專利名稱：分離多種物質混合物的過程控制方法
技術領域：
本發明涉及一種在蒸餾塔中分離已知組分的多種物質混合物的過程控制方法。本發明特別是涉及分離彼此沸點很接近的多種物質混合物，例如異構體混合物，將該混合物分離為具有高產品純度的同分異構組分。
在甲苯的硝化反應過程，人們可以得到一種異構體混合物，該混合物由鄰、間和對硝基甲苯以及二硝基甲苯異構體和其他組分組成。技術任務在于，將鄰、間和對硝基甲苯異構體由這些物質的混合物中分離，并獲得至少為99.70％的高純度的產品。此過程可以通過一系列串連的蒸餾塔實施，且其中部分蒸餾塔通過循環流連接在一起。由于所要獲得的硝基甲苯異構體沸點差小，因此為實現分離，蒸餾塔就需要有高塔板數和高回流比。特別是鄰、間和對硝基甲苯的分離，由于它們的沸點差只有大約3K，因此需要很高塔板數。因此，這些異構體是在如下結構的塔中被分離的，即該塔可以從結構上分為兩個相鄰的、總共帶有一個蒸發器和一個冷凝器的塔段。由于溫度靈敏度很小，因此不可能使用柱溫作為輔助控制參數來調節沉積在第二塔段塔底的對硝基甲苯的濃度。
由于柱溫不能被用作輔助控制參數以維持對硝基甲苯的產品規格，因此要利用在線近紅外光譜儀進行過程控制。但是發現，它們的使用對最終產品的分析，即在塔底出口或塔處會帶來兩個十分關鍵的缺陷。它們是在測量終產品(對硝基甲苯)的濃度時，NIR分析所提供的測量值，由于對硝基甲苯的高濃度而達不到所需精度。
即使有可能通過分析而實現過程控制所需的精確度，但在終產品流中裝配測量儀表也是不可行的，因為在那里探測濃度差過于遲緩，因此也就不能及時實施控制。
由于產品特性，可以預料到在操作過程的起始階段在終產品流中會產生大量的污染和變色。因此，這就排除了使用光譜法作為測定方法來控制生產過程。
自主研究表明，在塔底產品濃度變化時，在兩個塔段間的產品流中的敏感度最高。在所述的產品流中，濃度變化值高于在塔底產品中所得濃度變化值10個因子。此外，與終產品相比，較低的對硝基甲苯濃度出現在塔間的產品流中。因此，在該產品流中可通過使用分析儀器獲得更高精度。該精度大約是在終產品中測量時的兩倍高。
本發明的思想基于將分析儀器置于兩塔之間的產品流中。然后如將分析儀器連入一控制電路，則可以保持在兩塔之間的產品流濃度恒定。然而，這不能保證在第二塔段的底部吸取出的終產品的濃度也保持恒定。這是因為第二塔段位于儀器安裝位置和塔底之間，該塔段的分離效率會由于控制介入和干擾影響(Streinflüssen)而持續變化。
本發明的任務是如此實現的，即依照本發明，將在線分析儀器按照如上所述的排布方式，和一種在線過程模型相連結。
本發明提供一種針對帶有下塔段和上塔段且能調節塔底物濃度的蒸餾塔的過程控制方法，從而將優選具有彼此非常接近的沸點的多種組分A、B相互分離，并以高純度獲得在下塔段的塔底沉積的組分，該方法的特征在于a)組分A、B的濃度是使用分析儀器，特別是近紅外分光計在線測量的，其測量點是在塔柱上除塔底或塔頂區之外的位置點上，特別是在這樣的位置處，即其位于整個塔長最上十分之一到最下十分之一之間的中間區域，b)在過程控制系統的計算單元中的在線過程模型接受并采用根據a)所測得的至少一種組分A或B的濃度值，然后該過程模型在由過程控制系統和控制技術所決定的間隔時間里，通過使用該測量值和其他直接從塔中測量得的那些選自溫度、壓力和物質流量特別是進給量、加熱媒介進給量、特別是蒸汽進給量和回流量的參數，計算出塔底物濃度XAsu，c)將通過使用過程模型計算所得的塔底物濃度XAsu用于控制調節，從而將由模型計算所得的塔底物濃度XAsu在控制技術中作為塔底物濃度控制參數的實際值，d)該過程模型的特定參數由物理上可解釋的參數、特別是規整填料或無規填料的理論塔板數和/或塔效率組成，并且以終產品的分析和分析數據錄入過程模型中為依據來看，這些參數在更長的時間間隔內——特別是好幾個小時，有時甚至幾天——均是適于各個塔柱情況的，例如污染度。
在一優選的衍生方案中，該方法還可以用于分成至少兩個次級塔的塔，從而在次級塔之間的區域進行濃度測量a)。
