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Verfahren zum Einregulieren und Oberwachen von Rektifikations- bzw.
Destillationsapparaten Bei den bekannten Zerlegungsverfahren siedender Flüssig,rlieitsgemische
durch Rektifikation in sog. Rektifikations- oder Destillationskolonflen erfolgt
die Einregulierung der Apparate bzw. des Rücklaufverhältnisses auf Grund der laufenden
Kontrolle der Reinheit der Terlegungsprodukte. Fehler in der Einstellung machen
sich in der Regel erst später bemerkbar, und es ist deshalb schwer, den günstigsten
Betriebszustand als dauernden Gleichgewichtszustand zu erhalten.
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Wenn sowohl das Schwersiedende als auch das I,eichtsiedende mit besonders
hoher Reinheit entnommen werden soll, ergeben sich besonders große Schwierigkeiten.
Die Kolonnen müssen dann eine große Höhe bzw. sehr viele Böden haben, von denen
an jedem Kolonnenende eine große Anzahl zur Eiitfernung sehr geringer Reste des
anderen Bestandteiles dient. Bei einer Veränderung des Rücklaufverhältnisses verschieben
sich die Gleichgewichtslagen innerhalb der Kolonne, und es dauert eine gewisse Zeit,
ehe sich, infolge der Aufnahme- und Speicherfähigkeit der in der Kolonne berabfließenden
Rücklaufflüssigkeit, diese Änderung in einer merklichen Verschlechterung eines der
Zerlegungsprodukte äußert, dergestalt, daß bei vermehrtem Rücklauf das Schwersiedende,
bei verringertem Riicklauf aber das Leichtsiedende unreiner wird. Bei einer dauernden
Einstellung auf den günstigsten Betriebszustand kann man auch mit einer kleineren
Bodenzahl oder geringeren Kolonnenhöhe auskommen, weil dei gewünschte Mittelwert
der Reinheit der Erzeugnisse dann nicht durch Schwankungen unter den Bestwert verschlechtert
wird.
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Es ist bekannt, bei Rektifikationskolonnen einzelne Vorgänge, z.
B. Zulauf, Rücklauf, Beheizung, Kühlung usw.. nach der Messung von Drücken oder
von Temperaturen zu beeinflussen. Es ist jedoch nicht bekannt. eine Meßgröße, die
dem wirklichen Unterschied in der Zusammensetzung des Rektifiziergutes
an
zwei verschiedenen Stellen einer Kolonne entspricht, als Meßgröße für die Regulierung
anzuwenden.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben,
welches ein leichtes Einregulieren von Rektifikationsapparaten in die günstigste
Gleichgewichtslage ermöglichst. An den Stellen einer Rektifikationskolonne, die
von den Enden weiter entfernt sind, macht sich eine Änderung des Rücklaufverhältnisses
durch die veränderte Zusainmensetzung der Dämpfe und Flüssigkeiten bedeutend früher
und deutlicher bemerkbar als an den Enden der Kolonne bzw. an den entnommenen Erzeugnissen.
Wenn die Änderung der Zusammensetzung an einer solchen Stelle als Grundlage für
die laufendeBetriebsüberwacfr,ing und Regulierung benutzt wird, kann durch vorzeitiges
Eingreifen eine verlustreiche Verschlechterung eines Endproduktes verhindert werden,
bevor sie an letzterem feststellbar ist. Es braucht nur einmal für jeden Rektifikationsapparat
und die fraglichen Betriebsverhältnisse ermittelt zu werden, welche Zusammensetzung
das Rektifikationsgut an der gewählten Stelle bei der günstigsten Einstellung des
Apparates haben muß. Falls nur ein Teil des in einem Gemisch enthaltenen Stoffes
als reines Produkt gewonnen werden soll, kann die Stelle der am deutlichsten feststellbaren
Schwankungen der Zusammensetzung auch an dem der Entnahmestelle des reinen Erzeugnisses
entgegengesetzten Kolonnenende liegen.
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Wenn zwischen den Enden einer Rektifikationskolonne Dämpfe oder Flüssigkeiten
entnommen oder zugeführt werden, kann jedes zwischen zwei dieser Stellen oder zlvischen
einer derselben und einem Kolonnenende liegende Teilstück als einzelne Kolonne betrachtet
werden. in deren Mittelteil an geeigneter Stelle eine bestimmte Zusammensetzung
des Rektifikationsgutes herrschen muß, wenn der günstigste Betriebszustand erhalten
bleiben soll.
