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Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung bzw. Regelung eines Fest-Flüssig-Trennverfahrens - Dokument DE4437062A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4437062A1 18.05.1995
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung bzw. Regelung eines Fest-Flüssig-Trennverfahrens
Anmelder Andritz-Patentverwaltungs-Ges.m.b.H., Graz, AT
Erfinder Cadek, Walter, Dipl.-Ing., Graz, AT;
Kappel, Johannes, Dipl.-Ing. Dr.techn., Graz, AT;
Neuhold, Rudolf, Ing., Gratwein, AT
Vertreter Viering, H., Dipl.-Ing.; Jentschura, R., Dipl.-Ing.; Schlee, A., Dipl.-Ing., 80538 München; Nobbe, M., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., 46047 Oberhausen; Bogsch, A., Dipl.-Elektroing., Pat.-Anwälte; Festl-Wietek, W., Dr., Rechtsanw., 80538 München
DE-Anmeldedatum 17.10.1994
DE-Aktenzeichen 4437062
Offenlegungstag 18.05.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.05.1995
IPC-Hauptklasse B01D 37/04
IPC-Nebenklasse B01D 33/052   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und bzw. oder Regelung eines Fest-Flüssig-Trennverfahrens, beispielsweise Entwässerung oder Trocknung, wobei mindestens zwei mit je einer Lichtquelle assoziierte Fotodetektoren von der Oberfläche der Feststoff-Flüssigkeit-Masse reflektiertes Licht der zugeordneten Lichtquelle aufnehmen, ein von der Lichtaufnahme abhängiges Ausgangssignal erzeugen und die Ausgangssignale der Fotodetektoren verknüpft und zu Stellwerten zur Steuerung und bzw. oder Regelung mindestens eines Verfahrensparameters verarbeitet werden. Die Erfindung ist vornehmlich dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der Fotodetektoren zumindest ein weiterer Fotodetektor zur Erfassung von im Winkel, vorzugsweise einem Winkel von 30°, zur Reflexionsrichtung auf den Fotodetektor reflektiertem Licht zugeordnet ist, wobei vorteilhaft die Ausgangssignale der Fotodetektoren zu Stellwerten für die schrittweise Änderung des mindestens einen Verfahrensparameters im Sinne einer Optimierung des damit erzielbaren Ergebnisses verarbeitet werden. Die Erfindung betrifft weiter ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und bzw. oder Regelung eines Fest-Flüssig-Trennverfahrens, beispielsweise Entwässerung oder Trocknung, wobei mindestens zwei mit je einer Lichtquelle assoziierte Fotodetektoren von der Oberfläche der Feststoff-Flüssigkeit-Masse reflektiertes Licht der zugeordneten Lichtquelle aufnehmen, ein von der Lichtaufnahme abhängiges Ausgangssignal erzeugen und die Ausgangssignale der Fotodetektoren verknüpft und zu Stellwerten zur Steuerung und bzw. oder Regelung mindestens eines Verfahrensparameters verarbeitet werden. Sie betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Als Beispiel eines Fest-Flüssig-Trennverfahrens ist ein Entwässerungsverfahren zu nennen. Zur Entwässerung von Schlämmen mit niederer Konsistenz wird dem Schlamm vor dem Eintritt in den Stoffauflauf einer Entwässerungsmaschine, z. B. eines Siebtisches, ein Flockungsmittel (Polymer) beigemischt. Dieses Flockungsmittel verbessert die Entwässerbarkeit auf der Entwässerungsmaschine ganz wesentlich.

Die Dosierung des Flockungsmittels ist ein wichtiger Parameter, einerseits aus technologischen Gründen, da nur bei richtiger Dosierung der höchste Trockengehalt des Schlammes erreichbar ist, aber auch aus wirtschaftlichen Überlegungen, um Einsparungen an, meist sehr teuren, Flockungsmitteln zu erreichen. Sowohl Über- als auch Unterflockung verschlechtert die Effizienz des Fest-Flüssig-Trennvorganges. Darüber hinaus ist es aus wirtschaftlichen Überlegungen notwendig, die Dosierung auf dem Optimum zu halten, damit unnötige Überflockung vermieden wird.

Bei händischer Einstellung der Flockungsmittelmenge, wie dies häufig der Fall ist, bestehen hohe Anforderungen an das Bedienpersonal sowohl in bezug auf die Beurteilungsfähigkeit des richtigen Flockungszustandes, als auch bezüglich der Konzentration und Wachsamkeit. Dabei ist erschwerend, daß Verstellungen der Flockungsmittelmenge erst nach mehreren Minuten in ihrer Wirkung sichtbar werden, weil die Einmischstelle von Flockungsmittel entsprechend weit vor dem Stoffauflauf angeordnet wird, um dem Schlamm die entsprechende Zeit zur Flockung zu geben, bevor dieser auf das Sieb gelangt.

