CN101603935A - 量热器的操作方法 - Google Patents

Abstract

一种量热器，特别是反应量热器的操作方法，以及可以实施所述方法操作的量热器，其中仪器包含：反应器(1)，用于接收反应介质；反应器罩(2)；内部加热器(4)，所述加热器被布置于反应器(1)中并受第一控制器(6)控制；外部调温器(9)，所述调温器与反应器(1)热接触，并受第二控制器(10)控制；以及测量传感器(5)，所述传感器布置于反应器(1)中，用于确定反应器温度(T_r)，特征在于反应器温度(T_r)受内部加热器(4)传送到反应器(1)的热量及外部调温器(9)带入和/或带出的热量控制，特征还在于内部加热器(4)和外部调温器(9)是动态控制的，这取决于反应器温度的改变或偏差量(ΔT_r)。

Description

量热器的操作方法

技术领域

本发明涉及一种操作量热器，特别是反应量热器的方法，以及一种适用于执行所述方法的量热器。

背景技术

量热器测量的是与化学和/或物理反应和转化有关的热流量。它们的作用是确定反应介质的热力学和动力学量。会用到的反应介质包括在大多数情况下溶解于合适溶剂中的纯物质或物质的混合物。反应介质可以是液体或气体。

反应量热器可进一步用于获取关系到化学和/或物理反应安全性的数据，或用于设定例如放大过程(scale-up process)所需的那种数据，所谓“放大过程”也就是指在大的处理系统中再出现小的实验室反应。

反应量热器可包含反应器或适合的容器，用于接纳反应介质，所述的反应器或容器至少部分装入反应器罩中。反应介质的温度可以通过不同的方式进行控制。

现有技术中的反应量热器通常是依据热流原理或功率补偿原理工作。

功率补偿原理大多数情况是在等温条件下进行的，其中补偿加热器布置在量热器的反应器中。补偿加热器可直接作用于反应介质并用来控制反应器中的温度和/或反应介质的温度。反应器罩的温度通过相关联的调温器(thermostat)被基本恒定地保持在反应温度之下的一个水平。

在开始测量时，特定量的热能被补偿加热器传送到反应介质中。在反应过程中，热能传送的增加或减少取决于反应是吸热还是放热反应。

由于热的直接传送，温度在反应器中的起伏波动可以迅速得到补偿。另外，对结果的分析相对较简单，这是因为所传送的热量可以被直接确定。

然而，补偿加热器只能进行加热，并不能进行冷却，因此传送到反应器的最小功率是在零瓦左右。结果是补偿加热器必须按一定速率永久地向系统传送能量，所述速率对应于放热曲线所测的最大加热率，那也就是反应不产生热量的加热率。最大加热率通常在实验刚开始时并不能精确得知，并且尽可以通过估计得到。为了安全，实验通常把假定的最大加热率设定得很高，这样做的结果是补偿加热器在整个实验过程中以相当可观的速率向反应器传送热量，进而这些热量需要通过反应器壁带走。

由于带入热量的速率很高，在补偿加热器周围的反应介质会局部过热。这对反应过程，以及在反应器中发生的反应的安全性有着负面影响。另外，测量结果显示出与热传输条件的改变，进而与全局热传输系数有很大关系，其中后者在实验过程中热流量发生改变的话则易随时间改变，热流量的改变例如由于反应介质速率发生改变。同样地，由于化学或物理过程中添加了物质或取样的操作会导致在热交换表面上发生改变，借此全局热传输系数也会受到影响。

热流量原理中，反应器中的温度受反应器罩的温度控制。后者在大部分情况下连接在调温器上，所述调温器能够进行冷却及加热操作。本原理的优点是反应器罩为反应器提供了相对较大的热交换表面，因此能够基本避免反应介质发生局部过热的现象。然而，与功率补偿相比，温度控制相对较慢，并且在确定测量量的过程中需要考虑到反应器罩的热容量。

在DE 44 05 267 A1中公开了一种带有反应器罩和补偿加热器的反应量热器，其中反应器罩具有随时间基本恒定的温度，补偿加热器将反应器保持在恒定的温度下，以短时间的恒定为响应。对于绝热测量，可使反应器罩的温度跟随反应器内部的温度，后者是作为备用加热器而装备的。这种反应量热器代表了上述两种原理的组合。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种安全操作量热器的改进方法，以及提供一种适合的量热器，其中功率补偿原理和热流量原理的优点都被有利地结合起来，并能够对反应器罩的温度进行自动跟踪。

