DE4130413A1

DE4130413A1 - Anlage und verfahren zum mischen und/oder homogenisieren fluessiger komponenten

Info

Publication number: DE4130413A1
Application number: DE4130413A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Ing Mette
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-10
Filing date: 1991-09-10
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: DE4130413C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Mischen und/oder Homogenisieren flüssiger Komponenten mit Zulaufleitungen für die verschiedenen Komponenten und mindestens einer Ablaufleitung für das Mischprodukt und ein Verfahren zum kontinuierlichen Mischen flüssiger Komponenten zu einem Mischprodukt mit einstellbarem Mischungsverhältnis.

Eine solche Anlage zum Dosieren und Mischen von aus mehreren Komponenten bestehenden Getränken ist aus der DE 31 32 706 A1 bekannt.

Nachteilig an der bekannten Anlage ist, daß trotz zutreffender Dosierung im ablaufenden Endprodukt Schwankungen des Mischungsverhältnisses auftreten können. Um solche Schwankungen weitgehend zu vermeiden ist bei der bekannten Anlage ein nachgeschalteter Nachmischbehälter zusätzlich vorgesehen, wodurch eine wenigstens dreistufige Mischung erreicht wird.

Des weiteren ist aus der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung P 41 16 031 bekannt, Behälter mit einem Überlaufwehr im Rahmen von Mischanlagen einzusetzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage und ein Verfahren anzugeben, die bei verringertem Anlagenaufwand ein genaue Dosierung und bessere Mischung zu einem gleichmäßigeren Endprodukt ermöglicht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in mindestens einer Zulaufleitung ein Zulaufbehälter vorgesehen ist, der zur Beibehaltung einer bestimmten Zulaufhöhe der Komponente ein Überlaufwehr aufweist. Druckschwankungen in den Zulaufleitungen können dadurch die zulaufenden Volumenströme der Komponente nicht beeinflussen.

In Verbindung damit, daß zwischen Zulaufbehälter und Ablaufleitung eine Blende vorgesehen ist, kann infolge des gleichbleibenden Vorlaufdrucks nur ein konstanter Volumenstrom aus dem Zulaufbehälter abfließen, so daß durch die geeignete Wahl der Blendengröße auch das Verhältnis der zulaufenden Komponenten durch die physikalischen Randbedingungen fixiert ist. Aufwendige Meß- und Regelanlagen in den Zulaufleitungen zur Beeinflussung der zulaufenden Volumenströme können somit vorteilhaft entfallen. Die Anlage wird dadurch sehr betriebssicher und wartungsarm. Dies gilt insbesondere dann, wenn die ablaufenden Komponenten frei unter Atmosphärendruck auslaufen.

Falls erforderlich, kann zur besseren Mischung der Komponenten untereinander, zwischen Zulaufbehälter und Ablaufleitung ein Mischrohr vorgesehen sein.

Wenn zwischen Zulaufbehälter und Ablaufleitung ein Sammelbehälter für das Mischprodukt vorgesehen ist, der zur Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Gegendrucks ein Überlaufwehr aufweist, besteht ein konstanter Druckunterschied zwischen den zulaufenden Komponenten und dem Druck in der Ablaufleitung. Auch diese Maßnahme dient dazu, die Anlagen von Störungen aus dem vorhandenen Rohrleitungsnetz freizuhalten. Da die Randbedingungen für den Mischprozeß somit konstant bleiben, ist auch das Mischungsverhältnis und der Volumendurchsatz entsprechend gleichmäßig.

Bei bestimmten Flüssigkeiten ist es vorteilhaft, wenn zwischen Zulauf- und Sammelbehälter Pumpen angeordnet sind, die vorzugsweise geregelte Antriebsmotoren aufweisen. Durch die konstanten Randbedingungen können aufwendige Dosierpumpen vermieden werden. Teilweise reicht es aus, Verdrängerpumpen, wie beispielsweise Zahnradpumpen, einzusetzen. In bestimmten Fällen können die Anlageninvestitionen noch weiter dadurch verringert werden, wenn statt Verdrängerpumpen Strömungspumpen, z. B. Kreiselpumpen, eingesetzt werden. Eine Drehzahlregelung der Antriebsmotoren läßt es zu, das Mischungsverhältnis willkürlich zu ändern.

