum Öffnen
und Schließen von Ventilen erzeugt, und eines Erstarrungspunkt-Meßgeräts.
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Kristallisations- und Destillationsprozesse gehören zu den wichtigsten
und bekanntesten Verfahren der großtechnischen Reinherstellung chemischer Produkte.
Die industrielle Gewinnung von Produkten durch Kristallisation erfolgt im allgemeinen
aus Lösungen eines Produkt-, Homologen- bzw. Isomerengemisches in einem Lösungsmittel
oder aus der Schmelze eines Produkt-, Homologen- bzw. Isomerengemisches.
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Bei der diskontinuierlichen Kristallisation von Produkt-, Homologen-
bzw. Isomerengemischen aus der Schmelze wird ein Kristallisationsapparat, der z.B.
in der Art eines stehenden Röhrenbündels ausgeführt ist, mit dem geschmolzenen Produktgemisch
gefüllt. Das Einsatzprodukt wird dann von der Einfülltemperatur durch Kühlmittel
wie Sole, Wasser oder Luft auf
eine Temperatur abgekühlt, die oberhalb
der eutektischen Temperatur des Produktgemisches liegt. Der bei dieser Temperatur
nicht kristallisierte, noch flüssige Anteil des Einsatzproduktes wird abgelassen
und anschließend das Kristallisat bis auf eine Temperatur erwärmt, die unterhalb
des Schmelz-bzw. Erstarrungspunktes der reinen Ware liegt. Danach werden die im
Kristallisationsapprat verbleibenden Kristalle aufgeschmolzen und das erhaltene
reine Produkt abgelassen. Die erhaltenen Ablaugen werden entsprechend ihrerzusammensetzung
weiterverarbeitet.
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Die einzelnen Fabrikationsschirtte wie das Abkühlen und das Erwärmen
des Einsatzproduktes bzw. Kristallisats sowie die Ermittlung der Zusammensetzung
der Ablaugen werden bisher manuell gesteuert bzw. ausgeführt.
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Es wurde nun ein Verfahren zur automatischen Fahrweise von Kristallisationsprozessen
unter Verwendung eines Programmgebers, der Steuerimpulse zum Öffnen und Schließen
von Ventilen erzeugt, und eines Erstarrungspunkt-Meßgeräts gefunden, daß dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Entleerung des mit einer Kühl- bzw. Heizvorrichtung
ausgestattenen Kristallisationsapparates (7) über ein Ventil (2) erfolgt, über ein
Ventil (3) ein Seitenstrom (14) des Hauptproduktstroms (13) dem Erstarrungspunkt-Meßgerät
(11) und sodann über (15) wieder dem Hauptproduktstrom (13) zugeführt wird, und
über die Ventile (4), (5) und(6) der Hauptproduktstrom (13) in den jeweils bestimmten
Ablaufbehälter (8), (9) und (10) geleitet wird, wobei das Erstarrungspunkt-Meßgerät
(11) aus einem Doppelmantelgefäß mit einem Ein- und einem Auslauf besteht und der
Zwischenraum des Mantels wenigstens einen Einlauf für die über die Ventile (16),
(17) und (18) erfolgende Beschickung mit Luft, Wasser oder Wasserdampf und einen
entsprechenden Auslauf besitzt, und das Erstarrungspunkt-Meßgerät weiterhin einen
Temperaturfühler aufweist,
und wobei Temperaturmeßwerte aus dem
Erstarrungspunkt-Meßgerät (11) und aus dem Kristallisationsapparat (7) dem Programmgeber
(12) zugeführt (gestrichelte Linien) und dort mit eingegebenen Sollwerten verglichen
werden, und wobei bei Erreichen der Sollwerte die Ventile (1), (2), (3), (4), (5)
und (6), sowie (16), (17) und (18) und gegebenenfalls die Kühl- und Heizvorrichtung
des Kristallisationsapparates (7) vom Programmgeber (12) (über die punktierten Linien)
angesteuert werden.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung angegeben, die die automatische Fahrweise
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gestattet.
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Bevorzugt wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Erstarrungspunkt-Meßgerät
die Vorrichtung zur automatischen Bestimmung des Erstarrungspunktes gemäß DT-OS
23 53 550 verwendet.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung
erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein Ansatz, d.h. eine Füllung
der Kristallisationsapparatur, automatisch zu Ende gefahren wird, ohne daß von Hand
Eingriffe oder Bestimmungen von Erstarrungspunkten durchgeführt werden müssen.
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Durch Einstellen von bekannten Sollwerten im Programmgeber kann für
jeden Kristallisationsprozeß eine optimale Zeit für die einzelnen Fabrikationsschritte
wie Abkühlen und Erwärmen des Einsatzproduktes bzw. Kristallisats eingehalten werden.
