JP4195121B2 - シミュレートされた移動床分離系における混合物の構成成分の分離の過程を精密に制御する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシミュレートされた移動床分離系において或る混合物の構成成分の分離の過程を個別の濃度と流量との測定から精密に制御する方法に関する。この方法は中でも芳香族炭化水素類を分離するのに適用される。
【０００２】
【従来の技術】
工業においては流体混合物の中のいくつかの成分のうち少なくとも１つの成分の選択的な吸着に基づく多くの連続的分離法、中でも、シミュレートされた向流クロマトグラフィー法として知られている方法が存在し、ここでは、液体状、ガス状、又は超臨界状態の混合物の存在のもとでその混合物の種々の構成成分を多少とも良好に保持する或る種の多孔質固体物質の性質が利用される。
【０００３】
クロマトグラフィーに基づく分離又はフラクショネーションの方法は非常に多くの場合に、直列に相互連結されて或る閉じたループを形成している１組のカラム又はカラム区間を含む装置の中で実現される。分離されるべき混合物及び溶媒又は吸着剤のそれぞれの注入点及び各異なった帯域を画定する抽出物とラフィネートとのいくつかの流体抜出し点がこのループに沿って分布している。同じ液体がその同じ帯域の全てのカラム又はカラム部分を通過する。
【０００４】
これら装置は最もしばしば、４つの主帯域よりなる。しかしながら若干のものは３つの帯域しか有しない（この場合にはラフィネート抜出し点と溶媒注入点との間に含まれる帯域が省略される）。５つの帯域を有する装置も存在し、ここではその溶媒から分離された抽出物の１部が抽出物抜出し点と、供給材料注入点との間で再注入される。他のものは５ないし７帯域を含むことができ、その際いくつかの第２流体が、いくつかの流体を継続的に運んでいる各ラインをフラッシングして汚染を防ぐことを許容する。
【０００５】
定められた粒度の多孔質固体物質が固定相を形成する。分離されるべき混合物はそのカラムに供給され、次いでキャリヤー流体又は脱着剤によって吸着置換され、そしてそれらの種々の構成成分はそれらがその固定相によってどれだけ強く保留されるかどうかに従って次々に流出する。
【０００６】
実際の向流法（図１）においては固定的で一定的な濃度勾配が分離カラム１の中に発現され、その際供給材料Ａ＋Ｂの注入点、溶離剤Ｓの注入点及び抽出物ＥＡの抜出し点並びにラフィネートＲＢの抜出し点の位置は固定的に留まる。固体吸着剤３と液体２とは向流で流れる。そのカラムの（帯域Ｉと帯域ＩＶとの接合点において）その液体の中及びその固体の中に存在するただ１つの化学種がともに溶離用キヤリヤー流体であるような位置に配置されている固体担持系と再循環ポンプＰとがそれぞれ、その固体を底部から頂部へ、そして逆にその液体を頂部から底部にそれぞれ移動させることを許容する。
【０００７】
シミュレートされた移動床法として知られている方法は、アトリッションを生ずることなくかつ固定床に比してその床の空孔率を著しく高めることなく正しく循環させるという、実際の各種移動床方法に固有の主要な困難性を除くことを許容する。これの吸着置換をシミュレートするためにその固体は、直列に配置された或るｎ個の固定床（一般に４≦ｎ≦２４）の中に入れられており、そしてその濃度プロフィルは或る閉じたループ全体をめぐって実質的に均一な速度で移動される。
【０００８】
実際においてはそれら注入点と抜出し点との連続的な移動はロータリ弁によるか、又はより簡単には１組の正しく制御されるオンオフ弁によって行なわれる。或る与えられた方向への流入流出する種々の流れの、各周期で行なわれるこの循環的な移動は、反対の方向へのその固体吸着剤の吸着置換をシミュレートするような大きさになる。
【０００９】
向流又は並流の、シミュレートされたいくつかの移動床クロマトグラフィー法が、例えば、米国特許第２，９８５，５８９号明細書（ＵＳ−２，９８５，５８９）又は米国特許第４，４０２，８３２号明細書（ＵＳ−４，４０２，８３２）に記述されている。
【００１０】
少なくとも１つの溶離剤の存在のもとで、少なくとも２つの成分を含む供給材料を少なくとも２つのフラクションに分離するための系は一般に、直列に取り付けられて或る加圧された液体の、超臨界の、又はガス状の混合物が循環している閉じたループのｎ個の（一般に４≦ｎ≦２４）のクロマトグラフィーカラム又はカラム区間を含み、このループは少なくとも１つの供給材料注入流、少なくとも１つの溶離剤注入流、少なくとも１つの抽出液抜出し流及び少なくとも１つのラフィネート抜出し流を含み、そしてその求められるべき成分は主としてその抽出液の中か、又はラフィネートの中かに存在している。
【００１１】
その主流入流量はその供給材料流量及び溶離液流量である。排出流量は抽出液流量である。そのラフィネートは圧力制御のもとに抜出される。このラフィネート流量は流入流量から抽出液流量を差し引いた値に等しい。これらの制御される各流量に加えて、制御される再循環流量が存在し、その値も或る与えられた時点におけるポンプの位置に依存する。それら床をめぐって流れる４つの流れのそれぞれの相対的位置は、その実施されるべき分離の型に依存して或る静止的な挙動が得られるように計算され、また従って図１に示した方法の場合には４つの別個の帯域を定義する。
【００１２】
