DE3429556C2 - Verfahren zur Regelung eines simuliert bewegten Bettsystems - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Regelung eines simuliert bewegten Bettsystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Verfahren, um
dem Spitzendruck eines simulierten Bettsystems
durch Verwendung von Kreiselpumpen mit veränderbarer
Geschwindigkeit so klein wie möglich zu machen.
Es ist bekannt, ein simuliert bewegtes Bettsystem
für eine chromatografische Trennung zur Trennung
von Kohlenwasserstoff- oder Saccharidmischungen in
der Industrie zu verwenden.
Ein simuliert bewegtes Bettsystem besteht im allgemeinen
aus einer Reihe von Betten, die mit
einem festen Adsorbens gefüllt sind, wobei das
stromabwärtige Ende jedes Betts mit dem
stromaufwärtigen Ende des nächsten darauffolgenden
Betts mittels Leitungen verbunden ist, um
einen endlosen Kreislauf auszubilden. Durch die
Betten fließt ein Fluid in einer Richtung um,
und ein Einsatzprodukt und ein Desorbens werden
in das System eingeführt und gleichzeitig werden
ein Raffinat (nicht adsorbierte Komponente) und
ein Sorbat (adsorbierte Komponente) von dem
System abgezogen. Die Stellen der Zuführung und
des Abzuges dieser vier Fluidarten (im folgenden
als Seitenströme bezeichnet) werden periodisch
in Richtung der umlaufenden Fluidströmung zur
Durchführung einer chromatografischen Trennung
der entsprechenden Komponenten verschoben. Verschiedene
vorgeschlagene Verfahren zur Regelung
des Betriebes dieses simuliert bewegten Bettsystems
sind in der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 18 392/76 und den nicht geprüften japanischen
Patentveröffentlichungen (OPI) Nr. 88 274/78 (entsprechend
der US-PS 4 182 633) und Nr. 90 072/79
beschrieben (vgl. Fig. 3).
Beim Betrieb des Bettsystems werden
die Durchflußmengen dreier der vier Seitenströme
gewöhnlich geregelt, indem sie auf vorbestimmte
Werte eingestellt werden, wohingegen der andere
Seitenstrom durch ein Regelventil geregelt wird,
das den Druck im Bett auf einem konstanten
Niveau hält. Wenn nur eine Kreislaufpumpe in den
Leitungen angeordnet ist, entspricht der Ansaugdruck
der Pumpe dem niedrigsten Druck in dem System,
und der letzte des oben erwähnten Seitenstroms
wird gewöhnlich so geregelt, daß der Saugdruck der
Kreislaufpumpe konstant gehalten wird. Die Kreislaufpumpe
dient zur Kompensation des in den Fließbetten
auftretenden Druckverlustes. Wenn nur eine
Kreislaufpumpe verwendet wird, ist der Ausgabedruck
gleich der Summe ihres Saugdrucks und des
Druckverlustes in den Betten, so daß die
Betten aus Druckbehältern bestehen müssen, die so
ausgelegt sind, daß sie diesem Ausgabedruck standhalten.
Dies bedeutet jedoch hohe Konstruktionskosten,
wenn der Druckverlust in den Betten groß
ist.
Theoretisch kann der Druckverlust in den Betten vermindert
werden, indem man das Längendurchmesserverhältnis
(allgemein als L/D-Verhältnis des Betts
bezeichnet) vermindert. Dies ist jedoch keine vollständig
zufriedenstellende Lösung in der Praxis,
da ein Bett mit einem großen Durchmesser zu
Schwierigkeiten bei der Schaffung einer gleichförmigen
Fluidströmung führt und hohe Kosten und eine große
Aufstellfläche erfordert.
Um den Auslegungsdruck der Betten zu vermindern,
sind eine Reihe von Betten in Reihe angeordnet
und mittels Leitungen verbunden, um einen endlosen
Kreislauf auszubilden, wobei in den Leitungen zwei
oder mehr Kreislaufpumpen so angeordnet sind, daß
der in den Betten auftretende Druckverlust zwischen
den entsprechenden Pumpen verteilt wird.
In dem simuliert bewegten Bettsystem ergeben die entsprechenden
Komponenten in dem umlaufenden Fluid
jedoch eine bestimmte Konzentrationsverteilung, und
in dem besonderen Fall der Trennung einer Mischung
von Sacchariden, haben die entsprechenden Komponenten
unterschiedliche Viskositäten oder spezifische
Dichten, entsprechend ihrer Konzentrationsverteilung.
