PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19829346A1 04.05.2000
Titel Verfahren zur Bypass-Regelung von Heiz- und Kühlströmen bei Batch-Prozessen
Anmelder Thier, Bernd, Dipl.-Ing., 45770 Marl, DE
Erfinder Thier, Bernd, Dipl.-Ing., 45770 Marl, DE
DE-Anmeldedatum 01.07.1998
DE-Aktenzeichen 19829346
Offenlegungstag 04.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.05.2000
IPC-Hauptklasse F28F 27/00
IPC-Nebenklasse G05D 29/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bypass-Regelung von Heiz- und Kühlströmen zur präzisen Temperaturführung von Chargenprozessen.

Die Herstellung chemisch-pharmazeutischer Produkte im Chargenprozess erfordert ein Temperiersystem, das hohe Anforderungen an Qualität und Sicherheit sowie Reproduzierbarkeit erfüllen muß.

Nach Temperaturverlauf und Energiebilanz des Batch-Prozesses sind recht unterschiedliche Heiz- und Kühlphasen zu erkennen:

  • 1. schnelles Aufheizen (hohe Wärmezufuhr)
  • 2. starkes Kühlen (exotherme Reaktion)
  • 3. Temperieren (halten) (geringe Wärmezufuhr)
  • 4. starkes Kühlen (Abkühlvorgang)
  • 5. langsames Abkühlen (Kristallisationsvorgang).

Die Vorgänge müssen durch unterschiedliche Dimensionen der Stellventile regelungstechnisch gesteuert werden, was in der Temperierphase bei kleinen Mengen problematisch ist.

Bei Heiz- und Kühlkreisläufe für Reaktoren ist man bemüht, den Inhalt (Hold-up) der Umlaufsysteme möglichst gering zu halten. Heiz- und Kühlsysteme im ständigen Wechsel bedeuten bei Chargenprozessen eine energetisch aufwendige Betriebsfahrweise.

Aus diesem Grund ist es wichtig, nur eine geringe Umlaufmenge im Kreislaufsystem zuhaben (Halbrohrschlange, Plattenwärmeaustauscher). Bei kleinen Rührkesseln sind daher nur ca. 100-500 l im Sekundärkreislauf vorhanden.

Das bedeutet, daß bei geringen Temperaturänderungen (1-2°C) im Heiz- und Kühlkreislauf nur wenige Liter des Heiz- und Kühlmediums eingefahren werden (Temperier-Phase).

Die Stellventile, die für die Heiz- und Kühlphasen mit größerer Leistung ausgelegt werden müssen, können diesen Bereich < 5% nicht mehr regelungstechnisch beherrschen.

Mit Hilfe der verfahrenstechnischen Schaltung der Kreisläufe (Hauptumlauf und Bypass) sowie der Regelung (temperaturgesteuerte Druck-Mengenregelung) wird erreicht, daß auch geringe Heiz- und Kühlmengen in der Temperierphase eingefahren werden können, ohne daß dabei der Hauptumlauf (Menge, Geschwindigkeit) wesentlich beeinflußt wird.

Abb. 1 zeigt eine Bypass-Regelung von Heiz- und Kühlströmen mit den Komponenten heiß/kühl/kalt für eine Einzelanlage.

Mit Hilfe der Pumpen P1 und P2 wird der Hauptkreislauf aufgebaut, der zu der Vor- bzw. Rücklaufleitung führt und über die Druckregelung (PIC) eingestellt wird.

Am Druckstutzen der Pumpen werden zwei Nebenkreisläufe angeschlossen, die zu den Wärmeaustauschern W1 und W2 führen, in denen unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden. Die Beheizung oder Kühlung der Wärmeaustauscher W1 und W2 erfolgt durch Energieschienen (Dampf, Kühlwasser) mit Vor- und Rücklaufleitungen durch entsprechende Temperatursteuerung (TIC). Der Kalt-Bypass wird direkt über ein Regelventil mit dem Kälteträger der Kälteanlage eingefahren.

Abb. 2 zeigt die Bypass-Regelung eines Sekundärkreislaufes bei einer zentralen Anlage mit drei Energieschienensystemen.

Aus dem Primärsystem (heiß/kühl/kalt) werden Energieschienen mit Vor- und Rücklaufleitungen über Druckregelungen an die Reaktoren herangeführt.

Der Sekundärkreislauf am Rührkessel wird mit Hilfe der Pumpe P aufgebaut und führt über den Mischer in die Vorlaufleitung.

Im Bypass sind die Regelventile (heiß/kühl/kalt) angeordnet. Die Steuerung erfolgt über die Temperaturkaskade mit dem Führungsregler im Reaktor und dem Folgeregler am Eingang sowie der Steuerung der Auslaßventile (Auf/Zu) für das Medium der Rücklaufschienen.

Haupt- und Bypass-Strom können über eine Mengen-Verhältnisregelung gesteuert werden, wobei das Mischventil (Dreiwege-Stellventil) die beiden Komponenten einregelt.

Die energetische Aufteilung der Rücklaufströme wird erreicht durch Temperatursteuerung nach den Batch-Zyklen, wobei die Wahl der Temperaturzonen sowohl nach Energieoptimierung als auch nach den Kriterien gleicher Mengenströme erfolgen sollte. Heiz- und Kühlkurven sollten daher möglichst gleich verlaufen (gesteterte Heiz- und Kühlvorgänge).

Für die Steuerung der Ausgangsventile (Auf/Zu-Funktion) gibt es unterschiedliche Vorgehensweisen:

  • 1. synchron mit den Eingangsventilen
  • 2. phasenverschobene Taktsteuerung
  • 3. Temperatursteuerung
  • 4. zyklische Temperatursteuerung mit Mengenausgleich.