Die Maßnahme, daß die Behälter Druckausgleichsöffnungen aufweisen, die vorzugsweise mittels Leitungen untereinander verbunden sind, dient ebenfalls der Konstanthaltung der äußeren Betriebsbedingungen. Auch wenn der Behälterinhalt sich verändert, bleibt der Druck der Flüssigkeit konstant, da durch die Druckausgleichsöffnung im Behälter stets Atmosphärendruck herrscht. In Fällen, bei denen beispielsweise unter einer Inertgasatmosphäre oder unter einem höheren Druck, insbesondere bei gashaltigen Flüssigkeiten gearbeitet werden muß, werden die Druckausgleichsöffnungen durch Leitungen verbunden.

Der Differenzdruck zwischen der zufließenden Komponenten und dem abfließenden Mischprodukt bleibt konstant, wenn dem Zulauf- und/oder dem Sammelbehälter eine Pumpe mit Rohrleitungen zugeordnet ist, die den Behälterinhalt im Kreislauf führt. Außerdem wird hierdurch auch das Leerfahren der Behälter ermöglicht, wenn die Anlage abgeschaltet werden soll.

Die Dosiergenauigkeit, insbesondere beim Mischen einer Vielzahl vom Komponenten untereinander mit stark abweichenden Mengenanteilen, kann dadurch verbessert werden, wenn zunächst Mengen gleicher Größenordnung untereinander gemischt werden und dann die Ablaufleitung als Zulaufleitung einer weiteren Misch- und Dosieranlage geschaltet ist.

Die Mengenverhältnisse untereinander können sehr feinfühlig geregelt und eingestellt werden, wenn mindestens ein Überlaufwehr in seiner Höhe verstellbar, insbesondere geregelt, ausgebildet ist.

Die Konstanz des Mischungsverhältnisses kann noch dadurch erhöht werden, daß eine Meßstrecke zur Ermittlung des Mischungsverhältnisses vorgesehen ist mit Signalleitungen zu einem Regler, der Wirkverbindungen zum Antriebsmotor, mindestens einer Pumpe und/oder mindestens eines Wehrs aufweist.

Dadurch, daß für den Behälter ein Füllstandssensor vorgesehen ist, der eine Wirkverbindung zu einem Stellglied in der Zulaufleitung aufweist, wird ein Überfüllen der Behälter während des Betriebs vermieden und im Abschaltfall kann durch Ansteuerung der Umwälzpumpe der Behälter automatisch leergefahren werden.

Die Verfahrensaufgabe wird dadurch gelöst, daß vor dem Mischen ein Teil mindestens einer Komponente ein Wehr überströmt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden in den Ansprüche 13 bis 18 beschrieben.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

Diese zeigt schematisch eine Mischanlage für zwei Komponenten.

Die dargestellte erfindungsgemäße Anlage ist einsetzbar zum Mischen mindestens zweier flüssiger Medien unterschiedlicher Dichte und Viskosität zum Homogenisieren des Gemisches zu einem Fertigprodukt. Sie besteht in ihrem Grundaufbau aus den Zulaufbehältern B1, B2 für die Produktkomponenten und einem Sammelbehälter B3 als Puffertank und Speicher für das Fertigprodukt.

Die Flüssigkeit mit der höheren Dichte, meist ein Konzentrat, wird der Anlage am Eingang E_k dem Behälter B2 zugeführt, die leichtere Komponenten, in der Regel Wasser an Eingang E_w dem Behälter B1. Das Fertigprodukt verläßt das System am Ausgang A_p. Sammelbehälter und Zulaufbehälter sind über ein Rohrleitungsnetz mit teilweise programmgesteuert automatisch geschalteten Ventilen V verkettet. Überwachungssensoren kontrollieren einzelne Verfahrensschritte des Prozeßablaufs.

