ES2203900T3 - Procedimiento para controlar un sistema de separacion de constituyentes de lechos moviles simulados. - Google Patents
Procedimiento para controlar un sistema de separacion de constituyentes de lechos moviles simulados.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN METODO PARA CONTROLAR CON PRECISION UN PROCESO DE SEPARACION PERMANENTE EN LINEA DE CONSTITUYENTES DE UNA MEZCLA EN UN SISTEMA DE SEPARACION EN LECHOS MOVILES SIMULADOS A PARTIR DE MEDIDAS DE CONCENTRACION Y DE CAUDALES. EL SISTEMA CONSTA DE UN CONJUNTO DE COLUMNAS QUE FORMAN UN BUCLE CERRADO CON VARIAS ZONAS ENTRE PUNTOS DE INYECCION Y DE RETIRADA DE FLUIDOS. EL CONTROL DEL PROCESO (LINEAL O NO LINEAL) SE EFECTUA A PARTIR DE UN MODELO DE CONOCIMIENTO Y DE DETERMINADO NUMERO DE MEDIDAS DE VARIABLES OPERATORIAS EN UNA PLURALIDAD DE PUNTOS DE MEDIDA DISPUESTOS A LO LARGO DEL BUCLE (CONCENTRACIONES Y CAUDALES, POR EJEMPLO) Y DE MEDIDAS CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS INYECTADOS Y RETIRADOS. A PARTIR DE VALORES CORRIENTES DE VARIABLES CONTROLADAS QUE DEPENDEN DE VARIABLES OPERATORIAS MEDIDAS (PUREZA DE LOS COMPONENTES, RENDIMIENTO DEL SISTEMA, ETC.), SE DETERMINAN INDICES DESCRIPTIVOS DE LA RELACION, EN CADA UNA DE LAS DIFERENTES ZONAS, ENTRE LOS CAUDALES DE LOS FLUIDOS Y LOS CAUDALES SIMULADOS DE MATERIAL ADSORBENTE. A PARTIR DE ESTAS RELACIONES, SE DETERMINAN LOS VALORES QUE DEBEN TOMAR LAS VARIABLES OPERATORIAS PARA LLEVAR O DEVOLVER LAS VARIABLES CONTROLADAS HASTA VALORES PREVIAMENTE DETERMINADOS. APLICACION A LA ESTABILIZACION DE PROCESOS DE SEPARACION, EN PARTICULAR DE HIDROCARBUROS AROMATICOS, EN PRESENCIA DE VARIACIONES NOTABLES DE CAUDAL O DE CALIDAD DE LA CARGA.
Description
Procedimiento para controlar un sistema de
separación de constituyentes de lechos móviles simulados.
La presente invención se refiere a un método para
controlar con precisión un proceso de separación de constituyentes
de una mezcla, en un sistema de separación de lecho móvil simulado,
a partir de medidas discretas de concentración y de caudales. El
método se aplica principalmente en la separación de hidrocarburos
aromáticos.
Existen en la industria numerosos procedimientos
de separación continua por adsorción selectiva de al menos un
componente entre varios en el seno de la mezcla de fluidos,
principalmente procedimientos de cromatografía denominados a contra
corriente simulada donde se utiliza la propiedad de ciertos sólidos
porosos, en presencia de mezclas líquidas, gaseosas o
supercríticas, de retener más o menos fuertemente los diferentes
constituyentes de la mezcla.
Los procedimientos de separación o
fraccionamiento basados sobre la cromatografía son más a menudo
empleados en un dispositivo que comprende un conjunto de columnas o
fracciones de columnas interconectadas en serie, formando un
circuito cerrado. La longitud de este circuito se reparten de los
puntos de inyección para la mezcla a separar y el disolvente o
desorbente, y de los puntos de extracción de fluidos: extracto y
refinado, delimitando diferentes zonas. Todas las columnas o
fracciones de columna de una misma zona son atravesadas por un
caudal líquido idéntico.
Los dispositivos están constituidos más a menudo
por cuatro zonas principales. No obstante, existen dispositivos
que comprenden tres (en este caso, se omite la zona comprendida
entre la toma de refinado y la inyección de disolvente). Existen
igualmente cinco zonas, donde una parte del extracto separado del
disolvente es inyectado de nuevo entre la toma de extracto y la
inyección de carga. Otras incluso pueden comprender de cinco a
siete zonas donde fluidos secundarios permiten aclarar líneas que
dirigen sucesivamente varios fluidos, para evitar
contaminaciones.
Un sólido poroso, de granulometría determinada,
constituye la fase estacionaria. La mezcla a separar se introduce
en la columna, después se desplaza al medio de un fluido vector o
desorbente y los diferentes constituyentes que salen sucesivamente
según que son retenidos más o menos fuertemente por la fase
estacionaria.
En un procedimiento de contra corriente real
(Fig. 1), un perfil de las concentraciones fija y constante se
desarrolla en una columna 1 de separación, donde la posición de los
puntos de inyección de una carga A+B, de un eluyente S, y de
trasiego de un extracto EA y de un refinado RB queda fijo. El
sólido adsorbente 2 y el líquido 3 se desplazan a contra corriente.
Un sistema de arrastre del sólido y una bomba P de reciclado,
colocados los dos en el emplazamiento de la columna (en la unión de
las zonas I y IV) donde la única especie presente tanto en el
líquido como en el sólido es el fluido vector de elución, permiten
enviar de nuevo, respectivamente, el sólido de la base hacia la
cima, y el líquido inversamente de la cima hacia la base.
Los procedimientos denominados de lechos móviles
simulados permiten escapar de una dificultad mayor inherente a los
procedimientos de lechos móviles verdaderos, aquel de hacer
correctamente circular la fase sólida sin crear atrición y sin
aumentar considerablemente la porosidad de lecho con relación al de
un lecho fijo. Para simular su desplazamiento, el sólido está
dispuesto en un cierto número de n de lechos fijos (en general, 4
\leq n \leq 24), dispuestos en serie y es el perfil de
concentraciones que se desplazan a velocidad prácticamente uniforme
alrededor de un circuito cerrado.
