Modellbasierte Prozessführung von Chromatographieprozessen mit simuliertem Gegenstrom

Abstract

Chromatographieprozesse mit simuliertem Gegenstrom - auch bezeichnet als SMB-Prozesse von engl. „simulated moving bed“ - werden in der Verfahrenstechnik und in der Bioverfahrenstechnik zur kontinuierlichen chromatographischen Trennung unterschiedlicher Stoffgemische eingesetzt. Die Funktionsweise von SMB-Prozessen beruht darauf, dass durch periodische Umschaltvorgänge ein Gegenstrom zwischen einem Adsorbens einerseits und dem Fluid mit den zu trennenden Komponenten andererseits näherungsweise realisiert („simuliert“) wird. Um im Betrieb die gewünschten Werte von Produkt-Reinheit und -Ausbeute zuverlässig einhalten zu können, ist wegen der starken Verkopplungen der verschiedenen Anlagenteile eine anlagenweite Prozessführung erforderlich. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung modellgestützter Regelungsverfahren für SMB-Prozesse und - als Voraussetzung dafür - die Entwicklung eines Zustandsschätzers zur Online-Bestimmung des örtlich verteilten Anlagenzustands. Neben diesen Untersuchungen zur Regelung wird eine neue Betriebsweise für SMB-Anlagen vorgeschlagen und mit Hilfe numerischer Optimierungsverfahren untersucht. Diese Betriebsweise mit periodisch variierten Betriebsparametern ermöglicht eine nennenswerte Lösungsmitteleinsparung und damit eine deutliche Reduktion der Betriebskosten. Als Beispielprozess für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen dient die Abtrennung von Paraxylol aus einem Gemisch von C8-Aromaten im Lösungsmittel Toluol. Grundlage der Untersuchungen zur Prozessführung bilden zwei unterschiedlich genaue mathematische Modelle des Systems. Es wird ein detailliertes Anlagenmodell des SMB-Prozesses entwickelt, das insbesondere das zeitdiskrete Weiterschalten der Zuflüsse und Abzüge berücksichtigt. Dieses Anlagenmodell ist ein verkoppeltes System von partiellen Differentialgleichungen und algebraischen Gleichungen mit zeitabhängigen Modellumschaltungen. Nach einer Ortsdiskretisierung mit der Finite-Volumen-Methode dient es zur Prozesssimulation in DIVA und zur Überprüfung der entwickelten Prozessführungskonzepte. Für den Reglerentwurf und die Entwicklung eines Zustandsschätzers wird ein rein kontinuierliches vereinfachtes Modell des SMB-Prozesses verwendet - das Modell des hypothetischen TMB-Prozesses mit einem echten Gegenstrom zwischen Fluid und Adsorbens (TMB von engl. „true moving bed“). Zur näherungsweisen Online-Bestimmung des SMB-Anlagenzustands wird auf der Basis des ortsdiskretisierten TMB-Modells ein stationäres erweitertes Kalman-Bucy-Filter entwickelt. Dabei müssen die prinzipiellen Unterschiede zwischen SMB- und TMB-Modell berücksichtigt werden. Mit diesem Zustandsschätzer kann aus wenigen punktförmigen Messungen der gesamte Anlagenzustand für die Realisierung einer Regelung bestimmt werden. SMB-Prozesse zeigen ein nichtlineares Verhalten und die zu regelnden Prozessgrößen sind stark miteinander verkoppelt. Es wird daher die Anwendung von zwei neueren nichtlinearen Mehr größenregelverfahren untersucht. Zum einen wird eine Regelung basierend auf dem Verfahren der asymptotisch exakten Eingangs/Ausgangs-Linearisierung entworfen. Dabei handelt es sich um eine nichtlineare Rückführung geschätzter Systemzustände. Als Entwurfsmodell dient das örtlich diskretisierte TMB-Modell. In Simulationsstudien für unterschiedliche Störszenarien wird gezeigt, dass mit dem Regler Reinheit und Ausbeute des SMB-Prozesses auf den gewünschten Werten gehalten werden können. Als zweites Regelungsverfahren wird eine modellprädiktive Regelung betrachtet, eine repetierende Online-Optimierung der Steuergrößen des Systems mit Rückkoppelung über die Schätzung des Systemzustands. Hier können, neben Sollwerten für Produkt-Reinheit und -Ausbeute, auch Beschränkungen der Volumenströme in der SMB-Anlage explizit berücksichtigt werden. Gleichzeitig erfolgt eine Minimierung des Lösungsmittelverbrauchs. Trotz der hohen Systemordnung kann eine Echtzeitfähigkeit des Regelalgorithmus erreicht werden. Mit diesen Eigenschaften eignet sich die modellprädiktive Regelung besonders gut für die Anwendung an einer SMB-Anlage, was durch die Simulationsergebnisse bestätigt wird. Zusätzlich zu den Arbeiten zur Regelung wird eine neue Betriebsweise für SMB-Prozesse entwickelt. Dabei wird die herkömmliche Art des Betriebs mit zeitlich konstanten oder nur langsam veränderlichen Volumenströmen in der Anlage verlassen. Statt dessen werden die Volumenströme innerhalb der SMB-Schaltintervalle sehr stark variiert. Zur Berechnung optimaler zyklischer Zeitverläufe der Volumenströme wird ein hochdimensionales nichtlineares Optimierungsproblem aufgestellt und numerisch gelöst. Die Ergebnisse zeigen, dass die neue Betriebsweise ein großes Potenzial zur Prozessverbesserung im Sinne einer Lösungsmitteleinsparung oder einer Steigerung der Produkt-Reinheit bzw. -Ausbeute bietet.