Verfahren zur Prozessführunz der Trennung von Mehrstoffsemischen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessführung der Trennung von Mehr- stoffgemischen bekannter Zusammensetzung in Destillationskolonnen. Im Beson- deren betrifft die Erfindung die Trennung von Mehrstoffgemischen mit eng beiein- ander liegenden Siedepunkten, z. B. Isomerengemische, die in ihre isomeren Stoff- komponenten mit hoher Produktreinheit aufgetrennt werden.

Bei der Nitrierung von Toluol erhält man aus der Reaktionsstufe ein Isomeren- gemisch bestehend aus ortho-, meta-und para-Nitrotoluol sowie Di-Nitrotoluol- Isomere und weiteren Stoffkomponenten. Die technische Aufgabe besteht darin, die Isomeren o-, m-und p-Nitrotoluol aus diesem Stoffgemisch abzutrennen und in hoher Reinheit von mindestens 99,70 % zu gewinnen. Dies geschieht in einer Reihe hintereinander geschalteter Destillationskolonnen, die zum Teil auch über Kreis- laufströme miteinander verbunden sind. Infolge der geringen Siedepunktsdifferenzen der zu gewinnenden Nitrotoluol-Isomeren sind zur Trennung Destillationskolonnen mit einer hohen Trennstufenzahl und hohem Rücklaufverhältnis erforderlich. Im Besonderen erfordert die Trennung von m-, und p-Nitrotoluol, deren Siedepunkt- differenz nur etwa 3 K beträgt, eine hohe Trennstufenzahl. Aus diesem Grund erfolgt die Trennung dieser Isomeren in einer Kolonne, die apparativ in zwei nebeneinander- stehende Kolonnenteile mit insgesamt einem Verdampfer und einem Kondensator aufgeteilt ist. Aufgrund der geringen Temperatursensitivität ist es nicht möglich, die Konzentration von p-Nitrotoluol, das am Sumpf des zweiten Kolonnenteils anfällt, über eine Kolonnentemperatur als Hilfsregelgröße zu regeln.

Da Kolonnentemperaturen als Hilfsregelgrößen zur Einhaltung der Produktspezifi- kation von p-Nitrotoluol nicht verwendet werden können, bietet sich der Einsatz von Online-Nahinfrarot-Spektroskopie-Geräten zur Prozessfuhrung an. Allerdings zeigt sich, dass deren Einsatz zur Analyse des Endproduktes, d. h. am Sumpfausgang oder Kolonne zwei wesentliche Nachteile hat. Dies sind :

Bei der Messung der Konzentration des Endproduktes (p-Nitrotoluol) liefert die NIR- Analyse Messwerte, die aufgrund der hohen Konzentration von p-Nitrotoluol nicht die erforderliche Genauigkeit aufweisen.

Selbst wenn es gelänge, mit der Analyse die für die Prozessführung erforderliche Genauigkeit zu erzielen, so ist die Anbringung des Messgeräts im Endproduktstrom nicht sinnvoll, da dort Konzentrationsabweichungen zu spät erfasst werden und damit zu spät entgegen gesteuert wird.

Im Endproduktstrom ist auf Grund der Produkteigenschaft während der Anfahr- prozesse des Verfahrens mit erheblichen Verunreinigungen und Verfärbungen zu rechnen. Damit ist die Anwendung der Spektroskopie als Messverfahren für die Regelung des Prozesses ausgeschlossen.

Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass im Produktstrom zwischen den beiden Kolonnenteilen die höchste Sensitivität bei Konzentrationsänderungen des Sumpf- produktes vorliegt. In dem genannten Produktstrom ist die Konzentrationsänderung um den Faktor 10 höher als die sich daraus ergebende Konzentrationsänderung im Sumpfprodukt. Darüber hinaus liegt in dem Produktstrom zwischen den Kolonnen eine gegenüber dem Endprodukt niedrigere p-Nitrotoluol-Konzentration vor. In diesem Produktstrom wird mit dem Analysengerät daher eine höhere Genauigkeit erzielt. Sie ist etwa doppelt so hoch wie bei einer Messung im Endprodukt.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Analysengerät in den Produktstrom zwischen den beiden Kolonnen anzubringen. Bindet man das Analysengerät dann in einen Regelkreis ein, so kann man damit die Konzentration in dem Produktstrom zwischen den beiden Kolonnenteilen konstant halten. Es ist damit jedoch nicht gewährleistet, dass auch die Konzentration des am Sumpf des zweiten Kolonnenteils abgezogenen Endprodukts konstant bleibt. Der Grund dafür liegt darin, dass die Trennleistung des zweiten Kolonnenteils, das zwischen der Stelle der Gerätean-

