KR950006500B1 - 컴퓨터로 제어된 분무 건조방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

컴퓨터로 제어된 분무 건조방법
제1도는 본 발명의 공정에서 수행될 수 있는 분무-건조 공장의 개략도.
제2도는 11시간동안 콘트롤러 E1을 사용한 본 발명의 공정의 동작도.
제3도는 한시간동안 피드-백(feed-back)만의 수분 콘트롤러의 반응도.
제4도는 한시간 동안 피드-백과 피드-포워드(forward)콘트롤러의 동작도.
제5도는 4시간 동안 콘트롤러 E1의 작동을 보여주는 제2도의 상세도.
제6도는 4시간 동안 수동 동작도.
제7도는 4시간 동안 다른 주기의 수동 동작도.
제8도는 수동 제어를 2시간 동안 보여주는 설명도.
제9도는 피드-백과 피드-포워드 콘트롤러 작동에 있어서의 반응도.
본 발명은 분무-건조 방법에 관한 것으로서, 더욱 특별하게는 건조한 공기 및/또는 그 온도의 흐름을 제어함에 의해서, 얻어진 분말의 수분 함량이 프리-세트(pre-set) 값에서 자동적으로 유지되어지는 컴퓨터로 제어된 분무-건조 방법에 관한 것이다.
분무-건조 타워(tower)는 대규모의 슬러리 또는 용액이 분말로 형성되도록 전환시키는 공업에서 사용된다. 예를들면, 세제공업에 있어서는, 분무-건조 타워가 세제분말용 기초 분말을 제조하는데 사용된다. 다른 예로는 낙농 공장에 있는데, 여기서 분무-건조 타워는 분유를 제조하는데 사용된다.
세제공업의 전형적인 분무-건조 공정에 있어서, 분무-건조 타워의 상부에 위치하고 있는 하나 이상이 노즐에서 세제 화합물의 농축용액 또는 슬러리가 펌푸된다. 중력의 영향하에 용액 또는 슬러리는 아래 방향으로 가속되어 떨어지는 드롭렛(droplet)의 형태로 노즐에서 벗어난다. 동시에, 뜨겁고 건조한 공기의 흐름이 타워의 바닥으로부터 공급된다. 드롭렛이 타워 아래로 이동하면서 점차적으로 건조되며 타워 바닥에서 분말이 수집된다.
수분 함량, 벌크밀도 또는 입자 구멍과 같은 분말의 물리적 성질이 건조한 공기의 온도, 공기 흐름속도, 슬러리 흐름속도와 같은 타워에 있어서의 조건에 의해서 그리고 타워와 그 노즐의 용적에 의해서 크게 영향을 받는다. 일단 최선의 분무-건조 조건의 세트가 설비되어지고 나면, 제조된 분말의 질이 일정해지도록 이들 조건이 일정하게 유지되는 것이 중요하다. 그러나, 모든 변수가 동시에 직접 제어될 수 있는 것이 아니기 때문에 상기의 조건들을 일정하게 유지하는 것이 불가능한 것이된다.
그러므로, 분무-건조 공장의 오퍼레이타(operator)는 항상 어떤 공정 요인 예를들면 타워을 통과하는 뜨거운 공기의 흐름을 변경함에 의해서 분말 특성의 요인 예를들면 수분함량을 보충해 주어야 한다. 이에 대해서 경험있는 오퍼레이터는 수시간에 걸쳐 적당하게 일정한 수분함량을 달성할 수 있다.
하지만, 수분 함량을 일정하게 달성하는 것만이 중요한 것은 아니다. 결과로서 생기는 분말은 또한 가급적 꼭맞게 원하는 값에 대응하는 절대 항(項)으로 수분 함량을 가져야 한다. 특히, 추가의 공정단계, 이를테면 하나이상의 고밀도화 공정같은 것이 분무 건조다음에 구상되면, 이러한 공정은 출발물질의 수분함량에 아주 민감할 수 있기 때문에 다소 기준에서 벗어난 수분함량은 적지않은 손실을 초래한다. 더욱이, 타워를 통과하는 공기의 흐름을 수동으로 조절함에 의해서만이 분무-건조 공정을 시작한 후 단기간내에 수분함량을 위한 세트 포인트(set point)를 달성하기란 쉽지 않다. 그결과ㅡ 필수 명세에 완전히 따르지 못하는 다량의 기초분말이 제조되어 이는 폐기되어진다.
