WO2005035109A1 - Coriolis-verfahren und -vorrichtung zur steuerung der polymerherstellung - Google Patents

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Michael Reisen
Anke Gassel
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a polymer from a polymer melt in a plant by means of at least one reactor system, in which a chemical reaction determined by at least one reaction parameter for forming the polymer is carried out in the polymer melt, at least one state variable of the polymer melt being recorded and the at least one reaction parameter of the reactor system is controlled as a function of the state variable.
  • the invention further relates to a plant for producing a polymer from a polymer melt, with at least one reactor system in which a chemical reaction determined by reaction parameters can be carried out in the polymer melt, with a sensor that detects at least one state variable of the polymer melt, and with a control unit that is connected to the sensor for data transmission and by means of which at least one reaction parameter can be controlled as a function of the state variable.
  • a reaction parameter of the reactor system is to be understood as a physical quantity by which the reaction equilibrium of the reaction taking place in the reactor is determined.
  • Such reaction quantities can be, for example, the temperature, the pressure and / or a chemical quantity such as the concentration of a polymer component and / or its molecular weight.
  • the reaction parameters in the reactor system define or control the reaction parameters.
  • the state of the polymer melt changes, which is determined by the state variables of the polymer melt, such as, for example, the concentration of the by-products, the degree of polymerization, the temperature and the viscosity, to name just a few.
  • the system volume includes the space that is flowed through by the polymer melt with the by-products and spa products as well as the gases and vapors formed by the polymer melt in the course of the production of the polymer.
  • the dielectric constant of a polymer is determined by means of an alternating electromagnetic field.
  • the process variables of the manufacturing process for the polymer are controlled so that the measured dielectric constant approximates the dielectric constant of the polymer with the desired composition.
  • a dissipation factor can also be calculated and used to determine the state of the polymer.
  • the dielectric constant is strongly influenced by ionic impurities at frequencies below 20 kHz, so that this frequency range can be used to control the composition of the polymer melt. At frequencies between 20 kHz and 1 MHz, according to this publication, the dielectric constant should reach a constant value typical of the material.
  • US-A-5 208 544 describes an annular dielectric sensor and a continuous measuring method by means of which the viscosity of a polymer can be determined as a function of the dielectric loss factor.
  • the sensor generates alternating electromagnetic fields with frequencies between 0.5 Hz and 200 kHz and is only suitable for cables with an inner diameter of maximum 8 cm. Such a line diameter is too small for large industrial applications.
  • reaction conditions especially stable and constant at predetermined values. This is not only absolutely necessary in order to produce products of uniform quality, but also to prevent undesired side reactions that occur when the set reaction conditions are exceeded or not reached. Such side reactions not only have an impact on product quality and product yield, but also require special measures to keep the process environmentally friendly. In view of the increasingly important aspect of environmental friendliness and compatibility of the manufacturing processes, it is particularly important to strictly adhere to the reaction conditions.
  • This object is achieved according to the invention for the method mentioned at the outset by using a Coriolis force generated by the polymer melt as the at least one state variable used to control the at least one reaction parameter.
  • polymer melt is used below in connection with the invention for all fluids occurring in the systems according to the invention which may contain oligomers and / or polymers, even if some of these mixtures could also be referred to as solutions.
  • the object of the invention is that a Coriolis force sensor is provided as the sensor and that the control unit is designed to control the at least one reaction parameter as a function of the measured Coriolis force. Both solutions are simple in that Coriolis force sensors are already used in systems for polymer production.
  • the Coriolis force detected by the Coriolis force sensor is used to obtain information about the state of the polymer melt and to control the reaction in the reactor system. This can be achieved either by evaluating the instantaneous values of the Coriolis force and / or by evaluating the time profile of the Coriolis force. When evaluating the course of time, attention is paid to how the Coriolis force has developed over time, e.g. whether sudden changes and jumps or whether there is a steady slow decline. The time course of the Coriolis force can take place, for example, by calculating the first and further time divisions.
  • Coriolis force sensor for controlling a reaction in polymer production differs fundamentally from the known use of the Coriolis force sensors in the production of polymers or the processing of ternary cellulose mixtures, as in FR 2 821 175 A1 and DE 100 44 491 A1 or DE-A-199 49 726 and WO-A-01 25517.
  • Coriolis force sensors are not used there to control a reaction, but only to control the composition of a polymer or cellulose mixture, the proportions of which dissolve without reaction.
  • FR 2 821 175 A1 relates to a method for controlling a product property, such as the product of a synthesis or a polyaddition. The process is controlled with the aid of a mathematical model which represents the relationship between the product properties and the characteristic process variables, for example the melt flowability determined by means of rheometric, spectrometric or ultrasonic processes.
  • FR 2 821 175 A1 also discloses that the throughput of a depolymerizing agent is detected by a Coriolis sensor.
  • DE 100 44 491 A1 describes a density measuring device for determining the density of a gas-laden and pressurized liquid, in particular a flowable plastic mass, by means of a Coriolis measuring line.
  • DE 100 44 491 A1 is also concerned with a device for detecting and controlling the gas loading of the liquid, the gas loading measuring device having the density measuring device.
  • DE 100 44 491 A1 does record and control the composition of gas-laden and pressurized liquids, for example plastic foams, but without a chemical reaction and the control of this reaction. Consequently, it is also not disclosed in DE 100 44 491 A1 that a chemical reaction determined by at least one reaction parameter for the formation of a polymer is monitored and controlled with the aid of a Coriolis sensor.
  • WO-A-01 25517 the density and mass flow of the ternary cellulose solution are determined by a Coriolis force sensor. Depending on the density, the water content of the cellulose solution is determined and a valve in the feed line of the amine oxide is actuated.
  • DE-A-199 49 726 also describes an embodiment in which the density of the ternary cellulose solution composed of cellulose, water and amine oxide is measured by means of a Coriolis force sensor.
  • the density is one of two state variables with the aid of which the composition of the cellulose solution is controlled.
  • the Coriolis force sensors of DE-A-199 49 726 and WO-A-01 25517 are neither used for the production of a polymer nor for controlling a reaction in a chemical reactor, but only for controlling a non-reacting solution, in which the cellulose is already contained as a finished polymer that can no longer be produced.
  • the reaction equilibrium can be shifted in particular in the at least one reactor system by changing at least one of the reaction parameters.
  • the amounts and concentrations of the reaction products generated in the reaction in the reactor system change, and new reaction products can also be formed or the formation of reaction products can be prevented.
  • Such a change can also be that of the degree of polymerization, for example in a polycondensation reaction to form long-chain polyesters.
  • the degree of polymerization can be determined by the Coriolis force sensor insofar as the viscosity increases with increasing chain length in the polymer melt and influences the Coriolis force.
  • the ratio of the substances or monomers reacting with one another and / or the concentration of the catalyst can be controlled as reaction parameters.
  • the temperature of the polymer melt can also be particularly preferably controlled via the Coriolis force sensor. This is because the temperature influences both the reaction of the monomers with one another and the viscosity independently of the reaction. This common effect can be determined simply and quickly by measuring the Coriolis force.
  • the pressure in the gas space of the reactor above the polymer melt can be controlled via the Coriolis force sensor.
  • This pressure also influences the reaction of the monomers or polymer chains with one another and thus the viscosity, since it influences the removal of the water formed in the polycondensation reaction from the polymer melt.
  • the relationship between the measured Coriolis force and the state or composition of the polymer melt does not have to be analyzed analytically beforehand, but can be determined experimentally at different, controlled states of the polymer melt by a calibration method.
  • a map can then be determined from the individual measuring points, which uniquely assigns certain states of the polymer melt to the measured Coriolis forces.