前述目标通过一种操作量热器，特别是反应量热器的方法实现，其中量热器包含：反应器，用于接纳反应介质；内部加热器，所述内部加热器被布置于反应器中并受第一控制器控制；外部恒温器(thermostat)，所述外部调温器与反应器，特别是与反应器的至少一个外表面热接触，并受第二控制器控制；以及测量传感器，所述传感器布置于反应器中用于确定反应器温度；其中，反应器温度受内部加热器传送给反应器的热量及外部调温器带入和/或带出的热量的控制。本方法的特征在于内部加热器和外部调温器的加热功率是根据反应器温度的改变动态控制的。

方法进一步包含以下步骤：第一，设定反应器的设定温度，所述温度作为输入信号进入第一控制器。随后，反应器温度按预定的时间间隔进行测量，并且反应器温度与设定温度的偏差量可被确定为第一控制器的控制偏差量。该控制偏差量依照预定的标准被分成第一部分和第二部分。一方面，第一部分被内部加热器作为热量输入反应器。另一方面，第一和第二部分进入第二控制器控制外部调温器。方法的效果是，反应器温度由带入和/或带出反应器的热量调节从而与反应器的设定温度匹配。

两加热器的动态控制是非常有利的，因为这使得同一量热器能够用于热系数非常不同的反应和实验。另外，依照前述的方法操作的量热器是尤其安全的，因为根据反应器温度的偏差量幅度，后者可通过内部加热器或外部调温器调节到设定温度。另一方面，依照本发明的方法使得由外部调温器传送给反应器的热量，以及进而反应器罩的温度，都接近于受自动控制，无需使用者预设这些温度，因此可以避免实验中估计去掉的热量以及估计外部调温器对应的起始温度中所发生的错误，借此增加了实验的安全性。

依照本发明确定的控制偏差量的作用是通过第一和第二控制器控制内部加热器和外部调温器的温度。这种控制是有利的，因为这使得从反应器设定温度的改变或偏差量能够得到布置于反应器本身中的相对快速和大功率的内部加热器的补偿，并且-另外地或可选地-得到较慢的外部调温器的补偿，借此测量结果中的误差会降低而测量变得更加精确。

例如，反应器温度可被测量传感器在预定的时间间隔中或连续地测量，因此控制偏差量能在预定的时间间隔中或连续地确定出来。

分开的第一部分可以例如对应预定的设定范围，因此内部加热器起初被用来控制较小的温度偏差量而外部调温器起初被用来控制较大的温度偏差量。更进一步说，第一部分可具有S形函数的形态，因此内部加热器和外部调温器各自的加热功率或热传送率之间的比率被调整到温度偏差量的幅度。在任一种情况下，反应介质由于内部加热器超量热传送致使的局部过热现象可被大大降低，并且，优选地，甚至是完全避免。

第二控制器优选被构成级联控制器。在该构造中，控制偏差量的第一部分被输入到比例运算器(P)中，而控制偏差量的第二部分被输入到第二控制器积分运算器(I)中。

在优选实施例中，内部加热器被构造成电加热器，所述电加热器的功率受第一控制器控制。电加热器的一个例子是电阻加热器，所述加热器以杆状或加热线圈的形式被布置于反应器中，并可与反应介质直接接触。这些加热器对控制的响应迅速，因此特别是反应器中小的温度偏差量也会快速地得到补偿。

外部调温器的温度受第二控制器控制。外部调温器可与反应器罩一起工作。如果第二控制器被构造成级联控制器，有利的是反应器罩的温度成为级联控制器的内部控制回路的变量。例如，反应器罩可以是填充了热分布介质的双层壁罩，所述介质如EP 1 764 662 A1中所公开的。更进一步的可能性是，反应器罩可被构造成金属块，所述金属块含有作为反应器的内腔并且所述反应器温度，例如，受珀耳帖部件(Peltier element)控制。这种量热器，例如，在EP 1 890 138 A1中介绍过。

