-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder Regeln des Betriebs einer Zentrifuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Separatoren sind Zentrifugen, die zur mechanischen Trennung von Flüssig-Flüssig-, Flüssig-Fest- und/oder Flüssig-Flüssig-Fest-Gemischen eingesetzt werden. Eine Einführung bietet Prof. Werner H. Stahl in "INDUSTRIE-ZENTRIFUGEN, Band II, Kap. 5 und 6, 1. Auflage 2004".
-
Die Erfindung hat das Ziel, die Steuerung und/oder die Regelung des Betriebs von derartigen als Separator ausgebildeten Zentrifugen weiter zu optimieren.
-
Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
-
Geschaffen wird danach ein Verfahren zum Steuern oder Regeln des Betriebs einer Zentrifuge, wobei die Zentrifuge ein Separator mit einem um eine vertikale Drehachse drehbaren Rotor ist, der eine drehbare Trommel aufweist, in welcher ein Trennmittel wie ein Trenntellerpaket angeordnet ist bei einer kontinuierlichen zentrifugalen Verarbeitung eines Produktes, insbesondere bei einem Klären einer zulaufenden fließfähigen Suspension in eine Flüssigkeitsphase und eine Feststoffphase oder bei einem Trennen einer zulaufenden fließfähigen Suspension in verschiedene Flüssigkeitsphasen und ggf. eine Feststoffphase in der Trommel, wobei die voneinander getrennten Flüssigkeits- und/oder Feststoffphasen aus der Trommel abgeleitet werden, bei dem Steuern oder Regeln des Betriebs der Zentrifuge mit einer Steuerungs- oder Regelungseinrichtung die Drehzahl des Rotors in Abhängigkeit von wenigstens einem bestehenden und/oder einzuhaltenden Betriebsparameter der zentrifugalen Verarbeitung eingestellt wird.
-
Derart wird die Steuerung und/oder die Regelung des Betriebs derartiger Separatoren weiter optimiert. Dadurch wird es möglich, den Betrieb der Zentrifuge zu verbessern. So kann nach Ausführungsvarianten der Erfindung durch Einstellen geeigneter - insbesondere auch durch Einstellen von gegenüber einer maximal einstellbaren Drehzahl niedrigeren Drehzahlen - insbesondere auch der Energieverbrauch gesenkt werden. Es ergibt sich nach den Ausführungsvarianten der Erfindung insbesondere eine Erhöhung der Effizienz des zentrifugalen Trennprozesses und/oder eine Senkung der Betriebskosten.
-
Vorteilhaft einsetzbar ist die Erfindung insbesondere bei Zentrifugen mit Rotoren, deren Antrieb wenigstens einen Elektromotor oder mehrere Elektromotoren aufweist, der oder die unter Einsatz einer geeigneten Leistungselektronik, wie z.B. eines Frequenzumrichters, angesteuert wird/werden und der oder die mit der Steuerungs- oder Regelungseinrichtung der Zentrifuge verbunden ist/sind.
-
Nach einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird das Verfahren nach Anspruch 1 zum Steuern des Betriebs der Zentrifuge derart ausgestaltet, dass bei dem Steuern des Betriebs der Zentrifuge wenigstens ein Betriebsparameter des Betriebs der Zentrifuge eingehalten werden soll; mit zumindest folgenden Schritten:
- a) es wird wenigstens ein während der zentrifugalen Verarbeitung der Suspension einzuhaltender Betriebsparameter definiert,
- b) es wird insbesondere aus vorgespeicherten Werten und/oder anhand eines Modells mittels einer Steuerungseinrichtung eine Drehzahl des Rotors ermittelt, mit der es möglich ist, den oder die Betriebsparameter genau oder in vorgegebenen Grenzen einzuhalten, und
- c) es wird mit der Steuerungseinrichtung die im Schritt b) ermittelte Drehzahl des Rotors eingestellt.
