DE3126552A1 - "METHOD FOR CONTROLLING STIRRING PROCESSES" - Google Patents
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Abstract
Description
PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS
Dipl.-lng. MAX BUNKE
Dipl.-Chem. Dr. HOLGER BUNKE
Dipl.-Phys. HARTMUT DEGWERTDipl.-Ing. MAX BUNKE
Dipl.-Chem. Dr. HOLGER BUNKE
Dipl.-Phys. HARTMUT DEGWERT
München, den 3.JuIi 1981 P 5025Munich, July 3, 1981 P 5025
Verfahren zur Steuerung von RührprozessenMethod for controlling stirring processes
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.The invention relates to a method for controlling stirring processes, in particular a method for regulating the power consumed by an agitator in a stirred tank taking into account the properties of the material being mixed, a method for determining the viscosity of a material to be stirred in a stirred tank, the stirrer of which at a given Speed emits a torque dependent on the viscosity of the material to be stirred, as well as a method for controlling the stirring parameters a stirring process in a stirred tank equipped with a stirrer by means of an electronic data processing unit icht.
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.In practically all areas of the chemical industry, stirring processes are used to manufacture chemical products. These agitation processes, which can take several hours or even days, require a considerable amount of energy both for the agitator drive and for the supply of heat or cooling of the agitated material in exothermic processes.The power required for the agitator drive depends on the one hand on the speed of the agitator and on the other hand on the viscosity of the material to be stirred from 0 The viscosity of the material to be stirred changes during the various phases of the stirring process. The stirring process is only maintained if the agitator worked at a certain minimum speed for a given viscosity of the material being stirred.
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.The control of stirring processes is usually done by time-dependent program circuits "The for maintenance The energy supply required for the process, in particular the agitator output, is based on experience Time program controlled ο Since you essentially must use average values and maintain a sufficient safety margin from the minimum performance required for maintaining the stirring process, such control cannot be optimal Using energy «If the stirring processes are carried out with a constant speed of the agitator, must the speed can be designed in such a way that it satisfies the most unfavorable conditions, i.e. the one at a point in time during the stirring process corresponds to the highest power required or possibly the highest speed required at another point in time. This is not only a disadvantage because the agitator is unnecessary during most of the agitation process high power consumption works, but in addition, the agitator or its drive motor and gear unit must be designed for a relatively high continuous load, whereby the material and construction costs and these manufacturing costs increase.
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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.The object of the invention is in particular to create a method for controlling stirring processes, through which the the deficiency set out above can be remedied. The method according to the invention is intended in particular to achieve a substantial saving enable the drive energy supplied to the agitator in the course of a stirring process by increasing the speed of the The agitator is controlled in such a way that the agitator drive only delivers the optimum power that is required to keep the stirring process going. Furthermore, an automatic control of all stirring parameters should be optimized Total power consumption in the course of the stirring process; it reached will.
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.The process according to the invention for controlling the agitator, taking into account the power absorbed in the stirred tank the properties of the respective mix is thereby characterized in that the optimal power consumption of the agitator is determined empirically for the particular material to be stirred is the maintenance at a given viscosity value of the material to be stirred, which depends on the respective stirring phase of the stirring process taking place in the respective stirring phase with minimal expenditure of energy. Furthermore, the viscosity of the material to be stirred is continuously determined during the entire stirring process. The speed or the The torque of the agitator is then readjusted on the basis of the viscosity values determined in each case for the material being stirred until the The power consumed by the agitator corresponds to the empirically determined optimum power consumption. The invention is based So on your thoughts that the speed of the agitator depending on the viscosity of the material being stirred, it is regulated so that it is just sufficient, to keep the stirring process going.