Bekannte automatische Verfahren, wie z. B. nach der EP-B-0 316 997, nehmen z. B. durch Fotodetektoren reflektiertes Licht von einer feuchten Oberfläche auf, vergleichen den Wert mit einem Sollwert und regeln danach z. B. die Flockungsmittelmenge. Dies hat den großen Nachteil, daß praktisch für jede Schlammzusammensetzung ein neuer Sollwert vorgegeben werden muß und die Anlage somit bei stark schwankenden Eingangsbedingungen, wie z. B. Schlammzusammensetzung, nur sehr ungenügend funktioniert.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, die unabhängig von den Eingangsbedingungen immer einen optimalen Ausgangswert, wie z. B. Trockengehalt einstellt bzw. regelt.

Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß mindestens einem der Fotodetektoren zumindest ein weiterer Fotodetektor zur Erfassung von im Winkel, vorzugsweise einem Winkel von 30°, zur Reflexionsrichtung auf den Fotodetektor reflektiertem Licht zugeordnet ist, wobei vorteilhaft die Ausgangssignale der Fotodetektoren zu Stellwerten für die schrittweise Änderung des mindestens einen Verfahrensparameters im Sinne einer Optimierung des damit erzielbaren Ergebnisses verarbeitet werden. Durch die Kombination von Signalen für in Hauptreflexionsrichtung und im Winkel zur Hauptreflexionsrichtung reflektiertem Licht einer Lichtquelle, kann auch bei stark schwankenden Eingangsbedingungen, insbesondere Schlammzusammensetzungen, ein dem tatsächlichen Trockengehalt entsprechendes Signal erzeugt werden.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Fotodetektoren zur Erfassung von zumindest im wesentlichen entgegen der Einstrahlrichtung reflektiertem Licht vorgesehen ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus dem Ausgangssignal des mindestens einen Fotodetektors und dem Ausgangssignal des mindestens einen zugeordneten Fotodetektors als Stellwert verarbeitet wird. Durch die Quotientenbildung kann der Trockengehalt bzw. der Trockengehaltsunterschied besonders günstig und weitestgehend unabhängig von den oft schwankenden Eingangsbedingungen bestimmt werden.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Signale von entlang des Fest-Flüssig-Trennweges angeordneten Fotodetektoren aufgenommen und verarbeitet werden. Durch diese mehrfache Aufnahme von Signalen kann ein Verlauf der Fest-Flüssig-Trennung besonders gut verfolgt und entsprechend den Erfordernissen eingestellt bzw. geregelt werden.

Eine günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß als zu optimierendes Ergebnis (Zielwert) die Differenz des Trockengehaltes am Anfang und am Ende des Fest-Flüssig-Trennweges herangezogen wird. Wesentlich für die Entwässerungs- bzw. Trocknungsleistung ist die Entfernung der Flüssigkeit, die am besten durch die Trockengehaltsdifferenz zwischen Anfang und Ende des Trennweges bestimmt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als zu optimierendes Ergebnis (Zielwert) die Lage des Wendepunktes des Trockengehaltsverlaufes (Wasserlinie) herangezogen wird. Die Erfassung des Trockengehaltsverlaufes bzw. der Wasserlinie gibt besonders gute Hinweise auf die Effizienz der Entwässerung bzw. Trocknung, da diese besonders gut ist, wenn sie schnell verläuft, d. h. der Wendepunkt des Trockengehaltes möglichst weit zum Anfang der Trennzone verschoben ist.

Um die Abhängigkeit des Zielwertes und somit auch dessen Optimums von mehreren, insbesondere allen, beeinflußbaren Verfahrensparametern zu berücksichtigen, ist es vorteilhaft, wenn mehrere Verfahrensparameter, beispielsweise schrittweise, geändert werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zu ändernde Verfahrensparameter die Flockungsmittelmenge ist. Bei Entwässerungsverfahren wirkt sich die Änderung der Flockungsmittelzugabe besonders stark auf die Entwässerungsleistung aus, wobei sowohl ein Oberals auch eine Unterdosierung ungünstig sind.

Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zu ändernde Verfahrensparameter die Sieb- bzw. Maschinengeschwindigkeit ist. Durch die Maschinengeschwindigkeit wird die Verweilzeit des zu entwässernden bzw. zu trocknenden Materials, z. B. Schlamm bzw. Papier in der Trennzone bestimmt und diese hat somit ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf das Ergebnis (Zielwert) des Verfahrens.

Eine günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der zu optimierende Verfahrensparameter die Energiezufuhr in Form von Dampf, heißem Gas, insbesondere Luft und bzw. oder elektrische Energie ist. Speziell bei Trocknungsverfahren, die einen Kontakt- und einen Konvektionstrocknungsanteil aufweisen, ist eine Optimierung des Verhältnisses auch in Abhängigkeit des Trocknungsergebnisses, speziell in Hinblick auf die Energiekosten erforderlich und kann mit dem erfindungsgemäßen System in vorteilhafter Weise durchgeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Optimum dann als erreicht angenommen wird, wenn sich der Zielwert nur mehr innerhalb vorgegebener Schranken ändert. Um ein ständiges Schwanken um das Optimum und in weiterer Folge Schwankungen des gesamten Trennverfahrens zu verhindern, ist es zweckmäßig, den Optimierungsvorgang zu beenden, wenn die sich ergebenden Verbesserungen geringer als ein vorgegebener Minimalwert sind.

