DE4021521A1 - Russprozesssteuerungseinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Prozeßsteuerungen und insbesondere Prozeßsteuerungen zur Steuerung der Rußherstellung.

Bei der Rußherstellung ist es wünschenswert, bestimmte Outputvariablen des Rußes zu steuern, um Ruß von substantiell konsistenter Qualität herzustellen. Rußoutputvariablen, die häufig Gegenstand der Steuerung sind, sind die Jodzahl und die DBP. Da die Inputvariablen und andere physikalische Parameter von Rußherstellungsprozessen sich häufig während der Rußherstellung ändern, hat es sich als schwierig erwiesen, Ruß von substantiell konsistenter Qualität herzustellen. Inputvariablen, die häufig während des Rußherstellungsprozesses schwanken, sind z. B. die Luftfeuchtigkeit und die Brennstoffqualität. Schwankungen der Inputvariablen können einen signifikanten Einfluß auf die Rußoutputvariablen, wie z. B. die Jodzahl und/oder DPB, ausüben. Andere nicht meßbare physikalische Parameter ändern sich gleichfalls häufig während des Rußherstellungsprozesses und beeinflussen ebenso die Rußoutputvariablen, wie z. B. die Jodzahl und/oder DBP.

Bei einigen bekannten Rußherstellungseinheiten werden in mit Zwischenraum angeordneten (zeitlich auseinanderliegenden) Intervallen z. B. einmal alle paar Betriebsstunden Proben des hergestellten Rußes genommen. Dann werden die Outputvariablen, wie z. B. Jodzahl und/oder DBP, für jede Probe gemessen. Die Bedienungsperson regelt dann, nachdem jede Probe getestet ist, eine oder mehrere Inputvariablen, wie z. B. den Feedstock-Durchsatz. Die Regelung durch die Bedienungsperson beruht gewöhnlich auf ihrer eigenen subjektiven Erfahrung mit der speziellen Rußherstellungseinheit beim Versuch, die Outputvariablen, wie z. B. Jodzahl und/oder DBP, an ihre Zielwerte anzunähern.

Eine Schwierigkeit bei solchen bekannten Verfahren zum Steuern der Rußherstellung besteht darin, daß die Rußoutputvariablen, wie z. B. die Jodzahl und/oder DBP, während der Zeitintervalle zwischen den Proben nicht kontrolliert werden. Falls Änderungen der Outputvariablen oder anderer physikalischer Parameter der Rußherstellungseinheit dazu führen, daß der Wert der Outputvariablen, wie z. B. der Jodzahl und/oder DBP, aus dem angestrebten Wertebereich läuft, wird deswegen die Änderung üblicherweise so lange nicht bemerkt werden, bis die nächste Probe genommen wird. Als Folge davon dürfte eine wesentliche Menge des hergestellten Rußes die Spezifikation des Kunden nicht erfüllen. Noch ein anderes Problem, das bei derartigen Verfahren zur Steuerung der Rußherstellung auftritt, liegt darin, daß solche Verfahren auf die subjektive Analyse der Bedienungsperson angewiesen sind, um aufgrund der Werte der laborgemessenen Outputvariablen eine oder mehr Inputvariablen zu regeln. Als Folge davon kann sich die Regelung der Inputvariablen in Abhängigkeit von der Bedienungsperson ändern und deswegen zu einer inkonsistenten Qualität des hergestellten Rußes führen.

Deswegen liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Probleme und Nachteile von bekannten Rußherstellungseinheiten zu überwinden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Rußherstellung in einem Rußreaktor und umfaßt die folgenden Schritte:

• a) Messen mindestens einer Inputvariablen, die bei der Rußherstellung benutzt wird, in mit zeitlichem Zwischenraum angeordneten Intervallen, während der Rußreaktor in Betrieb ist;
• b) Anwenden mindestens eines Algorithmus um in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen mindestens eine Rußoutputvariable vorherzusagen, wozu die mindestens eine, während des mit Zwischenraum angeordneten Intervalls gemessene Inputvariable benutzt wird;
• c) Bestimmen eines Mittelwerts der mindestens einen vorhergesagten Outputvariablen in mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervallen; und
• d) Regeln mindestens einer der Inputvariablen in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, wozu die Differenz zwischen Mittelwert der mindestens einen vorhergesagten Rußoutputvariablen und eines Zielwerts dieser Outputvariablen benutzt wird, während der Reaktor in Betrieb ist, um den Zielwert dieser Outputvariablen zu erreichen, um eine substantiell konsistente Rußqualität zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist bevorzugt weiterhin folgende Schritte auf:

• a) Probennehmen von hergestelltem Ruß in mit zeitlichem Zwischenraum angeordneten Intervallen, während der Rußreaktor in Betrieb ist;
• b) Messen der mindestens einen Outputvariablen an der Rußprobe, während der Rußreaktor in Betrieb ist; und
• c) Regeln des mindestens einen Algorithmus, indem der gemessene Wert der mindestens einen Outputvariablen dazu benutzt wird, diese Outputvariable genauer vorherzusagen.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsfform ist die mindestens eine vorhergesagte Outputvariable die Jodzahl und die in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen geregelte Inputvariable ist der Feedstock-Durchsatz. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die mindestens eine vorhergesagte Outputvariable die DBP und die geregelte Inputvariable ist der Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung.

In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der mindestens eine Algorithmus geregelt, indem während der Periode, in der die Rußprobe genommen wird, ein gewichtetes Mittel der Fehlervarianz der vorhergesagten Werte der Rußoutvariablen und die Fehlervarianz des gemessenen Wertes von dieser Outputvariablen benutzt wird. Der mindestens eine Algorithmus wird vorzugsweise dadurch geregelt, daß man ebenfalls mindestens einen zweiten Algorithmus zur Bestimmung einer bestmöglich abgeschätzten Outputvariablen anwendet. Die bestmögliche Abschätzung der Outputvariablen beruht auf dem gewichteten Mittel der Fehlervarianzen und der Differenz zwischen dem gemessenen Wert der Outputvariablen und dem Mittelwert der vorhergesagten Outputvariablen während der Periode, in der die Probe genommen wurde.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Steuern der Rußherstellung in einem Rußreaktor. Die Vorrichtung umfaßt Meßmittel zum Messen von mindestens einer bei der Rußherstellung verwendeten Inputvariablen in mit zeitlichem Zwischenraum angeordneten Intervallen, während der Rußreaktor in Betrieb ist. Rechenmittel der Vorrichtung sind an die Meßmittel, zur Voraussage mindestens einer Rußoutputvariablen in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, gekoppelt, gemäß mindestens einem Algorithmus, der die mindestens eine, während des mit Zwischenraum angeordneten Intervalls gemessene Inputvariable verwendet. Das Rechenmittel bestimmt weiterhin in mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervallen einen Mittelwert der mindestens einen vorhergesagten Outputvariablen über das mit Zwischenraum angeordnete Intervall. Die Vorrichtung verfügt weiterhin über an die Rechenmittel gekoppelte Regelmittel zum Regeln der mindestens einen Rußinputvariablen in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen gemäß einem regelnden Algorithmus. Die Regelung basiert auf der Differenz zwischen dem Mittelwert der mindestens einen vorhergesagten Outputvariablen über das mit Zwischenraum angeordnete mittelwertbildende Intervall und einem Zielwert dieser Outputvariablen, um diesen Zielwert zu erreichen während der Reaktor in Betrieb ist, um eine substantiell konsistente Rußqualität zu erhalten.

In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform verfügt die Vorrichtung weiterhin über Probennahmemittel zum Probennehmen von hergestelltem Ruß in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, während der Reaktor in Betrieb ist, so daß die mindestens eine Outputvariable laborgemessen werden kann. Das Rechenmittel spricht auf den gemessenen Wert der mindestens einen Outputvariablen zum Regeln des mindestens einen Algorithmus an, wobei der gemessene Wert der mindestens einen Outputvariablen benutzt wird, um die Outputvariable genauer vorherzusagen.

Deswegen kompensieren erfindungsgemäßes Verfahren und erfindungsgemäße Vorrichtung Änderungen der Inputvariablen und anderer physikalischer Parameter der Rußherstellungseinheit während der Rußreaktor in Betrieb ist, um Ruß von substantiell konsistenter Qualität herzustellen. Durch Messen mindestens einer Inputvariablen in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, Vorhersagen von mindestens einer Outputvariablen in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen mit einem Algorithmus, der mindestens eine Inputvariable benutzt, Mittelwertbilden über die vorhergesagte Outputvariable in mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervallen, und dann Regeln der mindestens einen Inputvariablen in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, indem man den mittleren vorhergesagten Wert der Outputvariablen benutzt, liefern das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung Ruße von substantiell konsistenter Qualität. Ähnlich können durch Probennehmen von hergestelltem Ruß in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, Messen der mindestens einen Outputvariablen an der Rußprobe und Regeln des mindestens einen Algorithmus, indem man diesen gemessenen Wert benutzt, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die Outputvariable genauer vorhersagen und somit weiterhin Ruß von substantiell konsistenter Qualität herstellen.

Andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden angesichts der folgenden detaillierten Beschreibung und Zeichnungen, auf die darin Bezug genommen wird, offensichtlich.

Fig. 1 erläutert schematisch ein Beispiel eines Furnace-Rußreaktors, in dem die erfindungsgemäße Prozeßsteuerungseinheit angewendet werden kann.

Fig. 2 erläutert schematisch die Hardware-Bestandteile der erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinheit.

Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das konzeptartig die Prozeduren der erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinheit zum Steuern der Jodzahl und/oder der DBP erläutert.

Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm, das konzeptartig die Prozeduren der verteilten Steuerungseinheit (distributed control system) aus Fig. 2 beim Vorhersagen der Jodzahl und der DBP in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert.

Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm, das konzeptartig die Prozeduren der verteilten Steuerungseinheit dirstributed control system) aus Fig. 2 zum Regeln des Feedstock-Durchsatzes und des Durchsatzes der Kaliumadditiv-Lösung, um die Zieljodzahl und bzw. Ziel-DBP zu erreichen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, erläutert.

Fig. 6 erläutert schematisch einen PID-Algorithmus, der erfindungsgemäß zum Regeln des neuen Feedstock-Durchsatzes und des neuen Durchsatzes der Kaliumadditiv-Lösung benutzt wird, um die Zieljodzahl bzw. die Ziel-DBP zu erreichen.

Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm, das konzeptartig die Prozeduren der Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) aus Fig. 2 zum Regeln des Jodzahl-Algorithmus und des DBP-Algorithmus am Ende jeder Rußprobenperiode in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erläutert.

Die erfindungsgemäße Rußprozeßsteuerungseinheit kompensiert Variationen der physikalischen Parameter in einem Rußreaktor durch Regeln einer oder mehrerer Prozeßinputvariablen, um eine oder mehrere Prozeßoutputvariablen zu steuern und somit Ruß von substantiell konsistenter Qualität herzustellen. Die Rußoutputvariablen, die gesteuert werden, sind z. B. die Jodzahl und/oder DBP.

