An die Reinheit von in der chemischen Industrie hergestellten Produkten werden immer höhere Anforderungen gestellt. Dies gilt nicht nur für die sogenannten Feinchemikalien oder für Pharmazeu- tika, sondern in zunehmendem Maße auch für Massenprodukte, insbe- sondere für Substanzen, die als Ausgangsmaterialien in der Poly- merindustrie verwendet werden, wie beispielsweise Acrylsäure, Ca- prolactam, Naphthalin oder Phenol. Reinheitsanforderungen von über 99,99 Gew. % sind für derartige Substanzen nicht ungewöhn- lich, da nur hochreine Ausgangsmaterialien eine präzise Kontrolle der Kettenlängenverteilung der Polymere erlauben, die wiederum maßgeblich für die spezifischen Eigenschaften der Polymere ist.

Bei der Synthese einer chemischen Verbindung fällt die gewünschte Substanz jedoch üblicherweise nicht als Reinprodukt an, sondern ist Teil eines Verbindungsgemisches, das neben der gewünschten Substanz Verunreinigungen wie Lösungsmittel, Ausgangsverbindun- gen, Nebenprodukte oder unerwünschte Isomere enthält. Zur Tren- nung der gewünschten Substanz von den Verunreinigungen werden im industriellen Maßstab häufig destillative Trennverfahren einge- setzt, die jedoch mit einem hohen Energieaufwand verbunden sind.

Handelt es sich bei der gewünschten Substanz um eine kristalli- sierbare Verbindung, die nach dem Syntheseprozeß in einem flüssi- gen Verbindungsgemisch vorliegt, so bietet sich die Schmelzkri- stallisation als ein mögliches Verfahren zur Reinigung der ge- wünschen Substanz, d. h. zum Abtrennen der Substanz aus dem flüs- sigen Verbindungsgemisch an. Dabei wird die gewünschte Verbindung als Feststoff aus der Flüssigkeit auskristallisiert, anschließend der kristalline Feststoff von der restlichen Flüssigkeit, die als Mutterlauge bezeichnet wird, getrennt und wieder aufgeschmolzen.

Die Schmelze wird dann als gereinigtes Wertprodukt abgeführt. Üb- liche Verfahren des Standes der Technik sind die statische und dynamische Schichtkristallisation, bei der die zu isolierende Verbindung an feststehenden, gekühlten Flächen abgeschieden wird,

oder die Suspensionskristallisation, die auf dem Wachstum von Kristallen in einer Suspension beruht. Die Suspensionskristalli- sation weist dabei gegenüber der Schichtkristallisation den Vor- teil auf, daß sie in einem kontinuierlichen Prozeß durchgeführt werden kann. Außerdem ist die Reinheit der Kristalle aufgrund ihrer vergleichsweise langsamen Wachstumsgeschwindigkeit sehr hoch. Trotz der langsameren Wachstumsgeschwindigkeit kann mit der Suspensionskristallisation ein hoher Produktdurchsatz erzielt werden, da die Kristallisation in der Lösung mit einer großen für das Wachstum zur Verfügung stehenden Gesamtfläche verbunden ist.

Die Suspensionskristallisation stellt daher ein sehr wirksames und kostengünstiges Verfahren dar, um eine hohe Reinheit der ge- wünschen Verbindung zu erzielen. Dabei macht man sich zunutze, daß beim Wachstum der Kristalle in einer Flüssigkeit Verunreini- gungen weitgehend aus dem Kristallgitter verdrängt werden und in der Mutterlauge zurückbleiben. Bereits in einem einstufigen Kri- stallisationsprozeß erhält man daher hochreine Kristalle der ge- wünschen Verbindung.

Der entscheidende Schritt, der die Reinheit des Endproduktes maß- geblich beeinflußt, ist die Abtrennung der hochreinen Kristalle von ihrer Mutterlauge, die die Verunreinigungen und die nicht kristallisierten Anteile des ursprünglichen Gemisches enthält, durch einen Fest/Flüssig-Trennprozeß. Dieser Trennprozeß kann mehrstufig ablaufen, wobei zumindest in der letzten Stufe übli- cherweise eine sogenannte Waschkolonne verwendet wird. Die Wasch- kolonne hat die Aufgabe, die anfallende reine Kristallphase mög- lichst vollständig von der Mutterlauge zu trennen. Dazu wird die in einem Kristallisator erzeugte Kristallsuspension in die Wasch- kolonne eingeleitet und durch Mutterlaugenentzug ein dichteres Kristallbett erzeugt. Eine Waschflüssigkeit, beispielsweise eine Schmelze aus den aufgeschmolzenen Kristallen selbst, wird im Ge- genstrom durch das Kristallbett geleitet.

Zur Ausbildung eines kompakten Kristallbetts werden unterschied- liche Methoden eingesetzt. Bei gravitativ arbeitenden Waschkolon- nen wird die Kristallsuspension von oben in die Kolonne einge- führt und das Kristallbett bildet sich in einem Sedimentations- prozeß aus. Bei derartigen Kolonnen besteht jedoch die Gefahr, dass sich im Laufe des Sedimentationsprozesses vertikale Kanäle ausbilden, in denen eine Rückvermischung der Mutterlauge oder der Kristallsuspension mit der Waschflüssigkeit auftritt. Daher sind gravitativ arbeitende Waschkolonnen auf einem Teil ihrer Höhe meist mit einem Rührwerk versehen, das die Ausbildung von verti-

kalen Flüssigkeitskanälen im Kristallbett verhindert.

