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DE19842550B4 - Method for on-line parameter estimation and process observation for SMB chromatography processes - Google Patents

Method for on-line parameter estimation and process observation for SMB chromatography processes Download PDF

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DE19842550B4
DE19842550B4 DE1998142550 DE19842550A DE19842550B4 DE 19842550 B4 DE19842550 B4 DE 19842550B4 DE 1998142550 DE1998142550 DE 1998142550 DE 19842550 A DE19842550 A DE 19842550A DE 19842550 B4 DE19842550 B4 DE 19842550B4
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Gerta Dr. Zimmer
Guido Dipl.-Ing. Dünnebier
Karsten-Ulrich Dr. Klatt
Sebastian Prof. Dr. Engell
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Technische Universitaet Dortmund
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Technische Universitaet Dortmund
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Abstract

Verfahren zur Beobachtung eines SMB-Chromatographieprozesses zur Trennung zweier Komponenten mit einer Mehrzahl von Säulen und zwei Produktentnahmestellen durch on-line-Abschätzung von Säulenparametern, dadurch gekennzeichnet, dass an den Produktentnahmestellen kontinuierliche Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, aus denen je Säule für jede der zu trennenden Komponenten der scheinbare Dispersionskoeffizient Dap und der das Adsorptionsverhalten charakterisierende Parameter γ durch Minimierung eines Fehlerfunktionals ermittelt werden.Method for observing an SMB chromatography process for separating two components with a plurality of columns and two product tapping points by on-line estimation of column parameters, characterized in that continuous concentration measurements are made at the product tapping points, from which each column for each of the components to be separated the apparent dispersion coefficient D ap and the parameter γ characterizing the adsorption behavior are determined by minimizing an error functional.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Im Bereich der chemischen Industrie gelten die sogenannten Life Science Produkte als der erfolgversprechendste Bereich der nächsten Jahre. Da jedoch pharmazeutische Präparate und Feinchemikalien immer komplexeren Anforderungen und strengeren gesetzlichen Auflagen gerecht werden müssen, müssen hier effiziente Verfahren zur schonenden Produkttrennung, wie z. B. chromatographische Trennverfahren, zum Einsatz kommen. Der kontinuierliche Betrieb chromatographischer Trennverfahren mit scheinbarem Feststoffgegenstrom als SMB-Prozeß (Simulated-Moving-Bed, Simulierter Gegenstrom) gewinnt zur Trennung einer Stoffmischung in zwei Fraktionen zunehmend an Bedeutung. Wegen der hohen Produktkosten stellt der wirtschaftliche Betrieb dieser Anlagen hohe Anforderungen an die Prozeßführung und Prozeßüberwachung.In the chemical industry The so-called life science products are considered the most promising Area of the next Years. However, since pharmaceutical preparations and fine chemicals increasingly complex requirements and stricter legal requirements have to do justice have to here efficient processes for gentle product separation, such as B. chromatographic separation processes are used. The continuous Operation of chromatographic separation processes with apparent solid countercurrent as an SMB process (simulated moving bed, Simulated countercurrent) wins to separate a mixture of substances increasingly important in two groups. Because of the high product costs the economical operation of these systems places high demands to litigation and Process monitoring.

