EP4072697A1 - Verfahren zum betreiben einer destillationskolonne - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer destillationskolonne

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Publication number
EP4072697A1
EP4072697A1 EP20819765.7A EP20819765A EP4072697A1 EP 4072697 A1 EP4072697 A1 EP 4072697A1 EP 20819765 A EP20819765 A EP 20819765A EP 4072697 A1 EP4072697 A1 EP 4072697A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
distillation column
transfer medium
heat transfer
sump
Prior art date
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Pending
Application number
EP20819765.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Mertens
Sabine Pegel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Covestro Deutschland AG
Covestro Intellectual Property GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Covestro Deutschland AG, Covestro Intellectual Property GmbH and Co KG filed Critical Covestro Deutschland AG
Publication of EP4072697A1 publication Critical patent/EP4072697A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/42—Regulation; Control
    • B01D3/4211—Regulation; Control of columns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/42—Regulation; Control
    • B01D3/4211—Regulation; Control of columns
    • B01D3/425—Head-, bottom- and feed stream
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C201/00—Preparation of esters of nitric or nitrous acid or of compounds containing nitro or nitroso groups bound to a carbon skeleton
    • C07C201/06—Preparation of nitro compounds
    • C07C201/16—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives

Definitions

  • the present invention relates to a method for continuously operating a distillation column which is set up to separate a substance mixture S which essentially contains a substance A and a substance B which has a significantly higher boiling point than substance A.
  • the reverse ratio is changed as a function of the feed stream and, at the same time, the energy input via the heat transfer medium is proactively changed (so-called feed-forward control) by switching on the feed stream.
  • the sump temperature is monitored and the control structure is changed if the sump temperature drops too far when the heat transfer medium is reduced via the feed stream.
  • the control concept described provides for keeping the ratio of the bottom stream withdrawn from the distillation column to this fed feed stream as constant as possible, controlling the quality of the top stream withdrawn in such a way that its content of (comparatively) high-boiling compounds must not be too high, and to achieve these two goals in such a way that the distillation column can be operated as energy-efficiently as possible.
  • a large number of process parameters are measured and entered into a computer, which calculates signals from these and from previously set target values, which are transmitted to actuators (especially valves) for the return flow rate, sump withdrawal rate and the like.
  • the computer is used to control the amount of fuel fed to the evaporator of the distillation column (the evaporator is operated by burning fuel oil) and the absolute amount of reflux (to be distinguished from the backward ratio) at the top of the distillation column.
  • the two parameters in turn influence the amount of bottom discharge and the composition of the top product.
  • the values for the amount of fuel oil and reflux to be fed should be kept as low as possible in order to operate the distillation column as energy-efficiently as possible.
  • the manipulated variable of the valve for the supply of fuel is determined from the difference between the target value for the mass flow of fuel and its measured actual value, the target value for the mass flow of fuel from the computer, taking into account the feed flow rate, the flow rate of the withdrawn bottom product and the temperature of the feed, the temperature of the top product after its condensation (which is a measure of the composition of the top product under the particular conditions of the separation task described) and the temperature of the evaporator Distillation column fed proportion of the bottom product is determined.
  • the manipulated variable of the return valve is determined from the difference between the target value for the return and its measured actual value, the target value for the return from the computer taking into account the inflow flow rate, the flow rate of the withdrawn bottom product and the temperature of the top product removed in gaseous form and the temperature of the top product after its condensation (which is a measure of the composition of the top product under the particular conditions of the separation task described) is determined.
  • control concept described here is not applicable to a separation task as described at the beginning - separation of a substance mixture S consisting essentially of a substance A and a substance B with significantly different boiling points, because here the temperature profile of the distillation column is due to the lack of a "smooth transition" of the boiling points Individual components do not run essentially linearly in one another and, furthermore, the temperature of the distillate does not allow any particular statements about its composition (at least not in the same way as in the case of the distillation of a hydrocarbon mixture).
  • US Pat. No. 3,905,873 relates to a method and a device for controlling a process with three variable and linked conditions, in particular for controlling a fractionation tower.
  • the described control unit comprises four control systems, namely (1) a distribution system, (2) a reverse flow control system, (3) a pressure control system, and (4) an advance system.
  • the main function of the distribution system is to control the division between distillate and bottoms. As the feed stream flow rate increases or decreases, this manifold system ensures that the distillate and bottoms draw will increase or decrease in exact proportion. If the composition changes, this distribution system can change the division between the distillate and bottoms and thus ensure that the product conditions be maintained.
  • the reverse flow control system regulates the reverse flow rate.
  • a new feature of this system is the use of the return flow temperature to change the return flow rate when the return flow temperature deviates from a predetermined standard temperature.
  • This system further comprises means which (a) prevent the tower from running completely dry when the feed flow is being determined and which (b) minimize the risk of the tower being flooded, i.e. filled with liquid.
  • the pressure control system ensures that the tower pressure remains essentially constant. It includes a control mechanism that regulates the heating current throughput. The heating current is increased or weakened and thus keeps the tower pressure constant in accordance with the pressure changes that occur.
  • This system comprises a device for the operator to switch between automatic and manual control mode. In the case of manual control, automatic switching enables easy switching to automatic control.
  • the advance system ensures that the material balance in the tower is maintained. This is achieved by continuously monitoring the liquid level at the bottom of the tower.
  • the liquid can move within predetermined limits (positions 490 and 492 in the figures) without a correction being made, provided that the mirror limits are not in danger of being exceeded, as can be seen from the relationship between a control signal that has a function feed stream flow rate, feed composition, both optionally, and a liquid level signal.
  • distillation column From an economic point of view, it is of great importance to operate a distillation column as energy-efficiently as possible and to keep the quality of the distillation products as constant and at a high level as possible.
  • Another aim is to make the operation of a distillation column as user-friendly as possible, ie in a way that requires manual intervention by the operating personnel only as rarely as possible and, if possible, without the need to carry out complex processes, in particular even in states dated Deviate from normal operation, for example in the event of a sudden change in the feed rate into the distillation column.
  • the invention provides the following:
  • a vertically arranged column body comprising a stripping part (110) and an amplifier part (120) arranged above, wherein (at least) the stripping part has a temperature measuring device for measuring the stripping part temperature T (AT);
  • a column bottom (130) below the stripping section for receiving a liquid bottom product B 1 at a bottom temperature T (B1) up to a bottom H (B1);
  • (V) a circulation evaporator (200) for heating the column bottom by indirect heating of a first part Bll of the liquid bottom product Bl, the circulation evaporator being supplied with a heat transfer medium W with a flow rate m (W) and the circulation evaporator being supplied via a heat transfer medium valve (210) Adjustment of the flow rate m (W) has;
  • a target value rsoix within a range from rl to r2 is specified for the return flow ratio r and the return flow controller (410) from the specified value rsoix and the value for the mass flow m (S) (preferably determined with a flow measuring device (460 )) the setting of the return valve (320) is calculated taking into account the minimum permissible value rl for r;
  • a target value H (B1) TARGET within the range from H (B1) 1 to H (B1) 2 is specified for the sump level H (B1) and the sump level controller (420) uses this target value H (B 1) SOLL, the current value for the sump level present at a given point in time, H (B1) MOM, and the value for the mass flow m (S), the setting of the sump extraction valve (230) is calculated;
  • a target value T (AT) SOLL within the range from T (AT) 1 to T (AT) 2 is specified for the stripping section temperature T (AT) and the stripping section temperature controller (430) uses this setpoint Value T (AT) SOLL, the current value for the stripping section temperature at a given point in time, T (AT) MOM, and the flow rate m (S) the setting of the heat transfer medium valve (210) calculated and the setting of the heat transfer medium valve (210) calculated in this way is transmitted to it by means of the volume flow controller (450); and
  • a target value T (B 1) TARGET within the range from T (B1) 1 to T (B1) 2 is specified for the sump temperature T (B1) and the sump temperature limiting controller (440) is set up in such a way that if the temperature falls below T (B1) 1, the setting of the heat transfer medium valve (210) is changed, disabling the setting of the heat transfer medium valve (210) according to (iii), so that the flow rate m (W) is increased, the setting of the Heat transfer medium valve (210) according to (iii) is activated again as soon as the sump temperature T (B1) is again within the range from T (B1) 1 to T (B1) 2.