Die Abfolge der Fabrikationsschritte wird durch einen Vergleich der automatisch
ermittelten Erstarrungspunkte und Temperaturwerte im Kristallisat mit den im Programmgeber
gespeicherten Sollwerten geregelt. Nach Erreichen der gewünschten Werte werden entsprechende
Ventile angesteuert und die beim Kristallisationsprozeß anfallenden Fraktionen mit
einer bestimmten Produktqualität in die dafür vorgesehenen Behälter geleitet und
dort gesammelt.
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Mit Hilfe dieser Vorrichtung können somit kontinuierlich Kristallisationsprozesse
durchgeführt werden. Durch Einstellung der entsprechenden Sollwerte in den Programmgeber
läßt sich diese Vorrichtung für sehr viele Arten der Kristallisation einstellen.
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Die Mengen, die nach dem erfindungsgemäßen Kristallisationsprozeß
behandelt werden, können in weiten Grenzen variieren.
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Es können sowohl Mengen im Labormaßstab als auch technische Mengen
im Tonnenmaßstab eingesetzt werden. Hauptsächlich gelangen Mengen im produktionstechnischen
Maßstab zum Einsatz.
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Im allgemeinen können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung je Kristallisationsprozeß
beispielsweise Mengen bis ca. 250 t, bevorzugt Mengen von 4 bis 100 t verarbeitet
werden. Die apparative Ausführung der Anlagen wird einersetis durch die zu erstellenden
Mengen und andererseits durch räumliche Gegebenheiten bestimmt.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung
der entsprechenden Vorrichtung ist in der Abbildung dargestellt und wird im folgenden
näher beschrieben.
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Beispiel Ablauf einer Kristallisation in einer automatisierten Kr
istallisationsvorrichtung Der mit einer Kühl- bzw. Heizvorrichtung ausgestattete
Kristallisationsapparat (7) wird über (1) aus einem Vorratsbehälter mit Produkt
gefüllt. Das Bodenventil (2) des Kristallisationsapparates (7) muß geschlossen sein.
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Das Einsatzprodukt wird im Kristallisationsapparat (7) von der Einfülltemperatur
T1 über eine Temperatur T2 (Sollwert 1) auf eine Temperatur T3 (Sollwert 2) innerhalb
von X1 Stunden abgekühlt. Der Abkühlvorgang soll innerhalb von X2 Stunden bei der
Temperatur T2 unter
Aufrechterhaltung dieser Temperatur T2 erfolgen.
Bei Erreichen von T2 wird der größte Teil der Kristallisationswärme frei. Die Temperaturkontrolle
erfolgt über die Innentemperatur des Kristallisationsapparats (7).
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Das auf T3 gekühlte Produkt wird innerhalb von X3 Stunden auf T4 erwärmt.
Dabei werden die anfallenden Fraktionen über den jeweiligen Erstarrungspunkt in
ihrer Zusammensetzung unterschieden und getrennt gesammelt. Der Erstarrungspunkt
wird jeweils im Erstarrungspunkt-Meßgerät (11) durch periodische Entnahme von Proben
ermittelt, wobei die Entnahme der Proben durch Öffnen bzw. Schließen des Ventils
(3) aus dem Hauptproduktstrom (13) der ablaufenden Ablauge erfolgt.
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Im einzelnen erfolgt die Sammlung der Fraktionen wie folgt: Bei Erreichen
der Temperatur T3 wird das Bodenventil (2) des Kristallisationsapparats (7) geöffnet
und die Ablauge nach Schließen der Ventile (5) und (6) solange in den Behälter (8)
abgelassen, bis der Erstarrungspunkt Ep1 (Sollwert 3) der ersten Fraktion erreicht
ist. Die Ermittlung von Epl erfolgt über das Erstarrungspunkt-Meßgerät (11). Ist
der Erstarrungspunkt Epl erreicht, wird Ventil (4) geschlossen und Ventil (5) geöffnet.
Die anfallende Ablauge wird jetzt im Behälter (9) gesammelt. Erreicht die ablaufende
Ablauge den Erstarrungspunkt Ep2 (Sollwert 4), wird Ventil (2) und Ventil (5) geschlossen.
Das Kristallisat wird augeschmolzen und durch Öffnen der Ventile (2) und (6) in
den Behälter (10) abgelassen.