优选地，控制偏差量的第二部分被转换成剩余温度，并输入到控制外部调温器的第二控制器中。

依照前述方法操作的量热器包含接纳反应介质的反应器，内部加热器，所述加热器被布置于反应器中并受第一控制器控制，以及外部调温器，所述调温器与至少一个反应器壁热接触并受第二控制器控制，其中，用于确定反应器温度的第一测量传感器布置于反应器中。反应器温度受内部加热器传送给反应器的热量及外部调温器带入和/或带出的热量的控制，因此内部加热器和外部调温器可根据反应器温度的偏差量进行动态控制。

在优选实施例中，第二控制器是级联控制器。

依照本发明的方法步骤可在计算机程序中执行，所述程序被存储在依照本发明的量热器的控制单元中，并且所述程序的作用是控制量热器。

该实施例是特别有利的，这是因为它还提供了，例如，使量热器自动操作的可能性。

附图说明

基于下面的附图将要详细讨论到的是能够实施依照本发明方法的量热器，以及一些第一比较测量量，其中

图1画出了依照本发明量热器的示意性框图；

图2表示的是依照本发明量热器简化的温度控制电路；

图3表示的是图2中增量T分离器(delta-T splitter)的简化表示；

图4画出了依照不同原理以10W/L，30W/L和90W/L功率运行的量热器反应热的量的比较；以及

图5画出了用10W/L，30W/L和90W/L功率对反应温度的控制质量的比较。

具体实施方式

图1画出了依照本发明的量热器非常简化的示意图。量热器主要包含被反应器罩2包围的反应器1，所述罩可由盖子3封闭。在反应器1中布置反应器内加热器4和搅拌器12。加热器4优选为电阻加热器，能够快速地加热反应器1中的反应介质。在反应器1中设置了至少一个测量传感器5，用于测量反应器内部的温度T_r。测量传感器5安装方位是使得传感器下降到反应介质中。

反应器内加热器4和测量传感器5电连接到第一控制器6上。第一控制器6基于由主控制器7提供的反应器设定温度T_r，set来控制所述反应器内加热器4。第一控制器6电连接到主控制器7上。

另外的测量传感器8用于测量反应器罩2的温度T_j。反应器罩2可被构造成，例如，金属块或填充有散热介质(heat-distributingmedium)的双层壁的反应器罩。反应器罩的温度T_j可如箭头所示由调温器9控制。根据反应器罩2的构造，后者的温度T_j可用测量传感器8测出或通过流过反应器罩2中的散热介质温度确定。

所述另外的测量传感器8和调温器9电连接到第二控制器10上，所述控制器10基于给定的设定值T_j，set控制反应器罩2的温度T_j。反应器罩温度的这些设定值T_j，set是基于实际反应器温度T_r，ist和反应器设定温度T_r，set之间的控制偏差量ΔT_r在主控制器7中算出，其用作第二控制器10的输入。为了这个目的，实际反应器温度T_r，ist输入到主控制器7中，如图1中的连线11所示。因此，由反应器内加热器4贡献给反应器温度T_r的部分以及由反应器罩2贡献的部分，这两者均受消耗的能量和/或散发的热量控制，上述两部分直接受所述控制偏差量ΔT_r的温度差控制。

为了清楚，第一和第二控制器6，10以及主控制器7在这里都表示为分离的单元。当然，所有这三种控制器可在单一控制单元中一起协同作用。

依照本发明的量热器特征在于反应器温度T_r可由反应器内加热器4和反应器罩2基于所述控制偏差量ΔT_r进行动态控制。温度差或温度偏差量ΔT_r基本上是由反应器1中反应介质的吸热或放热引起的。

为了更好的理解依照本发明的量热器的动态控温过程，图2画出了温度控制的简化电路。在图2的电路中所使用的那种ΔT(delta-T)分离器在图3中示出。温度控制在这里表示为数字式框图。当然这种温度控制也可以体现为模拟电路。

图2中可以清楚看到，给出反应器设定温度T_r，set，这是使用者根据要研究的反应介质选择的。T_r，set所表示的量可以是在实验过程中保持恒定的温度，或者也可以是基于以预定的时间间隔或是连续地指示或调节反应器设定温度T_r，set的程序而与时间有关的温度。

