DD276485B5 - Verfahren zur steuerung der modifizierung von ethen-vinylacetat-copolymeren im quasistationaeren betrieb - Google Patents
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Description
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zui Steuerung der Modifizierung von Ethen-Vinylacetat-Copolymeron im quasistationären Betrieb, wobei die Copolymeren mit Lösungen von Metallalkoholaten im korrespondierenden Alkohol in der Plastschmelze umgesetzt werden.
Charakteristik des bekennten Standes dor Technik
Es ist die Umsetzung von Ethen-Vinylacetat-Copolymeren mit Lösungen von Metallalkoholaten im korrespondierenden Alkohol (UD-PS 206900) bekannt. Die Modifizierung kann in Knetern, Innenmisehern bzw. Extrudern durchgeführt werden. Als technologisch günstigste Varianten haben sich Extrusionsmaschinen mit Vakuumentgasung, speziell Doppelschneckenextruder, erwiesen. Die Umsetzung der Copolymerisate kann in einem getrennten Nachverarbaitungsschritt oder unmittelbar im Austragsextruder der Synthoseanlage erfolgen. Wird die Modifizierung unmittelbar im Anschluß an die Polymersyrithese durchgeführt, hat es sich gemäß DD-PS 252834 als zweckmäßig erwiesen, dio den Austragsextrudür verlassende Mischung in ein weiteres Reaktionsgefäß zu pressen, in dem die Reaktanden intensiv vermischt werden und weiterreagieren. Im Anschluß erfolgt die Entfernung der bei der Reaktion entstehenden Substanzen einschließlich des nicht umgesetzten Alkohols durch Vakuumentgasung. Wird als Modifikator mothanolischo Natriummethylat-Lösung verwendet, kann die Homogenität der Endprodukte deutlich verbessert werden, wenn dor Modifikator goringe Anteile an Natriumhydroxid in gelöster Form enthält (DD-PS 243287).
Allen Verfahren ist gemeinsam, daß die Rohgranulateigenschaften wie Schmelzindex, Gehalt an einpolymerisiertem Vinylacetat im Copolymeren, Gehalt an monomfirem Vinylacetat und Restfeuchte selbst innerhalb einer Produktionscharge stochastisch schwanken. Dazu kom;nen Schwankungen des Massestromes an Rohgranulat, im wesentlichen hervorgerufen durch unterschiedliche G'dnulatiormen, die ihren Einfluß auf die Förderkonstanz der Dosierbandwaage ausüben, und Schwankungen der Alkoholkonzcntration der Modifikatorlösung. Die genannten Faktoren wirken sich dahingehend nachtei'ig auf den Prozeß aus, daß enge Qualitätsbereiche der Endprodukte nicht garantiert werden können bzw. ein relativ hoher Anfall an nichtstandardgerechtem Produkt in Kauf genommen werden muß.
Das bisher genutzte Verfahren, nach dem Qualitätsschwankungen aufgrund von Meßwerten des kontinuierlich gemessenen Schmelzindex du.ch Änderungen der Modifikatordosiermenge korrigiert werden, bringt keine Vorteile, da aufgrund der dem Prozeß und dem Meßverfahren zugehörigen Totzeit instabile Regelvorgänge auftreten.
Weitere bekannte Verfahren zur Prozeßführung, bei denen aus Kennlinien oder Modellglaichungen quantitative Regeln abgeleitet werden, haben aufgrund des erheblichen Einflusses der beim Prozeß nicht meßbaren aktuellen Werte des Eingangsproduktes, der starken Nichtlinearität der Kennlinien sowie der meßtechnikbedingten Totzeit ebenfalls unzulässige Schwankungen der Qualitätsparameter zur Folge. Aufgrund der starken Schwankungen der Ftohgranulatparameter, wie z. B. Schmelzindex, Gehalt an einpolymerisiertem Vinylacetat im Copolymeren, Gehalt an monomeren! Vinylacetat und Restfeuchte, der Schwankungen des Massestroms des Rohgranulats, im wesentlichen hervorgerufen durch unterschiedliche Granulatformen, die ihren Einfluß auf die Förderkonstanz der Dosierbandwaage ausüben, und der Schwankungen der Alkoholatkonzentration der Modifikatorlösung ist die statische Kennlinie zwischen Modifikatordosiermenge und Drehmoment mi· starker Unsicherheit behaftet und ist außerdem stark nichtlinear. Es war daher nicht möglich, Einstel!werte für einen üblichen PI-Regler zu ermitteln, die das Rßgelproblem mit hinreichender Genauigkeit lösen.