Der SMB-Prozeß wird durch die Hintereinanderschaltung einer beliebigen Anzahl einzelner Flüssigchromatographiesäulen oder -segmente erreicht, und zwar so, daß sich eine endlose Schleife ergibt. Üblich sind Anordnungen mit 8 bis 24 Säulen oder Segmenten. Edukt- und Lösungsmittelzufuhr sowie Abfuhr der beiden Produkte werden zwischen den Säulen angeordnet und definieren vier verschiedene Zonen des Prozesses, die jeweils zwischen den Zu- und Abläufen liegen. Der scheinbare Gegenstrom wird näherungsweise durch ein periodisches Umschalten der Zu- und Abläufe in Richtung des Fluidstroms realisiert, d. h. nach einer spezifizierten Schaltperiode werden alle Zu- und Abläufe jeweils eine Säule weitergeschaltet. Zone I liegt zwischen der Desorbenszufuhr und der Extraktabfuhr, Zone II zwischen der Exraktabfuhr und der Feedzufuhr, Zone III zwischen Feedzufuhr und Raffinatabfuhr und Zone IV zwischen Raffinatabfuhr und Desorbenszufuhr. Die Zuordnung der Zonen erfolgt aufgrund ihrer Funktionalität und ihrer relativen Lage zu den Zu- und Abläufen. Die Zonen werden nicht bestimmten Chromatographiesäulen zugeordnet, die Funktion der einzelnen Säulen ändert sich mit jeder Schaltperiode. Eine schematische Skizze des Prozesses befindet sich in 1. Adsorptive Trennverfahren nach diesem Prinzip sind beschrieben in (Broughton et al. 1961), (Rasche, 1992), (Negawa and Shojii, 1995), (Priegnitz, 1995). Detaillierte Beschreibungen der möglichen technischen Ausführungen dieses Prozesses können den voranstehenden Referenzen entnommen werden. Sie dienen außerdem der Dokumentation des Standes der Technik. Eine technische Ausführung des Prozesses in einer einzelnen Säule ist beschrieben in (Schoenrock, 1992), in (Hotier, 1998) wird eine Betriebsweise mit veränderlichen Schaltperioden und konstantem Kreislaufstrom beschrieben. Der SMB-Prozeß zeichnet sich durch eine komplexe, aus regelungstechnischer Sicht schwer zu beherrschende, gemischt kontinuierlich/diskrete Systemdynamik aus. Problematisch sind dabei vor allem der Anfahrvorgang und der stabile Betrieb der Anlagen in der Nähe des wirtschaftlichen Optimums. Die derzeit bekannten Verfahren zur Regelung von SMB-Prozessen beruhen überwiegend auf einer reinen Vorgabe der relevanten Flüssigkeitsströme. In (Masao and Tanimura, 1 986) wird eine Methode beschrieben, diese Flüssigkeitsströme innerhalb der Säulen zu regeln. Dieses Verfahren zielt darauf hin, die Flüssigkeitsströme mit Hilfe von Druckmessungen an einem konstanten Sollwert zu hallen. Ein ähnliches Verfahren ist in (Cohen et al., 1997) beschrieben. Ein Verfahren mit einem über die Zeit variablen, aber fest vorgegebenem, Sollwert beschreibt (Kearney and Hieb, 1992). Diese Verfahren beruhen allesamt nicht auf der Messung der tatsächlichen Systemzustände und Produktkonzentrationen, sondern benutzen ausschließlich die im voraus berechneten Volumenströme, so daß aufgrund der in der Umgebung des optimalen Betriebspunktes hohen Sensitivität des Prozesses gegenüber Störungen und Parameterschwankungen ein stabiler Betrieb der Anlagen in der Nähe des wirtschaftlichen Optimums nicht immer möglich ist.The SMB process is accomplished by cascading any number of individual liquid chromatography columns or segments so that there is an endless loop. Arrangements with 8 to 24 columns or segments are common. The feed and solvent supply as well as the removal of the two products are arranged between the columns and define four different zones of the process, each between the inlets and outlets. The apparent counterflow is approximately achieved by periodically switching the inflows and outflows in the direction of the fluid flow, ie after a specified switching period, all inflows and outflows are switched one column at a time. Zone I lies between the desorbent supply and the extract removal, Zone II between the extract removal and the feed supply, Zone III between the feed supply and raffinate discharge and Zone IV between raffinate discharge and desorbent supply. The zones are assigned based on their functionality and their relative position to the inflows and outflows. The zones are not assigned to specific chromatography columns, the function of the individual columns changes with each switching period. A schematic sketch of the process can be found in 1 , Adsorptive separation processes based on this principle are described in (Broughton et al. 1961), (Rasche, 1992), (Negawa and Shojii, 1995), (Priegnitz, 1995). Detailed descriptions of the possible technical versions of this process can be found in the references above. They also serve to document the state of the art. A technical implementation of the process in a single column is described in (Schoenrock, 1992), in (Hotier, 1998) an operating mode with variable switching periods and constant circulating current is described. The SMB process is characterized by complex, mixed continuous / discrete system dynamics that are difficult to control from a control point of view. The main problem here is the start-up process and the stable operation of the systems in the vicinity of the economic optimum. The currently known methods for controlling SMB processes are based predominantly on a pure specification of the relevant liquid flows. In (Masao and Tanimura, 1 986) a method is described to regulate these liquid flows within the columns. The aim of this method is to reverberate the liquid flows at a constant setpoint using pressure measurements. A similar procedure is described in (Cohen et al., 1997). Describes a method with a setpoint that is variable over time but fixed (Kearney and Hieb, 1992). All of these methods are not based on the measurement of the actual system states and product concentrations, but only use the volume flows calculated in advance, so that due to the high sensitivity of the process to disturbances and parameter fluctuations in the vicinity of the optimal operating point, stable operation of the systems in the vicinity of the economic optimum is not always possible.