Abb. 3 zeigt eine Bypass-Regelung mit internen individuell thermostatisch regelbarem Kreislauf.

Am Druckstutzen der Pumpen wird ein Nebenkreislauf (heiß) angeschlossen, der zu dem Wärmeaustauscher W führt, in den unterschiedliche Temperaturen einstellt werden. Die Beheizung oder Kühlung des Wärmeaustauschers W erfolgt durch die Energieschiene (Dampf) mit Vor- und Rücklaufleitungen durch entsprechende Temperatursteuerung (TIC).

Dabei wird der Energiestrom in den Sekundärkreisläufen (heiß) über Inlinepumpe (P3) sowie Puffergefäß (B) geführt und thermostatisch geregelt.

Die individuelle Temperaturregelung der Wärmeaustauscher für die Primärenergien durch Inline-Pumpenumläufe (Sekundärkreisläufe heiß/kühl/kalt) bieten daher gute Möglichkeiten einer optimierten Prozessführung.

So können z. B. beide Ströme (Haupt- und Bypass) sowohl in der Temperatureinstellung als auch in der Menge so angeglichen werden, daß minimale Temperaturdifferenzen bei hohen Durchflußmengen eine präzise Dosierung der Heiz- und Kühlströme ermöglichen.

Die Bypass-Regelung ermöglicht eine präzise Temperaturführung bei Batch-Prozessen.

Der Sekundärkreislauf am Reaktor wird durch verfahrenstechnische Schaltung der Kreislaufsysteme aufgeteilt in Haupt- und Nebenströme. Der Hauptstrom läuft ständig über die Inlinepumpen um. Die Nebenströme (Bypass heiß/kühl/kalt) werden über die Temperaturregelung (TICR) periodisch zugeschaltet.

Durch Ausbildung der beiden Ströme (Haupt- und Nebenströme) bieten sich zahlreiche Möglichkeiten der Regelung an mit folgenden Parametern

  • 1. Druckregelung
  • 2. Mengenregelung
  • 3. Mengenverhältnisregelung
  • 4. Δt-Regelung
  • 5. Taktsteuerung

Besonders bei der Dosierung kleiner Heiz- und Kühlmengen (Temperierphase - Halten) bietet die Bypass-Regelung regelungstechnisch erhebliche Vorteile, da beide Ströme in bestimmter Relation zueinander mit hohen Geschwindigkeiten umlaufen.

Der Hauptstrom ist dabei die energetisch neutrale Phase und zeigt den Ist-Wert des Umlaufsystems. Geringe Temperaturänderungen (± 1°C) können durch Zuschalten der temperaturgeregelten Bypass- Heiz- oder Kühlströme bei hohen Umlaufmengen erreicht werden (Mischregelung).

In den Phasen der Batch-Zyklen, in denen hohe Energiemengen (Aufheiz- und Abkühlphase) zugeführt werden müssen, übernehmen die Bypass-Regelorgane bis zu 100% die. Versorgung, während der Hauptstrom über die Druckregelung stark reduziert wird.

Vorteilhaft ist auch die Temperierung der Komponenten (heiß/kühl/kalt) durch interne Bypass-Kreisläufe mit Inlinepumpe und kleinem Puffergefäß. Damit wird gewährleistet, daß eine exakte Temperatureinstellung der Komponenten sowie konstante Vordrücke bei den Regelventilen vorherrschen.

Hier bietet sich eine Δt-Regelung an zwischen Haupt- und Bypass- Strom.

Als Regelarmaturen für die Bypass-Dosierung können alle Regelorgane mit elektrischen oder pneumatischen Antrieben eingesetzt werden (z. B. Regelklappe, Regelkugelhahn, Stellventil, Membranventil, Ringkolbenventil, Magnetventil usw.).

Mit Hilfe der elektronischen Steuerung erfolgt die Druck-Mengenregelung der Komponenten sowie die Verhältnisregelung zwischen Haupt- und Bypass-Strom.

Die Komponenten-Dosierstation für die Heiz- und Kühlströme wird als kompaktes Armaturensystem gebaut mit entsprechenden integrierten Steuerungssystemen (SPS; PLS).


Anspruch[de]
  1. 1. Ausbildung von Haupt- und mehreren Nebenkreisläufen bei einem Heiz- und Kühlsystem, gekennzeichnet durch:
    1. 1. 1.1 Die Komponentendosierung (heiß/kühl/kalt) im Bypass zum Hauptumlauf erfolgt.
    2. 2. 1.2 Beide Volumenströme (Hauptumlauf und Bypass) als Regelparameter für die Dosierung der Heiz- und Kühlströme dienen.
    3. 3. 1.3 Zahlreiche Möglichkeiten der Regelung mit folgenden Funktionsgrößen gegeben sind:
      1. 1. Druckregelung im Hauptstrom
      2. 2. Mengenregelung
      3. 3. Mengen-Verhältnisregelung
      4. 4. Δt-Regelung
      5. 5. Taktsteuerung
    4. 4. 1.4 die Steuerung der Ausgangsventile (Auf/Zu-Funktion) nach folgenden Parametern erfolgt:
      1. 1. synchron mit den Eingangsventilen
      2. 2. phasenverschobene Taktsteuerung
      3. 3. Temperatursteuerung
      4. 4. zyklische Temperatursteuerung mit Mengenausgleich
    5. 5. 1.5 Aufbau eines internen Bypass-Kreislaufes für die Heiz- und Kühlkomponenten mit individueller Regelung, so daß beide Ströme (Haupt- und Bypass) sowohl in der Temperatureinstellung als auch in der Menge so angeglichen werden, daß minimale Temperaturdifferenzen bei hohen Durchflußmengen eine präzise Dosierung ermöglichen.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com