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Eine unmittelbare- Auswertung durch Analysenproben ist in vielen
Fällen eine verhältnismäßig zeitraubende und schwierige Arbeit, die vor allem vom
Bedienungspersonal bei der für eine Benutzung als Grundlage der laufenden Regulierung
der Apparate auf den hestmögl ichsten Betriebszustand notwendigen Schnelligkeit
nicht immer mit der erforderlichen Genauigkeit vorgenommen werden kann. Außerdem
bestehen praktisch große Schwierigkeiten, aus einer Kolonne Dampf oder Flüssigkeit
zu entnehmen ohne eine Veriuischung mit den anderen Medieii. Aber schon durch die
Vermischung sehr geringer Dampfinengen mit Flüssigkeit oder kleiner Flüssigkeitsmengen
mit Dampf evird infolge der abweichenden Zusammensetzung die entnommeae Probe stark
verfälscht. Da außerdem die mitgerissenen Dampf- oder Flüssigkeitsmengen stark schwanken
können, ist die Anwendung einer direkten Analysenmethode wegen großer Unzuverlässigkeit
praktisch nicht anwendbar. bIan hat bereits ein Thennometer an einer Stelle angeordnet,
die starken Temperaturschwankungen bei einer Verschiebung des Gleichgewichts einer
Rektifikationskolonne ausgesetzt ist. Diese Maßnahme setzt jedoch konstanten Druck
an der Meßstelle voraus, damit die Temperatur lediglich von der Zusammensetzung
abhängig ist.
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Ferner ist bekannt, zwei Thermometer anzuordnen und die Differenz
zwischen den beiden Thermometern als Meß- bzw. als Regelgrundlage zu benutzen. Dabei
ist zwar der Einfluß des Druckes an- sich ausgeschaltet, jedoch übt der Widerstand
des zwischen den beiden Meßstellen liegenden Kolonnenstückes einen erheblichen Einfluß
auf die Differenz der Temperatur aus. Der Widerstand ändert sich aber abhängig vom
Belastungszustand und abhängig von Verkrustungen. Der Belastungszustand ist im besonderen
bei Kolonnen, die mit Medien von schwankender Menge bzw. schwankender Zusammensetzung
beschickt werden, die infolgedessen besonders der Regelung des Rücklaufverhältnisses
bedürfen, starken Veränderungen während des Betriebes ausgesetzt.
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Deshalb soll erfindungsgemäß die Regelgrundlage bzw. das Meßverfahren
vom Druck unabhällgig sein und die von den Veränderungen des Kolonnenwiderstandes
(Druckgefälle) abhängigen Temperaturunterschiede zwischen zwei Stellen der Kolonne
berücksichtigen, von denen die eine an einer Stelle liegt, die bei geringen Gleichgewichtsschwankungen
starke Zusammensetzlmgsänderunger des Rektifikationsme.diums bedingt und die andere
Stelle eine von den Gleichgewichtsschwankungen nahezu unabhängige Zusammensetzung
des Rektifikationsgutes zeigt. Die starken Veränderungen der Zusammensetzung des
Rektifikationsgutes treten bei Gleichgewichtsschwankungen vorzüglich zwischen zwei
Stellen auf, an denen eine Zufuhr oder Entnahme von Dampf oder Flüssigkeit stattfindet,
während praktisch schwannkungsfrei die Kolonnenstellen sind, an denen ein reines
Produkt entnommen, bzw. gegebenenfalls auch' solche, an denen ein Gemisch von konstanter
Zusammensetzung zugeleitet wird, doch sollen in letzterem Falle, um den Einfluß
von Abweichungen des zugeleiteten Me diums von der genauen Siedetemperatur auszuschließen,
die Meßstellen so angelegt we den, daß eine unmittelbare Berührung mit
dem
neu- zugeleiteten Medium nicht stattfindet, z. B. durch Verlegung der Meßstelle
auf den nächsten Kolonnenboden oder durch Eintauchen in die Flüssigkeit bei Dampfzuführung
oder Vermeiden des Eintauchens bei Flüssigkeitszuleitung.