  • Feed stream is changed (steps (ii) and (iii)), which leads to more efficient operation of the column. This requires simultaneous observation of the sump temperature and a change in the control structure if the sump temperature drops too far when the heat transfer medium is reduced as a result of changes in the feed flow (feed-forward control) (step (iv)).
  • steps (i) to (iv) in their entirety represent a complex multivariable control or a multivariate system, with steps (i) to (iv) interacting synergistically in the following way in particular: a) steps (i) and (iii ) determine the internal column flows and ensure that they are balanced and coordinated with one another so that the required
  • Distillation quality can be achieved.
  • the high temperature sensitivity of the distillation column compared to other separation tasks (such as the separation of hydrocarbon mixtures discussed at the beginning) is taken into account by measuring the temperature of the stripping section.
  • Step (iv) ensures that the distillation column is robust and around the in its
  • step (iv) Design of the specified working range (in particular with regard to the temperature window in which the distillation column is to be operated, specified work area) can be operated around.
  • the control operation of step (iv) intervenes if the work or design area is significantly left, so that the safe operation of the column can no longer be guaranteed.
  • the working range is reached again (as soon as the sump temperature T (B1) is again within the range from T (B1) 1 to T (B 1) 2), the mode described under point a is used again.
  • Steps (ii) and (iii) regulate the relationship between external and internal volume flows. Both controls are coordinated in particular with one another and the control parameters are designed together and in combination with one another.
  • step (i) is thus also determined and the internal flow rates are brought into equilibrium both in the buoyancy and in the stripping section and the desired quality of the distillation is established.
  • the distillation column (1000) is set up to separate a mixture of substances S comprising a substance A and a substance B boiling higher than substance A (under the pressure conditions selected for operating the distillation column) must be sufficiently large to enable the separation of one substance (namely A) at the top and the separation of the other substance (namely B) in the bottom of the distillation column.
  • a boiling point difference between A and B at 1.01 bar of 10 ° C. or more, particularly preferably of 25 ° C. or more, very particularly preferably of 50 ° C. or more.
  • the boiling point difference between A and B will not exceed 250 ° C.
  • substance A Since substance A has a lower boiling point than substance B under the pressure conditions selected for operating the distillation column, substance A is also referred to below as a low boiler. It is conceivable, and does not go beyond the scope of the present invention, for the substance mixture S to have, in addition to the low-boiling point A, further compounds A 'which boil more than substance B (i.e. further low-boiling components), in particular low-boiling impurities. These are separated off together with substance A at the top of the distillation column and are therefore part of the top product A1. In an analogous manner, the mixture of substances S can also contain comparatively high-boiling impurities B ', which are in the bottom of the Enrich the distillation column and become part of the bottom product Bl.
  • the total mass fraction of substance A and substance B in mixture S is at least 90%, preferably at least 95%, particularly preferably at least 98%, based on the total mass of substance mixture S.
  • stripping part (AT) is used in the terminology of the present The invention is understood as the area below the feed point (150) of the substance mixture S to be separated, which comprises the entirety of all separating internals present in this area (for example floors or one or more packings) (cf. also FIG. 1 and FIG. 2 , there 110).
  • the stripping section temperature T (AT) is measured in the stripping section understood in this way. The most suitable position for this temperature measuring point can, if necessary, be determined by a person skilled in the art in simple preliminary tests to optimize the control.
  • Packings are preferably used as separating internals, preferably 1 to 3 packs, in particular 1 (exactly one) pack.
  • T stripping section temperature
  • amplifier part is understood in the terminology of the present invention as the area above the feed point (150), which comprises the entirety of all separating internals in this area (see also FIG. 1 and FIG. 2, there 120).
  • packs are preferred, particularly preferably 1 to 3 packs, in particular 1 (exactly one) pack.
  • the bottom stand H (B1) denotes the height of the liquid level of the liquid bottom product B1 measured from the lower limit of the distillation column (see also FIGS. 1 and 2).
  • the expression “lower limit of the distillation column” relates here and in the entire terminology of the present invention to the lowest point of the internal volume of the distillation column which comes into contact with liquid bottom product during operation.
  • the method according to the invention regulates the sump level to the specified target value H (B1) SOLL ⁇ This target value lies within the limits H (B 1) 1 to H (B1) 2.
  • H (B 1) MOM is therefore regulated back to this value in the event of deviations from the target value H (B1) SOLL and does not fluctuate freely between H (B1) 1 to H (B1) 2, as is the case in the regulation according to US Pat. No. 3,905,873 discussed above (there between positions 490 and 492) is the case.
  • the sump level is kept constant in the method according to the invention (ie regulated back to this in the event of deviations from the setpoint value H (B 1) SETPOINT).
  • the target values to be determined in the context of the present invention are of course dependent on the nature of the separation task and the distillation column available for this. The same applies to the specific values to be calculated from the nominal values (such as the setting of the sump extraction valve (220)). Therefore, these values cannot be generalized and must be determined by a person skilled in the art for the given boundary conditions, which, however, represents a purely routine task. Typical values for the preferred application of the separation of benzene as substance A and nitrobenzene as substance B are disclosed further below in the description and in the examples.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a distillation column (1000), the operation of which can be regulated with the method according to the invention
  • FIG. 2 the distillation column from FIG. 1 taking into account process control equipment according to the invention
  • FIG. 3 the benzene content in the bottom product of a distillation column for separating benzene from nitrobenzene and the temperature in the middle of the column at a
  • control unit comprises a flow measuring device (460) for the mixture of substances S fed to the distillation column, with which the mass flow m (S) is determined in step (i).
  • the heat transfer medium is steam.
  • the mixture of substances S comprises benzene as substance A and nitrobenzene as substance B.
  • H (130) denotes the height of the column bottom measured from the lower limit of the distillation column to the lower end of the stripping section
  • T (AT) 1 166 ° C
  • T (AT) 2 172 ° C
  • FIG. 1 shows an example of a distillation column (1000), the operation of which can be regulated in an advantageous manner with the method according to the invention.
  • the mixture of substances S to be separated is fed in from the side between the amplifier part (120) and the stripping part (110).
  • the distillation column can also have other auxiliary devices and peripheral devices known to the person skilled in the art (for example Liquid collectors, liquid distributors, pumps and the like).
  • the gaseous top product A1 is condensed in the top condenser (300), part of the condensate (A21) being returned as reflux to the distillation column and another part (A22) being removed from the distillation column as top product.
  • the mass flow ratio of return to withdrawal, m (A21) / m (A22) is called
  • the return ratio is set using a return valve (320).
  • the top capacitor can also differ from FIG. 1 be integrated into the column body (100).
  • the liquid bottom product B1 fills the column bottom up to the level H (B1), indicated by the dashed line.
  • the distillation column (1000) is heated by means of a circulation evaporator (200), in which a first part of the discharged column bottom (namely B1) is indirectly heated with a heat transfer medium (W) and returned to the column bottom (130). Steam, condensate and other liquid and gaseous heat carriers are suitable as heat transfer media.
  • the mass flow of the heat transfer medium m (W) is set by means of the heat transfer medium valve (210).
  • a second part of the column bottom (namely B12) is discharged as bottom product, the flow rate of the discharged portion being set via the bottom withdrawal valve (230).
  • FIG. 2 shows the process control systems to be used within the scope of the present invention.
  • the mixture of substances S to be separated is first recorded by means of a flow measuring device (460). This mass flow is used to calculate the setpoint value for the return controller (410) via a specified return ratio (in the range r1 to r2).
  • the setpoint value for the reflux ratio rsoix is determined in particular in the design of the distillation column in such a way that the best possible separation can be achieved with as little use of energy as possible.
  • a minimum return flow I WegI (A21) MIN
  • the minimum return (I ⁇ I (A21) MIN) is defined when designing the distillation column by selecting suitable design parameters.
  • the level in the bottom of the column is also regulated as a function of the feed stream via the level controller (420); this is done by adding a disturbance variable to the feed stream S.