In Fig. 1 wird ein Beispiel eines Furnace-Rußreaktors, in welchem die erfindungsgemäße Prozeßsteuerungseinheit angewendet werden kann, schematisch erläutert. Der gezeigte Rußreaktor ist ein Dreistufenreaktor, der eine Brennerzone, eine Feedstock-Injektionszone und eine Reaktorzone umfaßt. Indes sollte angemerkt werden, daß die erfindungsgemäße Prozeßsteuerungseinheit mit jedem anderen Typ von Rußreaktor oder Verfahren angewendet werden kann, worin ein kohlenwasserstoffhaltiger Feedstock (kohlenwasserstoffhaltiges Ausgangsmaterial) mit heißen Verbrennungsgasen pyrolysiert wird, um Rußpartikel enthaltende Verbrennungsprodukte herzustellen. In der Brennerzone des Reaktors in Fig. 1 wird ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff mit irgendeinem Typ von geeignetem Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, zur Erzeugung heißer Verbrennungsgase umgesetzt. Die entstehenden Verbrennungsgase strömen durch die Austrittsseite der Brennerzone und werden dazu gezwungen, mit hoher Geschwindigkeit durch die Feedstock-Injektionszone zu strömen. Ein kohlenwasserstoffhaltiger Feedstock von entweder gasförmiger, dampfförmiger oder flüssiger Form, der gleich oder verschieden von dem zur Herstellung des Verbrennungsgasstroms verwendeten sein kann, wird in der Feedstock-Injektionszone in den Verbrennungsgasstrom hinein injiziert, woraufhin Pyrolyse oder thermische Zersetzung des Kohlenwasserstoff-Feedstocks eintritt. Die Reaktionsmischung aus Feedstock und Verbrennungsgasen strömt dann in die Reaktorzone hinein, wo sich die Bildung der Rußpartikel vollendet. Die Reaktionsmischung wird dann mit einem geeigneten Fluid, üblicherweise Wasser, am Ende der Reaktorzone gequencht, um die rußpartikelbildende Reaktion zu terminieren. Die Reaktionsmischung wird dann weiter gekühlt und die festen Rußpartikel werden auf eine dem Fachmann geläufige Art gewonnen.

Die von der erfindungsgemäßen Rußprozeßsteuerungseinheit analysierten Inputvariablen werden auch schematisch in Fig. 1 erläutert. Jede einzelne Inputvariable wird vor der Injektion in die Brennerzone oder die Feedstock-Injektionszone hinein gemessen. Die Inputvariablen umfassen den Feedstock-Durchsatz, den Brennstoff-Durchsatz, den Luftdurchsatz, die Luftvorwärmtemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Qualität des Gases oder der anderen Brennstoffe der ersten Stufe, die Feedstock-Qualität und/oder den Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung. Üblicherweise können nur einige der Inputvariablen genau gemessen werden, um eine oder mehrere Rußoutputvariablen, wie z. B. Jodzahl und/oder DBP zu steuern. Typische gesteuerte Inputvariablen sind der Feedstock-Durchsatz, der Brennstoff-Durchsatz, der Luftdurchsatz und/oder der Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform berechnet die Prozeßsteuerungseinheit eine vorhergesagte Jodzahl (I₂No._p) in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, z. B. alle ein bis zehn Sekunden. Die vorhergesagten Jodzahlen werden mittels eines Algorithmus berechnet, der teilweise auf empirischen Testergebnissen für jede beliebige gegebene Geometrie des Rußreaktors, in dem die Prozeßsteuerungseinheit angewendet wird, beruht. Die vorhergesagten Jodzahlen werden dann über mit Zwischenraum angeordnete Intervalle gemittelt (I₂No._AVG), z. B. alle zwei Minuten. Basierend auf dem Mittelwert der vorhergesagten Jodzahlen wird eine gesteuerte Inputvariable, wie z. B. der Feedstock-Durchsatz, automatisch geregelt, um die Zieljodzahl (I₂No._GOAL) zu erreichen. Deswegen kann Ruß von substantiell konsistenter Qualität ungeachtet der Änderungen der meßbaren Inputvariablen des Rußreaktors, wie z. B. der Luftfeuchtigkeit, und/oder Veränderungen in den berechneten Inputvariablen, wie z. B. der Brennstoffqualität, hergestellt werden.

Übereinstimmend mit einem erfindungsgemäßen Beispiel wird, wie in Fig. 1 schematisch erläutert, die Prozeßsteuerungseinheit mit einem Dreistufenreaktor angewendet. Der exemplarische Reaktor benutzt ein kohlenwasserstoffhaltiges Feedstock-Öl und Erdgas (natural gas) als Brennstoff. Indes ist es verständlich, daß die erfindungsgemäße Prozeßsteuerungseinheit gleichwertig genauso gut mit jedem anderen Typ von Reaktorgeometrie und jedem anderen Typ von Feedstock und/oder Brennstoff benutzt werden kann. Die vorhergesagten Jodzahlen (I₂No._p) können in Übereinstimmung mit dem folgenden Jodzahlen-Algorithmus berechnet werden:

I₂No._p=KC_*OAC+KP_*PC+KA_*AIR+ KT_*CAT+KH_*AH+KO. (1)

Die Konstanten des Algorithmus sind empirisch für gegebenen Geometrien von Rußreaktoren bestimmt. Z. B. können die Konstanten des Algorithmus für einen Dreistufenreaktor, wie in Fig. 1 erläutert, von den Konstanten des Algorithmus für einen Zweistufenreaktor (nicht gezeigt) abweichende Werte aufweisen. Die Konstanten des Algorithmus sind folgendermaßen definiert:
KC - Gesamtverbrennungskonstante (overall combustion constant),
KP - Primärverbrennungskonstante (primary combustion constant),
KA - Luftdurchsatzkonstante (air flow rate constant),
KT - Luftvorwärmtemperaturkonstante (air preheat temperatur constant),
KH - Luftfeuchtigkeitskonstante (air humidity constant),
KO - Einheitsabschnittskonstante (system intercept constant).

Die Aufschaltungsinputvariablen (feedforward Inputvariablen) sind folgendermaßen definiert:

OAC - Gesamtverbrennung [%] (overall combustion [%],
PC - Primärverbrennung [%] (primary combustion [%]),
AIR - Verbrennungsluft-Durchsatz [KSCFH] (combustion air rate [KSCFH]) (1 KSCFH=0,00786579 l/s),
CAT - Verbrennungsluft-Vorwärmtempe­ ratur [°F] (combustion air preheat temperature [°F]) (°F=(°F-32)×5/9°C),
AH - absolute Luftfeuchtigkeit (air absolute humidity [lbs. water/thousand lbs. dry air]) (lbs. Wasser/1000 lbs. trockene Luft) (1 lb=0,45359237 kg).

Die Aufschaltungsinputvariablen (feedforward Inputvariablen) werden durch Messen bestimmter Inputvariablen des Rußreaktors mit Meßinstrumenten bestimmt, während der Reaktor in Betrieb ist. Sofort beim Messen der jeweiligen verschiedenen Inputvariablen werden die Aufschaltungsinputvariablen (feedforward Inputvariablen) auf Grundlage der folgenden Gleichung berechnet:

worin:

AIR der Luftdurchsatz [KSCFH] (standard cubic feet per hour, in thousands) (1 KSCFH= 0,00786579 l/s) ist;
GAS der Gasdurchsatz [KSCFH] (1 KSCFH= 0,00786579 l/s) ist; und
ATBG das Luft- zu Brenngas-Verhältnis [SCR air/SCF gas] (SCF=standard cubic feet= 28,316847 l) ist, das dem stöchiometrischen Wert der zur vollständigen Verbrennung des entsprechenden Gasvolumens erforderlichen Luft entspricht.

Falls der Rußreaktor einen anderen Typ von Brennstoff als Gas gebraucht, z. B. einen flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff, dann würde in Gleichung (2) anstelle des Gasdurchsatzes der Durchsatz dieses Brennstoffs angezeigt werden und ebenso in den unteren beschriebenen Gleichungen, in denen dieser Therm auch erscheint. Ähnlich würde das ATBG in denselben Gleichungen durch das Verhältnis des stöchiometrischen Werts der zur vollständigen Verbrennung der entsprechenden Menge des benutzten Typs von Brennstoff benötigten Luftmenge ersetzt sein. Ähnlich würde der Durchsatz des Oxidationsmittels in Gleichung (2) und in den anderen unten beschriebenen Gleichungen, wo dieser Term ebenfalls erscheint, anstelle des Luftdurchsatzes (AIR) angezeigt sein, falls der Reaktor irgendein anderes geeignetes Oxidationsmittel als Luft benutzt.

worin:

AIR der Luftdurchsatz [KSCFH] (1 KSCFH= 0,00786579 l/s) ist;
GAS der Gasdurchsatz [KSCFH] (1 KSCFH= 0,00796579 l/h) ist;
ATBG das Luft- zu Brenngasverhältnis [SCF air/SCF gas] (1 SCF=28,316847 l) ist;
OIL der Durchsatz an flüssigem Kohlenwasserstoff-Feedstock [gal./hr.] (1 gal./hr.=0,0010515033 l/s) ist; und
ATBO das Luft- zu Brenngas-Verhältnis [KSCF air/gal. oil] (1KSCF=1000×18,316847 l und 1 gal= 3,785412 g), welches der stöchiometrische Wert der zur vollständigen Verbrennung des entsprechenden Volumens von Öl benötigten Luftmenge ist (ein typischer Wert ist ca. 1,54 KSCF/ gal. oil, das entspricht ca. 7,48 l Luft/l Öl).

Falls der Rußreaktor einen anderen Feedstock als flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Feedstock benutzt, wie z. B. gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Feedstock, dann würde anstelle des Öl-Feedstock-Durchsatzes (OIL) der Durchsatz dieses Feedstock angezeigt werden und ebenso in den anderen unten beschriebenen Gleichungen, wo der Term ebenfalls erscheint.

Ähnlich würde das ATBO in denselben Gleichungen durch das Verhältnis des stöchiometrischen Wertes der zur vollständigen Verbrennung der entsprechenden Menge des anderen eingesetzten Feedstock-Typs nötigen Luftmenge ersetzt.

Der Luftdurchsatz (AIR) und der Gasdurchsatz (GAS) werden mit bekannten Meßinstrumenten online vor der Injektion in die Brennerzone des Rußreaktors hinein gemessen. Die Luft- und Gasmeßgeräte sind vorzugsweise Drosselblendenmeßgeräte, die Variationen der Durchflußdrücke und -temperaturen beim Erzeugen der Durchsatzsignale kompensieren. Das ATBG wird vorzugsweise auf Grundlage der durch einen Gaschromatographen (nicht gezeigt) gemessenen Inputgaszusammensetzung berechnet. Der Gaschromatograph kann entweder zur periodischen Online- oder zur periodischen Offline-Bestimmung der Gaszusammensetzung verwendet werden. Basierend auf der aktualisierten Gaszusammensetzung wird das ATBG entsprechend geregelt. Ähnlich wird die Messung des spezifischen Gewichts des eingesetzten Gases mit dem Gasmeßgerät auch entsprechend auf Grundlage der Gaszusammensetzungsanzeige des Gaschromatographen geregelt. Falls der Gaschromatograph die Gaszusammensetzung online mißt, hat er gewöhnlich die Fähigkeit, den ATBG-Wert innerhalb eines Bereiches von mindestens ungefähr alle zwei bis zehn Minuten zu aktualisieren. Im Gegensatz dazu kann das ATBO üblicherweise nicht online gemessen und aktualisiert werden. Deswegen wird der ATBO-Wert vorzugsweise für jede einzelne Qualitätsstufe des Feedstocks oder Feedstockblends laborgemessen. Der ATBO-Wert könnte z. B. vor einem Herstellungslauf oder sogar nur einmal alle paar Monate aktualisiert werden.

