DE3126552A1 - "verfahren zur steuerung von ruehrprozessen" - Google Patents

"verfahren zur steuerung von ruehrprozessen"

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Description

PATENTANWÄLTE
Dipl.-lng. MAX BUNKE
Dipl.-Chem. Dr. HOLGER BUNKE
Dipl.-Phys. HARTMUT DEGWERT
JOHANNES-SCHARRER-STRASSE 13 · D-BCK)O MÜNCHEN 21
München, den 3.JuIi 1981 P 5025
Verfahren zur Steuerung von Rührprozessen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Rührprozessen, insbesondere ein Verfahren zur Regelung der von einem Rührwerk in einem Rührbehälter aufgenommenen Leistung unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweiligen Rührgutes, ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität eines Rührgutes in einem Rührbehälter, dessen Rührwerk bei einer gegebenen Drehzahl ein von der Viskosität des Rührgutes abhängiges Drehmoment abgibt, sowie ein Verfahren zur Steuerung der Rührparameter eines Rührprozesses in einem mit einem Rührwerk ausgestatteten Rührbehälter mittels einer elektronischen Datenverarbeitungseinr ichtung.
In praktisch allen Bereichen der chemischen Industrie finden zur Herstellung von chemischen Produkten Rührprozesse Anwendung. Diese Rührprozesse, die mehrere Stunden oder auch Tage dauern können, erfordern einen erheblichen Aufwand an Energie sowohl für den Rührwerksantrieb als auch für die Zufuhr von Wärme oder Kühlung des Rührgutes bei exothermen Prozessen, Die für den Rührwerksantrieb benötigte Leistung hängt einerseits von der Drehzahl des Rührwerks und andererseits von der Viskosität des Rührgutes ab0 Die Viskosität des Rührgutes ändert sich aber während der verschiedenen Rührphasen des Rührprozesses. Nur wenn bei einer gegebenen Viskosität des Rührgutes das Rührwerk mit einer bestimmten Mindestdrehzahl arbeitete bleibt der Rührprozeß aufrechterhalten.
Die Steuerung von Rührprozessen erfolgt üblicherweise durch zeitabhängige Programmschaltungen„ Die für die Aufrechterhaltung des Prozesses erforderliche Energiezufuhr, insbesondere die Rührwerks leistung.·, wird nach' einem durch Erfahrung gewonnenen Zeitprogramm'gesteuert ο Da man hierbei im wesentlichen auf Durchschnittswerte zurückgreifen muß und einen ausreichenden Sicherheitsabstand zu der Mindestleistung einhalten muß, die für die Aufrechterhaltung des Rührprozesses erforderlich ist, kann eine derartige Steuerung keinen optimalen Energieeinsatz bewirken« Wenn die Rührprozesse mit konstanter Drehzahl des Rührwerks durchgeführt werden, muß die Drehzahl so ausgelegt werden, daß sie den ungünstigsten Verhältnissen genügt, also der zu einem Zeitpunkt des Rührprozesses benötigten höchsten Leistung oder möglicherweise zu einem anderen Zeitpunkt notwendigen höchsten Drehzahl entspricht. Dies ist nicht nur von Nachteil, weil während des größten Teils des Rührprozesses das Rührwerk mit unnötig hoher Leistungsaufnahme arbeitet, sondern darüber hinaus muß das Rührwerk bzw. dessen Antriebsmotor und Getriebeeinheit für eine relativ hohe Dauerbelastung ausgelegt werden, wodurch der Material- und Konstruktionsaufwand sowie diesen Herstellungskosten erhöht werden.
— fj —
Aufgabe der Erfindung ist insbesondere die Schaffung eines Verfahrens zur Steuerung von Rührprozessen, durch das die vorstehend dargelegten Mangel behoben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere eine wesentliche Linsparung der dem Rührwerk im Verlauf eines Rührprozesses zugeführten Antriebsenergie ermöglichen, indem die Drehzahl des Rührwerks so gesteuert wird, daß der Rührwerksantrieb gerade nur diejenige optimale Leistung abgibt, die erforderlich ist, um den Rührprozeß noch in Gang zu hüiten. Ferner soll eine automatische Steuerung sämtlicher Rührparameter bei optimierter Gesamtleistungsaufnahme im Verlauf des Rührprozest;es erreicht werden.