Dies heißt, daß der Druckverlust von einer Betteinheit
zur anderen unterschiedlich ist, und daß die
Druckverteilung zwischen den Betten dazu neigt,
sich im Laufe der Zeit zu ändern. Daher ist der Saugdruck
und der Ausgabedruck einer bestimmten Kreislaufpumpe
periodischen Veränderungen unterworfen.
Weiter werden die Seitenströme in das System eingebracht
oder von ihm abgezogen, so daß die Fluidströmung
sich von einer Zone des Betts zur anderen
ändert. Die Regelung des
Bettsystems wird weiter durch die Tatsache erschwert,
daß die Zonen mit den unterschiedlichen
Durchflußmengen des umlaufenden Fluids periodisch
verschoben werden.
In der nicht geprüften japanischen Patentanmeldung
Nr. 90 072/79 wurde ein Verfahren zur Regelung eines
simulierten bewegten Betts vorgeschlagen. Dieses Verfahren
beruht darauf, daß der Spitzendruck in dem
System vermindert werden kann, indem man die Seitenströme
bei jeder Betriebsphase so regelt, daß der
minimale oder maximale Wert des Saug- oder Ausgabedrucks
der Kreislaufpumpen in dem System konstant
gehalten wird.
Ein Verfahren zur Regelung eines simuliert bewegten
Bettsystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus
der JP 54-90072 bekannt.
Es ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe)
ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
dahingehend zu verbessern, daß eine verminderte
Leistungsaufnahme, geringere Baugröße sowie verringerte
Konstruktions- und Betriebskosten erreicht werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die
Unteransprüche gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Verwendung eines
simuliert bewegten Bettsystems, das durch eine entscheidende
Verminderung des Auslegungsdrucks und eine verminderte
Leistungsaufnahme als auch durch ein vergrößertes L/D-
Verhältnis gekennzeichnet ist. Daher ist die Trenneinheit in
ihrer Gesamtgröße kleiner und ihre Konstruktions- und
Betriebskosten sind ebenfalls kleiner.
Das erfindungsgemäße Bettsystem umfaßt
vier oder mehr in Reihe geschaltete Fließbetteinheiten.
Mehrere Kreislaufpumpen sind zwischen den Betten,
vorzugsweise zwischen jeder Betteinheit vorgesehen.
Der Saugdruck jeder Kreislaufpumpe wird
mittels des Druckfühlers ermittelt, und, um diesen Saugdruck
so gering wie möglich zu halten, wird die Umlaufgeschwindigkeit
jeder Kreislaufpumpe mit dem variablen
Geschwindigkeitsregler geregelt, wodurch die
Durchflußmenge und der Druck der von jeder Kreislaufpumpe
ausgegebenen Durchflußmenge bestimmt werden
kann. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Kreislaufpumpe
wird mechanisch oder elektrisch geregelt. Zu
diesem Zweck kann ein sogenannter variabler Spannungsvariabler
Frequenzregler, eine Art Wandler, der für
derartige Zwecke seit kurzem verwendet wird, verwendet
werden. Entsprechend dem erfindungsgemäßen
Verfahren werden die Durchflußmengen dreier von vier
Seitenströmen auf bestimmte Werte eingestellt, wohingegen
die Durchflußmenge des anderen Seitenstroms so
geregelt wird, daß der Saugdruck irgendeiner der Kreislaufpumpen,
oder der maximale oder minimale Saugdruck,
oder der Mittelwert der Saugdrücke zweier oder mehrerer
Kreislaufpumpen konstant gehalten wird. Gleichzeitig
werden die Kreislaufpumpen unabhängig geregelt, so daß
ihre Umdrehungsgeschwindigkeiten so sind, daß sie die
notwendige Durchflußmenge durch eine spezifische Pumpe
als auch den Ausgabedruck erzeugen, der zur Kompensation des
Druckverlustes in dem von der spezifischen Kreislaufpumpe
stromabwärts gelegenen Betteinheit erforderlich
ist. Hierbei muß der Saugdruck jeder Kreislaufpumpe
so sein, daß eine Kavitation vermieden wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Umdrehungsgeschwindigkeit
einer Kreislaufpumpe so geregelt,
daß eine Umlaufströmung mit einem vorbestimmten Niveau
geschaffen wird, wohingegen die Umdrehungsgeschwindigkeiten
der anderen Kreislaufpumpen so geregelt werden,
daß die unmittelbar stromabwärts jeder Pumpe angeordnete
Pumpe den niedrigstmöglichen Saugdruck hat.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind
in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben, wobei in den Fig. 1 bis 3 Fließbilder
dreier unterschiedlicher
Bettsysteme dargestellt sind, die jeweils aus acht
Betteinheiten bestehen. Die Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den Versuchsergebnissen,
die man von drei Prototypen eines
Bettsystems mit jeweils acht Betteinheiten
erhalten hat. Im einzelnen zeigen die Figuren
Fig. 1 die Auslegung der Basiskonstruktion eines
Bettsystems zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Bezugszeichen
101 bis 108 die Betteinheiten,
A₁ bis A₈, die Kreislaufpumpen, RC₁ bis
RC₈, die Einrichtungen zur Regelung der
Umdrehungsgeschwindigkeit der entsprechenden
Kreislaufpumpen, a, das Einsatzprodukt, b,
das Raffinat, c, das Desorbens und d, das
Sorbat, darstellt.