  • the temperature of the stripping section T (AT), which determines the quality of the bottom product, is ensured by a temperature controller (430).
  • This controller calculates the target value for the volume flow controller (450) of the heat transfer medium from the specified target value and the inflow flow S. Since it can happen with strong changes in the feed flow that the sump temperature falls below the required minimum temperature due to an insufficient amount of the heat transfer medium, the necessary minimum temperature is ensured via a temperature control (440) in the sump of the column.
  • This temperature controller intervenes when the temperature falls below the minimum, deactivates the control according to (iii) and reactivates it as soon as the sump temperature is again in the range T (B1) 1 to T (B1) 2.
  • Steam is preferably used as the heat transfer medium W.
  • other heat transfer media such as heat transfer oils can also be used.
  • the process according to the invention is suitable for operating distillation columns in which a low boiler A must be separated off from a higher-boiling product B.
  • Benzene is usually used in a stoichiometric excess over nitric acid, especially in the adiabatically operated nitration processes customary today, so that it has to be separated off in the course of working up the nitration product.
  • the work-up of the nitration product is usually done by separating the reaction mixture (nitration product) containing nitrobenzene, unreacted benzene and sulfuric acid into an aqueous sulfuric acid phase and an organic nitrobenzene phase in a first step, followed by a second step multi-stage washing of the nitrobenzene phase, followed by a third step in which the excess benzene is separated from the washed nitrobenzene phase.
  • the excess benzene is usually recycled into the nitration, with the result that the originally used benzene impurities that go through the nitration process essentially unchanged (such as aliphatic organic compounds in particular) accumulate. Since these impurities boil more easily than nitrobenzene, they are distilled off together with the benzene. Excessive accumulation of these impurities is prevented by discharging purge streams and / or by decomposing the impurities after some time.
  • H (B 1) 1 to H (B 1) 2 corresponds to 18% to 42% of the column bottom height H (130) measured from the lower limit of the distillation column to the lower end of the stripping section - see also FIG. 1 and 2;
  • ⁇ Stripping section temperature: T (AT) 1 to T (AT) 2 corresponds to 166 ° C to 172 ° C;
  • T (B1) 1 to T (B1) 2 corresponds to 168 ° C to 173 ° C.
  • the results of the following examples were achieved with a distillation column for separating excess benzene from nitrobenzene.
  • the basic structure of the distillation column corresponded to FIG. 1.
  • the feed stream S consisted of crude nitrobenzene, which had only been separated from the nitrating acid and washed.
  • FIG. 3 shows on the ordinate axis the feed stream S (thick dashed line, in kg / h), the temperature T in the middle of the column (at tray 20, thick solid line, in ° C) and the concentration of benzene (the benzene content c (Bz) expressed as mass fraction) in the column bottom (thin dotted line, in kg benzene / kg column bottom) as a function of the time t indicated on the abscissa axis (in h).
  • FIG. 3 shows, in the same way as for example 1, the feed stream S (thick dashed line), the temperature T in the middle of the column (thin solid line) and the concentration of benzene in the column bottom c (Bz) (thick dotted line).

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Betreiben einer Destillationskolonne, die zur Auftrennung eines Stoffgemisches S, das im Wesentlichen eine Substanz A und eine signifikant höher als die Substanz A siedende Substanz B enthält, eingerichtet ist. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rücklaufverhältnis in Abhängigkeit des Zulaufstromes verändert und gleichzeitig der Energieeintrag über das Wärmeträgermedium proaktiv (sog. Feed-forward-Regelung) mittels der Aufschaltung des Zulaufstromes geändert. Gleichzeitig wird die Sumpftemperatur beobachtet und die Regelstruktur verändert, falls die Sumpftemperatur bei Reduzierung des Wärmeträgermediums über den Zulaufstrom zu weit abfällt.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER DESTILLATIONSKOLONNE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Betreiben einer Destillationskolonne, die zur Auftrennung eines Stoffgemisches S, das im Wesentlichen eine Substanz A und eine signifikant höher als die Substanz A siedende Substanz B enthält, eingerichtet ist. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rückimiverhältnis in Abhängigkeit des Zulaufstromes verändert und gleichzeitig der Energieeintrag über das Wärmeträgermedium proaktiv (sog. Feed-forward- Regelung) mittels der Aufschaltung des Zulaufstromes geändert. Gleichzeitig wird die Sumpftemperatur beobachtet und die Regelstruktur verändert, falls die Sumpftemperatur bei Reduzierung des Wärmeträgermediums über den Zulaufstrom zu weit abfällt.
In vielen Produktionsprozessen fallen Trennaufgaben an, im Rahmen welcher ein Stoffgemisch aus zwei oder mehr Komponenten in seine Bestandteile getrennt werden soll. Sofern Temperaturbeständigkeit, Flüchtigkeit und Siedepunktunterschiede der zu trennenden Einzelstoffe dies zulassen, werden solche Trennaufgaben in der industriellen Produktion meist durch kontinuierliche Destillation gelöst. Im einfachsten Falle eines Stoffgemisches S, das im Wesentlichen aus zwei Komponenten A und B besteht, wobei B unter den für die eingesetzte Destillationskolonne gewählten Betriebsbedingungen höher als A siedet, stellt sich also die Aufgabe, B in den Kolonnensumpf und A in den Kolonnenkopf so zu überführen, dass die eine Komponente möglichst frei von der jeweils anderen Komponente ist. Die vorliegende Erfindung ist mit einer derartigen Trennaufgabe - Trennung eines Stoffgemisches S, bestehend aus im Wesentlichen (neben Verunreinigungen) zwei Einzelkomponenten A und B - befasst. Destillationskolonnen, die sich für eine solche Trennaufgabe (und auch für anspruchsvollere) Trennaufgaben eignen, sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Die vorliegende Erfindung ist mit einem besonderen Regelungskonzept für eine solche Destillationskolonne befasst.
Die US-amerikanische Patentschrift US 4,166,770 befasst sich dagegen mit der Regelung einer Destillationskolonne, in welcher ein Zulauf aus einer Vielzahl verschiedener Kohlenwasserstoffe in eine leichtsiedende Kopffraktion und eine hochsiedende Sumpffraktion getrennt wird, wobei die Kopffraktion einer stofflichen Weiterverwertung und die Sumpffraktion einem Einsatz als Brennstoff zugeführt werden sollen. Kohlenwasserstoffgemische, wie sie hier als Zulauf eingesetzt werden, sind regelmäßig komplexe Gemisch aus zahlreichen verschiedenen Einzelkomponenten, wobei die Siedepunkte der Einzelkomponenten „fließend ineinander übergehen“. Dies hat zur Folge, dass derartige Gemische weite Siedebereiche aufweisen, die durch die vielen verschiedenen Siedepunkte der Einzelkomponenten gebildet werden. In Bezug auf die Trennung derartiger Gemische in einer Destillationskolonne resultiert hieraus die Besonderheit, dass die Temperatursensitivität der Destillationskolonne bei Änderungen beispielsweise des Rückflusses verhältnismäßig gering ist und im Wesentlichen linear verläuft. Dies bedeutet, dass Temperaturänderungen in der Destillationskolonne allenfalls geringfügig davon abhängen, an welcher Stelle der Destillationskolonne die Temperatur gemessen wird. Das in US 4,166,770 beschriebene Regelungskonzept ist auf diese besonderen Randbedingungen abgestimmt:
Das beschriebene Regelungskonzept sieht vor, das Verhältnis von der Destillationskolonne entnommenem Sumpfstrom zu dieser zugeführtem Zulaufstrom möglichst konstant zu halten, die Qualität des entnommenen Kopfstromes zu kontrollieren, und zwar derart, dass dessen Gehalt an (vergleichsweise) hochsiedenden Verbindungen nicht zu groß sein darf, und diese beiden Ziele so zu erreichen, dass die Destillationskolonne möglichst energieeffizient betrieben werden kann. Zu diesem Zweck wird eine Vielzahl von Verfahrensparametern gemessen und in einen Computer eingegeben, welcher daraus sowie aus zuvor festgelegten Soll-Werten Signale errechnet, die an Stellglieder (insbesondere Ventile) für die Rückflussmenge, Sumpf entnahmemenge und dgl. mehr übermittelt werden. Der Computer wird insbesondere verwendet, um die dem Verdampfer der Destillationskolonne zugeführte Menge an Brennstoff (der Verdampfer wird durch die Verbrennung von fuel oil betrieben) sowie die absolute Menge des Rücklaufs (zu unterscheiden vom Rückimiverhältnis) am Kopf der Destillationskolonne zu kontrollieren. Diese beiden Größen wiederum beeinflussen die Menge des Sumpfaustrages und die Zusammensetzung des Kopfproduktes. Unter Berücksichtigung der genannten Ziele - möglichst konstantes Verhältnis von der Destillationskolonne entnommenem Sumpfstrom zu dieser zugeführtem Zulaufstrom sowie Qualitätskontrolle des Kopfproduktes - sollen die Werte für die Menge an zuzuführendem fuel oil und Rücklauf möglichst gering gehalten werden, um die Destillationskolonne möglichst energieeffizient betreiben zu können.