Derartige Rührwerke sind bei hydraulischen oder mechanischen Waschkolonnen nicht erforderlich. Bei hydraulischen Waschkolonnen wird die Suspension vielmehr unter Druck in eine druckdicht aus- gebildete Waschkolonne gefördert. Der Förderdruck selbst sorgt dann für eine Kompaktierung der Kristalle zu einem dichten Fest- bett. Bei einer mechanischen Waschkolonne wird der Druck zur Aus- bildung eines dichten Kristallbetts beispielsweise durch einen mechanischen, semipermeablen Stempel erzeugt, der für Mutterlauge durchlässig, aber für die Kristalle in der zugeführten Suspension undurchlässig ist. Die Verdichtung zu einem Kristallbett kann aber auch durch Abtrennung der Mutterlauge über Filter und mecha- nischen Transport der Kristalle vom Filter zum Kristallbett durch ein rotierendes Förderelement erfolgen.

Das Kristallbett weist eine sog. Aufbaufront auf, an der sich kontinuierlich Kristalle der eingeleiteten Kristallsuspension an- lagern. Die Aufbaufront bezeichnet also den Übergang von der Sus- pension zum Kristallbett und ist durch einen relativ abrupten Anstieg des Kristallgehalts in der Suspension gekennzeichnet. Bei hydraulischen Waschkolonnen wird diese Aufbaufront auch als Filtrationsfront bezeichnet.

An dem der Aufbaufront gegenüber liegenden Ende des Kristallbet- tes ist meist eine Art Rotormesser oder Schaber angeordnet, der kontinuierlich Kristalle vom dichten Kristallbett abträgt. Durch die kontinuierliche Anlagerung von Kristallen an der Aufbaufront einerseits und das kontinuierliche Abtragen von Kristallen an dem der Aufbaufront gegenüber liegenden Ende des Kristallbetts ande- rerseits, wird eine Transportrichtung des Kristallbettes defi- niert. Die vom Kristallbett abgetragenen Kristalle werden in ei- nem Wärmeübertrager aufgeschmolzen. Ein Teil der Schmelze wird als Reinproduktstrom abgeführt und ein anderer Teil der Schmelze als Waschflüssigkeitsstrom gegen die Transportrichtung der Kri- stalle durch das Kristallbett geleitet.

Durch die Förderung der Schmelze entgegen dem Kristallbett er- folgt eine Gegenstromwäsche der Kristalle. Die Reinigung der Kri- stalle beruht dabei im Wesentlichen auf einer Verdrängung und Verdünnung der Mutterlauge in den Zwickeln des Kristallbettes durch die Waschflüssigkeit. Der Verdünnungseffekt beruht hierbei auf Vermischung in den durchströmten Zwickeln zwischen den Kri- stallen und auf Diffusion in den nicht durchströmten Kontaktstel- len bzw. der oberflächennahen Strömungsgrenzschicht der Kri- stalle. Im stationären Betrieb stellt sich auf einer definierten

Höhe des Kristallbetts eine sog. Waschfront ein, die als derje- nige Ort in der Waschkolonne definiert ist, wo die höchsten Tem- peratur-und Konzentrationsgradienten auftreten. Auf Höhe der Waschfront findet nämlich in der die Kristalle umgebenden Flüs- sigkeit ein Konzentrationsübergang von Mutterlaugenkonzentration (oberhalb der Waschfront) zu Reinschmelzekonzentration (unterhalb der Waschfront) statt. Die Waschfront muß zur Erzielung einer adäquaten Reinigungswirkung in einer bestimmten Mindesthöhe ober- halb des Schabers positioniert sein. Da die Kristallisationstem- peratur in der verunreinigten Suspension unterhalb des Reinpro- duktschmelzpunktes liegt, kommt es im Bereich der Waschfront au- ßerdem zu einem Temperaturausgleich der kalten Kristalle mit der reinen Waschflüssigkeit, bei dem die Waschflüssigkeit teilweise oder vollständig rekristallisiert. Dadurch kann zumindest ein Teil der waschflüssigkeit zurückgewonnen werden. Diese Rekristal- lisation der Waschflüssigkeit ist besonders wirksam, wenn die Kristallisationstemperatur in der Mutterlauge ca. 10 bis 15 K unterhalb der Schmelztemperatur des Reinprodukts liegt.

Zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs einer Waschkolonne, d. h. zur Gewährleistung einer definierten Raum-Zeit-Ausbeute bei konstant guter Reinigungswirkung, ist eine kontinuierliche Kom- pensation äußerer Störgrößen erforderlich. Derartige Störgrößen können beispielsweise Schwankungen der Suspensionsmenge, Änderun- gen des Kristallgehalts in der Suspension, Variation der Kri- stallgrößenverteilung oder auch Konzentrationsschwankungen in dem, dem Kristallisator zugeführten Produktgemisch aus dem Syn- theseprozeß sein.

Die Kompensation derartiger äußerer Störungen erfolgt üblicher- weise : durch Regelung der Schmelzwärme ; durch Adaption der spezifischen Waschflüssigkeitsmenge mittels Regelung der Lage der Waschfront ; sowie bei hydraulischen und gravitativen Waschkolonnen zusätzlich durch Regelung der Lage der Aufbaufront.

Zusätzlich kann zur Kontrolle die Reinheit der Reinproduktschmel- zen in einer Produktabzugsleitung oder in einer Leitung des Schmelzkreislaufs beispielsweise ein Extinktionssensor angeordnet sein, der die Extinktion in einem für das gewünschte Produkt cha- rakteristischen Spektralbereich bestimmt. Ist der Extinktionssen- sor in einer Leitung des Schmelzkreislaufs angeordnet, kann er auch für das Anfahren der Waschkolonne genutzt werden, so daß beim Anfahren der Zeitpunkt bestimmt werden kann, bei dem das

Produktventil erstmals geöffnet wird.