  • the reactor system can then be controlled based on purely empirical measurements without the theoretical relationship between the measured state variable Coriolis force and the reaction parameters having to be known.
  • This procedure has the advantage that the condition detection and the reaction control via the Coriolis force can be successfully used in a large number of completely different manufacturing processes.
  • the map can be implemented in various ways in the control unit.
  • a first possibility is to save the map in the form of look-up tables in which a measured Coriolis force or a measured time course of the Coriolis force are compared with certain reaction parameters of the reactor system to be set. If Coriolis forces are measured that lie between tabulated values in the look-up table, the table can be interpolated.
  • Another possibility is to store the characteristic diagram in the control unit in the form of an interpolated equation adapted to the measurement points, such as a polynomial or a Fourier series.
  • an interpolated equation adapted to the measurement points, such as a polynomial or a Fourier series.
  • Another possibility is to train a computer-implemented neural network using the measurement points.
  • the training values for the neural network are used on the one hand the measurement points of the Coriolis force and on the other hand those reaction parameters that have to be set in the reactor system in order to obtain the desired state of the polymer melt based on the detected state.
  • a simple PID control can also be used, in which the reaction parameters on the reactor system are set as a function of a deviation of the measured Coriolis force from a target Coriolis force.
  • the measured Coriolis force can be compared with a predetermined target value representative of a target state of the polymer melt and the reactor system can be controlled depending on the result of this comparison.
  • the reaction parameters to be set with their absolute values but also the changes to be made to the currently available reaction parameters can be specified as relative values by the characteristic diagram in its various forms.
  • the reactor system can in particular be controlled such that the proportion of at least one component of the polymer melt in the reactor system is changed depending on the Coriolis force mentioned. This is particularly advantageous if the density and toughness of the polymer melt are influenced by this component.
  • the composition of the polymer melt with regard to components acting in this way is particularly easy to determine by means of the Coriolis force measurement.
  • the accuracy of the control of the reactor system can be improved in a further advantageous embodiment by measuring the temperature of the polymer melt in the system volume or measurement volume and taking it into account when controlling the reactor system. This can be done in a simple manner, for example, by experimentally (or analytically) determining the influence of temperature on the Coriolis force measurement and / or recording the temperature as a further variable in the map used for the control. As a further possibility, temperature-related fluctuations in the Coriolis force can also be compensated for using a compensation equation. The influence of temperature on the Coriolis force is taken into account in such a compensation equation.
  • the control system can advantageously be designed such that existing systems can be retrofitted with it.
  • a measuring unit of the control system can be designed as a structural unit in which at least one sensor is integrated in one piece in an existing system.
  • the control system can thus also be configured so that it can be connected to the already existing Coriolis force sensor, so that an existing system does not have to be converted or only to a small extent.
  • the method and measuring system according to the invention can be used, for example, in the production of polymers from polymer melts or when changing the concentration. ration of components, end groups or the degree of polymerization during a polymerization, polyaddition or polycondensation.
  • the method and the measurement system after reactors are advantageously used in which esterification reactions to give polymers of aromatic and aliphatic dicarboxylic acids or dicarboxylic acid esters with dialcohols or hydroxy acids to give polyesters, for example terephthalic acid or dimethyl terephthalate with ethylene glycol, 1, 2-, 1, 3- Propylene glycol or 1,4-butanediol to polyesters, from bisphenols and diphenyl and diaryl carbonates to polycarbonates or from aromatic diacids with aromatic diphenols to polyacrylates take place at temperatures above 200 ° C, with a constant mode of operation an increase in the yield by close approach to the thermodynamic limits can be reached.
  • the method and the device according to the invention can find further advantageous use in monitoring the progress of the reaction or the state of the product in the course of polymerization reactions which are carried out both in the melt, in solution or in suspension.
  • the Coriolis force sensors can in particular each be arranged behind, preferably immediately behind the reactor systems. If the Coriolis force sensors are used behind esterification, transesterification or precondensation reactors, the polymer has not yet been fully converted at these measuring points, so that corrective or readjustment to the polymer melt going into polycondensation by controlling the reaction parameters in the esterification , Transesterification and precondensation reactor systems can be intervened.
  • the use of a Coriolis force sensor in particular allows the final viscosity of the polymer to be monitored and, if necessary, to intervene in the reactor control system.
  • a Coriolis force sensor can be arranged on a reflux column in order to be able to balance the reflux quantity and to take the feed quantity of the polymers into account.
  • Fig. 1 shows a first plant for polymer production with an embodiment of the method and the measuring system according to the invention in a schematic representation.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the relationship between the Coriolis force and the molar ratio of the monomers.
  • Table 1 shows an overview of test examples.
  • Fig. 1 shows an example and schematically a plant 1 for the production of polyethylene terephthalate PET from terephthalic acid TPA as the first monomer 2 and ethylene glycol EG as the second monomer 3.
  • Terephthalic acid and ethylene glycol are in a molar ratio of 1: 1.8 with 200 ppm antimony as catalyst 4 in one Esterification reactor 5 reacted at a throughput of 100 kg / h at temperatures between 250 ° C and 280 ° C and pressures between 1700 mbar and 0.5 mbar.
  • a system which is similar in principle is described, for example, in DE-A-3 544 551.
  • the product from the esterification reactor 5 is passed via a line system 6 to a transesterification reactor 7 and from there to two prepolycondensation reactors 8 and 9 connected in series.
  • the polymer melt is passed from the last prepolycondensation reactor 9 to an end reactor or annular disk reactor 10, from which the polymer polyethylene terephthalate is obtained as end product 11.
  • From the reactor Systems 8, 9 and 10 are sucked off by-products via discharge lines 12 through a vacuum generating device 13 and from there are subjected to a splitting product rectification 15 via a manifold 14 and passed as splitting products 16 out of the plant.
  • the fission product rectification 15 is also fed via a discharge 17 fission products from the esterification reactor 5, which make up the largest proportion of fission products in terms of quantity.
  • the starting raw materials are separated off by the rectification and fed back to the esterification reactor 5 via a return line 18.
  • a measuring system 19, 20, 21 and 22 for Coriolis force measurement is arranged behind the reactor systems 5, 7, 8 and 9 in the direction of passage of the polymer melt.
  • Another Coriolis force measuring system 23 is arranged in the return line for the products from the fission product rectification 15 to the esterification reactor system 5.
  • Coriolis force sensors from Krohne, type Optimass MFS 7000, or from Emerson Process, series 2000, for example, can be used as measuring systems 19-23.
  • the number of Coriolis force measuring systems used in the system is otherwise irrelevant; only five such measuring systems are provided by way of example; According to the invention, at least one such system 19-23 is present in the system 1.
  • the signals representative of the Coriolis force as the state variable of the products are sent from the measuring systems 19-23 to a control unit or to a control system 25, from which the reactor systems 5, 7 - via the bidirectional control lines 26. 10, 13, 15 can be controlled.
  • the reaction parameters set or prevailing there are detected and corresponding to the control system 25 via the control lines 26 by means of corresponding sensors in the reactor systems, not shown in FIG. 1.
  • the control system 25 can use a microcomputer with processor and memory.
  • An evaluation system 27 is also connected to the control system 25 for data transmission. Via manual product analyzes of the end product, shown schematically by arrow 28, and as a function of the Coriolis signals Force measurement systems and depending on the reaction parameters measured in reactor systems, a characteristic diagram characteristic 29 is calculated in the evaluation system 27, with the aid of which the control system 25 controls the reactor systems.