米国特許第５，４５７，２６０号明細書（ＵＳ−５，４５７，２６０）及び米国特許第５，４７０，４８２号明細書（ＵＳ−５，４７０，４８２）はループ状に互いに連結された２つの多重床カラムを含む、いくつかの成分の混合物を分離するためのシミュレートされた移動床系を制御する方法を記述しており、その際或る１つの成分の純度又はその収率或いは両者の組み合わせのような、少なくとも１つの特性値が制御される。この方法は、互いに連結されたそれらカラムの回路の中を流れているその混合物の種々の成分の濃度を、中でも近赤外線分光光度法により測定すること、および多変数回帰型又はニューラルネットワーク型の、実際の特性値と設定値との間の差が或る閾値まで減少する傾向のある繰り返し調節アルゴリズムを用いることを含む。用いるそのアルゴリズムは「ブラックボックス」型のそれであり、この型の方式に結びついている欠点は、結果が多くの試験の後でのみ得られるために著しい実施時間を必要として、これが実施されるそれら試験の分野においてしか利用できず、そして、これは一般に非線形のモデル化のそれのように非常に低い精度でしか得られないと言うことである。
【００１３】
以下、本文において用いる用語の意味を明確にする。
・制御される変数：前もって特定化された設定値に常に近接していなければならず、そしてそのプロセスの円滑な進行を示す変数。これは、例えば或る抽出液の各成分の純度、或る与えられた成分についてのその分離装置の収率等であることができる。
・操作用変数：操作員により変えることのできる、例えば各床の吸着置換をシミュレートすることを許容する、流量や弁切り換え周期等のような変数。
・制御変数：或る単一帯域に主に作用する、例えば或る帯域の中に含まれた濃度プロフィルの部分についての変数。これらの制御変数は制御アルゴリズムにより決定され、そして操作用変数に翻訳される。
【００１４】
或る分離用ループの運転を制御することを目的とする進歩した方法の目標は、或る制御法則（時間の経過におけるそれら操作用変数の全ての値）を下記のために計算すること、すなわち、
・操作をコントロールするために、すなわち、任意に選ばれた１つ以上のコントロールされる変数の２つの異なった値の間の移行を可能にする制御法則を計算すること、及び
・操作を制御するために、すなわち、そのプロセスに作用する全ての外的な阻害について任意に選ばれたそれら制御される変数が疑似的な一定値を保つようにできるだけ多く（先行的に、又は少なくとも漸近的に）補償することのできる制御法則を計算することである。
【００１５】
シミュレートされた移動床装置の場合には制御はその吸着剤の熱力学的および幾何学的な種々のパラメータの経時的な種々の阻害を補償することもできる（もちろんその吸着剤の諸性質の劣化を限定するために）。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
これらの課題は、或る流れている流体の混合物の各成分を分離する過程を自動的に制御しようとする本発明に従う方法により達成され、これは前述した種々の欠点を克服することを許容する。これは「ブラックボックス」型の技術に基づくものではなく、その分離過程の非線形的なモデル化によって許容されるより制御される方法に基づくものである。
【００１７】
本発明に係る方法は、流体の注入点と抜出し点とによって画定されるいくつかの帯域に分配されている、固体吸着剤の含まれたいくつかの床を直列的に相互連結することよりなる閉じたループと、各流体をこのループの中へ注入するための手段と、各流体をこのループから抜出すための手段と、各床の向流的吸着置換をシミュレートすることを許容する注入点と抜出し点との入替え手段と、及び種々の変数（例えば濃度、流量、弁の切換え周期等）を測定するための手段とを含む、各成分を分離するためのシミュレートされた移動床系（又は装置）を制御するのに適用されるものである。この方法は、
・上記分離ループの少くとも２点の複数の点において制御される変数を計算するために必要なある成分の濃度および操作用変数を測定し、
・測定された各変数の実際値から、そしてこの分離系の作動の決められたモデル（非線形モデルか、与えられたランニングポイントに近似する線形モデルの何れか）を用いて、それぞれ制御される変数を各決定された設定値にするか又は戻すように、種々の帯域のそれぞれにおいて流体流量（Ｑk）とシミュレートされた吸着剤流量（Ｑs）との比をそれぞれ表わす各比（Ｒk）を決定し、そして、
・これらの比（Ｒk）から、操作用変数に与えられるべき各値を決定することを含む。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ｎ個の上記の比（Ｒk ）が決定されるｎ個の帯域を含む一連の各隣接する段階の含まれる上記分離用ループの区間について、この方法は一般に、流量値（Ｄ）と濃度値（Ｘ）とに依存して、ｎに等しいか又はそれよりも少ないｍ個の制御される変数（ξ）を定め、この区間の各極限点においてその液体相の中のそれぞれの濃度（Ｘ）を測定（非線形の制御モデルの場合のみ）し、そしてｍ個の上記の比（Ｒk ）か、又は（ｎ−ｍ）個のパラメータを含むｍ個の上記の比の組み合わせかを決定することを含む。
【００１９】
具体例の１つによれば、４つの主要帯域を含む分離用ループを用いて、このループの収率及びその混合物の少なくとも１つの成分の純度のような、いくつかの制御される変数（ξ）が種々の異なった濃度のインライン測定から同時に制御される。
【００２０】
濃度測定のために、例えばラマン型のインライン分析又はクロマトグラフィー分析或いは近赤外線分析（ＮＩＲ）が用いられる。
【００２１】
具体例の１つによれば、４つの帯域を含む分離装置又は系の場合に、
制御される変数として、下記の４つの量： すなわち、
そのループから抜出される流体の中の第１の成分の純度、
或る成分（第１成分と同一か又は他のもの）についてのその分離系の収率、
その流体の流れ方向についてそれら４つの帯域の最初のものの後縁における上記第１成分の残留濃度値、及び／又は、