Neueste Untersuchungen haben gezeigt, daß für die Regelung des SMB-Prozesses nicht allein die Produktkonzentrationen wesentlich sind, sondern daß auch die Lage und die zeitliche Entwicklung sämtlicher Adsorptions- bzw. Desorptionsfronten für die Prozeßführung von entscheidender Bedeutung sind. Diese Größen sind jedoch nicht direkt meßbar, da entsprechende Konzentrationsmessungen innerhalb der Säulen technisch nicht möglich sind und auch Meßstellen nach jeder einzelnen Säule oft einen unvertretbaren finanziellen Aufwand bedeuten. Erschwerend kommt hinzu, daß die Prozeßdynamik durch variable, von den Betriebsparametern abhängige Totzeiten bestimmt wird und daß – je nach Position der Konzentrationsplateaus in den Säulen – die Sensitivität der Qualitätsgrößen bezüglich der Einflußgrößsen sehr stark varriert. Dies führt unter anderem auch dazu, daß Störungen oft erst nach sehr langer Zeit (mehrere Stunden bis Tage) sichtbare Auswirkungen haben. Bis heute gibt es nur wenige Ansätze, die konventionelle Fahrweise durch eine fortgeschrittene Regelung unter Einbeziehung von Konzentrationsmessungen und Beobachtung der internen Konzentrationsprofile zu verbessern, um so die Prozesse in der Nähe des wirtschaftlichen Optimums zu betreiben. In (Holt, 1995a) ist ein Regelungs- und Meßkonzept für einen SMB Prozess beschrieben, welches in (Holt, 1995b) noch einmal speziell für eine para-xylene Trennung entwickelt wurde. In diesem Verfahren werden aus on-line Messungen der Konzentrationen an zwei Stellen des Kreislaufstromes mit Hilfe eines Algorithmus die Flüssigkeitsströme und Umschaltperioden so bestimmt, daß eine Produkteigenschaft, wie z. B. die Reinheit, einen Sollwert einhält. Im Gegensatz zu der hier beschriebenen Erfindung erfordert dieses Verfahren weitere Meßstellen zur Produktüberwachung und erlaubt auch keine Beobachtung der Konzentrationsprofile in den Säulen.Recent studies have shown that not only the product concentrations are essential for the control of the SMB process, but also that the location and the temporal development of all adsorption and desorption fronts are of crucial importance for the process control. However, these quantities cannot be measured directly, since appropriate concentration measurements within the columns are not technically possible and measuring points after each individual column often mean an unacceptable financial outlay. To make matters worse, the process dynamics are determined by variable, depending on the operating parameters, dead times and - depending on the position of the concentration plateaus in the columns - the sensitivity of the quality variables with regard to the influencing variables varies greatly. Among other things, this also means that malfunctions often only have visible effects after a very long time (several hours to days). To date, there are only a few approaches to improve the conventional driving style by means of advanced control, including concentration measurements and observation of the internal concentration profiles, in order to operate the processes in the vicinity of the economic optimum. In (Holt, 1995a) a control and measurement concept for an SMB process is described, which in (Holt, 1995b) was once again specially developed for a para-xylene separation. In this method, the liquid flows and switching periods are determined from on-line measurements of the concentrations at two points in the circuit flow with the aid of an algorithm in such a way that a product property, such as. B. the purity, a setpoint. In contrast to the invention described here, this method requires more Measuring points for product monitoring and also does not allow observation of the concentration profiles in the columns.

In (Marteau et al., 1994) ist ein Konzept zur Prozeßüberwachung einer Aromatentrennung mittels SMB Chromatographie beschrieben. Die dort vorgeschlagene Meßstellenanordnung enthält vier Meßstellen, wobei zwei im Kreislaufstrom angeordnet sind und jeweils eine die Konzentration des Extrakt- und Raffinatstroms überwacht. Dieses Verfahren benötigt also vier Meßstellen für eine Überwachung des Prozesses und der Produktzusammensetzung. Aus Kostengründen wäre es jedoch vorteilhaft, weniger Meßstellen zu verwenden.In (Marteau et al., 1994) a Process monitoring concept aromatics separation using SMB chromatography. The measuring point arrangement proposed there contains four measuring points, where two are arranged in the recycle stream and one each Concentration of the extract and raffinate stream monitored. This method needed four measuring points for surveillance of the process and the product composition. However, for cost reasons it would be advantageous, fewer measuring points to use.

Die hier beschriebene Erfindung soll die Nachteile der obigen Ansätze vermeiden. Insbesondere soll sie ermöglichen, mit nur zwei Meßstellen sowohl die Produktqualität on-line zu überwachen als auch den Verlauf des Konzentrationsprofils innerhalb einer Säule verfügbar zu machen. Aus der Kenntnis des Konzentrationsprofils in den Säulen lassen sich dann vor allem die zur Prozeßführung wesentlichen Positionen der Adsorptions- und Desorptionsfronten ableiten. Auf dieser Grundlage kann z. B. im weiteren ein Regelalgorithmus entwickelt werden, mit dem die geforderten Produkteigenschaften auch im Falle von Störungen und Parameterschwankungen eingehalten werden.The invention described here is intended the disadvantages of the above approaches avoid. In particular, it should enable with only two measuring points both the product quality monitor online as well as the course of the concentration profile within a column do. From the knowledge of the concentration profile in the columns then the main positions relevant to litigation of the adsorption and desorption fronts. On that basis can e.g. B. further developed a control algorithm with which the required product properties also in the event of malfunctions and Fluctuations in parameters are observed.