Zu diesem Zweck wird einerseits die Stellgröße des Ventils für die Zufuhr des Brennstoffes ( fuel oil) aus der Differenz des Soll-Werts für den Mengenstrom an Brennstoff und dessen gemessenem Ist-Wert festgelegt, wobei der Soll-Wert für den Mengenstrom an Brennstoff vom Computer unter Berücksichtigung des Zulaufmengenstroms, des Mengenstroms des entnommenen Sumpfproduktes sowie der Temperatur des Zulaufs, der Temperatur des Kopfproduktes nach dessen Kondensation (welche unter den besonderen Bedingungen der beschriebenen Trennaufgabe ein Maß für die Zusammensetzung des Kopfproduktes ist) und der Temperatur des dem Verdampfer der Destillationskolonne zugeführtem Anteil des Sumpfproduktes ermittelt wird.
Zu diesem Zweck wird andererseits die Stellgröße des Rücklaufventils aus der Differenz des Soll-Werts für den Rücklauf und dessen gemessenem Ist-Wert festgelegt, wobei der Soll- Wert für den Rücklauf vom Computer unter Berücksichtigung des Zulaufmengenstroms, des Mengenstroms des entnommenen Sumpfproduktes sowie der Temperatur des gasförmig entnommenen Kopfproduktes und der Temperatur des Kopfproduktes nach dessen Kondensation (welche unter den besonderen Bedingungen der beschriebenen Trennaufgabe ein Maß für die Zusammensetzung des Kopfproduktes ist) ermittelt wird.
Das hier beschriebene Regelungskonzept ist auf eine Trennaufgabe wie eingangs beschrieben - Trennung eines Stoffgemisches S aus im Wesentlichen einer Substanz A und einer Substanz B mit signifikant unterschiedlichen Siedepunkten - nicht anwendbar, weil hier das Temperaturprofil der Destillationskolonne infolge des fehlenden „fließenden Übergangs“ der Siedepunkte der Einzelkomponenten ineinander eben nicht im Wesentlichen linear verläuft und auch ferner die Temperatur des Destillats keine besonderen Aussagen über dessen Zusammensetzung erlaubt (zumindest nicht in der gleichen Art und Weise wie im Fall der Destillation eines Kohlenwasserstoffgemisches).
Die US-amerikanische Patentschrift US 3,905,873 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Prozesses mit drei variablen und verknüpften Bedingungen, insbesondere zur Steuerung eines Fraktionierturmes. Die beschriebene Steuereinheit umfasst vier Steuersysteme, nämlich (1) ein Verteilersystem, (2) ein Rückstromsteuersystem, (3) ein Drucksteuersystem und (4) ein Voraussystem. Die Hauptfunktion des Verteilersystems besteht darin, die Aufteilung zwischen Destillat und Bodenflüssigkeit zu steuern. Wenn der Zufuhrstromdurchsatz steigt oder sinkt, sichert dieses Verteilersystem, dass das Destillat und der Bodenstromabzug genau proportional zunehmen oder abnehmen. Wenn sich die Zusammensetzung ändert, kann dieses Verteilersystern die Aufteilung zwischen Destillat und Bodenflüssigkeit ändern und somit sicherstellen, daß die Produktbedingungen aufrechterhalten bleiben. Das Rückstromsteuersystem regelt den Rückstromdurchsatz. Wenn der Zufuhrstromdurchsatz steigt oder sinkt, wird der Rückstromdurchsatzproportional geändert. Ein neues Merkmal dieses Systems besteht in der Verwendung der Rückstromtemperatur zur Änderung des Rückstromdurchsatzes, wenn die Rückstromtemperatur von einer vorgegebenen Standardtemperatur abweicht. Dieses System umfasst weiterhin Einrichtungen, die (a) verhindern, dass der Turm vollständig trockenläuft, wenn der Zuführstrom bestimmt wird, und die (b) die Gefahr einer Überflutung des Turmes, das heißt einem Auffüllen mit Flüssigkeit, auf ein Minimum reduzieren. Das Drucksteuersystem sichert, dass der Turmdruck im Wesentlichen konstant bleibt. Es umfasst einen Steuermechanismus, der den Heizstromdurchsatz regelt. Der Heizstrom wird verstärkt oder abgeschwächt und hält somit den Turmdruck konstant entsprechend den auftretenden Druckveränderungen. Dieses System umfasst eine Einrichtung zum Umschalten zwischen automatischem und manuellem Steuerbetrieb durch das Bedienpersonal. Bei manueller Steuerung ermöglicht eine automatische Schaltung ein einfaches Umschalten auf automatische Steuerung. Wenn der Turmdruck nicht korrekt ist wenn auf Automatiksteuerung zurückgeschaltet wird, wird der Wärmestrom nach und nach, und nicht plötzlich, auf den richtigen Durchsatz wiederhergestellt zur Korrektur des Turmdrucks. Das Voraussystem sichert, dass der Materialausgleich in dem Turm aufrechterhalten bleibt. Dies wird erreicht durch kontinuierliche Überwachung des Flüssigkeitsspiegels am Boden des Turmes. Erfindungsgemäß kann sich die Flüssigkeit innerhalb vorbestimmter Grenzen (Positionen 490 und 492 in den Abbildungen ) bewegen, ohne dass eine Korrektur vorgenommen wird, sofern die Spiegelgrenzen nicht in Gefahr sind, überschritten zu werden, wie sich aus der Beziehung zwischen einem Steuersignal, das eine Funktion des Zufuhrstromdurchsatzes, der Zufuhrzusammensetzung, gegebenenfalls beider, und eines Flüssigkeitsspiegelsignals ist.
Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist es von großer Wichtigkeit, eine Destillationskolonne möglichst energiesparend zu betreiben sowie die Qualität der Produkte der Destillation möglichst konstant und auf hohem Niveau zu halten. Ein weiteres Ziel liegt darin, den Betrieb einer Destillationskolonne möglichst bedienerfreundlich auszugestalten, d. h. in einer Art und Weise, die ein manuelles Eingreifen des Bedienpersonals nur möglichst selten und wenn dann möglichst ohne die Notwendigkeit, komplexe Vorgänge durchführen zu müssen, erforderlich macht, und zwar insbesondere auch in Zuständen, die vom Regelbetrieb abweichen, etwa bei plötzlicher Änderung des Zulaufmengenstroms in die Destillationskolonne.