Ziel dor Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Erhöhung des Anteils an qualitätsgerechtem Produkt un<( die Realisierung enger Qualitätsbereiche bei der kontinuierlichen Modifizierung von Ethtn-Vinylacetat-Copolymeren mit Lösungen von Metalla!!;oho' .;sn im korrespondierenden Alkohol.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Modifizierung von Ethen-Vinylacetat-Copolymeren im quasistationären Betrieb durch zielgerichtete Dosierung von Modifikatorlösung so zu steuern, daß trotz der normalerweise auftretenden stochastischen Schwankungen der Rohgranulatparamoter und der Schwankungen der Konzentration der Modifikatorlösung die Einhaltung der zulässigen Qualitätsbereiche des Endprodukts garantiert und somit dor Anfall von Fehlprodukten vermieden wird. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung der Modifizierung von Ethen-Vinylacetat-Copolymeren im quasistationären Betrieb, wobei di8 Modifizierung unmittelbar im Anschluß an die Synthese der Copolymeren nach dem Hochdruckverfahren bzw. ir einem gesonderten Nachvararbeitungsschritt durch Umsetzung der Copolymerisate mit Lösungen von Metallalkoholaten im korrespondierenden Alkohol bei Temperaturen von 343 bis 513K erfolgt, wobei die Plastschmelze in Extrusionsmaschinen mit der über eine Dosierpumpe zugeführten Metallalkoholatlösung reagiert, der entstehende Essigsäureester und überschüssiger Alkohol durch Vakuumenigasung entfernt und das modifizierte Copolymerisat aus dom Extruder ausgetragen wird und die relative Erhöhung der mittleren Molmasse durch Bestimmung des Schmelzindex des Produktes festgestellt wird, gelöst, indem erfindungsgemäß dan Schneckendrehmoment sowie der Schmolzindex kontinuiei lieh gemessen werden, der Basiswert für die Stellgröße Modifikatormengenänderung ΔΥ ausgehend von den Schmelzindexwertcn von Hand auf den für das Erreichen des rezepturgemäßen Schmilzindex-Soll-Wertes erforderlichen Wer', eingestellt wird und bei Abweichungen von diesem Wen über eine recheneinrichtung, welche den Meßwert für Ma erfaßt, den Trendwert AMd berechnet, den Regelvektor bildet, den unscharfen Steuerwert berechnet und daraus den scharfen Steuerwert ermittelt, die Ansteuerung der Modifikatordosierpumpo vorgenommen wird, wobei über Hubzahlveränderung an der Dosierpumpe die Modifikatormengenänderung erfolgt bis der Schmelzindexzielbereich wieder erreicht ist.
Die Messung des Schmelzindex erfolgt kontinuierlich und der dafür erforderliche Schmelzestrom wird zweckmäßigerweise erst kurz vor der Lochplatte des Extruders abgezweigt. Je nach der Länge des verwendeten Extruders und der Art des eingesetzten Meßinstruments beträgt die Verweildauer (auch Totzeit genannt) des Massestroms zwischen der Stelle des Extruders, an dem die Modifikatorlösung mittels Dosierpumpe dosiert wird und dem Meßort 3 bis 10 Minuten. Die Modifikatormenge, die als Basiswert einzustellen ist, wird im stationären Zustand so gewählt, daß der zeitliche Mittelwert der aktuellen Schmelzindexmeßwerte mit dem in der Rezeptur vorgegebenen Soll-Wert übereinstimmt.
Die im Normalbetrieb auftretenden dynamischen Änderungen des Prozesses erfordorn eine laufende Korrektur der Modifikatormungo. Würde die Korroktur aufgrund der totzeitbedingten Verspätung von 3 bis 10 Minuten erfolgen, w,e sie hei Benutzung des Schmelzindexsi; nals unvermeidlich ist, so wäre der zulässige Schmelzindexbereich nicht einhaltbar br.w. es würden Instabilitäten im zeitlichen Vorlauf der Prozoßparamotor auftreten. Das Schneckondrehmoment ist mit den üblichen technischen Mitteln totzeitfrei meßbar. Werden die aktuellen Meßwerte des Schneckendrehmoments und der darauj, berechnete Trend vor lauf des Prozesses für dio laufende Korrektur des Basiswertes der Modifikator konzentrat ion verwendet, so entsteht eine Regelung mit proportional-integralem Verhalten.
Überraschend wurde gefunden, daß bei Einbeziehung unscharfer verbaler Informationen, die die Prozeßerfahrung dos Anlagenpersonals widerspiegeln, eino wesentliche Verbesserung der Qualität des Zielprodukts auftritt. Für die Aufstellung dos Algorithmus, mit dem dio Recheneinrichtung arboitet, ist folgendermaßen vorzugehen:
(1) Festlegung der Änderungsbereicho der Größen:
• Schneckendrehmoment Md
• SchneckendrehmomonttrendAMd
• Modifikatormengenänderuny ΔΥ
(2) Einteilung dor Änderungsboreicho dor Größen M<j und AM11 in 3 unscharfo Klassen und der Größe ΔΥ in 4 unscharfe Klassen. Die Klassen werden wie folgt bezeichnet:
- Md-K!assen: tief
Basiswert hoch
- AMd-Klassen: abfallend
Null ansteigend
- ΔΥ-Klassen: starkverringern
wenig verringern wenig erhöhen stark erhöhen.