Die hier dargestellte Erfindung bildet zum einen dafür die Grundlage, stellt aber gleichzeitig auch eine Methode dar, mit der das nichtmeßbare Konzentrationsprofil der Anlage zu jeder Zeit überwacht werden kann sowie die relevanten Prozeßparameter on-line ermittelt werden können.The invention shown here forms for one thing the basis, but also represents a method with the immeasurable Concentration profile of the plant can be monitored at any time as well the relevant process parameters can be determined online.

Die Erfindung betrifft eine Methode zur Parameterschätzung und Prozeßbeobachtung für simulierte Gegenstrom-Chromatographieprozesse. Die Erfindung erlaubt die kontinuierliche Ermittlung der in allen Säulen vorliegenden Konzentrationsprofile aus der kontinuierlichen Messung der Ausflußkonzentration an zwei Stellen des Prozesses.The invention relates to a method for parameter estimation and process monitoring for simulated countercurrent chromatography processes. The invention allows the continuous determination of all columns existing concentration profiles from the continuous measurement the outflow concentration at two points in the process.

Die Erfindung ist besonders geeignet zur Prozeßüberwachung von simulierten Gegenstrom-Chromatographieprozessen im Bereich der Zuckertrennung (Rearick et al., 1997) z. B. Aufspaltung von Fructose-Glucose Lösungen, Abtrennung von Sucrose aus Molasse, (Broughton, 1983).The invention is particularly suitable for process monitoring of simulated countercurrent chromatography processes in the area of Sugar separation (Rearick et al., 1997) e.g. B. Breakdown of fructose-glucose Solutions, Separation of sucrose from Molasse, (Broughton, 1983).

Die Meßeinrichtungen werden direkt in die Leitungen für die beiden Produkte Extrakt und Raffinat installiert und liefern on-line die Konzentrationen der beiden Komponenten. Eine für eine Zuckertrennung taugliche Meßapparatur ist z. B. beschrieben in (Altenhöner et al., 1997).The measuring devices become direct in the lines for installed and deliver the two products extract and raffinate on-line the concentrations of the two components. One for sugar separation suitable measuring equipment is z. B. described in (Altenhöner et al., 1997).

Bei der Anordnung der Meßstellen mußte berücksichtigt werden, daß die Eigenschaften der Chromatographiesäulen von der Geometrie und Packung der Säulen abhängen, welche aus produktionstechnischen Gründen leichten Schwankungen unterliegen. Im Extremfall hat jede Einzelsäule also voneinader abweichende Eigenschaften. Die Meßstellen wurden deshalb so angeordnet, daß aus den Meßdaten die Systemparameter säulenspezifisch ermitteln können. Aus Kostengründen ist es ein weiteres Anliegen, möglichst wenige Meßstellen zu verwenden. Die hier gewählte Anordnung der Meßstellen hat zusätzlich den Vorteil, daß die im Rahmen der Profil- und Parameterermittlung durchgeführten Messungen gleichzeitig zur Produktüberwachung genutzt werden können.When arranging the measuring points had to considered be that the Properties of the chromatography columns on the geometry and Pack of columns depend, which due to production-related reasons slight fluctuations subject. In extreme cases, each individual column has different ones Characteristics. The measuring points were therefore arranged so that the System parameters column-specific can determine. For cost reasons it is another concern, if possible few measuring points to use. The one chosen here Arrangement of the measuring points has additional the advantage that the Measurements carried out as part of the profile and parameter determination at the same time for product monitoring can be used.

Der Erfindung liegt zugrunde, daß für eine Vielzahl von Trennungen das physikalische Verhalten der Adsorptionssäule hinreichend genau durch folgende Gleichung beschrieben werden kann:

Figure 00020001
The invention is based on the fact that for a large number of separations the physical behavior of the adsorption column can be described with sufficient accuracy by the following equation:
Figure 00020001

Hierbei ist ci(x,t) die Konzentration der Komponente i am Ort x zur Zeit t und u die Strömungsgeschwindigkeit in den Säulen. Eine Beschreibung dieses Modells, seiner physikalischen Grundlagen und und seiner Lösung findet sich in (Dünnebier et al., 1998). γi und Dap,i (i = A, B) sind vier für das System charakteristische Parameter, welche aus den Meßwerten on-line bestimmt werden müssen.Here, c i (x, t) is the concentration of component i at location x at time t and u is the flow velocity in the columns. A description of this model, its physical basis and its solution can be found in (Dünnebier et al., 1998). γ i and D ap, i (i = A, B) are four parameters that are characteristic of the system and must be determined on-line from the measured values.