Da^ erfindungsgeniäße Verfahren zur Regelung der von dem Rührwerk, in dem Rührbehälter aufgenommenen Leistung unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweiligen Rührgutes ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst für da., jeweilige Rührgut empirisch die optimale Leistungsaufnahme des Rührwerks ermittelt wird, die bei einem gegebenen Viskositätswert des Rührgutes, der von der jeweiligen Rührphase abhängt, die Aufrechterhaltung des in der jeweiligen Rührphase ablaufenden Rührprozesses bei minimalem Energieaufwand gewährleistet. Ferner wird im Verlauf des gesamten Rührprozesses die Viskosität des Rührgutes laufend ermittelt. Die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Rührwerks wird dann aufgrund der jeweils bestimmten Viskositätswerte des Rührgutes nachgeregelt, bis die von dem Rührwerk aufgenommene Leistung der empirisch ermittelten optimalen Leistungsaufnahme entspricht. Die Erfindung beruht also auf dei.i Gedanken,daß die Drehzahl des Rührwerks in Abhängigkeit von der gerade vorhandenen Viskosität des Rührgutes so geregelt wird, daß sie gerade noch ausreicht, um den Rührprozeß in Gang zu halten.
Die laufende Bestimmung der Viskosität des Rührgutes ist zwar grundsätzlich möglich, mit vorhandenen Einrichtungen jedoch schwierig, und darüber hinaus sind übliche Viskositäts-
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meßeinrichtungen sehr aufwendig. Die Erfindung schafft daher ferner ein Verfahren zur laufenden Bestimmung der Viskosität des Rührgutes in einem Rührbehälter im Verlauf des Rührprozesses, das die Verwendung herkömmlicher Viskositätsmeßeinrichtungen überflüssig macht. Das erfindungsgemäße Verfahren zur laufenden Viskositätsmessung des Rührgutes ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
a) die Reynoldzahl des Rührgutes wird berechnet aus
- den für die Dimensionierung des Rührwerks charakteristischen Werten;
- dem spezifischen Gewicht des Rührgutes;
- der gemessenen Drehzahl des Rührwerks; und
- einem nach Erfahrungswerten geschätzten, angenäherten Wert der Viskosität;
b) die zu der berechneten Reynoldzahl gehörende, aufgrund empirischer Untersuchungen bekannte Nusseltzahl wird ermittelt;
c) aus der so ermittelten Nusseltzahl, der Drehzahl des Rührwerks, dem spezifischen Gewicht des Rührgutes und den für die Dimensionierung des Rührwerks charakteristischen Werten wird das zugehörige theoretische Drehmoment errechnet;
d) das theoretische Drehmoment wird mit dem gemessenen tatsächlichen Drehmoment des Rührwerks verglichen;
e) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlich gemessenen Drehmoment wird der geschätzte, angenäherte Wert der Viskosität korrigiert; und
f) die Berechnungen nach den Verfahrensschritten a) bis e) werden aufgrund der jeweils korrigierten Werte der Viskosität
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wiederholt, bis die Differenz zwischen dem theoretischen und dan tatsächlich gemessenen Drehmoment kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also die laufende Bestimmung der Viskosität des Rührgutes im Verlauf des Rührprozesses allein aufgrund der gemessenen Drehzahl des Rührr werks und des Drehmoments, mit dem das Rührwerk angetrieben wird, sowie aufgrund des leicht zu ermittelnden spezifischen Gewichtes des Rührgutes und aufgrund der durch empirische Unte: suchungen bekannten Abhängigkeit der Reynoldzahl von der Nüsse zahl. Die erforderlichen Berechnungen im Verlauf einer nach de: erfindungsgemäßen Verfahren erfolgenden laufenden Viskositätsbestimmung durch sukzessive Approximation können leicht mittel einer geeigneten Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden. Besonders geeignet sind Mikroprozessor- bzw. Mikrocomputersysteme, die zusätzlich zur laufenden Berechnung der Viskosität des Rührguges sämtliche weiteren Steuer- und Überwachungsfunktionen des Rührsystems übernehmen können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung der Rührparameter eines Rührprozesses mittels einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung geschaffen, welches erfinduncj:. gemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rührparameter, insbesondere Zusammensetzung des Rührgutes sowie Temperatur und Druck in dem Rührbehälter, zu Anfang des Rührprozesses über eine Dateneingabestation in die Datenverarbeitungseinrichtung eingegeben werden; die Datenverarboitungseinrichtung in Abhängigkeit von den eingegebenen Daten Ei richtungen steuert, welche die Rührparameter bestimmen, insbesondere Einlaßventile zur Beschickung des Rührbehälters mit den Rührgutkomponenten, Heizeinrichtung des Rührbehälters und Druckregelung; die Datenverarbeitungseinrichtung unter Berücksichtigung der Rührparameter aus der gemessenen Drehzahl des Rührwerks und dem von diesem abgegebenen Drehmoment unter Ausnutzung der empirisch ermittelten Abhängigkeit zwischen Reynoldzahl und Nusseltzahl die Viskosität des Rührgutes laufend
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während der verschiedenen Rührphasen berechnet? und in Abhängigkeit von der berechneten Viskosität des Rührgutes das Drehmoment bzw. die Drehzahl des Rührwerks so geregelt wird, daß die Leistungsaufnahme des Rührwerks gleich einer empirisch ermittelten optimalen Leistungsaufnahme ist, bei der für den berechneten Viskositätswert die Aufrechterhaltung des ablaufenden Rührprozesses noch gewährleistet ist„
Dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die automatische Steuerung des gesamten Rührpro:-·esses, beginnend mit der Eingabe der Rührgutzusammensetzung an einer Eingabestation der Datenverarbeitungseinrichtung, ZoBo über eine Tastatur, bis zum Ende des Rührprozesses, das erreicht ist, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne abgelaufen ist oder wenn sich ein bestimmter Sollwert der Viskosität des Rührgutes eingestellt hat.
