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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung
und zum wahlweisen Steuern des Gesamtvorrats eines Fluids, insbesondere
eines Polymers, in einem Gefäß mit mindestens
einem Rührer
mit einer drehbaren Welle, die sich in einer horizontalen Richtung
erstreckt. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird eine
resultierende Kraft gemessen; die in Relation zu der Welle bzw.
den Wellen in einer vertikalen Richtung (d. h. radial zu der Welle)
auf den Rührer
wirkt, diese resultierende Kraft zu einem Gesamtvorratswert in Beziehung
gesetzt und der Gesamtvorrat an Fluid wahlweise auf der Basis des
Vorratswerts gesteuert. Die vorliegende Erfindung betrifft auch
eine Einrichtung, die eine resultierende Kraft mißt, die
in Relation zu der Welle bzw. den Wellen in einer vertikalen Richtung
auf den Rührer
wirkt, wobei die resultierende Kraft zu einem Gesamtvorratswert
in Beziehung gesetzt werden kann.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Zum
Messen von Eigenschaften von Fluiden sind verschiedene Verfahren
vorgeschlagen worden. Zu solchen Verfahren zählen beispielsweise Verfahren
zum Messen der Viskosität,
der Elastizität
und der Fließgeschwindigkeit
eines Fluids. Aus der
US 4,468,953 ,
Garritano, ist eine Torsionsrohrvorrichtung für Online-Messungen der Viskosität und Elastizität eines
Fluids bekannt.
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Auch
zum Messen der Charakteristiken von Gefäßen, die Fluide enthalten,
sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Zu derartigen
Verfahren zählenbeispielsweise
das Messen der Rührkraft
eines Rührers
oder einer Mischeinrichtung im Reaktor. Aus der
US 4,237,261 , Kawamura et al., ist
ein Prozeß zum automatischen
und kontinuierlichen Messen der Rührkraft (der von außen angelegten
Leistung eines Motors) oder der Rührachsenreaktionskraft (dem
Widerstand des Polymers gegenüber
dem Rühren)
von mindestens dem letzten Polymerisationsreaktor unter allen Polymerisationsreaktoren
bekannt, aus dem ein Polymer mit einer Grenzviskosität von mindestens
0,25 ausgetragenwird. Bei Kawamura wird der Polymerisationsprozeß durch Änderungen
am Reaktorvakuum gesteuert. Das Vakuum in dem Polymerisationsreaktor
wird auf der Grundlage von Änderungen
der Rührleistung
oder der Rührachsenreaktionskraft
variiert, so daß die
Rührleistung
oder die Rührachsenreaktionskraft
auf einem vorgeschriebenen Niveau gehalten wird, wodurch der Polymerisationsgrad
des aus dem Polymerisationsreaktor ausgetragenen Polymers gesteuert
wird.
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Aus
der
US 5,649,449 A ,
Algers, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der
aktuellen bzw. momentanen Betriebsbedingungen einer Zentrifugalpumpe
bekannt. Bei Algers werden die von dem sich drehenden Pumpenschaufelrad
auf die Schaufelradwelle ausgeübten
Radialkräfte
an dem in der Nähe
des Pumpengehäuses
und des Schaufelrads angeordneten, die Welle stützenden Lager gemessen. Bei
einem vorläufigen
oder Testbetrieb der Pumpe wird die Messung der Radialkraft bei
mehreren volumetrischen Flüssigkeitsfließgeschwindigkeiten
durch die Pumpe vorgenommen, um zwischen der Radialkraft und dem
Flüssigkeitsfluß eine Beziehung
herzustellen. Beim normalen Betrieb der Pumpe wird dann die aktuelle
oder momentane Radialkraft an dem Lager gemessen, und diese Messung
wird mit der im voraus entwickelten Beziehung verglichen, um die
momentanen Betriebsströmungsbedingungen
der Pumpe präzise
zu bestimmen, indem entlang der Kennlinie der Pumpe derjenige Punkt
identifiziert wird, der für
die Pumpe eine Beziehung zwischen der Hubhöhe und dem volumetrischen Flüssigkeitsfluß definiert,
mit der die Pumpe gegenwärtig
arbeitet. Bei Algers können
die Einheitskräfte
bei leerer Pumpe nicht gemessen werden. Algers offenbart außerdem nicht, wie
der Vorrat in dem Gerät,
an das die Pumpe angeschlossen ist, gemessen wird, sondern nur die
Fließgeschwindigkeit
durch die Pumpe.
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Im
Hinblick auf Verfahren zum Überwachen
oder Steuern des Vorrats an einem Fluid in einem Reaktor oder Gefäß kann in
die Materialzuleitung oder in die Materialableitung von einem derartigen
Reaktor oder Gefäß eine Dosierpumpe
oder eine Zahnradpumpe integriert sein, die ein Mittel zum Steuern
sowohl des Flusses durch den Reaktor oder das Gefäß als auch
des Vorrats in dem Reaktor oder Gefäß darstellen. Dosierpumpen oder
Zahnradpumpen beispielsweise, die mit Polymerreaktoren verwendet
werden, weisen jedoch einen zu der Geschwindigkeit in Beziehung
stehenden Massendurchsatzfehler auf der von der Viskosität des gepumpten
Polymers und dem Druck abhängt,
der entwickelt werden muß und
der verhindert, daß Geschwindigkeit für sich alleine über einen
längeren
durchgehenden Betriebszeitraum hinweg ein Mittel zur präzisen Pegel- oder
Vorratssteuerung darstellt.