Eine günstige Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des Optimums und nach Ablauf einer Wartezeit erneut zumindest ein Verfahrensparameter geändert wird. Da sich die Eingangsbedingungen häufig ändern, ist es vorteilhaft, wenn nach einer gewissen Wartezeit erneut eine Optimierung der einzelnen Verfahrensparameter für einen optimalen Zielwert durchgeführt wird.

Die Erfindung betrifft auch ein System zur Steuerung und bzw. oder Regelung eines Fest-Flüssig-Trennverfahrens, beispielsweise Entwässerung oder Trocknung, mit mindestens zwei Fotodetektoren zur Aufnahme von, von der Oberfläche der Feststoff-Flüssigkeit-Masse reflektiertem, Licht und Erzeugung eines von der Lichtaufnahme abhängigen Ausgangssignals, mit je einer den Fotodetektoren zugeordneten Lichtquelle und mit einer Einrichtung zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der Fotodetektoren und Regelung zumindest eines Verfahrensparameters.

Erfindungsgemäß ist dazu zumindest einem der Fotodetektoren zumindest ein weiterer Fotodetektor zur Erfassung in im Winkel, vorzugsweise einem Winkel von 30°, zur Reflexionsrichtung auf den Fotodetektor reflektiertem Licht zugeordnet.

Eine Weiterbildung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Fotodetektoren zur Erfassung von zumindest im wesentlichen entgegen der Einstrahlrichtung reflektiertem Licht vorgesehen ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodetektoren und zugeordneten weiteren Fotodetektoren jeweils in einer Sensoreinheit untergebracht sind.

Eine günstige Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ebenfalls in der Sensoreinheit untergebracht ist.

Besonders günstig läßt sich das System gestalten, wenn mehrere Fotodetektoren insbesondere Sensoreinheiten, entlang des Fest-Flüssig-Trennweges angebracht sind.

Eine günstige Ausgestaltung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Fest-Flüssig-Trennverfahren ein Entwässerungsverfahren ist, wobei ein Siebtisch bzw. eine Seihzone einer Siebbandpresse, ein Siebband, eine Schlammzufuhreinrichtung sowie eine Flockungsmittelzufuhreinrichtung und eine Mischeinrichtung für Schlamm und Flockungsmittel vorgesehen sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Fest-Flüssig-Trennverfahren ein Trocknungsverfahren ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einrichtung zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der Fotodetektoren mit einer Einrichtung zur Regelung der Flockungsmittelmenge verbunden ist.

Eine günstige Weiterentwicklung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der Fotodetektoren mit einer Geschwindigkeitsregelung für den Antrieb des Siebtisches bzw. Seihbandes verbunden ist.

Die Erfindung wird nun anhand einer Anwendung für ein Entwässerungsverfahren näher erläutert.

Eine Möglichkeit der Beeinflussung des Entwässerungsergebnisses besteht in der Zugabe von Flockungsmittel. Es gibt nun verschiedene Methoden, die Menge an Flockungsmittel zu regeln. Es sind Methoden bekannt, die die Filtratbelastung messen, oder auch die Ionenkonzentration im Filtrat bestimmen. Allen diesen Methoden haftet jedoch der Nachteil an, daß unmittelbarer Kontakt mit dem Schlamm bzw. Filtrat notwendig ist und damit eine lästige Sorgfaltspflicht in bezug auf die Sauberhaltung der Meßeinrichtung besteht. Faulende Schlammreste zufolge längerer Stillstände können die Regelung stark beeinträchtigen oder gar erheblichen Schaden anrichten. Das erfindungsgemäße System ist demgegenüber beinahe wartungsfrei. Sogar die einzige verbleibende Wartungstätigkeit, das Eineichen der Sensoren ist weitgehend automatisiert, so daß dies innerhalb der normalerweise auftretenden Betriebspausen problemlos durchgeführt werden kann und sich die manuelle Bedienung im Normalbetrieb überhaupt erübrigt.

Das System gemäß der Erfindung mißt über Sensoren, vorteilhaft Infrarot- Detektoren, berührungslos die Oberfläche des Schlammes. Aus dem Unterschied des Reflexionsverhaltens von "nassem" und "trockenem" Schlamm kann der Entwässerungsvorgang am Sieb erfaßt werden. Als Ergebnis kann die Flockungsmittelzugabe und bzw. oder die Siebgeschwindigkeit optimiert werden.

Zur Optimierung werden im wesentlichen die Trockendifferenz (siehe Fig. 2, 2a) und die Wasserlinie (siehe Fig. 3, 3a) erfaßt.