  • a characteristic diagram characteristic 29 in the form of a surface made up of discrete calibration points 30, by means of which the amount of catalyst 4 to be added to the reactor system 5 in mass percent (m% CAT) of a temperature T 5 measured in the reactor system 5 and is assigned to the Coriolis force F c measured by the Coriolis force measuring system 19.
  • Such a characteristic diagram characteristic 29 can be calculated by the evaluation system 27 for each Coriolis force measuring system 19 to 22 and the respectively assigned reactor system 5, 7-10, 13, 15.
  • a multi-dimensional characteristic diagram characteristic 29 can also be created which correlates the measured Coriolis forces of all measuring systems and the reaction parameters to be set on several or all reactor systems as a hypersurface.
  • the reaction parameters of the various reactor systems are combined to form a parameter field which is controlled simultaneously by the state variables.
  • This type of control has the advantage over a separate control of each individual reactor by means of a Coriolis force sensor assigned to it that dependencies of the reaction parameters of different reactor systems are also taken into account.
  • Reaction parameters that can be controlled in this way are, for example, the proportion of the first monomer, the second monomer and the catalyst 4 in the reactor system 5 and the pressure, the residence time and the temperature in the respective reactor systems.
  • the polycarbonate (PC) is made from bisphenol A (BPA) as the first monomer and diphenyl carbonate (DPC) as the second monomer and sodium phenolate as the catalyst.
  • BPA bisphenol A
  • DPC diphenyl carbonate
  • the molar ratios of the two monomers are gradually changed in the range from 0.9 to 2.0 during the ongoing operation of plant 1.
  • the Coriolis forces are measured on the Coriolis force sensors and assigned to the reaction parameters on the reactor systems.
  • a first calibration point 30 of the characteristic diagram characteristic 29 is obtained, which correlates the Coriolis forces on the measuring systems with the reaction parameters of the reactor systems.
  • 2 shows an example of how the Coriolis force measured by the Coriolis force sensor is related to the molar ratio. The molar ratio can thus be inferred from the Coriolis force measured.
  • the remaining reaction parameters are changed in a fixed molar ratio of 1: 1 in, for example, ten steps each.
  • the temperature of the esterification reactor can vary between 200 ° C and 350 ° C, the pressure between 2 bar and 10 mbar, the throughput by ⁇ 50% and the catalyst concentration by - 50% and + 200% depending on the value reached in the stable state become.
  • the remaining reaction parameters are kept at a value which is fixed for stable operation. From the set of these variations, a large number of calibration points are obtained, which together produce the characteristic diagram characteristic 29 and relate reaction parameters to the variables detected by the Coriolis force sensors.
  • the characteristic diagram characteristic 29 can then be used, for example, as a multidimensional look-up table, in which a set of measured Coriolis forces is used to look up which change in the reaction parameters has to be set so that the stable target state is achieved.
  • the characteristic diagram characteristic can also be used to train a neural network with the measured Coriolis forces as input vectors and the changes in the reaction parameters to be set to achieve the desired state as output vectors.
  • the functioning of such a neural network is described, for example, in Ritter, Helge, "Neural Networks: An Introduction to Neuroinformatics of Self-Organized Networks", Addison-Wesley, 1991.
  • the neural network resulting from the training is then used by the control unit 25 to control the system 1 executed.
  • the method and apparatus can be used just as effectively in the manufacture and processing of by-products from polymer manufacture.
  • PET was produced as end product 11 in accordance with the manufacturing process described above.
  • the end product 11 was polybutylene terephthalate (PBT) from terephthalic acid (TPA) as the first monomer and 1,4-butanediol (BD) as the second monomer in a molar ratio of 1: 2.5 with 100 ppm titanium catalyst with a mass throughput of 130 kg / h and typical reaction conditions of temperatures between 220 ° C and 260 ° C and pressures between 0.5 mbar and 900 mbar are presented.
  • PBT polybutylene terephthalate
  • TPA terephthalic acid
  • BD 1,4-butanediol
  • the fluctuation range of the product properties could also be reduced by more than 20%.
  • the end product 11 was polycarbonate (PC) from bisphenol A (BPA) as the first monomer and diphenyl carbonate (DPC) as the second monomer in a molar ratio of 1: 1.2 with 100 ppm sodium phenolate as a catalyst with a mass throughput of 150 kg / h and typical reaction conditions with temperatures between 250 ° C and 330 ° C and pressures between 0.3 mbar and 950 mbar.
  • PC polycarbonate
  • BPA bisphenol A
  • DPC diphenyl carbonate

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Polymers aus einer Polymerschmelze sowie ein Steuersystem, durch das wenigstens ein Reaktorsystem einer Anlage zur Herstellung eines Polymers aus einer Polymerschmelze steuerbar ist. Die Polymerschmelze wird durch ein Anlagenvolumen geleitet und durchläuft wenigstens ein Reaktorsystem, in dem eine durch Zustandsgrössen definierte Reaktion abläuft. Im Anlagenvolumen wird durch ein Messsystem eine Zustandsgrösse der Polymerschmelze bestimmt und die Reaktionsparameter des Reaktorsystems werden in Abhängigkeit von dieser Kenngrösse gesteuert. Überraschend hat sich ergeben, dass eine besonders genaue und robuste Steuerung erreicht wird, wenn als Zustandsgrösse der Polymerschmelze die von einem Coriolis-Kraft-Sensor (19 - 22) erfasste Coriolis-Kraft verwendet wird. Die Reaktorsysteme (5, 7 - 10, 13, 15) werden von einem Kontrollsystem (25) in Abhängigkeit von der gemessenen Coriolis-Kraft gesteuert.

Description

Coriolis-Verfahren und -Vorrichtung zur Steuerung der Polymerherstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Polymers aus einer Polymerschmelze in einer Anlage mittels wenigstens eines Reaktorsystems, in dem in der Polymerschmelze eine durch wenigstens einen Reaktionsparameter bestimmte chemische Reaktion zur Bildung des Polymers durchgeführt wird, wobei wenigstens eine Zustands- größe der Polymerschmelze erfasst und der wenigstens eine Reaktionsparameter des Reaktorsystems in Abhängigkeit von der Zustandsgröße gesteuert wird.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anlage zur Herstellung eines Polymers aus einer Polymerschmelze, mit wenigstens einem Reaktorsystern, in dem in der Polymerschmelze eine von Reaktionsparametern bestimmte chemische Reaktion durchführbar ist, mit einem wenigstens eine Zustandsgröße der Polymerschmelze erfassenden Sensor, und mit einer Steuereinheit, das mit dem Sensor datenü bertragend verbunden ist und durch welche wenigstens ein Reaktionsparameter in Abhängigkeit von der Zustandsgröße steuerbar ist.
Unter einem Reaktionsparameter des Reaktorsystems ist eine physikalische Größe zu verstehen, durch die das Reaktionsgleichgewicht der im Reaktor ablaufenden Reaktion bestimmt wird. Solche Reaktionsgrößen können beispielsweise die Temperatur, der Druck und/oder eine chemische Größe wie Konzentration eines Polymerbestandteils und/oder deren Molgewicht sein. Durch die Reaktionsparameter wird die im Reaktorsystem ablaufende Reaktion definiert bzw. gesteuert. In Abhängigkeit von den Reaktionsparametern der Reaktion ändert sich der Zustand der Polymerschmelze, der durch die Zustandsgrößen der Polymerschmelze, wie beispielsweise der Konzentration der Nebenprodukte, dem Polymerisationsgrad, der Temperatur und der Viskosität, um nur einige zu nennen, bestimmt ist. Das Anlagenvolumen schließlich umfasst den Raum, der von der Polymerschmelze mit den Neben- und Spaitprodukten sowie den von der Polymerschmelze gebildeten Gasen und Dämpfen im Zuge der Herstellung des Polymers durchströmt wird.