Zur Erreichung dieser Ziele bedarf es einer effizienten Regelung der für die Trennaufgabe eingesetzten Destillationskolonne· Dementsprechend stellt die Erfindung Folgendes bereit:
Ein Verfahren zum kontinuierlichen Betreiben einer Destillationskolonne (1000) eingerichtet zur Auftrennung eines Stoffgemisches S umfassend eine Substanz A und eine (unter den für den Betrieb der Destillationskolonne gewählten Druckbedingungen) höher als die Substanz A siedende Substanz B, wobei die Destillationskolonne Folgendes aufweist:
(I) einen vertikal angeordneten Kolonnenkörper (100) umfassend einen Abtriebsteil (110) und einen darüber angeordneten Verstärkerteil (120), wobei (mindestens) der Abtriebsteil eine Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Abtriebsteil- Temperatur T(AT) aufweist; (II) einen Kolonnensumpf (130) unterhalb des Abtriebsteils zur Aufnahme eines flüssigen Sumpfproduktes B 1 einer Sumpftemperatur T(B1) bis zu einem Sumpf stand H(B1);
(III) einen Kolonnenkopf (140) oberhalb des Verstärkerteils zur Aufnahme eines verdampften Kopfproduktes Al; (IV) eine Aufgabestelle (150) für das Stoffgemisch S, mittels welcher das Stoffgemisch S der Destillationskolonne mit einem Mengenstrom m(S) zugeführt wird;
(V) einen Umlaufverdampfer (200) für die Beheizung des Kolonnensumpfes durch indirekte Beheizung eines ersten Teils Bll des flüssigen Sumpfproduktes Bl, wobei dem Umlaufverdampfer ein Wärmeträgermedium W mit einem Mengenstrom m(W) zugeführt wird und der Umlaufverdampfer über ein Wärmeträgermediumventil (210) zur Einstellung des Mengenstroms m(W) verfügt;
(VI) eine Entnahmeeinheit (220) zum Abführen eines zweiten Teils B12 des flüssigen Sumpfproduktes Bl mit einem Mengenstrom m(B12), wobei die Entnahmeeinheit über ein Sumpfentnahmeventil (230) zur Einstellung des Mengenstroms m(B 12) verfügt; (VII) einen Kopfkondensator (300) zur Kondensation des verdampften Kopfproduktes Al unter Erhalt eines verflüssigten Stroms A2;
(VIII) eine Rückführ- und Entnahmeeinheit (310) zum Zurückführen eines ersten Teils (A21) des verflüssigten Stroms A2 in die Destillationskolonne mit einem Mengenstrom m(A21) und zum Abführen eines zweiten Teils (A22) des verflüssigten Stroms A2 aus der Destillationskolonne mit einem Mengenstrom m(A22), wobei die Rückführ- und Entnahmeeinheit über ein Rücklaufventil (320) zur Einstellung eines Rücklaufverhältnisses r = m(A21)/m(A22) verfügt; und (IX) eine Regelungseinheit umfassend einen Rücklaufregler (410), einen Sumpfstandregler (420), einen Abtriebsteil-Temperaturregler (430), einen Sumpftemperatur-Begrenzungsregler (440), einen Mengenstromregler (450) für das Wärmeträgermedium W und vorzugsweise eine Durchflussmesseinrichtung (460) für das der Destillationskolonne zugeführte Stoffgemisch S; wobei:
(i) für das Rücklaufverhältnis r ein Soll-Wert rsoix innerhalb eines Bereiches von rl bis r2 vorgegeben wird und der Rücklaufregler (410) aus dem vorgegebenen Wert rsoix und dem Wert für den Mengenstrom m(S) (vorzugsweise ermittelt mit einer Durchflussmesseinrichtung (460)) unter Berücksichtigung des für r minimal zulässigen Wertes rl die Einstellung des Rücklaufventils (320) berechnet;
(ii) für den Sumpfstand H(B1) ein Soll-Wert H(B1)SOLL innerhalb des Bereiches von H(B1)1 bis H(B1)2 vorgegeben wird und der Sumpfstandregler (420) aus diesem Soll-Wert H(B 1)SOLL, dem zu einem gegebenen Zeitpunkt vorliegenden momentanen Wert für den Sumpfstand, H(B1)MOM, und dem Wert für den Mengenstrom m(S) die Einstellung des Sumpf entnahmeventils (230) berechnet;
(iii) für die Abtriebsteil-Temperatur T(AT) ein Soll-Wert T(AT)SOLL innerhalb des Bereiches von T(AT)1 bis T(AT)2 vorgegeben wird und der Abtriebsteil- Temperaturregler (430) aus diesem Soll-Wert T(AT)SOLL, dem zu einem gegebenen Zeitpunkt vorliegenden momentanen Wert für Abtriebsteil-Temperatur, T(AT)MOM, und dem Mengenstrom m(S) die Einstellung des Wärmeträgermediumventils (210) berechnet und die so berechnete Einstellung des Wärmeträgermediumventils (210) diesem mittels des Mengenstromreglers (450) übermittelt; und
(iv) für die Sumpftemperatur T(B1) ein Soll-Wert T(B 1)SOLL innerhalb des Bereiches von T(B1)1 bis T(B1)2 vorgegeben wird und der Sumpftemperatur-Begrenzungsregler (440) so eingerichtet ist, dass bei einem Unterschreiten der Temperatur T(B1)1 die Einstellung des Wärmeträgermediumventils (210), unter Außerkraftsetzung der Einstellung des Wärmeträgermediumventils (210) gemäß (iii), so verändert wird, dass der Mengenstrom m(W) erhöht wird, wobei die Einstellung des Wärmeträgermediumventils (210) gemäß (iii) wieder in Kraft gesetzt wird, sobald die Sumpftemperatur T(B1) wieder innerhalb des Bereichs von T(B1)1 bis T(B1)2 liegt.
Überraschend wurde nämlich gefunden, dass sich die genannten Ziele erreichen lassen oder man sich diesen zumindest annähert, wenn das Rücklaufv<?r /zras in Abhängigkeit des Zulaufstromes verändert wird (Schritt (i)) und gleichzeitig der Energieeintrag über das Wärmeträgermedium proaktiv (sog. Feed-forward- Regelung) mittels der Aufschaltung des
Zulaufstromes geändert wird (Schritte (ii) und (iii)), was zu einem effizienteren Betrieb der Kolonne führt. Dies bedingt eine gleichzeitige Beobachtung der Sumpftemperatur und eine Veränderung der Regelstruktur, falls die Sumpftemperatur bei Reduzierung des Wärmeträgermediums als Folge von Änderungen im Zulaufstrom (Feed-forward- Regelung) zu weit abfällt (Schritt (iv)).
Diese Schritte (i) bis (iv) stellen in ihrer Gesamtheit eine komplexe Mehrgrößenregelung bzw. ein multivariates System dar, wobei die Schritt (i) bis (iv) insbesondere in folgender Weise synergistisch Zusammenwirken: a) Die Schritte (i) und (iii) bestimmen die internen Kolonnenströme und sorgen für deren Ausbalancierung und Abstimmung aufeinander, sodass die erforderliche die
Qualität der Destillation erreicht werden kann. Der im Vergleich zu anderen Trennaufgaben (wie beispielsweise die eingangs diskutierte Trennung von Kohlenwasserstoffgemischen) hohe Temperatursensitivität der Destillationskolonne wird durch die Messung der Abtriebsteiltemperatur Rechnung getragen. b) Schritt (iv) stellt sicher, dass die Destillationskolonne robust und um den in ihrer
Auslegung festgelegten Arbeitsbereich (insbesondere hinsichtlich des Temperaturfensters, in dem die Destillationskolonne betrieben werden soll, festgelegten Arbeitsbereich ) herum betrieben werden kann. Die Regelungsoperation von Schritt (iv) greift ein, falls der Arbeits- bzw. Auslegungsbereich maßgeblich verlassen wird somit das sichere Betreiben der Kolonne nicht mehr gewährleistet werden kann. Sobald der Arbeitsbereich wieder erreicht wird (sobald die Sumpftemperatur T(B1) wieder innerhalb des Bereichs vonT(Bl)l bis T(B 1)2 liegt), wird wieder in dem unter Punkt a beschriebenen Modus gearbeitet. c) Die Schritte (ii) und (iii) regeln das Verhältnis von externen und internen Mengenströmen. Beide Regelungen werden insbesondere aufeinander abgestimmt und die Regelparameter zusammen und in Kombination miteinander ausgelegt. d) Unter Berücksichtigung von Punkt c wird somit auch Schritt (i) damit bestimmt und die internen Mengenströme sowohl im Auftriebs- als auch im Abtriebsteil ins Gleichgewicht gebracht und die gewünschte Qualität der Destillation eingestellt.