实验过程中，连续地或以给定的时间间隔测量实际反应器温度T_r，ist。接着，两温度之差，ΔT_r＝(T_r，set-T_r，ist)被确定为控制偏差量(见图2中的框101)。该温度差ΔT_r一方面作为增量T分离器102的三个输入信号之一，另一方面-如图2中用框103所表示-ΔT_r与由反应器罩产生的反应器温度控制的比例部分T_{r_P}相乘。

ΔT分离器102(其构造和功能的内容在图3中画出)接收第一控制器的比例部分IRH_P和反应器内加热器的最大功率P_IRH，max作为进一步输入。

为了确定反应器罩设定温度T_j，set，增量T分离器102的输出信号一方面与由反应器罩产生的反应器温度控制的比例部分T_{r_P}相乘，如图2中框104所示。在这种情况下，T_j，set表示的是内部级联控制器对反应器罩温度T_j的给定值。

由前述操作生成的信号S₁代表的是所述控制偏差量的第二部分并且被添加到另外的信号108中，所述另外的信号是根据下面的等式生成的，如图2中通过运算器101和103到108所示：

T_j，set＝S1+((ΔT_r·T_{r_P})·T_{r_i}·Δt+T_{r_i，n+1})，

其中，T_{r_i，n+1}＝(ΔT_r·T_{r_P})·T_{r_i}·Δt+T_{r_i，n}，

其中，T_{r_i}表示的是T_r控制器的整数部分，T_{r_P}表示的是比例部分，Δt表示两次测量之间的时间间隔，T_{r_i，n}表示测量数列第n点的整数部分，而T_{r_i，n+1}表示测量数列第n+1点的整数部分。

作为另外的输出信号，增量T分离器102生成了所述控制偏差量的第一部分，该部分转换成功率P_IRH并通过反应器内加热器以热量传送到反应介质和/或反应器上。

图3画出了图2的增量T分离器。在其他功能之中，增量T分离器的作用是确定通过反应器内加热器传送到反应介质和/或反应器上的功率P_IRH，如图3中所示。

确定的温度差ΔT_r与第一控制器的P部分相乘。这基本与本领域的补偿加热器的控制相似。由此生成的第二信号S2与第一因子k1相乘并除以最大功率P_IRH，max。该操作产生出第三信号S3，所述信号随后被函数109限定成例如设定值或S形函数的形式。现在第二因子k2被增加到第三信号中。第一实验已经示出第一因子优选被设置为k1＝-4而第二因子k2＝1，借此得到内部加热器和外部调温器之间的最优动态控制。在这里所述的这两个因子的量仅作为示例并且应与所使用的量热器适配。更进一步说，图2中所示的控制参数，特别是T_{r_P}，T_{r_i}和IHR_P也同样地应与所使用的量热器适配。反应器内加热器的功率最大值P_IRH，max可自由选取并同样地，应与所选的参数以及所实施的反应相适应。反应器内加热器的最大功率P_IRH，max现在除以在前述步骤中生成的第四信号S4，并且相除的结果表示的是通过反应器内加热器传送到反应器中的功率P_IRH。

此外，反应器内加热器的未限定和已限定的功率之差被确定出来并转换成温度差，所述温度差代表了增量T分离器的第二输出信号D2。这是通过从第二信号S2中减去已限定的输出值P_IRH并将得到的差值除以第二控制器的P部分IRH_P而实现的。如图2中所示，该差值引入用于确定反应器罩的设定温度。

图4和5表示的是使用现有技术的热流法(Tr)，现有技术的功率补偿法(PC)以及本发明的动态功率补偿法(dPC)的比较测量。图4画出了三种方法的反应热Qr，其中功率扰动Qc为10W/L，30W/L和90W/L。功率扰动是模拟不同的反应和他们的反应热。图5画出了对不同的功率扰动Qc10W/L，30W/L和90W/L的三种方法各自的反应器温度T_r的比较。比较结果证明了对于低功率扰动，依照本发明方法操作的量热器的表现与依照功率补偿法操作的量热器一致。对于较高的功率扰动，其表现与依照热流原理操作的量热器有更高的可比性。特别地，在90W/L得到的测量值清楚地表示出在所测功率比不放热的补偿功率更大的情况下，功率补偿法的局限性，依照功率补偿法操作的量热器在这种情况下既不具有无错确定反应功率的能力，也不能够使反应器温度保持恒定。作为对比，如图4和5中所示，这些任务都可以由本发明的动态功率补偿法毫无疑问地完成。