Fig. 2 zeigt die Auslegung der Basiskonstruktion
eines bekannten Bettsystems, das zur
Durchführung des in der nicht geprüften
japanischen Patentveröffentlichung Nr.
90 072/79 offenbarten Verfahrens vorgeschlagen wurde,
wobei dort jedoch nicht am Auslaß jeder Pumpe
ein Ventil angeordnet ist. In Fig. 2
bezeichnen die Bezugsziffern 201 bis 208,
die Betteinheiten, B₁ bis B₈, die Kreislaufpumpen,
CV₁ bis CV₈, die Regelventile
für die Umlaufströmung, a, das Einsatzprodukt,
b, das Raffinat, c, das Desorbens
und d, das Sorbat.
Fig. 3 zeigt die Grundauslegung eines aus der US 4 182 633 bekannten
Bettsystems, das eine einzige Einheit
einer Kreislaufpumpe verwendet. In Fig. 3
bezeichnen die Bezugszeichen 301 bis 308,
die Betteinheiten, C₁, eine Kreislaufpumpe,
a, das Einsatzprodukt, b, das Raffinat,
c, das Desorbens und d, das Sorbat.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten
Bettsysteme werden zur Trennung einer wäßrigen
Lösung eines Kornsirups mit hohem Fruktosegehalt
(Einsatzprodukt) in Fruktose (Sorbat) und Dextrose
(Raffinat) verwendet, wobei Wasser als Desorbens verwendet
wird. Zum Zeitpunkt, in dem die Zugabe- und
Abzugsstellen der vier Seitenströme wie in den Fig. 1
bis 3 gezeigt, liegen, haben die entsprechenden
Betteinheiten des Bettsystems die
folgenden Druckverluste:
Betteinheiten | |
Druckverlust (kp/cm²) | |
Erste (101, 201, 301) | |
1.02 | |
Zweite (102, 202, 302) | 1.47 |
Dritte (103, 203, 303) | 2.47 |
Vierte (104, 204, 304) | 4.44 |
Fünfte (105, 205, 305) | 5.24 |
Sechste (106, 206, 306) | 2.74 |
Siebte (107, 207, 307) | 1.05 |
Achte (108, 208, 308) | 0.73 |
Es wird angenommen, daß der minimale erforderliche
Druck im Bettsystem zur Verhinderung
der Kavitation in den Kreislaufpumpen 0,5 kp/cm², und
der für die in Fig. 3 dargestellten Kreislaufpumpe C₁
erforderliche Ausgabedruck 19,66 kp/cm² beträgt, wobei
dies die Summe ihres Saugdrucks 0,5 kp (cm²) und
der gesamten in Tabelle 1 gezeigten Druckverluste ist.
Beim Betrieb des in Fig. 2 dargestellten bekannten Systems wird
die Durchflußmenge des umlaufenden Fluids mittels der
Regelventile CV₁ bis CV₈ geregelt. Bei der in Fig. 2
dargestellten Ausführungsform liefert der Saugdruck
der Kreislaufpumpe B₆ den minimalen Druck im
Bettsystem. Hält man diesen minimalen
Druck bei 0,5 kp/cm², so erhält man die folgenden
Werte der Drücke an den verschiedenen Punkten des
Systems und der Druckverluste in den Regelventilen
CV₁ bis CV₈.