Zur Flüssigkeitsförderung innerhalb der Anlagen dient eine Verdrängerpumpe P1 zur Konzentratförderung und P3 zur Förderung des Wassers. Die leichtere Produktkomponente im Vorratsbehälter B1 wird mittels eine Kreiselpumpe P2 umgewälzt. Das Mischen der beiden Komponenten erfolgt in einem Mischrohr MR, in das die Druckleitungen der Pumpen P1 und P3 münden. Das Gemisch verläßt das Mischrohr MR durch eine Leitung, die im Sammelbehälter B3 mündet.

Die Dosiergenauigkeit der Verdrängerpumpen P1 und P3 hängt davon ab, daß sich während des Mischvorgangs die Druckdifferenz zwischen der Ansaugseite und der Druckseite der Pumpen bei konstanter Drehzahl nicht verändert. Der Forderung nach konstanten Differenzdrücken an den zur Dosierung verwendeten Pumpen P1, P3 sowie über das Mischrohr MR trägt die dargestellte Zweikomponenten-Mischanlage durch ihren konstruktiven Aufbau Rechnung, indem die Gasräume der Behälter B1, B2, B3 untereinander oder alternativ mit der Umgebung verbunden sind. Auftretende Druckschwankungen können sich somit jederzeit ausgleichen. Die Ausgleichsleitungen sind mit L_A bezeichnet.

Außerdem hat die aus dem Behälter B1 abgesaugte Flüssigkeit stets die gleiche Zulaufhöhe zu Pumpe P3. Sie ist unabhängig von der Flüssigkeitsmenge, die dem Behälter B1 zufließt. Erreicht wird dies durch ein Überlaufsystem aus einem zweigeteilten Flüssigkeitsraum im Behälter B1 mit Kammern K_B1, K_B2 und permanenter Flüssigkeitsumwälzung mittels der Pumpe P2. Die aus K_B1 der Verdrängerpumpe P3 zufließende Menge wird über die Zulaufleitung E_W mit Ventil V1 ergänzt. Dabei wird das Signal des Füllstandssensors S2 auf den Regler R1, der in diesem Fall ein einfacher Schalter sein kann, zurückgeführt. Regler R1 öffnet das Ventil V1 in Abhängigkeit des jeweiligen Füllstandes. Der Flüssigkeitsstand in Kammer K_B2 wird so zwischen einem Minimum- und einem Maximumwert unterhalb des Überlaufs gehalten. Die Pumpe P2 fördert aus Kammer K_B2 mehr Flüssigkeit in Kammer K_B1 als beim Mischvorgang aus dieser abgezogen wird. Der Überschuß fließt über eine Überlaufkante in Kammer K_B2 zurück. Die Pumpe P2 läuft bei störungsfreiem Anlagenbetrieb ständig und sorgt dafür, daß die Flüssigkeit in Kammer K_B1 immer an der Überlaufkante steht.

Das Prinzip der Niveauregelung mittels Überlaufsystem ist auch im Puffertank P3 durch Unterteilung in die Kammern K_p1 und K_p2 verwirklicht. Dadurch ist sichergestellt, daß am Ausgang des Mischrohrs, bzw. auf der Druckseite der Verdrängerpumpen P1 und P2, also der Gemischseite, durch den Anlagenbetrieb keine Differenzdruckschwankungen auftreten. Eine Umwälzpumpe entfällt hier, da das Fertigprodukt aus K_p2 zur Weiterverwendung entnommen wird.

Der Druck auf der Vorlaufseite der Verdrängerpumpe P1 wird ebenfalls konstant gehalten. Grundsätzlich ist auch hier ein Behälter mit Überströmkante geeignet, den Vorlaufdruck konstant zu halten. Im dargestellten Beispiel jedoch erfolgt eine Regelung der aus Eingang E_k und den Behälter B2 zulaufenden Menge, indem durch die Füllhöhensonde S1 mittels eines dazwischengeschalteten Reglers R2 über das Zulaufventil V5 die zulaufende Menge so geregelt wird, daß der Flüssigkeitsstand im Behälter B2 konstant bleibt.