Erfindungsgemäß ist die Destillationskolonne (1000) eingerichtet zur Auftrennung eines Stoffgemisches S umfassend eine Substanz A und eine (unter den für den Betrieb der Destillationskolonne gewählten Druckbedingungen) höher als die Substanz A siedende Substanz B. Dies umfasst selbstredend, dass die Siedepunktsunterschiede zwischen A und B hinreichend groß sein müssen, um die Abtrennung der einen Substanz (nämlich A) am Kopf und die Abtrennung der anderen Substanz (nämlich B) im Sumpf der Destillationskolonne zu ermöglichen. Dies ist insbesondere bei einem Siedepunktsunterschied zwischen A und B bei 1,01 bar von 10 °C oder mehr, besonders bevorzugt von 25 °C oder mehr, ganz besonders bevorzug von 50 °C oder mehr der Fall. Im Allgemeinen wird der Siedepunktsunterschied zwischen A und B 250 °C nicht überschreiten.
Da die Substanz A unter den für den Betrieb der Destillationskolonne gewählten Druckbedingungen einen geringeren Siedepunkt aufweist als die Substanz B, wird Substanz A im Folgenden auch als Leichtsieder bezeichnet. Dabei ist es vorstellbar und verlässt den Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht, dass das Stoffgemisch S neben dem Eeichtsieder A noch weitere leichter als Substanz B siedende Verbindungen A‘ (also weitere Eeichtsieder), insbesondere leicht siedende Verunreinigungen, aufweist. Diese werden gemeinsam mit der Substanz A am Kopf der Destillationskolonne abgetrennt, sind also Bestandteil des Kopfproduktes Al. In analoger Weise kann das Stoffgemisch S auch vergleichsweise hochsiedende Verunreinigungen B‘ enthalten, die sich im Sumpf der Destillationskolonne anreichern und Bestandteil des Sumpfproduktes Bl werden. Der Gesamt-Massenanteil an Substanz A und Substanz B im Stoffgemisch S beträgt jedoch mindestens 90 %, bevorzugt mindestens 95 %, besonders bevorzugt mindestens 98 %, bezogen auf die Gesamtmasse des Stoffgemisches S. Der Begriff Abtriebsteil (AT) wird in der Terminologie der vorliegenden Erfindung als der Bereich unterhalb der Aufgabestelle (150) des zu trennenden Stoff gemisches S verstanden, welcher die Gesamtheit aller in diesem Bereich vorhandenen trenn wirksamen Einbauten (beispielsweise Böden oder eine oder mehrere Packungen) umfasst (vgl. auch FIG. 1 und FIG. 2, dort 110). Die Abtriebsteil-Temperatur T(AT) wird in dem so verstandenen Abtriebsteil gemessen. Die am besten geeignete Position für diese Temperaturmessstelle kann vom Fachmann erforderlichenfalls in einfachen Vorversuchen zur Optimierung der Regelung ermittelt werden. Bevorzugt werden als trennwirksame Einbauten Packungen verwendet, bevorzugt 1 bis 3 Packungen, insbesondere 1 (genau eine) Packung. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, die Abtriebsteil-Temperatur T(AT) in der (relativ zur Eängsrichtung der Destillationskolonne bestimmten) Mitte der Packung oder in einem Bereich von bis zu 20 % der (relativ zur Eängsrichtung der Destillationskolonne bestimmten) Höhe der Packung oberhalb oder unterhalb davon zu messen. Bei mehreren übereinander angeordneten Packungen gilt dies für die unterste Packung.
Der Begriff Verstärkerteil (VT) wird in der Terminologie der vorliegenden Erfindung als der Bereich oberhalb der Aufgabestelle (150) verstanden, welcher die Gesamtheit aller trennwirksamen Einbauten in diesem Bereich umfasst (vgl. auch FIG. 1 und FIG. 2, dort 120). Auch hier sind Packungen bevorzugt, besonders bevorzugt 1 bis 3 Packungen, insbesondere 1 (genau eine) Packung.
Der Aufbau derartiger trennwirksamer Einbauten (gleich ob Abtriebs- oder Verstärkerteil) ist dem Fachmann bekannt und bedarf daher keiner näheren Erläuterungen an dieser Stelle.
Der Sumpf stand H(B1 ) bezeichnet in der Terminologie der vorliegenden Erfindung die Höhe des Flüssigkeitspegels des flüssigen Sumpfproduktes Bl gemessen von der unteren Begrenzung der Destillationskolonne (siehe auch FIG. 1 und 2). Der Ausdruck „untere Begrenzung der Destillationskolonne “ bezieht sich hier und in der gesamten Terminologie der vorliegenden Erfindung auf den tiefsten Punkt des im Betrieb mit flüssigen Sumpfprodukt in Kontakt tretenden Innenvolumens der Destillationskolonne. Das erfindungsgemäße Verfahren regelt den Sumpfstand auf den vorgegebenen Soll-Wert H(B1 )SOLL · Dieser Soll-Wert liegt innerhalb der Grenzen H(B 1)1 bis H(B1)2. Der tatsächlich vorliegende Wert H(B 1)MOM wird also bei Abweichungen vom Soll-Wert H(B1)SOLL auf diesen zurückgeregelt und schwankt nicht frei zwischen H(B1)1 bis H(B1)2, wie es in der Regelung gemäß der weiter oben diskutierten Patentschrift US 3,905,873 (dort zwischen den Positionen 490 und 492) der Fall ist. Im Gegensatz zur dort beschriebenen Regelung wird also der Sumpfstand im erfindungsgemäßen Verfahren konstant gehalten (d. h. bei Abweichungen vom Soll-Wert H(B 1)SOLL auf diesen zurückgeregelt).
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung festzulegenden Soll-Werte (für das Rücklaufverhältnis, den Sumpfstand, die Abtriebsteil-Temperatur und die Sumpftemperatur) sind selbstredend abhängig von der Natur der Trennaufgabe und der dafür zur Verfügung stehenden Destillationskolonne. Gleiches gilt für die konkreten aus den Soll- Werten zu berechnenden Werte (wie zum Beispiel die Einstellung des Sumpf entnahmeventils (220)). Daher können diese Werte nicht verallgemeinert werden und sind vom Fachmann für die gegebenen Randbedingungen jeweils zu ermitteln, was jedoch eine reine Routineaufgabe darstellt. Typische Werte für die bevorzugte Anwendung der Trennung von Benzol als Substanz A und Nitrobenzol als Substanz B sind weiter unten in der Beschreibung sowie in den Beispielen offenbart.
In den beigefügten Zeichnungen zeigen: FIG. 1 eine schematische Darstellung einer Destillationskolonne (1000), deren Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt werden kann;
FIG. 2 die Destillationskolonne aus FIG. 1 unter Berücksichtigung prozessleittechnischer Einrichtungen gemäß der Erfindung ;
FIG. 3 den Benzolgehalt im Sumpfprodukt einer Destillationskolonnne zur Abtrennung von Benzol aus Nitrobenzol sowie die Temperatur in der Kolonnenmitte bei einer
Änderung des Zulaufmengenstroms an Rohnitrobenzol um 20 % unter Anwendung der erfindungsgemäßen Regelung (Beispiel 2) und ohne (Beispiel 1) die erfindungsgemäße Regelung. Es folgt zunächst eine Kurzzusammenfassung verschiedener möglicher Ausführungsformen:
In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die Regelungseinheit eine Durchflussmesseinrichtung (460) für das der Destillationskolonne zugeführte Stoffgemisch S, mit welcher der Mengenstrom m(S) in Schritt (i) ermittelt wird.
In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist das Wärmeträgermedium Dampf.
In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Stoffgemisch S Benzol als Substanz A und Nitrobenzol als Substanz B.
In einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der dritten Ausführungsform ist, gilt:
• rl = 55; r2 = 65, · H(B1)1 = 0,18 x H(130); H(B1)2 = 0,42 x H(130), wobei H(130) die von der unteren Begrenzung der Destillationskolonne bis zum unteren Ende des Abtriebsteils gemessene Höhe des Kolonnensumpfes bezeichnet,
• T(AT)1 = 166 °C; T(AT)2 = 172 °C und
• T(B1)1 = 168 °C; T(B1)2 = 173 °C.