En la práctica, el desfasaje sucesivo de los
puntos de inyección y de trasiego se hace con la ayuda de una
válvula giratoria o más prácticamente de un conjunto de válvulas
todo o nada convenientemente controladas. Este desfase circular,
efectuado en cada periodo, de los diferentes caudales líquidos de
entrada-salida en un sentido dado vuelve de nuevo a
simular un desplazamiento del adsorbente sólido en el otro
sentido.
Procedimientos por cromatografía en lecho móvil
simulado, a contra-corriente o corriente continua,
son por ejemplo descritos en las patentes US 2 985 589 o US 4 402
832.
Un sistema de separación en presencia de al menos
un eluyente, de una carga que comprende al menos dos
constituyentes en al menos dos fracciones comprende generalmente n
columnas o tramos de columnas cromatográficas montadas en series y
en circuito cerrado (en general, 4 \leq n \leq 24), en las que
se hace circular una mezcla líquida, supercrítica o gaseosa bajo
presión, presentando el circuito al menos una corriente de
inyección de la carga, al menos una corriente de inyección del
eluyente, al menos una corriente de trasiego de extracto y al menos
una corriente de trasiego del refinado, encontrándose el
constituyente preferentemente buscado en la mayoría o bien en el
extracto o bien en el refinado.
Los caudales líquidos de entrada principales son
los siguientes: el caudal de carga y el caudal de eluyente. El
caudal de salida es el caudal de extracto. El refinado es tomado
bajo control de presión. El caudal de refinado es igual a la suma
de los caudales de entrada menos el caudal de extracto. A estos
caudales controlados se añade un caudal de reciclaje controlado
igualmente a un valor dependiente de la posición de la bomba en un
instante dado. El emplazamiento relativo de cada uno de los cuatro
flujos alrededor de los lechos se calcula con el fin de obtener un
comportamiento satisfactorio en función del tipo de separación a
efectuar y define así cuatro zonas distintas en el caso del
procedimiento presente en la figura 1.
Por las patentes US 5 457 260 y 5 470 482 se
conoce también un procedimiento de control de un sistema de
separación de lechos móviles simulados de una mezcla de
constituyentes, que comprende dos columnas de lechos múltiples
interconectados en circuito, en el que se controla al menos una
característica tal que la pureza de un constituyente o su
rendimiento o una combinación de los dos. El procedimiento comprende
la medida de la concentración de los diferentes constituyentes de
la mezcla en circulación en los circuitos de interconexión de las
columnas, principalmente por espectroscopia próxima a
infra-roja, y la utilización de un algoritmo de
ajuste iterativo del tipo de regresión multivariable o de tipo
redes neuronales que tienden a hacer disminuir la desviación entre
el valor corriente de la característica y un valor de consigna
hasta un cierto umbral. El algoritmo utilizado es del tipo "caja
negra" con todos los inconvenientes unidos a este tipo de
aproximación: un tiempo de empleo importante porque el resultado se
obtiene después de numerosos ensayos, es explotable solo en el
campo de los ensayos efectuados y se obtiene con una precisión
débil, la de la modelación de las no linealidades en general.
En la continuación del texto, se designará
por:
- variables controladas, las variables que deben
estar constantemente próximas a un valor de referencia previamente
especificado y que traducen el buen funcionamiento del
procedimiento. Se trata por ejemplo de la pureza de los
constituyentes de un extracto, del rendimiento de la unidad de
separación de separación para un cierto constituyente etc.;
- variables operativas, las variables que pueden
ser modificadas por el operador, tales como los caudales o incluso
el periodo de conmutación de las válvulas que permiten simular el
desplazamiento de los lechos etc.;
- variables de control, las variables que actúan
principalmente sobre una única zona, por ejemplo sobre la parte del
perfil de concentración contenido en una zona. Estas variables de
control son determinadas por el algoritmo de control, y son
traducidas en variables operativas.
Se recuerda que el objeto de un procedimiento de
control avanzado del funcionamiento de un circuito de separación es
calcular una ley de control (conjunto de los valores de las
variables operativas en el transcurso del tiempo) para:
- dominar el funcionamiento, es decir, calcular
una ley de control capaz de asegurar la transición entre dos
valores distintos de una o varias variables controladas elegidas
a priori; y
- regular el funcionamiento, es decir, calcular
una ley de control capaz de compensar lo mejor posible (por avance
o al menos asintóticamente) todas las perturbaciones exteriores
que actúan sobre los procesos con el fin de que las variables
controladas elegidas a priori guarden un valor casi
constante.
En el caso de una unidad de separación de lecho
móvil simulado, la regulación puede igualmente compensar
perturbaciones debidas a una evolución en el tiempo de los
parámetros termodinámicos y geométricos del adsorbente (bien
entendido para un deterioro limitado de las propiedades del
adsorbente).
Estos objetivos son realizados con el
procedimiento de control automático de un proceso de separación de
constituyentes de una mezcla de fluidos en circulación, según la
invención que permite evitar los inconvenientes anteriormente
mencionados. Está basado no sobre una técnica de tipo "caja
negra", sino sobre una aproximación más dominada permitida por
una modelación no lineal del proceso de separación.
El procedimiento según la invención se aplica al
control de un sistema (o unidad de separación) de separación de
constituyentes de lechos móviles simulados que comprenden un
circuito cerrado constituido por la interconexión en serie de
lechos que contienen materia sólida adsorbente, repartidos en
varias zonas delimitadas por puntos de inyección y puntos de
extracción de fluidos, medios de inyección de fluidos en el
circuito, medios de extracción de fluidos fuera del circuito,
medios de permutación de los puntos de inyección y de los puntos de
extracción, que permiten simular el desplazamiento de los lechos a
contra-corriente, y medios de medida de diversas
variables (tales como concentraciones, caudales, el periodo de
permutación de las válvulas, etc.). Se caracteriza porque
comprende:
- la medición de variables operativas y de
concentraciones de ciertos constituyentes necesarios en el cálculo
de variables controladas en un número de puntos del circuito de
separación al menos igual a dos:
- la determinación a partir de valores corrientes
de variables medidas, y utilizando un modelo determinado del
funcionamiento del sistema de separación (o bien un modelo no
lineal, o bien un modelo lineal en aproximación de un punto de
funcionamiento dado), relaciones (Rk) indicativas respectivamente
de la relación en cada una de las diferentes zonas, entre los
caudales de fluidos (Qk) y los caudales simulados de materia
adsorbente (Qs) de tal manera para introducir o llevar de nuevo las
variables controladas hasta valores de referencia determinadas;
y
- la determinación a partir de estas relaciones
(Rk), valores a dar a las variables operativas.