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Die Schwankungen des Druckes der Kolonne wirken sich auf die beiden
zur Temperaturdifferenzmessung dienenden Meßstellen in gleicher R-ichtung und in
- fast gleichem Ausmaß aus, so daß bei gleichem Unterschied in der Zusammensetzung
die Unterschiede der Temperaturen bei allen praktisch in einer Kolonne vorkommenden
Drücken angenähert gleich sind und in dem Bereich der in einer Kolonne möglichen
Druckschwankungen keine meßaren Abweichungen zeigen.
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Schwankungen des Kolonnenwiderstandes verändern - bei gleichbleibender
Zusammensetzung des Rektifikationsmediums an beiden Meßstellen - den Temperaturnterschied:
deshalb wird mit der Temperaturdifferenzmessung eine Druckdifferenzmessung der beiden
Meßstellen gekuppelt, und zwar zweckmäßig derart, daß die -Druckdifferenz und die
Temperaturdifferenz entgegengesetzt auf das Meßinstrument bzw. auf den Regelimpulsgeber
einwirken, beispielsweise' über ein Planetengetriebe oder-über ein Rollen- oder
Hebelwerk, so daß bei steigender Druckdifferenz und entsprechend steigender Temperaturdifferenz,
also bei unverändlicher Zusammensetzung des Rektifikationasgutes an den beiden Meßstellen
der Kolonne der Gesamtausschlag des Instrunientes .Null bleibt.
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Die Zuordnung von Temperaturdifferenz und Druckdifferenz kann dabei-
durch Zwischenschaltung einer Kurvenscheibe o. dgl. in das der funktionellen Abhängigkeit
entsprechende Verhältnis gebracht werden.
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Falls die Temperaturdruckdifferenzmessung durch ein Diedethermometer
erfolgt, welches mit dem Rektifikationsmedium oder einem sich ähnlich ye,rhaltenden
gefüllt ist und das genen ein die Druckdifferenz an den beiden Meßstellen messendes
Differentilamonometer geschattet ist, so ist die Impulskraft des Temperaturdifferenzmessers
der Funktion Druck - Temperatur selbständig angepaßt, und die Instrumente können
in diesem Falle uninittelhar gegeneinander gekuppelt werden.
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Außer der Einführung einer einwandfrei der Zusammensetzung entsprechenden
Meßgrundlage durch Verbundmessung der Unterschmiede von Tempetaturen und Drücken
hat das neue Verfahren noch den Vorteil, daß sich die Temperaturdifferenzen' und
Druckdifferenzen mit praktisch brauchbaren Geräten genau genug messen lassen, weil
der zulässige Fehler im Verhältnis zum Meßwert größer ist als bei der Messung eines
Absolutwertes, Praktisch kommt außer gegeneinandergeschalteten flüssigkeits-, Gas-
oder Siedethermometern die für Messung von Temperaturdifferenzen besonders geeignete
elektrische Messung in Frage.
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Es können sowohl Widerstandsthermometer als Thermoelemente verwendet
werden, und zwar werden dieselben zur Temperaturdifferenzmessung zweckmäßig unmittelbar
gegeneinandergeschaltet, so daß die eigentlichen Meßleitungen nur von dem der Temperaturdifferenz
entsprechenden Strom durchflossen werden und damit die zusätzlichen Fehler aus Meßleitungswiderstanden
gering ausfallen.
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Bei Verwendung von Thermoelementen wird zweckmäßig mit dem edleren
Metall bzw. demjenigen' mit dem höheren Widerstand die unmittelbare Verbindung der
beiden gegeneinandergeschalteten Elemente hergestellt, während das unedlere Metall
bzw. dasjenige mit dem geringeren Widerstand zur Verbindung mit dem Anzeige- oder
Schaltgerät benutzt wird. Mehrere auf diese Weise verbundene Elementenpaare können
außerdem zur Erhöhung des Meßstromes zu einer Batterie hintereinandergeschaltet
werden.
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Bei Verwendung von zwei gegeneinandergeschalteten Gas- oder Flüssigkeitsthermo
metern oder von zwei mit entsprechenden Flüssigkeiten gefüllten Siedethermometern
wirken diese gemeinsam anf ein Anzeige-oder Schaltgerät, beispielsweise eine Ringwaage.