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Die erforderlichen Temperaturmeßwerte werden vom Programmgeber (12)
über im Kristallisationsapparat (7) befindliche Temperaturmeßstellen und über das
Erstarrungspunkt-Meßgerät (11) erfaßt, wobei diese Temperaturmeßwerte mit den in
den Programmgeber (12) eingegebenen Sollwerten 1 bis 4 verglichen werden und bei
Erreichen dieser Sollwerte die Ventile (1), (2), (3), (4), (5) und (6), sowie (16),
(17) und (18) in folgender Weise angesteuert werden:
| periodisch |
| Vorgang geschlossen geöffnet geöffnet |
| Füllung des Ventile (2), Ventile (1), - |
| Kristallisations- 3, 4) (5), (18) |
| apparats (7) 6, 16), (17) |
| Abkühlvorgang Ventile (1) Ventil (18)- |
| von T1 auf T3 (2), (3), (4), |
| (5,) (6), (10), |
| (17), |
| Aufwärmvorgang |
| von T3 auf T4 |
| a) von T3 auf Ep1 Ventile (1), Ventile (2), Ventile (3), |
| (5), (6), (16) (4) (17), (18) |
| b) von Ep1 auf Ep2 Ventile (1), Ventile (2), Ventile (3), |
| (4), (6), (17) (5) (16), (18) |
| c) von Ep2 auf T4 Ventile (1), Ventile (2), - |
| (3), (4), (5), (6), (18) |
| (16), (17) |
Im allgemeinen gelten folgende Bedingungen: T1 > T2 T2 = 1 - 5°C unterhalb des
Erstarrungspunktes des Einsatzprodukts = Sollwert 1 T3 = 1 - 20 0C oberhalb der
eutektischen Temperatur des Einsatzprodukts = Sollwert 2 T4 > Ep2 X1 = Abkühlzeit
des Einsatzproduktes X2 = Zeitraum zur Aufrechterhaltung der Temperatur T2 während
des Abkühlvorganges Xg Aufwärmzeit des Kristallisats Die Zeiten X1, X2 und X3 sind
selbstverständlich abhängig von der apparativen Einrichtung und dem Einsatzprodukt.
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Einzelbeispiele für automatisch geführte Kristallisationsprozesse
von Produkten und deren Kennzahlen zeigt die folgende Tabelle.
Beispiele
für automatisch geführte Kristallisationsprozesse von Produkten und deren Kennzahlen
| Reinprodukt Ep. Rohprodukt Ep. Zusammensetzung Sollwert Sollwert
Sollwert Sollwert X1 X2 X3 |
| (°C) (°C) 1 2 3 4 |
| (°C) (°C) (°C) (°C) (h) (h) (h) |
| 1. Chloraromaten # |
| z.b. |
| a) p-Chlortoluol 7,4 p-Chlortoluol 6,0 96 % 4-Chlortoluol 5,5
-8 4 7,0 16 2/3 8 |
| techn. 4 %-m-Chlortoluol |
| b) p-Dichlorbenzol 53,0 p-Dichlorbenzol 50,4 96 % 1,4-Dichlorbenzol
48 30 48 52,4 15 3 12 |
| techn. 2,5 % 1,3-Dichlorbenzol |
| 1,5 % 1,2-Dichlorbenzol |
| c) 1,2,4,5-Tetra- 138,0 Tetrachlorbenzol 115 ca. 55/60 % 1,2,4,5-Tetra-
110 40 50 137,- 16 3/4 16 |
| chlorbenzol chlorbenzol |
| ca. 42737 % 1,2,3,4-Tetra- |
| chlorbenzol |
| ca. 3 % 1,2,4-Trichlor- |
| benzol und |
| Pentachlor- |
| benzol |
| Reinprodukt Ep. Rohprodukt Ep. Zusammensetzung Sollwert Sollwert
Sollwert Sollwert X1 X2 X3 |
| (°C) (°C) 1 2 3 4 (h) (h) (h) |
| (°C) (°C) (°C) (°C) |
| 2. Nitroaromaten |
| z.B. |
| a) 1-Nitronaphtha- 56,0 Nitronaphtha- 51,8 93,8 % 1-Nitronaphthalin
50 35 45 54,8 16 4 16 |
| lin 5,2 % 2-Nitronaphthalin |
| 1,0 % Dinitronaphthalin |