Sobre un tramo del circuito de separación que
comprende un conjunto de etapas contiguas que engloban n zonas,
donde son definidas n relaciones (Rk), el procedimiento comprende
generalmente, la definición de m variables controladas (\xi)
funciones de valores de caudales (D) y de concentraciones (X), con
m inferior o igual a n, la medida de las concentraciones (X) en
fase líquida a los puntos extremos del tramo (en el caso de un
control no lineal únicamente), y la determinación de m de las
denominadas relaciones (Rk), o de m combinaciones de estas
denominadas relaciones que comprenden (n-m)
parámetros.
Según un modo de empleo, con un circuito de
separación que comprende cuatro zonas principales, se controlan
simultáneamente varias variables controladas (\xi) tales que el
rendimiento del circuito y la pureza de al menos un constituyente
de la mezcla a partir de medidas en línea de diferentes
concentraciones.
Para la medida de concentraciones se utiliza por
ejemplo un análisis en línea de tipo Raman o cromatográfico o en el
infra-rojo próximo (PIR).
Según un modo de empleo, en el caso de una unidad
de separación o sistema de separación de cuatro zonas, se eligen
como variables controladas, una al menos de las cuatro grandes
siguientes: la pureza de un primer constituyente en un fluido
extraído del circuito, el rendimiento del sistema de separación
para un constituyente (el mismo que para la pureza o bien otro),
una resistencia del denominado primer constituyente detrás de una
primera de las cuatro zonas, relativamente en el sentido de la
circulación de los fluidos; y/o la resistencia del conjunto de los
constituyentes distintos del primer constituyente antes de una
última de las denominadas cuatro zonas, relativamente en el sentido
de la circulación de los fluidos.
El método permite determinar, conociendo los
valores de relaciones (Rk) en un sistema de control que comprende
un cierto número p de zonas, los valores correspondientes de
relaciones suplementarias debidas a la introducción en el circuito
de separación de al menos un punto de inyección suplementario y/o
de al menos un punto de trasiego suplementario en función del valor
conocido de la relación en una sección adyacente y del valor del
caudal de inyección y/o de trasiego considerado.
Como variable controlada, se puede elegir el
valor de una relación entre las concentraciones de constituyentes
de un fluido trasegado.
Se puede utilizar ventajosamente un algoritmo de
optimización que permite asegurar la continuación de valores de
referencia fijados para variables controladas.
El método presentado puede utilizarse fácilmente
para controlar tantas variables controladas
(\xi)relaciones (Rk) existen. Estas variables controladas
podrán ser, por ejemplo, medidas de productividad, de índice de
disolvente, de arrastres etc.
El método según la invención permite mantener un
funcionamiento estable de la unidad de separación de separación
igual en presencia de variaciones de caudal o de calidad de
carga.
Otras características y ventajas del método según
la invención, aparecerán en la lectura de la descripción a
continuación de un ejemplo no limitativo de realización,
refiriéndose a los dibujos adjuntos donde:
- la figura 1 es un esquema funcional de un
circuito de separación de lechos móviles verdaderos;
- la figura 2 ilustra el principio de la
discretización utilizada para escribir las ecuaciones de balance de
materia;
- la figura 3 es un esquema funcional de una
interzona entre dos tramos de un circuito para ilustrar el cálculo
de las relaciones;
- la figura 4 muestra un organigrama de las
diferentes fases del proceso de control de circuito;
- la figura 5 esquematiza un circuito de
separación de cuatro zonas, cuatro puntos de inyección o de
trasiego y ocho puntos de medida;
- la figura 6 representa un cronograma de las
modificaciones aportadas a la composición de una carga para
ilustrar en las simulaciones siguientes un ejemplo de
regulación;
- la figura 7 muestra cronogramas de la evolución
de dos variables controladas es decir la pureza de un extracto y el
rendimiento de la instalación, consecutivos en la modificación
aportada;
- la figura 8 muestra la eficacia del control
aportado en las mismas condiciones por la aplicación del
procedimiento según la invención; y
- las figuras 9 a 12 muestran cronogramas de
evolución de cuatro variables operativas durante la estabilización
del proceso, respectivamente, el caudal de reciclaje (Fig. 9), el
caudal de extracto (Fig. 10), el periodo de permutación (Fig. 11), y
el caudal de refinado (Fig. 12).
\newpage
Se considera, por lo tanto, una unidad de
separación de separación que comprende un circuito cerrado de
separación de lechos móviles simulado que es dividido en al menos
cuatro zonas, estando separada cada zona de la siguiente por una
corriente de inyección o de trasiego, estando permutadas las
corrientes de inyección y de trasiego en intervalos de tiempos
prácticamente constantes. El circuito contiene una bomba de
reciclaje de la denominada mezcla, regulada en caudal, que está
situada entre dos columnas o tramos de columnas sucesivas y
eventualmente al menos un medio de medida de las concentraciones de
la fase líquida, colocada igualmente entre dos columnas o tramos de
columnas consecutivas.
Se puede utilizar ventajosamente un aparato de
medida de tipo Raman tal como el descrito en la patente FR
2.699.917 (US 5.569.808) del demandante que da acceso a un número
elevado de medidas de concentración en tiempo real y, por lo tanto,
permite suministrar el perfil de concentración en diferentes puntos
del lado del circuito. Basta entonces elegir libremente n medidas,
(n número comprendido generalmente entre dos y ocho para un sistema
de separación de cuatro zonas) repartidas de forma conveniente en
las diferentes zonas, con el fin de asegurar un buen
funcionamiento del algoritmo de control del proceso.
Se definen variables controladas como funciones
\xi de varias variables:
(1)\xi = F(D,
X),
donde
- X es un vector que representa las
concentraciones de los diferentes constituyentes en la fase líquida
en diferentes puntos (pudiendo ser este valor o bien instantánea, o
bien una media de los valores tomados sobre un periodo de
permutación),
- D es un vector, cada uno de cuyos elementos es
un caudal interno, de inyección o de trasiego.
