DE102009054284A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Prozesskontrolle bei der Schaumstoffproduktion mittels Gasphasen-Analyse - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Prozesssteuerung von Herstellungsanlagen für Schaumstoffe und Verbundprodukte, welche Schaumstoffe enthalten, insbesondere Schaumstoffe auf Polyurethan-Basis. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugehörige Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe einer kontinuierlich arbeitenden Analysevorrichtung die bei der Schaumbildung in der Nähe der Schaumoberfläche freigesetzten Gase und Dämpfe nach Art und Konzentration charakterisiert werden. Erfindungsgemäß wird die Korrelation zwischen den Analyseergebnissen der Gasphase an der Schaumoberfläche und den Qualitätsparametern des Schaumes ermittelt und damit die Einhaltung der Sollwerte mittels Regelalgorithmus für die Stellgrößen der Herstellungsanlage gewährleistet. Da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die bei der Schaumbildung maßgeblichen Prozesse erfasst werden, können jeweils diejenigen Betriebsparameter ermittelt werden, welche bei auftretenden Abweichungen von den Sollwerten vorzugsweise zu verändern sind.
Description
- 1. Stand der Technik
- Schaumstoffe werden als Konstruktion- und Isoliermaterial in vielen Bereichen der Haushaltsgeräte- und der Bau- und Fahrzeugindustrie eingesetzt. Dabei spielen organische Schaumstoffe, insbesondere auf Polyurethan-Basis, häufig in Verbindung mit verschiedenen Deckschichtmaterialien zur Herstellung von Verbundstoffen als Konstruktionsmaterial, eine hervorragende Rolle. Zur Herstellung der Schaumstoffe werden verschiedene Ausgangsmaterialien vermischt, wobei durch chemische Reaktionen zwischen den Komponenten diese bei gleichzeitiger Freisetzung von Gasen oder Dämpfen vernetzt werden. Im Ergebnis entsteht ein fester Schaum, dessen Eigenschaften durch die verwendeten Ausgangsmaterialien und die Prozessführung in weiten Grenzen variabel sind.
- Als Beispiel soll der Polyurethan-Hartschaumstoff dienen, welcher aus zwei flüssigen Hauptkomponenten – einem Polyol und Polyisocyanat – sowie einem Treibmittel hergestellt wird. Als Hilfsstoffe werden bei der Schaumherstellung Stabilisatoren und Flammschutzmittel zugesetzt. Bei der industriellen Schaumherstellung werden die genannten Komponenten getrennt der Fertigungszelle zugeführt, unmittelbar davor gemischt, wobei die Bedingungen, wie Dosierung der Komponenten, deren Temperatur und die Temperaturen der weiteren Bestandteile der Fertigung, z. B. der Deckschichten, genau einzuhalten sind. Die Ermittlung optimaler Betriebsparameter einer Schaumherstellungsanlage erfordert daher umfangreiche Versuche. Da der gesamte Fertigungsprozess sehr komplex ist, führen geringe Abweichungen von den Sollwerten zu Qualitätsminderungen mit hohen wirtschaftlichen Verlusten.
- Zur Kontrolle der für die Herstellungsanlage für Schaumstoffe einzuhaltenden Betriebsbedingungen sind verschiedene Verfahren bekannt. So ist ein Verfahren zur Konstanthaltung der Materialflüsse zum Reaktionsraum mit zusätzlicher Druckmessung beschrieben worden (
US 5 958 991 (A) ; „Open-loop method for producing a controlled blend of polyol and blowing agent for use in the manufacture of polyurethane foam”; 1999). Bei einer weiteren Vorrichtung kann die Schaumhöhe in einer kontinuierlichen Fertigungsanlage ständig gemessen und damit die Zuführung der Eingangskomponenten geregelt werden (DE 10 237 005 (A1) ; „Soft foam is produced by determining the height of the foam along an advancing line, comparing it to a reference value, and using the difference to control any adjustment”; 2004). Auch sind Vorrichtungen zur optischen Messung der Schaumexpansion bekannt (US 5 465 610 (A) ; „Device for the characterization of the foaming properties of a product which is at least partially soluable”; 1995 undRU 2 325 629 (C1) - Die oben genannten Vorrichtungen und Verfahren zur Prozesskontrolle bei der Schaumherstellung sind entweder darauf gerichtet die Herstellungsbedingungen über die Eingangsgrößen möglichst konstant zu halten, oder die Qualität des Schaumes nach der Erzeugung zu beurteilen. Die bei der Schaumbildung selbst ablaufenden Prozesse, welche sich auf die Schaumqualität auswirken können, werden nicht erfasst, wodurch Qualitätsabweichungen häufig zu spät erkannt werden.