Der Feedstock-Durchsatz (OIL) wird vorzugsweise mittels eines Durchflußmessers vom Coriolistyp gemessen, der den Massen-Durchsatz des Feedstocks üblicherweise in lbs./hr. (1 lbs./hr.= 1,259978×10^-4 kg/s) und die Dichte des Feedstocks vor der Injektion in die Feedstock-Injektionszone des Reaktors hinein mißt. Der Feedstock-Durchsatz wird vorzugsweise in einen korrigierten volumetrischen Durchsatz umgewandelt, der in Galonen pro Stunde (gal./hr.) (1 gal./hr.=1,0515×10^-3 l/s) ausgedrückt wird. Die Verbrennungsluftvorwärmtemperatur (CAT) wird vorzugsweise unmittelbar vor Eintritt in die Brennerzone des Reaktors durch ein Thermoelement gemessen. Die absolute Luftfeuchtigkeit (AH) wird mit einem in der Technik üblichen Feuchtigkeitssensor gemessen und in Einheiten von lbs. Wasser/1000 lbs. trockene Luft (1 lb.= 0,45359237 kg) ausgedrückt. Die Messungen der absoluten Luftfeuchtigkeit werden vorzugsweise angewendet, um zwei primäre Aufgaben zu erfüllen. Ein Zweck liegt darin eine aktualisierte Aufschaltungsinputvariable (feedforward Inputvariable) (AH) für den Jodzahl-Algorithmus zur Verfügung zu stellen. Der andere Zweck liegt darin, den Luftdurchsatz (AIR) in Abhängigkeit von der gemessenen absoluten Luftfeuchtigkeit (AH) zu regeln, um beim Eintritt in die Brennerzone des Reaktors einen substantiell konstant trockenen Luftdurchsatz zu gewährleisten. Ein dem Fachmann geläufiger PID-Algorithmus (proportional, integral, differenzierender Steuerungsalgorithmus) wird vorzugsweise angewendet, um den Luftdurchsatz in Abhängigkeit von den aktualisierten Auswertungen der absoluten Luftfeuchtigkeiten zu regeln, um die Menge an Feuchtigkeit in der Luft zu kompensieren und so einen substantiell konstant trockenen Luftdurchsatz zu gewährleisten.

Die Konstanten des Jodzahl-Algorithmus (Gleichung (1)) werden in Übereinstimmung mit einer bekannten Prozeßerkennungsprozedur, die eine Regressionsanalyse benutzt, und für gegebene Typen von Rußreaktorgeometrien bestimmt. Deswegen ist es wahrscheinlich, daß die Werte der Konstanten für substantiell unterschiedliche Reaktorgeometrien unterschiedlich sein werden. Ein bekanntes Software-Paket, das aus folgenden Komponenten besteht, "RS/1", RS/Explore", und "RS/Discover", und über BBN Software Products Corp., Cambridge, Massachusetts vertrieben wird, wird vorzugsweise zur Durchführung der Regressionsanalysenprozedur angewendet. Die BBN Software kann in Verbindung mit einem VAX-Minicomputer, der von Digital Equipment Corp., Maynard, Massachusetts hergestellt wird, benutzt werden. Die BBN Software erleichtert die Implementierung von Experimentdesignprozeduren, die dem Fachmann bekannt sind, genauso gut wie Regressionsanalysenprozeduren, die ebenso dem Fachmann bekannt sind, und ist nicht notwendig, aber stellt auf einfache Weise ein geeignetes Mittel zur Durchführung solcher Prozeduren zur Verfügung.

Durch die Ausführung der Regressionsanalysenprozedur werden die Input- und Outputvariablen im Rußherstellungsprozeß identifiziert. Bezüglich der Jodzahl gehören zu den auch in Fig. 1 erläuterten Inputvariablen der Feedstock-Durchsatz, Luftdurchsatz, Brennstoff-Durchsatz, die Luftvorwärmtemperatur und -feuchtigkeit, die Brennstoffqualität (ATBG), und die Feedstock-Qualität (ATBO). Die Outputvariable ist die Jodzahl (I₂No.). Auf Grundlage der Inputvariablen und der festgestellten Outputvariablen wird eine Reihe von Experimenten entworfen, um die Parameter des Algorithmus festzustellen, indem vorzugsweise die BBN Software mit einem VAX-Minicomputer eingesetzt wird. Die Reihe von Experimenten wird dann in einem Rußreaktor, der den Typ von Reaktorgeometrie aufweist, für welchen der Algorithmus benutzt werden wird, durchgeführt. Deswegen ist es wahrscheinlich, daß die Regressionsanalysenprozedur Konstanten liefert, die unterschiedliche Werte für unterschiedliche Typen von Reaktorgeometrien aufweisen. In verschiedenen Stadien während des Experiments werden in einer durch die entworfenen Experimente vorgeschriebenen Art die Inputvariablen geändert. Basierend auf den Experimenten wird ein Satz von Inputvariablen und korrespondierenden Outputvariablen gesammelt. Dann wird mit diesem Datensatz die Regressionsanalysenprozedur durchgeführt, um die empirisch bestimmten Konstanten des Jodzahl-Algorithmus (Gleichung (1)) zu identifizieren.

In Übereinstimmung mit einem erfindungsgemäßen Beispiel wurden gemäß der oben beschriebenen Regressionsanalysenprozedur die folgenden Konstanten für eine zu der schematisch in Fig. 1 erläuterten ähnlichen Dreistufenreaktorgeometrie bestimmt:

KC=12,5,
KP=-0,123,
KA=-0,184,
KT=0,094,
KH=0,238,
KO=-201 (angenähert).

In Übereinstimmung mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden deswegen die zur Bestimmung der Aufschaltungsinputvariablen (feedforward Inputvariablen) des Jodzahl-Algorithmus (Gleichung (1)) notwendigen Variablen ungefähr einmal jede Sekunde gemessen. Dann wird auf Grundlage dieser Messungen der Jodzahl-Algorithmus ungefähr einmal pro Sekunde gelöst, um eine neue vorhergesagte Jodzahl (I₂No._p) zu generieren. Dann werden in mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervallen, z. B. alle zwei Minuten, die vorhergesagten Jodzahlen, die über dieses Intervall berechnet wurden, gemittelt (I₂No._AVG). Eine gesteuerte Inputvariable, wie z. B. der Feedstock-Durchsatz (OIL) wird dann automatisch am Ende eines jeden mittelwertbildenden Intervalls in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der mittleren vorhergesagten Jodzahl (I₂No._AVG) und dem Jodzahlsollwert oder der Zieljodzahl (I₂No._GOAL) geregelt, um die Zieljodzahl zu erreichen. Indes sollte angemerkt sein, daß eine oder mehrere andere Inputvariablen, wie z. B. der AIR und/oder GAS anstelle des Feedstock-Durchsatzes (OIL) geregelt werden können, um die Zieljodzahl (I₂No._GOAL) zu erreichen.

Die Beziehung zwischen der Jodzahl und der OAC ist die primäre Regelbeziehung. Die OAC ist im Gegensatz zu einer gemessenen eine berechnete Steuerungsvariable. Wie unten beschrieben werden wird, schließt die Gleichung zur Definition der OAC als ihre Terme die AIR, den GAS und den OIL ein. Deswegen können basieren auf der Beziehung zwischen der Jodzahl und der OAC die passenden Änderungen der bevorzugten gemessenen Steuerungsvariablen, OIL, abgeleitet werden, um die Zieljodzahl (I₂No._GOAL) zu erreichen. Der Feedstock-Durchsatz (OIL) ist aus dem Grund die bevorzugte Inputvariable zur Steuerung, weil er nur in einem Term des Jodzahl-Algorithmus erscheint und deswegen die Regelprozedur relativ einfach und direkt sein kann.

Der neue Feedstock-Durchsatz (OIL_NEW) der zum Erreichen der Zieljodzahl (I₂No._GOAL) benötigt wird, wird basierend auf der folgenden Beziehung zwischen der Jodzahl und der OAC abgeschätzt.

ΔI₂No.=KC_*ΔOAC, (4)

worin
ΔI₂No. die I₂No._GOAL vermindert um den Zweiminutenmittelwert (oder andere mit Zwischenraum angeordneten Intervalle) der I₂No._p (I₂No._AVG) ist;
ΔOAC ist die neue OAC (OAC_NEW), die zum Erreichen der I₂No._GOAL benötigt wird, vermindert um das Zweiminutenmittel der gemessenen OAC (OAC_AVG); und
KC ist die Gesamtverbrennungskonstante des Jodzahl-Algorithmus.

Gleichung (4) erhält man aus der partiellen Ableitung des Jodzahl-Algorithmus (Gleichung (1)) nach der OAC. Der neue Feedstock-Durchsatz (OIL_NEW) wird dann aufgrund der folgenden Gleichungen bestimmt:

Die Gleichungen (5) und (6) werden dann für OIL_NEW folgendermaßen gelöst:

Demzufolge kann OIL_NEW dann alle zwei Minuten (oder in anderen mit Zwischenraum angeordneten Intervallen) berechnet werden, wobei der Mittelwert der vorhergesagten über dieses mittelwertbildende Intervall berechneten Jodzahlen (I₂No._AVG) benutzt wird und der Feedstock-Durchsatz (OIL) kann dann automatisch geregelt werden, um die I₂No._GOAL zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Rußprozeßsteuerungseinheit verfügt über ein zusätzliches Merkmal, eine Offline-Labormessungsprozedur. Während der Rußreaktor in Betrieb ist werden in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen Proben des hergestellten Rußes genommen und von jeder Probe wird die Jodzahl mit bekannten Techniken gemessen (I₂No._LAB). Die gemessene Jodzahl (I₂No._LAB) und ihre bekannte Standardabweichung (SD_LAB) werden zusammen mit dem Mittelwert und der Standardabweichung (SD_p) der vorhergesagten Jodzahlen (I₂No._p) für die Periode, in der die Probe genommen worden ist, bestimmt. Dann werden in Abhängigkeit von den Werten der gemessenen Jodzahl (I₂No._LAB), ihrer Teststandardabweichung (SD_LAB), und des Mittelwerts und der Standardabweichung (SD_p) der vorhergesagten Jodzahlen (I₂No._p), die Einheitsabschnittkonstante (system intercept constant) (KO) des Jodzahl-Algorithmus (Gleichung (1)) geregelt, um eine genauer vorhergesagte Jodzahl (I₂No._p) zu berechnen, wie es hiernach in größerer Ausführlichkeit beschrieben wird. Demzufolge kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Genauigkeit des Jodzahl-Steuerungsalgorithmus (Gleichung (1)) selbst systematisch an den laborgemessenen Jodzahlen (I₂No._LAB) überprüft und verbessert werden, während der Rußreaktor in Betrieb ist. Das erfindungsgemäße Merkmal des Offline-Probennehmens kompensiert deswegen nicht gemessene Störungen des Rußreaktors, die nicht ständig gemessen werden, oder die nicht gemessen werden können, im Gegensatz zu den meßbaren Inputvariablen, wie oben beschrieben.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Filter-Algorithmus, vorzugsweise ein Kalman-Filter-Algorithmus angewendet, um den Einheitsabschnitt (system intercept constant) (KO) des Jodzahl-Algrorithmus zu verändern. Der Einheitsabschnitt (system intercept constant) (KO) wird aufgrund der gemessenen Jodzahl (I₂No._LAB) und der vorhergesagten Jodzahlen (I₂No._p), die während des Intervalls bestimmt wurden, in dem die Rußprobe genommen wurde, geändert, damit der Jodzahl-Algorithmus die Jodzahlen genauer vorhersagt. Die Jodzahl der Rußprobe (I₂No._LAB) wird auf eine dem Fachmann geläufige Art gemessen, z. B. durch ein volumetrisches Verfahren, bei dem die Rußprobe mit einer Jodlösung titriert wird. Der Jodzahltest wird vorzugsweise gemäß dem Jodadsorptionszahltest, der in der ASTM-Vorschrift: D1510-85 gegeben ist, durchgeführt. Das Probennahme-Intervall, in dem die Rußprobe genommen wird, liegt üblicherweise im Bereich von ungefähr zwei bis 20 Minuten.

In Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Probennahmemerkmale werden die beste Abschätzung der Fehlervarianz der momentan vorhergesagten Jodzahlen (V_IP) und der Fehlervarianz der laborgemessenen Jodzahl (V_IL) bestimmt. Die Fehlervarianz ist das Quadrat der Standardabweichung der Jodzahl. Deswegen ist V_IL das Quadrat der Standardabweichung (SD_LAB) der laborgemessenen Jodzahl der Rußprobe (I₂No._LAB). Da üblicherweise während jeder Probenperiode nur eine laborgemessene Jodzahl (I₂No._LAB) genommen wird, ist V_IL essentiell eine Konstante, die in einer separaten laborgemessenen Jodzahlgenauigkeits- oder -reproduzierbarkeitsstudie auf eine dem Fachmann geläufige Art bestimmt wird. Deswegen wird V_IL üblicherweise periodisch aktualisiert, z. B. alle paar Monate, oder wenn es eine Änderung in der Bestimmungsprozedur der laborgemessenen Jodzahl (I₂No._LAB) gibt. V_IP ist die beste Abschätzung der Fehlervarianz der momentan vorhergesagten Jodzahl (I₂No._p) wie es in weiteren Details unten beschrieben werden wird. V_IP und V_IL sind somit selbst jede für sich Anzeigen für die Unwägbarkeiten in den betreffenden Jodzahlbestimmungen.

Auf Grundlage der Fehlervarianzen, V_IP und V_IL, wird ein Jodzahl Kalman-Filter-Faktor [Kalman-Filter-Gain) (K_I), der dann, wie unten beschrieben werden wird, zum Aktualisieren des Einheitsabschnitts (system intercept) (KO) des Jodzahl-Algorithmus benutzt wird, folgendermaßen bestimmt:

Der Kalman-Filter-Faktor (Kalman-Filter-Gain) (K_I) ist deswegen essentiell ein gewichtetes Mittel der Fehlervarianzen (V_IP und V_IL), die jede den Grad der Variation in zwei üblich verrauschten Messungen (I₂No._p und I₂No._LAB) reflektieren. Die I₂No._p und die I₂No._LAB sind üblicherweise verschieden. Deswegen ist der Kalman-Filter-Faktor (Kalman-Filter-Gain) (K_I) in seiner Wirkung ein gewichtender Koeffizient, der auf statistischen Informationen beruht, die die Verläßlichkeit der beiden verschiedenen Messungen, I₂No._p und I₂No._LAB, berücksichtigen, und der anzeigt, welche der beiden Messungen genauer ist, Z. B. ist falls k_I=1 gilt, die Fehlervarianz in I₂No._LAB vernachlässigbar und falls K_I=0 ist, dann ist die Fehlervarianz in I₂No._p vernachlässigbar.

Auf Grundlage des Kalman-Filter-Faktors (Kalman-Filter-Gain) (K_I) wird zur Bestimmung einer neuen optimal abgeschätzten Jodzahl (I₂No._FILTER) ein Kalman-Filter-Algorithmus folgendermaßen angewendet:

I₂No._FILTER = I₂No._AVG+K_{I *}(I₂No._LAB-I₂No._AVG), (9)

worin
I₂No._AVG der Mittelwert der während der Periode, in der die Probe genommen wurde, vorhergesagten Jodzahlen (I₂No._p) ist.

Dann wird basierend auf der neuen optimal abgeschätzten Jodzahl (I₂No._FILTER) für den Jodzahl-Algorithmus eine neue Einheitsabschnittkonstante (system intercept constant) (KO_NEW) folgendermaßen berechnet:

KO_NEW=KO_OLD+I₂No._FILTER-I₂No._AVG. (10)

Es sollte angemerkt werden, daß eine Einpunktänderung z. B. in der Einheitsabschnittkonstanten (system intercept constant) (KO) zu einer Einpunktänderung in der Jodzahl korrespondiert und deswegen die Zahlen direkt in die Gleichung (10) zum Lösen von KO_NEW eingesetzt werden können. Deswegen wird die Einheitsabschnittkonstante (system intercept constant) (KO) jedesmal wenn die laborgemessene Jodzahl (I₂No._LAB) verfügbar wird, geregelt, um die Genauigkeit des Jodzahl-Algorithmus (Gleichung (1)) zu erhöhen.

Wenn man sich wieder den Fehlervarianzen zuwendet, wird die beste Abschätzung der wahren momentanen Fehlervarianz der vorhergesagten Jodzahl (V_IP (k+1)) zum Zeitintervall (k+1) und die, wie unten beschrieben werden wird, zur Bestimmung des Kalman-Filter-Faktors (Kalman-Filter-Gain) (K_I) verwendet wird, folgendermaßen bestimmt:

V_IP(k+1)=V_{IE (k)}+V_IM(k+1) (11)

worin:
V_IP(k+1) die beste Abschätzung der wahren momentanen Fehlervarianz der momentan vorhergesagten Jodzahl (I₂No._p) beim Zeitintervall (k+1) ist;
V_IE(k) die Fehlervarianz der vorherigen besten Jodzahlabschätzung (I₂No._FILTER) beim Zeitintervall (k) ist;
V_IM(k+1) die Fehlervarianz der vorhergesagten Jodzahlen (I₂No._p) zum Zeitintervall (k+1) gemessen über die letzte Probenperiode ist.

Der neue Kalman-Filter-Faktor (Kalman-Filter-Gain) (K_I(k+1)) wird dann aus den Fehlervarianzen der momentan vorhergesagten Jodzahlen (I₂No._p) und der momentan laborgemessenen Jodzahl (I₂No._LAB) folgendermaßen bestimmt:

V_IL(k+1) ist die Fehlervarianz der momentan laborgemessenen Jodzahl (I₂No._LAB) und wird folgendermaßen definiert:

V_IL(k+1)=[PSD_LAB/100]²_*I₂No._GOAL. (13)

PSD_LAB ist die prozentuale Standardabweichung des Jodzahltest, wie sie nach einer dem Fachmann geläufigen Art über eine Genauigkeits- oder Reproduzierbarkeitsstudie ermittelt wurde. Deswegen wird der neue beste Kalman-Filter-Faktor (Kalman-Filter-Gain) (K_I(k+1)) in die obige Gleichung (9) zur Lösung der neuen besten vorhergesagten Jodzahl (I₂No._FILTER) eingesetzt. I₂No._FILTER wird dann in die obige Gleichung (10) zur Lösung für die neue Einheitsabschnittkonstante (system intercept constant (KO_NEW) eingesetzt, damit der Jodzahl-Algorithmus die Jodzahl genauer vorhersagt.

Die Fehlervarianz der neuen am besten abgeschätzten Jodzahl (V_IE(k+1)), die zur Bestimmung von V_IP(k+1) am Ende der nächsten Probenperiode (V_IE(k) in Gleichung (11) oben) verwendet werden soll, wird dann folgendermaßen bestimmt:

In Übereinstimmung mit einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Prozeßsteuerungseinheit dazu verwendet, die Struktur des Ruß zu steuern. Die Struktur des Ruß wird üblicherweise mittels einer Dibutylphthalat-Absorptionszahl ("DBP") nach der ASTM-Bestimmung: D2414-86 laborgemessen. Der DBP-Wert ist deswegen eine Anzeige für die Struktur des Rußes. Allerdings gibt es andere geeignete Maße für die Rußstruktur, die gleichfalls über die erfindungsgemäße Prozeßsteuerungseinheit gesteuert werden können. Ein Weg zur Steuerung der DBP ist die Injektion einer dem Fachmann geläufigen Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S), vorzugsweise in den Feedstock vor der Injektion des Feedstocks in die Feedstock-Injektionszone des Reaktors. Die Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S) wird dann in der Reaktionszone in der Reaktionsmischung dispergiert und übt dadurch einen ionischen Ladungseffekt auf die gebildeten Rußpartikel aus. Deswegen besteht üblicherweise, falls eine höhere Konzentration von Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S) in den Feedstock injiziert wird, eine geringere Tendenz zur Aggregation der gebildeten Rußpartikeln.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden vorhergesagte DBP-Werte (DBP_p) in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen berechnet, z. B. alle ein bis zehn Sekunden. Die vorhergesagten DBP-Werte (DBP_p) werden mittels eines DBP-Algoritmus berechnet, der teilweise auf empirischen Testergebnissen für jede gegebene Rußreaktorgeometrie, in welcher die Prozeßsteuerungseinheit angewendet wird, beruht. Die vorhergesagten DBP-Werte werden dann über mit Zwischenraum angeordneten Intervallen gemittelt, z. B. alle zwei Minuten (DBP_AVG). Basierend auf den Mittelwerten der vorhergesagten DBP-Werte (DBP_AVG) wird eine gesteuerte Inputvariable, wie z. B. der Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S) automatisch geregelt, um den DBP-Zielwert zu erreichen (DBP_GOAL).

Die vorhergesagten DBP-Werte (DBP_p) können gemäß dem folgenden DBP-Algorithmus berechnet werden.

DBP_p = (164,9-17,3 _* X)_*F (15)

für 0X1

und

DBP_p = (147,6-17,3 _* 1n(X))_*F (16)

für X<1,

worin:

X die Konzentration des Kaliumions (K⁺) im Feedstock ist [gm K⁺/100 gal. oil] (1 gm K⁺/100 gal. oil=2,64172_*10^-3 g K⁺/1 l Öl); und
F ein, zur Anpassung des Algorithmus an nicht gemessene Störgrößen im Rußreaktor oder an Unterschiede zwischen Reaktoren, berechneter Skalierungsfaktor (F liegt für gewöhnlich in dem Bereich von ca. 0,7 bis ca. 1,2) ist.