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Herkömmliche
Verfahren zur Vorratsüberwachung
in Polymerreaktoren beinhalten Druckdifferenzmeßeinrichtungen, die eine Säule aus
Flüssigkeit
mit einerangenommenen Dichte verwenden, und die an eine Fluidhöhen-, eine
Flotations- oder eine Volumenverdrängungseinrichtung angeschlossen
sind. Es kann auch die Absorption von Strahlung einer nuklearen
Quelle verwendet werden, wobei es in Abhängigkeit von dem Material in
dem Strahlungsweg zu einer Dämpfung
des Strahlungssignals an einem Detektor kommt. Die Präzision dieses
Verfahrens hängt
von vielen Faktoren ab, einschließlich der Auswahl der Art der
Quelle, dem Aufbau des Gefäßes, der
Intensität
der Hintergrundstrahlung und der Art des gemessenen Polymermaterials.
Diese und andere herkömmliche
Vorratsüberwachungsverfahren
liefern in der Regel einen Relativwert, der nur das an der exakten
Meßstelle
vorliegende Material anzeigt, weshalb derartige Einrichtungen nicht
die Gesamtmenge an Vorrat in einem Reaktor oder Gefäß messen.
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Beim
Betrieb eines kontinuierlichen Polymerisationsreaktors ist es sehr
schwer, den Gesamtpolymervorrat zu messen, und noch schwieriger, über einen
längeren
Zeitraum hinweg einen genauen Vorrat aufrechtzuerhalten. Dadurch
ergibt sich der Bedarf an einer sehr genauen Vorratssteuerung.
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Ein
weiterer, mitherkömmlichen Überwachungseinrichtungen
für Polymerreaktoren
verbundener Nachteil besteht darin, daß sie eine Durchdringung der
Gefäßschale,
des Mantels und der Wand unter Einführung einer Meßkomponente
in den Gefäßinnenraum
erfordern. Durch die physische Einführung eines Sensors in einen
Reaktor und die Verwendung von herkömmlichen Überwachungseinrichtungen, wie
etwa Flotationseinrichtungen; Blasenrohre und Nuklearquellen, wird
die präzise Überwachung
von Vorrat erschwert, wenn nicht sogar unmöglich gemacht, wenn der Reaktor
einen Rührer
aufweist, der bis nahe an die Wände
heranreicht, wenn der Reaktor einen komplizierten Innenaufbau aufweist
oder wenn im Reaktor eine große
Menge an Metall, im Reaktionsraum vorhanden ist. Wenn ein Reaktor
einen oder mehrere Rührer
aufweist und mit anderen, sich mechanisch drehenden Einrichtungen
verbunden ist, machen Schwingungen diese Systeme zum Zweck der Vorratssteuerung
insbesondere dann unzuverlässig,
wenn als Sensortechnologie Wägezellen verwendet
werden.
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So
funktionieren beispielsweise in dem in der
US 5,814,282 A beschriebenen
Reaktor bekannte Meßeinrichtungen
nicht. Die Einführung
von Komponenten verbietet sich, da sich die Welle und alle ihre
Komponenten in unmittelbarer Nähe
zu der Wand des Reaktors befinden.
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Um
Reaktoren, wie sie beispielsweise in der
US 5,814,282 A beschrieben
sind, Polymer zuzuleiten und abzuleiten, werden in der Regel Zahnradpumpen
verwendet, die mit einer gesteuerten Geschwindigkeit arbeiten. Ein
Nachteil besteht darin, daß inhärente kleinere
Fehler bei der quantitativen Zuleitung oder Ableitung von Material
durch eine derartige Pumpe eine langzeitige Schwankung des Absolutvorrats
des Reaktors bewirken, die bei der Entwicklung von Polymereigenschaften
in dem Reaktor unannehmbar ist. Dies ist besonders dann wichtig,
wenn der Aufbau des Reaktors noch nicht einmal die Verwendung von Überwachungseinrichtungen
gestattet, die Relativmesswerte des Vorrats liefern.
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Es
besteht deshalb ein Bedarf an einem zuverlässigen Verfahren zum Überwachen
und Messen des Absolutvorrats an einem Fluid in einem Gefäß, wie etwa
einem Reaktor, und ein weiterer Bedarf an einem Verfahren zum Steuern
des Absolutvorrats an einem Fluid in einem Gefäß, wie etwa einem Reaktor.
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ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Messen und wahlweisen
Steuern des Vorrats eines dynamischen Fluids in einem Gefäß mit mindestens
einem Rührer
mit einer sich in einer horizontalen Richtung erstreckenden drehbaren
Welle bereit. Der Absolutvorrat in dem Gefäß wird durch die Verwendung
und die Messung einer resultierenden Rührerkraft gesteuert, die auf
den Rührer
in einer in Beziehung zu der Welle des Rührers vertikalen Richtung wirkt.