Como ejemplo de variable controlada, se puede
citar la pureza \xi de un constituyente en la fase líquida en un
punto cualquiera de la unidad de separación (sobre un flujo de
salida por ejemplo):
donde\xi = x_{i} / (x_{i} +
Imp_{i}),
- x_{i} es la concentración del constituyente i
en un punto dado,
- Imp_{i} es la suma de las concentraciones de
los otros constituyentes considerados como impurezas en este mismo
punto (lo que puede excluir algunos constituyentes como por ejemplo
el eluyente).
El cálculo de esta variable controlada en un
instante dado supone, por lo tanto, la medida del conjunto de las
concentraciones en presencia en la fase líquida en uno o varios
puntos del circuito. Estas medidas podrán hacerse por ejemplo como
se ha dicho más arriba por análisis de tipo Raman, o por cualquier
otro procedimiento.
La elección de las variables controladas es a
priori libre. En el caso de una unidad de separación de 4
zonas, se pueden elegir por ejemplo como variables controladas, los
tamaños que el operador tiene la costumbre de buscar más a
menudo:
1) la pureza de uno de los constituyentes en el
extracto,
2) el rendimiento de la unidad de separación para
este mismo constituyente,
3) la resistencia hacia atrás (con relación al
sentido de la circulación de los fluidos) de la zona 1 del
constituyente considerado en los puntos 1) y 2).
4) la resistencia hacia delante (con relación al
sentido de la circulación de los fluidos) de la zona 4 del conjunto
de los constituyentes excepto el constituyente considerado en los
puntos 1), 2) o 3).
El método según la invención comprende la
selección de variables de control por las vías desde las cuales se
puede determinar directamente los valores a dar a las variables
operativas para controlar la evolución de las variables
controladas.
\newpage
La conversión de estas variables de control en
variables operativas "clásicas" es siempre posible, fuera de
las tensiones físicas reales de aplicación ligadas al dimensionado
del procedimiento y su equipo, porque existe una relación biunívoca
entre ellas, condición necesaria para hacer el sistema de separación
perfectamente controlable.
En el caso donde todas las variables operativas
son libres (es decir, que se puede fijar libremente su valor sin que
las limitaciones físicas en cuestión sean afectadas), el número
necesario de variables de control independientes es igual al número
de zonas que constituyen la unidad de separación de separación.
Se sabe que el funcionamiento de un sistema de
separación de lechos móviles simulados es casi idéntico al de un
sistema de lechos móviles verdaderos si para éste los caudales que
circulan a contra-corriente del caudal líquido
principal son dados por las relaciones siguientes:
(2)Qs = (%Vmicro *
Vcolumna)/T
Qs es el "caudal de sólido" (correspondiente
a la capacidad útil) equivalente al generado por la permutación de
las válvulas en la unidad de separación de lecho móvil simulado.
(3)qe = ((%Vmacro + %Vmeso +
%Vvi)* Vcolumna) /
T
qe es el "contra-caudal
líquido" equivalente al generado por la permutación de las
válvulas. Corresponde a la cantidad de líquido contenido en las meso
y macro-porosidades, así como en la porosidad
externa o incluso en la porosidad de granos añadida a la porosidad
del lecho. Se llama generalmente el "caudal de detención" o el
caudal de arrastre. Corresponde a la inmovilización de un fluido no
adsorbido en la microporosidad del
adsorbente.
En las relaciones (2) y (3),
- T representa el valor del periodo de
permutación de las válvulas de la unidad de separación de lecho
móvil simulado,
- Vcolumna es el volumen elemental de un tramo de
unidad de separación (volumen comprendido entre dos puntos sucesivos
de inyección y/o de trasiego activos o no),
- %Vmicro, %Vmeso, %Vmacro, %Vvi son,
respectivamente, los porcentajes de volumen microporoso (capacidad
útil), meso-poroso, macro-poroso, y
de porosidad externa del lecho.
La presencia de un volumen muerto que no aparece
en la ecuación (3) y que corresponde a los volúmenes muertos entre
los lechos de tamiz sucesivos es, no obstante, tenido en cuenta por
el artificio de un aumento global de los diferentes porcentajes de
la ecuación (3).
Los caudales líquidos externos son los mismos
para los dos tipos de unidad de separaciones. Por el contrario, los
caudales internos son diferentes entre un lecho móvil simulado y un
lecho móvil verdadero. Estos caudales están unidos por la
relación:
Q_{k} = F_{k} +
qe
donde Q_{k} es el caudal líquido que atraviesa
la zona k de la unidad de separación de lechos móviles
simulados,
F_{k} es el caudal líquido que atraviesa la
zona k de la unidad de separación de lechos móviles verdaderos.
Si se toma el ejemplo del trazador no adsorbido
que se debe mantener inmóvil, el caudal necesario es nulo para una
unidad de separación de lechos móviles verdaderos, cuando es igual
al caudal de detención que para una unidad de separación de lechos
móviles simulados.
Teniendo en cuenta estas definiciones, se eligen
como variables independientes de control cuatro relaciones
adimensionales o "relaciones" Rk (k=1, 2, 3, ó 4) entre los
caudales líquidos principales en cada una de las zonas y el caudal
de sólido que es constante en toda la unidad de separación:
(4)R_{k} = Q_{k} /
Qs
\newpage
La elección de las cuatro relaciones R_{k} para
el control resulta de la escritura de las ecuaciones de balance
materia del modelo de una unidad de separación de lecho móvil
verdadero en el estado estacionario sobre una porción de columna que
se discretiza. Por ejemplo, se representa a continuación una
discretización realizada con tres puntos (j-1, j,
j+1), teniendo en cuenta circulaciones de fluidos a
contra-corriente.
Indicando x_{i,j} la concentración del
constituyente i en el punto j en la fase líquida y x_{i,j} la
concentración de este mismo constituyente en equilibrio en la fase
sólida en el punto j, (Fig.2), el balance de materia para este
constituyente se escribe:
Q_{k}
(x_{i,j-1} - x_{i,j}) + Qs (y_{i,j+1} - y_{i,j}) +
qe (x_{i,j+1} - X_{i,j}) =
0
O bien dividiendo por Qs:
(5)(Q_{k}/Qs)(x_{i,j-1}-x_{i,
j})+(y_{i,j+1}-y_{i,j})+(qe/Qs)(x_{i,j+1}-X_{i,j}) =
0
Con las definiciones respectivas de Qs y qe,
expresadas por las relaciones (1).