Das Signal "Trockendifferenz" entspricht dem Unterschied zwischen den optischen Eigenschaften des Schlammes, wie er vom Stoffauflauf kommt (nasser Zustand) und den Eigenschaften des Schlammes gegen Ende des Sieb- oder Seihtisches (trockener Zustand). Als Näherung entspricht dieses Signal dem Unterschied des Trockengehaltes (Trockendifferenz).

Steigt der Unterschied im Trockengehalt zwischen Stoffauflaufseite und Schlammabwurfseite, so wird die Trockendifferenz größer (höherer Zahlenwert).

Die Regelung auf Trockendifferenz ist daher bestrebt, die Trockendifferenz möglichst hoch zu halten.

Der Zustand mit der höchsten Trockendifferenz entspricht daher dem Zustand optimaler Flockung, da in diesem Zustand das Wasser am raschesten durch das Sieb abfließt.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Erfassung der Wasserlinie. Mit "Wasserlinie" bezeichnet man den Wendepunkt im Kurvenverlauf des Trockengehalts, wobei die Trockengehaltkurve des Schlammes entlang des Siebes in Bahnlaufrichtung ermittelt und auch als "Entwässerungslinie" bezeichnet wird. Bei der Erkennung des Trocknungszustandes als optisches Abbild entlang einer Entwässerungslinie (in Sieblaufrichtung) fällt auf, daß bei optimaler Entwässerung die verschiedenen Entwässerungsphasen bereits kurz nach dem Stoffauflauf durchlaufen werden.

Bei nicht optimaler Entwässerung befinden sich diese Phasen eher am Ende der Entwässerungszone, sofern sie überhaupt noch auftreten.

Wird das optische Signal daher in der Form ausgewertet, daß eine Verschiebung der Phasen in Richtung Stoffauflauf (bessere, weil schnellere Entwässerung) einen höheren Zahlenwert für die "Wasserlinie" bewirkt, so kann dieser Wert ebenfalls zur Regelung der Flockungsmittelmenge bzw. der Siebgeschwindigkeit herangezogen werden.

Der Zustand also, bei dem die Wasserlinie am weitesten in Richtung Stoffauflauf verschoben ist, entspricht daher dem Zustand optimaler Flockung.

Voraussetzung für die Funktion der "Wasserlinien-Regelung" ist eine ausreichende Anzahl von Sensoren entlang der Entwässerungslinie, so daß Verschiebungen entsprechend feinfühlig erkannt werden können.

Ausgehend von der Erfassung der Trockendifferenz bzw. der Wasserlinie soll nunmehr die Flockungsmittelzugabe und bzw. oder die Geschwindigkeit des Siebbandes so eingestellt werden, daß sich ein optimaler Wert, d. h. mit möglichst großem Zahlenwert für das erfaßte Signal ergibt. Herkömmliche Regelungen beruhen auf dem Vergleich zwischen Soll- und Istwert. Ist der Istwert z. B. kleiner als der Sollwert, wird eine Stellgröße ausgegeben, die zur Anhebung des Istwertes, und damit zur Verringerung der Abweichung des Istwertes vom Sollwert führt.

Da sowohl bei zu hoher, als auch bei zu niedriger Flockungsmittelmenge die Entwässerung schlechter wird, weiß ein Regler nicht von vornherein, ob sich mit einer Erhöhung oder Erniedrigung der Flockungsmittelmenge eine Verbesserung erzielen läßt. Ein üblicher Regler wird daher unter Umständen an einem vom Optimum weitab liegenden Betriebspunkt arbeiten. Da das Optimum aber sehr stark von den Eingangsparametern abhängt, ist auch der Sollwert nur schwer einstellbar und bei stark schwankenden Eingangsbedingungen praktisch nie richtig aufzufinden.

Das System nach der Erfindung arbeitet daher nach dem Prinzip eines "Optimierenden Iterators", und funktioniert wie folgt:

Es wird erst versucht, die Flockungsmittelmenge zu vermindern, da hierdurch Kosteneinsparungen erzielt werden könnten. Verbessert sich der Zustand zufolgedessen (höhere Trockendifferenz, bzw. höhere Wasserlinie), so versucht das System im nächsten Schritt eine Änderung in die gleiche Richtung (hier weitere Verringerung der Flockungsmittelmenge). Wirkt sich die Änderung jedoch negativ aus, so kehrt das System die Richtung um und versucht, in die Gegenrichtung zu verstellen. Diese Änderung erfolgt unentwegt, so daß das System schließlich ein Optimum findet, bei dem sowohl eine Verringerung, als auch eine Erhöhung der Flockungsmittelmenge eine Verschlechterung des Ergebnisses zur Folge hat.

