专利名称：分离多种物质混合物的过程控制方法
技术领域：
本发明涉及一种在蒸馏塔中分离已知组分的多种物质混合物的过程控制方法。本发明特别是涉及分离彼此沸点很接近的多种物质混合物，例如异构体混合物，将该混合物分离为具有高产品纯度的同分异构组分。
在甲苯的硝化反应过程，人们可以得到一种异构体混合物，该混合物由邻、间和对硝基甲苯以及二硝基甲苯异构体和其他组分组成。技术任务在于，将邻、间和对硝基甲苯异构体由这些物质的混合物中分离，并获得至少为99.70％的高纯度的产品。此过程可以通过一系列串连的蒸馏塔实施，且其中部分蒸馏塔通过循环流连接在一起。由于所要获得的硝基甲苯异构体沸点差小，因此为实现分离，蒸馏塔就需要有高塔板数和高回流比。特别是邻、间和对硝基甲苯的分离，由于它们的沸点差只有大约3K，因此需要很高塔板数。因此，这些异构体是在如下结构的塔中被分离的，即该塔可以从结构上分为两个相邻的、总共带有一个蒸发器和一个冷凝器的塔段。由于温度灵敏度很小，因此不可能使用柱温作为辅助控制参数来调节沉积在第二塔段塔底的对硝基甲苯的浓度。
由于柱温不能被用作辅助控制参数以维持对硝基甲苯的产品规格，因此要利用在线近红外光谱仪进行过程控制。但是发现，它们的使用对最终产品的分析，即在塔底出口或塔处会带来两个十分关键的缺陷。它们是在测量终产品(对硝基甲苯)的浓度时，NIR分析所提供的测量值，由于对硝基甲苯的高浓度而达不到所需精度。
即使有可能通过分析而实现过程控制所需的精确度，但在终产品流中装配测量仪表也是不可行的，因为在那里探测浓度差过于迟缓，因此也就不能及时实施控制。
由于产品特性，可以预料到在操作过程的起始阶段在终产品流中会产生大量的污染和变色。因此，这就排除了使用光谱法作为测定方法来控制生产过程。
自主研究表明，在塔底产品浓度变化时，在两个塔段间的产品流中的敏感度最高。在所述的产品流中，浓度变化值高于在塔底产品中所得浓度变化值10个因子。此外，与终产品相比，较低的对硝基甲苯浓度出现在塔间的产品流中。因此，在该产品流中可通过使用分析仪器获得更高精度。该精度大约是在终产品中测量时的两倍高。
本发明的思想基于将分析仪器置于两塔之间的产品流中。然后如将分析仪器连入一控制电路，则可以保持在两塔之间的产品流浓度恒定。然而，这不能保证在第二塔段的底部吸取出的终产品的浓度也保持恒定。这是因为第二塔段位于仪器安装位置和塔底之间，该塔段的分离效率会由于控制介入和干扰影响(Streinflüssen)而持续变化。
本发明的任务是如此实现的，即依照本发明，将在线分析仪器按照如上所述的排布方式，和一种在线过程模型相连结。
本发明提供一种针对带有下塔段和上塔段且能调节塔底物浓度的蒸馏塔的过程控制方法，从而将优选具有彼此非常接近的沸点的多种组分A、B相互分离，并以高纯度获得在下塔段的塔底沉积的组分，该方法的特征在于a)组分A、B的浓度是使用分析仪器，特别是近红外分光计在线测量的，其测量点是在塔柱上除塔底或塔顶区之外的位置点上，特别是在这样的位置处，即其位于整个塔长最上十分之一到最下十分之一之间的中间区域，b)在过程控制系统的计算单元中的在线过程模型接受并采用根据a)所测得的至少一种组分A或B的浓度值，然后该过程模型在由过程控制系统和控制技术所决定的间隔时间里，通过使用该测量值和其他直接从塔中测量得的那些选自温度、压力和物质流量特别是进给量、加热媒介进给量、特别是蒸汽进给量和回流量的参数，计算出塔底物浓度XAsu，c)将通过使用过程模型计算所得的塔底物浓度XAsu用于控制调节，从而将由模型计算所得的塔底物浓度XAsu在控制技术中作为塔底物浓度控制参数的实际值，d)该过程模型的特定参数由物理上可解释的参数、特别是规整填料或无规填料的理论塔板数和/或塔效率组成，并且以终产品的分析和分析数据录入过程模型中为依据来看，这些参数在更长的时间间隔内——特别是好几个小时，有时甚至几天——均是适于各个塔柱情况的，例如污染度。
在一优选的衍生方案中，该方法还可以用于分成至少两个次级塔的塔，从而在次级塔之间的区域进行浓度测量a)。