(3) Die Zugehörigkeit von Werten der 3 Größen zu den unscharfen Klassen wird durch sich überlappende Zugehörigkeitsfunktionen ZF beschrieben. Im konkreten Fall wird für die Zugehörigkeitsfunktion folgende Form gewählt: ZF = EXPH(J-F)/H)2]
dabei gilt:
J diskrete Stützstellenvariable, für J - M, ...,N
F Zentralelement der Klasse
H Abklingparameter.
Dio Zahlenwerte für F, H.. M, N sind aufgrund von Prozeßerfahrung geeignet zu wählen.
(4) Die Prozeßerfahrung wird in den folgenden heuristischlogischen Wenn-Dann-Regeln R, bis R4 fixiert: Regel 1: Wenn Md hoch und ansteigend,
dann Y stark verringern Regel 2: Wenn Md = Basiswert und ansteigend
oder Md hoch und AMd = Null
dann Y wenig verringern Regel 3: Wenn Md = Basiswert und abfallend
oder Md tief und AMd = Null
dann Y wenig erhöhen Regel 4: Wenn Md tief und abfallend
dann Y stark erhöhen
In Situationen, für die keine passende Regel vorhanden ist, erfolgt keine Modifikatormengenänderung.
(5) Die einzelnen Regeln werden als unscharfe Relationen betrachtet, deren Zugehörigkeitsfunktion ZFn a's Minimum aus den Zugehöiigkeitsfunktionen der Eingangsgrößen Md und AMd und der Steuergröße ΔΥ ermittelt wird. Für jede der 4 Regeln besitzt die Zugehörigkeitsfunktion die Form: ZFn = MiiiIZFm,, ZF^m.. ZFay].
(6) Aus der Gesamtheit der Regeln R1, R2, R3 und R4 wird der Algorithmus der unscharfen Relation gebildot, dessen Zugehörigkeitsfunktion ZFA lautet.
ZFA = Max[ZFR1,ZFR2,ZFBJ, ZFr4].
(7) In einer konkreten Prozeßsituation X0, gegeben durch jeweils einen Meßwert für Md und für AMd werden die entsprechenden Zahlenwerte aus den Funktionen ZFm4 (Xo) und ZF^m, (Xo) ermittelt, die Funktionen ZFr (Xo, ΔΥο) bzw. ZFa (X, ΔΥ) gebildet und daraus die Zugehörigkeitsfunktion ZFy - ZFA (Xo, ΔΥ) für die unscharfe Einstellung der Steuergröße ΔΥ ermittelt.
(8) Als scharfer Wert der unscharfen Steuergröße wird »· .'eckmäßigerwoisc der Maximalwert der Zugehörigkeitsfunktion ZFiY gewählt.
Die vorstehend beschriebenen Operationen werden durch eine Recheneinrichtung realisiert. Als Parameter sind die Zahlen werte für die Änderungsbereiche der Größen Md, ΔΜΛ und ΔΥ, sowie die Parameter der Zugehörigkeitsfunktionen dieser Größen einzugeben. Vorzugeben sind ferner die Anzahl und Art der logischen Verknüpfungen (Regeln) zwischen den Eingangsgrößen Md, AMd und der Steuergröße ΔΥ (siehe Beispiel 2). Bei Auftreten von dynamischen Störungen werden durch die Zugehörigkeit der Moßwerte zu den Klassen „Schneckendrohmoment tief" bzw. „hoch" und „Schneckendrehmomonttrend abfallend" bzw. „ansteigend" die verschiedenen Regeln zur Veränderung des Basiswertes der Modifikatormenge aktiviert. Der Steuereingriff wird dabei solange weiter vergrößert, bis das Schneckendrehmoment wieder im Basisboreich und der Trend des Schneckendiehmoments wieder im Nullbcreich sind. Entsprechend dem orfindungsgemälien Verfahren können damit Ziclprodukto mit engen Qualitätsbereichcn hergestellt werden, der Anteil an qualitätsgerechtem Produkt beträgt im Normalbetrieb, d.h. wenn keine ausrüstungsbedingten Störungen auftreten, 100%.