bringung und dem Kolonnensumpf liegt, aufgrund von Stelleingriffen und Störein- flüssen ständigen Änderungen unterliegt.

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Online- Analysengerät bei der oben beschriebenen Anordnung mit einem Online-Prozess- modell gekoppelt wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Prozessführung von Destilla- tionskolonnen mit einem unteren Kolonnenteil und einem oberen Kolonnenteil unter Regelung der Sumpfkonzentration, wobei mehrere Komponenten A, B vorzugsweise mit eng beieinander liegenden Siedepunkten von einander getrennt werden und wobei die am Sumpf des unteren Kolonnenteils anfallende Stoffkomponente mit hoher Reinheit gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Konzentration der Komponenten A, B an einer Stelle der Kolonne außerhalb des Sumpf-oder Kopfbereiches der Kolonne insbesondere an einer Stelle die im mittleren Bereich zwischen dem obersten Zehntel und dem untersten Zehntel der Länge der Gesamtkolonne angeordnet ist mit einem Analysengerät, insbesondere einem Nahinfrarot-Spektrometer online ge- messen wird, b) dass die nach a) gemessene Konzentration mindestens einer der Komponenten A oder B von einem Online-Prozessmodell in einer Rechnereinheit eines Prozessleitsystems übernommen und benutzt wird, und dass das Prozess- modell unter Verwendung des Messwertes und weiteren direkt an der Kolonne gemessenen Größen ausgewählt aus Temperatur, Druck und Stoff- Mengenströme, insbesondere von Zulauf, Heizmittelzufuhr, insbesondere Dampfzufuhr und Rücklauf, eine Sumpfkonzentration XAsu berechnet innerhalb einer durch das Prozessleitsystem und die Regelungstechnik bedingten Intervallzeit,

c) dass die unter Verwendung des Prozessmodells berechnete Sumpfkonzen- tration XAsu zur Regelung verwendet wird, indem die vom Modell berechnete Sumpfkonzentration XAsu regelungstechnisch wie der Istwert der Regelgröße der Sumpfkonzentration behandelt wird, d) dass bestimmte Parameter des Prozessmodells physikalisch interpretierbare Größen, insbesondere die theoretische Stufenzahl bezogen auf Packungen oder Füllkörper und/oder den Bodenwirkungsgrad darstellen, die in größeren Zeitintervallen insbesondere von mehreren Stunden, gegebenenfalls auch mehreren Tagen dem jeweiligen Kolonnenzustand, z. B. dem Verschmut- zungsgrad, angepasst werden auf der Basis von Analysen des Endproduktes und Eingabe der Analysendaten in das Prozessmodell.

In einer bevorzugten Variante kann das Verfahren auch für eine in mindestens zwei Teilkolonnen geteilte Kolonne angewendet werden, wobei die Konzentrations- messung a) im Bereich zwischen den Teilkolonnen erfolgt.

Bevorzugt ist eine Variante des Verfahrens mit Teilkolonnen, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Temperaturen und Mengenströme von Zulauf und Rücklauf sowie der Heizenergie insbesondere der Dampfmenge auch die Mengenströme zwischen den beiden Teilkolonnen sowie deren Temperaturen im Prozessmodell verwendet werden.

Bevorzugt ist in dem Verfahren das Analysengerät im Bereich zwischen dem obersten Fünftel und dem untersten Fünftel der Länge der Gesamtkolonne angeordnet.

Alternativ kann der Messwert des Flüssigkeitsstromes zwischen den beiden Teilkolonnen zusammen mit der Heizenergie im Prozessmodell verwendet werden.