Um das Optimum möglichst rasch aufzufinden, werden die Schrittweite der Änderung bei mehrfacher Verbesserung erhöht, so daß größere Änderungen in kurzer Zeit erfolgen. Beim Einschwingungen auf das Optimum (Richtungsumkehr) wird auf kleinere Schrittweiten umgeschaltet, so daß durch die notwendigen Flockungsmittelmengen-Änderungen keine unnötigen Schwankungen im Betrieb auftreten.

Dabei dienen die Lichtmengen, die von zwei einander zugeordneten, in verschiedenen Winkeln auf einen gemeinsamen Bereich der Substratoberfläche gerichteten Fotodetektoren, die eine Sensoreinheit bilden, in diesem Bereich von der Substratoberfläche reflektiertes Licht, das aus einer der Sensoreinheit zugeordneten Lichtquelle stammt, als auszuwertende Größen. Dabei stehen die Fotodetektoren vorzugsweise im Winkel von etwa 30° zueinander, wobei der eine der Fotodetektoren so angeordnet ist, daß er das entgegen der Lichteinstrahlrichtung reflektierte Licht - bei Bestrahlung der Substratoberfläche im rechten Winkel - bzw. das im selben Abstrahlwinkel gegenüber Senkrechten auf die Substratoberfläche wie der Einstrahlwinkel reflektierte Licht - bei Bestrahlung der Substratoberfläche im schrägen Winkel - erfaßt und der zugeordnete Fotodetektor einen Teil des nicht in diese Richtung reflektierten Lichts. Bei glatter, ebener Substratoberfläche (Substrat hat im wesentlichen eine Flüssigkeitsoberfläche, d. h. Trockensubstanzgehalt gering) wird der eine Fotodetektor eine große Lichtmenge erhalten und der zugeordnete Fotodetektor praktisch nichts. Je unebener die Substratoberfläche ist (Substrat hat im wesentlichen keine Flüssigkeitsoberfläche mehr, d. h. Trockensubstanzgehalt hoch), desto weniger Licht erhält der eine Fotodetektor und desto mehr der zugeordnete Fotodetektor.

Diese Anordnung ist somit ein ausgezeichnetes Mittel zur Erfassung eines Entwässerungsvorgangs.

Dabei ist eine Anordnung, bei der die Substratoberfläche im rechten Winkel bestrahlt wird, etwas unabhängiger vom Abstand der tatsächlichen Substratoberfläche von den Sensoren, der in gewissen Toleranzen variieren kann, als eine Anordnung mit Schrägbestrahlung. Die Anordnung mit Schrägbestrahlung hat auf der anderen Seite den Vorteil, daß die Fotodetektoren durch Wärmeentwicklung durch die Lichtquelle nicht beeinflußt werden.

Die Zeichnungen zeigen dazu in Fig. 1 eine schematische Übersicht über das Verfahren, Fig. 2 eine detaillierte Ansicht des Siebtisches aus Fig. 1, Fig. 2a den Verlauf der Trockendifferenz entlang des Entwässerungsweges entsprechend Fig. 2, Fig. 2b die Wasserlinie entlang des Entwässerungsweges entsprechend Fig. 2, Fig. 3 den Optimierungsvorgang und Fig. 4a und 4b Lichtreflexion und Lichtmengenverteilung in Abhängigkeit von der Schlammoberfläche, Fig. 5a, 5b eine Anordnung der Sensoren über einem Seihtisch in Seiten- bzw. Draufsicht, Fig. 6 eine Sensoreinheit in Seitenansicht.

Das gesamte System für eine Entwässerung ist in Fig. 1 dargestellt. Zu entwässernder Schlamm wird dabei über eine Schlammzufuhrleitung 5 einem Stoffauflauf 4 eines Siebtisches 1 oder gegebenenfalls der Seihzone einer Siebbandpresse zugeführt. Der Schlamm wird dabei durch eine Schlammpumpe 6, eine Schlammengenmessung 7, ein Mengenregelventil 8 und einen Mischer 10 zur Vermischung mit Flockungsmittel aus der Zufuhrleitung 9 geführt. Der Schlamm läuft vom Stoffauflauf 4 auf das Sieb 2 des Siebtisches 1, dessen eine Walze durch einen Motor 3 angetrieben wird. Das Filtrat tritt durch das Sieb 2 hindurch und wird durch den Filtratablauf 18 abgeführt, während der entwässerte Schlamm 19 am Ende des Siebes 2 abgenommen und deponiert bzw. weiterbehandelt wird. Mehrere je aus einem Fotodetektorenpaar und einer zugeordneten Lichtquelle bestehende Sensoren 15 messen über den Trockengehalt des Schlammes und geben das Signal an eine Regeleinheit 16 weiter. Die Regeleinheit 16 erhält außerdem ein Signal der Schlammengenmessung 7, die außerdem über einen Mengenregler 13, der von einem vorgelagerten Behälter ein Niveausignal erhalten kann, die Zufuhrmenge des Schlammes regelt. Ausgehend von den Trockengehaltssignalen der Sensoren 15 gibt die Regeleinheit 16 einen Mengenregler 14 für das Flockungsmittel einen Sollwert vor, der durch die Flockungsmittelmengenmessung 11 und ein Durchflußventil 12 eingestellt wird. Weiters kann die Regeleinheit 16 auch ein Signal an einen Geschwindigkeitsregler 17 abgeben, der den Antriebsmotor 3 des Siebtisches 1 regelt.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit dem Siebtisch 1, dem Stoffauflauf 4 sowie dem Filtratablauf 18 und der Abnahme des entwässerten Materials (Filterkuchen) 19. Darüber ist in Fig. 2a der Verlauf des Trockengehaltes TG entlang des Entwässerungsweges, d. h. entlang des Siebtisches 1, dargestellt. Ein Verlauf gemäß Linie 21 ist charakteristisch für eine Über- oder Unterflockung, während ein Verlauf gemäß Kurve 22 charakteristisch für ein Optimum ist. Hier ist die Trockendifferenz Tdiff, die zwischen Anfang und Ende des Siebtisches gemessen wird, ein Maximum.

