DE4307424A1 - Regelverfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer homogenen Dispersion, insbesondere Suspension sowie zugehörige Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren zur kontinuier­ lichen Herstellung einer homogenen Dispersion, insbesonde­ re Suspension aus zumindest einer Flüssigkeits- und einer Feststoffkomponente nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine zugehörige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 6.

Suspensionsmischanlagen werden in der Bauindustrie einge­ setzt und dienen insbesondere zur Herstellung von Suspen­ sionen beispielsweise für eine Dicht- oder Schlitzwand, für Hochdruckinjektionen, für Verpreßanker, für Bohrspü­ lungen, für Kalkmilch etc.

Eine vorzugsweise pulverförmige Feststoffkomponente wird beispielsweise aus einem Lagerbehälter in Form eines Silos über ein zugeschaltetes Zuteil- oder Dosierorgan dosiert einem Mischer über einen Mischereinlauf zugeführt. Als Dosiereinrichtung können beispielsweise Zellenradschleu­ sen, Förderschnecken und auch Vibrationsrinnen eingesetzt werden. Die geforderte Durchsatzmenge kann durch eine entsprechende Drehzahleinstellung erzielt werden.

Die beispielsweise aus Wasser bestehende Flüssigkeitskom­ ponente wird ebenfalls aus einem separaten Lagerbehälter mittels einer geeigneten Pumpe zu einem weiteren Mischer­ einlauf gepumpt. Die geforderte Durchsatzmenge wird mit einem zwischengeschalteten Stellventil eingestellt.

Unter optimalen Voraussetzungen könnte mit einer derarti­ gen rein volumetrischen Dosierung eine stets gleichblei­ bende Verhältnismäßigkeit der Mischungsbestandteile er­ reicht werden.

In der Praxis hat sich aber gezeigt, daß diese Verfahrens­ weise mit vielen unwägbaren Mängeln behaftet ist. Denn sowohl bei der Flüssig- wie bei der Feststoffkomponente führen die Zuteil- oder Dosiereinrichtungen im Hinblick auf unterschiedliche Füllstandshöhen in den Lagerbehältern zu unterschiedlichen Durchsatzmengen. Nachteilig sind auch Frequenzschwankungen im Stromnetz, die vor allem bei Ag­ gregatbetrieb im Baustelleneinsatz häufig auftreten. Schließlich treten auch Ablagerungen am Ventilsitz des Stellventiles auf, die die Durchsatzmengen in nicht kalku­ lierbarer Weise unterschiedlich beeinflussen. Als nach­ teilig ist ferner noch der zum Teil beachtliche Verschleiß zu nennen. Bei pulverförmigen Stoffen kommt erschwerend noch hinzu, daß der jeweilige Auflockerungs- bzw. Fluidis­ ierungsgrad erhebliche Auswirkungen auf den Volumendurchsatz hat.

Sind jedoch hohe Anforderungen an die Zusammensetzung der Suspension gefordert, scheidet deshalb eine rein volume­ trische Dosierung aus. Dabei sollen in verfahrenstechni­ scher Hinsicht vor allem die folgenden Kriterien erfüllt sein:

• - Der Mischer muß in der Lage sein, die beiden Einzelkom­ ponenten (Flüssigkeit und Feststoff) in der Verweil- oder Durchlaufzeit durch den Mischer zu einer homogenen, dispersen Suspension aufzuschließen; und
• - die Zuteil- oder Dosierorgange für die Flüssig- und die Feststoffkomponente müssen gewährleisten, daß zu jedem Zeitpunkt die geforderte Proportionalität zueinander erhalten bleibt.

Dies ist nach heutigem Kenntnisstand jedoch nur durch Ermittlung des genauen Massendurchflusses oder der Dichte möglich.

Nach dem derzeit bekannten Stand der Technik werden dazu verschiedene Methoden angewandt.

So ist es zum einen bekannt, daß der Mengendurchsatz der Flüssigkomponente mit einem in die Rohrleitung eingebau­ ten, magnetisch-induktiven oder Ultraschall-Durchflußmes­ ser gemessen wird.

Das erhaltene Signal kann als Regelsignal einer Steuerung zugeführt werden, worüber ein servobetriebenes Stellventil ansteuerbar ist, um den Flüssigkeitsdurchsatz konstant zu halten.