使用次级塔的方法的一个优选衍生方案的特征在于，在过程模型中使用两个次级塔之间的物流量以及它们的温度来代替温度、进给和回流物流量以及热能，特别是蒸气量。
优选是在该方法中将分析仪器布置在整个塔长度的最上五分之一和最下五分之一间的区域内。
或者可以在过程模型中同时使用两次级塔间的液体流测量值和热能值。
除了NIR分光计，也可以使用其它的分析仪器，例如气相色谱仪，UV-VIS-光谱仪，液相色谱仪。
本方法优选适用于分离沸点差至多20K，特别是10K的混合物。
在温度灵敏度给定的情况下，优选通过测定温度和压力来计算浓度。
在本方法的另一个衍生方案中，可以将在线分析和过程模型结合起来用于塔顶产品的浓度控制。
本方法特别适用于硝基甲苯异构体的分离，优选通过如下方法实施。
分析仪器测定两塔段之间产品流的一个组分(例如对硝基甲苯)的浓度，并将该信息进一步传递给过程模型。根据该信息，模型使用直接在塔中测定的参数，例如流量、蒸气进给量和温度而计算出塔底产品中对硝基甲苯的浓度。将过程模型所计算出的值作为控制参数的实际值。所需值和实际值之间的差值是调节器中的一个输入参数，特别是在过程控制系统的PID-调节器元件中的输入参数。在所需值和实际值产生偏差的情况下，调节器就会改变控制参数，例如蒸气进给量。
在线过程模型所计算出的塔底物浓度值是预报性的。例如由进给流量或进给浓度的改变所引入的干扰，在它们到达塔底之前，就会在两塔柱间的仪器连接点位置处被记录下来。模型会利用当前测定的浓度值，并根据当前的分离效率而计算出塔底产品的新的浓度值。该数值是如果没有干扰产生，将可以在约20～30分钟后于塔底产品中获得的浓度值。由于模型和调节器的直接连接，调节器在浓度干扰到达塔底之前就会改变蒸气进给量。通过经由模型到调节器的蒸汽量变化的反馈，蒸气量的改变程度仅使其能补偿塔段间产品流浓度的变化，并且其中第二塔段的分离效率已发生改变。因而，该原则同时也就能实现控制参数的内在限制。干扰的早期识别以及及时和精确的控制介入使得过程控制的工作方式精确而稳固。从

图1a和1b可以看出，进给量和进给温度以及回流量、回流和塔顶温度的测量值均被引入了过程模型，因而也就实现了一种前馈策略。
为了计算塔底物的浓度，过程模型采用第二塔段的液气比以及理论塔板数，而这又取决于塔的内在结构，例如塔板或规整填料。因为理论塔板数可例如由于污染而变化，因此必须在确定的时段内，例如每24小时，并根据分析数据来检测过程模型的起动信号。如果模型值和分析值间有偏差，则模型参数会自动变化。在该情况下，合适的模型参数是理论塔板数，这是一物理上可解释的参数。该参数值和该参数的变化显示了塔内部结构的状况，并可以用作比如决定保养周期的信息。
过程模型的数字控制使其可以连入闭环控制电路。控制技术中所必须的间隔时间最多为0.5s，而在这个时间内模型会计算出新的浓度值。过程模型的优点在于它的算法是稳固的而又不合有迭代法，就如在诸如US-A-5,260,865中所记述的情况一样。与在此出版物中所描述的基于在进给中测定浓度的方法相比，本过程模型从塔中灵敏度最高的位置处的浓度测量开始。
与其他那些其中调节的是辅助控制参数例如温度的所需值的过程控制原理相比，本过程控制还有下列好处，即设备操作者明确地给出最终产品的期望浓度作为控制参数的目标值。
以下将根据图1a和1b，通过实施例来进一步阐释本发明，但是这些实施例并不是对本发明的限定。
图1a是带有两个次级塔的蒸馏装置的流程图。
图1b是带有一个塔的蒸馏装置的流程图。
实施例图1a描述的是一种分离异构体的流程图。其中，将含有70％份异构体A(对硝基甲苯)的混合物分离成含有30％异构体组分A的塔顶产物和含有99.70％异构体组分A的塔底产物。
将混合物(对硝基甲苯A，间硝基甲苯B)经输送管15供给到由两部分组成的蒸馏塔9、10的上塔段10，供料口位于塔段10的下三分之一处。传感器1记录温度，传感器2记录A、B混合物的供给量。
在带有温度传感器24的塔10的顶端30处，低沸点馏份A、B经由管路21引导到冷凝器16中冷凝，并部分经由管路13而排出。而其余部分则经由一带有流量调节器12和温度测量仪11的阀门，作为回流22回流到塔顶部30。