その流体の流れ方向について上記４つの帯域の最後のものの前縁における上記第１成分を除く全ての成分の残留濃度値、
のうちの少なくとも１つが制御される変数として選ばれる。
【００２２】
この方法は、或る数ｐ個の帯域の含まれる分離用ループにおけるそれぞれの比（Ｒk ）の値が知られている場合に、この分離用ループの中の少なくとも１つの追加的な注入点及び／又は少なくとも１つの抜出し点の導入よりもたらされる追加的な各比の対応する値が隣接の１つの帯域におけるその比の既知の値及び上記の注入流量及び／又は抜出し流量に依存して決定されることを許容する。
【００２３】
或る抜出された流体の中のそれぞれの成分の濃度の間の比をその制御される変数として選ぶことができる。
【００２４】
或る、それら制御される変数の固定された順序を守るための最適化のアルゴリズムを好適に用いることができる。
【００２５】
提示された方法は（Ｒk ）の比と同じ数の制御される変数（ξ）を制御するのに容易に用いることができる。これらの制御される変数は、例えば生産性、溶媒の割合、残留濃度測定値等であることができる。
【００２６】
本発明に従う方法は流量や供給材料品質に変動が存在する場合でもその分離用装置の安定な運転を保つこと許容する。
【００２７】
本発明に従う方法の他の特徴及び利点は以下に貼付の図面の参照のもとにあげる非線形の具体例の記述より明らかとなるであろう。
【００２８】
シミュレートされた移動床を含む閉じた分離用ループを含む分離装置は少なくとも４つの帯域に分割され、その際各帯域は注入流又は抜出し流によって次のそれと分離されており、それら注入流又は抜出し流は実質的に一定の時間間隔で入替えられる。このループは続いた２つのカラム又はカラム区間の間に配置されていて、その排出量が制御される上記混合物を再循環させるためのポンプと、及び場合によりこれも２つの引き続くカラム又はカラム区間の間に配置されているその液体相の濃度を測定するための少なくとも１つの手段とを含む。
【００２９】
本出願人によって出願された、仏国特許発明第２，６９９，９１７号明細書：ＦＲ−２，６９９，９１７（米国特許第５，５６９，８０８号明細書：ＵＳ−５，５６９，８０８）に記述されているそれのような、非常に多数のリアルタイム濃度測定を可能とし、また従ってそのループの種々の点における濃度プロフィルを得ることを許容するラマン型の測定装置を有利に使用することができる。この場合に、種々の帯域の中に適宜に分配してｎ個の測定値を自由に選ぶこと（ｎは一般に４つの帯域を含む分離系について２と８との間である）がそのプロセスを制御するアルゴリズムの円滑な適用を確実にするのに充分である。
【００３０】
Ｉ）変数の選択
ａ）制御される変数
制御される変数はいくつかの変数の下記の関数（ξ）、すなわち
ξ＝Ｆ（Ｄ，Ｘ） （１）
として定義されるが、この式において
Ｘは、異なった点におけるその液体相の中の種々の成分の濃度を表わすベクトル値（この値は即時値であるか、又は或る切換え周期の中で取ったいくつかの値の平均値であることができる）であり、そして
Ｄは、各要素が内部的な注入流量又は抜出し流量であるようなベクトル値である。
【００３１】
この装置のいずれかの点（例えば流出流の中の）における液体相の中の或る成分の純度ξ、すなわち
ξ＝ｘ_i ／（ｘ_i ＋Ｉｍｐ_i ）
を制御される変数の例の１つとしてあげることができるが、この式において
ｘ_i は、或る与えられた点における成分ｉの濃度であり、そして
Ｉｍｐ_i は、この点における不純物としてのその他の成分の濃度の合計である（これは、例えば溶離剤のような若干の成分を除外することができる）。
【００３２】
或る与えられた時点におけるこの制御される変数の計算はこのループの１つ以上の点においてその液体相の中に存在する全ての濃度の測定を包含する。これらの測定は、例えば上述したラマン型の分析法又は他のいずれかの方法によって行なうことができる。
【００３３】
これらの制御される変数は先験的に自由に選ぶことができる。４帯域装置の場合に操作員が最もしばしば求めようとする量は、制御変数として例えば下記から選ぶことができる。
【００３４】
１）抽出物の中の各成分のいずれか１つの純度
２）この成分についてのその装置の収率
３）上記１）及び２）にあげた成分の、帯域１の後縁（その流体の流れ方向について）における残留濃度
４）上記１）、２）又は３）にあげた成分以外の全ての成分の、帯域４における前縁（その流体の流れ方向について）における残留濃度
ｂ）制御変数
本発明の方法は、いくつかの制御変数を選択することを含み、これにより、それら制御される変数の展開を制御するためにその操作用変数に与えられるべき値を直接決定することができる。
【００３５】
これらの制御変数の「通常的」操作用変数への転換は常に、その分離系が完全に制御可能であるために必要な条件として、それらの間に１：１の関係が存在するので、この方法及び装置のサイズ決定に結び合わされる実際の物理的適用条件の外で可能である。
【００３６】
全ての操作用変数が自由である（すなわちそれらの値がそれぞれの物理的限定限界に達することなく自由に決定することができる）場合には、独立の各制御変数の必要な数はその分離装置を形成する各帯域の数に等しい。
【００３７】
実際の移動床系について主液体流に対して向流で流れる各流れが、以下にあげる各関係式で与えられる場合に、シミュレートされた移動床分離系の運転が実際の移動床系のそれと疑似的に同一であることはよく知られている。すなわち
Ｑs ＝（％Ｖ_mic ＊Ｖ_col ）／Ｔ （２）
但しこの式においてＱs はそのシミュレートされた移動床装置の中で弁切換により生じたものと等価の「固体流量」（有効容量に相当する）である。＊は掛算を表わす記号である。