Verfahren und Systeme der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der US-A-5 155 184 ist beschrieben, dass die molekulare Struktur eines Polymers durch Absorptionsmessungen mittels eines Infrarot-Spektrofotometers ermittelt werden kann. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Absorptionsmessungen werden die einem Reaktor zugeleiteten Stoffströme und die Entleerungszyklen des Reaktors gesteuert. Dieses Verfahren ist gemäß US-A-5 155 184 zur Steuerung der Polymerisation von einem oder mehreren Olefin- oder Vinylmonomeren geeignet.
Der Nachteil des Verfahrens der US-A-5 155 184 liegt, wie bei allen Verfahren basierend auf optischen Messungen, darin, dass in die Außenwandungen des Anlagenvolumens an den Messstellen lichtdurchlässige Bereiche, beispielsweise Glasscheiben, eingebaut werden müssen. Ohne derartige lichtdurchlässige Bereiche kann eine optische Untersuchung der Polymerschmelze im Inneren des Anlagenvolumens nicht stattfinden. Der Nachteil solcher Einbauten besteht darin, dass die mechanische Festigkeit des Leitungssystems deutlich herabgesetzt wird. Bei einer Reihe von Polymeren, insbesondere bei spontan exotherm reagierenden Polymerenkann eine derartige Herabsetzung der mechanischen Festigkeit nicht toleriert werden, da im Falle einer spontanen exothermen Reaktion Bruchgefahr besteht.
Ein weiteres Messprinzip ist aus der US-A-4448 943 bekannt. Bei diesem Messprinzip wird mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes die Dielektrizitäts-Konstante eines Polymers bestimmt. Die Prozessvariablen des Herstellprozesses für das Polymer werden so gesteuert, dass sich die gemessene Dielektrizitäts-Konstante der Dielektrizi- täts-Konstanten des Polymers mit der gewünschten Zusammensetzung annähert. Neben der Dielektrizitäts-Konstanten kann zusätzlich ein Dissipationsfaktor berechnet und zur Zustandsbestimmung des Polymers herangezogen werden. Gemäß der Lehre der US-A-4 448 943 wird bei Frequenzen unterhalb von 20 kHz die Dielektrizitäts-Konstante stark von ionischen Verunreinigungen beeinflusst, so dass dieser Frequenzbereich zur Kontrolle der Zusammensetzung der Polymerschmelze herangezogen werden kann. Bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 1 MHz soll gemäß dieser Druckschrift die Dielektrizitäts-Konstante einen konstanten, materialtypischen Wert erreichen.
In der US-A-5 208 544 sind ein ringförmiger, dielektrischer Sensor und ein kontinuierliches Messverfahren beschrieben, durch welche die Viskosität eines Polymers in Abhängigkeit vom dielektrischen Verlustfaktor bestimmt werden kann. Der Sensor erzeugt elektromagnetische Wechselfelder mit Frequenzen zwischen 0,5 Hz und 200 kHz und ist lediglich für Leitungen mit einem Innendurchmesser von maximal 8 cm geeignet. Ein derartiger Leitungsdurchmesser ist für großindustrielle Anwendungen zu klein.
Insgesamt ergibt sich, dass im Bereich der Polymerherstellung, insbesondere im Bereich der Herstellung von Polymeren robuste, genaue und zuverlässige Verfahren und Steuersysteme fehlen.
Gerade bei modernen Verfahren zur Herstellung von Polymeren ist es jedoch erforderlich, die Reaktionsbedingungen besonders stabil und konstant auf vorgegebene Werte zu halten. Dies ist nicht nur unbedingt erforderlich, um Produkte gleichmäßiger Qualität zu erzeugen, sondern auch um unerwünschte Nebenreaktionen zu unterbinden, die bei einem Über- oder Unterschreiten der eingestellten Reaktionsbedingungen auftreten. Derartige Nebenreaktionen haben nicht nur einen Einfluss auf die Produktqualität und Produktausbeute, sondern machen auch besondere Maßnahmen erforderlich, um das Verfahren umweltfreundlich zu halten. Gerade unter dem zunehmend wichtiger werdenden Aspekt der Umweltfreundlichkeit bzw. -Verträglichkeit der Herstellverfahren ist es besonders wichtig, die Reaktionsbedingungen genau einzuhalten.
Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als die wenigstens eine zur Steuerung des wenigstens einen Reaktionsparameters verwendete Zustandsgröße eine von der Polymerschmelze erzeugte Coriolis- Kraft verwendet wird.
Der Begriff „Polymerschmelze" wird im Zusammenhang mit der Erfindung im Folgenden für alle in den erfindungsgemäßen Systemen auftretenden Fluide verwendet, die Oligo- mere und/oder Polymere enthalten können, auch wenn einige dieser Mischungen auch als Lösungen bezeichnet werden könnten.
Für die eingangs genannte Anlage ergibt sich als erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe, dass als Sensor ein Coriolis-Kraft-Sensor vorgesehen ist und dass die Steuereinheit ausgestaltet ist, den wenigstens einen Reaktionsparameter in Abhängigkeit von der gemessenen Coriolis-Kraft zu steuern. Beide Lösungen sind insofern einfach, als Coriolis-Kraft-Sensoren bereits in Anlagen zur Polymerherstellung verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird die vom Coriolis-Kraft-Sensor erfasste Coriolis-Kraft dazu verwendet, Aussagen über den Zustand der Polymerschmelze zu erhalten und darüber die Reaktion im Reaktorsystem zu steuern. Dies kann entweder durch eine Auswertung der Momentanwerte der Coriolis-Kraft und/oder durch eine Auswertung des Zeitverlaufs der Coriolis-Kraft erreicht werden. Bei der Auswertung des Zeitverlaufs wird darauf geachtet, wie sich die Coriolis-Kraft über die Zeit entwickelt hat, z.B. ob plötzliche Änderungen und Sprünge oder ob ein stetiger langsamer Abfall auftritt. Der Zeitverlauf der Coriolis-Kraft kann beispielsweise durch Berechnen der ersten und weiteren zeitlichen Abteilung erfolgen.
Der erfindungsgemäße Einsatz des Coriolis-Kraft-Sensors zur Steuerung einer Reaktion bei der Polymerherstellung unterscheidet sich grundsätzlich von dem bekannten Einsatz der Coriolis-Kraft-Sensoren bei der Herstellung von Polymeren oder der Verarbeitung von ternären Cellulose-Mischungen, wie in der FR 2 821 175 A1 und der DE 100 44 491 A1 bzw. der DE-A-199 49 726 und der WO-A-01 25517 beschrieben ist. Dort werden Coriolis-Kraft-Sensoren nämlich nicht für die Steuerung einer Reaktion, sondern lediglich zur Steuerung der Zusammensetzung einer Polymer- bzw. Cellulose-Mischung verwendet, deren Anteile ohne Reaktion in Lösung gehen.
Die FR 2 821 175 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Produkteigenschaft, wie beispielsweise dem Produkt einer Synthese oder einer Polyaddition. Das Verfahren wird mit Hilfe eines mathematischen Modells gesteuert, welches das Verhältnis zwischen den Produkteigenschaften und den charakteristischen Verfahrensgrößen, beispielsweise der mittels rheometrischer, spektrometrischer oder Ultraschall-Verfahren bestimmter Schmelzfließfähigkeit, wiedergibt. In der FR 2 821 175 A1 ist ferner offenbart, dass der Durchsatz eines Depolymerisationsmittels von einem Coriolis-Sensor erfasst wird.