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Ein
wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Feststellung,
daß zwischen
dem Absolutvorrat eines Gefäßes und
der vertikal auf den Rührer
wirkenden Kraft eine Beziehung existiert, die außerhalb des Gefäßes gemessen
und zum Steuern des Gefäßvorrats über längere Zeiträume im kontinuierlichen
Betrieb verwendet werden kann.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt somit das Messen der vertikal
auf den Rührer
wirkenden resultierenden Kraft aus einem Satz von Betriebsparametern
und bei einem Absolutvorrat an Fluid, um einen Datenpunkt zu erzeugen.
Diese Kraftmessung wird zum Erzeugen einer Reihe von Datenpunkten
für mehrere
Absolutvorräte
wiederholt. Die Kraftmessungen werden bevorzugt unter Konstanthaltung
der den Vorrat nicht beieinflußenden
Betriebsparameter (Temperatur, Druck, usw.) vorgenommen. Die Kraftmessungen werden
unter Verwendung eines Kraftmeßinstruments
durchgeführt,
wie etwa eines auf geeignete Weise an der Rührerwelle, bevorzugt außerhalb
des Gefäßraums,
angebrachten Dehnungsmeßwandlers.
Die Reihen von Datenpunkten werden korreliert, um zwischen dem bekannten
Vorrat an Fluid in dem Gefäß und der
vertikal auf den Rührer
wirkenden resultierenden Kraft eine Beziehungfestzulegen. Die vertikal
auf den Rührer
wirkende resultierende Kraft stellt dann die gesteuerte Prozeßvariable
dar, um einen gewünschten
Absolutvorrat an Fluid gemäß der oder
den festgelegten Beziehungen aufrechtzuerhalten. Die Betriebsparameter
des Reaktors und der daran angebrachten Komponenten, beispielsweise
die Geschwindigkeit einer Dosierzahnradpumpe, werden dann über eine
Reihe von Regelkreisfunktionen eingestellt, um die vertikal auf
den Rührer
wirkende resultierende Kraft, die dem gewünschten Absolutvorrat entspricht,
konstant zu halten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Fluid ein Polymer. Zu besonders
bevorzugten Polymeren zählen
Polyester, Copolyester, Polyarylate, Copolyarylate, Polyamide und Copolyamide.
Das Polymer kann in dem Gefäß in einer
Menge im Bereich von etwa 10 bis 70 Prozent des verfügbaren Arbeitsvolumens
des Gefäßes vorliegen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Gefäß ein Reaktor, der sich besonders
für Polykondensationsreaktionen
eignet, bei denen eine flüchtige
Komponente ausgetragen und ein polymeres Material hoher Viskosität aus einem
polymeren Material geringerer Viskosität hergestellt wird, wobei es
gleichzeitig in dem Reaktor in einem flüssigen Zustand bleibt. Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Reaktor zwei drehbare Wellen
auf: Bei einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung drehen sich die beiden Wellen entgegengesetzt
zueinander.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der gesamte
Absolutvorrat an Fluid in dem Gefäß zu jedem Zeitpunkt bekannt
ist. Die Fluidmenge in dem Gefäß dient
als Eingabe in einen Prozeßregelkreis,
der beispielsweise in Form einer Rückkopplungssteuerung arbeitet,
und die Fluid menge wird gegebenenfalls eingestellt, um eine vertikal
auf den Rührer
wirkende konstante gemessene Kraft bereitzustellen, die wiederum
für einen
konstanten Absolutvorrat in dem Gefäß sorgt. Ein Vorteil dieses
Verfahrens im Vergleich zu den herkömmlichen Überwachungsverfahren besteht
deshalb darin, daß zu
jedem Zeitpunkt die Menge an Fluid nicht nur an einem örtlichen
Punkt bekannt ist, sondern die gesamte Absolutmenge an Fluid in
dem Gefäß.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb in der Bereitstellung
eines zuverlässigen Verfahrens
zum Steuern des Absolutvorrats an einem Fluid in einem Gefäß, wie etwa
einem Reaktor.
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung hervor. Es versteht
sich jedoch, daß die
Zeichnung nur der Veranschaulichung dient und nicht als Definition
der Grenzen der Erfindung, hinsichtlich der auf die beigefügten Ansprüche Bezug
genommen wird. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu und, sofern nichts
anders angegeben ist, lediglich dazu gedacht, die hier beschriebenen
Strukturen und Verfahrensschritte von der Konzeption her zu veranschaulichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang der im wesentlichen
in Y-Radialrichtung wirkenden Kräfte
mit einer gewünschten Änderung
des Absolutvorrats in dem bevorzugten Reaktor in Abhängigkeit
von der Zeit veranschaulicht, wenn alle anderen Reaktionsprozeßbedingungen
wie Druck, Rührergeschwindigkeit
und Temperatur konstant gehalten werden.
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2 zeigt
zwei entgegengesetzt zueinander drehende Rührer im Bereich von 0 bis 90° und die
Kraftvektorrichtungen Fx, Fy.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bei
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden hauptsächlich gerichtete
Kräfte
in Y-Radialrichtung
erzeugt, die zu dem Fluidvorrat in einem Gefäß in Korrelation stehen. Der
Ausdruck "Y-Kraft", wie er gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, bezieht sich auf eine Vektorkombination
der im wesentlichen vertikal auf einen Rührer in einem Gefäß wirkenden
Kraft oder Kräfte.