Im Verlauf des gesamten Rührprozesses nimmt die Datenverarbeitungseinrichtung neben den ihr zugewiesenen Steuerfunktionen sämtliche Überwachungsfunktionen wahr, die einen sicheren Betrieb des Rührsystems gewährleisten«
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Rührsysteniü, das zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist, mit im senkrechten Axialschnitt sowie in Draufsicht gezeigtem Rührbehälter?
Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Unterprogramms zur Berechnung der Viskosität des Rührgutes über sukzessive Approximation; und
BADORlGtNAL
-..'■''Υ'ι J I Ό J. 312655;
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines kompletten Steuerprogramms zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der in Fig. 1 schematisch im senkrechten Axialschnitt und in Draufsicht gezeigte allgemein zylindrische Rührbehälter 10 weist ein Rührwerk mit koaxialer Rührwerkswelle 12 und an dieser im Abstand voneinander angeordneten Rührschaufeln 14 auf. Die Rührwerkswelle 12 wird an ihrem oberen Ende von einem Rührwerksantrieb 16 angetrieben, der in ein Gehäuse 18 eingebaut ist und außer dem Antriebsmotor ein Getriebe umfaßt. Die Rührwerkswelle 12 ist in einem Hauptlager 20 am oberen Ende des Rührbehälters 10 drehbar gelagert. Auch das Gehäuse 18 ist an dem Rührbehälter 10 drehbar gelagert. Es weist einen radial nach außen abstehenden Arm 22 auf, der sich auf einer von zwei einander gegenüber angeordneten Druckmeßdosen 24, 26 abstützt, die starr mit dem Rührbehälter 10 verbunden sind. Durch die Druckmeßdosen 24, 26 kann das von dem Rührwerksantrieb an die Rührwerkswelle abgegebene Drehmoment in beiden Drehrichtungen gemessen werden.
Der Rührbehälter 10 weist an seiner Oberseite zwei Einlaßstutze 28, 30 auf, die verschieden großen Querschnitt aufweisen. Vor den Einlaßstutzen 28, 30 ist jeweils ein Einlaßventil 32 bzw. 34 angeordnet. Die Einlaßventile 32, 34 sind mit einem geeigneten Antrieb für eine automatische Fernbetätigung versehen. An der Unterseite des Rührbehälters 10 befindet sich ein Auslaßstutzen 36, an den ein ebenfalls automatisch fernbetätigbares Auslaßventil 38 angeflanscht ist.
Der Rührbehälter 10 ist über den größten Teil seiner Höhe von einem Heizmantel 40 umgeben. Die Temperatur im Inneren des Rührbehälters 10 wird durch ein Thermometer 4 2 überwacht, das an der Unterseite des Rührbehälters angeordnet ist und den Heizmantel 40 durchdringt. Oberhalb des Heizmantels 40 ist ferner an der Außenwand des Rührbehälters 10 ein Füllstandsmelder 44 angeordnet.