【００３８】
ｑｅ＝（％Ｖ_mac ＋％Ｖ_meso＋Ｖ_vi）＊Ｖ_col ／Ｔ （３）
但しこの式においてｑｅは弁切換によりもたらされるそれと等価の「液体の向流流量」である。これは中間の、及び巨大な空孔の中、並びに外部空孔、すなわちその床空孔率に加算される粒空孔率の中に含まれる液体の量に相当する。これは一般に「停止流」又は「運搬流」と呼ばれる。これはその吸着剤の微細空孔の中に吸着されなかった流体の不動化に相当する。
【００３９】
上記関係式（２）及び（３）において、
・Ｔは、そのシミュレートされた移動床装置の各弁の切換の周期の値であり、
・Ｖ_colは、或る単位区間の基本容積（活性の、又は非活性の、２つの引き続く注入点及び／又は抜出し点の間に含まれる容積）であり、
・％Ｖ_mic、％Ｖ_meso、％Ｖ_mac、％Ｖ_viは、それぞれ、この床の微細空孔（有効容量）、中間空孔、巨大空孔の各容積及び外部空孔率の容積％である。
【００４０】
しかしながら、式（３）の中には現れず、そしてそれら引き続いている各篩床の間に存在する死空間は式（３）の種々の％割合の相対的上昇の手段によって考慮される。
【００４１】
外部流体の流れは２つの装置の型について同じである。他方において、各内部流はシミュレートされた移動床と実際の移動床との間で異なっている。これらの流れは下記の関係式、すなわち
Ｑk ＝Ｆk ＋ｑｅ
により関係付けられ、その際この式において
Ｑk はそのシミュレートされた移動床装置の帯域ｋを通って流れる液体の流れであり、
Ｆk はその実際の移動床装置の帯域ｋを通って流れる液体流である。
【００４２】
もし、不動のままに保たれるべき吸着されないトレーサの例を取るならば、必要な流れは、実際の移動床装置については零であるが、一方これはシミュレートされる移動床装置においては停止流ｑｅに等しい。
【００４３】
これらの定義によって、選ばれる各独立の制御変数はそれら帯域の各々の中での主液体流と、全装置内で一定である固体流との間の４つの無次元の比、すなわちＲk （ｋ＝１、２、３又は４）である：
Ｒk ＝Ｑk ／Ｑs （４）
制御のためのそれら４つの比Ｒk の選択は、カラムの不連続化された部分についての常状態における実際の移動床装置のモデルの物質平衡式を作ることよりもたらされる。向流の液体の流れを考え、３つの点Ｊ-1、Ｊ、Ｊ+1で行なわれる不連続化を以下において例としてあげる。
【００４４】
その液体相の中の点Ｊにおける成分ｉの濃度をＸ_i,_j で表わし、そして固体相の中の点ｊにおける平衡時のこの成分の濃度をｙ_i,_j で表わすならば、この成分についての物質平衡（図２）は
Ｑk （ｘ_i,_j-1 −ｘ_i,_j ）＋Ｑs （ｙ_i,_j+1 −ｙ_i,_j ）＋
ｑｅ（ｘ_i,_j+1 −ｘ_i,_j ）＝０
で表わされる。
【００４５】
すなわち、両辺をＱs で割算するならば、
（Ｑk ／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 （５）
関係式（２）及び（３）で表わされたＱs とｑｅとのそれぞれの定義により：
ｑｅ／Ｑs ＝（％Ｖ_mic ＋％Ｖ_mac ＋％Ｖ_vi）／％Ｖ_mic ＝Ｋ_O ＝定数 （６）
そして式（５）は次のように書くことができる：
Ｒk （ｘ_i,_j-1 −ｘ_i,_j ）＋（ｙ_i,_j+1 −ｙ_i,_j ）＋
Ｋ_O （ｘ_i,_j+1 −ｘ_i,_j ）＝０ （７）
そのただ１つの制御変数（上記式の自由に修飾可能なパラメータ）は比Ｒk であり、これはその定義から、その装置を構成する各帯域において既知である。存在する帯域と同じ数の比が存在する。これらの比の値はユーザ又は操作員の好みにより、Ｑk の値についての通常の、正則代数関係式を含む操作用変数に翻訳することができる。
【００４６】
４帯域装置においては、それら４つの比と下記の５つの操作用変数、すなわち、Ｔ、Ｑ1、Ｑ_solv、Ｑ_ex、Ｑ_fdの４つとの間に１：１の関係が存在するが、第５番目の変数がその固定するべく決定したパラメータ（ｐｒｍと略記する）である。これは極めて多くの場合に供給材料流量Ｑ_fdである。結果として、各比をそれら操作変数に関連させる下記の関係式が得られる：
ｐｒｍ＝Ｑ_fdである時、
Ｔ＝％Ｖ_mic＊Ｖ_col＊（Ｒ3−Ｒ2）／ｐｒｍ
Ｑ1＝ｐｒｍ＊Ｒ1／（Ｒ3−Ｒ2）
Ｑ_solv＝ｐｒｍ＊（Ｒ1−Ｒ4）／（Ｒ3−Ｒ2）
Ｑ_ex ＝ｐｒｍ＊（Ｒ1−Ｒ2）／Ｒ3−Ｒ2）
但し、この系は、ｐｒｍ≠０であるときに定義される（これは、Ｒ 3 ≠Ｒ 2 についても、同じである）。
【００４７】
５つ変数のうちから４つを選ぶことにより、例えば下記、すなわち
○その過程により課せられる一定の供給材料又は可変の供給材料でか、
○或いは一定の溶媒流量で
○一定の弁切換周期、等で
運転することを許容する。
【００４８】
ＩＩ）比の計算アルゴリズム
１）非線形モデル
制御される変数が先験的に確定されるようにそれらの比［Ｉ）において定義されるような］を計算することを許容する計算アルゴリズムは実際の移動床装置の非線形の物理的モデルを含む。その計算方法は頑丈であり、非常に迅速でかつ充分な測定がインラインで入手できることを意味する。
ａ）比計算の原理
当業者により適当に選ばれる、式（１）により与えられる形の、ｎに等しいか又はそれよりも少ない制御される変数の数ｍが或る区間、すなわち１つ以上の帯域を含む１組の隣接する段階の上に設定され、ここでｎ個の比が定められる。静的モデルを定義する代数式（６）及びこの区間の各極限点におけるその液相の中の各濃度の測定値が入手できることにより、これらｍ個の制御される変数は（ｎ−ｍ）個のパラメータを含むｍ個の比又はこれらの比のｍ個の組合わせを計算することを許容する。