Bei Gas- oder Siedethermometern können dabei die Meßleitungen mit einer Flüssigkeit
gefüllt werden, deren Temperaturausdehnungskoeffizient im Verhältnis zu dem der
Gase und Dämpfe gering ist, um den Leitungseinfluß gering zu halten. Bei Flüssigkeitsthermometern
können Gaskompressionsräume eingeschaltet werde, damit mittels Druckdifferenzmanometer
gemessen werden kann.
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Das neue Verfahren ist besonders dort von großem Vorteil, wo ein
hoher Wärme- oder Kraftbedarf durch-Verringerung des erforderlichen Rücklaufverhältnisses
eingeschränkt werden kann. Es gibt auch die Möglichkeit, Oberflächen-, Wärme- oder
Kälteverluste durch Verminderung der Kolonnenhöhe einzuschränken und den günstigsten
Betriebszustand der Apparate auch durch weniger geiibtes und erfahrenes Personal
dauernd aufrechtzuerhalten.
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Das Verfahren ist bei der Rektifikation von Alkohol-Wasser, Benzol-Xylol-Toluol,
Stickstoff-Sauerstoff oder von jeden beliebigen anderen Gemisch in gleicher Weise
anwend bar. Auf der beiiiegenden Zeichnung ist in Abb. I die Lage der Temperatur-
und Druckunterschiedsmeßstellen an einer einfachen -unten durch Dampf beheizten,
oben durch Wasser gekühlten - Rektifikationskolonne
angegeben. Das
Gemisch wird bei g zugeführt, das Leichtsiedende bei l und das Schwersiedende bei
s entnommen. Die Menge des bei ö entnommenten Leichtsiedenden wird nach dem Unterschied
der Temperaturen und Drücke an den beiden zusammengehörigen Meßstellen a' und a"
reguliert, diejenige des bei s entnommenen Schwersiedenden nach dem Unterschied
der Temperaturen und Drücke der beiden anderen zusammengehörigen Meßstellen b' und
b" eingestellt, An Stelle der entnommenen Mengen der Erzeugnisse kann zur Regelung
der Reinheit derselben auch die Heizung bzw. die Kühlung beeinflußt werden.
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Abb. 2 zeigt die Anwendung des neuen Verfahrens an einem Doppelkolonnenapparat,
wie er z. 13. zur Scrlegung von Luft benutzt wird. Das Gemisch wird der Vorzerlegungkolonne
bei g dampfförmig unter Überdruck zugeleitet. Das am Kopf dieser Kolonne sich sammelnde
Leichtsiedende wird durch das unter geringerem Druck verdampfende Schwersiedende
der Hauptkolonne kondensiert. Ein Teil des Kondensats bildet die Rücklaufflüssigkeit
der Vorzerlegungskolonne und wird, nachdem er mit dem schwersiedenden Gemischteil
gesättigt ist, durch die Leitung m der Hauptkolonne im Mittelteil zugeführt. Der
andere Teil des Kondensats wird durch die Laitung n der Hauptkolonne am Kopf als
Rücklaufflüssigkeit zugeleitet. Zur Ausnützung der Anfnahmefähigkelt dieses Teiles
für Schwersiedendes kann bei h eine zusätzliche Menge unverdichteten Gemisches eingeblasen
werden. Nach dem Unterschied der Temperaturen und Drücke bei a' und a" wird die
Menge der Rücklaufflüssigkeit für die Vorzerlegungskolonne reguliert, indem der
überschießende Teil des kondensierten Leichtsiedenden durch die Leitung n auf den
Kopf der Hauptkolonne aufgegossen wird. Die Menge des bei s entnommenen Schwersiedenden
soll auf Grund der zwischen den Meßstellen b' und b" gemessenen Temperatur- und
Druckunterschiede dem vorhandenen Rücklaufverhältnis angeoaßt werden. Der Unterschied
der Temperaturen und Drücke bei c' und c" dient zur Kontrolle der bei h unver. dichtet
zugeleiteten Gemischmenge. Das Leichtsiedende wird bei t entnommen.