Die untereinander verbundenen Behälter und die konstanten Pegelstände der Flüssigkeiten in den Kammern K_B1 und K_B2 gewährleisten bei stationärer Produktion und stetiger Produktabnahme konstante Systemparameter am Dosiersystem. Für den praktischen Anlagenbetrieb mit unvermeidbaren Störungen im Produktionsprozeß sind jedoch zusätzlich Start- und Stopvorgänge zu berücksichtigen. Um deren Einfluß auf die Dosiergenauigkeit weitgehend auszuschalten, arbeitet die Anlage auch bei kontinuierlicher Produktabnahme bezüglich des Dosierens und Mischens vorzugsweise im Chargenbetrieb. Dabei erstreckt sich jeder Mischvorgang über eine gewisse Zeitspanne, in der Regel zum Beispiels 20 Sekunden und ist nicht unterbrechbar. Er wird bei ständig laufender Pumpe P1 durch Öffnen des Ventils V2 eingeleitet und nach Ablauf der Mischzeit durch Schließen von V2 beendet. Nach einer Pause, zum Beispiel ca. 10 Sekunden, kann die nächste Charge gestartet werden. Die Freigabe dafür erfolgt jedoch nur, wenn das Niveau des Fertigprodukts im Pufferbehälter B3 soweit gesunken ist, daß sein Speichervolumen ausreicht, eine volle Charge aufzunehmen. In der Mischphase ist das Ventil V3 ein Sicherheitsventil, durch Federkraft geschlossen; in den Pausen zwischen den Chargen öffnet es infolge des ansteigenden Leitungsdrucks; die Pumpe P1 fördert dann im Kreis.

Analoges gilt für die Pumpe P3 und Überdruckventil V4. Ventil V9 schließt gleichzeitig mit Ventil V2 und trennt die Leitungen, solange die Pumpe P1 bzw. P2 bei geöffneten Ventilen V3 bzw. V4 im Kreis fördert.

Der Chargenbetrieb hat den Vorteil, daß unbeeinflußt von Störungen im Produktionsprozeß einer Produktionslinie immer gleiche Mengen dosiert und gemischt werden; eine diskontinuierliche Produktabnahme an Ausgang Ap hat keine Auswirkungen auf die Dosiergenauigkeit.

Innerhalb der Behälter B1 und B3 sind Tankreinigungsköpfe T1, T2 angeordnet, die über die Leitung L_R und V6 an den Wasservorlauf angeschlossen sind. Ventil V7 dient zur Belüftung der Tankvolumina. Die Ventile V8 ermöglichen es, die Behälterinhalte abzulassen. Die Umwälzpumpe P2 ermöglicht es, den Behälter B1 nach Schließen des Ventils V1 über die Verdrängerpumpe P3 völlig leerzufahren.

Im Chargenbetrieb werden zunächst die Behälter B1, B2 solange befüllt bis die Füllstandsonden S1, S2 die voreingestellte Soll-Füllhöhe signalisieren. Danach werden die Zulaufventile V1 und VS geschlossen, während des Befüllens können zeitversetzt die Pumpen P1, P2, P3 bereits anlaufen. Nach Schließen der Zulaufventile V5 und V1, wird das Ventil V2 geöffnet, so daß die Pumpen P1 und P3 konstante Volumenströme aus den Behältern zum Mischrohr MR fördern.

Für einen kontinuierlichen Betrieb der Anlage ist es empfehlenswert, statt einer Folgesteuerung das Signal der Füllstandssensoren S1 und S2 Reglern aufzuschalten, die über als Regelventile ausgebildete Ventile V1, V2, die von P1 und P3 abgezogenen Mengen ergänzen.

Auf diese Weise ist eine Anlage geschaffen, die insbesondere bei chargenweisem Betrieb und quasi kontinuierlichem Fertigproduktabzug eine hohe Dosiergenauigkeit aufweist, ohne von aufwendigen kapitalintensiven Dosierpumpen und der damit verbundenen aufwendigen Meß- und Regeltechnik Gebrauch macht. Es reicht in bestimmten Fällen aus, einfache Verdrängerpumpen oder sogar Kreiselpumpen in Verbindung mit einer Folgesteuerung einzusetzen. Die Anlage ist vorteilhaft wartungsarm und betriebssicher.