Parameter- und ProfilermittlungParameter- and profile determination

Unter der Voraussetzung, daß die Substanzen A und B bei der Adsorption keine Wechselwirkungen aufeinander ausüben, können die Parameterpaare γA und Dap,A sowie γB und Dap,B voneinander getrennt ermittelt werden.Provided that substances A and B do not interact with each other during adsorption, the parameter pairs γ A and D ap, A and γ B and D ap, B can be determined separately.

Die nachfolgend beschriebene Parameterermittlung ist jeweils säulenspezifisch. Diejenige Säule, deren Parameter bestimmt werden, wird als "relevante Säule" bezeichnet.The parameter determination described below is column-specific. That pillar whose parameters are determined is referred to as the "relevant pillar".

Die in Extrakt- bzw. Raffinatstrom gemessene Ausflußkonzentration ci,mess(x = L,t) bei unbekannten Parametern γi und Dap,i (i = A, B) wird mit einer numerisch ermittelten Ausflußkonzentration ci(x = L, t; γi, Dap,i) abgeglichen. In der numerischen Simulation sind die Parameter γi und Dap,i bekannt. Der Abgleich erfolgt über diese beiden Parameter durch Optimierung des quadratischen Gütefunktionals

Figure 00020002
über einen noch zu spezifizierenden Zeithorizont (t1, t2).The outflow concentration c i, mess (x = L, t) measured in extract or raffinate flow with unknown parameters γ i and D ap, i (i = A, B) is compared with a numerically determined outflow concentration c i (x = L, t; γ i , D ap, i ) balanced. The parameters γ i and D ap, i are known in the numerical simulation. The comparison is carried out via these two parameters by optimizing the quadratic quality function
Figure 00020002
over a time horizon to be specified (t 1 , t 2 ).

ci(x = L, t; γi, Dap,i) ist die Lösung der partiellen Differentialgleichung (1) mit Rand- und Anfangsbedingungen ci(x = 0, t; γi, Dap,i) = Ce,i(t) (3) ci(x,t = 0; γi, Dap,i) = C0,i(x). (4) c i (x = L, t; γ i , D ap, i ) is the solution of the partial differential equation (1) with boundary and initial conditions c i (x = 0, t; γ i , D ap, i ) = C egg (t) (3) c i (x, t = 0; γ i , D ap, i ) = C 0, i (X). (4)

Mit den bzgl. (2) optimalen Parametern γi = γi,opt und Dap,i = Dap,i,opt gibt ci (x,t = 0; γi,opt, Dap,i,opt) das Konzentrationsprofil am Taktbeginn im Inneren der relevanten Säule wieder.With the (2) optimal parameters γ i = γ i, opt and D ap, i = D ap, i, opt , c i (x, t = 0; γ i, opt , D ap, i, opt ) the concentration profile at the beginning of the bar inside the relevant column again.

Die Rand- und Anfangsbedingungen (3) und (4) sind nicht bekannt und werden approximiert. Zur Ermittlung der Rand- und Anfangsbedingungen werden die gemessenen Konzentrationen in Extrakt- und Raffinatabzug in zwei aufeinanderfolgenden Takten benötigt. Die Parameter können nach dem zweiten Takt bestimmt werden. Dieser Takt wird deshalb als "aktueller Takt" bezeichnet. Zur Unterscheidung wird der erste Takt, aus dem Meßungen verwendet werden, als "vorangegangener Takt" angesprochen.The boundary and initial conditions (3) and (4) are not known and are approximated. For investigation The boundary and initial conditions become the measured concentrations in extract and raffinate deduction in two successive cycles needed. The parameters can be determined after the second bar. This is why this bar referred to as the "current clock". to A distinction is made between the first cycle from which measurements are used and the "previous cycle".

L bezeichnet die Säulenlänge und te die Taktzeit. Als "Richtung" wird die Fließrichtung des Desorbens gewählt.L denotes the column length and te the cycle time. The "direction" is the flow direction desorbent chosen.

Bestimmung von γA und Dap,A Determination of γ A and D ap, A

Die Betriebsparameter der Anlage müssen so gewählt werden, daß (nach einer Anlaufzeit) die Desorptionsfront der Substanz A, die die schwächer adsorbierbare Komponente bezeichnet, den Raffinatentnahmepunkt EX in jedem Takt passiert. Nach der Anlaufphase bildet sich im Bereich des Extraktabzugs in zwei aufeinanderfolgenden Takten die in 2 gezeigte Konzentrationsverteilung aus.The operating parameters of the system must be selected so that (after a start-up time) the desorption front of substance A, which denotes the weakly adsorbable component, passes the raffinate removal point EX in every cycle. After the start-up phase, in in the area of the extract deduction, the in 2 shown concentration distribution.

