JP4113121B2 - 複数の物質を含有する混合物の分離処理の制御法 - Google Patents

Description

本発明は、公知の組成の複数の物質の混合物を蒸留塔中で分離する処理を制御するための方法に関する。殊に、本発明は極めて接近した沸点を有する複数の物質の混合物、例えば異性体混合物の分離に関し、前記混合物を、生成物が高純度となるようにそれらの異性体成分へと分離する。

トルエンのニトロ化における反応工程により、オルト−、メタ−及びパラ−ニトロトルエン及びジニトロトルエン異性体と他の成分とから成る異性体混合物がもたらされる。技術的課題は、ｏ−、ｍ−及びｐ−ニトロトルエン異性体をこの混合物から除去すること、及びこれらを少なくとも９９．７０％の高純度で取得することである。これは直列接続された一連の蒸留塔中で行われ、この場合これらの蒸留塔のうち幾つかは循環流を介して相互に接続されている。取得すべきニトロトルエン異性体の沸点差が小さいため、結果的に、分離のためには多くの段数と高い還流比とを有する蒸留塔が必要である。殊に、沸点差がわずか約３Ｋであるｍ−ニトロトルエンとｐ−ニトロトルエンとの分離には多くの段数が必要とされる。この理由から、これらの異性体を、装置に関して、全体で１つの蒸発器と１つの凝縮器とを有する２つの隣接した塔区画に分割された塔へ分離する。感温性が低いため、第二の塔区画の底部で得られるｐ−ニトロトルエンの濃度を制御するための補助的な制御パラメータとして塔温度を使用することができる。

塔温度を、ｐ−ニトロトルエンの生成物規格を維持するための補助的な制御パラメータとして使用することができないため、オンライン近赤外線分光法機器を使用することにより処理を制御することができる。しかしながら、例えば液相出口又は塔において最終生成物の分析のためにこれを使用することには、２つの明白な欠点が存在することが判明した。その欠点とは以下の通りである：
最終生成物（ｐ−ニトロトルエン）の濃度を測定する際、ｐ−ニトロトルエンが高濃度であるため、ＮＩＲ分析によって、所望の精度を有しない測定値がもたらされる。

仮に、分析によって、処理制御のために必要とされる精度を達成することができたとしても、最終生成物流中に測定機器を設置することは実現不可能であり、それというのも、濃度のずれの把握が遅すぎるために、これに対する制御が遅すぎるからである。

生成物の特性により、処理の始動操作の際に、最終生成物流中の相当の汚染及び変色が見込まれ得る。これにより、処理を制御するための分析法として分光法を用いることは排除される。

液相生成物の濃度変化の際、生成物流中で最も敏感であるのは２つの塔区画の間であることが独自の試験により示された。前記の生成物流中において、濃度変化は、液相生成物中に生じる濃度変化の１０倍の大きさである。更に、塔の間の生成物流中には、最終生成物よりも低いｐ−ニトロトルエン濃度が存在する。従ってこの生成物流中において、分析機器を用いることによってより高い精度が達成される。精度の高さは最終生成物中で測定した場合の約２倍である。

本発明の基礎をなす思想は、２つの塔の間の生成物流中において分析機器を適用することである。分析機器を制御回路に組み込んだ場合、これによって２つの塔区画の間の生成物流中で濃度を一定に維持することができる。しかしながらこれは、第二の塔区画の底部で排出された最終生成物の濃度もが一定に維持されることを保証するものではない。その理由は、機器が設置される箇所と塔底部との間に存在する第二の塔区画の分離性能が、制御干渉及び中断作用の結果として一定の変化にさらされるという点にある。