\frac{qe}{Qs} =
\frac{%V_{meso} + %V_{meso} + %V}{%V_{meso}} = K_{0} =
constante
y la ecuación (5) se
escribe
(7)R_{k}
(x_{i,j-1}-x_{i,j}) + (y_{i,j+1} - y_{i,j}) + K_{0}
(x_{i,j+1} - X_{i,j}) =
0
La única variable de control (el parámetro
libremente modificable de la ecuación anterior) es la relación
R_{k} que, teniendo en cuenta su definición, es conocida sobre
cada zona que constituye la unidad de separación. Existen tantas
relaciones como zonas. Estos valores de relaciones pueden ser
traducidos, a la elección del usuario o del operador, en variables
operativas habituales con las relaciones algebraicas inversibles
uniendo los valores de Q_{k}.
En una unidad de separación con 4 zonas, existe
una relación biunívoca entre las 4 relaciones y 4 de las 5 variables
operativas siguientes:
T, Q1, Qdisolvente, Qextracto, Qcarga,
siendo la 5ª variable un parámetro (param) que se
decide fijar. Es más a menudo el caudal de carga Qcarga. De ello
resulta las relaciones siguientes que unen las relaciones a las
variables operativas:
(6)si param = Qcarga
T = %Vmicro * Vcolumna *
(R3-R2)/param
Q1 = param * R1/(R3-R2)
Qdisolvente = param *
(R1-R4)/(R3-R2)
Qextracto =
param*(R1-R2)/(R3-R2)
Este sistema es definido si param<>0 (lo
que es igualmente equivalente a R3 <> R2)
La elección de 4 variables entre 5 permite, por
ejemplo, funcionar:
- o bien con carga constante o variable, pero
impuesta por otro lado por el procedimiento.
- o bien con caudal de disolvente constante,
- con periodo de permutación de las válvulas
constante, etc.
El algoritmo de calculo que permite calcular las
relaciones (tales como las definidas anteriormente) de tal manera
que las variables controladas toman los valores que se fija a
priori, integra un modelo físico no lineal de la unidad de
separación de lecho móvil verdadero. El método de cálculo es
robusto, muy rápido y supone que se dispone en línea de
suficientemente medidas.
Sobre un tramo, es decir, un conjunto de etapas
contiguas que engloban una o varias zonas, donde están definidas n
relaciones, se imponen, por ejemplo, m variables controladas de la
forma dada por la ecuación (1), convenientemente elegidas por el
técnico en la materia, con m inferior o igual a n. Con la ayuda de
ecuaciones algebraicas (6) que definen el modelo estático y de las
medias disponibles de las concentraciones en fase líquida a los
puntos entremos del tramo, estas m variables controladas permiten
calcular m relaciones o m combinaciones de estas relaciones que
comprenden (n-m) parámetros:
La pureza \xip está definida únicamente a
partir del conocimiento de la composición del extracto (Xext):
\xi p =
F(Xext)
Se elige un tramo (Fig. 3) compuesto por una
parte de la zona 1 y por otra parte de la zona 2 en la que, por
consiguiente, se pueden definir dos relaciones. El conocimiento de
la relación R1 (impuesto por otro lado), de las concentraciones de
todos los constituyentes en fase líquida a los puntos extremos Xe y
Xs y de la referencia de la pureza (variable controlada) permite
calcular la relación R2.
En efecto, se puede escribir a partir de la
ecuación (7) y para un constituyente i (el exponente ^{m} indica
un valor realmente medido):
-sobre el estado e+1:
R_{1} (x^{m}_{i, e}-x_{i,
e+1})+(y_{i,e+2}-y_{i, e+1})+ K(x_{i, e+2}-x_{i,
e+1})=0
-sobre el estado j comprendido entre el estado e
y el estado ext de trasiego de extracto:
R_{1} (x_{i,
j-1}-x_{i, j})+(y_{i, j+1}-y_{i, j})+ K(x_{i,
j+1}-x_{i,
j})=0
-sobre el estado ext que corresponde al trasiego
de extracto:
R_{1} (x_{i,
ext-1}-x_{i, ext})+(y_{i, ext+1}-y_{i, ext})+
K(x_{i, ext+1}-x_{i,
ext})=0
-sobre el estado k comprendido entre el trasiego
de extracto ext y el estado s-1:
R_{2} (x_{i,
k-1}-x_{i, k})+(y_{i, k+1}-y_{i, k})+ K(x_{i,
k+1}-x_{i,
k})=0
-sobre el estado s-1:
R_{2} (x_{i,
s-2}-x_{i, s-1})+(y^{m}_{i, s}-y_{i,
s-1})+ K(x^{m}_{i, s}-x_{i,
s-1})=0
Teniendo en cuenta la forma de las ecuaciones
precedentes, existe una solución única si el número de ecuaciones es
igual al número de incógnitas. Las incógnitas son los valores de las
concentraciones de los constituyentes presentes en la fase líquida
sobre cada estado más la relación en zona 2, o bien: nc (s - e + 1)
+ 1, donde nc representa el número de constituyentes.
El número de ecuaciones es igual al número de
estados comprendidos entre e+1 y s+1 multiplicado por el número de
constituyentes, o bien: nc (s - e + 1). Una ecuación complementaria
se da por el valor de la variable controlada deseada o bien:
\xip-F(Xext)=)0
Este sistema de ecuaciones algebraicas no
lineales de dimensión:
[nc (s - e + 1) + 1]
* [nc(s - e + 1) +
1]
se resuelve por un método de aproximación de
Newton. Otras funciones de salida pueden definirse de una manera
análoga como el rendimiento, la productividad, las
resistencias.