Die Regelung der Schmelzwärme, d. h. der Eintrag der zum Schmelzen der Kristalle im Schmelzkreislauf erforderlichen Wärmemenge wird üblicherweise durch Regelung der Produkttemperatur nach dem Wärmeübertrager sichergestellt. Die Temperatur im Schmelzkreis- lauf unmittelbar nach dem Wärmeübertrager liegt dabei bevorzugt ca. 1-5 K über dem Schmelzpunkt des Reinprodukts. Das Rotormes- ser oder der Schaber wird üblicherweise mit fest eingestellter Drehzahl betrieben. Geeignete Verfahren zur Regelung der Schmel- zwärme sind dem Fachmann bekannt und sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft vielmehr die Regelung der Lage der Waschfront und/oder der Lage der der Aufbaufront des Kri- stallbetts.

Eine konstante Lage der Waschfront im Kristallbett gewährleistet, daß eine ausreichend große Waschflüssigkeitsmenge im Gegenstrom zur Transportrichtung des Kristallbetts strömt, so daß eine be- stimmte Reinheit des Endproduktes erzielt werden kann. Als spezi- fische Waschflüssigkeitsmenge bezeichnet man dabei die innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls zur Erzielung einer definierten Trennwirkung aufzuwendende Waschflüssigkeitsmenge, bezogen auf die der Waschkolonne in diesem Zeitintervall zugeführte Kristall- menge. Herkömmlicherweise wird die spezifische Waschflüssigkeits- menge durch Regelung der Lage der Waschfront unterhalb des Fil- ters in der Kolonne eingestellt. Die Waschfront wird dabei durch Einstellung der Waschflüssigkeitsmenge über das Produktventil auf einer definierten Position zwischen dem Filter und dem Schaber eingeregelt. Damit ist gewährleistet, daß eine gewünschte Trenn- wirkung, d. h. eine bestimmte Produktreinheit, mit minimalem Auf- wand an Waschflüssigkeit erfüllt wird. Zur Detektion der Wasch- front können beispielsweise ein oder mehrere im Kristallbett an- geordnete Temperatursensoren verwendet werden, da auf Höhe der Waschfront der Temperaturübergang von der Kristallisationstempe- ratur zur Schmelztemperatur des Reinprodukts erfolgt. Alternativ können auch optische Sensoren, beispielsweise Remissionssonden, zur Detektion der Lage der Waschfront herangezogen werden. Ober- halb der Waschfront besteht die das Kristallbett umgebende Flüs- sigkeit im wesentlichen aus verunreinigter Mutterlauge und unter- halb der Waschfront dagegen aus Reinproduktschmelze. Je nach Art der beteiligten Substanzen kann es bei diesem Übergang zu meßba- ren Änderungen der optischen Eigenschaften, beispielsweise der Remissionseigenschaften kommen. Herkömmlicherweise wird, wie bei der Regelung der Aufbaufront, die Waschfront zwischen zwei axial

beabstandeten Remissionssensoren eingeregelt.

Eine konstante Lage der Aufbaufront gewährleistet zu jedem Zeit- punkt die Einhaltung der äußeren Massenbilanz der Waschkolonne, d. h. es ist in diesem Fall gewährleistet, dass die gleiche Menge aufgeschmolzenes Reinprodukt abgezogen wird bzw. als Verlust mit der Mutterlauge die Waschkolonne verläßt, wie an Kristallen neu in die Waschkolonne gelangt. Die Lage der Aufbaufront in der Waschkolonne wird üblicherweise mit Hilfe von zwei optischen Re- missionssensoren bestimmt, die in einem gewissen axialen Abstand voneinander (d. h. gemessen entlang der Längsachse der Waschko- lonne) in einer definierter Höhe in der zylindrischen Seitenwand der Waschkolonne angeordnet sind. Die Lage der Aufbau-bzw.

Filtrationsfront kann beispielsweise bei hydraulischen Waschko- lonnen durch eine Einstellung der hydraulischen Verhältnisse in der Waschkolonne beeinflußt werden. Wenn beispielsweise kontinu- ierlich Mutterlauge über entsprechende Filter aus der Waschko- lonne abgezogen wird, bietet es sich an, einen Teil dieser abge- zogenen Mutterlauge zur Beeinflussung des hydrodynamischen Drucks in der Kolonne in diese zurückzupumpen. Eingestellt wird dabei die zurückgeführte Mutterlaugenmenge, die mit einer entsprechen- den Steuerstrompumpe z. B. durch Drehzahländerung variiert werden kann. Zeigt beispielsweise der obere Remissionssensor einen An- stieg des Kristallbettes in der Waschkolonne an, so sorgt ein Regelkreis für eine Erhöhung der Steuerstrommenge. Entsprechend wird die Steuerstrommenge bei absinkendem Bett reduziert. Die An- derung der Steuerstrommenge wird dabei nach einer definierten Charakteristik durchgeführt, z. B. linear in Abhängigkeit vom Men- genstrom und der Zeit.

Die beiden Remissionssensoren, die üblicherweise zur Regelung der Wasch-oder Aufbaufront herangezogen werden, weisen bei Waschko- lonnen mit einem ca. 1 m hohen Kristallbett typischerweise einen axialen Abstand (d. h. gemessen entlang der Längsachse der Wasch- kolonne) von 5 bis 10 cm auf. Dieser Abstand muß einerseits aus- reichend grob gewählt werden, damit die Signaldifferenz zwischen den von den beiden Sensoren gelieferten Signalen groß genug für einen Regelung ist. Andererseits entspricht der Abstand der bei- den Remissionssensoren auch die Genauigkeit, mit der die Lage der Aufbaufront geregelt werden kann. Das bekannte Regelungskonzept mit Hilfe von zwei axial beabstandeten optischen Sensoren, weist den Nachteil auf, daß die Lage der Fronten nur sehr ungenau in- nerhalb eines von zwei Randwerten definierten, relativ breiten Bereichs geregelt werden kann. Dieser Nachteil macht sich insbe- sondere dann bemerkbar, wenn die an der Aufbaufront oder an der Waschfront auftretenden optischen Änderungen gering sind. Dies