Zur Steuerung des Rührprozesses ist eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung 46 vorgesehen, die in Fig. 1 nur scheinatisch als Gehäuse mit einer Digitalanzeige und mit einer Eingabetastatur dargestellt ist» Die Datenverarbeitungseinrichtung 46 ist über eine Vielzahl von Leitungen mit den Druckmeßdosen 24c 26, den Ventilen 32, 34, dem Rührwerksantrieb 16, dem Füllstandsmelder 44, dem Heizmantel 40, dem Thermometer 42 und dem Auslaßventil 38 verbunden» Sie steuert die Betätigung der Ein- und Auslaßventile, der durch den Heizmantel gebildeten Heizung sowie der Drehzahl des Rührwerksantriebs 16 aufgrund eines in ihrem Programmspeicher gespeicherten Programms, das neben diesen Steuerfunktionen auch die fortwährende überwachung aller für den Rührprozeß wichtigen Betriebswerte gewährleistet. Die Arbeitsweise des in Fig. 1 schematisch dargestellten Rührsystems wird weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 3 ausführlich erläutert werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird zunächst ein Unterprogramm des in Fig. 3 gezeigten vollständigen Steuerprogramms für die Durchführung eines vollständigen RührprO2"sses erläutert.
Das in Fig. 2 gezeigte Unterprogramm ermöglicht die laufende Ermittlung der Viskosität des Rührgutes in dem Rührbehälter aufgrund der Messung des von dom Rührwerktantrieb an die Rührwerkswelle abgegebenen Drehmomentes sowie der Drehzahl des Rührwerks, die vorzugsweise fotoelektrisch mittels einer an der Rührwerkswelle 12 befestigten Schlitz- oder Lochscheibe und einer an der Behälterwand befestigten, mit dieser Scheibe zusammenwirkenden Fotodetektoranordnung gemessen wird. Das in Fig. 2 gezeigte Unterprogramm dient zur Berechnung der Viskosität des Rührgutes nach einem Verfahren der sukzessiven Approximation. Dieser Berechnung werden allgemein bekannte physikalische Gesetzte zugrunde gelegt, aus denen sich die Abhängigkeit der Viskosität des !Yührgutes von den einzelnen Rührparametern ergibt. Die Viskosität η ist eine Funktion der Drehzahl n des
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Rührwerks, der Nusseltzahl Ne, der Reynoldzahl Re, des Rührwerksdrehmoments Md, des Durchmessers d des Rührorgans und dem spezifischen Gewicht g des Rührgutes. Es gilt also:
η = F(n, Ne, Re, Md, d, o).
Hierin ist die Reynoldzahl wiederum eine Funktion der Nusseltzahl. Es gilt:
R = F (Ne) .
Die obigen Beziehungen zeigen, daß die Viskosität des Rührgutes aus der Drehzahl des Rührwerks und seinem Drehmoment nicht unmittelbar errechnet werden kann. Vielmehr müssen zusätzlich die Reynoldzahl und die Nusseltzahl für die im Rührwerk gegebenen Verhältnisse bekannt sein. Ist die Reynoldzahl bekannt, so kann die zugehörige Nusseltzahl nur empirisch ermittelt werden. Die Abhängigkeit der Reynoldzahl von der Nusseltzahl ist nämlich eine komplizierte Beziehung, die in der Praxis für gegebene Rührwerksverhältnisse nur empirisch ermittelt und in Diagrammen festgehalten werden kann. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besLeht darin, daß diese Beziehung zwischen der Reynoldzahl und der Nusseltzahl für die gegebenen Rührwerksverhältnisse empirisch ermittelt wird und in einem Datenspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung abgespeichert wird. Bei bekannter Reynoldzahl steht also für jede Viskositätsberechnung unmittelbar die zugehörige Nusseltzahl zur Verfügung.
Um nun die Reynoldzahl zu gewinnen, wird zunächst aufgrund von Erfahrungswerten ein geschätzter ungefährer Anfangswert der Viskosität in die Datenverarbeitungseinrichtung eingegeber z.B. mittels einor Tastatur oder einer anderen Dateneingabestation. Dies ist in Fig. 2 als Anfangsschritt 100 des Unterprogramms dargestellt. In den darauffolgenden Schritten 102 und 104 werden die Drehzahl n des Rührwerks und sein Drehmomen
Md gemessen. Da del" Rührorgandurchmesser d und die Viskosität des Rührgutes für einen gegebenen Rührprozeß vorbekannt sind, kann nun nach folgender Beziehung die Reynoldzahl Re gemessen werden;
• 60«η '
Darin ist η der geschätzte ungefähre Anfangswert der Viskosität, und der Faktor 60 beruht auf der Angabe der Drehzahl n in Umdrehungen/Minute.