ｂ）４帯域装置についての純度計算の例
純度ξp はその抽出液の組成（Ｘ_ex）を知ることによってのみ決定される：
ξp ＝Ｆ（Ｘ_ex）
帯域１の一部及び帯域２の一部よりなり、従って２つの比を決定することのできる区間（図３）が選ばれる。比Ｒ1 （別に賦課される）、各極限点におけるその液体相の中の全ての成分の濃度Ｘe 及びＸs 、及び純度の設定値（制御される変数）を知ることが比Ｒ2 を計算することを許容する。
【００４９】
実際に、式（７）から、そして或る成分ｉ（べき指数ｍが実際に測定された値を表わす）について下記のように書くことができ、すなわち
○段階ｅ+1おいて
Ｒ1 （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
○段階ｅと抽出液抜出し段階ｅxtとの間に含まれる段階ｊにおいて
Ｒ1 （ｘ_i,_j-1 −ｘ_i,_j ）＋（ｙ_i,_j+1 −ｙ_i,_j ）＋
Ｋ（ｘ_i,_j+1 −ｘ_i,_j ）＝０
○抽出液抜出しに相当する段階ｅxtにおいて
Ｒ1 （ｘ_i,_ext-1 −ｘ_i,_ext ）＋（ｙ_i,_ext+1 −ｙ_i,_ext ）＋
Ｋ（ｘ_i,_ext+1 −ｘ_i,_ext ）＝０
○抽出液抜出し段階ｅxtと段階ｓ-1との間に含まれる段階ｋにおいて
Ｒ2 （ｘ_i,_k-1 −ｘ_i,_k ）＋（ｙ_i,_k+1 −ｙ_i,_k ）＋
Ｋ（ｘ_i,_k+1 −ｘ_i,_k ）＝０
○段階ｓ-1において
Ｒ2 （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
ｃ）解の存在
上記の各式の形より見て、これら式の数が未知数の数に等しければ単一の解が存在する。それら未知数は各段階の上の液体相の中に存在する各成分の濃度値プラス帯域２におけるその比、すなわちｎｃ（ｓ−ｅ＋１）＋１であって、ここでｎｃは成分の数を表わす。
【００５０】
式の数はｅ+1とｓ+1とのとの間に含まれる段階の数に各成分の数を乗算したものに等しく、すなわちｎｃ（ｓ−ｅ＋１）である。所望の制御される変数の値によって補完式が与えられ、すなわちξp −Ｆ（Ｘ_ex）＝０である。
【００５１】
この次元の各非線形代数式の系、すなわち
［ｎｃ（ｓ−ｅ＋１）＋１］＊［ｎｃ（ｓ−ｅ＋１）＋１］
はニュートンの近似式によって解かれる。収率、生産性、残留濃度等の他の生産関数は同様に定義することができる。
【００５２】
或る生産関数は明瞭にその装置に賦課される流量値に依存する。例えば、その分離装置の成分１の収率は
収率＝１００−［（Ｑ_raf ＊ｘ₁,_raf ）／（Ｑ_fd＊ｘ₁,_fd）］により定義される。
【００５３】
この関数はそれら各比の関数として簡単に表わすことができ、すなわち
収率＝１００−［（Ｒ3 −Ｒ4 ＊ｘ₁,_raf ）／（Ｒ3 −Ｒ2 ｘ₁,_fd）］
【００５４】
【実施例】
ｄ）例
以下にあげるシミュレーションは、シミュレートされた移動床及び４つの帯域を有するキシレン分離装置に関する（これは本発明の利用範囲をなんらかでも制限するものではない）。抽出液の中に回収されたキシレンを精製しようとする。その供給材料は５つの成分、すなわち、キシレン、メタキシレン、オルソキシレン、エチルベンゼン及びパラフィン類を含んでいる。２つの主要な制御される変数はキシレンの純度と、その分離装置のキシレン収率とである。それらの制御される変数の値は芳香族処理用ループの中でのその分離装置の位置に依存する。
【００５５】
分離手段は精度と応答時間とに関してその測定されるべき生産関数に適したものでなければならない。
ｅ）制御される変数の選択
１） 抽出液の中のパラキシレンの純度は下記式によって定められる：
ξ1 ＝ＰＸe ／（ＰＸe ＋ＩＭＰe ）
但しこの式において
○ＰＸe は抽出液抜出し点におけるその液体相の中のパラキシレン濃度の平均値であり、そして
○ＩＭＰe はその溶媒（及び場合によりパラフィン類）から離れた抽出物抜出し点の水準におけるその液相の中に存在する他の成分の濃度の合計である。
【００５６】
ＰＸe は実質的に一定であるので、ξ1 の値は主としてＩＭＰe の値に依存する。ＩＭＰe は主として帯域２の中の比（Ｒ2 ）に依存する。
２） この装置のキシレン収率は下記の関係式、すなわち
ξ2 ＝（ＰＸe Ｑ_ex）／（ＰＸc Ｑ_fd＋ＰＸs Ｑ_solv）
又は定常状態におけるその等価値、すなわち
ξ2 ＝
（ＰＸc Ｑ_fd＋ＰＸs Ｑ_solv−ＰＸr Ｑ_raf ）／（ＰＸc Ｑ_fd＋ＰＸs Ｑ_solv）
により定義されるが、これらの式においてＰＸc 、ＰＸs 及びＰＸr は、それぞれ供給材料中、溶媒中、及びラフィネート中の液体相のパラキシレンの濃度を表わす。
【００５７】
Ｑ_ex、Ｑ_fd、Ｑ_solv及びＱ_raf はそれぞれ抽出液、供給材料、溶媒及びラフィネートの流量を表わす。
【００５８】
ξ2 の値は主としてＰＸr の値に依存し、従って帯域３の中の比（Ｒ3 ）に依存する。これはまた供給材料、溶媒及びラフィネートの各流量に、そして供給材料及び溶媒のパラキシレン組成にも依存する。
【００５９】
４つの帯域を含む装置について入手可能な制御変数の数に関して上に記述したことを考えるならば、２つの追加的な制御される変数を選ぶ必要がある。
３） 帯域１の後縁（それら流体の流れ方向について）におけるその液体相の中のパラキシレンの残留濃度は下記式によって定義することができる：
ξ3＝ＰＸ4
選んだ測定点は帯域４の全長の４分の３のところに位置している。ξ3の値は主として帯域１における比（Ｒ1）に依存する。