Algunas funciones de salida dependen
explícitamente de los valores de caudales impuestos a la unidad de
separación. Por ejemplo, el rendimiento de la unidad de separación
de separación constituyendo l, se define por:
Rendimiento = 100 -
(Qraf*x_{l, raf})/(Qcarga*X_{l,
carga})
Esta función puede expresarse en función de las
relaciones:
Rendimiento = 100 -
(R3-R4* X_{l,raf}) / (R3-R2x_{l,
carga})
Las simulaciones presentadas anteriormente, se
refieren a una unidad de separación de los xilenos de lechos móviles
simulados con 4 zonas (lo que no limita en nada el campo de
aplicación de la invención). Se busca purificar el paraxileno que se
recupera en el extracto. La carga contiene 5 constituyentes a saber
paraxileno, metaxileno, ortoxileno, etilbenceno y parafinas. Las dos
variables controladas principales son la pureza del paraxileno y el
rendimiento en paraxileno de la unidad de separación de separación.
Los valores de las variables controladas dependen de la posición de
la unidad de separación de separación en el conjunto del circuito de
tratamiento de los aromáticos.
Los medios de análisis deben adaptarse a las
funciones de salida para medir en término de precisión y tiempo de
respuesta.
1) La pureza del paraxileno en el extracto
definido por la relación:
donde:\xi1 = Pxe / (Pxe +
IMPe),
- PXe es el valor medio de la concentración del
paraxileno en fase líquida en el punto de trasiego del extracto.
- IMPe es la suma de las concentraciones de otros
constituyentes presentes en la fase líquida al nivel del trasiego
del extracto fuera del disolvente (y eventualmente de las
parafinas).
El valor de \xi1 depende esencialmente del
valor IMPe porque Pxe es prácticamente constante. IMPe depende
principalmente de la relación en la zona 2 (R2).
2) el rendimiento de la unidad de separación en
paraxileno definido por la relación:
\xi_{2} =
\frac{PX_{e}Q_{eluyente}}{PX_{c}Q_{carga} +
PX_{v}Q_{disolvente}}
O bien incluso son equivalentes en régimen
estacionario:
\xi_{2} =
\frac{PX_{c}Q_{carga} + PX_{v}Q_{disolvente} -
PX_{r}Q_{refinado}}{PX_{c}Q_{carga} +
PX_{v}Q_{disolvente}}
donde PXc, PXs y PXr son, respectivamente, los
valores de la concentración del paraxileno en fase líquida en la
carga, el disolvente y el
refinado.
Q_{extracto}, Q_{carga}, Q_{disolvente} y
Q_{refinado} son, respectivamente, los caudales de extracto, de
carga, de disolvente y de refinado.
El valor de \xi depende principalmente del
valor PXr por lo tanto de la relación en zona 3 (R3). Depende
igualmente del caudal de carga, de disolvente y de refinado así como
de la composición en paraxileno de la carga y del disolvente.
Teniendo en cuenta lo que se ha expuesto
anteriormente referente al número de variables de control
disponibles para una unidad de separación que comprende cuatro
zonas, se deben elegir dos variables controladas suplementarias:
3) la resistencia de paraxileno en la fase
líquida hacia atrás (con relación al sentido de la circulación de
los fluidos) de la zona l que se pueden definir por la relación:
\xi3 =
PX4
El punto de medida elegido está situado en 3/4 de
la longitud de la zona 4. El valor de \xi3 depende principalmente
de la relación en la zona 1 (R1);
4) la resistencia del conjunto de los
constituyentes, excepto el paraxileno en la parte anterior (con
relación al sentido de la circulación de los fluidos) de la zona 4
que se pueden definir por la relación:
\xi4=IMP1
donde IMP1 es la suma de las concentraciones de
todos los constituyentes presentes en la fase líquida con la
excepción del paraxileno y del disolvente (y eventualmente de las
parafinas).
El punto de medida elegido está situado en 1/4 de
la longitud de la zona 1. El valor de \xi4 depende principalmente
de la relación en la zona 4 (R4).
El principio del control es utilizar las
ecuaciones del modelo sobre tramos de la unidad de separación. En el
caso elegido, se utilizan los tres tramos siguientes:
- El primer tramo T1 está comprendido entre la
mitad de la zona 4 y la mitad de la zona 1. Permite el cálculo
simultáneo de las relaciones en zona 4 (R4) y en zona 1 (R1). Esto
es posible porque las variables controladas \xi3 y \xi4 están
definidas sobre este tramo.
- El segundo tramo T2 está comprendido entre la
mitad de la zona 1 y la mitad de la zona 2. Este tramo permite el
cálculo de la relación R2 conociendo R1. La variable \xi2 está
situada en el medio de este tramo.
- El tercer tramo T3 está comprendido entre la
mitad de la zona 3 y la mitad de la zona 4. Este tramo permite el
cálculo de la relación R3 conociendo R4. La variable \xi3 está
situada en el medio de este tramo.
Desde un punto de vista práctico, conviene elegir
a continuación las variables operativas que están disponibles
efectivamente sobre la unidad de separación. Se eligen las cuatro
variables siguientes: el caudal de extracto, el caudal de reciclaje,
el caudal de eluyente y el periodo T de permutación de las válvulas
(por consiguiente el caudal de carga está elegido por el operador y
el caudal de refinado se deduce de cada instante por balance de
materia). El acordonamiento del algoritmo sobre la unidad de
separación se presenta en la figura 4 para el ejemplo
considerado.
Una simulación se ha efectuado a partir de un
modelo de conocimiento de la unidad de separación de separación. En
un modelo de este tipo están incluidos conocimientos de tipo
termodinámico y conocimientos de tipo cinético. La termodinámica del
sistema está representada por isotermos de adsorción. En el caso
estudiado aquí, estos isotermos son no lineales y acoplados. Puede
tratarse de un isotermo de Langmuir generalizado en n constituyentes
(selectividad de adsorción constantes) o preferentemente, de un
isotermo con selectividades no constantes tales como selectividades
de dos umbrales unidos por una pendiente, o incluso de un isotermo
de Langmuir-Freunlich generalizado de n
constituyentes. La cinética del sistema está representada por
bandejas teóricas o incluso por un coeficiente de dispersión propio
a cada uno de los n constituyentes.