Die Berechnung der Reynoldzahl Re ist in Fig„ 2 als Unterprogrammschritt 106 angegeben= Anschließend an die Berechnung der Reynoldzahl Re erfolgt die Bestimmung der Nusseltzahl Ne im Schritt 108. ·
Aus der Nusseltzahl wiederum läßt sich durch Anwendung bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten ein zugehöriges Drehmoment Md^des Rührwerks nach folgender Beziehung berechnen: κ
MdR= -2^2 . Ne
Diese Berechnung ist in Fig„ 2 als Unterprogrammschritt 110 eingezeichnet» In dem darauffolgenden Programmschritt 112 wird dann geprüft, ob das so berechnete Drehmoment MdR mit dem im Schritt 104 gemessenen tatsächlichen Drehmoment Md des Rührwerks übereinstimmt. Dies wird im allgemeinen aufgrund der groben Schätzung des im Schritt 100 eingegebenen Anfangswertes der Viskosität nicht; der Fall sein, und dann wird im Schritt 114 der angenommene Anfangswert der Viskosität um einen Schritt vorbestimmter Größe im geeigneten Sinne korrigiert. Das Unterprogramm kehrt dann zum Schritt 104 zurück und durchläuft erneut die Schritte 104 bis 112, und zwar so oft, bis die in diesem Schritt 112 erfolgende Prüfung die Übereinstimmung des gemessenen Drehmomentwertes Md mit dem
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berechneten Drehmomentwert MdR ergibt. Die bei der unmittelbar vorausgehenden Berechnung des Drehmomentes MdR vorgegebene Anfangsgröße der Viskosität stimmt dann mit dem tatsächlichen Wert der Viskosität des Rührgutes überein. Die Viskosität η des Rührgutes ist also gefunden und kann im Schritt 116 auf einer Anzeigetafel angezeigt werden und gleichzeitig oder alternativ in einem Arbeitsregister der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert werden, um für die Regelung der optimalen Drehzahl n des Rührwerks in dem in Fig. 3 gezeigten Steuerprogramm herangezogen zu werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der Rührparameter eines Rührprozesses mittels der elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung beschrieben.
Die Datenverarbeitungseinrichtung enthält vorzugsweise einen Mikroprozessor/ einen Arbeitsspeicher, einen Datenspeicher und einen Programmspeicher, der einen Festprogrammspeicherteil und einen programmierbaren Programmspeicherteil umfaßt. In dem Festprogrammspeicherteil sind diejenigen Steuer- und Überwachungsfunktionen gespeichert, die für jeden Rührprozeß erforderlich sind, während in dem programmierbaren Programmspeicherteil spezifische Programmschritte gespeichert sind, die dem verwendeten Rührwerk, den individuellen Rührparametern usw. angepaßt sind. Zu Anfang eines Rührprozesses können die individuellen Rührparameter über eine Eingabetastatur, über eine Programmkarte o.dgl. in den programmierbaren Programmspeicherteil eingegeben werden.
Das Verfahren beginnt mit dem in Fig. 3 gezeigten Startschritt 200, woraufhin im Schritt 202 geprüft wird, ob das zuvor eingegebene Rührprogramm wiederholt werden soll. Wenn das Programr nicht wiederholt werden soll, werden im Schritt 204 die neuen Rührparameter eingegeben, also ,insbesondere Zusammensetzung des Rührgutes, Temperaturverlauf während des gesamten Rührpro-
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zesses, Dauer des Rührprozesses oder vorgegebene Endviskosität des Rührgutes, Druckverhältnisse im Inneren des Rührbehälters usw. Wenn hingegen eine Programmwiederholung erfolgen soll, so wird der Programmschritt 204 überbrückt. Im Schritt 206 wird dann geprüft, ob der gesamte Rührprozeß automatisch ablaufen soll. Wenn nicht, werden im Schritt 208 die erforderlichen Steuerfunktionen manuell eingestellt. Wenn automatische Arbeitsweise gewünscht wird, wird im Schritt 210 der Rührprozeß in Gang gesetzt. Im Schritt 212 wird dann aus der im Schritt 204 eingegebenen Zusammensetzung des Rührgutes das spezifische Gewicht g desselben berechnet. An den Schritt 212 schließt sich nun als Programmschritt 214 das in Fig. 2 yezeigte Unterprogramm mit den Unterprogrammschritten 100 bis 116 an, d.h. es wird d.U; Viskosität η des Rührgutes gemessen. Dannwird im