Anstelle eines NIR-Spektrometers können auch andere Analysengeräte eingesetzt werden, z. B. Gaschromatographen, UV-VIS-Spektrometer, Flüssigkeitschromato- graphen.

In den Verfahren werden bevorzugt Stoffgemische mit höchstens 20 K insbesondere 10 K auseinander liegenden Siedepunkten getrennt.

Die Konzentration wird bei gegebener Temperatursensitivität bevorzugt über eine Temperatur-und Druckmessung ermittelt.

In einer alternativen Variante des Verfahrens kann die Kombination von Online- Analytik und Prozessmodell auch zur Konzentrationsregelung des Kopfproduktes verwendet werden.

Das Verfahren wird insbesondere für die Isomerentrennung von Nitrotoluol ver- wendet und bevorzugt wie folgt durchgeführt Das Analysengerät misst die Konzentration von einer Komponente (z. B. p- Nitrotoluol) im Produktstrom zwischen den beiden Kolonnenteilen und gibt diese In- formation an das Prozessmodell weiter. Aufbauend auf dieser Information berechnet das Modell unter Nutzung von direkt an der Kolonne gemessenen Größen z. B.

Mengenströmen, Dampfzufuhr und Temperaturen die p-Nitrotoluol-Konzentration im Sumpfprodukt. Der vom Modell ermittelte Wert wird als Istwert der Regelgröße behandelt. Die Differenz zwischen Soll-und Istwert ist Eingangsgröße in den Regler, insbesondere in einen PID-Regler-Baustein des Prozessleitsystems. Bei Abwei- chungen zwischen Soll-und Istwert ändert der Regler die Stellgröße, d. h. die Dampfzufuhr Der vom Online-Prozessmodell berechnete Wert für die Sumpfkonzentration hat prädiktiven Charakter. Störungen, eingeleitet z. B. durch eine Änderung von Mengen- strom oder Konzentration im Zulauf, werden an der Stelle des Geräteanschlusses

zwischen den beiden Kolonnen erfasst, bevor sie den Sumpf erreichen. Das Modell benutzt den aktuell gemessenen Konzentrationswert und berechnet anhand der gerade vorliegenden Trennleistung den sich daraus ergebenden neuen Konzentrationswert für das Sumpfprodukt. Dieser Wert ist die Konzentration, die sich nach ca. 20 bis 30 Minuten im Sumpfprodukt einstellen würde, wenn nicht eingegriffen werden würde.

Aufgrund der direkten Kopplung von Modell und Regler ändert der Regler die Dampfzufuhr, bevor die Konzentrationsstörung den Sumpf erreicht. Durch die Rück- kopplung der Dampfinengenänderung über das Modell zum Regler erfolgt die Änderung der Dampfmenge nur soweit, dass sie die Konzentrationsänderung im Produktstrom zwischen den Kolonnenteilen mit einer geänderten Trennleistung des zweiten Kolonnenteils ausgleicht. Das Konzept verwirklicht damit gleichzeitig eine inhärente Stellgrößenbeschränkung. Durch das frühzeitige Erkennen der Störung so- wie den rechtzeitigen und dosierten Reglereingriff wird die Arbeitsweise der Prozess- führung genau und robust. In Fig. la und lb ist erkennbar, dass die Messwerte der Zulaufinenge und der Zulauftemperatur, sowie die Rücklaufmenge, die Rücklauf- und die Kopftemperatur in das Prozessmodell eingehen und damit auch eine Feedforward-Strategie verwirklicht wird.

Das Prozessmodell benutzt zur Berechnung der Sumpfkonzentration das Flüssig- keits/-Dampfverhältnis sowie die theoretische Stufenzahl des zweiten Kolonnenteils, die von den Kolonneneinbauten wie z. B. Böden oder Packung abhängt. Da sich die theoretische Stufenzahl z. B. durch Verschmutzung ändern kann, muss das Ausgangs- signal des Prozessmodells in bestimmten Zeitabständen von z. B. je 24 Stunden an- hand von Analysendaten überprüft werden. Bei Abweichungen zwischen Modell- und Analysenwert werden die Modellparameter automatisch geändert. Im vorliegen- den Fall ist der anzupassende Modellparameter die theoretische Trennstufenzahl.