Die Y-Kraft auf den Rührer
wird bezüglich der
Welle des Rührers
in Y-Radialrichtung
gemessen. Zu den Kräften,
aus denen die Y-Kraft sich zusammensetzt, zählen beispielsweise das Gewicht
des Rührers,
das Gewicht des Fluids auf den Rührer,
durch Drehung des Rührers
in dem Fluid hervorgerufene hydraulische Reaktionskräfte und
die von dem Fluid abgeleitete Auftriebskraft. Der Ausdruck "Rührer", wie er gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, bezieht sich auf ein mechanisches Bauteil mit einer
Welle und mindestens einem sich radial von der Welle erstreckenden
Glied, das bei Drehung auf ein Fluid in einem Gefäß eine Kraft
ausübt.
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Der
Ausdruck "Fluid", wie er gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, bezieht sich auf jedes Material mit der
Verhaltenscharakteristik eines Fluids, einschließlich Flüssigkeiten, Feststoffe und
jeder Kombination aus Flüssigkeiten
und Feststoffen, die Fluidcharakteristiken aufweist. Das Fluid in
der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt eine Viskosität im Bereich
von etwa 20.000 Centipoise bis etwa 6.000.000 Centipoise auf. Das
Fluid weist weiterhin bevorzugt eine Viskosität im Bereich von etwa 40.000
Centipoise bis etwa 4.000.000 Centipoise auf. Zu bevorzugten Fluiden
der vorliegenden Erfindung zählen
unter anderem Polymere. Besonders bevorzugte Polymeren sind Polyester,
Copolyester, Polyarylate, Copolyarylate, Polyamide und Copolyamide.
Der Ausdruck "dynamisch" bezieht sich auf
die Bewegung oder Aktivität
und wird zum Charakterisieren des Fluids verwendet. Die bevorzugte
Menge an Fluidvorrat in dem Gefäß reicht
von etwa 10 bis 70 Prozent des verfügbaren Arbeitsvolumens des
Gefäßes. Das
Fluid nimmt bevorzugt etwa 50 Prozent des verfügbaren Arbeitsvolumens des
Gefäßes ein.
Der Ausdruck "verfügbares Arbeitsvolumen" bezieht sich auf
das Volumen in dem Gefäß unter
Ausschluß des
Volumens, das von Innenausstattungen; wie etwa der oder den Rührerwellen
und etwaigen an diesen Wellen angebrachten Komponenten, wie etwa
Misch- oder filmbildende Einrichtungen, eingenommen ist.
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Der
Ausdruck "Gefäß", wie er gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, umfaßt
unter anderem eine Ausrüstungsstruktur
oder ein Ausrüstungsstück, die
bzw. das ein Fluid enthalten kann. Beispiele von Gefäßen schließen unter
anderem Extruder, Compoundiermaschinen, Mischer und Reaktoren ein.
Ein bevorzugtes Gefäß ist ein
Polymerreaktor mit mindestens einer drehbaren Welle, wobei jede
Welle einen Satz von an der Welle befestigten Mischeinrichtungen
aufweist. Die optimale Drehzahl der einen oder von mehreren Rührerwellen
basiert auf Faktoren wie etwa dem eingesetzten Polymer, der Viskosität des Polymers
bei seiner Einleitung in den Reaktor, der Viskosität des aus
dem Reaktor austretenden Polymers und der Temperatur des Reaktors.
Die Drehzahl liegt im allgemeinen zwischen 1 und 20 Umdrehungen
pro Minute und besonders bevorzugt zwischen 2 und 8 Umdrehungen
pro Minute. Falls mehr als eine Welle vorhanden ist, wird jede Welle bevorzugt
mit der gleichen Drehzahl gedreht. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Reaktor mit zwei drehbaren Wellen, die sich entgegengesetzt
zueinander drehen, bevorzugt. Wenn sich die Wellen entgegengesetzt
drehen, ist die bevorzugte Richtung diejenige, in der sich die Rührer über der
Mittellinie des Rotors voneinander weg drehen, anstatt sich über der
Mittellinie aufeinander zu zu drehen. Hierzu wird auf 2 verwiesen,
in der die Stellungen zweier Rührer,
die sich entgegengesetzt zueinander drehen, für die Drehwinkel 0°, 20°, 40°, 60°, 80° und 90° dargestellt
sind. Die Betrachtung erfolgt dabei von dem Einlaßende des
Reaktors aus. In 2 sind desweiteren die Richtungen
der Kraftverktoren Fx und Fy eingezeichnet.
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Ein
Vorteil, der mit der Verwendung eines Gefäßes mit zwei drehbaren Wellen,
die sich entgegengesetzt zueinander drehen, verbunden ist, besteht
darin, daß Kräfte erzeugt
werden, die unabhängig
von der Frage, ob der Inhalt des Gefäßes zwischen leer und voll
liegt, zur Korrelation des Vorrats verwendbar sind. Das Gefäß der vorliegenden
Erfindung weist außerdem
mindestens ein Kraftmeßgerät auf. Der
Ausdruck "Kraftmeßgerät", wie er gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, bezieht sich auf ein Meßgerät, das im wesentlichen
in Y-Radialrichtung auf den Rührer
wirkende Kräfte
messen kann. Ein bevorzugtes Kraftmeßgerät ist zum Beispiel ein Dehnungsmeßwandler.