-
Und nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsvariante wird das Verfahren nach Anspruch 1 zum Regeln des Betriebs der Zentrifuge derart ausgestaltet, dass bei dem Regeln des Betriebs der Zentrifuge ein Betriebsparameter des Betriebs der Zentrifuge eingehalten werden soll; mit zumindest folgenden Schritten:
- a) es wird wenigstens ein während der zentrifugalen Verarbeitung des Produktes einzuhaltender Betriebsparameter definiert und es wird während des Betriebs, d.h. während eines Drehens des Rotors der Zentrifuge, dieser Betriebsparameter oder ein damit zusammenhängender Betriebsparameter ermittelt, insbesondere mit einer Sensoreinrichtung gemessen,
- b) die im Schritt a) ermittelten Daten werden mit der Regelungseinrichtung mit Solldaten verglichen, wobei mit der Regelungseinrichtung anhand dieses Vergleiches wenigstens eine Drehzahl des Rotors als Stellgröße ermittelt wird, und
- c) es wird mit der Steuerungseinrichtung die im Schritt b) ermittelte Drehzahl eingestellt.
-
Nach der Erfindung wird zumindest die Drehzahl der Trommel mittels einer geeigneten Steuerungs- oder Regelungseinheit und abhängig von Betriebsparametern bzw. Vorgaben, die der Betreiber der Zentrifuge definieren und bestimmen kann, definiert und eingestellt, so dass es optimal möglich wird, auf verfahrenstechnische sowie ggf. auch kommerzielle Anforderungen zu reagieren.
-
Nach einer Weiterbildung kann sodann vorgesehen sein, dass im Schritt a) mehrere während der zentrifugalen Verarbeitung des Produktes einzuhaltende Betriebsparameter definiert und ggf. bestimmt werden und dass diese in das Ermitteln und Einstellen der Schritte b) und c) gemeinsam einbezogen werden.
-
Die Erfindung lässt sich auf verschiedenste Weise praktisch umsetzen.
-
So kann als der Betriebsparameter des Schrittes a) die Klärflächenbelastung festgelegt werden und es kann dann die Zulaufmenge der zulaufenden Suspension ermittelt werden und es kann in Abhängigkeit von der Zulaufmenge im Schritt b) eine Drehzahl des Rotors ermittelt werden und im Schritt c) die Drehzahl des Rotors so eingestellt werden, dass die Klärflächenbelastung konstant bleibt.
-
Nach dieser vorteilhaften Variante erfolgt in Abhängigkeit der Zulaufmenge, die beispielsweise sensorisch durch Messen des Zulaufstroms oder auf andere Weise ermittelt werden kann, ein Einstellen der Drehzahl, so dass die Klärflächenbelastung konstant bleibt (gilt bei konstanten Produktbedingungen im Zulauf). Denn es gilt: Klärflächenbelastung = Zulaufmenge / äquivalente Klärfläche = konstant. Bei z.B. halber Zulaufmenge gilt somit: 0,5 Zulaufmenge / 0,5 äquivalente Klärfläche = konstant. Da die äquivalente Klärfläche proportional zu n2 ist (ΣT ∼ n2 * D4 s.o.), muss die Drehzahl auf 0,707 * n abgesenkt werden (halber Zulauf → Drehzahl * 0,707). Eine damit ggf. einhergehende Reduzierung des Energieverbrauches lässt sich über die weiter unten wiedergegebenen Formeln unter i) und ii) bestimmen.
-
Nach einer anderen vorteilhaften Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Betriebsparameter des Schrittes a) eine gewünschte Separiereffizienz ist und eine Trübung einer geklärten Produktphase ermittelt wird, dass die im Schritt a) ermittelten Daten an die Regelungseinrichtung weitergeleitet werden, mit der die gemessenen Daten mit Solldaten verglichen werden, wobei mit der Regelungseinrichtung anhand dieses Vergleiches die Drehzahl des Rotors im Schritt b) als Stellgröße ermittelt wird, und wobei im Schritt c) mit der Regelungseinrichtung diese Drehzahl des Rotors eingestellt wird. Denn für die Separiereffizienz bildet die Trübung der geklärten Phase einen Indikator, deren Wert mit einem Trübungsmessgerät ermittelt werden kann. Bei einer zu hohen Separiereffizienz kann die Drehzahl der Trommel abgesenkt werden, bis ein vorgegebener Grenzwert für die Separiereffizienz erreicht ist. Eine damit ggf. einhergehende Reduzierung der Energieverbrauches lässt sich über die weiter unten wiedergegebenen Formeln unter i) und ii) bestimmen.