使用次級塔的方法的一個優選衍生方案的特征在于，在過程模型中使用兩個次級塔之間的物流量以及它們的溫度來代替溫度、進給和回流物流量以及熱能，特別是蒸氣量。
優選是在該方法中將分析儀器布置在整個塔長度的最上五分之一和最下五分之一間的區域內。
或者可以在過程模型中同時使用兩次級塔間的液體流測量值和熱能值。
除了NIR分光計，也可以使用其它的分析儀器，例如氣相色譜儀，UV-VIS-光譜儀，液相色譜儀。
本方法優選適用于分離沸點差至多20K，特別是10K的混合物。
在溫度靈敏度給定的情況下，優選通過測定溫度和壓力來計算濃度。
在本方法的另一個衍生方案中，可以將在線分析和過程模型結合起來用于塔頂產品的濃度控制。
本方法特別適用于硝基甲苯異構體的分離，優選通過如下方法實施。
分析儀器測定兩塔段之間產品流的一個組分(例如對硝基甲苯)的濃度，并將該信息進一步傳遞給過程模型。根據該信息，模型使用直接在塔中測定的參數，例如流量、蒸氣進給量和溫度而計算出塔底產品中對硝基甲苯的濃度。將過程模型所計算出的值作為控制參數的實際值。所需值和實際值之間的差值是調節器中的一個輸入參數，特別是在過程控制系統的PID-調節器元件中的輸入參數。在所需值和實際值產生偏差的情況下，調節器就會改變控制參數，例如蒸氣進給量。
在線過程模型所計算出的塔底物濃度值是預報性的。例如由進給流量或進給濃度的改變所引入的干擾，在它們到達塔底之前，就會在兩塔柱間的儀器連接點位置處被記錄下來。模型會利用當前測定的濃度值，并根據當前的分離效率而計算出塔底產品的新的濃度值。該數值是如果沒有干擾產生，將可以在約20～30分鐘后于塔底產品中獲得的濃度值。由于模型和調節器的直接連接，調節器在濃度干擾到達塔底之前就會改變蒸氣進給量。通過經由模型到調節器的蒸汽量變化的反饋，蒸氣量的改變程度僅使其能補償塔段間產品流濃度的變化，并且其中第二塔段的分離效率已發生改變。因而，該原則同時也就能實現控制參數的內在限制。干擾的早期識別以及及時和精確的控制介入使得過程控制的工作方式精確而穩固。從
圖1a和1b可以看出，進給量和進給溫度以及回流量、回流和塔頂溫度的測量值均被引入了過程模型，因而也就實現了一種前饋策略。
為了計算塔底物的濃度，過程模型采用第二塔段的液氣比以及理論塔板數，而這又取決于塔的內在結構，例如塔板或規整填料。因為理論塔板數可例如由于污染而變化，因此必須在確定的時段內，例如每24小時，并根據分析數據來檢測過程模型的起動信號。如果模型值和分析值間有偏差，則模型參數會自動變化。在該情況下，合適的模型參數是理論塔板數，這是一物理上可解釋的參數。該參數值和該參數的變化顯示了塔內部結構的狀況，并可以用作比如決定保養周期的信息。
過程模型的數字控制使其可以連入閉環控制電路。控制技術中所必須的間隔時間最多為0.5s，而在這個時間內模型會計算出新的濃度值。過程模型的優點在于它的算法是穩固的而又不合有迭代法，就如在諸如US-A-5,260,865中所記述的情況一樣。與在此出版物中所描述的基于在進給中測定濃度的方法相比，本過程模型從塔中靈敏度最高的位置處的濃度測量開始。
與其他那些其中調節的是輔助控制參數例如溫度的所需值的過程控制原理相比，本過程控制還有下列好處，即設備操作者明確地給出最終產品的期望濃度作為控制參數的目標值。
以下將根據圖1a和1b，通過實施例來進一步闡釋本發明，但是這些實施例并不是對本發明的限定。
圖1a是帶有兩個次級塔的蒸餾裝置的流程圖。
圖1b是帶有一個塔的蒸餾裝置的流程圖。
實施例圖1a描述的是一種分離異構體的流程圖。其中，將含有70％份異構體A(對硝基甲苯)的混合物分離成含有30％異構體組分A的塔頂產物和含有99.70％異構體組分A的塔底產物。
將混合物(對硝基甲苯A，間硝基甲苯B)經輸送管15供給到由兩部分組成的蒸餾塔9、10的上塔段10，供料口位于塔段10的下三分之一處。傳感器1記錄溫度，傳感器2記錄A、B混合物的供給量。
在帶有溫度傳感器24的塔10的頂端30處，低沸點餾份A、B經由管路21引導到冷凝器16中冷凝，并部分經由管路13而排出。而其余部分則經由一帶有流量調節器12和溫度測量儀11的閥門，作為回流22回流到塔頂部30。