Die zuvor kurz geschilderten Ausführungsformen und weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert. Dabei können die Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt.
Die beifügte FIG. 1 zeigt ein Beispiel für eine Destillationskolonne (1000), deren Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in vorteilhafter Weise geregelt werden kann. Das zu trennende Stoffgemisch S wird seitlich zwischen Verstärkerteil (120) und Abtriebsteil (110) zugeführt. Selbstverständlich kann die Destillationskolonne auch über weitere dem Fachmann bekannte Hilfseinrichtungen und Peripheriegeräte verfügen (zum Beispiel Flüssigkeitssammler, Flüssigkeits Verteiler, Pumpen und dergleichen mehr). Das gasförmige Kopfprodukt Al wird im Kopfkondensator (300) kondensiert, wobei ein Teil des Kondensats (A21) als Rücklauf zurück in die Destillationskolonne geführt und ein anderer Teil (A22) der Destillationskolonne als Kopfprodukt entnommen wird. Das Mengenstromverhältnis von Rücklauf zu Entnahme, m(A21)/m(A22), wird als
Rücklauf verhältnis r bezeichnet. Die Einstellung des Rücklaufverhältnisses wird mit einem Rücklaufventil (320) vorgenommen. Der Kopfkondensator kann auch abweichend von FIG. 1 in den Kolonnenkörper (100) integriert sein.
Das flüssige Sumpfprodukt Bl füllt den Kolonnensumpf bis zur Höhe H(B1), angedeutet durch die gestrichelte Linie. Die Beheizung der Destillationskolonne (1000) erfolgt mittels eines Umlaufverdampfers (200), in welchem ein erster Teil des ausgetragenen Kolonnensumpfes (nämlich Bll) indirekt mit einem Wärmeträgermedium (W) beheizt und in den Kolonnensumpf (130) zurückgeführt wird. Als Wärmeträgermedium eignen sich Dampf, Kondensat sowie weitere flüssige und gasförmige Wärmeträger. Der Mengenstrom des Wärmeträgermediums m(W) wird mittels des Wärmeträgermediumventils (210) eingestellt. Ein zweiter Teil des Kolonnensumpfes (nämlich B12) wird als Sumpfprodukt ausgetragen, wobei der Mengenstrom des ausgetragenen Anteils über das Sumpfentnahmeventil (230) eingestellt wird. FIG. 2 zeigt die im Rahmen der vorliegenden Erfindung einzusetzenden prozessleittechnischen Einrichtungen. Der zeichnerischen Übersichtlichkeit halber sind manche Bezugszeichen aus FIG. 1 hier weggelassen. Das zu trennende Stoffgemisch S wird zunächst mittels einer Durchflussmesseinrichtung (460) erfasst. Dieser Massenstrom wird benutzt, um über ein vorgegebenes Rücklaufverhältnis (im Bereich rl bis r2) den Sollwert für den Rücklaufregler (410) zu berechnen. Der Soll -Wert für das Rücklaufverhältnis rsoix wird insbesondere bei der Auslegung der Destillationskolonne derart festgelegt, dass mit möglichst wenig Energieeinsatz eine möglichst gute Trennung erzielt werden kann. Um einen zuverlässigen Betrieb der Destillationskolonne zu gewährleisten, ist zu berücksichtigen, dass immer ein Mindestrücklauf (IΪI(A21)MIN) sichergestellt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Destillationskolonne auf keinen Fall trockenläuft. Der Mindestrücklauf (IΪI(A21)MIN) wird bei der Auslegung der Destillationskolonne durch Wahl geeigneter Design-Parameter definiert. Der Stand im Sumpf der Kolonne wird ebenfalls in Abhängigkeit des Zulaufstromes über den Standregler (420) geregelt, dies geschieht durch eine Störgrößenaufschaltung des Zulaufstromes S.
Die für die Qualität des Sumpfproduktes bestimmende Temperatur des Abtriebsteils T(AT) wird über einen Temperaturregler (430) sichergestellt. Dieser Regler berechnet aus dem vorgegebenen Sollwert und dem Zulaufstrom S den Sollwert für den Mengenstromregler (450) des Wärmeträgermediums. Da es bei starken Änderungen des Zulaufstromes passieren kann, dass durch eine zu geringe Menge des Wärmeträgermediums die Sumpftemperatur unter die notwendige Mindesttemperatur absinkt, wird über eine Temperaturregelung (440) im Sumpf der Kolonne die notwendige Mindesttemperatur sichergestellt. Dieser Temperaturregler schreitet ein, wenn die Mindesttemperatur unterschritten wird, deaktiviert die Regelung gemäß (iii) und reaktiviert diese, sobald die Sumpftemperatur wieder im Bereich T(B1)1 bis T(B1)2 liegt.
Als Wärmeträgermedium W wird vorzugsweise Dampf eingesetzt. Andere Wärmeträgermedien wie bspw. Wärmeträgeröle können jedoch ebenfalls eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für den Betrieb solcher Destillationskolonnen, in denen ein Leichtsieder A aus einem höher siedenden Produkt B abgetrennt werden müssen.
Beispielhaft sei die Trennung von Benzol und Nitrobenzol genannt, die im Rahmen eines Prozesses zur Herstellung von Nitrobenzol durch Nitrierung von Benzol mit Salpetersäure in Gegenwart von Schwefelsäure erforderlich wird. Benzol wird dabei, insbesondere in den heute gebräuchlichen adiabatisch betriebenen Nitrierverfahren, üblicherweise in stöchiometrischem Überschuss gegenüber Salpetersäure eingesetzt, sodass es im Rahmen der Aufarbeitung des Nitrierproduktes abgetrennt werden muss. Die Aufarbeitung des Nitrierproduktes geschieht dabei üblicherweise, indem das nach erfolgter Nitrierung vorliegende Reaktionsgemisch (Nitrierprodukt) enthaltend Nitrobenzol, nicht umgesetztes Benzol und Schwefelsäure in einem ersten Schritt in eine wässrige Schwefelsäurephase und eine organische Nitrobenzolphase getrennt wird, gefolgt von einem zweiten Schritt einer ein- oder mehrstufigen Wäsche der Nitrobenzolphase, woran sich ein dritter Schritt anschließt, in welchem das überschüssige Benzol aus der gewaschenen Nitrobenzolphase abgetrennt wird. Das überschüssige Benzol wird üblicherweise in die Nitrierung rezykliert, was zur Folge hat, dass sich im ursprünglich eingesetzten Benzol vorhandene Verunreinigungen, die den Nitrierprozess im Wesentlichen unverändert durchlaufen (wie insbesondere aliphatische organische Verbindungen), anreichern. Da diese Verunreinigungen leichter als Nitrobenzol sieden, werden sie gemeinsam mit dem Benzol abdestilliert. Eine übermäßige Anreicherung dieser Verunreinigungen wird durch Ausschleusen von Purge-Strömen und/oder durch Zersetzung der Verunreinigungen nach einiger Zeit verhindert.
Diese Destillationsaufgabe zur Bereitstellung gereinigten Nitrobenzols ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft betreibbar. Für diese konkrete Trennaufgabe sind Soll-Werte in den folgenden Bereichen bevorzugt:
• Rücklaufverhältnis: rl bis r2 entspricht 55 bis 65;
• Sumpfstand: H(B 1) 1 bis H(B 1)2 entspricht 18 % bis 42 % der von der unteren Begrenzung der Destillationskolonne bis zum unteren Ende des Abtriebsteils gemessenen Kolonnensumpfhöhe H(130) - siehe auch FIG. 1 und 2; · Abtriebsteil-Temperatur: T(AT)1 bis T(AT)2 entspricht 166 °C bis 172 °C;
• Sumpftemperatur: T(B1)1 bis T(B1)2 entspricht 168 °C bis 173 °C.
Beispiele:
Die Ergebnisse der folgenden Beispiele wurden mit einer Destillationskolonne zur Abtrennung von überschüssigem Benzol aus Nitrobenzol erzielt. Der grundsätzliche Aufbau der Destillationskolonne entsprach FIG. 1. · Der Zulaufstrom S bestand aus Rohnitrobenzol, das lediglich von der Nitriersäure getrennt und gewaschen worden war.