Dadurch ist in dieser Druckschrift, im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung, jedoch nicht erwähnt, dass die von der Polymerschmelze erzeugte Coriolis-Kraft zur Steuerung wenigstens eines Reaktionsparameters verwendet wird. In der FR 2 821 175 A1 wird nämlich lediglich die Erfassung des Durchsatzes eines Depolymerisationsmittels, das der Reaktion zugeführt wird, mittels eines Coriolis-Sensors beschrieben.
In der DE 100 44 491 A1 ist eine Dichtemesseinrichtung zur Ermittlung der Dichte einer gasbeladenen und unter Druck stehenden Flüssigkeit, insbesondere einer fließfähigen Kunststoffmasse, mittels einer Coriolis-Messzeile beschrieben. Ferner befasst sich die DE 100 44 491 A1 mit einer Einrichtung zur Erfassung und Steuerung der Gasbeladung der Flüssigkeit, wobei die Gasbeladungsmesseinrichtung die Dichtemesseinrichtung aufweist.
In der DE 100 44 491 A1 erfolgt zwar die Erfassung und Steuerung der Zusammensetzung von gasbeladenen und unter Druck stehenden Flüssigkeiten, beispielsweise Kunststoffschäumen, allerdings ohne dass eine chemische Reaktion und die Steuerung dieser Reaktion stattfindet. Folglich ist auch in der DE 100 44 491 A1 nicht offenbart, dass eine durch wenigstens einen Reaktionsparameter bestimmte chemische Reaktion zur Bildung eines Polymers mit Hilfe eines Coriolis-Sensors überwacht und gesteuert wird.
In der WO-A-01 25517 werden die Dichte und der Massendurchfluss der ternären Cellu- lose-Lösung durch einen Coriolis-Kraft-Sensor ermittelt werden. In Abhängigkeit von der Dichte wird der Wassergehalt der Celluloselösung bestimmt und ein Ventil in der Beschickungsleitung des Aminoxids betätigt.
In der DE-A-199 49 726 ist ebenfalls eine Ausführungsform beschrieben, bei der die Dichte der ternären Celluloselösung aus Cellulose, Wasser und Aminoxid mittels eines Coriolis-Kraft-Sensors gemessen wird. Die Dichte ist eine von zwei Zustandsgrößen, mit deren Hilfe die Zusammensetzung der Celluloselösung gesteuert wird.
Die Coriolis-Kraft-Sensoren der DE-A-199 49 726 und der WO-A-01 25517 werden weder für die Herstellung einer Polymers, noch zur Steuerung einer Reaktion in einem chemischen Reaktor eingesetzt, sondern lediglich zur Steuerung einer nicht reagierenden Lösung, in der bereits die Cellulose als fertiges, nicht mehr herzustellendes Polymer enthalten ist. In Abhängigkeit von der gemessenen Coriolis-Kraft oder von einer für die Coriolis-Kraft repräsentativen Zustandsgröße kann insbesondere in dem wenigstens einen Reaktorsystem das Reaktionsgleichgewicht verschoben werden, indem wenigstens einer der Reaktionsparameter verändert wird. Bei einer Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts ändern sich die Mengen und Konzentrationen der bei der Reaktion im Reaktorsystem erzeugten Reaktionsprodukte, außerdem können neue Reaktionsprodukte entstehen oder das Entstehen von Reaktionsprodukten verhindert werden. Eine solche Änderung kann auch die des Polymerisationsgrades beispielsweise bei einer Polykonden- sationsreaktion zur Bildung langkettiger Polyester sein. Der Polymerisationsgrad kann durch den Coriolis-Kraft-Sensor insofern mitbestimmt werden, als mit zunehmender Kettenlänge in der Polymerschmelze die Viskosität ansteigt und die Coriolis-Kraft beein- flusst.
Beispielsweise können als Reaktionsparameter das Verhältnis der miteinander reagierenden Substanzen bzw. Monomere und/oder die Konzentration des Katalysators gesteuert werden. Besonders bevorzugt kann über den Coriolis-Kraft-Sensor ferner die Temperatur der Polymerschmelze gesteuert werden. Die Temperatur beeinflusst nämlich sowohl die Reaktion der Monomere miteinander als auch die Viskosität unabhängig von der Reaktion. Dieser gemeinsame Effekt kann einfach und schnell durch Messung der Coriolis-Kraft ermittelt werden.
Ebenfalls besonders bevorzugt kann über den Coriolis-Kraft-Sensor der Druck im Gasraum des Reaktors über der Polymerschmelze gesteuert werden. Dieser Druck beeinflusst ebenfalls die Reaktion der Monomere oder Polymerketten miteinander und damit die Viskosität, da er die Entfernung des bei der Polykondensationsreaktion gebildeten Wassers aus der Polymerschmelze beeinflusst.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung muss der Zusammenhang zwischen der gemessenen Coriolis-Kraft und dem Zustand bzw. der Zusammensetzung der Polymerschmelze nicht im Vorhinein analytisch untersucht werden, sondern kann experimentell bei unterschiedlichen, kontrollierten Zuständen der Polymerschmelze punktweise durch ein Eichverfahren bestimmt werden. Aus den einzelnen Messpunkten lässt sich dann ein Kennfeld bestimmen, das den gemessenen Coriolis- Kräften eindeutig bestimmte Zustände der Polymerschmelze zuordnet. Mit diesem Kennfeld kann dann das Reaktorsystem basierend auf rein empirischen Messungen gesteuert werden, ohne dass der theoretische Zusammenhang zwischen der gemessenen Zustandsgröße Coriolis-Kraft und den Reaktionsparametern bekannt sein muss. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die Zustandserfassung und die Reaktionssteuerung über die Coriolis-Kraft bei einer Vielzahl von völlig unterschiedlichen Herstellverfahren erfolgreich eingesetzt werden kann.
In der Steuereinheit kann das Kennfeld auf verschiedene Art implementiert sein. Eine erste Möglichkeit besteht darin, das Kennfeld in Form von Look-up-Tabellen abzuspeichern, bei denen einer gemessenen Coriolis-Kraft bzw. einem gemessenen Zeitverlauf der Coriolis-Kraft bestimmte einzustellende Reaktionsparameter des Reaktorsystems gegenübergestellt sind. Werden Coriolis-Kräfte gemessen, die zwischen tabellier- ten Werten der Look-up-Tabelle liegen, so kann die Tabelle interpoliert werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Kennfeld in Form einer interpolierten, an die Messpunkte angepassten Gleichung, wie einem Polynom oder einer Fourier-Reihe, in der Steuereinheit abzulegen. Mit Hilfe dieser Gleichung können die einzustellenden Reaktionsparameter des Reaktorsystems den gemessenen Werten der Coriolis-Kraft eindeutig zugeordnet werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein computerimplementiertes neuronales Netzwerk mit Hilfe der Messpunkte zu trainieren. Dabei werden als Trainingswerte für das neuronale Netzwerk einerseits die Messpunkte der Coriolis-Kraft und andererseits diejenigen Reaktionsparameter verwendet, die beim Reaktorsystem eingestellt werden müssen, um ausgehend vom erfassten Zustand den gewünschten Zustand der Polymerschmelze zu erhalten.
Natürlich kann auch eine einfache PID-Regelung verwendet werden, bei der die Reaktionsparameter am Reaktorsystem in Abhängigkeit von einer Abweichung der gemessenen Coriolis-Kraft von einer Soll-Coriolis-Kraft eingestellt werden. Hierzu kann beispielsweise die gemessene Coriolis-Kraft mit einem vorab bestimmten, für einen Soll- Zustand der Polymerschmelze repräsentativen Sollwert verglichen und das Reaktorsystem in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs gesteuert werden. Natürlich können durch das Kennfeld in seinen verschiedenen Formen nicht nur die einzustellenden Reaktionsparameter mit ihren absoluten Werten, sondern auch die einzustellenden Änderungen der derzeit vorliegenden Reaktionsparameter als Relativwerte vorgegeben werden.