| b) 2-Nitro-1,3- 15,2 Nitrodimethyl- 12,0 95 % 2-Nitro-1,3-dimethyl-
10 -8 8 14,3 12 2/3 12 |
| dimethylbenzol benzol roh benzol |
| (2-Nitro-m-xylol) 5 % 2-Nitro-1,4-dimethyl- |
| benzol |
| c) 1-Nitro-2-äthoxy- 100,0 Nitroäthoxy- 88,0 10 % 8-Nitro-2-äthoxy-
86 60 85 100 12 3 12 |
| naphthalin naphthalin roh naphthalin |
| 10 % 6-Nitro-2-äthoxy- |
| naphthalin |
| 80 % 1-Nitro-2-äthoxy- |
| naphthalin |
| Reinprodukt Ep. Rohprodukt Ep. Zusammensetzung Sollwert Sollwert
Sollwert Sollwert X1 X2 X3 |
| (°C) (°C) 1 2 3 4 (h) (h) (h) |
| (°C) (°C) (°C) (°C) |
| 3. Chlornitro- |
| aromaten |
| z.B. |
| a) p-Chlornitro- 82,5 Chlornitro- 55,7 64 % p-Chlornitrobenzol
54 20 45 81,6 12 3 12 |
| benzol benzol roh 35 % o-Chlornitrobenzol |
| 0,7 % m-Chlornitrobenzol |
| p-Chlornitro- 74/75 89 % p-Chlornitrobenzol 73 40 45 81,2 8
2 8 |
| benzol techn. 10 % o-Chlornitrobenzol |
| 1 % m-Chlornitrobenzol |
| b) o-Chlornitro- 31,8 o-Chlornitro- 28/29 94 % o-Chlornitrobenzol
26 20 26 30,8 16 3 6 |
| benzol benzol techn. 6 % p-Chlornitrobenzol |
| c) m-Chlornitro- 44,0 m-Chlornitro- 39,0 90 % m-Chlornitrobenzol
37 20 35 42,6 12 3 12 |
| benzol benzol techn. 10 % p-Chlornitrobenzol |
| m-Chlornitro- 32,0 80 % m-Chlornitrobenzol 30 20 35 42,6 16
3 12 |
| benzol techn. 16 % p-Chlornitrobenzol |
| 4 % o-Chlornitrobenzol |
| d) 3,4-Dichlornitro- 40,4 Nitrodichlor- 34,2 88 % 3,4-Dichlornitro-
33 20 30 38,6 12 3 12 |
| benzol benzol roh benzol |
| ca.12% 2,3-Dichlornitro- |
| benzol |
| 0,2 % 2,5-Dichlornitro- |
| benzol |
| Nitrodichlor- 34/35 89/90% 3,4-Dichlornitro- 33 20 30 38,6
12 3 12 |
| benzol techn. benzol |
| 9/10 % 2,3-Dichlornitro- |
| benzol |
| 0,5 % 2,5-Dichlornitro- |
| benzol |
| Reinprodukt Ep. Rohprodukt Ep. Zusammensetzung Sollwert Sollwert
Sollwert Sollwert X1 X2 X3 |
| (°C) (°C) 1 2 3 4 (h) (h) (h) |
| (°C) (°C) (°C) (°C) |
| 3. Chlornitro- |
| aromaten |
| Fortsetzung |
| a) 2,3-Dichlornitro- 60,2 Nitrodichlor- 45 75 % 2,3-Dichlornitrobenzol
43 24 50 59 15 3 12 |
| benzol benzol techn. 25 % 3,4-Dichlornitrobenzol |
| f) 2,4,5-Trichlor- 51,9 Nitrotrichlor 45/46 89 % 2,4,5-Trichlornitro-
44 24 45 51,2 15 3 15 |
| nitrobenzol benzol roh benzol |
| 10 % 2,3,6-Trichlornitro- |
| benzol |
| 1 % 2,3,4-Trichlornitro- |
| benzol |
| g) 2-Chlor-4-nitro- 62,3 Chlornitro- 56,3 93 % 2-Chlor-4-nitrotoluol
55 24 40 60,2 10 2 8 |
| toluol toluol roh 7 % Dichlornitrobenzol |
| 4. Aminaromaten |
| z.B. |
| 1-Amino-2-äthoxy- 47,0 Aminoäthoxy- 40/46 ca.87/96 % 1-Amino-2-
38/44 30 40 44,2 16 4 20 |
| naphthalin naphthalin roh äthoxynaphthalin |
| " 2/10 % 6-Amino-2- |
| äthoxynaphthalin |
| " 2/ 3 % 8-Amino-2- |
| äthoxynaphthalin |
| 5. Diphenylverbindg. |
| o-Oxydiphenyl 56/58 o-Oxydiphenyl 38 73 % o-Oxydiphenyl 37
21 25 40 18 4 27 |
| roh 26 % o-Cyclohexylphenol |
| ca.1% Diphenylenoxyd |
| 51/52 90 % o-Oxydiphenyl 50 24 45 58 20 4 42 |
| ca.2% Diphenylenoxyd |
| 8 % o-Cyclohexylphenyl |