• Über Kopf wurde als Strom Al ein Strom aus Benzol und anderen leichter als Nitrobenzol siedenden Verbindungen (insbesondere aliphatische organische Verbindungen) abgetrennt. · Im Sumpf wurde als Strom Bl ein von Leichtsiedem weitgehend befreites
Nitrobenzol erhalten.
In beiden Beispielen wurde während des kontinuierlichen Betriebs der Destillationskolonne der Zulaufmengenstrom S um 20 % erhöht. Beispiel 1 (Vergleich):
Die Zulaufmenge des Wärmeträgers W (Dampf) wurde in Abhängigkeit der Temperatur in der Kolonnenmitte (Boden 20) geregelt. Bei einem Absinken dieser Temperatur wurde die Zulaufmenge an Dampf erhöht. FIG. 3 zeigt auf der Ordinatenachse den Zulaufstrom S (dicke gestrichelte Linie, in kg/h), die Temperatur T in der Kolonnenmitte (bei Boden 20, dicke durchgezogene Linie, in °C) und die Konzentration an Benzol (den Benzolgehalt c(Bz) ausgedrückt als Massenanteil) im Kolonnensumpf (dünne gepunktete Linie, in kg Benzol/kg Kolonnensumpf) in Abhängigkeit von der auf der Abszissenachse angegebenen Zeit t (in h).
Beispiel 2 (erfindungsgemäß):
Die Zulaufmenge des Wärmeträgers W (Dampf) wurde erfindungsgemäß geregelt (vgl. auch FIG. 2). FIG. 3 zeigt in gleicher Weise wie für Beispiel 1 den Zulaufstrom S (dicke gestrichelte Linie), die Temperatur T in der Kolonnenmitte (dünne durchgezogene Linie) und die Konzentration an Benzol im Kolonnensumpf c(Bz) (dicke gepunktete Linie). Man sieht, dass im Vergleich zu Beispiel 1 sowohl die Temperatur in der Kolonnenmitte als auch die Benzolkonzentration im Sumpf deutlich geringeren Schwankungen unterliegen.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum kontinuierlichen Betreiben einer Destillationskolonne eingerichtet zur Auftrennung eines Stoffgemisches S umfassend eine Substanz A und eine höher als die Substanz A siedende Substanz B, wobei die Destillationskolonne Folgendes aufweist:
(I) einen vertikal angeordneten Kolonnenkörper umfassend einen Abtriebsteil und einen darüber angeordneten Verstärkerteil, wobei der Abtriebsteil eine Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Abtriebsteil- Temperatur T(AT) aufweist;
(II) einen Kolonnensumpf unterhalb des Abtriebsteils zur Aufnahme eines flüssigen Sumpfproduktes B 1 einer Sumpftemperatur T(B1) bis zu einem Sumpfstand H(B1);
(III) einen Kolonnenkopf oberhalb des Verstärkerteils zur Aufnahme eines verdampften Kopfproduktes Al;
(IV) eine Aufgabestelle für das Stoff gemisch S, mittels welcher das Stoffgemisch S der Destillationskolonne mit einem Mengenstrom m(S) zugeführt wird;
(V) einen Umlaufverdampfer für die Beheizung des Kolonnensumpfes durch indirekte Beheizung eines ersten Teils Bll des flüssigen Sumpfproduktes B 1 , wobei dem Umlaufverdampfer ein Wärmeträgermedium W mit einem Mengenstrom m(W) zugeführt wird und der Umlaufverdampfer über ein Wärmeträgermediumventil zur Einstellung des Mengenstroms m(W) verfügt;
(VI) eine Entnahmeeinheit zum Abführen eines zweiten Teils B12 des flüssigen Sumpfproduktes B 1 mit einem Mengenstrom m(B12), wobei die Entnahmeeinheit über ein Sumpfentnahmeventil zur Einstellung des Mengenstroms m(B12) verfügt;
(VII) einen Kopfkondensator zur Kondensation des verdampften Kopf produktes Al unter Erhalt eines verflüssigten Stroms A2; (VIII) eine Rückführ- und Entnahmeeinheit zum Zurückführen eines ersten Teils des verflüssigten Stroms A2 in die Destillationskolonne mit einem Mengenstrom m(A21) und zum Abführen eines zweiten Teils des verflüssigten Stroms A2 aus der Destillationskolonne mit einem Mengenstrom m(A22), wobei die Rückführ- und Entnahmeeinheit über ein
Rücklaufventil zur Einstellung eines Rücklaufverhältnisses r = m(A21)/m(A22) verfügt; und
(IX) eine Regelungseinheit umfassend einen Rücklaufregler, einen Sumpfstandregler, einen Abtriebsteil-Temperaturregler, einen
Sumpftemperatur-Begrenzungsregler und einen Mengenstromregler für das Wärmeträgermedium W; wobei:
(i) für das Rücklaufverhältnis r ein Soll-Wert TSOLL innerhalb eines Bereiches von rl bis r2 vorgegeben wird und der Rücklaufregler aus dem vorgegebenen Wert rsoLL und dem Wert für den Mengenstrom m(S) unter Berücksichtigung des für r minimal zulässigen Wertes rl die Einstellung des Rücklaufventils berechnet;
(ii) für den Sumpfstand H(B1) ein Soll-Wert H(B 1)SOLL innerhalb des Bereiches von H(B1)1 bis H(B1)2 vorgegeben wird und der Sumpf standregier aus diesem Soll-Wert H(B 1)SOLL, dem zu einem gegebenen Zeitpunkt vorliegenden momentanen Wert für den Sumpfstand, H(B1)MOM, und dem Wert für den Mengenstrom m(S) die Einstellung des Sumpfentnahmeventils berechnet; (m) für die Abtriebsteil-Temperatur T(AT) ein Soll-Wert T(AT)SOLL innerhalb des Bereiches von T(AT)1 bis T(AT)2 vorgegeben wird und der Abtriebsteil- Temperaturregler aus diesem Soll-Wert T(AT)SOLL, dem zu einem gegebenen Zeitpunkt vorliegenden momentanen Wert für Abtriebsteil-Temperatur, T(AT)MOM, und dem Mengenstrom m(S) die Einstellung des Wärmeträgermediumventils berechnet und die so berechnete Einstellung des Wärmeträgermediumventils (210) diesem mittels des Mengenstromreglers (450) übermittelt;
(iv) für die Sumpftemperatur T(B1) ein Soll-Wert T(B1)SOLL innerhalb des Bereiches von T(B1)1 bis T(B1)2 vorgegeben wird und der Sumpftemperatur-Begrenzungsregler so eingerichtet ist, dass bei einem
Unterschreiten der Temperatur T(B1)1 die Einstellung des
Wärmeträgermediumventils, unter Außerkraftsetzung der Einstellung des Wärmeträgermediumventils gemäß (iii), so verändert wird, dass der Mengenstrom m(W) erhöht wird, wobei die Einstellung des Wärmeträgermediumventils gemäß (iii) wieder in Kraft gesetzt wird, sobald die Sumpftemperatur T(B1) wieder innerhalb des Bereichs von T(B1)1 bis T(B1)2 liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Regelungseinheit eine Durchflussmesseinrichtung (460) für das der Destillationskolonne zugeführte Stoffgemisch S umfasst, mit welcher der Mengenstrom m(S) in Schritt (i) ermittelt wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Wärmeträgermedium Dampf ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das
Stoffgemisch S Benzol als Substanz A und Nitrobenzol als Substanz B umfasst.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei welchem gilt:
• rl = 55; r2 = 65,
• H(B1)1 = 0,18 x H(130); H(B1)2 = 0,42 x H(130), wobei H(130) die von der unteren Begrenzung der Destillationskolonne bis zum unteren Ende des
Abtriebsteils gemessene Höhe des Kolonnensumpfes bezeichnet,
• T(AT)1 = 166 °C; T(AT)2 = 172 °C und
• T(B1)1 = 168 °C; T(B1)2 = 173 °C.
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