Wie Tabelle 2 zeigt, beträgt bei der Verwendung des
bekannten Bettsystems gemäß Fig. 2 der Spitzenwert
des Drucks in dem System 9,69 kp/cm², wobei
jedoch der gesamte in den Regelventilen auftretende
Druckverlust einen Wert von 9,89 kp/cm² erreicht. Mit
anderen Worte heißt das, daß etwa ein Drittel der
gesamten den Pumpen zugeführten Energie durch die Druckverluste
in den Regelventilen aufgebraucht wird.
Beim Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Systems wird die
Durchflußmenge einer der Seitenströme und die Umdrehungsgeschwindigkeit
der Kreislaufpumpen geregelt, so
daß der Saugdruck jeder Kreislaufpumpe 0,5 kp/cm² beträgt.
Hierbei hatten die entsprechenden Pumpen die
folgenden Ausgabedrücke:
Die Spitzenwerte des Drucks in dem
Bettsystem der drei oben gezeigten Fälle sind in Tabelle
4 zusammen mit dem spezifischen Energiebedarf zum Betrieb
der entsprechenden Systeme dargestellt (der Energiebedarf
des Systems in Fig. 1 wurde mit 1,0 angesetzt).
Tabelle 4 zeigt, daß das Verfahren gemäß Fig. 1 den
niedrigsten Spitzenwert im Bettsystem
ergibt, wobei ein geringerer spezifischer Energiebedarf
als bei dem System gemäß Fig. 2 erforderlich ist.
Claims (3)
1. Verfahren zur Regelung eines simuliert bewegten
Bettsystems mit mindestens vier in Reihe geschalteten
Betteinheiten, die jeweils mit einem festen Adsorbens
gefüllt sind, wobei das stromabwärtige Ende jedes Betts
und das stromaufwärtige Ende des nächsten darauffolgenden
Betts mittels Leitungen zur Ausbildung eines endlosen
Kreislaufs verbunden sind, und wobei durch die Betten ein
Zwangsumlauf eines Fluids in einer Richtung stattfindet,
wobei weiter ein Einsatzprodukt und ein Desorbens in das
System eingebracht und gleichzeitig ein Raffinat und ein
Sorbat vom System abgezogen werden, wobei die Einsatz- und
Abzugsstellen der vier Fluidarten periodisch in Richtung
der umlaufenden Fluidströmung verschoben werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Kreislaufpumpen mit veränderbaren Geschwindigkeitsreglern (RC₁, RC₂, RC₃, usw.) und Druckfühlern zur Ermittlung des Saugdrucks jeder der Kreislaufpumpen zwischen zwei Betten vorgesehen sind;
die Durchflußmengen dreier der vier dem System zugeführten Fluide oder der vom System abgeführten Fluide auf vorbestimmte Werte eingestellt werden, wohingegen die Durchflußmenge des anderen Fluids so geregelt wird, daß der Saugdruck einer Kreislaufpumpe konstant gehalten wird; und daß
zur Regelung der Durchflußmenge des umlaufenden Fluids die Umdrehungsgeschwindigkeit jeder der Kreislaufpumpen unabhängig geregelt wird, so daß der Saugdruck jeder Kreislaufpumpe auf einem niedrigen Niveau gehalten wird.
mehrere Kreislaufpumpen mit veränderbaren Geschwindigkeitsreglern (RC₁, RC₂, RC₃, usw.) und Druckfühlern zur Ermittlung des Saugdrucks jeder der Kreislaufpumpen zwischen zwei Betten vorgesehen sind;
die Durchflußmengen dreier der vier dem System zugeführten Fluide oder der vom System abgeführten Fluide auf vorbestimmte Werte eingestellt werden, wohingegen die Durchflußmenge des anderen Fluids so geregelt wird, daß der Saugdruck einer Kreislaufpumpe konstant gehalten wird; und daß
zur Regelung der Durchflußmenge des umlaufenden Fluids die Umdrehungsgeschwindigkeit jeder der Kreislaufpumpen unabhängig geregelt wird, so daß der Saugdruck jeder Kreislaufpumpe auf einem niedrigen Niveau gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Durchflußmenge des anderen Fluids so geregelt wird,
daß ein Mittelwert der Saugdrücke zweier oder mehrerer der
Kreislaufpumpen konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kreislaufpumpen (A1, A2, A3, usw.) zwischen jedem der
Betten (101, 102, 103, usw.) vorgesehen sind.
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