Dies ist eine physikalisch interpretierbare Größe. Deren Wert und Änderung zeigt den Zustand der Kolonneneinbauten an und kann z. B. als Information zur Fest- legung von Instandhaltungsintervallen genutzt werden.

Die Nurnerik des Prozessmodells erlaubt dessen Einbindung in geschlossene Regel- kreise. In den regelungstechnisch notwendigen Intervallzeiten bis zu 0,5 s berechnet das Modell die neuen Konzentrationswerte. Der Vorteil des Prozessmodells liegt darin, dass dessen Algorithmus robust ist und kein Iterationsverfahren enthält, wie dies z. B. in US-A-5,260, 865 der Fall ist. Im Vergleich zu dem in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren, das auf der im Zulauf gemessenen Konzentration aufbaut, geht das vorliegende Prozessmodell von Konzentrationsmessungen an den Stellen der Kolonne aus, wo die Sensitivität am höchsten ist.

Gegenüber anderen Prozessführungskonzepten, in denen die Sollwerte von Hilfs- regelgrößen wie z. B. Temperaturen eingestellt werden, hat die vorliegende Prozess- führung auch den Vorteil, dass der Anlagenfahrer die gewünschte Konzentration im Endprodukt als Sollwert der Regelgröße explizit vorgibt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren la und lb durch die Beispiele, welche jedoch keine Beschränkung der Erfindung darstellen, näher erläutert.

Fig. la zeigt das Verfahrensschema einer Destillationsanlage mit zwei Teilkolonnen Fig. lb zeigt das Verfahrensschema einer Destillationsanlage mit einer Kolonne

Beispiel In der Figur la ist ein Verfahrensschema für eine Isomerentrennung dargestellt. Ein Gemisch mit 70 %-Anteil des Isomers A (p-Nitrotoluol) wird in ein Kopfprodukt mit 30 % und ein Sumpfprodukt mit 99,70 % Isomeranteil A aufgetrennt.

Über eine Zuleitung 15 wird das Stoffgemisch (p-Nitrotoluol A, m-Nitrotoluol B) dem oberen Kolonnenteil 10 einer zweiteiligen Destillationskolonne 9,10 zugeführt, der Einlass befindet sich im unteren Drittel des Kolonnenteils 10. Der Sensor 1 er- fasst die Temperatur und Sensor 2 die Zulaufinenge des Gemisches A, B.

Am Kopf 30 der Kolonne 10 mit Temperaturfühler 24 wird die Leichtsiederfraktion A, B über die Leitung 21 an einen Kondensator 16 kondensiert und zum Teil über die Leitung 13 entnommen. Der andere Teil wird als Rücklauf 22 über ein Ventil mit Mengenregler 12 und Temperaturmessgerät 11 zum Kopfteil 30 zurückgeführt.

Zwischen dem oberen Kolonnenteil 10 und unterem Kolonnenteil 9 ist im Bereich der Verbindungsleitungen eine Messstelle 29 mit einem Nahinfrarot-Spektrometer 3 angeordnet.

Am Sumpf 23 des unteren Kolonnenteiles 9 ist eine Sumpfentnahmeleitung 14 angebracht, von der ein Teil des Sumpfproduktes über den Verdampfer 17 und die Leitung 20 zum Kolonnenteil 9 zurückgeführt wird. Der Verdampfer 17 wird über das Regelventil 19 aus der Dampfleitung 18 mit Dampf beaufschlagt.

Die Messwerte der Sensoren 1, 2,24, 11,12, 18 und des Analysengerätes 3 werden dem Rechner 6 zugeleitet.

An der Entnahmestelle 5 wird die Probe des Sumpfproduktes in bestimmten Zeitabständen (z. B. einmal täglich) auf ihre Zusammensetzung analysiert und mit

dem berechneten Wert der Sumpfkonzentration verglichen (Vergleicher 8 des Prozessleitsystems 28, das den Rechner 6 umfasst).