Die laufende Bestimmung der Viskosität des Rührgutes ist zwar grundsätzlich möglich, mit vorhandenen Einrichtungen jedoch schwierig, und darüber hinaus sind übliche Viskositäts-The ongoing determination of the viscosity of the material to be stirred is basically possible with existing equipment difficult, and in addition, common viscosity
BAD ORIGIN/BATH ORIGIN /
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:measuring devices very expensive. The invention therefore provides Furthermore, a method for the ongoing determination of the viscosity of the material to be stirred in a stirred tank in the course of the stirring process, that is, the use of conventional viscosity measuring equipment makes redundant. The method according to the invention for continuous measurement of the viscosity of the material being stirred is as follows Process steps marked:
a) die Reynoldzahl des Rührgutes wird berechnet ausa) the Reynolds number of the mix is calculated from
- den für die Dimensionierung des Rührwerks charakteristischen Werten;- the values characteristic for the dimensioning of the agitator;
- dem spezifischen Gewicht des Rührgutes;- the specific weight of the material to be mixed;
- der gemessenen Drehzahl des Rührwerks; und- the measured speed of the agitator; and
- einem nach Erfahrungswerten geschätzten, angenäherten Wert der Viskosität; - an approximate value of the viscosity estimated on the basis of empirical values;
b) die zu der berechneten Reynoldzahl gehörende, aufgrund empirischer Untersuchungen bekannte Nusseltzahl wird ermittelt; b) the one belonging to the calculated Reynold number due to Nusselt number known from empirical studies is determined;
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;c) from the Nusselt number determined in this way, the speed of the agitator, the specific weight of the material to be mixed and the values characteristic for the dimensioning of the agitator the associated theoretical torque is calculated;
d) das theoretische Drehmoment wird mit dem gemessenen tatsächlichen Drehmoment des Rührwerks verglichen;d) The theoretical torque is measured with the actual Torque of the agitator compared;
e) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem theoretischen und dem tatsächlich gemessenen Drehmoment wird der geschätzte, angenäherte Wert der Viskosität korrigiert; unde) depending on the difference between the theoretical and the actually measured torque, the corrected estimated approximate value of viscosity; and
f) die Berechnungen nach den Verfahrensschritten a) bis e) werden aufgrund der jeweils korrigierten Werte der Viskositätf) the calculations according to process steps a) to e) are based on the corrected viscosity values
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
wiederholt, bis die Differenz zwischen dem theoretischen und dan tatsächlich gemessenen Drehmoment kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist.repeated until the difference between the theoretical and then actually measured torque is less than a is the specified limit value.
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.The method according to the invention thus enables the ongoing Determination of the viscosity of the material to be stirred in the course of the stirring process solely on the basis of the measured speed of the stirrer plant and the torque with which the agitator is driven, as well as due to the easily determined specific Weight of the mix and due to the known dependence of the Reynolds number on the nuts from empirical studies number. The calculations required in the course of a continuous viscosity determination carried out according to the method according to the invention by successive approximation can be slightly medium a suitable data processing device. Microprocessor or microcomputer systems are particularly suitable, all other control and monitoring functions in addition to the ongoing calculation of the viscosity of the agitator of the agitation system.
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 laufendIn a further embodiment of the invention, a method for controlling the stirring parameters of a stirring process by means of an electronic data processing device created, which invention :. is characterized in that the Stirring parameters, in particular the composition of the material to be stirred, as well as temperature and pressure in the stirring vessel, at the beginning of the Stirring process via a data input station in the data processing device be entered; the data processing facility Depending on the data entered, Ei controls directions which determine the stirring parameters, in particular Inlet valves for charging the stirred tank with the material to be stirred, heating device of the stirred tank and Pressure control; the data processing device taking into account the agitation parameter from the measured speed of the agitator and the torque output by this under utilization the empirically determined relationship between Reynolds number and Nusselt number, the viscosity of the mix continuously
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„calculated during the various stirring phases? and depending on the calculated viscosity of the mix the torque or the speed of the agitator is controlled so that the power consumption of the agitator is equal to one empirically determined optimal power consumption is at which the maintenance for the calculated viscosity value the ongoing stirring process is still guaranteed "
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. This inventive method enables the automatic Control of the entire stirring process: - · Esses, starting with the entry the mix composition at an input station of the data processing device, ZoBo on a keyboard until the end the stirring process, which is achieved when a predetermined period of time has elapsed or when a certain target value for the viscosity of the material to be stirred has been set.
Im Verlauf des gesamten Rührprozesses nimmt die Datenverarbeitungseinrichtung neben den ihr zugewiesenen Steuerfunktionen sämtliche Überwachungsfunktionen wahr, die einen sicheren Betrieb des Rührsystems gewährleisten«In the course of the entire stirring process, the data processing device takes on the control functions assigned to it all monitoring functions, which ensure safe operation of the agitation system «
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention are set out in the subclaims marked.
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:Further advantages and features of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments and from the drawing referred to. In the drawing show:
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. 1 is a schematic view of a stirring system used for Implementation of the method according to the invention is suitable is, with the stirred tank shown in vertical axial section and in plan view?
Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Unterprogramms zur Berechnung der Viskosität des Rührgutes über sukzessive Approximation; undFig. 2 is a flow chart of a subroutine for calculation the viscosity of the material to be stirred via successive approximation; and
-..'■''Υ'ι J I Ό J. 312655; - .. '■''Υ'ι JI Ό J. 312655;
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines kompletten Steuerprogramms zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Fig. 3 is a flow chart of a complete control program to explain the method according to the invention.
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.The generally cylindrical stirred tank shown schematically in vertical axial section and in plan view in FIG 10 has an agitator with a coaxial agitator shaft 12 and agitator blades arranged thereon at a distance from one another 14 on. The agitator shaft 12 is at its upper end of driven by an agitator drive 16 which is installed in a housing 18 and, in addition to the drive motor, a gear unit includes. The agitator shaft 12 is rotatably mounted in a main bearing 20 at the upper end of the agitator container 10. That too Housing 18 is rotatably mounted on the stirred tank 10. It has a radially outwardly projecting arm 22 which rests on one of two pressure cells arranged opposite one another 24, 26, which are rigidly connected to the stirred tank 10. Through the pressure cells 24, 26 of the Agitator drive torque delivered to the agitator shaft can be measured in both directions of rotation.
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.The stirred tank 10 has on its upper side two inlet connections 28, 30 which have different cross-sections. before the inlet port 28, 30 is each an inlet valve 32 and 34 is arranged. The inlet valves 32, 34 are provided with a suitable one Provide drive for automatic remote control. On the underside of the stirred tank 10 there is an outlet nozzle 36, to which an outlet valve 38, which can also be automatically operated remotely, is flanged.
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.The stirred tank 10 is surrounded by a heating jacket 40 over most of its height. The temperature inside the Stirring container 10 is monitored by a thermometer 4 2, the is arranged on the underside of the stirred tank and the heating jacket 40 penetrates. Above the heating jacket 40 is Furthermore, a level indicator 44 is arranged on the outer wall of the stirred tank 10.
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.A digital data processing device is used to control the stirring process 46 provided, which in Fig. 1 only seemingly as a housing with a digital display and with an input keyboard is shown »The data processing device 46 is via a plurality of lines with the Pressure cells 24c 26, the valves 32, 34, the agitator drive 16, the level indicator 44, the heating jacket 40, the thermometer 42 and the outlet valve 38 connected. It controls the actuation of the inlet and outlet valves through the heating jacket formed heating and the speed of the agitator drive 16 due to a stored in their program memory Program which, in addition to these control functions, also continuously monitors all operating values that are important for the stirring process guaranteed. The mode of operation of the agitation system shown schematically in FIG. 1 is described below under Referring to Fig. 3 will be explained in detail.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird zunächst ein Unterprogramm des in Fig. 3 gezeigten vollständigen Steuerprogramms für die Durchführung eines vollständigen RührprO2"sses erläutert.Referring to FIG. 2, a subroutine of the complete control program shown in FIG. 3 for the Execution of a complete stirring test explained.
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 desThe subroutine shown in FIG. 2 enables the viscosity of the material to be stirred in the stirred tank to be determined on an ongoing basis due to the measurement of the agitator drive from dom on the agitator shaft output torque and the speed of the agitator, which is preferably photoelectrically by means of a the agitator shaft 12 attached slotted or perforated disk and one attached to the container wall, with this disk cooperating photodetector arrangement is measured. This in The subroutine shown in FIG. 2 is used to calculate the viscosity of the material to be stirred according to a method of successive approximation. This calculation is based on generally known physical laws that make up the dependency the viscosity of the material to be stirred from the individual stirring parameters results. The viscosity η is a function of the speed n des
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312655:312655:
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:Agitator, the Nusselt number Ne, the Reynold number Re, des Agitator torque Md, the diameter d of the agitator and the specific weight g of the material to be stirred. So the following applies:
η = F(n, Ne, Re, Md, d, o).η = F (n, Ne, Re, Md, d, o).
Hierin ist die Reynoldzahl wiederum eine Funktion der Nusseltzahl. Es gilt:Here the Reynold number is again a function of the Nusselt number. The following applies:
R = F (Ne) .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.The above relationships show that the viscosity of the mix cannot be calculated directly from the speed of the agitator and its torque. Rather, have to In addition, the Reynold number and the Nusselt number for the conditions given in the agitator must be known. Is the Reynolds number known, the associated Nusselt number can only be determined empirically. The dependence of the Reynolds number on the The Nusselt number is a complicated relationship, which in practice for given agitator conditions is only empirical can be determined and recorded in diagrams. An important feature of the invention is that this relationship between the Reynold number and the Nusselt number for the given agitator conditions is determined empirically and in is stored in a data memory of the data processing device. If the Reynold number is known, then stands for each Viscosity calculation, the associated Nusselt number is immediately available.