-
Nach einer anderen vorteilhaften Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Betriebsparameter des Schrittes a) eine gewünschte Separiereffizienz ist und dass im Schritt b) eine Partikelverteilung im zulaufenden Produkt ermittelt wird und dass in Abhängigkeit von der ermittelten Partikelverteilung die Drehzahl des Rotors so eingestellt wird, dass die gewünschte Separiereffizienz genau oder in vorgegebenen Grenzen eingehalten wird. Hierbei kann über eine vorher definierte Zuordnung "Partikelverteilung/Trommeldrehzahl" festgelegt werden, bei welcher Partikelverteilung welche Trommeldrehzahl erforderlich ist. Die Partikelverteilung im Zulauf kann online durch einen geeigneten Sensor erfasst werden. Der entsprechende Messwert wird in einer geeigneten Steuerungseinheit einem Drehzahlsollwert für die Separatortrommel zugeordnet. Mittels einer geeigneten Leistungselektronik wird mit Hilfe des Drehzahlsollwertes die Drehzahl der Trommel eingestellt. Über diese Drehzahlsteuerung "Partikelverteilung/Trommeldrehzahl" kann der Energiebedarf des Trommelantriebs optimiert werden.
-
Es ist auch möglich, dass bei einer Variante der Erfindung der zu definierende Betriebsparameter eine Scherempfindlichkeit des zulaufenden Produktes ist und dass die Drehzahl des Rotors in Abhängigkeit von der Scherempfindlichkeit des zulaufenden Produktes eingestellt wird. Bestimmte Produkte, wie z.B. pflanzliche oder tierische Zellen, reagieren empfindlich auf Scherung. Diese tritt in Zentrifugen besonders bei der Beschleunigung des Produkts (z.B. Übergang von der Zuleitung ins Tellerpaket) auf und beim Austragen (z.B. Übergang des Feststoffes von den Austragsöffnungen aus der Trommel in den Feststofffänger). Durch ein Absenken der Trommeldrehzahl wird die Scherung des Produkts reduziert. Die geeignete Drehzahl hierfür kann beispielsweise über eine vorher definierte Zuordnung "Produkt/Trommeldrehzahl" festgelegt werden, bei welchem Produkt welche Trommeldrehzahl erforderlich ist.
-
Es kann auch eine Variante der Erfindung realisiert werden, bei welcher der Betriebsparameter ein Füllstand eines der Zentrifuge zugeordneten Zulauftanks ist, aus dem der Zentrifuge im Zulauf die zu verarbeitende Suspension zugeleitet wird und dass in Abhängigkeit vom Füllstand und ggf. eine oder mehrerer Betriebsparameter eine Drehzahl des Rotors bestimmt und eingestellt wird.
-
So kann z.B. über eine vorher definierte Zuordnung "Absetzzeit und Füllstand im Tank" festgelegt werden, mit welcher Trommeldrehzahl der Trennprozess gestartet wird und wie die Trommeldrehzahl bei sinkendem Füllstand und sinkendem Feststoffgehalt reduziert werden kann.
-
Denkbar ist nach einer anderen Variante der Erfindung auch, dass der Betriebsparameter ein Energieverbrauch des Antriebs der Zentrifuge ist, der bei der zentrifugalen Verarbeitung bestimmt wird und dass die Drehzahl so eingestellt wird, dass ein vorgegebener Energieverbrauch nicht überschritten wird. Dabei kann auch als Parameter der aktuelle Strompreis pro kWh zur Einstellung der Drehzahl des Rotors mit oder ausschließlich verwendet werden.
-
Insgesamt wird es erfindungsgemäß durch geschickte Steuerungs- und/oder Regelstrategien möglich, den Betrieb der Zentrifuge durch ein geeignetes Einstellen der Drehzahl in Abhängigkeit von einem oder mehreren zu definierenden Betriebsparametern zu verbessern. So kann nach Ausführungsvarianten der Energieverbrauch der Separatoren optimaler gesteuert oder geregelt werden. Dies führt wiederum zu einer Erhöhung der Effizienz des zentrifugalen Trennprozesses und zu einer Senkung der Betriebskosten.
-
Die Steuerung und/oder Regelung kann mit Methoden der künstlichen Intelligenz optimiert werden.