本発明によれば、本発明の対象は、上記の配置でのオンライン分析機器とオンライン処理モデルとを結合することにより達成される。

本発明は、下方塔区画と上方塔区画とを有する蒸留塔を、液相濃度を制御しながら処理制御し、その際、有利に互いに極めて接近した沸点を有する複数の成分Ａ、Ｂを分離し、下方塔区画の底部で得られた成分を高純度で得る方法において、
ａ）成分Ａ、Ｂの濃度を、塔の底部領域又は頂部領域の外側の塔内の箇所で、殊に塔全体の長さの最上部１０分の１と最下部１０分の１との間の中間領域内に配置された箇所で、分析機器、殊に近赤外線分光計を用いてオンラインで測定し、
ｂ）ａ）で測定された、成分Ａ又はＢの少なくとも１つの濃度を、処理制御系のコンピュータユニットにおいてオンライン処理モデルに取り込んで用い、この処理モデルにおいて、処理制御系と制御技術とにより決定される間隔時間内に、測定値と、殊に供給流、加熱媒体供給流、殊に蒸気供給流及び還流の温度、圧力及び質量流量から選択された、塔中で直接測定された他のパラメータとを用いて液相濃度Ｘ_ＡＬＰを算出し、
ｃ）制御の目的のためにモデルにより算出された液相濃度Ｘ_ＡＬＰを、液相濃度制御パラメータの実際値として処理することにより、処理モデルを用いて算出された液相濃度Ｘ_ＡＬＰを制御のために使用し、
ｄ）処理モデルの所定のパラメータは、物理的解釈が可能なパラメータ、殊に、構造化された充填体及びランダム充填体の理論段数及び／又は段効率の程度であり、これらを延長された時間、殊に数時間、場合により数日以内に、最終生成物の分析、及び処理モデルへの分析データの導入をベースとして、それぞれの塔条件、例えばファウリングの程度に適合させる
ことを特徴とする、蒸留塔の処理制御法を提供する。

有利な変法において、少なくとも２つの副塔に分割された塔内で該方法を実施することもでき、濃度の測定ａ）を副塔の間の領域内で行う。

供給流及び還流の温度及び質量流量、並びに熱エネルギー、殊に蒸気量の代わりに、２つの副塔の間の質量流量及びそれらの温度をも処理モデルにおいて使用することを特徴とする、副塔を用いた方法の変形は有利である。

該方法において、分析機器を塔全体の長さの上方５分の１と下方５分の１との間の領域内に配置することは有利である。

又、処理モデル中において、２つの副塔の間の液体流の測定値を熱エネルギーと一緒に使用することができる。

ＮＩＲ分光計の代わりに、別の分析機器、例えばガスクロマトグラフ、ＵＶ−ＶＩＳ分光計、液体クロマトグラフを使用することもできる。

有利に、最高で２０Ｋ、殊に最高で１０Ｋ離れた沸点を有する混合物を分離するために該方法を使用する。

所定の感温性で、有利に温度及び圧力の測定により濃度を決定する。

該方法の別の変形において、塔頂生成物の濃度制御のために、オンライン分析と処理モデルとの組合せを使用することもできる。

該処理を殊にニトロトルエンの異性体分離のために使用し、有利に以下の通りに実施する。

分析機器により、２つの塔区画の間の生成物流中の１成分（例えばｐ−ニトロトルエン）の濃度を測定し、これを処理モデルへ送る。このデータに基づき、モデルにおいて、塔で直接測定されたパラメータ、例えば質量流量、蒸気供給流量及び温度を用いて液相生成物中のｐ−ニトロトルエンの濃度を算出する。モデルにより決定された値を、制御パラメータの実際値として処理する。目標値と実際値とのずれは、処理制御系の調節器、殊にＰＩＤ制御装置構成要素への入力パラメータである。目標値と実際値とがずれている場合、調節器により制御パラメータ、例えば蒸気供給流を変化させる。