Die Konstanten im DBP-Algorithmus sind empirisch gemäß einer Prozeßidentifikationsprozedur bestimmt, die für jede gegebene Rußreaktorgeometrie eine Reggressionsanalyse auf dieselbe Weise wie oben zur Bestimmung der Algorithmenkonstanten für den Jodzahl-Algorithmus beschrieben, benutzt. Deswegen werden die Werte der Konstanten wahrscheinlich für verschiedene Typen von Reaktorgeometrien unterschiedlich sein. Die in bezug auf die DBP gemessenen Inputvariablen sind vorzugsweise der Durchsatz von Kaliumadditiv-Lösung und der Feedstock-Durchsatz. Die Outputvariable ist DBP oder ein anderes geeignetes Maß für die Rußstruktur. Wie oben für den Jodzahl-Algorithmus beschrieben, wird dann eine Reihe von Experimenten in einem Rußreaktor, der denselben Typ von Reaktorgeometrie aufweist, für die der Algorithmus benutzt werden wird, ausgeführt. Auf Grundlage der Experimente wird ein Satz von Input- und korrespondierenden Outputdaten gesammelt. Dann wird mit dem Datensatz die Reggressionsanalysenprozedur durchgeführt, um die Konstanten des DBP-Algorithmus festzustellen. Die in den Gleichungen (15) und (16) definierten Konstanten des DBP-Algorithmus werden empirisch gemäß der oben beschriebenen Reggressionsanalysenprozedur für eine Dreistufenreaktorgeometrie, die der in Fig. 1 schematisch erläuterten ähnelt, bestimmt.

Der DBP-Algorithmus, Gleichungen (15) und (16), wird zur Vorhersage des DBP-Werts (DBP_p) zu mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, z. B. einmal jede Sekunde, angewendet. Dann werden die vorhergesagten DBP-Werte über mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervallen (DBP_AVG) gemittelt, z. B. einmal alle zwei Minuten. Jeder DBP-Mittelwert (DBP_AVG), wird dann angewendet, um einen neuen Soll-Wert für den Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_NEW) zu berechnen, wobei ein DBP-Regelalgorithmus verwendet wird, der folgendermaßen definiert ist:

K⁺S_NEW [lb/hr]=RATIO [lbK⁺S/gal. oil]_*OIL_NEW [gal/hr], (17)

(1 lb K⁺S/gal. oil=0,11983 kg K⁺S/l Öl, 1 gal/hr=1,051503_*10^-3 l/s, 1 lb/hr=1,25998_*10^-4 kg/s),

worin:

(1 mg K⁺/100 gal_*oil=2,642_*10^-3 g K⁺/l Öl, 1 gm K⁺/lb K⁺S =2,205 gm K⁺/kg K⁺S).

X_NEW erhält man aus der partiellen Ableitung des DBP-Algorithmus (Gleichungen (15) und (16)) nach der Konzentration des Kaliumions im Feedstock (X) und wird folgendermaßen definiert:

für 0X_AVG1

für X_AVG<1 und

K_MIX ist die Stärke der Mischung der Kaliumadditiv-Lösung K⁺S, die durch Gramm Kaliumionen (K⁺) pro lb der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S) gegeben ist (1 lb der Kaliumadditiv-Lösung= 0,45359237 kg). X_NEW ist die neue Konzentration an Kaliumionen (K⁺) im Feedstock, die zum Erreichen von DBP_GOAL benötigt wird. K⁺S_AVG ist der mittlere Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung während des Zweiminutenintervalls, und OIL_AVG ist der mittlere Feedstock-Durchsatz während des Zweiminutenintervalls. OIL_NEW ist der Soll-Wert für den momentanten Durchsatz an Feedstock, der bevorzugt wie oben beschrieben gemäß dem Jodzahl-Algorithmus geregelt wird. Deswegen kann der neue Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_NEW) gemäß Gleichung (17) bestimmt werden, indem die Mittelwert der vorhergesagten DBP (DBP_AVG) über das Zweiminutenintervall benutzt werden, um den Ziel-DBP-Wert (DBP_GOAL) zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Prozeßsteuerungseinheit weist als zusätzliches Merkmal eine Offline-DBP-Labormessungprozedur auf. Während der Reaktor in Betrieb ist, werden in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen Proben des hergestellten Rußes genommen und die DBP-Werte werden für jede Probe auf eine dem Fachmann bekannte Art gemessen (DBP_LAB). Das Probennahmeintervall, in dem die Rußprobe genommen wird, liegt im Bereich von ca. zwei bis 20 Minuten. Der DBP_LAB wird bevorzugt wie oben erwähnt gemäß der ASTM-Bestimmung: D2414-86 gemessen.

Der gemessene DBP-Wert (DBP_LAB) und seine bekannte Standardabweichung (SD_LAB) werden zusammen mit dem Mittelwert und der Standardabweichung (SD_p) der vorhergesagten DBP-Werte (DBP_p) für die Periode in der die Probe genommen wurde, bestimmt. Dann wird in Abhängigkeit vom gemessenen DBP-Wert (DBP_LAB), seiner Standardabweichung (SD_LAB) und dem Mittelwert und der Standardabweichung der vorhergesagten DBP-Werte (DBP_p) der Skalierungsfaktor (F) des DBP-Algorithmus (Gleichungen (15) und (16)) geregelt, um genauere DBP-Werte zu berechnen. Somit kann die Genauigkeit des DBP-Algorithmus selbst systematisch anhand des laborgemessenen DBP-Werts (DBP_LAB) überprüft werden und während der Rußreaktor in Betrieb ist verbessert werden.

In Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Probennahme-Merkmal werden die beste Abschätzung der Fehlervarianz der vorhergesagten DBP-Werte (V_DP) und der Fehlervarianz des laborgemessenen DBP-Werts (V_DL) bestimmt. (V_DL) ist das Quadrat der Standardabweichung des laborgemessenen DBP-Werts (DBP_LAB). Da vorzugsweise nur ein laborgemessener DBP-Wert während jeder Probenperiode genommen wird, ist V_DL essentiell eine Konstante, die auf eine dem Fachmann bekannte Art durch eine separate Genauigkeits- oder Reproduzierbarkeitsstudie von DBP_LAB-Messungsprozeduren bestimmt ist. Deswegen wird V_DL gewöhnlich periodisch aktualisiert, z. B. einmal alle paar Monate oder wann immer es eine Änderung in der Prozedur zur Bestimmung der DBP_LAB gibt. V_DP ist die beste Abschätzung der Fehlervarianz des momentan vorhergesagten DBP-Werts (DBP_p), was in weiteren Details unten beschrieben werden wird.

Basierend auf den Fehlervarianzen V_DP und V_DL wird eine Filteralgorithmus, bevorzugt ein Kalman-Filter-Algorithmus angewendet, um eine beste Abschätzung des wahren DBP-Werts, während der Periode in der die Probe genommen, wurde zu bestimmen (DBP_FILTER). Der DBP_FILTER wird als gewichtetes Mittel zwischen der DBP_LAB und dem Mittelwert der vorhergesagten DBP-Werte, während der Periode in der die Probe genommen wurde, (DBP_AVG) erzeugt. Der DBP-Kalman-Filter-Algorithmus für das DBP_FILTER ist folgendermaßen definiert:

DBP_FILTER=DBP_AVG+K_{D *}(DBP_LAB-DBP_AVG). (22)

K_D ist der DBP-Kalman-Filter-Faktor (DBP-Kalman-Filter-Gain), der essentiell ein gewichtetes Mittel der Fehlervarianzen V_DP und V_DL ist und ist folgendermaßen definiert:

Dann wird basierend auf der DBP_FILTER der Skalierungsfaktor (F) des DBP-Algorithmus, Gleichungen (15) und (16), folgendermaßen geregelt (F_NEW), damit der DBP-Algorithmus die DBP genauer vorhersagen kann:

für 0X1

und

für X<1.

X_AVG ist die mittlere Konzentration der Kaliumadditiv-Lösung K⁺Gleichung (21) definiert, während der Periode, in der die Probe genommen wurde. Der neue Skalierungsfaktor (F_NEW) wird dann in den DBP-Algorithmus (Gleichung (15) und (16)) eingesetzt, um den vorherigen Skalierungsfaktor (F) zu ersetzen und damit den Algorithmus zu regeln, um die DBP genauer vorherzusagen.

Die beste Abschätzung der wahren momentanen Fehlervarianz der vorhergesagten DBP_VALUE (V_DP(k+1)) zum Zeitintervall (k+1), die in Gleichung (23) benutzt wird, um den momentanen DBP-Kalman-Filter-Faktor (DBP-Kalman-Filter-Gain) (K_D) zu bestimmen, ist folgendermaßen definiert:

V_DP(k+1)=V_DE(k)+V_DM(k+1), (26)

worin:

V_DP(k+1) die beste Abschätzung der wahren momentanen Fehlervarianz des momentan vorhergesagten DBP-Werts zum Zeitintervall (k+1) ist;

V_DE die Fehlervarianz der vorherigen besten DBP-Abschätzung (DBP_FILTER) zum Zeitintervall (k) ist;

und

V_DM(k+1) die Fehlervarianz der vorhergesagten DBP-Werte (DBP_p) zum Zeitintervall (k+1) gemessen über die letzte Probenperiode ist.

Der neue DBP-Kalman-Filter-Faktor (DBP-Kalman-Filter-Gain) (K_D(k+1)) wird dann als gewichtetes Mittel der Fehlervarianzen der momentanen vorhergesagten DBP-Werte (DBP_p) und des momentanen laborgemessenen DBP-Werts (DBP_LAB) folgendermaßen bestimmt:

V_DL(k+1) ist die Fehlervarianz des momentanen laborgemessenen DBP-Werts (DBP_LAB) und ist folgendermaßen definiert:

V_DL(k+1)=[PSD_LAB/100]²_*DBP_GOAL. (28)

Hierin ist PSD_LAB die vorliegende Standardabweichung der Labor-DBP, die mittels einer Genauigkeits- oder Reproduzierbarkeitsstudie in einer dem Fachmann bekannten Art bestimmt ist. Deswegen wird der neue DBP-Kalman-Filter-Faktor (DBP-Kalman-Filter-Gain) (K_D(k+1)) in Gleichung (22) oben zur Lösung des neuen besten abgeschätzten DBP-Werts (DBP_FILTER) eingesetzt. Der DBP_FILTER wird dann in die Gleichungen (24) oder (25) oben zur Lösung des neuen Skalierungsfaktors (F_NEW) eingesetzt, damit der DBP-Algorithmus (Gleichungen (15) und (16)) die DBP genauer vorhergesagt.