분무-건조 공정을 자동으로 제어하기위한 많은 시도가 있어왔다. 습기 변환기 및 벌크밀도 변환기로부터 이들의 입력을 유도하고 슬러리 흐름속도 및 건조한 공기를 위한 연료소비율에 작용하는 레글레이터(regulator)에 의해서, 분무-건조 공정을 자동으로 제어하는 방법이 러시아 특허공보 제827924호에 기술되어 있다.
제어공정의 상기 형태에 있어서, 측정된 입력 요인의 실제값만이 출력변수를 즉시 제어하는데 사용된다. 이러한 피드백 루프(fed back loop)에 있어서의 지연 때문에, 상기 형태의 제어는 매우 만족할만한 기능을 하지 못한다.
분유와 같은 물질의 분말수분 함량이 건조 공정중 열 입력 작용으로서 자동으로 제어되는 유사한 건조 공정이 영국 특허출원 제2,004,393호에 기술되어었다. 짧은 기간 분말 수분함량의 기준에 대한 다양한 변동이 공정을 제어하기 어렵게 한다.
상기 문제는 수분함량을 여러번 측정함에 의해, 그 평균치를 결정함에 의해서, 그리고 상기 평균치를 분말수분함량의 실제 측정으로서 처리함에 의해서 극복될 수 있다.
그런데, 본 발명의 목적은 개량되고 자동으로 제어되는 분무-건조 공정, 특히 상기 언급된 결점을 갖지 않는 공정을 제공하는데 있다.
상기 목적은 본 발명의 분무-건조 공정에 의해서 수행될 수 있으며 그것에 의해, 얻어진 분말의 수분 함량이 프리-세트 수준에서 자동으로 유지되고, 이는 그 현재값을 측정함에 의해서 그리고 적어도 건조한 공기의 흐름 및/또는 그 온도를 상기 흐름 및/또는 온도의 과거값의 함수로서, 또한 수분함량의 현재값과 과거 값의 함수로서 제어하는 컴퓨터에 상기 현재값을 입력함에 의해서 이루어진다는 것을 본 발명자들은 발견하였다.
건조한 공기의 흐름 및/또는 그 온도가 또한 슬러리 흐름속도의 현재값과 과거값의 함수로서 제어되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 현재값과 과거값의 1차 조합으로부터 건조한 흐름 및/또는 그 온도를 컴퓨터가 계산하는 것이 바람직하다.
본 발명의 공정에 있어서, 분무-건조된 분말의 수분 함량은 연속적으로 또는 적어도 주기적으로 측정된다. 현재 수분함량은 많은 방법으로 측정될 수 있다. 적외선 분광기에 의해서, 일정하게 가동한 수분함량을 측정하는 것이 특히 적합한 것으로 발견되었다. 시중구입가능한 적외선 감지기, 예를들면 인프레어드 엔지니어링 엘티디., 유.케이.에 의해 제조된 감지기가 상기 목적을 위해 사용될 수 있다.
그 다음에 수분함량 상수를 유지하는데 필요되거나 그것을 원하는 값으로 하는데 필요되는 제어작용을 제한하는 컴퓨터로 수분함량에 대한 정보를 입력한다. 여기서 컴퓨터형에 대해서는 특별한 요구가 없다. 원칙적으로, 어떤 적당한 형, 예를들면 DEC PDP-11과 같은 미니컴퓨터나 마이크로-컴퓨터와 같은 컴퓨터가 사용될 수 있다. 컴퓨터는 소위 콘트롤러, 특정 변수를 원하는 값으로 조절하기 위하여 하나이상의 측정된 공정변수의 함수로서 공정 액튜에이터(actuator)에 대한 출력으로 정의되는 알고리듬(alg orithm)을 함유하는 프로그램을 저장 및 실행할 수 있어야만 한다.
콘트롤러는 현재와 과거 공정 및 액튜에이터 사이의 간단한 실험 관찰에 의한 관계를 구성한다. 이것의 가장 간단한 형태로서는 이러한 변수의 선형 조합일 수 있다. 이것은 특정 분무-건조 공장에 있어 특효함으로, 새로운 콘트롤러가 본 발명의 공정이 설치되어질 어느 공장을 위해 고안되어졌다.
특정 분무-건조 공정에 있어 콘크롤러는 공정을 제어하는데 사용하는 것과 같은 동일한 컴퓨터에 근거하여 고안될 수 있다. 콘트롤러를 다음의 순서로 고안한다.