液相濃度に関してオンライン処理モデルにより算出した値は、予測指標の値である。例えば供給流中の質量流量又は濃度の変化により生じる摂動を、これらが液相に到達する前に、２つの塔の間の機器の接続箇所において記録する。ここで測定した濃度値を用い、かつ現在の分離性能を用いることにより、結果として、液相生成物に関する新たな濃度値をモデルにより算出する。この値は、干渉がなされなかったと仮定した場合に約２０〜３０分後の液相生成物中で達成されたであろう濃度である。モデルと調節器とを直接結合させた結果として、濃度の摂動が液相に達する前に、調節器により蒸気供給流量を変化させる。モデルを介した蒸気量の変化の調節器への逆結合(back coupling)は、これが第二の塔区画の変化された分離性能を伴って塔区画の間の生成物流中の濃度変化を補正する限りにおいてのみ蒸気量を変化させる。従ってこの概念は同時に、制御パラメータの固有の制限を促進する。摂動を早期に知覚し、適時に厳密な制御干渉を行うことにより、処理制御の方法は厳密かつ頑強なものとなる。図１ａ及び１ｂから、供給流量及び供給流温度、及び還流量、還流温度及び塔頂温度の測定値は処理モデルに寄与し、従って供給流の前進戦略を促進することが分かる。

液相濃度を算出するために、処理モデルにおいて液体／蒸気割合と第二の塔区画の理論段数とを使用し、この場合この理論段数は塔内部構造物、例えば段又は構造化された充填体に依存する。理論段数は例えばファウリングにより変化し得るため、処理モデルの開始信号を所定の時間間隔で、例えば２４時間毎に分析データを用いて確認しなければならない。モデルと分析値との間にずれがある場合、モデルパラメータは自動的に変更される。この場合、適合させるべきモデルパラメータは理論段数である。これは物理的解釈が可能なパラメータである。このパラメータの値及び変化は塔内部構造物の条件を示し、例えばメンテナンス間隔を決定するためのデータとして使用することができる。

処理モデルの数値解析により、これを閉ループ制御回路へ組み込むことが可能となる。制御目的のために必要とされる０．５秒までの間隔時間内に、モデルは新たな濃度値を算出する。処理モデルの利点は、そのアルゴリズムが頑強であり、例えばＵＳ−Ａ−５，２６０，８６５のような反復法を含まないことである。供給流中で測定された濃度をベースとした前記刊行物記載の方法とは異なり、本処理モデルは、感度が最高である塔内の箇所における濃度測定値から出発している。

補助制御パラメータ、例えば温度の目標値を調整する別の処理制御概念と比較して、本処理制御は、制御装置が最終生成物中の所望の濃度を制御パラメータの目標値として明確に規定するという利点を有する。

本発明を以下で図１ａ及び１ｂを用いて例示的に詳説するが、しかしながらこれは本発明の制限を構成するものではない。

図１ａは２つの副塔を有する蒸留塔の処理の概略図を示す。

図１ｂは１つの塔を有する蒸留塔の処理の概略図を示す。

図１ａは異性体分離のための処理の概略図を示す。異性体Ａ（ｐ−ニトロトルエン）を７０％の割合で有する混合物を、異性体Ａを３０％の割合で有する塔頂生成物と、異性体Ａを９９．７０％の割合で有する液相生成物とに分離する。

混合物（ｐ−ニトロトルエン Ａ、ｍ−ニトロトルエン Ｂ）を供給導管１５を介して、２部蒸留塔９、１０の上方塔区画１０へ供給し、入口を塔区画１０の下方３分の１に配置する。センサ１で温度を記録し、センサ２でＡ、Ｂ混合物の供給流量を記録する。

温度センサ２４を有する塔１０の頂部３０において、Ａ、Ｂの低沸騰留分を導管２１を介して凝縮器１６で凝縮し、導管１３を介して部分的に排出させる。その他の部分を還流２２として、流量制御装置１２と温度測定機器１１とを有するバルブを介して、頂部区画３０へと再循環させる。