４） 帯域４の前縁（各流体の流れ方向について）における、パラキシレンを除く、全ての成分の残留濃度は下記式により定義することができる：
ξ4＝ＩＭＰ1
但し、この式において、ＩＭＰ1は、その液体相の中に存在するパラキシレン及び溶媒（及び場合によりパラフィン類）を除く、全ての成分の濃度の合計である。
【００６０】
選んだ測定点は帯域１の全長の４分の１のところに位置している。ξ4 の値は主として帯域４における比（Ｒ4 ）に依存する。
ｆ）制御アルゴリズムの実施：制御変数又は比の計算
制御の原理は装置の各区間についてのモデル式を用いることである。選んだ例の場合には下記の３つの区間が用いられる：
○第１区間Ｔ1 は帯域４の中央と帯域１の中央との間に含まれている。これは帯域４における比（Ｒ4 ）と帯域１における比（Ｒ1 ）とを同時に計算することを許容する。これは、その制御される変数ξ3 及びξ4 がこの区間において定義されているので可能である。
○第２区間Ｔ2 は帯域１の中央と帯域２の中央との間に含まれている。この区間はＲ1 が既知の場合に比Ｒ2 を計算することを許容する。変数ξ2 はこの区間の中央に位置している。
○第３区間Ｔ3 は帯域３の中央と帯域４の中央との間に位置している。この区間はＲ4 が既知の場合に比Ｒ3 を計算することを許容する。変数ξ3 はこの区間の中央に位置している。
【００６１】
実際上の観点からは、後でこの装置において実際に入手できる操作用変数を選ぶことが推奨される。下記の４つの変数、すなわち抽出液流量、再循環流量、溶離剤流量及び弁切換周期Ｔ（従って、供給材料の流量は操作員により選ばれ、そしてラフィネートの流量はいつでも物質収支から導かれる）が選ばれる。この装置についてのアルゴリズムの展開をその対象とする例について図４に示す。
ｇ）シミュレーション
シミュレーションがこの分離装置の知識モデルより行なわれた。このようなモデルは熱力学型知識と動力学型知識とを含む。そのシステム熱力学は吸着等温式によって表わされる。ここで研究される対象の場合には、これらの等温式は非線形であって、結合されている。これは、ｎ個の成分の一般化されたラングミュア等温式（一定の吸着選択率）、又は好ましくは、或る傾斜によって結合された２つの閾値を含む選択率のような、非一定的選択率の等温式、或いは、ｎ個の成分の一般化されたラングミュア・フロイントリッヒ等温式であることができる。その系の動力学は理論段数により、又はそれらｎ個の成分のそれぞれ１つに特異的な分散係数によって表わされる。用いた測定点の数は８であって、図５に示すように分配されている。この場合に用いた知識モデルは、理論段のカスケードと組み合わせたラングミュア・フロイントリッヒ等温式である。その測定の数及びその位置は上述のように選んだ各区間の選択に依存する。もちろん、この選択はここでは単に説明的なものであって、本発明は、必要な対象と適合性のある、全ての区間の組み合わせを包括する。
【００６２】
示されている結果は制御の１例である。その過程は、純度（９５％）及び収率（９５％）の各一定の設定値により操作され、一方供給材料の組成を実質的に変化させる。供給材料品質の変化は１０分間の安定な運転の後でもたらされる（図６）。
【００６３】
次の容積組成、すなわち
Ｔｏｌ ＝０．０２２
Ｐｘ ＝０．２９０
ＭｘＯｘ ＝０．５９８
ＥＢ ＝０．１０２
Ｐａｒ ＝０．０３２
の供給材料を次の容積組成、すなわち
Ｔｏｌ ＝０．０２４
Ｐｘ ＝０．２９０
ＭｘＯｘ ＝０．５１２
ＥＢ ＝０．１９０
Ｐａｒ ＝０．０３２
の供給材料と置き換える。
【００６４】
ここに各記号は次の成分をあらわす。
【００６５】
Ｔｏｌ ： トルエン
Ｐｘ ： パラキシレン
ＭｘＯｘ： メタキシレンおよびオルソキシレン
ＥＢ ： エチルベンゼン
Ｐａｒ ： パラフィン類
図６に説明した阻害の影響が制御アルゴラズムのない場合に図７に示されている。これは１．２％の純度の低下及び４％の収率減少をもたらす。従ってこの方法はこの供給材料品質の阻害に対して高度に感受性である。
【００６６】
同じ阻害を本発明に従う方法に適用する（図８）。約１８０分間、すなわち３時間の間にこの方法の安定化がもたらされる。純度の変化は僅かである。最大の収率の差は０．４５％よりも小さい。その４つの制御値が同時に重大に発現されること（図９ないし１２）を認めることができる。
【００６７】
種々の阻害の存在のもとで、その分離用ループの操作は上述のように４つの変数について同時に操作しなければならない操作員によってはほとんど制御することができない。このような条件のもとでは、高度に経験を積んだ操作員がその過程を再安定化しようとするのに最もよくて２４時間を要し、かついくつかの継続的な安定化操作を必要とする。
【００６８】
本発明に従う方法を実施することによって許容される、安定化のために必要な仕様外移行時製造期間の著しい短縮は、工業上、対応的な生産性の上昇をもたらす。
ｈ）変形態様
このアルゴリズムはまた、全ての操作用変数を定めるためにその方法の数値的なシミュレーションモデルとの関連において用いることもできる。
【００６９】
その目的はここでは、その装置モデルのいくつかの場合における運転を最適化することであり、すなわち装置のサイズ決定、装置の運転開始、既に正しい解に近い最終的な最適化、異なる分離問題をもった前に存在していた装置を使用すること等である。もちろん、この使用は先行の文節において記述した物理的な実際に近いモデルを用いてのみ可能であろう。この場合にはもちろん、その調節値は期待する性能を正確には作り出さないけれども、この場合にはそのシミュレートされたモデルの精度に従ってそれらは所望のものよりも高くても、又は低くてもよい。この場合にそのアルゴリズムの展開はこれら近似された値からそれぞれの仕様に正確に到達することを許容する。