Das Reaktorsystem kann in Abhängigkeit von der Coriolis-Kraft insbesondere so gesteuert werden, dass der Anteil wenigstens einer Komponente der Polymerschmelze im Reaktorsystem in Abhängigkeit von der genannten Coriolis-Kraft verändert wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn durch diese Komponente die Dichte und Zähigkeit der Polymerschmelze beeinflusst werden. Die Zusammensetzung der Polymerschmelze im Hinblick auf derartig wirkende Komponenten ist über die Coriolis-Kraft-Messung besonders leicht festzustellen.
Da die Zähigkeit und die Dichte von Polymerschmelzen temperaturabhängig sein können, kann die Genauigkeit der Steuerung des Reaktorsystems in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch verbessert werden, dass die Temperatur der Polymerschmelze im Anlagenvolumen bzw. Messvolumen gemessen und bei der Steuerung des Reaktorsystems berücksichtigt wird. Dies kann beispielsweise auf einfache Weise dadurch geschehen, dass der Einfluss der Temperatur auf die Coriolis-Kraft-Messung experimentell (oder analytisch) bestimmt und/oder die Temperatur als weitere Größe in dem für die Steuerung verwendeten Kennfeld aufgenommen wird. Als weitere Möglichkeit können auch temperaturbedingte Schwankungen der Coriolis-Kraft mittels einer Kompensationsgleichung kompensiert werden. In einer solchen Kompensationsgleichung ist der Einfluss der Temperatur auf die Coriolis-Kraft berücksichtigt.
Das Steuersystem kann vorteilhaft so ausgestaltet sein, dass bestehende Anlagen damit nachgerüstet werden können. Insbesondere kann eine Messeinheit des Steuersystems als eine Baueinheit ausgestaltet sein, in dem wenigstens ein Sensor einstückig in eine bestehende Anlage integriert ist. Das Steuersystem kann also auch zum bereits bestehendem Coriolis-Kraft-Sensor anschließbar ausgestaltet sein, so dass eine bestehende Anlage nicht oder nur in einem geringen Maß umgebaut werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren und Messsystem lässt sich beispielsweise bei der Herstellung von Polymeren aus Polymerschmelzen oder bei der Änderung der Konzent- ration von Komponenten, Endgruppen oder dem Polymerisationsgrad während einer Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation einsetzen.
Vorteilhaft werden das Verfahren und das Messsystem nach Reaktoren eingesetzt, in denen Veresterungsreaktionen zu Polymeren von aromatischen und aliphatischen Di- carbonsäuren oder Dicarbonsäureestem mit Dialkoholen oder Hydroxysäuren zu Poly- estern, beispielsweise Terephthalsäure oder Dimethylterephthalat mit Ethylenglycol, 1 ,2- , 1 ,3-Propylenglycol oder 1 ,4-Butandiol zu Polyestem, von Bisphenolen und Diphenyl- und Diarylcarbonaten zu Polycarbonaten oder von aromatischen Disäuren mit aromatischen Diphenolen zu Polyacrylaten bei Temperaturen über 200°C stattfinden, wobei bei einer konstanten Betriebsweise eine Steigerung der Ausbeute durch nahes Heranfahren an die thermodynamischen Grenzen erreicht werden kann.
Weitere vorteilhafte Anwendung kann das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung bei der Verfolgung des Reaktionsfortschrittes oder des Zustandes des Produktes im Laufe von Polymerisationreaktionen finden, die sowohl in der Schmelze, als in Lösung oder in Suspension durchgeführt werden. In diesem Fall können die Coriolis- Kraft-Sensoren insbesondere jeweils hinter, vorzugsweise unmittelbar jeweils hinter den Reaktorsystemen angeordnet sein. Setzt man die Coriolis-Kraft-Sensoren hinter Veresterung-, Umesterungs- oder Vorkondensationsreaktoren ein, so ist das Polymer an diesen Messstellen noch nicht vollständig umgesetzt, so dass korrigierend bzw. nachregulierend auf die in die Polykondensation gehende Polymerschmelze durch Steuerung der Reaktionsparameter in den Veresterungs-, Umesterungs- und Vorkondensationsre- aktorsystemen eingegriffen werden kann.
In den Polykondensationsreaktoren, in denen die weitere Polymerisation bis zum gewünschten Endprodukt stattfindet, läßt sich durch den Einsatz eines Coriolis-Kraft- Sensors insbesondere die Endviskosität des Polymeren überwachen und bei Abweichungen gegebenenfalls in die Reaktorsteuerung eingreifen. Beispielsweise ist es bei der Herstellung von Polyethylenterephthalat möglich, bei einem Absinken der Endviskosität unter einen Sollwert den Druck im Gasraum des Polykondensationsreaktors zu verringern, um die Entfernung von Wasser aus der Polymerschmelze zu verstärken und damit die Bildung längerer Polyethylenterephthalatketten zu fördern. Ein weiterer Coriolis-Kraft-Sensor kann an einer Rücklaufkolonne angeordnet sein, um die Rücklaufmenge bilanzieren zu können und die Einspeisemenge der Polymere zu berücksichtigen.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die Figur und eine Tabelle erläutert. Wie aus der obigen allgemeinen Beschreibung der Erfindung hervorgeht, können dabei einzelne Merkmale der Ausführungsform weggelassen werden, wenn es auf die mit diesen Merkmalen verbundenen Vorteile im speziellen Anwendungsfall nicht unmittelbar ankommt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Anlage zur Polymerherstellung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Messsystems in einer schematischen Darstellung.
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Coriolis- Kraft und dem Molverhältnis der Monomere.
Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über Versuchsbeispiele.
Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch eine Anlage 1 zur Herstellung von Polyethylenterephthalat PET aus Terephthalsäure TPA als erstem Monomer 2 und Ethylenglycol EG als zweitem Monomer 3. Terephthalsäure und Ethylenglycol werden im Molverhältnis 1 :1 ,8 mit 200 ppm Antimon als Katalysator 4 in einem Veresterungsreaktor 5 bei einem Durchsatz von 100 kg/h bei Temperaturen zwischen 250°C und 280°C und Drücken zwischen 1700 mbar und 0,5 mbar zur Reaktion gebracht. Eine im Prinzip ähnliche Anlage ist beispielsweise in der DE-A-3 544 551 beschrieben.
Das Produkt aus dem Veresterungsreaktor 5 wird über ein Leitungssystem 6 zu einem Umesterungsreaktor 7 und von dort zu zwei nacheinander geschalteten Prepolykonden- sationsreaktoren 8 und 9 geleitet. Vom letzten Prepolykondensationsreaktor 9 wird die Polymerschmelze zu einem Endreaktor bzw. Ringscheibenreaktor 10 geleitet, aus dem das Polymer Polyethylenterephthalat als Endprodukt 11 erhalten wird. Aus den Reaktor- Systemen 8 ,9 und 10 werden Nebenprodukte über Ableitungen 12 durch eine Vakuumerzeugungseinrichtung 13 abgesaugt und von dort über eine Sammelleitung 14 zu einer Spaltproduktrektifikation 15 unterworfen und als Spaltprodukte 16 aus der Anlage geleitet. Der Spaltproduktrektifikation 15 werden außerdem über eine Ableitung 17 Spaltprodukte vom Veresterungsreaktor 5 zugeführt, die mengenmäßig den größten Anteil an Spaltprodukten ausmachen. Durch die Rektifikation werden die Ausgangsrohstoffe abgetrennt und über eine Rückleitung 18 wieder dem Veresterungsreaktor 5 zugeführt werden.