Eine weitere Möglichkeit zur Regelung besteht in der Einstellung der sogenannten Wasserlinie. Über Fig. 2 bzw. Fig. 2a ist in Fig. 2b wiederum der Verlauf des Trockengehaltes TG aufgetragen. Bei einem Verlauf gemäß Linie 23 befindet sich der Wendepunkt 24 der Kurve an einer Stelle 25, die nahe dem Ende des Siebtisches 1 liegt, bzw. tritt in manchen Fällen überhaupt nicht auf. Ein derartiger Verlauf deutet auf Über- bzw. Unterflockung hin. Verläuft die Trocknung gemäß Linie 26, wobei der Wendepunkt 27 der Kurve an einer Stelle 28, liegt, die sich relativ nahe am Stoffauflauf befindet, so liegt hier ein Optimum für die Lage der sogenannten Wasserlinie vor. Wird der Lage des Wendepunktes 24, 27 ein höherer Zahlenwert zugeordnet, je näher er am Stoffauflauf 4 liegt, so kann dieser Wert ebenfalls zur Regelung der Flockungsmittelmenge herangezogen werden.

Der Vorgang der Optimierung ist in Fig. 3 dargestellt. Als zu optimierende Größe (y-Achse) kann z. B. die Trockendifferenz oder die Wasserlinie gewählt werden. Diese Größe weist abhängig von der Flockungsmittelmenge (jeweils für eine bestimmte Siebgeschwindigkeit) ein Optimum 29 in Form eines Maximums auf. Eine Abweichung vom Optimum kann einerseits eine Unterflockung 30 (linke Seite) oder eine Überflockung 31 (rechte Seite) darstellen. Der Vorgang läuft nun wie folgt ab. Zu Beginn wird versucht, die Flockungsmittelmenge zu reduzieren. Befindet man sich z. B. im Bereich der Überflockung 31 (rechte Seite), verbessert sich durch die Reduktion 32 der Zielwert 33, z. B. Trockendifferenz. Der nächste Schritt erfolgt somit in dieselbe Richtung. Befindet man sich zu Beginn im Bereich der Unterflockung 30, so ergibt eine Reduktion des Flockungsmittels eine Verschlechterung des Zielwertes. Es erfolgt hier eine Richtungsumkehr, so daß beim nächsten Schritt die Flockungsmittelmenge erhöht wird. Wird nun das Optimum 29 überschritten, so verschlechtert sich der Zielwert wiederum und die nächste Änderung erfolgt in die Gegenrichtung. Da zu erwarten ist, daß sich das Optimum zwischen den letzten Werten befindet, wird die Schrittweite der Änderung verringert, so daß letztendlich das Optimum beliebig genau erreicht werden kann. In der Praxis wird man bei einer Änderung des Zielwertes innerhalb vorgegebener Schranken keine weitere Optimierung mehr durchführen bzw. versuchen, weitere Parameter, wie z. B. die Siebgeschwindigkeit, zu optimieren. Da sich die Lage des Optimums in Abhängigkeit der Eingangsbedingungen rasch ändern kann, wird jedoch, gegebenenfalls nach einer entsprechenden Wartezeit, wiederum durch Änderung der Flockungsmittelmenge bzw. der Siebgeschwindigkeit versucht, das eventuell neue Optimum zu erreichen.

Fig. 4a zeigt die Reflexionslichtverteilung 36 bei einer Anordnung mit Bestrahlung der Substratoberfläche im rechten Winkel (Einstrahlrichtung S). Bei glatter Substratoberfläche 34 erhält der eine Fotodetektor 15a des Fotodetektorenpaares erheblich mehr Licht als der im Winkel dazu angeordnete zugeordnete Fotodetektor 15b; der Quotient Lichtmenge an 15a zu Lichtmenge an 15b ist hoch. Bei unebener Substratoberfläche 35 steigt der Anteil des vom zugeordneten Fotodetektor 15b erfaßten Lichts gegenüber dem Anteil des vom einen Fotodetektor 15a erhaltenen Lichts an, der Quotient wird niedriger. Daher kann der Quotient als für den Entwässerungsablauf repräsentative Stellgröße verarbeitet werden. Fig. 4b zeigt die Lichtverteilung bei einer Bestrahlung der Substratoberfläche im schrägen Winkel.