-
Erfindungsgemäß wird die Drehzahl des Rotors oftmals gegenüber einer einstellbaren Maximaldrehzahl abgesenkt. Dies weicht von der Tradition ab, Separatoren mit möglichst hohen Drehzahlen zu betreiben, um hohe Durchsatzleistungen bei guter Trennung bzw. Klärung zu erhalten. Es gibt nach Prof. Werner H. Stahl (s.o.) bei Separatoren unterschiedliche Arten der Flüssigkeitsabfuhr aus dem rotierenden System, die einen Einfluss auf den Energieverbrauch haben können:
- Offene Separatoren, bei denen eine flüssige Phase durch einen freien Überlauf ausgetragen wird;
- Halbgeschlossene Separatoren, bei denen die flüssige Phase über ein Schälelement, das auch als Greifer bezeichnet wird, ausgetragen wird;
- Hermetische Separatoren, bei denen die Zu- und Abläufe mechanisch (z.B. mit Hilfe einer Gleitringdichtung) abgedichtet sind;
- Wird ein Flüssigkeitsgemisch getrennt, wird auch eine zweite flüssige Phase entweder offen, halbgeschlossen oder hermetisch ausgetragen;
- Zudem hat auch die Art des Feststoffaustrages einen Einfluss auf den Energieverbrauch. Stahl unterscheidet hier die folgenden Arten:
- ∘ Diskontinuierlicher Betrieb (manuelle Entleerung des Feststoffes, z.B. Separatoren mit Vollmanteltrommel)
- ∘ Vollkontinuierlicher Betrieb (kontinuierlicher Feststoffaustrag, z.B. Düsenseparatoren)
- ∘ Quasikontinuierlicher Betrieb (z.B. selbstentleerende Separatoren)
-
Bei einer Zentrifuge ist die Drehzahl ein entscheidender Faktor, der den Energieverbrauch bestimmt. Mit Hilfe einer intelligenten, bedarfsgerechten Drehzahleinstellung der Trommel bzw. des gesamten Rotors aus Trommel und ggf. weiteren sich drehenden Elementen wie der Antriebsspindel soll ein sehr guter, möglichst optimaler - Kompromiss zwischen Energieverbrauch und Effizienz gefunden werden.
-
Es ist von daher möglich, im Rahmen der Erfindung wesentliche Faktoren, welche den Energieverbrauch seines Separators beeinflussen, zu ermitteln und näher zu betrachten.
-
Danach machen die Reibleistung des Rotors sowie die hydraulische Leistung am Flüssigkeitsaustritt aus dem rotierenden System den Großteil (> 90%) des Energiebedarfes aus.
-
Eine Separatorenbaureihe besteht in der Regel aus verschiedenen Baugrößen von Separatoren, zwischen denen eine geometrische Ähnlichkeit besteht. Bei Separatoren kann man daher alle Geometrieverhältnisse auf eine charakteristische Größe zurückführen. Als diese charakteristische Größe wird in dieser Schrift der Rotordurchmesser verwendet. Dann gelten u.a. die folgenden Gesetzmäßigkeiten:
- i) Die Reibleistung PR des Rotors ist proportional zur dritten Potenz der Drehzahl n und zur fünften Potenz des Rotordurchmessers D. (PR ~ n3 * D5).
- ii) Die hydraulische Leistung PFI am Flüssigkeitsaustritt ist proportional zum Quadrat der Drehzahl n und zum Quadrat des Rotordurchmessers D. (PFI ~ n2 * D2), sofern der Durchsatz Q konstant ist. Ist dem nicht so, so geht auch dieser in die Proportionalitätsbeziehung mit ein. (PF I∼ n2 * D2 * Q)
- iii) Die äquivalente Klärfläche ΣT ist proportional zum Quadrat der Drehzahl n und zur vierten Potenz des Rotordurchmessers D. (ΣT ∼ n2 * D4).
-
Die äquivalente Klärfläche ist ein Wert, der die Leistungsfähigkeit eines Separators beschreibt, indem diese auf ein statisches Absetzbecken übertragen wird. Wenn ein Separator also eine äquivalente Klärfläche von 100.000 m2 besitzt, so ist er so leistungsfähig, wie ein statisches Absetzbecken mit einer identischen Grundfläche. Dieser Wert ist zwar nicht direkt mit der Energieaufnahme verbunden, bestimmt aber die Durchsatzleistung, die wiederum einen Einfluss auf den hydraulischen Anteil des Energieverbrauches hat.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.