在上塔段10和下塔段9之間，在連接管區域內設置測量點29與近紅外分光計3。
在下塔段9的塔底23處安裝塔底提取管14，從該管出發，部分塔底產品會經由蒸發器17和管20而回流到塔段9。蒸發器17通過調節閥19從蒸汽管18中進汽。
傳感器1、2、24、11、12、18和分析儀器3的測量值會被傳送到計算器6中。
在提取點5，對塔底產品的樣品在確定的時間間隔(例如一天一次)內分析其組成，并和塔底物濃度的計算值進行比較(包括有計算器6的過程控制系統28中的比較器8)。
這里所使用的二元體系A、B的在線過程模型6源自于熱力學和流體力學的穩態定律，并被簡化使得其一方面能在預設的工作范圍內，以過程控制所必需的精確度再現過程工況，另一方面又能在過程控制系統28中通過簡化的數字控制進行，并可以在預定的時間間隔內傳遞為進行控制而所需的結果。
在線過程模型的結果具有預報性。例如如果發生了某種干擾，比如在進給中低沸物濃度上升了，則該模型會在提餾段9中提前約20分鐘模擬出在塔底產品中預計將會出現的濃度升高的情況。該模型會從由分析儀器3在測量點29測量得的A濃度，根據方程1計算出組分A的塔底濃度
方程式1 離開塔底的產品流中組分A的濃度對應于塔底濃度XA，Su。該值是由以在線分析儀在測量點29所測得的組分A的濃度XA，在線分析，和在該測量點和塔底23之間的塔效率而計算得到的。為計算分離效率，模型中還要使用液氣比α以及測量點29和塔底部23間的理論塔板數n。
為此還可以使用下列方程式2到6方程式2a=FD]]>方程式3F＝Rint+mFeed，int方程式4 方程式5
方程式6D=(rDrSu)·m·D]]>液氣比α可以由進給量2并結合由溫度1和27算得的溫差，以及回流量12并結合由溫度11和24算得的溫差，和蒸氣量18來計算得到。
塔板數n取決于決定物質交換的流體力學，以及規整填料和液體分配器的狀況，塔板數適合使用方程式7借助實驗室分析來獲得。
方程式7 為了測定產品流14中對應于塔底物濃度的濃度，就需要在更長的時間間隔里抽取樣品5。將該濃度8與由過程模型計算獲得的濃度25相比較。如果在測定濃度和計算濃度間產生偏差，就要調整過程模型的塔板數(模型調節器4)。
由于該模型把在測量點上測得的增加的低沸物級份(這里該低沸物是組分B)與當時在干擾出現前足以維持塔底濃度的塔效率相聯系，因此就會計算出在塔底濃度中有著更高的低沸物級份，該更高的級份此時還沒有出現而且是在平衡狀態時才會出現，也就是說要在約20分鐘后。將由模型計算得的數值25作為控制參數的實際值傳送到控制器中。控制器7會立即增加蒸氣量18，直到在測量點29上測得的增加的低沸物級份和減少的液氣比均回復到塔底濃度的目標值26。因為蒸氣量18的變化通過模型而無延遲地回饋到了控制器7，從而便獲得了穩定的控制調節。而這已經獲得了如下事實的支持，即在干擾到達底部23以前控制器7就介入了，而且由于提前介入，控制參數的改變19可以以一種精確的方式實現。
如果在測量點29上低沸物級份減少，則只需減少蒸氣量直至減少的低沸物級份和增大的液氣比回復到塔底物濃度的目標值即可。經由模型回到控制器7去的蒸汽量18的直接回流過程，僅僅將蒸氣量18減少至與在測量點29處低沸物級份減少情況相一致的程度。這可以被認為是一種內在的控制參數約束機制。實際表明，即使發生了嚴重的干擾，該系統本身還是運作穩定的，僅僅在過渡階段導致實際值輕微地偏離目標值。
方程中所用符號列于下表 塔頂溫度 回流溫度 進給溫度 進給點處的塔溫cFeed進給時的系統比熱cKo塔頂處的系統比熱rFeed進給時系統的汽化熱rKo塔頂處系統的汽化熱rSu塔底處系統的汽化熱rD進給入塔的加熱蒸氣的汽化熱m麥凱布-蒂勒(McCabe-Thiele)圖的平衡曲線的正切增量，而麥凱布-蒂勒圖在底部左邊的點處(低沸物級份等于零)決定了系統和壓力α 在測量點29和塔底23之間的塔段上的液氣比F 在測量點29和塔底23之間的塔段內的液體流D 在測量點29和塔底23之間的塔段上的蒸汽流R 回流量，在11處(外部)測得Rint在最上塔段處的內部液體流。這是從所測得的回流量和在塔中增加的蒸氣的冷凝蒸氣級份中獲得的，其冷凝的能量被用來使回流溫度升到塔溫。