Der Mengendurchsatz der pulverförmigen Feststoffkomponente wird ebenfalls gemessen, und zwar beispielsweise entweder mittels einer Bandwaage, einer Prallplattenwaage oder einer Differenzierwaage. Eine Bandwaage scheidet bei pul­ verförmigen Feststoffen insbesondere aufgrund der auftre­ tenden Staubentwicklung aus. Eine Prallplattenwaage ist jedoch auch nachteilig. Sie weist vor allem große Einbau­ abmessungen auf, erfordert einen hohen Kalibrieraufwand bei Produktwechsel, ist empfindlich gegen Lageänderung und zudem ungenau bei großen Schwankungen des Mengendurchsat­ zes. Zusätzlich verursacht eine Prallplattenwaage auch große Anschaffungskosten.

Eine Differenzierwaage weist ebenfalls große Einbauabmes­ sungen auf und ist vor allem für große Durchsatzmengen nicht geeignet. Während der Befüllzeit des Pufferbehälters ist die Gewichtabnahme nicht meßbar, was zu einem unkon­ trollierten Mengendurchsatz führt. Deshalb erfordert eine Differenzierwaage auch relativ hohe Anschaffungskosten.

Es ist deshalb auch schon ein Regelverfahren vorgeschlagen worden, bei welchem, wie oben beschrieben, der Mengen­ durchsatz der Flüssigkomponente gemessen und über ein ent­ sprechendes Meßsignal mittels einer Regeleinrichtung der Flüssigkeitsdurchsatz konstant gehalten wird. Dabei ist ferner erforderlich, daß alternativ zur Messung des Masse­ durchsatzes der Feststoffkomponente die Dichte der Fertig­ suspension am Mischerauslauf mit einem Massedurchflußmes­ ser gemessen wird. Eine Veränderung der Dichte bewirkt eine Veränderung des elektrischen Meßsignals, welches somit zusätzlich zur Regelung der Feststoffmenge verwandt werden kann.

Für die kontinuierliche Dichtemessung der Suspension wird nach dem Stand der Technik ein Massedurchflußmesser einge­ setzt, der entweder nach dem Coriolis-Kraft-Meßprinzip oder nach dem radiometrischen Maßprinzip arbeitet.

Nach dem Coriolis-Kraft-Meßprinzip arbeitende Meßgeräte erfordern aber ebenfalls wieder relativ hohe Anschaffungs­ kosten. Zudem sind sie sehr empfindlich gegen Material­ ablagerungen im Rohr (beispielsweise bei Zement oder ähn­ lichem), erfordern einen hohen Reinigungsaufwand und un­ terliegen bei abrasiven Medien einem hohen Verschleiß, wodurch hohe Reparaturkosten verursacht werden.

Bei auf dem Prinzip der radiometrischen Dichtemessung basierenden Meßgeräten wird ähnlich den auf medizinischen Gebiet bekannten Röntgengeräten die Dichte des Meßstoffes über die Absorption ionisierender Strahlungen ermittelt und elektronisch ausgewertet. Auch diese Geräte sind rela­ tiv teuer. Vor allem erfordern derartige Geräte den Ein­ satz radioaktiver Stoffe zur Messung, weshalb der Betrieb eines derartigen Gerätes die Genehmigung der zuständigen Behörde und den Einsatz eines Strahlenschutzbeauftragten beim Betreiber voraussetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher ein verbessertes Regelverfahren zur kontinuierlichen Herstel­ lung einer homogenen Suspension sowie eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, die mit vergleichsweise geringem Aufwand und bei geringeren Anschaffungskosten ein verbes­ sertes Ergebnis zur Folge hat.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens gemäß den im Anspruch 1 und bezüglich der Vorrichtung gemäß den im Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es kann als durchaus überraschend bezeichnet werden, daß mittels der vorgeschlagenen Erfindung ein Regelverfahren möglich ist, welches bei geringem Aufwand stets gewähr­ leistet, daß zu jedem Zeitpunkt die geforderte Proportio­ nalität zwischen der Flüssigkeits- und der Feststoffkom­ ponente mit geringsten Toleranzen aufrecht und eingehalten wird.