Bezugszeichenliste

B1 Zulaufbehälter
B2 Zulaufbehälter
B3 Zulaufbehälter
E_k Eingang
E_w Eingang
K_B1 Kammer
K_B2 Kammer
K_p1 Kammer
K_p2 Kammer
L_A Ausgleichsleitung
L_R Reinigungsleitung
P1 Verdrängerpumpe
P2 Kreiselpumpe
P3 Verdrängungspumpe
MR Mischrohr
S1 Füllstandssensor
S2 Füllstandssensor
T1 Tankreinigungskopf
T2 Tankreinigungskopf
V1 Zulaufventil
V2 Ventil
V3 Ventil
V4 Überdruckventil
V5 Zulaufventil
V6 Ventil
V7 Ventil
V8 Ventil
V9 Ventil
R1 Regler
R2 Regler

Claims

1. Anlage zum Mischen und/oder Homogenisieren flüssiger Komponenten mit Zulaufleitungen für die verschiedenen Komponenten und mindestens einer Ablaufleitung für das Mischprodukt, da durch gekennzeichnet, daß in mindestens einer Zulaufleitung (E_w) ein Zulaufbehälter (B1) vorgesehen ist, der zur Beibehaltung einer bestimmten Zulaufhöhe der Komponente ein Überlaufwehr aufweist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen Zulaufbehälter (B1) und Ablaufleitung (A_p) eine Blende vorgesehen ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß zwischen Zulaufbehälter (B1) und Ablaufleitung (A_p) ein Mischrohr (M_R) vorgesehen ist.

4. Anlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, da durch gekennzeichnet, daß zwischen Zulaufbehälter (B1) und Ablaufleitung (A_p) ein Sammelbehälter (B3) für das Mischprodukt vorgesehen ist, der zur Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Gegendrucks ein Überlaufwehr aufweist.

5. Anlage nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, da durch gekennzeichnet, daß zwischen Zulauf- (B2, B1) und Sammelbehälter Pumpen (P1, P3) angeordnet sind, die vorzugsweise geregelte Antriebsmotoren aufweisen.

6. Anlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, da durch gekennzeichnet, daß die Behälter (B1, B2, B3) Druckausgleichsöffnungen aufweisen, die vorzugsweise mittels Leitungen (L_A) untereinander verbunden sind.

7. Anlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, da durch gekennzeichnet, daß dem Zulauf- (B1, B2) und/oder dem Sammelbehälter (B3) eine Pumpe (P2) mit Rohrleitungen zugeordnet ist, die den Behälterinhalt im Kreislauf führen.

8. Anlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufleitung (A_p) als Zulaufleitung einer weiteren Misch- und Dosieranlage geschaltet ist.

9. Anlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Überlaufwehr in seiner Höhe verstellbar, insbesondere geregelt, ausgebildet ist.

10. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß eine Meßstrecke zur Ermittlung des Mischungsverhältnisses vorgesehen ist mit Signalleitungen zu einem Regler, der Wirkverbindungen zum Antriebsmotor, mindestens einer Pumpe und/oder mindestens eines Wehrs aufweist.

11. Anlage nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß für den Behälter (B1, B2, B3) ein Füllstandssensor (S1, 52) vorgesehen ist, der eine Wirkverbindung zu einem Stellglied in der Zulaufleitung aufweist.

12. Verfahren zum Mischen von flüssigen Komponenten zu einem Mischprodukt mit einstellbarem Mischungsverhältnis, dadurch gekenn zeichnet, daß vor dem Mischen ein Teil mindestens einer Komponente ein Wehr überströmt.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Mischprodukt ein Wehr überströmt.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem Mischen der Druck einer oder mehrerer Komponenten erhöht wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Teil der Komponenten im Kreis geführt wird und dabei ein Wehr überströmt.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Mengenregelung mindestens einer zulaufenden Komponente erfolgt.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Anreicherung des Mischprodukts mit Gas erfolgt.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Mischen chargenweise erfolgt.