Zur Bestimmung der Parameter γA und Dap,A und des Konzentrationsprofils werden die Auslaufkonzentrationen im Extraktabzug des vorangegangenen und des aktuellen Taktes, CA,mess,alt(t) und cA,mess(t), verwendet.To determine the parameters γ A and D ap, A and the concentration profile, the outlet concentrations in the extract deduction from the previous and the current cycle, C A, mess, alt (t) and c A, mess (t), are used.

Approximation der Anfangsbedingungapproximation the initial condition

Im vorangegangenen Takt ist die relevante Säule die erste Säule von Abschnitt II (vgl. 2a). Die Einlaufkonzentration in diese Säule entspricht der Konzentration im Extraktabzug und ist somit meßbar.In the previous bar, the relevant pillar is the first pillar of Section II (cf. 2a ). The inlet concentration in this column corresponds to the concentration in the extract hood and is therefore measurable.

In der zweiten Zone bildet sich im Konzentrationsprofil der Substanz A ein Plateau annähernd konstanter Konzentration aus (Dünnebier et al., 1998). Aus diesem Grund wird das Anfangsprofil als näherungsweise konstant gleich CA,mess,alt(t = 0) gewählt.In the second zone, a plateau of approximately constant concentration forms in the concentration profile of substance A (Dünnebier et al., 1998). For this reason, the initial profile is chosen as approximately constant equal to C A, mess, alt (t = 0).

Zur Approximation des Konzentrationsprofils in der relevanten Säule am Ende des vorangegangenen Taktes, cA,alt(x,t = te; γA, DaP,A), wird die partielle DGL (1) mit Rand- und Anfangswerten
ce,A,alt(t) cA,mess,alt(t)
c0,A,alt(t) cA,mess,alt(0)
gelöst.
To approximate the concentration profile in the relevant column at the end of the previous bar, c A, old (x, t = te; γ A , D aP, A ), the partial DGL (1) with boundary and initial values is used
c e, A, alt (t) c A, mess, alt (t)
c 0, A, old (t) c A, mess, old (0)
solved.

Nach dem Umtakten ist die relevante Säule die letzte Säule von Abschnitt I (vgl. 2b). Somit entspricht der Anfangswert im aktuellen Takt c0,A(x) = cA,alt(x,t = te; γA, Dap,A (5) After relocking, the relevant pillar is the last pillar of Section I (cf. 2 B ). The initial value in the current measure thus corresponds c 0, A (x) = c A old (x, t = te; γ A , D ap, A (5)

Approximation der Randbedingungapproximation the boundary condition

Aus grober Kenntnis des ungefähren Profils ist klar, daß die Konzentration der Substanz A in Zone I zu Ende eines jeden Taktes sehr gering ist. Nennenswerte Konzentrationen finden sich nur im Endbereich der letzten Säule. Nach dem Umtakten ist die vormals letzte Säule von Abschnitt I die vorletzte Säule von Abschnitt I (vgl. 2b und c). Aus diesem Grund wird die nicht meßbare Einlaufkonzentration in die relevante Säule im aktuellen Takt im wesentlichen als Null angenommen. Der Anfangsbereich wird durch die empirisch ermittelte Formel

Figure 00030001
linear approximert. γA ist dabei der aktuelle Wert der Optimierung. (6) entspricht einer Modellierung des Konzentrationsprofils durch lineare Approximation und anschließender Approximation des Ausflusses durch ein Modell ohne Diffusion.From rough knowledge of the approximate profile it is clear that the concentration of substance A in zone I is very low at the end of each cycle. Noteworthy concentrations can only be found in the end area of the last column. After relocking, the formerly last pillar of Section I is the penultimate pillar of Section I (cf. 2 B and c ). For this reason, the non-measurable inlet concentration in the relevant column is assumed to be essentially zero in the current cycle. The initial range is determined by the empirically determined formula
Figure 00030001
linear approximated. γ A is the current value of the optimization. (6) corresponds to modeling the concentration profile using linear approximation and then approximating the outflow using a model without diffusion.

Die Lösung von (1) mit Rand- und Anfangswerten (6), (5) approximiert cA(x,t; γA, Dap,A) in der relevanten Säule.The solution of (1) with boundary and initial values (6), (5) approximates c A (x, t; γ A , D ap, A ) in the relevant column.

Festlegen des ZeithorizontsEstablish of the time horizon

Der Zeithorizont des Gütefunktionals (2) wird so gewählt, daß die Desorptionsfront der Substanz A den Extraktabzug innerhalb dieses Zeitraums passiert.The time horizon of the quality functional (2) is chosen so that the Desorption front of substance A the extract deduction within this Period happened.