Dies ist dadurch möglich, daß als Regelgrößen - wie im Stand der Technik auch - zum einen der Mengendurchsatz der Flüssigkeitskomponente mit einem geeigneten Meßgerät, vor­ zugsweise einem Ultraschall- oder magnetisch-induktiven Durchflußmeßgerät gemessen wird, und daß ferner erfin­ dungsgemäß eine weitere Meßgröße bezüglich der am Mischer­ auslauf meßbaren Fertigsuspension erzeugt wird, wobei hier im Gegensatz zum Stand der Technik nicht der Massendurch­ satz, sondern die Gesamtdurchsatzmenge der Suspension gemessen wird. Das Regelprinzip arbeitete dabei auf der Grundlage, daß bei Zuführung eines Mengenstromes "X" (bei­ spielsweise in Form der pulverförmigen Feststoffkomponen­ te) in einen vorzugsweise konstanten Mengenstrom "Y" (z. B. in Form der wäßrigen Flüssigkeitskomponente) der entste­ hende Gesamtmengenstrom sich in Abhängigkeit vom zugeführ­ ten Mengenstrom "X" verändern muß.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat es sich als besonders günstig erwiesen, als Meßgröße für die Suspension am Auslauf des Mischers einen magnetisch-induk­ tiven Durchflußmesser oder beispielsweise einen Ultra­ schall-Durchflußmesser einzusetzen. Diese Meßgeräte arbei­ ten hoch genau und lassen sich zu vergleichsweise geringen Anschaffungskosten bereitstellen. Handelsübliche magne­ tisch-induktive Mengendurchflußmesser erbringen beispiels­ weise eine reproduzierbare Genauigkeit von ca. 0,1% des Meßwertes.

Durchflußmengen-Meßgeräte zur Messung der Durchflußmenge der Suspension am Auslauf des Mischers sind zwar bereits bei entsprechenden Mischeranlagen verwandt worden. Der­ artige Meßgeräte wurden aber niemals für ein entsprechen­ des Regelverfahren zur Herstellung einer Suspension unter stetiger Aufrechterhaltung einer gewünschten Proportiona­ lität zwischen den verschiedenen Komponenten eingesetzt, sondern lediglich als reine Durchflußmengen-Meßgeräte zur Ermittlung und Protokollierung der tatsächlich hergestell­ ten und abgegebenen Mengen, um beispielsweise auf dieser Grundlage die angefallenen Kosten zu berechnen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine entsprechende elektrische/elektronische Regeleinrichtung mit zumindest zwei Meßgeräten zur Messung der Flüssigkeits- und der Sus­ pensions-Durchflußmenge, wobei die Meßgeräte bevorzugt auf einem magnetisch-induktiven oder Ultraschall-Meßgerät ba­ sieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren wie die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich aber nicht nur zur Herstellung einer homogenen Suspension, sondern vor allem auch einer homogenen Emulsion. Bei der Emulsion handelt es sich be­ kanntermaßen um eine Dispersion, bei der eine Flüssigkeit in Form feiner Tröpfchen in einer anderen verteilt ist. Allgemein kann das Verfahren immer dann angewandt werden, wenn zumindest eine der beiden zu mischenden Komponenten flüssig oder zumindest fließfähig, also zumindest pastös und damit dickflüssig ist. Von daher findet das erfin­ dungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung bei allen ent­ sprechenden Systemen aus mehreren Phasen, also sogenannten Dispersionen Anwendung. Beispiele derartiger Dispersionen sind die eben genannten Emulsionen sowie die Suspension.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus dem anhand einer Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispiel.

In der Zeichnung ist ein kontinuierlich arbeitender und von einem Motor 1′ angetriebener Mischer 1 gezeigt, welchem über einen ersten Zulaufsweg 3 eine Flüssigkeitskomponente beispielsweise in Form von Wasser aus einem Lagerbehälter 5 zugeführt wird. Der Mischer arbeitet dabei derart, daß sich keinerlei Füllstandsschwankungen einstellen, die sich unter Umständen zeitverzögert am Mischerauslauf durch Veränderung des Gesamtmengendurchsatzes auswirken würden.

Zwischen dem Lagerbehälter 5 und dem Mischer 1 ist eine Pumpe 9, ein vorzugsweise elektrisch bzw. elektrisch-ma­ gnetisch ansteuerbares Stellventil 11 und ein Durchfluß­ messer 13 zur Messung der Einflußmenge der Flüssigkeits­ komponente angeordnet. Der Durchflußmesser 13 kann auch unter Umständen vor dem Stellventil bzw. der Pumpe 9 ange­ ordnet sein.