参考标记列表

1反应器

2反应器罩

3盖子

4反应器内加热器

5测量传感器

6第一控制器

7主控制器

8测量传感器

9调温器

10第二控制器

11连线

12搅拌器

101微分运算器

102增量T分离器

103乘法器

104乘法器

105乘法器

106乘法器

107加法运算器

108加法运算器

109函数发生器

S1第一信号

S2第二信号

S3第三信号

S4第四信号

D2第二输出信号

Claims (12)

1.一种用于操作量热器，特别是反应量热器的方法，其中量热器包含：用于接纳反应介质的反应器(1)；反应器罩(2)；内部加热器(4)，所述内部加热器被布置于反应器(1)中并受第一控制器(6)控制；外部调温器(9)，所述外部调温器与反应器(1)热接触并受第二控制器(10)控制；以及布置于反应器(1)中的测量传感器(5)，

其中，测量传感器(5)用于确定反应器温度(T_r)，并且，

所述反应器温度(T_r)受由内部加热器(4)传送给反应器(1)的热量及由外部调温器(9)带入和/或带出的热量的控制，

特征在于：

反应器温度与反应器设定温度(T_r，set)的偏差量(ΔT_r)通过内部加热器(4)和外部调温器(9)的动态控制的功率调节来补偿，还在于所述方法包括以下步骤：

a.设定反应器的设定温度(T_r，set)，并将反应器的设定温度(T_r，set)输入第一控制器(6)；

b.确定反应器温度(T_r)，并确定反应器温度与反应器设定温度(T_r，set)的偏差量(ΔT_r)作为第一控制器(6)的控制偏差量，

c.将所述控制偏差量依照预定的标准分成第一部分和第二部分，其中第一部分作为热量被内部加热器(4)输入反应器(1)中，其中进一步地所述第一和第二部分进入第二控制器(10)用于控制外部调温器(9)，

并且，将热量带入和/或带出反应器(1)的结果是将反应器温度(T_r)调节至反应器的设定温度(T_r，set)。

2.依照权利要求1所述的方法，其中反应器温度(T_r)是以预定时间间隔确定或连续地确定。

3.依照权利要求2所述的方法，其中所述控制偏差量的第一部分对应于设定范围。

4.依照权利要求2所述的方法，其中所述控制偏差量的第一部分具有sigmoid函数的形态。

5.依照权利要求1至4之一所述的方法，其中第二控制器(10)被构造成级联控制器，并且，所述控制偏差量的第一部分被送到比例运算器而第二部分被送到第二控制器(10)的积分运算器中。

6.依照权利要求1至5之一所述的方法，其中内部加热器(4)是电加热器，所述加热器的功率(P_IRH)是由第一控制器(6)所控制。

7.依照权利要求1至6之一所述的方法，其中外部调温器(9)与反应器罩(2)协作工作，所述反应器罩的温度(T_j)由第二控制器(10)所控制。

8.依照权利要求7所述的方法，其中，所述控制偏差量的第二部分转换成剩余温度，且后者被输入到第二控制器中。

9.可依照权利要求1至8之一所述的方法进行操作的量热器，特别是反应量热器，具有：

接纳反应介质的反应器(1)；

布置于反应器(1)中并受第一控制器(6)控制的内部加热器(4)；以及

与反应器(1)热接触并受第二控制器(10)控制的外部调温器(9)，

其中，反应器(1)中布置有第一测量传感器(5)，所述测量传感器(5)用于确定反应器温度(T_r)，并且，

其中，所述反应器温度(T_r)受由内部加热器(4)传送给反应器(1)的热量及由外部调温器(9)带入和/或带出的热量的控制；

特征在于：反应器温度与反应器设定温度(T_r，set)的偏差量(ΔT_r)通过内部加热器(4)和外部调温器(9)的加热功率的动态调节来补偿。

10.依照权利要求9所述的量热器，其中调温器(9)与反应器罩(2)协作工作。

11.依照权利要求9或10所述的量热器，其中第二控制器(10)是级联控制器。

12.用于控制依照权利要求9至11之一所述的量热器的计算机程序，其中，依照权利要求1到8之一所述的方法步骤被执行，并且该计算机程序存储在量热器的控制单元中。

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