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 DrehmomenIn order to obtain the Reynold number, an estimated approximate initial value is first based on empirical values the viscosity is entered into the data processing device, e.g. by means of a keyboard or another data input station. This is in Fig. 2 as the initial step 100 of the subroutine shown. In the subsequent steps 102 and 104, the speed n of the agitator and its torques
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;Md measured. Since the "agitator diameter d and the viscosity of the material to be stirred are previously known for a given stirring process, the Reynolds number can now be calculated according to the following relationship Re measured;
• 60«η '• 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.Where η is the estimated approximate initial viscosity value, and the factor 60 is based on the specification of the speed n in revolutions / 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. ·The calculation of the Reynolds number Re is shown in FIG. 2 as a subroutine step 106 specified = Subsequent to the calculation of the Reynolds number Re, the Nusselt number Ne im is determined Step 108.
Aus der Nusseltzahl wiederum läßt sich durch Anwendung bekannter physikalischer Gesetzmäßigkeiten ein zugehöriges Drehmoment Md^des Rührwerks nach folgender Beziehung berechnen: κAn associated torque can be derived from the Nusselt number by using known physical laws Calculate the Md ^ of the agitator according to the following relationship: κ
MdR= -2^2 . Ne Md R = -2 ^ 2. No
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 demThis calculation is shown in FIG. 2 as subroutine step 110. In the following program step 112, it is then checked whether the torque Md R calculated in this way corresponds to the actual torque Md of the agitator measured in step 104. This is generally not due to the rough estimate of the initial value of the viscosity entered in step 100; be the case, and then in step 114 the assumed initial value of the viscosity is corrected by a step of a predetermined size in the appropriate sense. The subroutine then returns to step 104 and runs through steps 104 to 112 again, specifically until the check carried out in this step 112 confirms that the measured torque value Md corresponds to the
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- yi -- yi -
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.calculated torque value Md R results. The initial value of the viscosity specified in the immediately preceding calculation of the torque Md R then corresponds to the actual value of the viscosity of the material to be stirred. The viscosity η of the stirring material has thus been found and can be displayed on a display board in step 116 and at the same time or alternatively stored in a working register of the data processing device in order to be used in the control program shown in FIG. 3 for regulating the optimal speed n of the stirrer will.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der Rührparameter eines Rührprozesses mittels der elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung beschrieben. Referring to Fig. 3, the method according to the invention will now be described for controlling the stirring parameters of a stirring process by means of the electronic data processing device.
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.The data processing device preferably contains a microprocessor / a working memory, a data memory and a program memory comprising a fixed program memory part and a programmable program memory part. By doing Fixed-program memory section stores those control and monitoring functions that are required for each stirring process are, while specific program steps are stored in the programmable program memory part, which are adapted to the agitator used, the individual agitation parameters, etc. At the beginning of a stirring process, the individual stirring parameters via an input keyboard, a program card or the like. in the programmable program memory part can be entered.
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-The method begins with the start step 200 shown in FIG. 3, whereupon it is checked in step 202 whether the previously entered The mixing program is to be repeated. If the program is not to be repeated, in step 204 the new Entered stirring parameters, i.e., in particular the composition of the material to be stirred, temperature curve during the entire stirring process
.BAD ORiGINA!.BAD ORiGINA!