Über einen zweiten Zulaufweg 15 wird von einem Lagerbehäl­ ter 17 die vorzugsweise pulverisierte Feststoffkomponente ebenfalls dem Mischer 1 zugeführt. Dazu ist am unteren Auslauf des Lagerbehälters 17 ein Dosierorgan 19 vorzugs­ weise in Form einer Förderschnecke vorgesehen, welche über einen elektrisch ansteuerbaren Motor 21 angetrieben wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die entsprechend do­ sierte Feststoffkomponente über einen Trichter 23 dem Mischer 1 zugeführt.

Über einen Auslauf 25 am Mischer 1 wird die dann fertig­ gestellte Suspension abgegeben, wobei dem Auslauf 25 nach- bzw. zugeordnet ein weiteres Meßgerät in Form eines Men­ gendurchfluß-Meßgerätes 27 angeordnet ist.

Es ist in der Zeichnung auch noch eine elektrisch/elek­ tronische Regeleinrichtung 29 vorgesehen, der das von dem Mengendurchfluß-Meßgerät 13 für die Flüssigkeitskomponente erzeugte Meßsignal M_fl und das von dem Mengendurchfluß-Meß­ gerät 27 erzeugte Durchflußmengen-Signal M_fest der Regel­ einrichtung 29 zugeführt und in Abhängigkeit der dort ein­ gestellten Stellwerte entsprechende Regelgrößen erzeugt werden.

Bevorzugt erfolgt die Regelung derart, daß, insbesondere bei Verwendung eines manuell einstellbaren Stellventiles 11 zur Grobeinstellung einer bestimmten Durchflußmenge der Flüssigkeitskomponente der jeweils tatsächliche Ist-Wert der dem Mischer 1 zugeführten Durchflußmenge gemessen und ansonsten die Einstellung des Stellventiles 11 nicht ver­ ändert wird. In Abhängigkeit des gemessenen Mengen­ durchfluß-Meßsignals für die Flüssigkeitskomponente M_fl wird dann zur Einhaltung einer gewünschten Proportionalität zwischen den Komponenten über die Regeleinrichtung 29 das Meßsignal M_susp so ausgewertet, daß darüber das Dosierorgan 19, d. h. insbesondere dessen Motor 21 so angesteuert wird, daß stets die zu einer bestimmten Durchflußmenge der Flüs­ sigkeitskomponente entsprechende Menge der Feststoffkom­ ponente dem Mischer 1 zugeführt wird.

Insbesondere bei Verwendung eines elektrisch ansteuerbaren Stellventiles 11 ist es natürlich genauso möglich, bei einer Abweichung des gemessenen Durchfluß-Mengenwertes für die ermittelte Suspension von dem gewünschten Soll-Wert die Durchflußmenge der Flüssigkeitskomponente entsprechend nachzuregeln, damit die gewünschten Soll-Werte für die Durchflußmenge der Suspension wieder erreicht werden.

Das Verfahren soll nachfolgend kurz beschrieben werden.

Wird beispielsweise dem Mischer 1 100 kg/min Flüssigkeits­ komponente (z. B. Wasser) und 93 kg/min Zement zugeführt, so ergibt dies einen Meßwert der Durchflußmenge der Sus­ pension von 130 Litern/Min.

Soll der vorstehend genannte Wert beispielsweise der ge­ wünschte Soll-Wert sein, und würde das Mengen-Durchfluß- Meßgerät 27 am Mischerausgang für die Suspension einen Ab­ gabewert von beispielsweise 140 Litern/min bei unverändert gemessenen 100 Litern/min für die zugeführte Flüssigkeits­ menge messen, so heißt dies letztlich, daß 10 Liter/min zuviel an der Feststoffkomponente dem Mischer zugeführt wurden. Bei einer Dichte des Zementes von beispielsweise 3,1 kg/dm³ entspricht dies einer Menge von 31 kg/Min., die dem Mischer an Zement zuviel zugeführten wurden, da da­ durch die Dichte den gewünschten Soll-Wert der Suspension von beispielsweise 1,48 kg/dm³ auf 1,60 kg/dm³ abweichen würde. Die entsprechenden Daten sind beispielhaft am Ende der Beschreibung in der dort wiedergegebenen Tabelle auf­ geführt.

Die gemessenen Mengen Durchfluß-Meßgrößen können natürlich auch noch ergänzend zur statistischen Protokollierung der Ist-Zweitwerte bzw. für Summenprotokolle herangezogen werden.