Fig. 5a, b zeigen eine mögliche Anordnung der Sensoren über einem Seihtisch und zwar in Seitenansicht (Fig. 5a) bzw. Draufsicht (Fig. 5b). Es ist hier wiederum der Siebtisch 1 mit dem Stoffauflauf 4, dem Sieb 2, dem Filtratablauf 18 sowie dem Filterkuchen 19 dargestellt. Oberhalb des Siebtisches sind an einer Halterung 39 mehrere, hier drei Sensoreinheiten 15 montiert. Dies stellt ein Minimum an Sensoreinheiten dar, um auch auf die Wasserlinie regeln zu können.

Fig. 6 zeigt nun eine Sensoreinheit 15 im Detail. Die gesamte Einheit kann in einem geschlossenen Gehäuse 42 untergebracht sein, um auch bei der herrschenden feuchten Umgebung an der Anlage ausreichend gegen Störungen gesichert zu sein. In diesem Gehäuse sind eine Lampe 40, die eine Halogenlampe sein kann, sowie zwei Fotodetektoren 15a, 15b untergebracht. Um nicht nur das in Hauptreflexionsrichtung, sondern auch das unter einem Winkel dazu reflektierte Licht zu messen, sind die Achsen der Lampe bzw. der Fotodetektoren gegeneinander geneigt. Bei der hier dargestellten Ausführung wird das Licht unter einem Winkel α, der vorzugsweise 30° beträgt, auf die Oberfläche 34, 35 des zu entwässernden Gutes ausgestrahlt. Die Anordnung ist so ausgelegt, daß die Achsen von Licht und Fotodetektoren sich bei einem genau vorgegebenen Abstand A der Einrichtung von der Oberfläche des Gutes, der etwa 100 mm beträgt, in einem Punkt treffen. Dadurch wird gewährleistet, daß auch bei geringfügigen Abweichungen der Lichtfleck immer genügend groß ist und die Messung des reflektierten Lichtes immer im angestrahlten Bereich erfolgt. Das in Hauptreflexionsrichtung reflektierte Licht wird hier vom ebenfalls um den Winkel α geneigten einen Fotodetektor 15a erfaßt, wohingegen der senkrecht angeordnete zugeordnete Fotodetektor 15b das unter dem Winkel α reflektierte Licht mißt. Alternativ könnte auch die Lampe senkrecht auf die Oberfläche strahlen und der zugeordnete Fotodetektor 15b zur Messung des unter einem Winkel reflektierten Lichtes um eben diesen Winkel geneigt sein, während der eine Fotodetektor 15a senkrecht auf die Oberfläche des Gutes ausgerichtet ist. Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung gewährleistet ein einfaches Zusammenspiel von Beleuchtungs- und Meßfläche und ermöglicht des weiteren eine einfache Bauweise der Sensoreinheit 15. Als Fotodetektoren können einfache Fototransistoren, die auch bei Lichtschranken Verwendung finden, eingesetzt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, vielmehr kann sie auch vorteilhaft bei anderen Fest-Flüssig-Trennverfahren, wie z. B. Trocknung angewandt werden. Hier kann z. B. der Energieeintrag in das System z. B. die Aufteilung der eingetragenen Energie auf die verschiedenen Energiearten (z. B. Dampf, Gebläse, Heizung) als Zielgröße eingesetzt werden, wobei entsprechend gesteuert bzw. geregelt werden muß. Eine zu geringe Trocknung führt ebenfalls zu Problemen z. B. bei der Abnahme des Papiers vom Trocknungszylinder. Da die Trocknung von Papier einerseits durch den Kontakt mit meist dampfbeheizten Zylindern, anderseits durch Aufblasen heißer Luft, die meist mit Gasbrennern erzeugt wird, erfolgt, kann auch das Verhältnis von Kontakttrocknung (am Zylinder) und Konvektionstrocknung (durch Aufblasen von heißer Luft) so optimiert werden, daß sich die geringsten Produktionskosten ergeben. Dabei sind neben den Qualitätsanforderungen an das zu trocknende Produkt, wie z. B. Papier auch die Energiekosten für z. B. Dampf, Gas und Strom (Umwälzventilatoren) zu beachten, wobei sich diese auch kurzfristig durch Wechsel der Produktqualität oder auch durch Einflüsse im firmeneigenen Kraftwerk ändern können. Auch hier kann durch schrittweise Änderung eines Parameters und Überprüfung des Zielwertes wie z. B. Energiekosten, in einfacher Weise ein Optimum erzielt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Steuerung und bzw. oder Regelung eines Fest-Flüssig- Trennverfahrens, beispielsweise Entwässerung oder Trocknung, wobei mindestens zwei mit je einer Lichtquelle assoziierte Fotodetektoren von der Oberfläche der Feststoff-Flüssigkeit-Masse reflektiertes Licht der zugeordneten Lichtquelle aufnehmen, ein von der Lichtaufnahme abhängiges Ausgangssignal erzeugen und die Ausgangssignale der Fotodetektoren verknüpft und zu Stellwerten zur Steuerung und bzw. oder Regelung mindestens eines Verfahrensparameters verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der Fotodetektoren, der in Hauptreflexionsrichtung reflektiertes Licht mißt, zumindest ein weiterer Fotodetektor