- Es werden auch Geräte zur Probennahme der an Fertigungslinien für Schaumstoffe freigesetzten Gase, Dämpfe und Aerosole angeboten (Fa. Lear Siegler Australasia – „A complete sampling system for simultaneous collection of particulate and airborne organic vapours”). Die freigesetzten Substanzen werden in diesen Geräten auf Adsorbentien oder Filtern über einen Zeitraum gesammelt und können anschließend analysiert werden, um mögliche Umweltbelastungen beurteilen zu können. Ein ähnliches System zum Nachweis toxischer Gase, welche bei der Polyurethan-Schaumherstellung entstehen, wird von der Fa. New Star Environmental, Inc. (3293 Ashburton Chase NE; Roswell, Georgia. 30075; „PolyUrethane Foam (PUF) Sampler”) angeboten. Ein Online-Betrieb für eine Prozesssteuerung ist mit diesen Probennahmegeräten nicht möglich.
- Die bekannten technischen Lösungen zur Prozesssteuerung von Herstellungsanlagen für Schaumstoffe erfassen nicht die bei der Schaumbildung relevanten Vorgänge und sind deshalb nicht ausreichend, um die Veränderung der Eigenschaften des Schaumes schnell zu erkennen und die zur Erreichung der Sollwerte geeigneten Stellgrößen zu ermitteln.
- 2. Aufgabenstellung
- Zur Prozesssteuerung von Anlagen zur Herstellung von Schaumstoffen, insbesondere organischen, auf der Basis von Polyurethan, sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zu beschreiben, mit dem prozessbestimmende Parameter mit minimaler Zeitverzögerung erfasst werden können. Die gemessenen Parameter sollen geeignet sein, Qualitätsabweichungen des Schaumes frühzeitig zu erkennen und die zur Korrektur geeigneten Stellgrößen des Herstellungsverfahrens zu definieren. Mit einer derartigen Prozesssteuerung soll die Ermittlung der optimalen Betriebsparameter während der Inbetriebnahme erleichtert und eine gleichmäßige Qualität während des Betriebes der Anlage gewährleistet werden.
- 3. Erfindungsbeschreibung
- Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet die quantitative Erfassung der während der Schaumerzeugung freigesetzten Gase und Dämpfe. Letztere setzen sich aus den chemischen Reaktionsprodukten, wie z. B. Kohlendioxid, und nicht im Schaum eingeschlossenen eingetragenen Stoffen, wie z. B. Treibmittel, zusammen. Bisher war nicht bekannt, ob die freigesetzten Gase und Dämpfe, abgesehen von ihrer Gesundheitsschädlichkeit, für den Schäumungsprozess relevant sein können. Untersuchungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung haben jedoch gezeigt, dass eine Analyse der bei der Schaumherstellung freigesetzten Gase und Dämpfe stark veränderliche Molekülkonzentrationen nachweist, welche sowohl für das eingesetzte chemische System, als auch für den jeweiligen Prozessablauf charakteristisch sind. Das trifft beispielsweise auf die Massenspektren zu, welche aus der Gasphase bei der Schaumbildung erhalten wurden. Im Massenbereich zwischen 1 und 80 amu (Masseneinheiten) sind (bei Einheitsauflösung mit einem Quadrupol-Massenspektrometer) mehr als 20 verschiedene Spezies zusätzlich zu den Bestandteilen der Luft zu beobachten. Da sich die Konzentrationen dieser zusätzlichen Massen je nach Prozessphase um Größenordnungen unterscheiden können, liefert jedes Schaumsystem (sogenannte „Formulierung”) eine spezifische Verteilung, welche zur Charakterisierung des Betriebszustandes der Herstellungsanlage geeignet ist. Eine Ausführungsform der Erfindung benutzt als Eingang eines Massenspektrometers eine Kapillare, wobei über eine Rohrleitung mithilfe einer Pumpe das Gas aus dem Reaktionsraum der Kapillare zugeführt wird. Das Massenspektrum wird kontinuierlich auf den relevanten Massen erfasst und die Abweichungen von dem dem Sollwert der Anlage entsprechenden Spektrum berechnet. Unter Nutzung der für die Anlage erstellten Korrelation zwischen den Massenspektren und den Betriebsbedingungen werden die erforderlichen Justierungen der Stellgrößen der Anlage berechnet und realisiert. Die Messung, Auswertung und Ausgabe der Korrekturwerte erfolgt in wenigen Sekunden und ist damit für die Prozesssteuerung geeignet.