Insbesondere bei Verwendung von magnetisch-induktiven Durchfluß-Meßgeräten lassen sich extrem hohe bisher nicht gekannte Genauigkeiten für ein derartiges Regelverfahren erzielen. Handelsübliche magnetisch-induktive Durchfluß- Meßgeräte erbringen eine reproduzierbare Genauigkeit von beispielsweise 0,1% des Meßwertes.

Claims (10)

1. Regelverfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer homogenen Dispersion, insbesondere Suspension aus zumin­ dest einer vorzugsweise aus Wasser bestehenden Flüssig­ keitskomponente und einer weiteren vorzugsweise in Form einer pulverförmigen Feststoffkomponente vorliegenden Mischkomponente mit folgenden Merkmalen

• - dem Mischer wird die Flüssigkeits- und die weitere Mischkomponente zugeführt,
• - zumindest die eine Flüssigkeits- oder die weitere Misch­ komponente wird in Abhängigkeit eines Regelsignales do­ siert,
• - die Dosierung erfolgt über eine Regeleinrichtung, der als eine Meßgröße ein Mengen-Durchfluß-Meßsignal für die Flüssigkeitskomponente zugeführt wird,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale

• - als weitere Meßgröße wird am Ausgang des Mischers die Durchflußmenge der abgegebenen Dispersion gemessen und ein Mengen-Durchfluß-Signal für die Dispersion erzeugt,
• - mit der Regeleinrichtung wird in Abhängigkeit bzw. unter Berücksichtigung dieser Meßgrößen und in Abhängigkeit von einem eingegebenen Soll-Wert für das Verhältnis der Mischungskomponenten eine entsprechende Dosierung der Flüssigkeits- oder der weiteren Mischkomponente durchge­ führt.

2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem ermittelten Regelsignal die Durchlaufmenge der weiteren Mischkomponente dosiert wird, wobei ein im Zulaufweg (3) für die Flüssigkeitskomponente angeordnetes Stellventil (11) bezüglich seines Einstell­ wertes unverändert bleibt.

3. Regelverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Abhängigkeit von dem ermittelten Regelsi­ gnal die Durchlaufmenge der Flüssigkeitskomponente dosiert wird, mit dem vorzugsweise ein elektrisch ansteuerbares Stellventil (11) entsprechend angesteuert wird.

4. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Messung der abgegebenen Durchflußmenge der Dispersion mittels Ultraschall erfolgt.

5. Regelverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Messung der abgegebenen Durchflußmenge der Dispersion magnetisch-induktiv erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Regelverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den folgenden Merkmalen

• - es ist ein Mischer (1) vorgesehen,
• - in einem ersten, zum Mischer (1) führenden Zulaufweg (3) ist ein Stellventil (11), ein Mengen-Durchfluß-Meßgerät (13) zur Messung der Durchflußmenge der Flüssigkeitskom­ ponente und vorzugsweise ein Förderorgan in Form einer Pumpe (9) vorgesehen,
• - in einem zweiten Zulaufweg (15) zum Mischer (1) ist ein Dosierorgan (19) angeordnet,
• - dem Auslauf des Mischers (1) ist ein weiteres Meßgerät zur Meßung der abgegebenen Durchflußmenge der Dispersion zugeordnet,
• - eine elektrisch/elektronischen Regeleinrichtung (29) zur Ansteuerung zumindest eines Zuteil- und Dosierorgans (19) ist vorgesehen,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale

• - das Meßgerät am Auslauf des Mischers (1) besteht aus einem Mengen-Durchfluß-Meßgerät (27), und
• - die Regeleinrichtung (29) erzeugt ein Dosiersignal zur Ansteuerung des Stellventiles (11) im Flüssigkeits-Zu­ laufweg (3) und/oder zur Ansteuerung des Dosierorgans (19) im Zulaufweg (15) der weiteren Mischkomponente, und zwar in Abhängigkeit von dem von dem Mengen-Durchfluß- Meßgerät (13) für die Messung der Flüssigkeitskomponente sowie von dem von dem Mengen-Durchfluß-Meßgerät (27) zur Messung der Durchflußmenge der Dispersion erzeugten Meßsignals und in Abhängigkeit eines eingegebenen Soll- Wertes für das Verhältnis der Mischungskomponenten.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengen-Durchfluß-Meßgerät (27) am Auslauf des Mischers (1) aus einem magnetisch-induktiven Durchfluß- Meßgerät besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengen-Durchfluß-Meßgerät (27) am Auslauf des Mischers (1) aus einem Ultraschall-Durchfluß-Meßgerät be­ steht.