먼저, 분무 건조공정을 1-8시간 동안 수행하며, 그것에 의해 건조한 공기의 흐름 및/또는 그 온도가 그 고정상태작동 수준에 대하여 교란시키게 된다. 상기 교란이 측정된 수분함량 신호와 서로 관련되지 않는 것이 중요한데, 이것은 컴퓨터 프로그램에 의해서 발생된 슈도-랜덤 바이너리 시퀀스(pseudo-random binary sequence ; PRBS)를 사용함에 의해서 유리하게 효과적일 수 있다. 피드포워드(feed forward)콘트롤러를 고안하기 위해서, 유사한 교란 시퀀스가 슬러리 흐름속도에 적용되어진다.
교란이 분말의 수분함량값에 적용되어지면서, 켄츠 팬(quench fan)속도 및/또는 건조한 공기의 온도 및 슬러리 흐름속도가 측정되어지고, 장치의 분석을 위해 레글라 인터벌(regular interval)에 기억된다. 모든 기억된 데이터가 커먼 타임 레퍼런스(common time reference) 에 일치하는 것이 중요하다.
콘트롤러의 두 번째 단계는 실험ㆍ관찰에 의한 수표(數表)관계(또는 모델)를 확립하는 것인데, 이것은 건조한 공기의 흐름 및/또는 그 온도의 변화와 측정된 분말 수분함량에 대한 슬러리 흐름속도의 변화에 관련이 있다. 상기 관련은 리니어(lenear)모델의 요인을 확인하기 위하여 반복적인 최소 제곱법 확인 기술을 사용하여 유도해 낼 수 있다.
콘트롤러 고안 순서의 세번째 단계에 있어서, 이렇게 유도된 수료 모델은 최적의 콘트롤러를 고안하는데 사용된다. 다이내믹 프로그래밍 기술은 오차의 제곱을 합한 것에 기초한 가중된 비용함수를 최소로 하는데 사용된다. 그 다음, 최대로 활용된 콘트롤러는 분무-건조 공정에 있어서 분말 수분 함량을 자동으로 제어하기 위한 가동에 도움을 줄 수 있다.
당분야에서 기술자는 본 발명의 방법을 적용하는데 적합한 컴퓨터 프로그램을 고안하기가 어렵지 않을 것이다. 다수의 프로그램 또는 소프트웨어 패키지를 사용하는 것이 유리하다는 것을 본 발명자들은 발견하였다. 이론적으로 말하자면, 패키지는 이들 데이터 및 콘트롤러수단을 수집하고 저장하기에 용이하게 할 뿐만 아니라, 공장으로부터 등록된 데이터를 사용하여 최적 피드백 및 피드 포워드 콘트롤러를 고안하게한다.
복합공장(아마, 다변수)에 대한 것과 마찬가지로 단일 루프 공업공정에 대한 콘트롤러의 고안을 돕는 능력을 포함하는, 일반적인 응용성을 갖는 그러한 소프트웨어패키지를 고안하는 것이 가능하며, 이는 특히 바람직한 일이다. 가지각색의 복잡성으로 인해 많이 다른 루프로 구성되는 모든 공장을 제어하는 능력을 짜맞추어 넣는 것이 실로 가능하다. 필요하다면, 콘트롤러 요인은 셀프-튜닝(self-tuning) 설비를 사용해서 가동하여 재동조될 수 있다.
본 발명에 따르는 컴퓨터로 제어된 분무-건조 공정은 특히 세제(기본)분말을 제조하는데 사용되어졌는데, 이것에 의해 수분함량은 양호한 분말특성을 갖는 세제분말을 얻기 위한 중요한 요소가 된다. 이제 본 발명의 공정은 다음의 실시예와 첨부도면에 의해서 더욱 설명될 수 있다.
[실시예 1]
제1도는 세제기본분말을 제조하기 위한 분무-건조공장의 실시예를 도시한 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 방법이 이행될 수 있다. 또한 이 도면은 컴퓨텀 시스템이 본 출원을 위한 공장에 인터페이스(interface)로 접속되어 있는 방법을 제시한다.
타워는 표준 항류(countercurrent ; 向流) 설계였다. 타워를 통과하는 기본 분말의 수분함량은 인프레어드 엔지니어링(Infrared Engineering; 상표) 적외선 미터를 사용하여 계속 측정되었다. 타워로 들어가는 뜨겁고 건조한 공기의 흐름은 히터의 켄츠 팬의 속도를 변경함에 의하여 조절되었고 주입공기온도는 히터의 연료 흐름에 작용하는 레귤레이터를 사용하여 제어되었다. 타워내의 진공은 소모가스 댐퍼(damper)에 작용하는 레귤레이터에 의하여 자동으로 제어되었다.