Ausführungsbelsplelo
Beispiel 1 (Vergloichsbeispiel)
Modifikatordosidrung von Hand durch das Anlagenpersonal zur Kompensation sporadischer Störungen (Abb. 1) Verwendet wird ein Doppelschneckenextruder mit 2stufiger-Vakuumontgasung bei Heizzonentemperaturen von 393 bis 463K. Eingangsprodukt ist ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymeres mit einem Vinylacetatgehalt von 23 Massennteilen in %. Die Modifizierung soll durch Dosierung einer methanolischen Natrium-Mothylat-Lösung, die 9 Masseanteile in % Natrium enthält, mittels einor 2stufigon Kolbendosierpumpe zu einem Zielprodukt führen, das im Schmelzindoxbereich SI = 15 bis 35dg/min liegt. Aufgrund von Schwankungen des von der Schnecke geförderten Durchsatzes des Eingangsproduktes durch den Extruder im Bereich m' = 35 bis 40kg/h und durch Schwankungen des Schmelzindex des Eingangsproduktes im Beroich Si = 145 bis 178dg/min (gemessen bei 463K) muß die Basiseinstellung der Modifika'.ordosiermenge im Bereich 21/h ± 10%von Hand variiert werden. Es treten dabei in dem 24stündigen Versuchszeitraum Schmelzindexschwankungen im Boreich 10 bisGOt'g/min auf, wobei der Anteil an Zielprodukt 91 % beträgt.
Beispiel 2 Modifikatordosierung erfindungsgemäß (Abb. 2)
In der Anlago gemäß Beispiel 1 gelten für die Steuerung die folgenden Aussagen: Die Totzeit der Sl-Messung betragt 360s, die Drehmomentmessung besitzt eine Verzögerung von 60s, die AbtasUcit dor Messungen beträgt 10s, der Drehmomenttrend wird aus der Differenz von 2 aufeinanderfolgenden Meßwerton ermittelt. Dio Hubzahländerung wird im Zyklus von 60s aktualisiert.
Von Hand wird eine Hublängo von 16mm als Basiswert eingestellt.
Die Hubzahl liegt bei 65,5 min"', der Regelbereich beträgt ±10%. Der Algorithmus wird auf einem Mikrorechner MC 80 realisiert; als Parameter werden verwendet für:
- Drehmoment Md Änderungsboreich 35 bis 55%
M - 1 N = 20
F - 5/10/15
H - 3/3/3 — Drehmomenttrend ΔΜ,ι Änderungsboreich ± 4%
M - 1 N - 20
F - 5/10/15
H - 3/3/3
— Modifikatormengenänderung ΔΥÄnderungsbereich —10bis +lOml/h/min M = I N = 21 F =4/8/12/16 H = 3/3/3/3
Durch die erfindungsgemaße Arbeitsweise erfolgen häufigere Änderungen der Modifikatordosiermenge als im Beispiel 1. Die Schwankungen des Drehmoments verringern sich damit auf ±0,75%, das entspricht Sl-Schwankungon von ±3dg/min. Im 24stündigen Versuchszeitraicn wurde damit imine,· im zulässigen Bereich gearbeitet, so daß 100% Zielprodukt erhalten wurden.
Claims (1)
- Verfahren zur Steuerung der Modifizierung von Ethen-Vinylacetat-Copolymeren im quasistationären Betrieb, wobei die Modifizierung unmittelbar im Anschluß an die Synthese der Copolymeren nach dem Hochdruckverfahren bzw. in einem gesonderten Nachverarbeitungsschritt, durch Umsetzung der Copolymerisate mit Lösungen von Metallalkoholaten im korrespondierenden Alkohol bei Temperaturen von 343 bis 513 K erfolgt, wobei die Plastschmelze in Extrusionsmaschinen mit der über eine Dosierpumpe zugeführten Metallalkoholatlösung reagiert, der entstehende Essigsäureester und überschüssiger Alkohol durch Vakuumentgasung entfernt und das modifizierte Copolymerisat aus dem Extruder ausgetragen werden und die relative Erhöhung der mittleren Molmasse durch Bestimmung des Schmelzindex des Extrudates festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneckendrehmoment Md sowie der Schmelzindex SI kontinuierlich gemessen werden, der Basiswer'. für die Stellgröße Modifikatormengenänderung ΔΥ ausgehend von den Schmelzindexwerlen von Hand auf den für das erreichen des rezepturgemäßen Schmelzindex-Soll-Wertes erforderlichen Wert eingestellt wird und bei Abweichungen von diesem Wert über eine Recheneinrichtung, welche den Meßwert für Md erfaßt, den Trendwert AMd berechnet, den Regelvektor bildet, den unscharfen Steuerwert berechnet und daraus den scharfen Steuerwert ermittelt, die Ansteuerung der Modifikatordosierpumpe vorgenommen wird, wobei über Hubzahlveränderung an der Dosierpumpe die Modifikatormengenänderung erfolgt bis der Schmelzindexzielbereich wieder erreicht ist.Hierzu 1 Seite Zeichnungen
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