２）線形モデル
第２の例によれば、測定された各変数の実際値からのそれら比（Ｒk ）の決定は単変数（或る入力の変化についての出力の挙動に代表的な）又は多変数（いくつかの入力についてのいくつかの出力に代表的な）の線形モデルを用いて実施することができる。これらの「単純」モデルの決定は予想される安定状態に近い状態において実施されている過程により得られた１組の実験的測定値により行なわれる。
【００７０】
これらのモデルは一般にその系の安定な作動点近くでのみ代表的である。
【００７１】
通常的な線形制御法則（内部的モデル制御、予言的制御型等の）はこれらのモデルから容易に合成することができる。これらのモデルの単純性は選んだ表示の不正確性を或る態様で補償する簡単で頑丈な制御法則を容易に計算することを許容する。シミュレーションにおいてそのように計算された制御法則の性能試験はこの方法の非線形的な物理的モデルから計算された制御法則により得られたものと等価である。
【００７２】
ＩＩＩ）実施の変形態様
１）追加的な注入点
４帯域の装置の場合に示された上述のような非線形的及び線形的な制御方式の使用は、１つ以上の流体注入点を加えることにより作り出される、より多数の帯域を含む分離装置に完全に適用することができる。この場合に各比Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 及びＲ4 は、それら追加的な注入流が操作員により（例えば直接又は間接に供給材料の流れ又は抽出液の流れの或る割合として）加えられる場合には同一のままに留まる。それらの比の値はその新しい注入に依存して既知の隣接の比の値及び対象とする注入流の値から簡単に与えられる。
２）追加的な抜出し点
４帯域装置の場合に示されている、パラグラフ１において定義されている非線形的及び線形的な制御方式の使用は、１つ以上の流体抜出し点を加えることにより作り出される、より多数の帯域を含む装置に適用することができる。この場合に比Ｒ2 又はＲ3 の計算は新しい抜出しにより作り出される追加的な比に対して一般化される。従って製造関数の１つは、所望の仕様（例えば純度又は収率の仕様）の関数としてのそれぞれの流体抜出しについて定めなければならない。この場合にはそれぞれの加えられた抜出し流量の値は、この方法の新しい独立操作用変数となる。
【００７３】
その追加的な抜出しについてなんらの仕様も望まれない場合には、その流量の値は操作員により加えられ、そしてパラグラフ１におけると同じ状態にある。
３）追加的な注入点及び抜出し点
上に定義した非線形及び線形の制御方式４帯域の装置の場合に示された上述のような非線形的及び線形的な制御方式の使用は、１つ以上の流体注点及び１つ以上の流体抜出し点を加えることにより作り出される、より多い数の帯域を含む装置に適用することができる。前の２つの文節において記述した論議をこの場合にそのまま繰り返し、かつ総体化できる。
４）操作用の制御される変数
その選んだ制御モードが何であっても、引用した４つの制御される変数、すなわち成分の純度、成分（純度についてのものと同じか別な）の収率及び帯域１の中及び帯域４の中の各残留濃度のいずれかの非線形又は線形のものは抜出し流の各組成の間の比の値である、新しい制御可能変数によって置き換えることができる。例えば、抽出液においてはパラキシレンの純度（すなわち主としてＲ2 により）及びエチルベンゼン濃度とメタキシレン及びオルソキシレンの濃度の合計との間の比により定義される変数の両方を制御のために選ぶことができる。後者の変数は主として比Ｒ4 によって影響される。
５）制御モードの最適化
上に定義した非線形及び線形の制御は上のパラグラフに記述された制御された変数についての一連の設定値を提供する最適化アルゴリズムとインターフェイスされることができ、操作条件により定義される或る関数の最少化の意味において最適の操作を保証することを許容する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実際の移動床分離用ループのフローシートである。
【図２】物質平衡式に用いられる不連続化の原理の説明図である。
【図３】或るループの２つの区間の間の中間帯域の比の計算を示すフローシートである。
【図４】ループの制御方法の種々の相のフローシートである。
【図５】４つの帯域と、４つの注入点又は抜出し点と、及び８つの測定点を含む分離用ループの図式図である。
【図６】次のシミュレーションにおける制御例を示すための、供給原料の組成の変化の経時グラフである。
【図７】導入された変化の結果としての抽出液の純度及び装置収率の制御される２つの変数の発現を示す経時グラフである。
【図８】同じ条件のもとで本発明に従う方法を適用することによりもたらされる制御の効率を示す図である。
【図９】プロセスを安定化させる間の循環流量の展開の経時グラフである。
【図１０】プロセスを安定化させる間の抽出液流量の展開の経時グラフである。
【図１１】プロセスを安定化させる間の切換え周期の展開の経時グラフである。
【図１２】プロセスを安定化させる間のラフィネート流量の展開の経時グラフである。

Claims (15)

1. 流体の注入点と抜出し点とによって画定される、いくつかの帯域に分配されている、固体吸着剤の含まれたいくつかの床を直列的に相互連結することにより構成される分離用の閉じたループと、それぞれの流体をこのループの中へ注入するための手段と、それぞれの流体をこのループから抜出すための手段と、各床の向流的吸着置換をシミュレートすることを許容する注入点と抜出し点との入替え手段と、及び各操作用変数を測定するための手段とを含む、シミュレートされた移動床による成分分離を制御するための方法において、