ist beispielsweise beim Anfahren einer Waschkolonne der Fall, wenn sich die Fronten im Laufe der Zeit erst ausbilden, aber beispielsweise auch im laufenden Betrieb, wenn ein bereits rela- tiv reines Ausgangsprodukt durch Schmelzkristallisation weiter gereinigt werden soll. Außerdem ist die bekannte 2-Punkt-Regelung relativ instabil, so daß größere Störungen leicht zu einem Versa- gen des Regelung führen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Waschkolonne in einem Schmelzkristallisationsprozeß anzugeben, wobei die Lage der Waschfront und/oder der Aufbau-bzw. Filtrationsfront mit größe- rer Genauigkeit geregelt werden kann. Außerdem soll eine zuver- lässige Regelung auch dann ermöglicht werden, wenn an der Wasch- front oder der Aufbaufront nur geringe Änderungen der optischen Eigenschaften des Kristallbettes bzw. der das Kristallbett umge- benden Flüssigkeit auftreten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Verwendung eines optischen Zei- lendetektors zur Regelung der Lage der Waschfront und/oder der Aufbaufront in einer Waschkolonne bei einem Schmelzkristallisati- onsprozeß. Der Zeilendetektor ist erfindungsgemäß so angeordnet, daß optische Eigenschaften des Kristallbettes in einem parallel zur Längsachse der Waschkolonne verlaufenden Bereich kontinuier- lich erfaßt werden können, wobei dieser Bereich die gewünschte Sollposition der Lage der Waschfront bzw. der Lage der Aufbau- front überdeckt Der Zeilendetektor weist mehr als zwei, vorzugs- weise mehr als vier und besonders bevorzugt mehr als 10 Meßele- mente (Sensorzellen) auf, so daß der axiale Verlauf der unter- suchten optischen Eigenschaften und damit auch die Lage der Auf- bau-oder Waschfront wesentlich präziser als mit der bekannten 2-Punkt-Messung bestimmt werden kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach auch ein Ver- fahren zur Regelung einer Waschkolonne in einem Schmelzkristal- lisationsprozeß, bei dem man eine Suspension, die in einer Mut- terlauge suspendierte Kristalle einer zu reinigenden Substanz enthält, kontinuierlich in eine Waschkolonne leitet, in der Waschkolonne ein Kristallbett der zu reinigenden Substanz ausbil- det, wobei das Kristallbett eine Aufbaufront aufweist, an der sich kontinuierlich Kristalle der eingeleiteten Suspension anla- gern, an dem der Aufbaufront gegenüberliegenden Ende des Kri- stallbetts kontinuierlich Kristalle abträgt, die abgetragenen Kristalle aufschmilzt, einen Teil der Schmelze als Reinprodukt- strom abführt und einen anderen Schmelze als Waschflüssigkeits- strom gegen die Transportrichtung der Kristalle durch das Kri-

stallbett leitet, wobei sich im Kristallbett eine Waschfront aus- bildet. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage der Aufbaufront und/oder die Lage der Waschfront in der Waschkolonne mittels wenigstens eines optischen Zeilende- tektors regelt.

Als optische Zeilendetektoren kommen unterschiedlichste lineare Sensorarrays mit mehr als zwei Sensorelementen in Frage, welche in der Lage sind, die gewünschten optischen Eigenschaften des Kristallbetts zu bestimmen. Bei einer typischen Kristallbetthöhe zwischen Aufbaufront und Schaber von 0,5 m bei einer mechanische Waschkolonne, von 0,5 bis 1,5 m bei einer hydraulischen Waschko- lonne und bis zu 5 m bei einer gravitativen Waschkolonne beträgt der von dem Zeilendetektor zu überwachende Regelbereich typi- scherweise 5 bis 30, bevorzugt 5 bis 10 cm. Die Signale der ein- zelnen Sensorelemente des Zeilendetektors werden digitalisiert und einer Auswerteeinrichtung, beispielsweise einem Computer, übermittelt. Die Auswerteeinrichtung analysiert die vom Zeilende- tektor registrierten Daten. Als Lage der Aufbau-oder Waschfront kann man beispielsweise die Position bestimmen, bei der das ge- messene optische Signal die größte Änderung zeigt (also den Wen- depunkt des Signalverlaufs). Die Präzision der Regelung ist also nicht mehr von einer minimalen Signaldifferenz zwischen benach- barten Sensoren abhängig und ist daher wesentliche höher als bei der konventionellen 2-Punkt-Regelung.

Neben der höheren Genauigkeit der Regelung der Lage der Wasch- oder Aufbaufront, ist ein besonderer Vorteil der Erfindung darin zu sehen, daß die Nutzung mehrerer Sensorelemente eine stabilere Regelung erlaubt. Je mehr Sensorelemente nämlich den zu überwa- chenden Bereich abdecken, desto eher kann man mit konventionellen Regelungskonzepten, wie einer PI-Regelung (Proportional-Integral- Regelung) arbeiten. Im Gegensatz zur konventionellen 2-Punkt-Re- gelung lassen sich so auch Driftanteile im Meßsignal kompensie- ren, die beispielsweise durch Änderung der Lampenintensität oder durch Ablagerungen auf der Sonsorfläche oder auf einem Meßfenster in der Kolonnenwand hervorgerufen werden.

Zur Regelung der Lage der Waschfront wird die momentane Position der Waschfront vorteilhaft mittels eines optischen Zeilendetek- tors gemessen und durch entsprechende Steuerung des abgezogenen Reinproduktstroms auf eine Sollposition geregelt.