在上塔段10和下塔段9之间，在连接管区域内设置测量点29与近红外分光计3。
在下塔段9的塔底23处安装塔底提取管14，从该管出发，部分塔底产品会经由蒸发器17和管20而回流到塔段9。蒸发器17通过调节阀19从蒸汽管18中进汽。
传感器1、2、24、11、12、18和分析仪器3的测量值会被传送到计算器6中。
在提取点5，对塔底产品的样品在确定的时间间隔(例如一天一次)内分析其组成，并和塔底物浓度的计算值进行比较(包括有计算器6的过程控制系统28中的比较器8)。
这里所使用的二元体系A、B的在线过程模型6源自于热力学和流体力学的稳态定律，并被简化使得其一方面能在预设的工作范围内，以过程控制所必需的精确度再现过程工况，另一方面又能在过程控制系统28中通过简化的数字控制进行，并可以在预定的时间间隔内传递为进行控制而所需的结果。
在线过程模型的结果具有预报性。例如如果发生了某种干扰，比如在进给中低沸物浓度上升了，则该模型会在提馏段9中提前约20分钟模拟出在塔底产品中预计将会出现的浓度升高的情况。该模型会从由分析仪器3在测量点29测量得的A浓度，根据方程1计算出组分A的塔底浓度
方程式1 离开塔底的产品流中组分A的浓度对应于塔底浓度XA，Su。该值是由以在线分析仪在测量点29所测得的组分A的浓度XA，在线分析，和在该测量点和塔底23之间的塔效率而计算得到的。为计算分离效率，模型中还要使用液气比α以及测量点29和塔底部23间的理论塔板数n。
为此还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]]>液气比α可以由进给量2并结合由温度1和27算得的温差，以及回流量12并结合由温度11和24算得的温差，和蒸气量18来计算得到。
塔板数n取决于决定物质交换的流体力学，以及规整填料和液体分配器的状况，塔板数适合使用方程式7借助实验室分析来获得。
方程式7 为了测定产品流14中对应于塔底物浓度的浓度，就需要在更长的时间间隔里抽取样品5。将该浓度8与由过程模型计算获得的浓度25相比较。如果在测定浓度和计算浓度间产生偏差，就要调整过程模型的塔板数(模型调节器4)。
由于该模型把在测量点上测得的增加的低沸物级份(这里该低沸物是组分B)与当时在干扰出现前足以维持塔底浓度的塔效率相联系，因此就会计算出在塔底浓度中有着更高的低沸物级份，该更高的级份此时还没有出现而且是在平衡状态时才会出现，也就是说要在约20分钟后。将由模型计算得的数值25作为控制参数的实际值传送到控制器中。控制器7会立即增加蒸气量18，直到在测量点29上测得的增加的低沸物级份和减少的液气比均回复到塔底浓度的目标值26。因为蒸气量18的变化通过模型而无延迟地回馈到了控制器7，从而便获得了稳定的控制调节。而这已经获得了如下事实的支持，即在干扰到达底部23以前控制器7就介入了，而且由于提前介入，控制参数的改变19可以以一种精确的方式实现。
如果在测量点29上低沸物级份减少，则只需减少蒸气量直至减少的低沸物级份和增大的液气比回复到塔底物浓度的目标值即可。经由模型回到控制器7去的蒸汽量18的直接回流过程，仅仅将蒸气量18减少至与在测量点29处低沸物级份减少情况相一致的程度。这可以被认为是一种内在的控制参数约束机制。实际表明，即使发生了严重的干扰，该系统本身还是运作稳定的，仅仅在过渡阶段导致实际值轻微地偏离目标值。
方程中所用符号列于下表 塔顶温度 回流温度 进给温度 进给点处的塔温cFeed进给时的系统比热cKo塔顶处的系统比热rFeed进给时系统的汽化热rKo塔顶处系统的汽化热rSu塔底处系统的汽化热rD进给入塔的加热蒸气的汽化热m麦凯布-蒂勒(McCabe-Thiele)图的平衡曲线的正切增量，而麦凯布-蒂勒图在底部左边的点处(低沸物级份等于零)决定了系统和压力α 在测量点29和塔底23之间的塔段上的液气比F 在测量点29和塔底23之间的塔段内的液体流D 在测量点29和塔底23之间的塔段上的蒸汽流R 回流量，在11处(外部)测得Rint在最上塔段处的内部液体流。这是从所测得的回流量和在塔中增加的蒸气的冷凝蒸气级份中获得的，其冷凝的能量被用来使回流温度升到塔温。