Die Fehlervarianz des neuen besten abgeschätzten DBP-Werts (V_DE(k+1)), die zum Bestimmen von V_DP(k+1) am Ende der nächsten Probenperiode (V_DE(k) in Gleichung (26) oben) benutzt werden soll, wird dann folgendermaßen bestimmt:

Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform beinhaltet die Prozeßsteuerungseinheit weiterhin eine CUSUM ("cumulative sums") Prozedur zur Überwachung der Werte der kontrollierten Outputvariablen, wie z. B. Jodzahl und/oder DBP. Die CUSUM kompensiert Trends sowohl der Jodzahl als auch der DBP, die das Ergebnis von nicht gemessenen Störgrößen auf den Reaktor sein könnten, die nicht vollständig durch den Jodzahl-Algorithmus, den DBP-Algorithmus, oder den betreffenden Kalman-Filter-Algorithmus kompensiert werden. Deswegen überwacht eine CUSUM die I₂No._LAB und eine CUSUM überwacht die DBP_LAB, jedesmal wenn die einzelne Outputvariable gemessen ist, um zu bestimmen, ob Änderungen im Mittel jedes einzelnen Werts auftreten, die ausreichen, eine weitere Regelung im Prozeß erforderlich zu machen.

Jede CUSUM verwendet zwei kumulative Summen, eine obere Summe (S_H(i)) und eine untere Summe (S_L(i)), um die I₂No._LAB bzw. DBP_LAB zu testen, um festzustellen, ob ein unerwünschter Trend auftritt. Wenn die CUSUMs auf den Anfangswert zurückgestellt sind, ist jede einzelne kumulative Summe (S_H(i) und S_L(i)) gleich 0 gesetzt. Die beiden Summen werden dann folgendermaßen bestimmt:

S_H(i)=Max [0, S_H(i)+Y_i-(GOAL+k)], (30)

S_L(i)=Min [0, S_L(i-1)+Y_i-(GOAL-k)], (31)

worin:

S_H(i-1) eine Summation über alle vorherigen oberen Summen seit dem letzten CUSUM-Reset ist;
S_L(i-1) die Summation über alle vorherigen unteren Summen seit dem letzten CUSUM-Reset ist;
Y_i der momentan laborgemessene Wert der kontrollierten Outputvariablen ist und deswegen gemäß der vorherigen Ausführungsformen die I₂No._LAB oder DBP_LAB sein kann;
GOAL ist der Zielwert der kontrollierten Outputvariablen und kann deswegen in Übereinstimmung mit den vorherigen Ausführungsformen die I₂No._GOAL oder DBP_GOAL sein;
k ist die zulässige Toleranz der gesteuerten Outputvariablen, die üblicherweise im Bereich von ungefähr einer Standardabweichung liegt oder in einem Bereich wohinein ca. 68% der laborgemessenen Werte der betreffenden gesteuerten Outputvariablen (wie z. B. I₂No._LAB oder DBP_LAB) fallen.

Für jede gesteuerte Outputvariable wird ein Entscheidungsintervall (-h, h) festgesetzt, dessen exakter Wert aufgrund der Erfahrung mit dem bestimmten verwendeten Rußreaktor ausgewählt wird, was aber üblicherweise nahe an den Toleranzgrenzen, die für die Outputvariablen gesetzt worden sind, liegt. Z. B. könnte ein typischer Wert von h für die Jodzahl oder DBP fünf sein. Deswegen würde das Entscheidungsintervall h fünf Jodzahl-Einheiten oder DBP-Einheiten auf beiden Seiten des Werts von der I₂No._GOAL bzw. der DBP_GOAL sein.

Nachdem die einzelnen Rußproben genommen sind und die laborgemessenen Werte für die Jodzahl (I₂No._LAB) und/oder DBP (DBP_LAB) bestimmt sind, werden diese Werte jeweils in die Gleichungen (30) und (31) für (Y_i) eingesetzt. Die zwei kumulativen Summen, S_H(i) und S_L(i) werden dann sowohl für die I₂No._LAB als auch die DBP_LAB berechnet. Falls S_H(i)h oder, falls S_L(i)-h, für entweder die Jodzahl oder DBP ist, wird ein Alarmsignal für die betreffende Outputvariable generiert. Falls ein Alarmsignal generiert ist, wird die Bedienungsperson angewiesen, die Probennahmefrequenz des hergestellten Rußes zu erhöhen, üblicherweise mindestens um den Faktor zwei. Falls ein Alarmsignal für die Jodzahl bzw. und/oder DBP erzeugt ist, dann werden der Kalman-Faktor (Kalman-Gain) (K_E) für den Jodzahl-Algorithmus bzw. und/oder der DBP-Kalman-Filter-Faktor (DBP-Kalman-Filter-Gain) (K_D) für den DBP-Algorithmus jeweils gleich eins gesetzt. Falls, nachdem die nächste Rußprobe genommen ist, die I₂No._LAB oder DBP_LAB in ± k der I₂No._GOAL bzw. DBP_GOAL fällt, dann wird CUSUM in Ausgangsstellung gebracht, indem die kumulativen S_H(i-1) und S_L(i-1) für die betreffende Variable auf Null gesetzt werden. Wenn indes weiterhin ein Alarmsignal erzeugt wird, dann wird der Kalman-Filter-Faktor (Kalman-Filter-Gain) (K_I oder K_D) für die betreffende Variable solange gleich eins gesetzt, bis der laborgemessene Wert in ± k des Zielwerts für diese Variable fällt.

In Fig. 2 werden die Hardware-Bestandteile der erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinheit schematisch erläutert. Die Prozeßsteuerungseinheit umfaßt eine Einheitsteuergeräteeinheit (system controller), die generell als 10 bezeichnet ist. Die Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) 10 ist von einem dem Fachmann bekannten Typ und vorzugsweise ein Minicomputer, wie z. B. ein VAX-Minicomputer, wie oben beschrieben. Die Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) 10 ist über einen Bus 12 an eine verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 gekoppelt. Die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 ist ebenfalls von einer vom Fachmann bekannten Art, wie z. B. ein Fisher PROVOX Instrumentation System, hergestellt von Fisher Controls Internationals, Inc., Marshalltown, Iowa. Die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 ist dann wieder über einen PID-Algorithmus (PID) an einen Öldurchflußmesser 16 und ein automatisch regelbares Durchflußventil 18 gekoppelt. Wie oben beschrieben ist der Öldurchflußmesser 16 vorzugsweise ein Flußmesser von Coriolis-Typ. Das Öldurchflußventil 18 ist oberhalb oder unterhalb in Stromrichtung vom Öldurchflußmesser 16 in einer Feedstock-Leitung 20 des Rußreaktors montiert. Dadurch steuert die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 den Betrieb des Ventils 18 um den Feedstock-Durchsatz OIL automatisch zu regeln um die Zieljodzahl (I₂No._GOAL) zu erreichen, wie es in weiteren Einzelheiten unten beschrieben wird. Die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 ist ebenfalls über einen PID-Algorithmus (PID) an einen Kaliumadditiv-Lösung-Durchflußmesser 22 und an ein automatisch regelbares Durchflußventil 24 gekoppelt. Der Durchflußmesser 22 ist vorzugsweise wie der Öldurchflußmesser 16 ein Durchflußmesser von Coriolis-Typ. Das Durchflußventil 24 ist oberhalb oder unterhalb in Stromrichtung vom Durchflußmesser 22 in einer Leitung für Kaliumadditiv-Lösung 26 des Rußreaktors montiert. Dadurch steuert die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 ebenso den Betrieb des Ventils 22 um den Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S) automatisch zu regeln, um den Ziel-DBP-Wert (DBP_GOAL) zu erreichen, wie es in weiteren Einzelheiten unten beschrieben wird.

Wenn man sich der Fig. 3 zuwendet, wird ein Ablaufdiagramm erläutert, das konzeptartig die Prozeduren der erfindungsgemäßen Rußprozeßsteuerungseinheit beschreibt. Die Bezeichnungen S₁ bis S₁₂ zeigen Schritt 1 bis 12 an. Wenn die Prozeßsteuerungseinheit in Betrieb ist, wie bei S₁ angezeigt, erzeugt die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 eine vorhergesagte Jodzahl (I₂No._p) und einen vorhergesagten DBP-Wert (DBP_p), wie bei S₂ angezeigt, gemäß dem Jodzahl-Algorithmus und bzw. dem DBP-Algorithmus, wie oben beschrieben. Der Jodzahl-Algorithmus und dadurch die Gleichungen für die Aufschaltungsinputvariablen (feedforward Inputvariablen) werden vorzugsweise als Unterprogramme in der verteilten Steuerungseinheit (distributed control system) 14 ausgeführt. Ähnlich werden die Gleichungen des DBP-Algrorithmus auch vorzugsweise von der verteilten Steuerungseinheit in Unterprogrammen ausgeführt. Nachdem I₂No._p und DBP_p jede einzeln berechnet sind, werden sie, jeweils einzeln, im Computerspeicher der Einheitsteuergeräteeinheit (system controller) 10 gespeichert. Die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 berechnet sowohl die I₂No._p als auch die DBP_p ungefähr einmal jede Sekunde basierend auf den momentanen Inputvariablenanzeigen, wie bei S₃ angezeigt. Jede aktualisierte I₂No._p und DBP_p wird dann im Speicher in der Einheitssteuergeräteinheit (system controller) 10 gespeichert. Dann werden, wie bei S₄ angezeigt, die I₂No._p- und DBP_p-Werte, die im Computerspeicher über jedes Zweiminutenintervall gespeichert sind, durch die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 gemittelt, I₂No._AVG und DBP_AVG, und im Computerspeicher gespeichert.

Auf Grundlage der I₂No._AVG über das Zweiminutenintervall wird der neue Feedstock-Durchsatz (OIL_NEW) dann über die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14, wie bei S₅ angezeigt, bestimmt. Ähnlich wird basierend auf der DBP_AVG über das Zweiminutenintervall der neue Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_AVG) bestimmt. Die Gleichungen 5 bis 7 und Gleichungen 17 bis 21 sind, wie oben beschrieben, vorzugsweise als Unterprogramme in der verteilten Steuerungseinheit (distributed control system) 14 zur Bestimmung sowohl des neuen Feedstock-Durchsatzes (OIL_NEW) als auch des neuen Durchsatzes der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_NEW) ausgeführt. Basierend auf dem neuen Feedstock-Durchsatz (OIL_NEW) und dem neuen Durchsatz an Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_NEW) bestimmt die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 dann den Grad zum Regeln des Ventils 18 und des Ventils 24 durch Anwenden des PID-Algorithmus, was weiter unten beschrieben werden wird. Der neue Feedstock-Durchsatz (OIL_NEW) und der neue Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_NEW) werden dann jeweils alle zwei Minuten aktualisiert. Die Ventile 18 und 24 werden dann alle zwei Minuten geregelt, basierend auf der neuen I₂No._AVG bzw. DBP_AVG um die neuen Durchsätze, wie bei S₇ angezeigt, zu erreichen.