Bestimmung von γB und Dap,B Determination of γ B and D ap, B

Die Betriebsparameter der Anlage müssen so gewählt werden, daß (nach einer Anlaufzeit) die Adsorptionsfront der Substanz B den Raffinatentnahmepunkt RA in jedem Takt passiert (vgl. 3).The operating parameters of the plant must be selected so that (after a start-up time) the adsorption front of substance B passes the raffinate withdrawal point RA in every cycle (cf. 3 ).

Zur Bestimmung der Parameter γB und Dap,B und des Konzentrationsprofils werden die Auslaufkonzentrationen im Extraktabzug des vorangegangenen und des aktuellen Taktes, cB,mess,alt(t) und cB,mess(t), verwendet.To determine the parameters γ B and D ap, B and the concentration profile, the outlet concentrations in the extract deduction from the previous and the current cycle, c B, mess, alt (t) and c B, mess (t), are used.

Approximation der Anfangsbedingungapproximation the initial condition

Die Anfangsbedingung C0,B(x) wird unter Verwendung der Einlaufkonzentration der Substanz B in die relevante Säule im vorangegangenen Takt, CB,mess,alt(t), approximiert. Im vorangegangenen Takt ist die relevante Säule die erste Säule von Abschnitt IV Die Einlaufkonzentration in diese Säule ist meßbar, da sich der Raffinatabzug im vorangegangenen Takt vor der betrachteten Säule befindet (vgl. 3a). cB,mess,alt(t) = cB,mess(t) (7) The initial condition C 0, B (x) is approximated using the entry concentration of substance B into the relevant column in the previous cycle, C B, mess, alt (t). In the previous cycle, the relevant column is the first column of section IV. The inlet concentration in this column is measurable, since the raffinate deduction is in front of the column under consideration in the previous cycle (cf. 3a ). c B, mess, old (t) = c B, measured (t) (7)

Aus grober Kenntnis des ungefähren Profils ist klar, daß die Konzentration der Substanz B in Zone IV zu Beginn eines jeden Taktes sehr gering ist (vgl. 3a und c). Nennenswerte Konzentrationen finden sich nur im Anfangsbereich der jeweils ersten Säule. Aus diesem Grund wird die Lösung der partiellen Differentialgleichung (1) in der relevanten Säule (vorangegangener Takt) approximiert, indem als Randverteilung zum Zeitpunkt t = 0 im wesentlichen die Nullinie angenommen wird. Der Anfangsbereich wird durch die empirisch ermittelte Formel

Figure 00040001
linear approximert.From rough knowledge of the approximate profile it is clear that the concentration of substance B in zone IV is very low at the beginning of each cycle (cf. 3a and c ). Noteworthy concentrations can only be found in the initial area of the first column. For this reason, the solution of the partial differential equation (1) in the relevant column (previous cycle) is approximated by essentially assuming the zero line as the edge distribution at time t = 0. The initial range is determined by the empirically determined formula
Figure 00040001
linear approximated.

Die Lösung von (1) mit Rand- und Anfangswerten (7), (8) ist cB,alt(x,t; γB, Dap,B). cB,alt(x,t = te; γB, Dap,B) approximiert den Konzentrationsverlauf der Substanz B in Abschnitt IV am Ende des vorangegangenen Taktes. Nach Umtakten ist die relevante Säule die letzte Säule von Abschnitt III (vgl. 3b). Im aktuellen Takt ist damit das Anfangsprofil näherungsweise durch c0,B(x) = cB,alt(x,t = te; γB, Dap,B) (9)bestimmt.The solution of (1) with boundary and initial values (7), (8) is c B, old (x, t; γ B , D ap, B ). c B, old (x, t = te; γ B , D ap, B ) approximates the concentration curve of substance B in section IV at the end of the previous bar. After relocating, the relevant pillar is the last pillar of section III (cf. 3b ). In the current measure, the initial profile is approximately through c 0, B (x) = c B, old (x, t = te; γ B , D ap, B ) (9) certainly.

Approximation der Randbedingungapproximation the boundary condition

Aus praktischen Untersuchungen und ausführlichen numerischen Simulationen ist bekannt (Dünnebier et al., 1998), daß sich in der dritten Zone im Konzentationsprofil der Substanz B ein Plateau annähernd konstanter Konzentration ausbildet (vgl. 3b und d). Aus diesem Grund wird die Einlaufkonzentration in die relevante Säule, die nach Umtakten die letzte Säule von Abschnitt III ist, konstant als ce,B(x) = cB,alt(0,t = te; γB, Dap,B) (10)gewählt.It is known from practical studies and extensive numerical simulations (Dünnebier et al., 1998) that a plateau of approximately constant concentration forms in the concentration profile of substance B in the third zone (cf. 3b and d ). For this reason, the inlet concentration in the relevant pillar, which is the last pillar of section III after relocations, constant as c e, B (x) = c B, old (0, t = te; γ B , D ap, B ) (10) selected.