Das hier eingesetzte Online-Prozessmodell 6, für das binäre Stoffsystem A, B, ist aus den stationären Gesetzmäßigkeiten der Thermo-und Hydrodynamik hergeleitet und so vereinfacht worden, dass dies einerseits das Prozessverhalten im vorgesehenen Arbeitsbereich in der für die Prozessführung notwendigen Genauigkeit wiedergibt und andererseits durch eine vereinfachte Numerik im Prozessleitsystem 28 abläuft und die für die Regelung erforderlichen Ergebnisse innerhalb der vorgegebenen Intervallzeit liefern kann.

Das Ergebnis des Online-Prozessmodells hat prädiktiven Charakter. So gibt das Modell im Abtriebsteil 9 bei einer Störung z. B. einem Anstieg der Leichtsiederkonzentration im Zulauf dessen zu erwartenden Anstieg im Sumpfprodukt mit einer Vorlaufzeit von ca. 20 Minuten wieder. Das Modell berechnet die Sumpfkonzentration der Komponente A aus der vom Analysengerät 3 an der Messstelle 29 gemessenen Konzentration von A gemäß : Gleichung 1 : 1 m A, Su \"-A, online-Analyse/ \n+l (a) a zu Die Konzentration der Komponente A des aus dem Sumpf austretenden Produktstroms entspricht der Sumpfkonzentration X A, su. Diese ergibt sich aus der mit dem Online-Analysengerät gemessenen Konzentration der Komponente A an der Messstelle 29 X und der Trennleistung zwischen dieser Messstelle und dem Kolonnensumpf 23. Zur Berechnung der Trennleistung stehen dem Modell u. a. das Flüssigkeits-zu Dampf-Verhältnis a sowie die theoretische Trennstufenzahl zwischen Messstelle 29 und Kolonnensumpf 23 n zur Verfügung.

Hierzu werden noch die folgenden Gleichungen 2 bis 6 verwendet : Gleichung 2 : F a=- D Gleichung 3 : F = Rsnt + mFeed int Gleichung 4 : Gleichung 5 : CFeed % l mFeed int =mFeed 01+ (@Kol, Fe sFeed)] rFeed Gleichung 6 : Das Flüssigkeits-zu Dampf-Verhältnis a ist zu berechnen aus der Zulaufmenge 2 in Kombination mit der Temperaturdifferenz ermittelt aus den Temperaturen 1 und 27, der Rücklaufmenge 12 in Kombination mit der Temperaturdifferenz ermittelt aus den Temperaturen 11 und 24 und der Dampfinengel8.

Die Trennstufenzahl n ist abhängig von der den Stoffaustausch bestimmenden Hydrodynamik sowie vom Zustand der Packung und des Flüssigkeitsverteilers. Die Trennstufenzahl wird angepasst mittels Laboranalysen unter Verwendung von Gleichung 7 : (a ^ X A, Laboranalyse J m \I A, online-Analyse/+ a ln 1-,. _+_ A, Laboranalyse A, Laboranalyse n-. i f) a

In größeren Zeitabständen werden Proben 5 gezogen, um die Konzentration im Produktstrom 14 zu bestimmen, die der Sumpfkonzentration entspricht. Die Konzentration wird verglichen 8 mit der berechneten Konzentration 25 aus dem Prozessmodell. Bei Abweichungen zwischen gemessener und berechneter Konzentration wird die Trennstufenzahl des Prozessmodells angepasst (Modellanpassung 4).

Da das Modell den erhöhten Leichtsiederanteil (Leichtsieder ist hier die Komponente B) an der Messstelle mit der gerade vorhandenen Trennleistung, die vor der Störung zur Einhaltung der Sumpfkonzentration ausreichte, verbindet, wird ein höherer Leichtsiederanteil in der Sumpfkonzentration errechnet, der noch nicht vorhanden ist und erst im Gleichgewichtszustand erreicht werden würde, d. h. nach ca. 20 Minuten.