Schritt 216 aus dem Datenspeicher derjenige Drel.nomentwert Md ,, geholt/ der dem berechneten Viskositätswert η entspricht. Der Sollwert Mdc ,, des Rührwerkdrehmomentes ist derjenige Wert, der zur Aufrechterhaltung des Rührprozesses bei minimalem Energieverbrauch des Rührwerksantriebs erforderlich ist. Die Abhängigkeit dieses Drehmomentsollwertes von den verschiedenen Viskositätswerten wurde zuvor empirisch ermittelt und in dem Datenspeicher abgespeicherte Diese Abhängigkeit ist für alle Rührprozesse dieselbe und braucht daher nur einmal ermittelt zu werden. Im Schritt 218 wird dann geprüft, ob das gemessene Drehmoment Md mit dem Sollwert M(3 oll des Drehmoments übereinstimmt. Bei Übereinstimmung ist eine Nachregelung des Rührwerks nicht erforderlich. Wenn keine Übereinstimmung vorhanden ist, wird im Schritt 220 die Drehzahl n des Rührwerks im geeigneten Sinne um einen vorbestimmten Schritt nachgeregelto Durch die Nachregelung der Drehzahl erhöht oder erniedrigt sich das Drehmoment des Rührwerks, je nachdem, ob die Drehzahl erhöht oder erniedrigt wurde. Anschließend an die Nachregelung der Drehzahl des Rührwerks wird dann zunächst erneut wieder die Viskosität η berechnt, und das zugehörige Solldrehmoment wird aus dem Datenspeicher geholt und dann im Schritt 218 erneut mit dem
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gemessenen Drehmoment verglichen. Die Nachregelung der Drehzahl erfolgt in der aus den Schritten 214 bis 220 gebildeten Programmschlaufe so lange/ bis im Schritt 218 Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Drehmoment und dem Solldrehmoiuent des Rührwerks ermittelt wird. In diesem Zustand arbeitet das Rührsystem mit minimalem Energieverbrauch des Rührwerks, bei dem eine Aufrechterhaltung des Rührprozesses gerade noch gewährleistet ist. Das Rührwerk arbeitet also während des gesamten Rührprozesses mit optimaler Leistungsaufnahme, wodurch z.B. gegenüber Betrieb mit konstanter Drehzahl Einsparungen in der Größenordnung von bis zu 40% erreicht werden können. Ferner kann das gesamte Rührsystem für eine wesentlich niedrige Dauer belastung ausgelegt werden.
Nachdem im Schritt 218 Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Drehmoment und dein Solldrehmoment des Rührwerks ermittelt wurdi wird im Schritt 222 geprüft, ob eine programmgesteuerte automatische Temperaturumschaltung stattfinden soll. Ggf. wird dann im Schritt 224 geprüft, ob der im Schritt 214 berechnete Viskositätswert ein solcher ist, bei dem eine Tomperaturum schaltung im Rührprogram vorgesehen ist. Ggf. wird dann im Schritt 226 die Temperatur entsprechend dem im Rührprozeß vorgesehenen Temperatursprung nachgeregelt, woraufhin das Programr zum Schritt 214 zurückkehrt. Ist eine automatische Temperaturumschaltung aber nicht vorgesehen, oder ist der en-xttelte Viskositätswert kein solcher, an dem eine Temperaturumschaltunc vorgenommen werden soll, so wird im Schritt 228 geprüft, ob der Rührprozeß dadurch beendet werden soll, daß der Viskosität= wert des Rührgutes einen vorbestimmten Wert Hfert:j erreicht hat. Wenn dies nicht der Fall ist, wird im Schritt 230 geprüft, ob der Rührprozeß durch Ablauf einer vorbestimmten Rührdauer beendet werden soll. Bei Ablauf;der vorgesehenen Rührprozeßdauer wird im Schritt 232 der Rührprozeß beendet. Ist die vorgesehene Rührprozeßdauer nicht abgelaufen, so kehrt das Programm zum Schritt 214 zurück'! Wenn die Prüfung im Schritt 228 ergeben hat, daß der Rührprozeß beendet v/erden soll, wenn
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der vorgesehene Endwert t\g&t±.± erreicht ist, so wird im Schritt 234 geprüft, ,ob der im Schritt 214 festgestellte Viskositätswert mit dem angestrebten Endwert nfert-;CT übereinstimmt. Ist dies der Fall? so geht das Programm zu dem bereits erwähnten Endschritt 232 über,, Ist der Viskositätsendwert aber nicht erreicht, so werden im Schritt 236 verschiedene überwachungsfunktionen des Rührsystems ausgeführt« Nach Beendigung der Überwachungsfunktionen kehrt das Programm zum Schritt 214 zurück.