-
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Separators zur zentrifugalen Verarbeitung eines Produktes..
-
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Separators zur zentrifugalen Verarbeitung eines Produktes, insbesondere zum Klären eines Produktes von Feststoffen (oder zum Aufkonzentrieren einer solchen Phase) und/oder zum Trennen eines Produktes in verschiedene Flüssigkeitsphasen.
-
Der in Fig. 1 abgebildete Separator weist einen Rotor mit hier einer (nur schematisch dargestellte) drehbaren Trommel 1 mit vorzugsweise vertikaler Drehachse auf, die eine Antriebsspindel 2 aufweist, die ebenfalls einen Teil des Rotors bildet und die über eine (hier ebenfalls nicht dargestellte) Antriebsverbindung mit einem Motor 3 antreibbar ist. In die Trommel 1 führt eine Zuleitung 4. Zumindest eine Flüssigkeitsphase (oder bei anderen Bauformen mit zwei Abläufen zwei Flüssigkeitsphasen verschiedener Dichte) und ggf. eine (in der Regel gerade noch fließfähige) Feststoffphase können durch eine oder mehrere Ableitungen 5 und ggf. Feststoffaustragsöffnungen 6 aus der Trommel geleitet werden. In der Zuleitung 4 und der oder den Ableitung(en) 5 sind vorzugsweise steuerbare (und vorzugsweise drosselbare) Ventile vorgesehen (hier nicht dargestellt). In der drehbaren Trommel 2 ist ein Trennmittel, insbesondere ein Tellerpaket 7 aus gestapelten und vorzugsweise konischen Trenntellern angeordnet
-
Die rotierbare Trommel 1 und vorzugsweise der Antrieb/Motor 3 sind an einem Maschinengestell 8 angebracht.
-
Der jeweilige Antrieb des Separators insbesondere nach Art der Fig. 1 mit dem einen Motor 3 lässt sich jeweils über eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 9steuern. Letztere umfasst in der Regel einen Steuerungsrechner mit einer oder mehreren Ein- und Ausgabeeinrichtungen und mit einem Mikroprozessor sowie mit einem Speicher. Dieser Speicher kann vor Ort an der Zentrifuge angeordnet sein. Es kann aber auch eine Verbindung zu einem entfernten Datenspeicher, beispielsweise einem Cloudspeicher, gegeben sein.
-
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 9 kann mit einem geeigneten Steuerungs- und oder Regelungsprogramm versehen sein, welches auf ihr abläuft. An sie können direkt oder indirekt einer oder mehrere Sensoren angeschlossen sein, mit denen einer oder mehrere Betriebsparameter ermittelbar sind.
-
Während des Betriebs, d.h. während eines Drehens der Trommel 1 wird z.B. ein Betriebsparameter wie die Trübung mit einem Sensor gemessen. Dieses Messen findet fortlaufend kontinuierlich oder in Intervallen statt. Die von dem Sensor gemessenen Daten werden an die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung weitergeleitet, wo sie ausgewertet werden. Zur Regelung wird dann als Stellgröße insbesondere eine Drehzahl des Rotors verwendet. Mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 9 wird mit Hilfe der wenigstens einen Stellgröße Drehzahl so Einfluss auf den Betrieb der Zentrifuge genommen, dass sich ein gewünschtes Verhalten einstellt.
-
So ist es denkbar, dem Motor 3 bzw. dessen Steuerung, beispielsweise einem Frequenzumrichter oder einer anderen geeigneten Leistungselektronik, über eine Leitung (oder drahtlos) ein die Drehzahl der Trommel 1 beeinflussendes Signal zuzuleiten, um die Drehzahl des jeweiligen Motors 3 zu ändern.
-
Es ist zudem auch denkbar, weitere Parameter in die Regelung einzubeziehen.
Bezugszeichen
-
| Trommel |
1 |
| Antriebsspindel |
2 |
| Motor |
3 |
| Zuleitung |
4 |
| Ableitungen |
5 |
| Feststoffaustragsöffnungen |
6 |
| Tellerpaket |
7 |
| Maschinengestell |
8 |
| Steuerungseinrichtung |
9 |