   ・上記ループに沿う複数の点において、その注入され、抜出される各流体に特性的な各変数、及びこの分離系の運転に特性的な各変数を測定し、
   ・測定された各変数の実際値から、そしてこの分離系の非線形モデルを用いて、それぞれ制御される変数（ξ）を各決定された設定値にするか又は戻すように、種々の帯域のそれぞれにおいて流体流量（Ｑk）とシミュレートされた吸着剤流量（Ｑs）との比をそれぞれ表わす各比（Ｒk）を決定し、そして
   ・これらの比（Ｒk）から、操作用変数に与えられるべき各値を決定する
   ことを特徴とする、上記方法。
2. 操作用変数に与えられるべき各値がこの分離系の非線形モデルを用いて決定される
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 操作用変数に与えられるべき各値がこの分離系の或る与えられた操作点近傍の線形モデルを用いて決定される
   ことを特徴とする、請求項１の方法。
4. ｎ個の上記比（Ｒk）が決定されるｎ個の帯域を含む一連の各隣接する段階の含まれる上記分離用ループの区間について、流量値（Ｄ）と濃度値（Ｘ）とに依存して、ｎに等しいか又はそれよりも少ないｍ個の制御される変数（ξ）を定め、そしてｍ個の上記比（Ｒk）か、又は（ｎ−ｍ）個のパラメータを含むｍ個の上記比の組み合わせかを決定する
   ことを特徴とする、請求項１又は３に記載の方法。
5. ｎ個の上記の比（Ｒk）が決定されるｎ個の帯域を含む一連の各隣接する段階の含まれる上記分離用ループの区間について、流量値（Ｄ）と濃度値（Ｘ）とに依存して、ｎに等しいか又はそれよりも少ないｍ個の制御される変数（ξ）を定め、この区間の各極限点においてその液体相の中のそれぞれの濃度を測定し、そして、
   ｍ個の上記の比（Ｒk）か、又は（ｎ−ｍ）個のパラメータを含むｍ個の上記の比の組み合わせかを決定する
   ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
6. その操作用変数が、流量及びそのシミュレートされるべき床の吸着置換を許容する弁切換え周期（Ｔ）である
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 分離用ループが４つの主帯域を含んでいる場合に、このループの収率及びその混合物の少なくとも１つの成分の純度のような制御される変数（ξ）が種々の濃度のインライン測定から同時に制御される
   ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. ラマン型のインライン分析又はクロマトグラフィー分析或いは近赤外線分析（ＮＩＲ）による濃度測定を含む
   ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. ４つの帯域を含む分離系の場合に、制御される変数として、
   下記の４つの量： すなわち、
   そのループから抜出される流体の中の第１の成分の純度、
   或る成分についてのその分離系の収率、
   その流体の流れ方向について、それら４つの帯域の最初のものの後縁における上記第１成分の残留濃度値、及び
   その流体の流れ方向について、上記４つの帯域の最後のものの前縁における上記第１成分を除く全ての成分の残留濃度値、
   のうちの少なくとも１つが上記制御される変数として選ばれる
   ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法。
10. その分離系のシミュレーションのために、一般化されたラングミュア・フロイントリッヒ等温式、あるいは、２閾値選択率の値のような、組み合わせられた、非線形な等温式に基づく知識工学モデルを用いる
    ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の方法。
11. 或る数ｐ個の帯域の含まれる分離用ループにおけるそれぞれの比（Ｒk）の値が知られている場合に、この分離用ループの中の少なくとも１つの追加的な注入点の導入よりもたらされる追加的な各比の対応する値が、隣接の１つの帯域におけるその比の既知の値及び上記追加的な注入点における注入流量の値の関数として決定される
    ことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 或る数ｐ個の帯域の含まれる分離用ループにおけるそれぞれの比（Ｒk）の値が知られている場合に、この分離用ループの中の少なくとも１つの追加的な抜出し点の導入によりもたらされる追加的な各比の対応する値が隣接の１つの帯域におけるその比の既知の値と、及び上記追加的な抜出し点における抜出し流量の値との関数として決定される
    ことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の方法。
13. 或る抜出された流体の中のそれぞれの成分の濃度の間の比がその制御される変数として選ばれる
    ことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
14. 或る最適化アルゴリズムが、それら達成されるべき制御される変数の固定された順序を守ることを許容するように選ばれる
    ことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の方法。
15. ８個の炭素原子を含む芳香族炭化水素の分離に、
    請求項１〜１４のいずれか１つに記載の方法を利用する方法。

Images