Wenn es sich bei der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Waschkolonne um eine hydraulische Waschkolonne handelt, kann man auch die Lage der Aufbaufront mittels eines optischen Zeilende-

tektors bestimmen und durch Steuerung des hydrodynamischen Drucks in der Waschkolonne, beispielsweise durch Rückführung von Mutter- lauge mittels einer Steuerstrompumpe, auf eine Sollposition re- geln.

Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man als optischen Zeilendetektor wenigstens ein linea- res Array von faseroptischen Remissionssonden. Jede dieser fase- roptischen Remissionssonden kann beispielsweise eine oder mehrere Sendefasern und eine oder mehrere Empfangsfasern aufweisen. Die Sendefasern sind mit einem Faserende mit einer Lichtquelle ver- bunden, so daß Anregungslicht in die Fasern eingekoppelt werden kann. Das eingekoppelte Licht kann am anderen Ende der Sendefa- sern austreten. Die Remissionssonden sind dabei so am zylindri- schen Mantel der Waschkolonne angeordnet, daß das aus den Sende- fasern austretende Licht in das Kristallbett fällt und teilweise zur Sonde zurückgestreut wird. In jeder Sonde befinden sich auch Empfangsfasern, die zurückgestreutes Licht auffangen und zu einem Detektorsystem leiten. Anstelle von getrennten Sende-und Emp- fangsfasern kann man auch eine Faser verwenden, die sowohl als Sende-als auch als Empfangsfaser wirkt. An einem Faserende ist dann jedoch eine Y-förmige Verzweigung zur Lichtquelle bzw. zum Detektor vorgesehen. Die einzelnen linear angeordneten Remis- sionssonden sind nicht notwenigerweise baulich getrennte Einhei- ten. Mit dem Begriff Remissionssonde ist vielmehr eine Gruppe von einander zugeordneten Sende-und Empfangsfasern gemeint, die ge- meinsam ein Meßelement des linearen Arrays bilden. So kann jede einzelne Remissionssonde ein Meßelement von beispielsweise 1 mm2 Fläche bilden. Mit einem linearen Array von 10 derartigen, im Abstand von 1 cm angeordneten Remissionssonden kann die zu re- gelnde Front mit also einer Genauigkeit von 1 cm stabil geregelt werden kann.

Gemäß einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man als optischen Zeilendetektor wenigstens eine Zei- lenkamera, insbesondere eine CCD-Zeilenkamera. In diesem Fall sind in der zylindrischen Wand der Waschkolonne ein oder mehrere längliche Sichtfenster angeordnet, die über eine Abbildungsoptik der Kamera auf den CCD-Zeilenchip abgebildet werden. In diesem Fall wird üblicherweise auch eine Beleuchtungseinrichtung verwen- det, die das Sichtfenster und das dahinter liegende Kristallbett ausleuchtet.

Je nach optischen Eigenschaften der in der Waschkolonne aufzu- trennenden Materialien kann man mit Hilfe geeigneter Filter, die sowohl in der Beleuchtungseinrichtung, als auch im Detektor der

Remissionssonde bzw. in der Abbildungsoptik der Zeilenkamera an- geordnet sein können, Spektralbereiche selektieren, bei denen be- sonders große Signaländerungen erwartet werden können. Es ist auch möglich, beispielsweise eine CCD-Farbkamera zu verwenden, bei der jedes Meßelement durch drei CCD-Chips mit unterschiedli- cher spektraler Empfindlichkeit repräsentiert wird. Bei der Schmelzkristallisationsreinigung von Acrylsäure wird beispiels- weise die Lage der Waschfront bevorzugt durch Messung der Remis- sion in einem Spektralbereich zwischen 300 und 400 nm bestimmt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Trennung von Kristallen und Mutterlauge in einem Suspensions- kristallisationsprozeß, die insbesondere zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung umfaßt eine Waschkolonne, die wenigstens eine Zuleitung für eine Kri- stallsuspension, Filtrationsmittel zum Abführen von Mutterlauge und Mittel zum Abtragen von Kristallen aus einem Kristallbett aufweist, Mittel zum Aufschmelzen der abgetragenen Kristalle, eine Abzugseinrichtung zum Abführen eines Teils der Schmelze als Reinproduktstrom, wenigstens eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Lage einer Aufbaufront und/oder einer Waschfront des Kri- stallbettes in der Waschkolonne und Mittel zur Regelung der Lage der Aufbaufront und/oder der Lage der Waschfront, wobei die er- findungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Meßeinrichtung wenigstens einen optischen Zeilendetektor umfaßt.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung um- faßt der optische Zeilendetektor ein lineares Array von mehr als zwei, bevorzugt mehr als vier und besonders bevorzugt mehr als 10 faseroptischen Remissionssonden, die in einem Mantel der Waschko- lonne angeordnet sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist im Mantel der Waschko- lonne wenigstens ein transparentes Fenster angeordnet und der op- tische Zeilendetektor umfaßt wenigstens eine Zeilenkamera, welche auf das transparente Fenster ausgerichtet ist. Besonders bevor- zugt ist die Zeilenkamera eine CCD-Zeilenkamera, beispielsweise eine Farb-CCD-Zeilenkamera. Derartige Zeilenkameras sind kommer- ziell erhältlich und weisen typischerweise 1024 oder 2048 linear angeordnete Pixel auf. Die Fläche eines Pixels liegt typischer- weise in der Größenordnung von 50 bis 100 Fm2.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrich- tung eignen sich für alle Arten von Waschkolonnen, bei denen im Betrieb eine Waschfront und/oder eine Aufbau-bzw. Filtrations- front entsteht, also insbesondere für hydraulische, mechanische

oder gravitative Waschkolonnen. Bevorzugt wird die Erfindung in Schmelzkristallisationsprozessen angewandt, bei denen eine Schmelze des Reinproduktes als Waschflüssigkeit verwendet wird, jedoch ist das erfindungsgemäße Regelungsprinzip auch dann an- wendbar, wenn andere Flüssigkeiten als eine Produktschmelze als Waschflüssigkeit verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele ausführlicher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt : Figur 1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Suspen- sionskristallisationsprozesses ; Figur 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor- richtung ; Figur 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor- richtung ; Figur 4 eine Variante der Vorrichtung der Figur 3.