El número de puntos de medida utilizado es de 8,
repartidos como se indica sobre la figura 5. El modelo de
conocimiento empleado en este caso es un isotermo de
Langmuir-Freunlich asociado a una cascada de platos
teóricos. El número de medidas y su posición dependen del número de
la elección de los tramos que han sido seleccionados como se indica
anteriormente. Bien entendido esta elección no está aquí ilustrativa
y la invención recubre todas las combinaciones de tramos compatibles
con lo(s) objetivo(s) demandado(s).
El resultado presentado es un ejemplo de
regulación. El procedimiento funciona con referencia constante de
pureza (95%) y de rendimiento (95%) cuando la composición de la
carga es sensiblemente cambiada. La modificación de la calidad de la
carga es provocada después de diez minutos de funcionamiento estable
(Fig. 6).
Se substituye por una carga, cuya composición en
volumen es la siguiente:
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
Tol \+ = 0,022\cr Px \+ = 0,290\cr MxOx \+ = 0,598\cr EB \+ =
0,102\cr Par \+ =
0,032\cr}
una carga, cuya composición en volumen es la
siguiente:
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
Tol \+ = 0,024\cr Px \+ = 0,290\cr MxOx \+ = 0,512\cr EB \+ =
0,190\cr Par \+ =
0,032\cr}
El efecto de la perturbación descrito con
relación a la figura 6 se representa en la figura 7 en ausencia del
algoritmo de control. Se traduce por una disminución de la pureza de
1,2% y del rendimiento de 4%. El procedimiento es, por lo tanto, muy
sensible a esta perturbación de la calidad de la carga.
La misma perturbación es aplicada al
procedimiento según la invención (Fig. 8). La estabilización del
procedimiento se efectúa en aproximadamente 180 minutos, o sea 3
horas. La desviación sobre la pureza es despreciable. La desviación
máxima sobre el rendimiento es inferior a 0,45%. Se puede observar
que los cuatro controles evolucionan simultáneamente (Fig. 9 a 12)
de manera significativa.
En presencia de perturbaciones, el funcionamiento
del circuito de separación es difícilmente dominable por un operador
que debe tratar, como se ve, sobre cuatro variables simultáneamente.
Hará en estas condiciones a lo mejor 24 horas y varias operaciones
de estabilización sucesivas a un operador muy experimentado para
esperar reestabilizar el proceso.
La reducción muy importante de los periodos
transitorios de producción fuera de especificación necesarios para
la estabilización, permitido por el empleo del procedimiento según
la invención, se traduce industrialmente por un aumento correlativo
de la productividad.
El algoritmo puede utilizarse también en
asociación con un modelo numérico de simulación del procedimiento
para posicionar el conjunto de las variables operativas.
Se trata aquí de optimizar el funcionamiento del
modelo de unidad de separación en varios casos de figura:
dimensionado de unidad de separación, comienzo de unidad de
separación, optimización final cerca de una solución ya correcta,
utilización de una unidad de separación preexistente con un problema
de separación diferente etc. Naturalmente esta utilización se
concibe solo con un modelo próximo a la realidad física tal como se
describe en el párrafo precedente. Bien entendido, en este caso, el
valor de ajuste no produce exactamente los rendimientos esperados,
pueden ser entonces inferiores o bien superiores a aquellos deseados
siguiendo la precisión del modelo simulado. El acordonamiento del
algoritmo permitirá entonces alcanzar precisamente las
especificaciones a partir de estos valores aproximados.
De acuerdo con un segundo modo de realización, la
determinación, a partir de valores corrientes de variables medidas,
de las relaciones (Rk), puede realizarse igualmente utilizando
modelos lineales mono-variables (representativos del
comportamiento de una salida frente a variaciones de una entrada) o
multivariables (representativos del comportamiento de varias salidas
frente a varias entradas). La determinación de estos modelos
"simples" se efectúa a partir de un juego de medidas
experimentales obtenidas sobre el procedimiento que funciona en un
estado próximo de su estado estable previsto.
Estos modelos son sólo representativos desde un
punto de funcionamiento estable del proceso de separación.
A partir de estos modelos se puede sintetizar
fácilmente una ley de control lineal clásico (del tipo control de
modelo interno, control predictivo etc.). La simplicidad de los
modelos permite calcular fácilmente leyes de control simples y
robustas que compensan de una cierta manera la imprecisión de la
representación elegida. Los ensayos de resultado de la ley de
control así calculada son, en simulación, equivalentes a aquellos
obtenidos con la ley de control calculada a partir del modelo físico
no lineal del proceso descrito en la primera parte.
\newpage
La utilización de los modos de control tanto no
lineales como lineales, descritos anteriormente en el marco de una
unidad de separación de 4 zonas, puede extenderse rigurosamente a
los casos de unidad de separación, que comprenden un número de zonas
superior al hecho del añadido de uno o varios puntos de inyecciones
de fluido. En este caso, el cálculo de las relaciones R1, R2, R3 y
R4 permanece el mismo, si se considera que el o los caudales de
inyección suplementarios son impuestos por el operador (directa o
indirectamente como una proporción del caudal de carga o de extracto
por ejemplo). El valor de la o de las relaciones dependen de la o de
las nuevas inyecciones, resulta simplemente del valor de la relación
adyacente conocido y del valor del caudal de inyección
considerado.
La utilización de los modos de control tanto no
lineales como lineales, descritos anteriormente en el marco de una
unida de separación con 4 zonas, puede extenderse rigurosamente en
los casos de unidad de separación comprendiendo un número de zonas
superior debido al hecho del añadido de uno o varios puntos de
trasiego de fluido. En este caso, se generaliza el cálculo de las
relaciones R2 o R3 a las relaciones suplementarias generadas por los
nuevos trasiegos. Es necesario por lo tanto definir una función de
salida sobre cada fluido trasegado en función de la especificación
deseada (por ejemplo una especificación de pureza o de rendimiento).
En este caso, cada valor de caudal de trasiego añadido hace que una
nueva variable sea operativa independiente para el proceso de
separación.
Si no se desea ninguna especificación sobre el
trasiego suplementario, entonces el valor del caudal es impuesto por
el operador y se encuentra de nuevo en el caso precedente.