Der vom Modell ermittelte Wert 25 wird dem Regler als Istwert der Regelgröße zugeführt. Der Regler 7 erhöht sofort die Dampfmenge 18 soweit, bis der erhöhte Leichtsiederanteil an der Messstelle 29 zusammen mit dem erniedrigten Flüssigkeits- zu Dampf-Verhältnis wieder zum Sollwert 26 der Sumpfkonzentration führt. Da die Änderung der Dampfmenge 18 über das Modell ohne Zeitverzug zum Regler 7 zurückgeführt wird, ergibt sich eine robuste Regelung. Dies wird unterstützt durch die Tatsache, dass der Regler 7 eingreift, bevor die Störung den Sumpf 23 erreicht hat und dass infolge des frühzeitigen Eingreifens die Stellgrößenänderungen 19 dosiert erfolgen können.

Im Falle einer Verringerung des Leichtsiederanteils an der Messstelle 29 wird die Dampfmenge nur soweit zurückgefahren bis der erniedrigte Leichtsiederanteil zusammen mit dem erhöhten Flüssigkeits-zu Dampf-Verhältnis zum Sollwert der

Sumpfkonzentration führt. Mit der direkten Rückführung der Dampfmenge 18 über das Modell zurück zum Regler 7 wird die Dampfmenge 18 nur soweit reduziert, wie dies mit dem erniedrigten Leichtsiederanteil an der Messstelle 29 verträglich ist. Dies kann als eine inhärente Stellgrößenbeschränkung betrachtet werden. Die Praxis hat gezeigt, dass sich das System selbst bei starken Störungen robust verhält bei nur geringen Abweichungen des Istwertes vom Sollwert in der Übergangsphase.

Nachfolgend ist eine Liste der in den Gleichungen benutzten Symbole aufgeführt' SEI Temperatur am Kopf der Kolonne Temperatur der Rücklaufmenge ofeed Temperatur des Zulaufs sKol, Fe Temperatur der Kolonne an der Zulaufstelle CFeed Spezifische Wärme des Stoffsystems im Zulauf CKo Spezifische Wärme des Stoffsystems am Kopf der Kolonne rFeed Verdampfungswärme des Stoffsystems im Zulauf rKo Verdampfungswärme des Stoffsystems am Kopf der Kolonne rsu Verdampfungswärme des Stoffsystems im Sumpf der Kolonne rD Verdampfungswärme des der Kolonne zugeführten Heizdampfes m Steigung der Tangente an die Gleichgewichtskurve des für das Stoffsystem und den Druck maßgebenden McCabe-Thiele-Diagramms am unteren linken Punkt (Leichtsiederanteil gleich Null) a Flüssigkeits-zu Dampf-Verhältnis im Kolonnenteil zwischen Messstelle 29 und Sumpf 23 F Flüssigkeitsstrom im Kolonnenteil zwischen Messstelle 29 und Sumpf 23 D Dampfstrom im Kolonnenteil zwischen Messstelle 29 und Sumpf 23 R Rücklaufmenge, (extern) gemessen bei 11 R ; nt Interner Flüssigkeitsstrom im obersten Kolonnenteil. Dieser ergibt sich aus der gemessenen Rücklaufmenge und dem kondensierten

Dampfanteil der in der Kolonnen aufsteigenden Dämpfe, dessen Kondensationsenergie zur Anhebung der Rücklauftemperatur auf die Kolonnentemperatur benötigt wird. mFeed Zulaufmenge, (extern) gemessen bei 2 mFeedrllt Flüssigkeitsskom, der sich aus der gemessenen Zulaufmenge 2 und dem kondensierten Dampfanteil der aufsteigenden Dämpfe ergibt, dessen Kondensationsenergie zur Anhebung der Zulauftemperatur auf die Kolonnentemperatur an der Zulaufstelle benötigt wird. mD Dampfstrom 18 zur Kolonne n Theoretische Trennstufenzahl zwischen Messstelle 29 und Kolonnensumpf 23 XA, su Vom Prozessmodell berechnete Konzentration der Komponente A im Produktstrom 14 in Molanteilen (entspricht der Konzentration im Sumpf) XA, online-Analyse Vom online-Analysengerät gemessene Konzentration der Komponente A an der Messstelle 29 in Molanteilen XA, Laboranalyse Mittels Laboranalyse gemessene Konzentration der Komponente A des Produktstroms 14 in Molanteilen