Zusätzlich
kann zum Messen eines angelegten Drehmoments eine separate Wandlervorrichtung
verwendet werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform befindet sich der
Dehnungsmeßwandler
außerhalb
der Reaktionskammer.
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Ein
bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendetes, besonders
bevorzugtes Gefäß ist der Reaktor,
der in der
US 5,814,282
A offenbart ist. Durch die Bezugnahme auf dieses Patent
soll dessen Offenbarung Gegenstand der vorliegenden Anmeldung werden.
Der in der
US 5,814,282
A offenbarte Reaktor weist eine im wesentlichen horizontale
Reaktionskammer mit mindestens einem Einlaß zum Einleiten von niederviskosen
Polymermaterialien und mindestens einen Auslaß für hochviskoses Polymer auf.
Innerhalb der Reaktorkammer des Reaktors befinden sich zwei drehbare
parallele Wellen, auf denen mehrere Rührer und Abstandshalter befestigt
sind. Die Rührer
auf der einer Welle kämmen
während
der Drehung mit den Rührern
auf der anderen Welle. Der Reaktor enthält außerdem einen Auslaß für flüchtige Komponenten.
In diesem Reaktor ist der Raum zwischen den Rührern und zwischen der Kante
jedes Rührers
und der Wand des Reaktors sehr klein. Die bei Betrieb dieses Polykondensationsreaktors
erzeugten Wellenkräfte
reagieren auf Differenzen beim Polymervorrat, wobei die Empfindlichkeit
in der Y-Radial richtung am größten ist.
Die sich entgegengesetzt drehenden Wellen des Reaktors sammeln das
an dem Boden ruhende und an den Wänden des Reaktors haftende
Polymer auf und bewegen es in die Mitte, wo die beiden Mischerprofile
miteinander kämmen.
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Bei
dem bevorzugten Reaktor der vorliegenden Erfindung besteht der Rührer des
Gefäßes aus
zwei sich entgegengesetzt zueinander drehenden Wellen, und die Profile
wirken bei ihrer Drehung in dem Fluidbad wie Paddel, wobei eine
Reaktionskraft erzeugt wird. Der Ausdruck "Auftrieb ", nämlich
die Fähigkeit
oder Tendenz, in einem Fluid zu treiben oder hochzusteigen, wird
dazu verwendet, die Reaktionskraft der Rührerprofile bei ihrem Zusammenwirken
mit dem Fluid im unteren Teil des Reaktors zu erklären. Bei
der vorliegenden Erfindung kann der Auftrieb als dynamisch klassifiziert
werden, da die aufwärts
gerichtete Kraft auf den abgebremsten Rührer mit zunehmendem Vorrat
größer wird.
Zusätzlich
zu dem Auftrieb ergibt sich aus der Druckkraft zwischen den Profilen
auf den Wellen eine zweite resultierende Y-Kraftkomponente. Diese
Kräfte
treten bei Stillstand des Rührers
nicht auf, da das Fluid im allgemeinen um die Kanten der Paddel
strömt
und seine natürlichen
Wege und Höhe
sucht.
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Bei
der Ausübung
der vorliegenden Erfindung wird zuerst eine Datentabelle erstellt,
um Y-Kraftwerte mit
verschiedenen Vorratshöhen
in einem bestimmten Reaktor zu korrelieren. Um die benötigten Korrelationsdaten
zu erzeugen, wird ein bekannter Vorrat in den Reaktor gegeben und
unter stationären
Bedingungen in dem Reaktor gehalten. Der Anfangsvorrat wird vorzugsweise
durch Verwendung von Dosierpumpen eingestellt. Obwohl Dosierpumpen
bekannterweise etwas fehlerhaft sind, wird durch die relativ eingeschränkte Verwendung
der Dosierpumpen während
der anfänglichen
Datenerfassung der Effekt von Pumpenfehlern auf die endgültigen Korrelationsdaten
begrenzt, da sich die Pumpenfehler im Verlauf der Zeit nicht akkumulieren
können.
Außerdem
wird der Absolutvorrat in dem Reaktor gemessen, indem während der
Bestimmung der Korrelation zwischen den Y-Kräften und dem Absolutvorrat
in dem Reaktor unter Verwendung der bekannten Gesamtmenge an eingegebenem
Material und der bekannten Gesamtmenge an ausgegebenem Material
eine Massenbilanz vorgenommen wird.
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Nachdem
ein Anfangsvorrat in das Gefäß geladen
worden ist und stationäre
Bedingungen erreicht worden sind, wird ein Y-Kraftwert gemessen
und aufgezeichnet. Die anfängliche
Y-Kraftmessung und jede der späteren
Y-Kraftmessungen findet bevorzugt während des Betriebs des Gefäßes statt,
wenn die konstante Einleitungsgeschwindigkeit das Gefäß genauso
konstant und gleich groß wie
die konstante Ausleitungsgeschwindigkeit ist, was zu einem Absolutvorrat
führt,
der während
keiner der jeweiligen Messungen schwankt.