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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 demprocess, duration of the stirring process or predetermined final viscosity of the material to be stirred, pressure conditions inside the stirred container, etc. If, on the other hand, a program is to be repeated, program step 204 is bypassed. In step 206 it is then checked whether the entire stirring process should run automatically. If not, the required control functions are set manually in step 208. If automatic operation is desired, the stirring process is started in step 210. In step 212, the specific weight g of the material to be stirred is then calculated from the composition entered in step 204. Step 212 is now followed as program step 214 by the subroutine shown in FIG. 2 with subroutine steps 100 to 116, ie it becomes dU; Viscosity η of the material to be stirred was measured. Then, in step 216, that torque value Md ,, / which corresponds to the calculated viscosity value η is fetched from the data memory. The setpoint Md c ,, of the agitator torque is the value that is required to maintain the agitation process with minimal energy consumption by the agitator drive. The dependence of this nominal torque value on the various viscosity values was previously determined empirically and stored in the data memory. This dependency is the same for all stirring processes and therefore only needs to be determined once. In step 218 it is then checked whether the measured torque Md agrees with the nominal value M ( 3 oll of the torque. If there is agreement, readjustment of the agitator is not necessary Senses readjusted by a predetermined step o By readjusting the speed, the torque of the agitator increases or decreases, depending on whether the speed has been increased or decreased. Following the readjustment of the speed of the agitator, the viscosity η is then first recalculated again, and the associated target torque is fetched from the data memory and then again with the in step 218
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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.measured torque compared. The speed readjustment takes place in that formed from steps 214 to 220 Program loop until, in step 218, there is agreement between the measured torque and the target torque of the Agitator is determined. In this state, the agitator system works with minimal energy consumption by the agitator a maintenance of the stirring process is just guaranteed. The agitator works during the whole Stirring process with optimal power consumption, which means savings in the Order of magnitude of up to 40% can be achieved. Furthermore, the entire agitation system can be used for a significantly short period of time load can be designed.
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, wennAfter a correspondence between the measured torque and the setpoint torque of the agitator has been determined in step 218, a check is made in step 222 as to whether a program-controlled automatic temperature switch should take place. If necessary, it is then checked in step 224 whether the viscosity value calculated in step 214 is one for which a temperature switch is provided in the stirring program. If necessary, the temperature is then readjusted in step 226 in accordance with the temperature jump provided in the stirring process, whereupon the program returns to step 214. However, if an automatic temperature changeover is not provided, or if the total viscosity value is not one at which a temperature changeover is to be carried out, a check is made in step 228 to determine whether the stirring process should be ended by making the viscosity value of the material to be stirred a predetermined value Value Hf ert: has reached y. If this is not the case, a check is made in step 230 as to whether the stirring process should be ended by the lapse of a predetermined stirring time. When the intended stirring process time has elapsed, the stirring process is ended in step 232. If the intended stirring process duration has not expired, the program returns to step 214 '! If the test in step 228 has shown that the stirring process should be terminated, if
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312655,312655,
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.If the intended end value t \ g & t ±. ± has been reached, then in step 234 it is checked whether the viscosity value determined in step 214 meets the desired end value -; CT matches. Is that the case? So the program goes to the already mentioned end step 232 "If the viscosity end value is not reached, however, various monitoring functions of the agitation system are carried out in step 236." After the monitoring functions have ended, the program returns to step 214.
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, The program steps 204, 210, 212, 214, 216, 220, 226, 232 and 236 shown in FIG. 3 are subroutines, only one of which, namely the program step 214, was explained in detail with reference to FIG.
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. In the program step or »subroutine 204 z. B. the keyboard the data processing device is queried, or suitable program carriers are read out »The read out Data are then transferred to the main memory of the data processing device.
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.All control functions are grounded in program step or subroutine 210 carried out, which are necessary to start the stirring process. In particular, the intake valves 32, 34 controlled in order to charge the agitator container 10 with the desired material to be stirred. Further be the heating device provided in the heating jacket 40 and dai> Agitator controlled in a suitable manner.
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.In the program step or subroutine 212, the im Step 204 entered the composition of the stirred tank filling, the average specific gravity of the material to be stirred calculated, and the result is saved in order to remain available for the entire stirring process.
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.The program step or dv.s subroutine 236 also has special features. In it, the signals of the thermometer 4 and the level indicator 44 as well as other signals are monitored which are important for the operational safety of the agitator system, in particular the barrier pressure of the agitator bearing 20, the temperature of this agitator bearing and the power consumption of the agitator drive. If one of the monitored signals indicates a malfunction, the stirring system can be stopped automatically to take remedial action.
BAD ORJGlNA!BAD ORJGlNA!
Claims (15)
Dipl.-Chem. Dr. HOLGER BUNKE
Dipl.-Phys. HARTMUT DEGWERTDipl.-Ing. MAX BUNKE
Dipl.-Chem. Dr. HOLGER BUNKE
Dipl.-Phys. HARTMUT DEGWERT
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:2. Method for determining the viscosity of a material to be stirred in a stirred tank / whose agitator delivers a torque that is dependent on the viscosity of the material to be stirred at a given speed,
characterized by the following process steps:
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