In Figur 1 ist der schematische Aufbau einer an sich bekannten Anlage zur Reinigung von Syntheseprodukten durch Suspensionskri- stallisation dargestellt. Ein aus einem (nicht dargestellten) Syntheseprozeß stammendes flüssiges Produktgemisch wird über eine Leitung 10 einem Kristallisator 11 zugeführt. In dem Kristallisa- tor 11 befindet sich ein Wärmeübertrager 12, der dem Produktge- misch Wärme entzieht. In der Flüssigkeit beginnen Kristalle der gewünschten Verbindung zu wachsen. Die im Kristallisator 11 ent- standene Kristallsuspension (Kristalle und Mutterlauge) wird mit- tels einer in einer Verbindungsleitung 13 angeordneten Pumpe 14 in eine Waschkolonne 15 gefördert, die im dargestellten Beispiel als hydraulische Waschkolonne ausgebildet ist. Die Funktionsweise der Waschkolonne 15 wird unten im Zusammenhang mit der detail- lierteren Darstellung der Figur 2 näher erläutert. Im wesentli- chen werden die Kristalle der zugeführten Suspension in der Waschkolonne 15 zu einem dichten Kristallbett kompaktiert, das im Fall der dargestellten hydraulischen Waschkolonne als Festbett 16 ausgebildet ist. Am unteren Ende des Festbettes 16 ist ein durch einen Motor 17 angetriebener Schaber 18 angeordnet, der kontinu- ierlich Kristalle von dem Festbett abträgt. Die Kristalle gelan- gen in einen Schmelzkreislauf 19, in welchem ein Wärmeübertrager 20 und eine Pumpe 21 angeordnet sind und werden dort aufgeschmol- zen. Über ein einstellbares Produktventil 22 wird ein Teil der Schmelze als gewünschtes Reinprodukt durch eine Leitung 23 aus dem Schmelzkreislauf 19 abgezogen. Der andere Teil der Schmelze

wird über einen Leitungsabschnitt 24 des Schmelzkreislaufs 19 in die Waschkolonne 15 zurückgeleitet und kann das Festbett 16 teil- weise als Waschflüssigkeit im Gegenstrom zur Transportrichtung der Kristalle durchströmen. Die Strömungsrichtung der Waschflüs- sigkeit ist in Fig. 1 durch einen Pfeil 25 symbolisiert.

In der Waschkolonne 15 sind ein oder mehrere vertikale Drainage- rohre 26 angeordnet, die jeweils auf definierter Höhe mit einem Filter 27 versehen sind. Über den Filter 27 wird im wesentlichen die Mutterlauge, aber gegebenenfalls auch ein Teil der als Wasch- flüssigkeit vom unteren Bereich der Kolonne zu den Filtern strö- menden Schmelze (Pfeil 25) oder sehr kleine Kristallite, welche die Filter passieren können, über eine Leitung 28 aus der Wasch- kolonne 15 abgezogen. Größere Kristalle können die Filter 27 aber nicht passieren. Ein Teil der über die Leitung 28 die Waschko- lonne 15 verlassenden Mutterlauge wird mittels einer Steuerstrom- pumpe 29 über eine Rückflußleitung 30 in den oberen Bereich der Waschkolonne 15 zurückgeführt. Dadurch ist es möglich, die hy- draulischen Bedingungen in der Waschkolonne 15 zu regulieren. Die übrige abgezogene Flüssigkeit fließt über eine Leitung 31 ab.

In Fig. 2 ist der Aufbau einer ersten Ausführungsform einer er- findungsgemäßen Waschkolonne, wie sie in der Anlage der Fig. 1 eingesetzt werden kann, detaillierter dargestellt. Elemente und Bauteile, die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wur- den, sind mit denselben Bezugziffern bezeichnet und werden nicht mehr ausführlicher beschrieben. Im dargestellten Beispiel, ebenso wie in den Beispielen der folgenden Figuren 3 und 4, ist die Waschkolonne 15 als hydraulische Waschkolonne ausgebildet. Die aus dem Kristallisator über die Leitung 13 abgezogene Kristall- suspension 32 wird mittels der Pumpe 14 (oder über hydrostati- schen Druck) in die Waschkolonne 15 eingespeist. Im oberen Teil der hydraulischen Waschkolonne ist ein Fluidregister 33 angeord- net, das zwei Funktionen erfüllt : Über Durchgangsöffnungen 34 vom oberen zum unteren Kolonnenteil wird die Suspension 32 über den Querschnitt der Waschkolonne 15 verteilt. Der zusammenhängende Innenraum 35 des Fluidregisters dient als Sammler für die abge- führten Flüssigkeiten, insbesondere Mutterlauge und Waschflüssig- keit. Dazu sind am unteren Ende des Fluidregisters 33 die bereits oben erwähnten Drainagerohre 26 angeordnet, die mit dem Innenraum 35 des Fluidregisters 33 kommunizieren. Die Drainagerohre 26 wei- sen auf definierter Höhe die erwähnten Filter 27 auf, durch wel- che die Flüssigkeiten aus der Waschkolonne abgeführt werden.