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Nach
dem Aufzeichnen des anfänglichen
Y-Kraftwerts wird der Vorrat in dem Gefäß, bevorzugt durch eine vorübergehende
Erhöhung
der Fließgeschwindigkeit
der einleitenden Dosierpumpe, auf eine zweite Vorratshöhe erhöht. Dann
wird der Y-Kraftwert der zweiten Vorratshöhe so lange überwacht,
bis er einen konstanten Wert erreicht, woraufhin er gemessen und
aufgezeichnet wird. Die Y-Kraft ändert
sich bei Hinzufügung
von Vorrat zu dem Gefäß sofort;
weshalb der Y-Kraftwert
unmittelbar nach Änderung
des Vorrats gemessen werden kann.
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Der
Vorrat wird in analoger Weise wiederholt erhöht und die Y-Kraftmessungen
werden zunehmend über
den Bereich erwarteter Vorratsmengen aufgezeichnet, mit deren Nutzung
in dem Gefäß gerechnet
wird. Der Absolutvorrat wird in analoger Weise, durch vorübergehende
Erhöhung
der Ausflußgeschwindigkeit
aus dem Gefäß auf ein
Niveau über
der Zufuhrgeschwindigkeit, von der höchsten erwarteten Höhe auf eine
andere gewünschte
niedrigere Höhe
gesenkt, und die Y-Kraft wird erneut bestimmt, wenn das System in
dem Gefäß nach jeder
Vorratsänderung
den stationären
Zustand erreicht hat. Der Vorrat wird in ähnlicher Weise wiederholt gesenkt
und die Y-Kraftmessungen werden zunehmend über den Bereich erwarteter
Vorratsmengen aufgezeichnet, mit deren Nutzung in dem Gefäß gerechnet
wird. Dann werden die Absolutvorratsdaten und die Y-Kraftdaten,
unabhängig
von der Änderungsrichtung
des Vorrats, korreliert.
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Die
Korrelation des Absolutvorrats mit der Y-Kraft wird bevorzugt in
einen mathematischen Ausdruck wiedergegeben, der später in automatischen
computerisierten oder elektronischen Steuereinrichtungen verwendet
wird. Es versteht sich, daß eine
Korrelation zwischen Absolutvorrat und Y-Kraft durch jedes beliebige, gemeinhin
bekannte Versuchsverfahren entwickelt werden kann, wobei die Größe oder
Richtung der Vorratsänderung
zwischen den Datenmessungen für
die Erfindung unkritisch ist.
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Nach
der Entwicklung einer Korrelationskurve zwischen Absolutvorrat und
Y-Kraft für
ein bestimmtes Gefäß, wird
auf Grund der Korrelation der Absolutvorrat in dem Gefäß auf der
Basis des Meßwerts
der Y-Kraft gesteuert. So wird beispielsweise für ein vorgegebenes Gefäß eine gewünschte Vorratshöhe in dem
Gefäß mit einem
bekannten mittleren Y-Kraftwert korreliert, wobei der Y-Kraftwert
im Gefäß ständig oder
periodisch überwacht
wird, und für
den Fall, daß die
Y-Kraft aus einem vorbestimmten Bereich des angestrebten Y-Kraftwerts herausfallen
sollte, werden Betriebsparameter der Gefäßausrüstung, die zur Zufuhr oder
zum Austrag von Material aus dem Reaktor oder dem Reaktorsystem
vorgesehen sind, adjustiert, um den Absolutvorrat in dem Gefäß entsprechend
einzustellen. Die Einstellung des Vorrats durch elektronische Steuermittel
auf der Basis einer eingegebenen Messung ist in der Technik wohlbekannt,
und derartige Steuermittel können
zum Steuern des Gefäßvorrats
auf der Basis von Y-Kraftinformationen verwendet werden, wie dies
hier offenbart wird. Der Vorrat in dem Gefäß wird bevorzugt durch Einstellen
der Geschwindigkeit der Einlaßpumpe
oder der Auslaßpumpe adjustiert.
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Es
hat sich herausgestellt, daß die
auf einen Rührer
in einem ein Fluid enthaltenden Gefäß wirkende Y-Kraft im wesentlichen
durch die Vorratsmenge in dem Gefäß hervorgerufen wird und daß dieser
Effekt der Y-Kraft zur Bestimmung der Gesamtmenge an Fluid in dem
Gefäß verwendet
werden kann. Durch Schwankungen von anderen Fluidcharakteristiken;
wie etwa Temperatur, Viskosität,
Fließgeschwindigkeit
usw., kann sich die Beziehung zwischen der Y-Kraft und dem Vorrat etwas verschieben,
doch wird die grundlegende Korrelation der Y-Kraft zu dem Absolutvorrat
trotz etwaiger Änderungen
der anderen Fluidvariablen aufrechterhalten. Deshalb wird die Korrelationskurve
zwischen der Y-Kraft und dem Absolutvorratbevorzugtbei konstanter Temperatur,
Viskosität
usw. erzeugt, so dass es möglich
ist, trotz der Schwankungen bei derartigen Variablen eine grundlegende
Korrelationskurve festzulegen.
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Analog
kann die Y-Kraftmessung einfach nur zum Bestimmen eines konstanten
oder schwankenden Vorrats in einem Gefäß verwendet werden. Bei einem
Gefäß oder Reaktorsystem,
bei dem die Y-Kraft nicht als Steuervariable verwendet wird; wird
mit der Y-Kraft einfach der Vorrat in einem Gefäß überwacht, wobei die gleichen
Korrelationsverfahren, wie sie oben beschrieben sind, verwendet
werden.