- Eine andere Ausgestaltung der Erfindung benutzt anstelle des Massenspektrometers ein Infrarot-Absorptionsspektrometer, zweckmäßigerweise mit einem durchstimmbaren Laser als Strahlungsquelle. Bei dieser Variante werden die für die Moleküle aus dem Reaktionsraum charakteristischen Absorptionslinien und deren Absorptionskoeffizienten ausgewertet. Die Messung kann bei Atmosphärendruck in einer Messzelle erfolgen, welche über eine Rohrleitung mit Pumpe mit dem Reaktionsraum verbunden ist.
- Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Messung in der Gasphase über dem Schaum im Reaktionsraum durchgeführt. Dazu wird der Reaktionsraum außerhalb des vom Schaum erfüllten Volumens mit einem durchstimmbaren Infrarot-Laser durchstrahlt. Die weiteren Schritte des Verfahrens stimmen mit den vorherigen Ausgestaltungen überein.
- 4. Ausführungsbeispiel
- Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel, welches sich auf ein Massenspektrometer als Analysegerät bezieht, näher erläutert werden. In
- Aus dem noch nicht vom Schaum ausgefüllten Bereich zwischen oberer und unterer Deckschicht wird das Gasgemisch über ein Rohr abgesaugt. Das Gasgemisch aus dem Reaktionsraum gelangt dann durch ein Feinfilter zur Abtrennung von Aerosolen über eine zur Druckminderung eingesetzte Kapillare in ein Massenspektrometer. Das zwischen Pumpe 1 und Kapillare eingebrachte Ventil gewährleistet einen geringen Überdruck gegenüber der Atmosphäre. Damit kann der Durchsatz von Pumpe 1 ausreichend hoch gewählt werden, so dass die Laufzeit des Gases vom Reaktionsraum bis zum Eingang der Kapillare vernachlässigbar wird.
-
- Auftretende Abweichungen der gemessenen Massenspektren von den Sollwerten führen über die Korrelationsmatrix zu Änderungen der Stellgrößen zur Regelung der Anlage.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- US 5958991 A [0003]
- DE 10237005 A1 [0003]
- US 5465610 A [0003]
- RU 2325629 C1 [0003]
Claims (6)
- Vorrichtung zur zeitnahen Prozesskontrolle und -Steuerung einer Produktionsanlage zur Herstellung von Schaumstoffen und Verbundprodukten, welche Schaumstoffe enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Aufschäumungsphase auftretenden gas- und dampfförmigen Bestandteile in der Nähe der Schaumoberfläche mit einem Analysengerät charakterisiert werden, die Korrelation zwischen den charakteristischen Merkmalen der genannten Bestandteile und den Betriebsparametern der Produktionsanlage ermittelt wird und mithilfe eines Steuergerätes Stellgrößen für die Einhaltung vorgegebener Qualitätseigenschaften des erzeugten Schaumes bereitgestellt werden.
- Vorrichtung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die während der Aufschäumungsphase auftretenden gas- und dampfförmigen Bestandteile über eine Rohrverbindung einem Massenspektrometer zugeführt werden.
- Vorrichtung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die während der Aufschäumungsphase auftretenden gas- und dampfförmigen Bestandteile über eine Rohrverbindung einer Messzelle mit einem Infrarot-Absorptionsspektrometer zugeführt werden und das Absorptionsspektrum gemessen wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die während der Aufschäumungsphase auftretenden gas- und dampfförmigen Bestandteile im an die Schaumoberfläche angrenzenden Volumen von einem durchstimmbaren Infrarotlaser durchstrahlt und das Absorptionsspektrum gemessen wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation zwischen den charakteristischen Merkmalen der in der Aufschäumungsphase freigesetzten Gase und Dämpfe und den Betriebsparametern der Anlage in einem auf dem Steuergerät implementierten Rechenprogramm, insbesondere einem neuronalen Netz, gespeichert und von diesem mithilfe aktueller Analysendaten die Stellgrößen, welche zur Qualitätssicherung erforderlich sind, berechnet und an die Anlage übergeben werden.
- Verfahren zur zeitnahen Prozesskontrolle und -Steuerung einer Produktionsanlage zur Herstellung von Schaumstoffen und Verbundprodukten, welche Schaumstoffe enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Aufschäumungsphase auftretenden gas- und dampfförmigen Bestandteile in der Nähe der Schaumoberfläche analysiert werden, die Korrelation zwischen den charakteristischen Merkmalen der genannten Bestandteile und den Betriebsparametern der Produktionsanalage ermittelt wird und Stellgrößen für die Einhaltung vorgegebener Qualitätseigenschaften des erzeugten Schaumes bereitgestellt werden.
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