上方塔区画１０と下方塔区画９との間で、結合導管の領域内に、近赤外線分光計３を備えた測定箇所２９を配置する。

下方塔区画９の底部２３に底部排出導管１４を設置し、ここから液相生成物の一部を蒸発器１７及び導管２０を介して塔区画９へと再循環させる。制御バルブ１９を介して蒸気導管１８から蒸発器１７へと蒸気を装入する。

センサ１、２、２４、１１、１２、１８及び分析機器３の測定値をコンピュータ６に入力する。

排出箇所５において、液相生成物のサンプルを所定の時間間隔で（例えば１日１回）その組成に関して分析し、液相濃度の算出値と比較する（コンピュータ６を含む、処理制御系２８の比較装置８）。

ここでＡ、Ｂの２成分系のために使用されるオンライン処理モデル６は熱力学的及び流体力学の定常状態の法則から導き出されたものであり、一方で、予測される動作範囲内での処理制御に必要とされる精度で処理挙動を再現し、他方で、単純化された数値解析により処理制御系２８において進行し、これにより、予め定義された間隔時間内で制御に必要とされる結果がもたらされ得るように単純化されたものである。

オンライン処理モデルの結果は予測指標である。例えば摂動、例えば供給流中の低沸点物質濃度が上昇した場合、モデルは、ストリッピング区画９中での約２０分の遅延時間を伴う、液相生成物中でのその予想される上昇を再現する。

に従い、測定箇所２９で分析機器３を用いて測定したＡの濃度から成分Ａの液相濃度をモデルにより算出する。

底部を去る生成物流中の成分Ａの濃度は液相濃度Ｘ_{Ａ，ＬＰ．}に相当する。これは、測定箇所２９でオンライン分析機器を用いて測定した成分Ａの濃度Ｘ_{Ａ，オンライン分析}と、この測定箇所と塔底部２３との間の分離性能とから得られる。分離性能を算出するためには、特に、液体対蒸気の割合ａか、又は測定箇所２９と塔底部２３との間の理論段数ｎをモデルにおいて使用することができる。

この目的のために、以下の等式２〜６も使用する：

液体対蒸気の割合ａは、温度１と２７とから決定される温度差と組み合せた供給流２の量、温度１１と２４とから決定される温度差と組み合わせた供給流１２の量、及び蒸気１８の量から算出することができる。

段数ｎは、質量移動を決定する流体力学と、構造化された充填体及び液体分配器の条件とに依存する。段数を、実験室分析により等式７：

を用いて調節することができる。

液相濃度に相当する生成物流１４中の濃度を決定するために、サンプル５を比較的長い時間間隔で採取する。濃度を、プロセスモデルから算出された濃度２５と比較する８。測定濃度と算出濃度との間にずれがある場合、プロセスモデルの段数を調整する（モデル調整部４）。

モデルは、測定箇所において増加した低沸点分（低沸点物質とはここでは成分Ｂである）を、摂動の前に液相濃度を維持するのに十分な現在の分離性能と関連づけるため、まだ存在しておらず、平衡状態で、即ち約２０分後に初めて達成されるであろうより多くの低沸点分を液相濃度において算出する。モデルにより算出された値２５を制御パラメータの実際値として制御装置に入力する。測定箇所２９において増加した低沸点分が、減少した液体対蒸気の割合と共に、液相濃度の目標値２６をもたらすまで、制御装置７は蒸気１８の量を迅速に増加させる。蒸気１８の量の変化は、時間的な遅延なしにモデルを介して制御装置７にリレーされるため、頑強な制御が得られる。これは、摂動が底部２３に到達する前に制御装置７が干渉し、早期の干渉の結果として、制御パラメータを厳密に変化１９させることができるという事実により支持される。