Die in Fig. 3 gezeigten Programmschritte 204, 210, 212, 214, ■216, 220, 226, 232 und 236 sind Unterprogramme, von denen nur eines, nämlich der Prbgrammschritt 214, im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig« 2 erläutert wurde,
Im Programmschritt bzw» Unterprogramm 204 wird z. B. die Tastatur der Datenverarbeitungseinrichtung abgefragt, oder es werden geeignete Programmträger ausgelesen» Die ausgelesenen Daten werden dann in den Arbeitsspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung übernommen.
Im Programmschritt bzw. Unterprogramm 210 v/erden alle Steuerfunktionen ausgeführt, die für die Ingangsetzung des Rührprozesses erforderlich sind. Insbesondere werden die Einlaßventile 32, 34 gesteuert, um den Rührwerkbehälter 10 mit den gewünschten Rührgutkomponenten zu beschicken. Ferner werden die in dem Heizmantel 40 vorgesehene Heizeinrichtung und dai> Rührwerk in geeigneter Weise angesteuert.
Im Programmschritt bzw. Unterprogramm 212 wird aus der im Schritt 204 eingegebenen Zusammensetzung der Rührbehälterfüllung das durchschnittliche spezifische Gewicht des Rührgutes berechnet, und das Ergebnis wird abgespeichert, um für den gesamten Rührprozeß verfügbar zu bleiben.
Besonderheiten weist auch der Programmschritt bzw. dv.s Unterprogramm 236 auf. In ihm werden die Signale des Thermometers 4 und des Füllstandsmelders 44 sowie weitere Signale überwacht, welche für die Betriebssicherheit des Rührsystems von Bedeutung sind, insbesondere der Sperrdruck des Rührwerkslagers 20, die Temperatur dieses Rührwerkslagers und die Stromaufnahme des Rührwerksantriebs. Deutet eines der überwachten Signale auf eine Bei -iebsstörung hin, so kann das Rührsystem automat is angehalten werden, um Abhilfe zu schaffen.
BAD ORJGlNA!

Claims (15)

  1. PATENTANWÄLTE
    Dipl.-Ing. MAX BUNKE
    Dipl.-Chem. Dr. HOLGER BUNKE
    Dipl.-Phys. HARTMUT DEGWERT
    JOHANNES-SCHARRER-STRASSE 13 · D-BOOO MÜNCHEN 21
    München,, den 3 ο Juli 1981 P 5025
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zur Regelung der von einem Rührwerk in einem Rührbehälter aufgenommenen Leistung unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweiligen Rührgutes, dadurch gekennzeichnet, daß;
    - für das jeweilige Rührgut empirisch die optimale Leistungsaufnahme des Rührwerks ermittelt wird, die bei einem gegebenen Viskositätswert des Ruhrgutes, der von der jeweiligen Rührphase abhängt, eine Aufrechterhaltung des in der jeweiligen Rührphase ablaufenden Rührprozesses bei minimalem Energieaufwand gewährleistet; .
    - die Viskosität des Rührgutes fortlaufend während der verschiedenen Rührphasen bestimmt wird;
    - die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Rührwerks aufgrund des jeweils bestimmten Viskositätswertes des Rührgutes nachgeregelt wird, bis die von dem Rührwerk aufgenommene Leistung der empirisch ermittelten optimalen Leistungsaufnahme entspricht.
  2. 2. Verfahren zur Bestimmung der Viskosität eines Rührgutes in einem Rührbehälter/ dessen Rührwerk bei einer gegebenen Drehzahl ein von der Viskosität des Rührgutes abhängiges Drehmoment abgibt,
    gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    a) die Reynoldzahl des Rührgutes wird berechnet aus
    - den für die Dimensionierung des Rührwerks charakteristischen Werten;
    - dem spezifischen Gewicht des Rührgutes;
    - der gemessenen Drehzahl des Rührwerks; und
    - einem nach Erfahrungswerten geschätzten, angenäherten Wert der Viskosität;
    b) die zu der berechneten Reynoldzahl· gehörende, aufgrund empirischer Untersuchungen bekannte Nusseltzahl wird ermittelt;
    c) aus der so ermittelten Nusseltzahl, der Drehzahl des Rührwerks, dem spezifischen Gewicht des Rührgutes und den für die Dimensionierung des Rührwerks charakteristischen Werten wird das zugehörige theoretische Drehmoment errechnet;
    d) das theoretische Drehmoment wird mit dem gemessenen tatsächlichen Drehmoment des Rührwerks verglichen;
    e) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlich gemessenen Drehmoment wird der geschätzte, angenäherte Wert der Viskosität korrigiert; und
    f) die Berechnungen nach den Verfahrensschritten a) bis e) werden aufgrund der jeweils korrigierten Werte der Viskosität wiederholt, bis die Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlich gemessenen Drehmoment kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist.