mFeed進給量，在2處(外部)測量mFeed，int液體流，其是從測得的進給量2和增加的蒸氣的冷凝蒸氣級份中獲得的，其冷凝能量用來使進給溫度升到塔溫mD到塔的蒸汽流18n 在測量點29和塔底23之間的理論塔板數XA，Su通過過程模型以摩爾分數計算得到的在產品流14中的組分A的濃度(相當于在塔底中的濃度)XA，在線分析在測量點29通過在線分析儀器以摩爾分數測得的組分A的濃度XA，實驗室分析以摩爾分數借助實驗室分析所測得的產品流14的組分A的濃度。
權利要求
1.一種針對帶有下塔段(9)和上塔段(10)且能調節塔底物濃度的蒸餾塔的過程控制方法，其中可以將優選是具有彼此非常接近的沸點的多種組分A、B相互分離，并以高純度獲得在下塔段(9)的塔底(23)沉積的組分，該方法的特征在于a)組分A、B的濃度是使用分析儀器(3)，特別是近紅外分光計在線測量的，其測量點是在塔柱(9；10)上除塔底(23)或塔頂區(30)之外的位置點(29)上，特別是在這樣的位置(29)處，即其位于整個塔(9，10)長最上十分之一到最下十分之一之間的中間區域，b)在過程控制系統(28)的計算單元(6)中的在線過程模型接受并采用根據a)所測得的至少一種組分A或B的濃度值，然后該過程模型在由過程控制系統(28)和控制技術所決定的間隔時間里，通過使用該測量值和其他直接從塔(9，10)中測量得的那些選自溫度、壓力和物質流量特別是進給量(15)、回流量(22)和加熱媒介進給量、特別是蒸汽進給量(18)的參數，計算出塔底物濃度XAsu，c)將通過使用過程模型計算所得的塔底物濃度XAsu用于控制調節，從而將由模型計算所得的塔底物濃度XAsu在控制技術中作為塔底物濃度控制參數的真實值，d)該過程模型的特定參數由物理上可解釋的參數、特別是規整填料或無規填料的理論塔板數和/或塔效率組成，并且以終產品的分析和分析數據錄入過程模型中為依據來看，這些參數在更長的時間間隔內，特別是好幾個小時內，均是適于各個塔柱情況的，例如污染度。
2.權利要求1所述的方法，其特征在于，塔被分成至少兩個次級塔(9)和(10)，并且濃度測量a)在次級塔(9)和(10)之間進行。
3.權利要求2所述的方法，其特征在于，在過程模型中也使用兩個次級塔(9，10)之間的物流量以及它們的溫度來代替溫度、進給(15)和回流(22)量以及熱能，特別是蒸氣量(18)。
4.權利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，將分析儀器布置在整個塔(9，10)長度的最上五分之一和最下五分之一間的區域內。
5.權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，使用的分析儀器為NIR分光計、UV-VIS-光譜儀、液相或氣相色譜儀。
6.權利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，用作為過程模型的其它參數是塔頂端(24)的溫度和塔(10)的進給區域(27)的溫度。
7.權利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，可以分離沸點差至多20K、特別是至多10K的混合物A、B。
8.權利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，可以將在線分析和過程模型結合起來用于塔頂產品的濃度控制。
全文摘要
本發明涉及一種在蒸餾塔中分離多種物質混合物的過程控制方法。特別是涉及分離沸點很接近的多種物質混合物，例如異構體混合物，將該混合物分離為高產品純度的同分異構組分。
文檔編號G01N21/35GK1556727SQ02818442
公開日2004年12月22日 申請日期2002年9月6日 優先權日2001年9月19日
發明者F·莫伊夫森, F·F·里爾, T·豪施爾德, M·格爾拉赫, ┒, F 莫伊夫森, 里爾 申請人:拜爾技術服務有限責任公司