Wie aus der Fig. 1 ferner hervorgeht, ist in Durchleitungsrichtung der Polymerschmelze hinter den Reaktorsystemen 5, 7, 8 und 9 jeweils ein Messsystem 19, 20, 21 und 22 zur Coriolis-Kraft-Messung angeordnet. Ein weiteres Coriolis-Kraft-Messsystem 23 ist in der Rückleitung für die Produkte von der Spaltproduktrektifikation 15 zum Veresterungs- Reaktorsystem 5 angeordnet. Als Messsysteme 19 - 23 können beispielsweise Coriolis- Kraft-Sensoren der Fa. Krohne Typ Optimass MFS 7000, oder der Fa. Emerson Pro- cess, Baureihe Series 2000, verwendet werden.
Auf die Anzahl der in der Anlage verwendeten Coriolis-Kraft-Messsysteme kommt es im übrigen nicht an, es sind lediglich beispielhaft fünf derartige Messsysteme vorgesehen; erfindungsgemäß ist wenigstens ein derartiges System 19 - 23 in der Anlage 1 vorhanden.
Von den Messsystemen 19 - 23 werden über Datenleitungen 24 bzw. Datenübertragungsstrecken die für die Coriolis-Kraft als Zustandsgröße der Produkte repräsentativen Signale an eine Steuereinheit bzw. an ein Kontrollsystem 25 geleitet, von dem aus über die bidirektionalen Steuerleitungen 26 die Reaktorsysteme 5, 7 - 10, 13, 15 gesteuert werden. Über entsprechende, in der Fig. 1 nicht dargestellte Sensoren in den Reaktorsystemen werden die dort eingestellten bzw. herrschenden Reaktionsparameter erfasst und über die Steuerleitungen 26 an das Kontrollsystem 25 geleitet. Das Kontrollsystem 25 kann einen Mikrocomputer mit Prozessor und Speicher nutzen.
Ein Auswertesystem 27 ist ebenfalls datenübertragend mit dem Kontrollsystem 25 verbunden. Über von Hand durchgeführte Produktanalysen des Endproduktes, schematisch durch den Pfeil 28 dargestellt, sowie in Abhängigkeit von den Signalen der Coriolis- Kraft-Messsysteme und in Abhängigkeit von den in Reaktorsystemen gemessenen Reaktionsparametern wird im Auswertesystem 27 eine Kennfeldcharakteristik 29 berechnet, mit deren Hilfe das Kontrollsystem 25 die Reaktorsysteme steuert.
In der Fig. 1 ist beispielhaft eine Kennfeldcharakteristik 29 in Form einer aus diskreten Eichpunkten 30 aufgebauten Fläche gezeigt, durch welche die dem Reaktorsystem 5 zuzufügende Menge an Katalysator 4 in Masse-Prozent (m-% KAT) einer im Reaktorsystem 5 gemessenen Temperatur T5 und der vom Coriolis-Kraft-Messsystem 19 gemessenen Coriolis-Kraft Fc zugeordnet ist.
Eine derartige Kennfeldcharakteristik 29 kann für jedes Coriolis-Kraft-Messsystem 19 bis 22 und dem jeweils zugeordneten Reaktorsystem 5, 7 - 10, 13, 15 vom Auswertesystem 27 berechnet werden. Alternativ zu dieser Einzelsteuerung der Reaktorsysteme, oder ergänzend dazu, kann auch eine mehrdimensionale, zeichnerisch nicht mehr darstellbare Kennfeldcharakteristik 29 erstellt werden, welche als eine Hyperfläche die gemessenen Coriolis-Kräfte aller Messsysteme und die an mehreren oder allen Reaktorsystemen einzustellenden Reaktionsparameter miteinander korreliert. Bei einer derartigen Steuerung sind die Reaktionsparameter der verschiedenen Reaktorsysteme zu einem Parameterfeld zusammengefasst, das gleichzeitig von den Zustandsgrößen gesteuert wird. Diese Art der Steuerung hat gegenüber einer separaten Steuerung jedes einzelnen Reaktors durch einen ihm zugeordneten Coriolis-Kraft-Sensors den Vorteil, dass auch Abhängigkeiten der Reaktionsparameter verschiedener Reaktorsysteme berücksichtigt werden. Reaktionsparameter, die auf diese Weise gesteuert werden können, sind beispielsweise der Anteil des ersten Monomers, des zweiten Monomers und des Katalysators 4 im Reaktorsystem 5 sowie der Druck, die Verweilzeit und die Temperatur in den jeweiligen Reaktorsystemen.
Die Erzeugung der Kennfeldcharakteristik 29 ist im Folgenden anhand der Herstellung von Polycarbonat mit der Anlage gemäß Fig. 1 beispielhaft beschrieben:
Die Versuchsanlage nach Fig. 1 wurde zunächst ohne Coriolis-Kraft-Messung auf die in Tabelle 1 eingetragenen Werte optimiert und auf einen konstanten dauerhaften Betrieb eingeregelt. Die Reaktionsparameter und Produkteigenschaften werden im Steuersystem gespeichert. Danach wurden die Coriolis-Kraft-Messsysteme zugeschaltet und die Reaktionsbedingungen in der Anlage konstant gehalten. Anschließend wurden die Reaktionsbedingungen in einem Reaktorsystem gezielt verändert, um deren Einfluss auf die Coriolis-Kraft- Messung zu verfolgen und deren Auswirkungen zu speichern. Auf diese Weise wurde mit sämtlichen Parametern bei jedem einzelnen Coriolis-Kraft-Messsystem verfahren, bis die Kennfeldcharakteristik über einen Bereich der Zustandsparameter berechnet werden konnte, der im Betrieb der Anlage 1 zu erwarten ist.
Das Polycarbonat (PC) wird dabei aus Bisphenol A (BPA) als erstem Monomer und Diphenylcarbonat (DPC) als zweiten Monomer sowie Natriumphenolat als Katalysator hergestellt. Bei konstant gehaltener Temperatur, konstantem Durchsatz, Druck und bei konstanter Katalysatorkonzentration in sämtlichen Reaktorsystemen werden die Molverhältnisse der beiden Monomere stufenweise im Bereich von 0,9 bis 2,0 während des laufenden Betriebs der Anlage 1 verändert. Nach jeder stufenweisen Veränderung folgt eine ca. zweistündige Haltephase des eingestellten Molverhältnisses. Sowohl während der Übergangsphase als auch während der Haltephase werden die Coriolis-Kräfte an den Coriolis-Kraft-Sensoren gemessen und den Reaktionsparametern an den Reaktorsystemen zugeordnet. Auf diese Weise erhält man einen ersten Eichpunkt 30 der Kennfeldcharakteristik 29, der die Coriolis-Kräfte an den Messsystemen mit den Reaktionsparametern der Reaktorsysteme korreliert. Fig. 2 zeigt beispielhaft, wie die vom Coriolis- Kraft-Sensor gemessene Coriolis-Kraft mit dem Molverhältnis zusammenhängt. Von der gemessenen Coriolis-Kraft kann somit auf das Molverhältnis geschlossen werden.