Der ersten Schritt der erfindungsgemäßen Offline-Labormessungsmerkmale ist bei S₈ angegeben, wo angezeigt wird, daß die Einheitsteuergeräteinheit (system controller) 10 den Mittelwert und die Standardabweichung von sowohl der I₂No._p als auch der DBP_p, die während der Periode in der die Rußprobe genommen worden ist, jede Sekunde (oder in anderen mit Zwischenraum angeordneten Intervallen) kalkuliert wurde, berechnet. Proben des hergestellten Rußes werden in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen genommen, z. B. üblicherweise im Abstand von ungefähr alle ein bis vier Stunden, und sowohl die Jodzahl als auch die DBP der Probe werden in einem Labor (I₂No._LAB und DBP_LAB) gemessen, wie bei S₉ angezeigt. Wie oben erwähnt, liegt das Rußprobennahmeintervall üblicherweise im Bereich von ca. zwei bis 20 Minuten. Dann wird basierend auf den während der Periode in der die Probe genommen worden ist, berechneten I₂No._LAB und der I₂No._AVG von der Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) (KO) für den Jodzahl-Algorithmus aktualisiert, wie bei S₁₀ gezeigt. Die Gleichungen 8 bis 14 sind, wie oben beschrieben, vorzugsweise als Unterprogramme in der Einheitsteuergeräteeinheit (system controller) 10 ausgeführt. Ähnlich wird auch der Skalierungsfaktor (F) während der Periode in der die Probe genommen wurde, basierend auf der DBP_LAB und DBP_AVG geregelt. Die Gleichungen 22 bis 29 werden, wie oben beschrieben, vorzugsweise ebenso als Unterprogramme in der verteilten Steuerungseinheit (distributed control system) 14 ausgeführt. Der neue Einheitsabschnitt system intercept) KO(_NEW) wird dann dazu benutzt, den Jodzahl-Algorithmus zu aktualisieren, damit genauer vorhergesagte Jodzahlen (I₂No._p) bestimmt werden bis die nächste Rußprobe genommen ist, wie bei S₁₁ angezeigt. Ähnlich wird der neue Skalierungsfaktor (F_NEW) dazu benutzt, den DBP-Alogrithmus zu aktualisieren, damit genauere DBP-Werte bestimmt werden, bis die nächste Rußprobe genommen ist, wie ebenfalls bis S₁₁ angezeigt. Wie bei S₁₂ angezeigt, werden der Jodzahl-Algorithmus und der DBP-Algorithmus jeweils aktualisiert, wann immer eine Rußprobe genommen wird und deswegen in einem Bereich von ca. alle ein bis vier Stunden

Wenn man sich der Fig. 4 zuwendet, ist ein Ablaufdiagramm erläutert, das konzeptmäßig die Prozeduren der verteilten Steuerungseinheit (distributed control system) 14 beim Vorhersagen sowohl der Jodzahl I₂No._p in Übereinstimmung mit dem Jodzahl-Algorithmus als auch der DB_p in Übereinstimmung mit dem DBP-Algorithmus wie oben beschrieben, beschreibt. Die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 liest zuerst die für die Berechnung der Aufschaltungs-Inputvariablen (feedforward input variables) für den Jodzahl-Algorithmus und die Inputvariable für den DBP-Algorithmus notwendigen Inputdaten, wie bei S₁ gezeigt. Die Inputvariablen für den Jodzahl-Algorithmus schließen den Feedstock-Durchsatz, den Gasdurchsatz, den Luftdurchsatz, die Luftvorwärmtemperatur und die Luftfeuchtigkeit ein. Die ATBG (Brennstoffqualität) ist eine berechnete Steuerungsvariable und die ATBO (Feedstock-Qualität) ist essentiell eine konstante Steuerungsvariable, wie oben beschrieben. Die Inputvariablen für den DBP-Algorithmus sind der Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung und der Feedstock-Durchsatz.

Nach dem Lesen der Inputdaten vergleicht die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) die Inputdaten mit einem für jede Variable erlaubten Wertebereich, wie bei S₂ angezeigt. Falls irgendein Wert außerhalb seines erlaubten Bereiches liegt (BAD), dann wird eine "bad data flag" gesetzt, welche ein digitales Signal ist, wie bei S₃ angezeigt. Falls die "bad data flag" gesetzt ist, dann wird die I₂No._p und/oder die DBP_p auf Grundlage dieser Daten nicht berechnet. Falls die gesamten Daten im erlaubten Bereich liegen, dann werden sowohl eine I₂No._p als auch DBP_p auf Grundlage dieses Satzes von Inputdaten berechnet, indem der Jodzahl-Algorithmus und bzw. der DBP-Algorithmus angewendet werden, wie bei S₄ angezeigt. Sowohl der I₂No._p als auch DBP_p werden dann mit einem realistischen Bereich verglichen, in dem jede Outputvariable liegen soll, wie bei S₅ angezeigt. Falls weder die I₂No._p noch DBP_p in dem erlaubten Bereich liegen, dannn wird die "bad data flag" gesetzt und die momentanen Werte für I₂No._p und/oder DBP_p werden nicht benutzt, was davon abhängt, ob eine oder beide nicht in ihrem jeweiligen erlaubten Bereich liegen. Falls die I₂No._p oder DBP_p in ihren erlaubten Bereichen liegen, dann werden ihre Werte im Computerspeicher der Einheitsteuergeräteinheit (system controller) 10 gespeichert, wie bei S₆ angezeigt, und später (am Ende des mit Zwischenraum angeordneten Intervalls) jede dazu benutzt, den Feedstock-Durchsatz und bzw. den Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung zu aktualisieren.

Wendet man sich der Fig. 5 zu, so wird ein Ablaufdiagramm erläutert, das konzeptartig Prozeduren der verteilten Steuerungseinheit (distributed control system) 14 zum Regeln von sowohl des Feedstock-Durchsatzes als auch des Durchsatzes von Kaliumadditiv-Lösung beschreibt. Falls wie bei S₁ angezeigt, die "bad data flag" während der Jodzahl- und/oder DBP-Vorhersageprozeduren gesetzt worden ist (BAD), wie bei S₃ in Fig. 4 erläutert, dann wird die "bad data flag" auf den Anfangswert zurückgesetzt und die Regelprozeduren werden, wie in Fig. 5 erläutert, für dieses mit Zwischenraum angeordnete Intervall nicht implementiert, ganz gleich welcher Algorithmus schlechte Inputdaten aufwies. Falls indes die "bad data flag" während des Zweiminutenintervalls nicht gesetzt wurde, dann liest die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 die Inputdaten, um den neuen Feedstock-Sollwert (OIL_NEW) und/oder den Soll-Wert der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_NEW) zu bestimmen, wie bei S₂ angezeigt. Die Inputdaten für OIL_NEW umfassen die AIR_AVG, GAS_AVG, ATBG, ATBO und OAC_AVG, wie in Gleichung 7 definiert. Die Inputdaten für die K⁺S_NEW umfassen die K⁺S_AVG, OIL_AVG, DBP_AVG und X_AVG, wie in Gleichungen 17 bis 21 definiert.

Die Inputdaten werden dann mit einem für jeden Term erlaubten Wertebereich verglichen, wie bei S₃ angezeigt. Falls irgendeiner der Werte nicht in seinem betreffenden erlaubten Wertebereich liegt, dann wird die "bad data flag" gesetzt (BAD). Dementsprechend werden der Sollwert für den Feedstock-Durchsatz (OIL_NEW) und der Sollwert der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_NEW) für dieses mit Zwischenraum angeordnete Intervall nicht geregelt, falls die Inputdaten für eine und/oder beide schlecht sind. Falls alle Werte in ihrem erlaubten Bereich liegen, dann werden die OIL_NEW und K⁺S_NEW jeweils wie oben beschrieben, aktualisiert, wie bei S₄ angezeigt. Sowohl die OIL_NEW als auch K⁺S_NEW werden dann mit dem erlaubten Bereich der Werte verglichen, wie bei S₅ angezeigt. Falls entweder die OIL_NEW oder die K⁺S_NEW nicht in ihrem betreffenden erlaubten Bereich liegen (BAD), dann enden die Prozeduren für den betreffenden Term und sein Durchsatz wird nicht geregelt. Falls die OIL_NEW und K⁺S_NEW in ihren erlaubten Bereichen liegen, dann werden die Werte für OIL_NEW und K⁺S_NEW mittels eines PID-Algorithmus verarbeitet, um den Feedstock-Durchsatz bzw. den Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung zu aktualisieren, wie bei S₆ angezeigt.

Wenn man sich der Fig. 6 zuwendet, wird schematisch ein typischer PID-Algorithmus, der vorzugsweise zum Regeln des neuen Feedstock-Durchsatzes (OIL_NEW) oder zum Regeln des neuen Durchsatzes der Kaliumadditiv-Lösung (K⁺S_NEW) angewendet wird, erläutert. Der Durchflußmesser für den Feedstock 16 und der Durchflußmesser für die Kaliumadditiv-Lösung 22 sind jeweils an einen Durchflußtransmitter (FT) gekoppelt. Jeder Durchflußtransmitter (FT) ist dann wieder an die verteilte Steuerungseinheit (distributed control system) 14 gekoppelt und überträgt ein zu dem gemessenen Durchsatz, wie er durch den betreffenden Durchflußmesser abgetastet wurde, korrespondierendes Signal (F_m). Die Signale für die neuen Durchsatzsollwerte für den Feedstock und die Kaliumadditiv-Lösung (F_sp) werden dann jeweils mit den sie betreffenden, gemessenen Durchsatzsignalen (F_m), wie sie von den Durchflußmessern erzeugt werden, verglichen. Auf Grundlage der betreffenden Vergleiche wird ein Fehlersignal (e(t)), das gleich dem betreffenden Durchsatzsollwertsignal (F_sp) minus dem betreffenden, gemessenen Durchsatzsignal (F_m) ist, für jeden betreffenden Durchsatz erzeugt. Dann erzeugt ein dem Fachmann geläufiger, betreffender PID-Algorithmus, der auf dem betreffenden Fehlersignal (e(t)) beruht, ein Outputsignal (c(t)), das zur Regelung korrespondiert, die an den betreffenden Durchflußventile 18 oder 24 zum Erreichen der Durchsatzsollwerte vorgenommen werden soll. Jedes Outputsignal wird dann an einen betreffenden Strom/Druckluftkonverter (I/P) weitergeleitet. Die Strom/Druckluftkonverter (I/P) sind jeweils an das Öldurchflußventil 18 bzw. das Durchflußventil der Kaliumadditiv-Lösung 24 zum regeln des betreffenden Ventils gekoppelt. Die Strom/Druckluftkonverter (I/P) erzeugen demgemäß einen Druckoutput, der zu dem betreffenden PID-Outputsignal (c(t)) korrespondiert, das dann wieder sein betreffendes Ventil regelt, um den Durchsatzsollwert zu erreichen. Demgemäß macht jeder PID-Algorithmus so lange damit weiter, Änderungen in den Outputsignalen (c(t)) zu erzeugen, bis es kein Fehlersignal (e(t)) mehr gibt, und somit die Durchsatzsollwerte erreicht sind.