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Abb. 3 zeigl als Beispiel eine Thermoelemtbatterie, deren einzelne
Glieder aus gegeneinandergeschalteten Thermoelementenpaaren bestehen. Die Meßstellen
der beiden Temperaturen sind mit x', x", x"', x"" für eine Temperatur, mit y', y",
y", y"" für die andere Temperatur bezeichnet, z ist das Anzeigeinstrument; das gleichzeitig
als Relais für die automatische Betätigung der Einstellorgane ausgebildet sein kann.
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Abb. 4 zeigt die Anordnung eines Druckdifferenzmanometers gekuppelt
mit einem zweiten, zur Temperaturdifferenzmessung z. B. in Verbindung mit Siedethermometern
dienenden Druckdifferenzmanometer. Die Membrane d mißt die Druckdifferenz zwischen
zwei Meßstellen z. B. a' und a" in Abb. q, wobei die Meßstelle a' (Abb. 1) bei p'
und die Meßstelle a" (Abb. 1) bei p" angeschlossen ist.
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Die Membrane c mißt die der Temperaturdifferenz entsprechende Druckdifferenz,
die zwischen zwei in a' und a" angeordneten Siedethermometern erzeugt wird. Die
Meßstelle a' (Abb. 1) ist an die Membrane c bei t' und die Meßstelle a" (Abb. 1)
bei t" angeschlossen.
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Wenn die Druckdifferenz zwischen del Meßstellen a' und a" ansteigt,
d. h. wenn bei konstantem Druck an Meßstelle a' der Druck an Meßstelle a" steigt,
z. B. infolge Verkrustung der Kolonne oder infolge Steigerung der Belastung, so
wird der bei p" von a" kommende höhere Druck die Membrane d nach links und gleichzeitig
die durch den Hebel i damit verbundene Membrane e nach rechts drücken. Falls mit
der Druckdifferenzänderung eine Änderung der Zusammensetzung des Rektificationsgutes
an den Meßstellen a' und a" nicht gleichzeitig erfolgt ist, wird auch entsprecllend
der jetzt größeren Druckdifferenz zwischen den Meßstellen a' und a" die Temperaturdifferenz
ansteigen. (Bei gleicher Zusammensetzung siedender Flüssigkeit ist die Temperatur
derselben vom Druck abhängig.) Die gestiegene Temperatur der Meßstelle a" wird im
gewählten Beispiel den Druck in dem bei t" angeschlossenen Siede thermometer erhöhen,
und dieser gesteigerte Druck wird die Membranen e und d in ihre ursprüngliche Lage,
zurückführen, so daß das instrument anzeigt, daß keine Veränderung in der Wirkung
der Rektifikationskolonne eingetreten ist.
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Die Membranen f dienen zur stopfbüchsenlosen Ausführung der Membranbewegung,
die mittels Hebel i und Übersetzungsgetriebe k auf das Zeigerwerk o übertragen wird.
Mit dem Zeigerwerk o ist gegebenenfalls ein Regelimpulsgeber verbunen. Nur wenn
eine Zusammensetzungsänderung der Druckdifferenz und der Temperaturdifferenz nicht
der gesetzmäßigen gegenseitigen Abhängigkeit entspricht, wird das Gestänge i-k betätigt
und damit Anzeige von der Abweichung vom Sollzustand gegeben bzw. der berichtigende
Regelimpuls verteilt.
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Abb. 5 stellt eine Verbindung einer Ringwaage für Druckdifferenzmessung
und einer Ringwaage für Temperatur differenzmessung dar. Die Druckdifferenzringwaage
q hat wieder die Impulsleitungen p' und p". die
Temperaturdifferenzringwaage
r ist mit beiden Thermometern durch die Impulsleitungen t' und t" verbunden. Der
Schnurantrieb mit der Befestigungssteile £t und der festen Rollen sowie den beiden
losen Rollen w' und w", welche die Bewegung der beiden Meßgeräte auf das Anzeigegerät
o übertragen, dient zur selbsttätigen pifferenzbildung zwischen den zwei Ringwaageanzeigen,
also zur Anzeige der Änderung der Zusammensetzung an der variablen Meßstelle. Gegebenenfalls
kann entweder in die Verbindung zwischen die Rihgwaage q und die Rolle w' odr zwischen
die Ringwaager und die Rolle w eine veränderliche Übersetzung, z. B. durch Kurvenscheibe,
eingeordnet werden, um bei jeder Druckdifferenzänderung und entsprechender Temperaturdifferenzänderung
(also ohne Zusammensetzungsänderung des Rektifikations mediums an den beiden Meßstellen)
die Nullstellung des Anzeigeinstrumentes beizubehalten.