Nach dem Anfahren der Waschkolonne 15 bildet sich ein kompaktes Kristallbett 16 aus. Das Kristallbett wird durch die aus dem hy-

draulischen Strömungsdruckverlust der Mutterlauge resultierende Kraft vorbei an den Filtern 27 in eine sogenannte Waschzone 36 unterhalb der Filter transportiert. Die Rückführung eines Teils der Mutterlauge zurück in die Kolonne mittels der Steuerpumpe 29 ermöglicht die Regelung dieser Transportkraft. Schwankungen des Kristallgehalts der zugeführten Suspension oder Änderungen der Kristallgrößenverteilung, die wesentlich den Strömungsdruckver- lust beeinflussen, können dadurch kompensiert werden. Erkennbar sind solche Schwankungen durch Veränderungen der Lage der soge- nannten Aufbau-bzw. Filtrationsfront, die in Figur 2 durch die strichpunktierte Linie 37 angedeutet ist. Die Filtrationsfront 37 zeichnet sich durch einen relativ abrupten Anstieg des Kristall- gehalts aus.

Am unteren Ende der Waschkolonne werden die Kristalle mittels des Schabers 18 vom Kristallbett 16 abgetragen und in Reinprodukt- schmelze resuspendiert. Diese Suspension 38 wird in dem bereits im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Schmelzkreislauf 19 über den Wärmeübertrager 20 geführt, der die zum Schmelzen der Kristalle erforderliche Wärme in die Suspension einträgt. Der entsprechende Wärmeeintrag wird üblicherweise ebenfalls geregelt, wie in Figur 2 durch die Regeleinrichtung 39 schematisch angedeu- tet ist. Durch einen Temperaturregler der Regeleinrichtung 39 kann beispielsweise gewährleistet werden, daß der Wärmeübertrager 20 gerade soviel Energie in den Kreislauf einträgt, daß die Tem- peratur unmittelbar nach dem Wärmeübertrager 1 bis 5 K über dem Reinproduktschmelzpunkt liegt. Typischerweise werden 60-95 Gew. % der Schmelze als gereinigter Reinproduktstrom über das Pro- duktventil 22 aus dem Schmelzkreislauf 19 abgeführt. Die restli- che Produktschmelze durchströmt das Kristallbett in der durch den Pfeil 25 angedeuten Richtung, wodurch eine Gegenstromwäsche der Kristalle erfolgt und verläßt das Kristallbett durch den Filter 27.

Im stationären Betrieb stellt sich auf einer definierten Höhe der Waschzone 36 eine sogenannte Waschfront ein, die in Figur 2 durch die strichpunktierte Linie 40 angedeutet ist. Als Waschfront ist derjenige Ort in der Waschkolonne definiert, wo die höchsten Tem- peratur-und Konzentrationsgradienten auftreten. Auf Höhe der Waschfront findet in der das Kristallbett umgebenden Flüssigkeit ein Konzentrationsübergang von Mutterlaugenkonzentration (ober- halb der Waschfront) zu Reinschmelzekonzentration (unterhalb der Waschfront) statt. Die Temperatur des Festbetts oberhalb der Waschfront entspricht in etwa der Kristallisationstemperatur der Ausgangsflüssigkeit, während die Temperatur des Festbetts unter- halb der Waschfront der (höheren) Schmelztemperatur der Reinsub-

stanz entspricht. Im Bereich der Waschfront 40 kommt es daher zu einem Temperaturausgleich der kalten Kristalle mit der reinen Waschflüssigkeit, bei dem die Waschflüssigkeit teilweise oder vollständig rekristallisiert. Der nicht rekristallisierte Anteil der Waschflüssigkeit geht über die Filter 27 verloren. Die Wasch- front 40 muß zur Erzielung einer adäquaten Reinigungswirkung in einer bestimmten Mindesthöhe oberhalb des Schabers 18 positio- niert sein. Die Position der Waschfront stellt sich als dynami- sches Gleichgewicht aus der mit dem Festbett 16 transportierten Mutterlauge und dem entgegenströmenden Waschflüssigkeitsstrom (Pfeil 25) ein.

Erfindungsgemäß sind zur Regelung der Lage der Aufbau-bzw.

Filtrationsfornt 37 und der Lage der Waschfront 40 Zeilendetekto- ren vorgesehen. So ist bei der in Figur 2 dargestellten Ausfüh- rungs im Bereich der Aufbaufront 37 ein erstes lineares Array 41 von Remissionssonden 42 in der Seitenwand 43 der Waschkolonne 15 angeordnet. Jede der Remissionssonden 42 weist Sendefasern 44 auf, die mit einer Lichtquelle 45 verbunden sind, sowie Empfangs- fasern 46, die mit einem Detektor 47 verbunden sind. Über die Sendefasern 44 wird Licht in das Kristallbett 16 eingestrahlt.

Die Empfangsfasern 46 leiten das aus dem Kristallbett remitierte Licht zum Detektor 47, wo die Intensität des remittierten Lichtes gemessen und aufgezeichnet wird. Der Detektor 47 kann aber auch eine (nicht dargestellte) Einrichtung zur spektralen Analyse des remittierten Lichtes aufweisen. Eine Regeleinrichtung 48, die beispielsweise einen Computer umfaßt, wertet die vom Detektor 47 gelieferten Signale aus, bestimmt die Lage der Aufbaufront und steuert die Steuerstrompumpe 29 so, daß die Lage der Aufbaufront 37 auf einer bestimmten Sollposition gehalten wird. Stellt die Regeleinrichtung in extremen Betriebszuständen fest, daß eine Kompensation der Störungen über die Steuerpumpe nicht mehr mög- lich ist, so kann-je nach Regelungsstrategie-eine neue Soll- position der Aufbaufront 37 ermittelt werden, die unter den gege- benen Betriebsbedingungen eingeregelt werden kann. Dies ist mög- lich, weil durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung eines Zeilendetektors ein größerer Abschnitt der Kolonne lückenlos überwacht werden kann. Falls bei einer Betriebsstörung die Gefahr droht, dass die Aufbaufront diesen überwachten Abschnitt verlässt und eine Regelung nicht mehr möglich ist, kann auch ein Alarm ausgelöst oder die Anlage abgeschaltet werden.