Zur Approximation von cB(x = L, t; γB, Dap,B) wird die partielle DG (1) mit Anfangs- und Randwerten (9) und (10) gelöst.To approximate c B (x = L, t; γ B , D ap, B ) the partial DG (1) is solved with initial and boundary values (9) and (10).

Festlegen des ZeithorizontsEstablish of the time horizon

Der Zeithorizont des Gütefunktionals (2) wird so gewählt, daß die Adsorptionsfront der Substanz B den Raffinatabzug innerhalb dieses Zeitraums passiert.The time horizon of the quality functional (2) is chosen so that the Adsorption front of substance B the raffinate withdrawal within this Period happened.

Bestimmung der Konzentrationen in den anderen Säulendetermination the concentrations in the other columns

Unabhängig von der Parameterschätzung ist nun zusätzlich eine Schätzung der inneren Zustände aller Säulen möglich. Ausgehend von dem bekannten Anfangszustand einer unbeladenen Anlage kann man, unter Benutzung des Prozeßmodells, der aufgeprägten Eingangsgrößen und der on-line bestimmten Systemparameter, die internen Konzentrationen in der gesamten Anlage berechnen.Is independent of the parameter estimate now additionally an estimate of the inner states of all pillars possible. Based on the known initial state of an unloaded system one can, using the process model, the impressed input variables and the system parameters determined on-line, the internal concentrations calculate in the entire system.

ZusammenfassungSummary

Als Ergebnis liefert das Verfahren mit Hilfe von nur zwei Meßstellen on-line:

  • 1. Die aktuellen, säulenspezifischen Parameter eines zur Automatisierung des Prozesses geeigneten Systemmodells.
  • 2. Die aktuellen Konzentrationen der Produktströme.
  • 3. Das nicht direkt meßbare örtliche Konzentrationsprofil zu Beginn des Taktes im Inneren der Säule, die sich in Fließrichtung des Desorbens vor der jeweiligen Meßstelle befindet (Desorptionsfront A und Adsorptionsfront B).
  • 4. Aus der Kenntnis der säulenspezifischen Parameter und der Stellgrößenhistorie kann das vollständige Konzentrationsprofil im Inneren aller Säulen berechnet werden.
As a result, the method delivers on-line using only two measuring points:
  • 1. The current, column-specific parameters of a system model suitable for automating the process.
  • 2. The current concentrations of the product flows.
  • 3. The local concentration profile, which cannot be measured directly, at the beginning of the cycle inside the column, which is located in the flow direction of the desorbent in front of the respective measuring point (desorption front A and adsorption front B).
  • 4. From the knowledge of the column-specific parameters and the manipulated variable history, the complete concentration profile inside all columns can be calculated.

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Claims (4)

Verfahren zur Beobachtung eines SMB-Chromatographieprozesses zur Trennung zweier Komponenten mit einer Mehrzahl von Säulen und zwei Produktentnahmestellen durch on-line-Abschätzung von Säulenparametern, dadurch gekennzeichnet, dass an den Produktentnahmestellen kontinuierliche Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, aus denen je Säule für jede der zu trennenden Komponenten der scheinbare Dispersionskoeffizient Dap und der das Adsorptionsverhalten charakterisierende Parameter γ durch Minimierung eines Fehlerfunktionals ermittelt werden.Method for observing an SMB chromatography process for separating two components with a plurality of columns and two product tapping points by on-line estimation of column parameters, characterized in that continuous concentration measurements are made at the product tapping points, from which each column for each of the components to be separated the apparent dispersion coefficient D ap and the parameter γ characterizing the adsorption behavior are determined by minimizing an error functional. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Parameter Dap und γ in einem Simulationsmodell auf der Grundlage des Dispersionsmodells mit linearer Isotherme (DLI-Modell) verwendet werden.A method according to claim 1, characterized in that the determined parameters D ap and γ are used in a simulation model based on the dispersion model with linear isotherm (DLI model). Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Parameter Dap und γ zur frühzeitigen Entdeckung von Veränderungen einzelner Säulenpackungen herangezogen werden.Method according to 1, characterized in that the determined parameters D ap and γ are used for the early detection of changes in individual column packs. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodell zur Ermittlung der Position der Fronten von Konzentrationsprofilen herangezogen wird, so dass eine Prozessregelung durch Manipulation von Flussraten und Taktzeiten durchführbar ist.A method according to claim 2, characterized in that the simulation model to determine the position of the fronts of concentration profiles is used, so that a process control is feasible by manipulating flow rates and cycle times.
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