Wenn man sich der Fig. 7 zuwendet, wird ein Ablaufdiagramm erläutert, das konzeptartig die Prozeduren der Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) 10 zum aktualisieren des Einheitsabschnitts (system intercept) (KO) des Jodzahl-Algorithmus und/oder des Skalierungsfaktors (F) des DBP-Algorithmus am Ende jeder Rußprobennahmeperiode beschreibt. Wie bei S₁ angezeigt, ruft die Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) 10 die während der Periode, in der die Probe genommen worden ist, berechneten und gespeicherten I₂No._p- und DBP_p-Werte aus dem Speicher ab. Falls die Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) die Daten nicht richtig abrufen kann (nicht erfolgreich), dann werden die Algorithmen nicht geregelt. Die Einheitsteuergeräteinheit (system controller) 10 liest dann die Werte für den momentanen I₂No._LAB und den DBP_LAB und vergleicht sie mit den erlaubten Wertebereichen. Falls einer der Werte außerhalb des Bereiches liegt, dann wird sein betreffender Algorithmus nicht geregelt. Die Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) I₂No.₁₀ wendet dann die CUSUM-Prozedur an, die die momentanen Summen, S_H(i) und/oder S_L(i), für die momentanen I₂No._LAB und DBP_LAB Werte bestimmt, wie bei S₃ angezeigt. Falls entweder S_H(i)h oder S_L(i)≡-h für eine der gemessenen Outputvariablen (I₂No._LAB oder DBP_LAB) sind, erzeugt die Einheitssteuergeräteeinheit (system controller) ein Alarmsignal. Falls ein Alarmsignal erzeugt ist, dann werden der Kalman-Filter-Faktor (Kalman-Filter-Gain) (K_I) für den Jodzahl-Algorithmus und/oder der DBP-Kalman-Filter-Faktor (DBP-Kalman-Filter-Gain) (K_D) für den DBP-Algorithmus gleich eins gesetzt, je nach dem ob ein Alarmsignal für eine oder beide Outputvariablen erzeugt ist. Deswegen basieren der neue Einheitsabschnitt (system intercept) (KO_NEW) für den Jodzahl-Algorithmus und/oder der neue Skalierungsfaktor (F_NEW) für den DBP-Algorithmus beide einzig auf den laborgemessenen Werten von I₂No._LAB und bzw. DBP_LAB. Falls indes ein Alarmsignal nicht erzeugt ist, dann bestimmt die Einheitsteuergeräteinheit (system controller) die neuen gefilterten analytischen Eigenschaften, I₂No._FILTER und DBP_FILTER, und regelt dabei die Einheitsabschnittkonstante (system intercept constant) (KO) und den Skalierungsfaktor (F) um den Jodzahl-Algorithmus und bzw. DBP-Algorithmus zu aktualisieren, wie bei S₄ angezeigt. Dann, wie bei S₅ angezeigt, werden die Werte für den neuen Einheitabschnitt (system intercept) (KO_NEW) und Skalierungsfaktor (F_NEW) mit dem erlaubten Bereich für jeden Wert verglichen. Falls einer der Werte außerhalb des Bereiches liegt, dann wird er nicht zum aktualisieren des betreffenden Algorithmus verwendet. Falls die Werte von KO_NEW und F_NEW beide innerhalb des Bereiches liegen, dann wird jeder im Speicher gespeichert, wie bei S₆ angezeigt. Beim Speichern der Werte im Speicher bringt die Einheitsteuergeräteinheit (system controller) 10 die "data entry flag" wie bei S₇ angezeigt, bis zum Ende der nächsten Probenperiode, in den Ausgangszustand zurück.

Claims (13)

1. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung in einem Rußreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

• a) Man mißt in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen mindestens eine in der Rußherstellung benutzte Inputvariable, während der Rußreaktor in Betrieb ist;
• b) man wendet mindestens einen Algorithmus an, um in mit Zwischenraum angeordneten vorhersagenden Intervallen mindestens eine Rußoutputvariable, die auf der mindestens einen während des mit Zwischenraum angeordneten Intervalls gemessenen Inputvariablen basiert, vorherzusagen;
• c) man bestimmt in mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervallen einen Mittelwert der mindestens einen vorhergesagten Outputvariablen über das mittelwertbildende Intervall; und
• d) man regelt in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen mindestens eine der Inputvariablen gemäß einem regelnden Algorithmus, wobei die Differenz zwischen Mittelwert der mindestens einen vorhergesagten Outputvariablen und einem Zielwert der mindestens einen Outputvariablen benutzt wird, während der Reaktor in Betrieb ist, um den Zielwert dieser Outputvariablen zu erreichen, um eine substantiell konsistente Rußqualität zu erhalten.

2. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung in einem Rußreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte aufweist:

• a) Man nimmt mit Zwischenraum angeordneten Probennahmeintervallen Proben von hergestelltem Ruß, während der Rußreaktor in Betrieb ist;
• c) man mißt eine Outputvariable, die durch den Algorithmus an Hand der Rußprobe vorhergesagt wird, während der Rußreaktor in Betrieb ist; und
• d) man regelt den mindestens einen Algorithmus, basierend auf dem gemessenen Wert der mindestens einen Outputvariablen, um die mindestens eine Outputvariable genauer vorherzusagen.

3. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man
die mindestens eine vorhergesagte Outputvariable aus einer Gruppe auswählt, die die Jodzahl und die DBP einschließt;
die mindestens eine geregelte Inputvariable aus einer Gruppe auswählt, die den Feedstock-Durchsatz und den Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung einschließt; und
die in mit Zwischenraum angeordneten gemessenen Inputvariablen aus einer Gruppe auswählt, die den Durchsatz des Oxidationsmittels, den Feedstock-Durchsatz, den Durchsatz des Brennstoffs der ersten Stufe, die Vorwärmtemperatur des Oxidationsmittels und den Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung einschließt.

4. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man
den Feedstock-Durchsatz regelt, indem man die Beziehung zwischen der Zieljodzahl minus dem Mittelwert der vorhergesagten Jodzahl über das mit Zwischenraum angeordnete mittelwertbildende Intervall und der Differenz zwischen der neuen Gesamtverbrennung, die zum Erreichen der Zieljodzahl benötigt wird, minus dem Mittelwert der Gesamtverbrennung während des mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervalls, benutzt; und daß
man den Durchsatz der Kaliumadditiv-Lösung regelt, indem man die Differenz zwischen dem Mittelwert des DBP-Werts während des mit Zwischenraum angeordneten, mittelwertbildenden Intervalls und dem Ziel-DBP-Wert benutzt.

5. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man
mindestens einen Algorithmus regelt, indem man ein gewichtetes Mittel der besten Abschätzung der Fehlervarianz des momentanen vorhergesagten Wertes der mindestens einen Rußoutputvariablen und der Fehlervarianz des gemessenen Werts der mindestens einen Outputvariablen benutzt.

6. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man
den mindestens einen Algorithmus regelt, indem mindestens ein zweiter Algorithmus zum Bestimmen eines neu abgeschätzten Wertes der mindestens einen Outputvariablen durch Benutzen des gewichteten Mittels von Fehlervarianzen und der Differenz zwischen gemessenem Wert der mindestens einen Outputvariablen und dem Mittelwert der vorhergesagten Werte der mindestens einen Outputvariablen, während der Periode in der die Probe genommen wurde angewendet wird, und die neu abgeschätzte Outputvariable, die vom mindestens einen zweiten Algorithmus bereitgestellt wird, wird dabei dazu angewendet, den mindestens einen Algorithmus zu regeln, um mindestens eine Outputvariable genauer vorherzusagen.

7. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
man mindestens eine Outputvariable in mit Zwischenraum angeordneten vorhersagenden Intervallen, im Bereich von ungefähr einer Sekunde bis 20 Sekunden, vorhersagt;
man den Mittelwert der mindestens einen vorhergesagten Outputvariablen in mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervallen, im Bereich von ungefähr einer bis drei Minuten bestimmt; und
daß die mit Zwischenraum angeordneten Probenahmeintervalle zum Probenehmen des hergestellten Rußes im Bereich von ungefähr 0,5 bis ungefähr fünf Stunden liegen.

8. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin folgende Schritte aufweist:
Man überwacht die gemessenden Werte der mindestens einen Rußoutputvariablen, um eine unerwünschte Verschiebung des Mittels der mindestens einen Outputvariablen zu detektieren.

9. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
man die gemessenen Werte der mindestens einen Outputvariablen überwacht, indem man die Differenz zwischen dem momentan gemessenen Wert der Outputvariablen und dem Zielwert der Outputvariablen plus oder minus eines vorherbestimmten Toleranzwert aufsummiert, und man den Wert der Summation mit einem vorherbestimmten Entscheidungsintervall vergleicht, und falls der Wert der Summation nicht im Entscheidungsintervall liegt, wird ein Alarmsignal erzeugt.

10. Verfahren zum Steuern der Rußherstellung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Toleranzwert so bestimmt ist, daß wenn man ihn zum Zielwert der mindestens einen Outputvariablen addiert oder vom Zielwert der mindestens einen Outputvariablen substrahiert, durch die zwei resultierenden Werte substantiell ein Bereich innerhalb ungefähr einer Standardabweichung definiert wird oder ein Bereich, innerhalb welchen mehr als 60% der gemessenen Werte der mindestens einen Outputvariablen fallen, definiert wird.

11. Vorrichtung zum Steuern der Rußherstellung in einem Rußreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:
Meßmittel zum Meßmittel in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen mindestens einer Inputvariablen, die bei der Rußherstellung benutzt wird, während der Rußreaktor in Betrieb ist;
Rechenmittel, die an die Meßmittel zum Vorhersagen in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen mindestens einer Rußoutputvariablen gekoppelt sind, gemäß mindestens einem Algorithmus, der die mindestens eine während des mit Zwischenraum angeordneten Intervalls gemessene Inputvariable benutzt, wobei die Rechenmittel weiterhin in mit Zwischenraum angeordneten mittelwertbildenden Intervallen einen Mittelwert der mindestens einen vorhergesagten Outputvariablen bestimmen; und
Regelmittel die zum Regeln in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen der mindestens einen Inputvariablen an die Rechenmittel gekoppelt sind, gemäß einem regelnden Algorithmus, der die Differenz zwischen Mittelwert der mindestens einen vorhergesagten Outputvariablen und einem Zielwert der mindestens einen Outputvariablen dazu benutzt, den Zielwert dieser Outputvariablen zu erreichen, während der Reaktor in Betrieb ist, um eine substantiell konsistente Rußqualität zu erhalten.

12. Vorrichtung zum Steuern der Rußproduktion in einem Rußreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin aufweist:
Probennahmemittel zum Probennehmen des hergestellten Rußes in mit Zwischenraum angeordneten Intervallen, während der Rußreaktor in Betrieb ist, so daß die mindestens eine Outputvariable an der Rußprobe gemessen werden kann, und wobei die Rechenmittel auf den gemessenen Wert der mindestens einen Outputvariablen ansprechen, um mindestens einen Algorithmus zu regeln, indem der gemessene Wert der mindestens einen Outputvariablen dazu benutzt wird, die Outputvariable genauer vorherzusagen.

13. Vorrichtung zum Steuern der Rußherstellung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rechenmittel den mindestens einen Algorithmus regeln, indem sie mindestens einen zweiten Algorithmus zum Bestimmen eines abgeschätzten Werts der mindestens einen Outputvariablen anwenden, indem ein gewichtetes Mittel der besten Abschätzung der Fehlervarianz des momentan vorhergesagten Wertes der mindestens einen Outputvariablen und der Fehlervarianz des gemessenen Werts der Outputvariablen benutzt werden, und das Rechenmittel dabei die abgeschätzte Outputvariable anwendet, um den mindestens einen Algorithmus zu regeln, um die genannte mindestens eine Outputvariable genauer vorherzusagen.