Auf Höhe der Waschfront 40 ist ein entsprechendes zweites linea- res Array 49 aus Remissionssonden 50 in der zylindrischen Kolon- nenwand 43 angeordnet. Wieder wird über mit einer Lichtquelle 51 verbundenen Sendefasern 52 Licht in das Kristallbett 16 einges-

trahlt und über Empfangsfasern 53 das aus dem Kristallbett remit- tierte Licht zu einem Detektor 54 geleitet. Aus den vom zweiten Remissionssondenarray 49 gelieferten Daten wird mittels einer Steuer-und Regeleinrichtung 55 die Lage der Waschfront 40 in der Kolonne 15 ermittelt und das Produktventil 22 so eingestellt, daß die Waschfront mit großer Genauigkeit auf einer bestimmten Soll- position gehalten wird. Stellt die Regeleinrichtung eine Abwei- chung der Waschfront 40 von der Sollhöhe fest, so wird über das Produktventil 22 der abgezogene Reinproduktstrom und damit auch die Waschflüssigkeitsmenge entsprechend geregelt (beispielsweise bei einem Absinken der Waschfront durch eine Erhöhung der Wasch- flüssigkeitsmenge).

Zur Einhaltung und Kontrolle der Produktreinheit kann man die Qualität des Reinprodukts aber auch kontinuierlich messen. Die Messung kann beispielsweise mittels eines optischen Extinktions- sensors 56, der in einem geeigneten Spektralbereich arbeitet, di- rekt in der Produktleitung 23 oder einem Bypass erfolgen. Wenn die Qualitätsmessung (wie in Figur 2 dargestellt) in dem Schmelz- kreislauf 19 erfolgt, kann sie auch für das Anfahren der Waschko- lonne genutzt werden.

Zusätzlich zur Regelung der Lage der Waschfront 40 mittels des Zeilendetektors 49 kann eine an sich bekannte Regelung über Tem- peratursensoren 57 realisiert werden. In besonderen Fällen, in bei denen eine rein optische Bestimmung der Lage der Waschfront nicht zuverlässig möglich ist, kann dann auf die Daten der Tempe- ratursensoren zurückgegriffen werden. Es ist natürlich auch mög- lich, nur die Lage der Aufbaufront über den optischen Zeilende- tektor 42 zu bestimmen und die Lage der Aufbaufront konventionell ausschließlich über die Temperatursensoren 57 zu ermitteln.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der als optischer Zeilendetektor je- weils eine Zeilenkamera 58 zur Detektion der Filtrationsfront 37 und eine Zeilenkamera 59 zur Detektion der Waschfront 40 verwen- det werden. Der grundsätzliche Aufbau der Waschkolonne der Figur 3 entspricht weitgehend dem der in Figur 2 dargestellten Waschko- lonne. Die übereinstimmenden Bauteile sind mit denselben Bezugs- ziffern versehen und werden im folgenden nicht oder nur kurz er- läutert. In der zylindrischen Seitenwand der Waschkolonne 15 sind auf Höhe der Waschfront bzw. der Filtrationsfront längliche Sichtfenster 60,61 angeordnet, die von den Zeilenkameras 58,59 abgebildet werden. Die Fenster 60,61 können durch Beleuchtungs- einrichtungen 62,63 ausgeleuchtet werden. Auswerteeinrichtungen 64,65 ermitteln aus den Daten der Zeilenkamera die Lage der

Waschfront 40 und die Lage der Aufbaufront 37 und steuern die Steuerstrompumpe 29 bzw. das Produktventil 22 so, daß die Lage der Fronten auf den jeweiligen Sollpositionen gehalten wird.

Fig. 4 zeigt eine Variante der Ausführungsform der Fig. 3, bei der lediglich eine einzige CCD-Zeilenkamera 66 zur Detektion von Wasch-und Filtrationsfront verwendet wird. Dazu erstreckt das in der Wand 43 der Waschkolonne 15 vorgesehene Sichtfenster 67 über den größten Teil der Höhe der Waschkolonne. Wird mit einer sol- chen Vorrichtung beispielsweise ein axialer Abschnitt einer Länge von 2 m erfaßt und benutzt die CCD-Kamera einen Sensor mit 2048 linear angeordneten Pixeln, so ist noch eine Regelung der Lage der Waschfront bzw. der Lage der Aufbaufront mit einer Genauig- keit von ca. 1 bis 2 cm möglich. Über eine oder mehrere Licht- quellen 68,69 wird das Fenster 67 ausgeleuchtet. Eine Steuer- und Regelungseinrichtung 70 bestimmt aus den aufgezeichneten Da- ten die Lage der Waschfront bzw. der Aufbaufront und stellt die Steuerpumpe bzw. das Produktventil entsprechend ein.

Wenn in der vorliegenden Beschreibung von Zeilendetektoren die Rede ist, so hängt dies damit zusammen, dass für das erfindungs- gemäße Regelungsverfahren lediglich eine quasi eindimensionale Messung entlang der Achse der Waschkolonne erforderlich ist.

Sebstverständlich können ohne Nachteile auch Flächendetektoren, beispielsweise herkömmliche Digitalkameras mit zweidimensionalen CCD-Chips zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens her- angezogen werden. Die Ermittlung des zu analysierenden Bildbe- reichs, also beispielsweise der Bereich des Sichtfensters der Ko- lonne 15, kann durch kommerzielle Bildverarbeitungssoftware er- folgen.