zugeordnet ist, der im Winkel, vorzugsweise einem Winkel von 30°, zur Hauptreflexionsrichtung reflektiertes Licht derselben Lichtquelle mißt wobei vorteilhaft die Ausgangssignale der Fotodetektoren zu Stellwerten für die schrittweise Änderung des mindestens einen Verfahrensparameters im Sinne einer Optimierung des damit erzielbaren Ergebnisses verarbeitet werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Fotodetektoren zur Erfassung von zumindest im wesentlichen entgegen der Einstrahlrichtung reflektiertem Licht vorgesehen ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus dem Ausgangssignal des mindestens einen Fotodetektors und dem Ausgangssignal des mindestens einen zugeordneten Fotodetektors als Stellwert verarbeitet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale von entlang des Fest-Flüssig-Trennweges angeordneten Fotodetektoren verarbeitet werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zu optimierendes Ergebnis die Differenz des Trockengehaltes am Anfang und am Ende des Fest-Flüssig-Trennweges herangezogen wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als zu optimierendes Ergebnis der Wendepunkt des Trockengehaltsverlaufes (Wasserlinie) herangezogen wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verfahrensparameter geändert werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zu ändernde Verfahrensparameter die Flockungsmittelmenge ist.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zu ändernde Verfahrensparameter die Sieb- bzw. Maschinengeschwindigkeit ist.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zu ändernde Verfahrensparameter die Energiezufuhr in Form von Dampf, heißem Gas, insbesondere Luft und bzw. oder elektrischer Energie ist.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ergebnis ein Toleranzbereich des Optimums angenommen wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des optimalen Ergebnisses und nach Ablauf einer Wartezeit erneut zumindest ein Verfahrensparameter geändert wird.
  13. 13. System zur Steuerung und bzw. oder Regelung eines Fest-Flüssig- Trennverfahrens, beispielsweise Entwässerung oder Trocknung, mit mindestens zwei Fotodetektoren zur Aufnahme von von der Oberfläche der Feststoff- Flüssigkeit-Masse reflektiertem Licht und Erzeugung eines von der Lichtaufnahme abhängigen Ausgangssignals, mit je einer den Fotodetektoren zugeordneten Lichtquelle und mit einer Einrichtung zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der Fotodetektoren und Regelung zumindest eines Verfahrensparameters dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem der Fotodetektoren (15a) zur Messung des in Hauptreflexionsrichtung reflektierten Lichtes zumindest ein weiterer Fotodetektor (15b) zugeordnet ist, der im Winkel (α) vorzugsweise einem Winkel von 30°, zur Hauptreflexionsrichtung reflektiertes Licht derselben Lichtquelle (40) mißt.
  14. 14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Fotodetektoren zur Erfassung von zumindest im wesentlichen entgegen der Einstrahlrichtung reflektiertem Licht vorgesehen ist.
  15. 15. System nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodetektoren und zugeordneten weiteren Fotodetektoren jeweils in einer Sensoreinheit untergebracht sind.
  16. 16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ebenfalls in der Sensoreinheit (15) untergebracht ist.
  17. 17. System nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fotodetektoren (15) insbesondere Sensoreinheiten, entlang des Fest-Flüssig-Trennweges angebracht sind.
  18. 18. System nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Fest-Flüssig-Trennverfahren ein Entwässerungsverfahren ist, wobei ein Siebtisch bzw. eine Seihzone einer Siebbandpresse (1), ein Siebband (2), eine Schlammzufuhreinrichtung (4, 5, 6, 7, 8, 13) sowie eine Flockungsmittelzufuhreinrichtung (9, 11, 12, 14) und eine Mischeinrichtung (10) für Schlamm und Flockungsmittel vorgesehen sind.
  19. 19. System nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Fest-Flüssig-Trennverfahren ein Trocknungsverfahren ist.
  20. 20. System nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der Fotodetektoren (16) mit einer Einrichtung zur Regelung der Flockungsmittelmenge (11, 12, 14) verbunden ist.
  21. 21. System nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung und Verknüpfung der Ausgangssignale der Fotodetektoren (16) mit einer Geschwindigkeitsregelung (17) für den Antrieb (3) des Siebtisches (1) bzw. Siebbandes (2) verbunden ist.






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