먼저, 분말 수분 함량에 대한 피드백 콘트롤러를 고안하였는데, 이것에 의해 켄츠 팬 속도가 처리변수로서 취해졌다. 튜닝이 가동된 후에, 다음의 콘터롤러(E1)가 유도되었다 :
Figure kpo00001
여기서 :
Yt는 t초에서의 수분측정
Wt는 t초에서의 수분 세트포인트
Ut는 t초에서의 켄츠 팬 속도
이다.
식 1의 고찰은, 과거 제어 중대의 최종 제어작용 Ut에 대한 기여에 있어서 최종 중요한 항이 0.24*(Ut-488-Ut-512)항이라는 것을 나타낸다. 이는 켄츠 팬 속도에 있어서의 변화가 약 7.5분(448초) 동안의 분말 수분함량에 영향을 미친다는 것을 지적해준다.
11시간 동안 분말수분함량, 슬러리 흐름속도 및 켄츠 팬 속도의 시간변천이 주어지는 제2도에 상기 콘트롤러(E1)의 작용이 도시되어 있다. 여러번의 로드(1 또는 2랜스(lance)의) 변경에도 불구하고, 양호한 제어능력이 성취되었다는 것이 나타나 있다. 제2도에 도시된 작용기간동안의 통계치가 표1에 주어졌다.
[표 1]
11시간 동안의 피드백 수분제어
Figure kpo00002
[실시예2]
제2도에 도시된 기간중에 조우되는 것들보다 더 큰 로드변경, 즉 거의 2랜스보다 더 큰변경에 대해서, 피드백 수분 콘트롤러(E1)의 성능은 고속 충분률에서 켄츠 팬 속도를 조정할 수 없는 콘트롤러로서 저하되어졌다. 상기 문제는 피드-백과 피드-포위드 콘트롤러에 의해 극복될 수 있으며, 이것에 의해서 켄츠 팬 속도는 처리변수로서 얻어지고, 슬러리 흐름으로부터 피드-포워드 정보가 사용되어졌다. 제1도는 상기 결합된 피드-포워드 및 피드-백위드 제어를 도식적으로 설명한다.
결합된 피드-백과 피드-포워드 콘트롤러가 개발되었고 가동되어 테스트 되었다 ; 단순화 후 튜닝이 가동된 후에 상기는 (E2)가 되었다 :
Figure kpo00003
여기서 :
Yt는 t초에서의 수분측정
Wt는 t초에서의 수분 세트 포인트
Ut는 t초에서의 켄츠 팬 속도
Vt는 t초에서의 슬러리 흐름속도
이다.
콘트롤러(E1)가 제3도 및 제4도를 비교함에 의해서 관찰될 수 있기는 하나, 상기 콘트롤러(E2) 가피드-백 대신에 사용되었을 경우 제어능력에 있어서 향상이 이루어졌다. 제3도는 제2도에 도시되어 있는 피드-백만의 제어 시도에 대해 한시간 구간을 도시한 것이며, 이 시간중 두 개의 로드변경이 있었다. 제4도는 유사한 시간의 작동을 도시한 것이며, 이 시간중 피드-백과 피드-포워드 콘트롤러가 작업중이었다. 피드-포워드 컴펜세이션(compensation)이 작업중이었을 경우 세트포인트로부터 수분 이탈이 충분히 적은 것을 알 수 있다. 여러 가능한 제어 변수의 관점에 있어서, 상기 결합된 피드-포워드와 피드-백 제어시스템이 실제로 이러한 일정한 수분 함량을 제공할 수 있다는 것은 놀라운 일이다.
콘트롤러에 있어서의 구조 및 요인수가 공정에 관한 다이내믹의 복잡성, 공정시간 지연 및 제어간격에 좌우된다. 상기 공정에 있어서 비교적 긴시간이 지연되는 까닭에, 피드-백과 피드-포워드 콘트롤러(E2)의 구조는 96초의 제어간격을 선택함에 의해서 단순화되었다. 그 결과로 생긴 콘트롤러가(E3)였다 :
Figure kpo00004
여기서 :
Yt는 t초에서의 수분측정
Wt는 t초에서의 수분 세트 포인트
Ut는 t초에서의 켄츠 팬 속도
Vt는 t초에서의 슬러리 흐름속도
이다.