  3. 3. Verfahren zur Steuerung der Rührparameter eines Rührprozesses in einem mit einem Rührwerk ausgestatteten Rührbehälter mittels einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß
    - die Rührparameter, insbesondere Zusammensetzung des Rührgutes sowie Temperatur und Druck in dem Rührbehälter, zu Anfang des Rührprozesses über eine Dateneingabestation in die Datenverarbeitungseinrichtung eingegeben werden?
    - die Datenverarbeitungseinrichtung in Abhängigkeit von den eingegebenen Daten Einrichtungen steuert, welche die Rührparameter bestimmen, insbesondere Einlaßventile zur Beschickung des Rührbehälters mit den Rührgutkomponenten, Heizeinrichtung des Rührbehälters und Druckregelung;
    - die Datenverarbeitungseinrichtung unter Berücksichtigung der Rührparameter aus der gemessenen Drehzahl des Rührwerks und dem von diesem abgegebenen Drehmoment unter Ausnutzung der empirisch ermittelten Abhängigkeit zwischen Reynoldzahl und Nusseltzahl die Viskosität des Rührgutes laufeiid während der verschiedenenen Rührphasen berechnet; und
    - in Abhängigkeit;von der berechneten Viskosität des Rührgutes d.as Drehmoment bzw, die Drehzahl des Rührwerks so geregelt wird, daß die Leistungsaufnahme des Rührwerks gleich einer empirisch ermittelten optimalen Leistungsaufnahme ist, bei der für den berechneten Viskositätswert die Aufrechterhaltung des ablaufenden Rührprozesses noch gewährleistet ist.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungs- und Steuerfunktionen für das Rührwerk und/oder für die den Rührprozeß bestimmenden Rührparameter von einem Mikroprozessor ausgeführt werden, dem ein Programmspeicher und ein nichtflüchtiger Datenspeicher zugeordnet sind.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die empirisch ermittelte Abhängigkeit der optimalen Lei-
    -A-
    stungsaufnahme des Rührwerks von der Viskosität des Rührgutes in dem Datenspeicher abgespeichert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die empirisch ermittelte Abhängigkeit der Reynoldzahl von der Nusseltzahl in dem Datenspeicher abgespeichert wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Zusammensetzung des Rührgutes sein spezifisches Gewicht berechnet wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment des Rührwerks gemessen wird, indem die Stromaufnahme des elektrischen Antriebsmotors gemessen und das analoge Meßsignal in ein Digitalsignal umgesetzt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment des Rührwerks mittels einer Druckdose gemessen wird, die zwischen dem am Gehäuse des Rührbehälters drehbar gelagerten Rührwerküantrieb und einem am Gehäuse des Rührbehälters befestigten Teil angeordnet ist.
  10. 10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl dea Rührwerks fotoelektrisch gemessen wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung die Zuteilung des Rührgutes in den Rührbehälter gravimetrisch steuert.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, Jaß die Datenverarbeitungseinrichtung die Zuteilung des Rührgutes in den Rührbohälter volumetrisch steuert.
    BAD OR/G/NAt
    mm C mm
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daJ3 die Datenverarbeitungseinrichtung die Ausgangssignale von Sensoren überwacht, die für die Betriebssicherheit des Rührsystems charakteristische Größen messen»
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die allen Rührprozessen gemeinsamen Steuer- und Uberwachungsfunktionen durch ein in einem Festwertspeicher gespeichertes festes Programm gesteuert werden und daß die individuellen Rührprozessen und Rührsystemen zugeordneten Steuer- und Überwachungsfunktionen durch ein in einem programmierbaren Schreib-Lese-Speicher gespeichertes Programm gesteuert werden 0
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß.im Anschluß an die Berechnung der Viskosität in Abhängigkeit von dem berechneten Viskositätswert eine Temperaturumschaltung vorgenommen wird.
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