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Nachdem
eine angemessene Korrelationskurve für ein bestimmtes Gefäß mit einem
bestimmten Rührer
entwickelt worden ist, kann der Absolutvorrat in dem Gefäß somit
bestimmt werden, ohne daß in
dem Gefäß irgendwelche
Instrumente erforderlich wären,
indem die auf die Rührerwelle
wirkende im wesentlichen Y-Radialrichtungskraft gemessen wird. Die
Y-Kraftmessungen können
dazu verwendet werden, den Vorrat in dem Gefäß kontinuierlich oder periodisch
zu überwachen,
und sie können
weiterhin als eine Steuervariable zur Beibehaltung einer gewünschten
Absolutvorratshöhe
in dem Gefäß verwendet
werden.
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Durch
das erfinderische Verfahren zum Messen, Aufrechterhalten und Steuern
des Absolutvorrats in einem Gefäß werden
die Einschränkungen überwunden,
die durch die Ungenauigkeiten von Dosierpumpen und die Unmöglichkeit,
den Gefäßvorrat
zu überwachen,
ohne in dem Gefäß eine Meßeinrichtung
anzuordnen, hervorgerufen werden.
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BEISPIEL 1
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Das
Diagramm gemäß der 1 wurde
erzeugt, indem zuerst die Y-Kraft in Newton bei einem bekannten,
konstanten Absolutvorrat aufgetragen wurde, dann die Y-Kraft in
Newton aufgetragen wurde, während
der Vorrat in dem Reaktor vergrößert wurde,
und schließlich
die Y-Kraft bei einem konstanten größten Gesamtvorrat aufgetragen
wurde. Der Reaktorvorrat wurde durch Modifizieren des Massendurchsatzes
der Einlaßpumpe
und Auslaßpumpe
bei konstanter Rührergeschwindigkeit
geändert,
wobei die im wesentlichen in Y-Radialrichtung auf den Rührer wirkende
Kraft aufgezeichnet wurde. Bei dem Versuchslauf wurde der Gesamtvorrat
in dem Reaktor, wie durch die durchgehende Linie gezeigt, unter
Beibehaltung der Rührergeschwindigkeit
bei konstant 4,0 Umdrehungen pro Minute von 40% auf 50% des verfügbaren Arbeits volumens des
Reaktors erhöht.
Die Y-Kraftmessung nahm mit dem vergrößerten Vorrat allmählich zu.
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Aus
der 1 geht hervor, daß die gemessene Y-Kraft bei
der anfänglichen
Vorratsmenge konstant war, daß die
gemessene Y-Kraft über
der Zeit mit dem Gefäßvorrat
anstieg und daß die
gemessene Y-Kraft bei Erreichen der endgültigen Vorratsmenge wieder
konstant wurde. Daraus geht hervor, daß die Y-Kraft mit der Vorratsmenge
in einem Gefäß variiert,
wobei sich der Vorrat zeitabhängig
verändert.
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BEISPIEL 2
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Es
wurde ein Versuch durchgeführt,
bei dem ein repräsentativer
Polymerchip-Ausgangsstoff aus Polyester (PET) mit einer intrinsischen
Viskosität
(In von 0,63 verwendet wurde. Die Lösungsviskosität des Polymerchips
in Orthochlorphenol bei 25 °C
wurde gemessen und eine IV daraus berechnet.
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Ein
Reaktor der in der
US
5,814,282 A beschriebenen Art mit zwei sich entgegengesetzt
drehenden Wellen, der mit dem entsprechenden Kraftwandlersensor
ausgestattet war, wurde zum weiteren Umsetzen dieses Ausgangsstoffchips
geringer Viskosität
verwendet. Der Wandler mißt
die Y-Radialrichtungskraft an einer sich drehenden Welle. Der Wandler
wurde als Lagerstütze
an dem nicht angetriebenen Ende einer der beiden Wellen installiert.
Der bei jedem Versuch verwendete Polymerchip-Ausgangsstoff wurde
zunächst
in einem herkömmlichen
Vakuumtrocknungsprozeß getrocknet
und dann in einem Extruder mit mehreren Temperaturregelzonen aufgeschmolzen.
Eine von dem Extruder beschickte Einlaßdosierzahnradpumpe war an
den Reaktor angeschlossen, um das geschmolzene Ausgangsstoffpolymer
in den Reaktor zu pumpen, und eine Auslaßdosierzahnradpumpe zum Pumpen
des Endproduktpolymers aus dem Reaktor war an die Auslaßdüse des Reaktors
angeschlossen. Unmittelbar vor Erreichen der Einlaßpumpe lief
das Polymer durch einen Wärmetauscher,
um die Temperatur des Polymers auf die erforderliche Zufuhrtemperatur
zu dem Reaktor zu erhöhen.
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Dieses
Beispiel zeigt die Korrelation zwischen der in einem Polymerisationsreaktor
enthaltenen Vorratsmenge und dem in der Y-Radialrichtung auf einen
Rührer
in dem Reaktor wirkenden Kraftaufwand auf. Das Beispiel beinhaltet
30 Versuchsläufe,
bei denen die auf den Reaktorrührer
wirkende Y-Kraft als Reaktion auf drei Eingangsvariablen gemessen
wurde: Rührergeschwindigkeit,
Reaktordurchsatz und Gesamtvorrat in dem Reaktor.