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Beispielsweise kann man auch durch ein D'ruckdifferenznießgerät,
z. B. eine Ringwaage, ein Zifferblatt und durch ein Temperaturdifferenzmeßgerät,
z. B. zwei gegeneinandergeschaltete elektrische Widerstandsthermometer oder Thermoelemente,
mittels eines Kreuzspulmeß instrumentes bzw. eines Millivoltmeters einen Zeiger
bewegen lassen, wobei ein Antrieb die Anpassungsübersetzung bekommen kann. Wird
nun an das -Zifferblatt di' Kontaktbahn angebracht, so- kann z.B. mittels Fallbügeltastung
ein Regelimpuls erteilt werden.
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Wenn in besonderen Fällen die Regelung von Hand erfolgen soll, können
einfach die beiden Geräte für Druckdifferenz und für Temperaturdifferenz getrennt
angebracht werden, und die Regelung kann an Hand einer Tabelle erfolgen, in der
die zueinandergehörigen Werte von Druckdifferenz und Temperaturdifferenz eingetragen
werden. Gegebenenfalls können auch beideAnzeigegeräte nach Druck oder beide nach
Temperatur geeicht sein unter Berücksichtigung der gesetzmäßigen Abhängigkeit von
Druck und Temperatur, oder beide sind nach einer anderen Meßgröße, z. B. nach Zusammensetzungsprozent
an der variablen Meßstelle geeicht, oder beide erhalten eine vollkommen frei gewählte
Skala, die bei Änderung des Druckunterschiedes und bei zugehöriger Änderung des
Temperaturunterschiedes bei unveränderter Zusammensetzung des Rektifikationsgutes
an beiden Meßstellen gleiche Anzeigeausschläge ergeben. Bei gleichen bzw. einander
zugeordneten Ausschlägen ist der Gleichgewichtszustand ungestört. Bei Anordnung
der konstanten Meßstelle an der Austrittsstelle des Leichtsiedenden und der variablen
Meßstelle in der Kolonnenmitte (s. Abb. I) muß bei verschiedenen Ausschlägen, wenn
das Temperaturunterschiedsmeßgerät einen größeren Temperaturunterschied anzeigt,
als der Anzeige der gemessenen zugeordneten Druckdifferenz entspricht, das Rücklaufverhältnis
verstärkt Werden.
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Die Änderung des Rücklaufverhältnisses der Kolonne kann durch Beeinflussen
z. B. des Zulaufes des Rücklaufes der Entnahme von Produkten oder durch Änderungen
in der Beheizung und bzw. oder Kühlung erfolgen.
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Außer den dargestellten Anordnungen sind viele andere zur Durchführung
des Verfahrens möglich.
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Die Messung der Temperaturunterschiede kann in gewissen Fällen auch
durch die Messung der Temperaturverhältnisse ersetzt werden unter Beibehaltung aller
sonstigen Eigentümlichkeiten des neuen Verfahrens.
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Dies gilt insbesondere bei allen elektrischen Temperaturmessungen
mittels Widerstandsthermometern. Bei der Eigentümlichkeit dieser Instrumente wird
nicht der Unterschied, sondern eigentlich das Verhältnis der Temperatur zweier Meßstellen
gemessen. Die Wirkung ist aber gleich, ob man nun Druckverhältnisse und Temperaturverhältnisse
oder ob man Druckdifferenzen und Temperaturdifferenzen miteinander zur Regelung
anwendet, wenn nur innerhalb des in Frage kommenden Meßbereiches die funktionelle
Abhängigkeit wischen E)r.uekdifferenz bzw.
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Druckverhälmis einerseits und Temperaturdifferenz bzw. Temperaturverhältnis
andererseits so berücksichtigt ist, daß bei einer an beiden Meßstellen unveränderlichen
Zusammensetzung des Rektifikationsgutes kein Zeigerausschlag erfolgt bzw. kein Regelimpuls
ausgelöst wird.