mFeed进给量，在2处(外部)测量mFeed，int液体流，其是从测得的进给量2和增加的蒸气的冷凝蒸气级份中获得的，其冷凝能量用来使进给温度升到塔温mD到塔的蒸汽流18n 在测量点29和塔底23之间的理论塔板数XA，Su通过过程模型以摩尔分数计算得到的在产品流14中的组分A的浓度(相当于在塔底中的浓度)XA，在线分析在测量点29通过在线分析仪器以摩尔分数测得的组分A的浓度XA，实验室分析以摩尔分数借助实验室分析所测得的产品流14的组分A的浓度。
权利要求
1.一种针对带有下塔段(9)和上塔段(10)且能调节塔底物浓度的蒸馏塔的过程控制方法，其中可以将优选是具有彼此非常接近的沸点的多种组分A、B相互分离，并以高纯度获得在下塔段(9)的塔底(23)沉积的组分，该方法的特征在于a)组分A、B的浓度是使用分析仪器(3)，特别是近红外分光计在线测量的，其测量点是在塔柱(9；10)上除塔底(23)或塔顶区(30)之外的位置点(29)上，特别是在这样的位置(29)处，即其位于整个塔(9，10)长最上十分之一到最下十分之一之间的中间区域，b)在过程控制系统(28)的计算单元(6)中的在线过程模型接受并采用根据a)所测得的至少一种组分A或B的浓度值，然后该过程模型在由过程控制系统(28)和控制技术所决定的间隔时间里，通过使用该测量值和其他直接从塔(9，10)中测量得的那些选自温度、压力和物质流量特别是进给量(15)、回流量(22)和加热媒介进给量、特别是蒸汽进给量(18)的参数，计算出塔底物浓度XAsu，c)将通过使用过程模型计算所得的塔底物浓度XAsu用于控制调节，从而将由模型计算所得的塔底物浓度XAsu在控制技术中作为塔底物浓度控制参数的真实值，d)该过程模型的特定参数由物理上可解释的参数、特别是规整填料或无规填料的理论塔板数和/或塔效率组成，并且以终产品的分析和分析数据录入过程模型中为依据来看，这些参数在更长的时间间隔内，特别是好几个小时内，均是适于各个塔柱情况的，例如污染度。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，塔被分成至少两个次级塔(9)和(10)，并且浓度测量a)在次级塔(9)和(10)之间进行。
3.权利要求2所述的方法，其特征在于，在过程模型中也使用两个次级塔(9，10)之间的物流量以及它们的温度来代替温度、进给(15)和回流(22)量以及热能，特别是蒸气量(18)。
4.权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，将分析仪器布置在整个塔(9，10)长度的最上五分之一和最下五分之一间的区域内。
5.权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，使用的分析仪器为NIR分光计、UV-VIS-光谱仪、液相或气相色谱仪。
6.权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，用作为过程模型的其它参数是塔顶端(24)的温度和塔(10)的进给区域(27)的温度。
7.权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，可以分离沸点差至多20K、特别是至多10K的混合物A、B。
8.权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，可以将在线分析和过程模型结合起来用于塔顶产品的浓度控制。
全文摘要
本发明涉及一种在蒸馏塔中分离多种物质混合物的过程控制方法。特别是涉及分离沸点很接近的多种物质混合物，例如异构体混合物，将该混合物分离为高产品纯度的同分异构组分。
文档编号G01N21/35GK1556727SQ02818442
公开日2004年12月22日 申请日期2002年9月6日 优先权日2001年9月19日
发明者F·莫伊夫森, F·F·里尔, T·豪施尔德, M·格尔拉赫, ┒, F 莫伊夫森, 里尔 申请人:拜尔技术服务有限责任公司