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Die
Rührergeschwindigkeit
in dem Reaktor wurde zwischen Läufen
geändert,
mit Arbeitsgeschwindigkeiten von 1, 2,5 oder 4 Umdrehungen pro Minute.
Es versteht sich, daß in
jedem Versuch alle Prozeßvariablen nach
der Beendigung der Übergänge zwischen
den Versuchen konstant gehalten wurden, um die Korrelationsdaten
zwischen dem Absolutvorrat und der Y-Radialkraftmessung zu bestimmen. Alle
dreißig
Versuche wurden über
mehrere Tage hinweg in einem kontinuierlichen Prozeß durchgeführt.
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Der
Reaktordurchsatz für
jeden Lauf wurde durch Meßwerte
von einer Eingabedosierzahnradpumpe gemessen, die das in den Reaktor
eintretende Polymermaterial maß.
Der in Kilogramm pro Stunde gemessene Reaktordurchsatz wurde zwischen
den Läufen
auf Werte von 35 (75,0), 51 (112,5) und 68 (150,0) Kilogramm pro
Stunde (in Klammer: Pfund pro Stunde) verändert.
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Der
absolute Gesamtvorrat in dem Reaktor wurde als Prozentsatz des verfügbaren Arbeitsvolumens in
dem Reaktor gemessen. In dem Reaktor wurde ein Anfangsvorrat festgelegt. Änderungen
des Vorrats wurden dann durch Vergrößern oder Verkleinern der Massendurchsatzgeschwindigkeit
von geschmolzenem Polymer durch die Auslaßpumpe gegenüber der
Massendurchsatzgeschwindigkeit von geschmolzenem Polymer durch die
Einlaßpumpe
vorgenommen. Zur Bestätigung
der Vorratsmenge in dem Reaktor wurden nach jedem Lauf Massenbilanzberechnungen
vorgenommen, wobei die bekannte Gesamtmenge von während der
Läufe verwendetem
Polymereinsatzmaterial und die bekannte Gesamtmenge von aus dem
Reaktor ausgetretenem Produktmaterial verwendet wurde. Da die sich
aus der Polykondensationsreaktion ergebenden Nebenprodukte, die
während
dieser Versuche auftraten, allgemein bei unter 0,1 Gew.-% des Polymerdurchsatzes
in dem Reaktor in jeder Zelle lagen, wurde für dieses Nebenproduktgewicht
an der Massenbilanz in jedem Versuch keine Korrektur vorgenommen.
Der Vorrat wurde zwischen den Läufen
auf 30%, 40% und 50% des verfügbaren
Reaktorvolumens variiert.
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Eine Änderung
einer beliebigen der drei Variablen (Rührergeschwindigkeit, Reaktordurchsatz
und Gesamtvorrat) führte
bei gleichzeitigem Konstanthalten der restlichen Variablen zu einer Änderung
der Y-Kraft. Wenn sich die Hauptvariable Absolutvorrat veränderte,
veränderte
sich sofort die Y-Kraft. Wenn die sekundären Variablen, Rührergeschwindigkeit
und Durchsatz, zwischen Zellen geändert wurden, wurde ein sekundärer Effekt
auf die Y-Kraft festgestellt. Mit der Bestimmung derartiger sekundärer Effekte
können
die Wechselwirkungen zwischen diesen Variablen besser modelliert
und die Steuerung bei der Anwendung der Erfindung verbessert werden,
um den Absolutvorrat in dem Reaktor aufrechtzuerhalten.
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Die
folgende Tabelle zeigt die zusammengefaßten Ergebnisse aus den 30
Läufen,
wobei "Drehzahl" die Geschwindigkeit
des Rührers
in Umdrehungen pro Minute, "Durchsatz" den Durchsatz von
Polymermaterial durch den Reaktor in Kilogramm pro Stunde (in Klammer:
1b pro Stunde), "Vorrat" den Vorrat in dem
Reaktor als Prozentsatz des verfügbaren
Gesamtvolumens des Reaktors, "Y-Kraft" die Messung der
in der Y-Radialrichtung auf die Welle des Reaktorrührers ausgeübten Kraft
in Newton (in Klammer: Ib·force)
und "Mittel" den Mittelwert aller
gemessenen Y-Werte für
jede der gezeigten Vorratshöhen
in dem Reaktor angibt. Für
die Umrechnung wurden 1 Ib = 0,4536 kg und 1 Ib force = 4,448 N
verwendet.
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Aus
den in der Tabelle zusammengefaßten
Versuchsläufen
geht hervor, daß Änderungen
der Y-Kraft, trotz
der Einflüsse
von Änderungen
der Rührergeschwindigkeit
oder des Durchsatzes, im allgemeinen Änderungen des Reaktorabsolutvorrats
entsprechen.
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Die
oben gezeigten Versuchsergebnisse beschreiben die Korrelation zwischen
dem Absolutvorrat eines Reaktors und der Y-Radialrichtungskraft
auf die Welle des diesen Vorrat beinhaltenden Reaktors. Mit dieser
Korrelation kann der Vorrat in einem derartigen Reaktor überwacht
und gesteuert werden.