測定箇所２９において低沸点分が減少した場合、蒸気量は、減少した低沸点分が、増加する液体対蒸気の割合と共に、液相濃度の目標値をもたらすまで低減される。モデルを介して制御装置７まで蒸気１８の量を直接再循環させることにより、測定箇所２９において減少した低沸点分と適合し得る程度で蒸気１８の量が低減されるに過ぎない。これは固有制御パラメータ制限とみなすことができる。実験により、該系は複数の干渉においても頑強な挙動を示し、これにより転移相における目標値からの実際値のずれがごくわずかとなることが示された。

等式中で用いられた記号の一覧を以下に示す：

２つの副塔を有する蒸留塔の処理の概略図。 １つの塔を有する蒸留塔の処理の概略図。

符号の説明

１ 温度センサ
２ 供給流量センサ
３ 近赤外線分光計
４ モデル調整部
５ 排出箇所
６ コンピュータユニット
７ 制御装置
８ 比較装置
９ 蒸留塔
１０ 蒸留塔
１１ 温度測定機器
１２ 流量制御装置
１３ 導管
１４ 底部排出導管
１５ 供給導管
１６ 凝縮器
１７ 制御装置
１８ センサ
１９ 制御バルブ
２０ 導管
２１ 導管
２２ 還流
２３ 底部
２４ 温度センサ
２５ モデル算出値
２６ 目標値
２７ 温度センサ
２８ 処理制御系
２９ 測定箇所
３０ 頂部区画

Claims (8)

1. 下方塔区画（９）と上方塔区画（１０）とを有する蒸留塔を、液相濃度を制御しながら処理制御し、その際、複数の成分Ａ、Ｂを分離し、下方塔区画（９）の底部（２３）で得られた成分を高純度で得る方法において、
   ａ）成分Ａ、Ｂの濃度を、塔全体（９、１０）の長さの最上部１０分の１と最下部１０分の１との間の中間領域内に配置された箇所（２９）で、分析機器（３）によってオンラインで測定し、
   ｂ）ａ）で測定された、成分Ａ又はＢの少なくとも１つの濃度を、処理制御系（２８）のコンピュータユニット（６）においてオンライン処理モデルに取り込んで用い、この処理モデルにおいて、処理制御系（２８）と制御技術とにより決定される間隔時間内に、測定値と、供給流（１５）、還流（２２）、加熱媒体又は蒸気供給流（１８）の温度、圧力、質量流量から選択された、塔（９、１０）中で直接測定された他のパラメータとを用いて液相濃度Ｘ_ＡＬＰを算出し、
   ｃ）制御の目的のためにモデルにより算出された液相濃度Ｘ_ＡＬＰを、液相濃度制御パラメータの実際値として処理することにより、処理モデルを用いて算出された液相濃度Ｘ_ＡＬＰを制御のために使用し、
   ｄ）構造化された充填体及びランダム充填体の理論段数及び／又は段効率の程度を、所定の時間間隔で、最終生成物の分析、及び処理モデルへの分析データの導入をベースとして、それぞれの塔条件、例えばファウリングの程度に適合させる
   ことを特徴とする、蒸留塔の処理制御法。
2. 塔を少なくとも２つの副塔（９）及び（１０）に分割し、濃度の測定ａ）を副塔（９）と（１０）との間で行う、請求項１記載の方法。
3. 請求項１のｂ）で使用する他のパラメータが、更に請求項１のａ）で定義された測定箇所で測定された質量流量及び前記の質量流量の温度を含む、請求項１記載の方法。
4. 分析機器を塔全体（９、１０）の長さの上方５分の１と下方５分の１との間に配置する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 使用する分析機器がＮＩＲ分光計、ＵＶ−ＶＩＳ分光計、液体クロマトグラフ又はガスクロマトグラフである、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 処理モデルのために使用する他のパラメータが、塔頂部（２４）における温度及び塔（１０）の供給領域（２７）における温度である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 分離されるＡ、Ｂ混合物が最高で２０Ｋ離れた沸点を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. オンライン分析と処理モデルとの組合せを、塔頂生成物の濃度制御のために使用してもよい、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

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