La utilización de los modos de control no lineal
y lineal, descritos anteriormente en el marco de una unidad de
separación de 4 zonas, puede extenderse igualmente de forma rigurosa
a los casos de unidad de separaciones de separación que comprende un
número de zonas superior debido al hecho del añadido combinado de
uno o varios puntos de inyección de fluido y de uno o de varios
puntos de trasiego de fluido. Basta tomar de nuevo, globalizándolos,
los razonamientos descritos en los dos párrafos precedentes.
Cualquiera que sea el modo de control utilizado,
ya sea lineal o no lineal, se puede remplazar una de las variables
controladas citadas, es decir, pureza de un componente, rendimiento
de la unidad de separación para un cierto constituyente (el mismo
que para la pureza u otro) o valor de las resistencias en zona 1 y
en zona 4, por una nueva variable que puede ser controlada que es el
valor de la relación entre las composiciones de un fluido trasegado.
Por ejemplo, en el extracto se puede elegir controlar a la vez la
pureza del paraxileno (principalmente con R2) pero también controlar
la variable definida por la relación entre la concentración en
etilbenceno y la suma de las concentraciones en metaxileno y
ortoxileno. Esta última variable será influenciada principalmente
por la relación R4.
Los modos de control lineal y no lineal, tales
como los definidos anteriormente, pueden ser acoplados con un
algoritmo de optimización que propone un conjunto de consignas a las
variables controladas descritas en el párrafo precedente que
permiten así garantizar un funcionamiento óptimo al sentido de la
minimización de una función definida por las tensiones
operativas.
Claims (15)
1. Procedimiento para controlar un sistema de
separación de constituyentes de lechos móviles simulados, que
comprende un circuito cerrado constituido por la interconexión en
serie de lechos que contienen materia sólida adsorbente, repartidos
en varias zonas delimitadas por puntos de inyección y puntos de
extracción de fluidos, medios de inyección de fluidos en el
circuito, medios de extracción de fluidos fuera del circuito, medios
de permutación de los puntos de inyección y de los puntos de
extracción, que permiten simular el desplazamiento de los lechos a
contra-corriente, y medios de medida de variables
operativas, caracterizado porque comprende:
- la medición, en una pluralidad de puntos a lo
largo del circuito, de variables características de los fluidos
inyectados y trasegados y de variables características del
funcionamiento del procedimiento;
- la determinación, a partir de valores
corrientes de variables medidas y utilizando un modelo de la unidad
de separación, relaciones (Rk) indicativas respectivamente de la
relación en cada una de las diferentes zonas, entre los caudales de
fluidos (Qk) y los caudales simulados de materia adsorbente (Qs),
para introducir o llevar de nuevo las variables controladas (\xi)
hasta valores de referencia determinados; y
- la determinación a partir de estas relaciones
(Rk), de los valores a dar a las variables operativas.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se determinan los valores a dar a las
variables operativas utilizando un modelo no lineal del sistema de
separación.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se determinan los valores a dar a las
denominadas variables operativas utilizando una modelación lineal,
en la proximidad de un punto de funcionamiento dado.
4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 3,
caracterizado porque comprende, sobre un tramo del circuito
de separación que comprende un conjunto de etapas contiguas que
engloban n relaciones, donde están definidas n relaciones (Rk), la
definición de m variables controladas (\xi), funciones de valores
de caudales (D) y de concentraciones (X), con m inferior o igual a
n, y la determinación de m de dichas relaciones (Rk), o de m
combinaciones de dichas relaciones que comprenden
(n-m) parámetros.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque comprende, sobre
un tramo del circuito de separación que comprende un conjunto de
etapas contiguas que engloban n zonas, donde están definidas n
relaciones (Rk), la definición de m variables controladas (\xi),
funciones de valores de caudales (D) y de concentraciones (X), con m
inferior o igual a n, siendo efectuadas las mediciones de las
concentraciones en fase líquida en los puntos extremos del tramo, y
la determinación de m de las denominadas relaciones (Rk), o de m
combinaciones de dichas relaciones que comprenden
(n-m) parámetros.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
variables operativas son caudales y el periodo (T) de conmutación de
las válvulas permite simular el desplazamiento de los lechos.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
circuito de separación comprende cuatro zonas principales, y se
controla simultáneamente variables controladas (\xi) tales que el
rendimiento del circuito y la pureza de al menos un constituyente de
la mezcla a partir de mediciones en líneas de diferentes
concentraciones.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende
la medición de concentraciones por un análisis en línea de tipo
Raman o cromatográfico o en el infra-rojo próximo
(PIR).
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, en el
caso de un sistema de separación de cuatro zonas, se eligen como
variables controladas, al menos una de las cuatro variables
siguientes: pureza de un primer constituyente en un fluido extraído
del circuito de separación, rendimiento del sistema de separación
para un constituyente, resistencia de dicho primer constituyente
detrás de una primera de las cuatro zonas, relativamente en el
sentido de la circulación de los fluidos, o resistencia del conjunto
de los constituyentes distintos del primer constituyente delante de
una última de dichas cuatro zonas, relativamente en el sentido de la
circulación de los fluidos.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para la
simulación del sistema de separación, se utiliza un modelo de
conocimiento basado sobre isotermos acoplados y no lineales tales
como valores de selectividades en dos umbrales o isotermos de
Langmuir-Freundlich generalizados.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque,
conociendo los valores de relaciones (Rk) en un sistema de control
que comprende un cierto número p de zonas, se determinan los valores
correspondientes de relaciones suplementarias debidas a la
introducción en el circuito de separación de al menos un punto de
inyección suplementario en función del valor conocido de la relación
en una sección adyacente y valor del caudal de inyección
considerado.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque,
conociendo los valores de relaciones (Rk) en un sistema de control
que comprende un cierto número p de zonas, se determinan los valores
correspondientes de relaciones suplementarias debidas a la
introducción en el circuito de separación de al menos un punto de
trasiego suplementario en función del valor conocido de la relación
en una sección adyacente y del valor del caudal de inyección
considerado.
13. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque se elige, como variable controlada, el
valor de una relación entre las concentraciones de constituyentes de
un fluido trasegado.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se utiliza
un algoritmo de optimización que permite asegurar el seguimiento de
valores de referencia fijados para variables controladas.
15. Aplicación del procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, en la separación de hidrocarburos
aromáticos de ocho átomos de carbono.
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