Nach der Änderung des Molverhältnisses werden die übrigen Reaktionsparameter bei einem festen Molverhältnis von 1 :1 in beispielsweise jeweils zehn Stufen verändert. So kann die Temperatur des Versterungsreaktors zwischen 200 °C und 350 °C, der Druck zwischen 2 bar und 10 mbar, der Durchsatz um ± 50 % und die Katalysatorkonzentration um - 50 % und + 200 % um den jeweils im stabilen Zustand erreichten Wert variiert werden. Während der Änderung eines Reaktionsparameters sind die übrigen Reaktionsparameter auf einen für den stabilen Betrieb festgelegten Wert gehalten. Aus der Menge dieser Variationen erhält man eine Vielzahl von Eichpunkten, welche zusammen die Kennfeldcharakteristik 29 ergeben und Reaktionsparameter mit dem durch die Coriolis-Kraft-Sensoren erfassten Größen in Zusammenhang bringen.
Im Betrieb der Anlage kann dann die Kennfeldcharakteristik 29 beispielsweise als mehrdimensionale Look-up-Tabelle verwendet werden, bei der bei einem Satz von gemessenen Coriolis-Kräften nachgeschlagen wird, welche Änderung der Reaktionsparameter eingestellt werden muss, damit der stabile Soll-Zustand erreicht wird.
Alternativ kann mittels der Kennfeldcharakteristik auch ein neuronales Netz mit den gemessenen Coriolis-Kräften als Eingangsvektoren und den zur Erreichung des Soll- Zustandes einzustellenden Änderungen der Reaktionsparametern als Ausgangsvektoren trainiert wird. Die Funktionsweise eines solchen neuronalen Netzes ist beispielsweise in Ritter, Helge, „Neuronale Netze: Ein Einführung in Neuroinformatik selbstorganisierter Netzwerke", Addison-Wesley, 1991 , beschrieben. Das aus dem Training resultierende neuronale Netzwerk wird dann von der Steuereinheit 25 zur Steuerung der Anlage 1 ausgeführt.
Das Verfahren und die Vorrichtung können genauso wirkungsvoll bei der Herstellung und Verarbeitung von Nebenprodukten der Polymerherstellung eingesetzt werden.
Anhand dreier Versuchsbeispiele wird im Folgenden die Wirkung der erfindungsgemäßen Steuerung mit Hilfe der Coriolis-Kraft erläutert. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die Beispiele.
Beispiel 1
Bei Beispiel 1 wurde gemäß dem oben beschriebenen Herstellverfahren PET als Endprodukt 11 hergestellt.
Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, konnte durch die Coriolis-Kraft-Steuerung die Schwankungsbreite der Produkteigenschaften um bis zu 20% verringert werden. Beispiel 2
In der Versuchsanlage gemäß Fig. 1 wurde als Endprodukt 11 Polybutylenterephthalat (PBT) aus Terephthalsäure (TPA) als ersten Monomer und 1 ,4-Butandiol (BD) als zweiten Monomer im Molverhältnis 1 :2,5 mit 100 ppm Titankatalysator bei einem Massendurchsatz von 130 kg/h und typischen Reaktionsbedingungen von Temperaturen zwischen 220°C und 260°C sowie Drücken zwischen 0,5 mbar und 900 mbar vorgestellt.
Durch das erfindungsgemäße Steuerverfahren konnte auch hier die Schwankungsbreite der Produkteigenschaften um mehr als 20% verringert werden.
Beispiel 3
In der Versuchsanlage gemäß Fig. 2 wurde als Endprodukt 11 Polycarbonat (PC) aus Bisphenol A (BPA) als ersten Monomer und Diphenylcarbonat (DPC) als zweiten Monomer im Molverhältnis 1 :1 ,2 bei 100 ppm Natriumphenolat als Katalysator bei einem Massendurchsatz von 150 kg/h und typischen Reaktionsbedingungen mit Temperaturen zwischen 250°C und 330°C und Drücken zwischen 0,3 mbar und 950 mbar betrieben. Wie der Tabelle 1 zu entnehmen ist, verbessert sich der Yellowness-Index durch die Verwendung der Steuerung über die Coriolis-Kraft-Messung.
Tabelle 1
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Polymers (11 ) aus einer Polymerschmelze in einer Anlage (1) mittels wenigstens eines Reaktorsystems (5, 7-10, 13, 15), in dem in der Polymerschmelze eine durch wenigstens einen Reaktionsparameter bestimmte chemische Reaktion zur Bildung des Polymers durchgeführt wird, wobei wenigstens eine Zustandsgröße der Polymerschmelze erfasst und der wenigstens eine Reaktionsparameter des Reaktorsystems (5, 7-10, 13, 15) in Abhängigkeit von der Zustandsgröße gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als die wenigstens eine zur Steuerung des wenigstens einen Reaktionsparameters verwendete Zustandsgröße eine von der Polymerschmelze erzeugte Coriolis-Kraft verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Coriolis-Kraft nach dem Austritt der Polymerschmelze aus dem wenigstens einen Reaktorsystem (5, 7- 10, 13, 15) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsparameter der Anteil wenigstens einer Komponente der Polymerschmelze gesteuert wird.
4. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsparameter der Druck im Reaktorsystem gesteuert wird.
5. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Reaktorsystem (5, 7-10, 13, 15) kontinuierlich betrieben wird.
6. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Coriolis-Kraft weitere Zustandsgrößen erfasst werden und dass weitere Reaktionsparameter in Abhängigkeit von den weiteren Zustandsgrößen gesteuert werden.
7. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgleichgewicht der im Reaktorsystem (5, 7-10, 13, 15) ablaufenden Reaktion in Abhängigkeit von der Coriolis-Kraft verschoben wird.
8. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Coriolis-Kraft an mehreren Messstellen der Anlage (1 ) gemessen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messstelle einem Reaktorsystem (5, 7-10, 13, 15) zugeordnet ist.
10. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Coriolis-Kraft mittels einer vor der Messung abgespeicherten Kennfeldcharakteristik dem einzustellenden Reaktionsparameter zugeordnet wird.
11. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsparameter mehrerer Reaktorsysteme (5, 7-10, 13, 15) zu einem Feld zusammengefasst werden, das gleichzeitig in Abhängigkeit von an mehreren Stellen der Anlage (1 ) gemessenen Coriolis-Kräften gesteuert wird.
12. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Reaktionsparameter mittels eines computerimplementierten neuronalen Netzwerkes gesteuert wird.
13. Anlage (1 ) zur Herstellung eines Polymers (11 ) aus einer Polymerschmelze, mit wenigstens einem Reaktorsystem (5, 7 - 10, 13, 15), in dem in der Polymerschmelze eine von Reaktionsparametern bestimmte chemische Reaktion durchführbar ist, mit einem wenigstens eine Zustandsgröße der Polymerschmelze erfassenden Sensor, und mit einer Steuereinheit, das mit dem Sensor datenübertragend verbunden ist und durch welche wenigstens ein Reaktionsparameter in Abhängigkeit von der Zustandsgröße steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor ein Coriolis- Kraft-Sensor vorgesehen ist und dass die Steuereinheit ausgestaltet ist, den wenigstens einen Reaktionsparameter in Abhängigkeit von der gemessenen Coriolis-Kraft zu steuern.
14. Anlage (1 ) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Coriolis- Kraft-Sensoren, die mit der Steuereinheit datenübertragend verbunden sind.
15. Anlage (1 ) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Coriolis-Kraft-Sensor in Strömungsrichtung der Polymerschmelze durch die Anlage (1 ) hinter dem wenigstens einen Reaktorsystem angeordnet ist.
16. Anlage (1 ) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Reaktorsystemen (5, 7 - 10, 13, 15) vorgesehen ist und jedem der Reaktorsysteme ein Coriolis-Kraft-Sensor zugeordnet ist.
17. Anlage (1 ) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage als Polykondensationsanlage ausgestaltet ist.
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