[실시예 3]
오퍼레이터에 의해서 수동제어된 종래의 분무-건조공정과 수분 함량의 보다 나은 제어를 위한 본 발명의 공정사이에 비교가 이루어졌다. 이 결과 다음의 작동상태가 고려되어졌다 :
( i ) 고정상태-주요 로드변경 없는 작동시간을 의미함.
( ii ) 일시적임-주요 로드 변경이 있을 경우의 작동시간을 의미함.
타워 기본 수분에 대한 자동 콘트롤러와 종진의 수동제어 사이의 고정상태 비교가 제5-7도에 도시되어 있으며, 이것은 수분의 시간 변천 및 슬러리 흐름을 세개로 분리된 4시간 동안의 작동으로 도시한다. 또한, 제2도의 처음 4시간 동안의 켄츠팬 속도가 도시된 제5도는 수분 콘트롤러의 작동을 설명하며, 여기서 슬러리는 1랜스의 첨가에 해당하는 기의 1.5t/hr로 증가된다. 슬러리 흐름내에서 어떠한 중대한 변경없이 수분이 수동으로 제어되는 동안 제6도 및 7도는 두 개의 분리된 4시간을 도시한다. 제5-7도에 있어서의 데이터에 대한 통계치가 다음 표2에 주어진다.
[표 2]
제5-7의 통계치
Figure kpo00005
표2에 주어진 각 작동 기간동안 수분 함량의 표준 편차가 비교되어지며, 이것에 의해 컴퓨터로 제어된 공정은 실제 로드 변경에도 불구하고 0.91의 가장낮은 수분 함량 표준 편차를 갖는다. 그러나 놀랍게도, 17%의 수분 함량 세트 포인트는 수동제어 기간동안인 각각 16.48% 및 17.96%와 비교하여 볼때 16.92%의 평균 수분함량을 주는, 컴퓨터로 제어된 방법에 의해 가장 의미심장하게 수행되어졌다. 상기 결과의 주요취지는 수동제어하에 0.52% 이하의 세트포인트 및 기타 0.96% 이상의 세트포인트 경우에 있어서 평균 수분함량은 표류된다는 것이다.
따라서 수동제어보다는 자동제어하에서 장기 표준편차가 보다 나은 것으로 나타난다.
공장의 현재 수동작동의 일시적인 성능 및 피드-백과 피드-포어드 수분 콘트롤러를 사용한 작동의 차이점이 제9도와 제8도를 비교함에 의해서 알 수 있다.
제8도는 타워로의 슬러리 투입이 상당히 변화하는 동안의 2시간을 도시한 것이다.
이러한 경우, 초기에 지나치게 건조되게 하는 원인이 되는 로드 변경을 예견해서 오퍼레이터는 온도 세트 포인트를 증가시키고(공기 주입온도를 높이는 것에 의해서 알 수 있음), 이를 수분함량이 세트포인트보다 상당히 더 높은 경우 거의 15분동안 계속한다. 상기 작용은 본 발명에 따른 수분 콘트롤러가 작동중일때인 제9도에 도시된 것과 대조하여 뚜렷한 차이를 보인다.

Claims (5)

  1. 얻어진 분말의 수분함량의 실제값을 측정하고, 건조한 공기의 흐름 및/또는 그 온도를 상기 흐름 및/또는 온도의 과거값(past value)의 함수로서 그리고 수분 함량의 현재값(current value)과 과거값의 함수로서 제어하는 컴퓨터에서 상기 실제값을 입력함에 의해서, 얻어진 분말의 수분함량이 프리-세트 수준에서 자동으로 유지되어지는 분무-건조 방법.
  2. 청구범위 제1항에 있어서, 건조한 공기의 흐름/및 또는 그 온도는 또한 슬러리 흐름속도의 현재값과 과거값의 함수로서 조절되어지는 분무-건조 방법.
  3. 청구범위 제1항에 있어서, 컴퓨터는 상기 현재값과 과거값의 선형 조합으로부터 건조한 공기의 흐름 및/또는 그 온도를 계산하는 분무-건조 방법.
  4. 청구범위 제1항에 있어서, 얻어진 분말의 수분 함량은 적외선 분광기에 의해서 측정되는 분무-건조 방법.
  5. 청구범위 제1항에 있어서, 세제분말 또는 그 성분이 준비되는 분무-건조 공정.
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