JP2002526763A - 多成分プロセス分析及び制御 - Google Patents

多成分プロセス分析及び制御

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Abstract

(57)【要約】 多成分プロセス分析及び制御のための装置及び方法は、プロセスストリームからサンプルを採取するステップと、該サンプル中の複数の分子の濃度を測定するために、確立されている品質保証／品質管理（ＱＡ／ＱＣ）プロトコルに従って、分光分析法を使用して該サンプルを審問するステップと、測定された濃度を制御コンピュータへ伝達するステップと、測定された濃度及びプロセスモデルに基づいて制御システム応答を決定するステップと、制御システム応答に基づいて少なくとも一つの設備動作を実行するステップと、採取、審問、伝達、決定及び実行の各ステップを繰り返すステップとを含む。該装置は、多成分分析器具の技術を、廃物救済、化学薬品製造、燃焼及び他の工業的操業で直面する広範囲で多様なプロセスに適した制御装置における直接的な利用にまで拡張する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 本発明は一般に、自動化制御の分野に関し、より具体的には、応用可能な工業
分野における諸操作の多成分プロセス分析及び制御に関する。
【０００２】 現在、工業プロセスストリームの組成評価は、研究室での評価に繋げるサンプ
リングを含む。通常、プロセスストリーム沿いの特定の場所が選択される。サン
プルを排気スタックで集めて、その施設が許可条件に準拠していることを確認す
ることができる。他の評価点は、特定の作業の後であってもよいし、パッケージ
ングの直前であってもよく、プロセス効率及び／又は製品純度を計測するために
使用される。この手法に伴う一つの問題は、実際のサンプリング事象と所望の分
析情報の達成との間の時間的遅れに関する。また、有害な反応が可能であるなら
ば、又は、化学反応が完了まで進行していないならば、サンプルの完全性が問題
になるかもしれない。
【０００３】 特に分析に何時間又は何十分かを要する場合、時間的に遅れたデータに基づい
て決定を下すと、プロセス制御に欠陥をきたしかねない。そのような状況では、
プロセスは、新たなサンプル情報を受けるまで同じ条件下で操作し続けるであろ
う。化学的情報が受容不可能であると仮定すると、プラント操業者は、所望のプ
ロセス条件が得られるまで、プロセス制御変数（温度、送り速度など）を体系的
に変更しようとするであろう。大規模プロセスをこのように整調すると、非効率
的になりかねず、規格外期間の製品歩留まりが予想よりも低くなり、それが、収
入の損失（利ざやの低下）及びプロセス放出（反応体副生成物）の増大へと移行
するであろう。さらには、ひとたびプロセスが整調されると、供給原料における
わずかな変化が製品歩留まりに影響するおそれがある。これらの入力変化は通常
、気づかれないまま進み、プロセスは最大効率で稼働しないであろう。
【０００４】 プロセス放出を制御しながら高い製品歩留まりを保証するのにもっとも適切な
手段は、必要な化学的情報を速やかに決定し、その結果を、たとえば、指定のプ
ロセスモデルに基づく結果を自動的に実現することができる機能制御コンピュー
タに伝達することであろう。
【０００５】 フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光分析法の使用が、多数の気相成分の濃度を
近実時間で測定することを可能にする。抜き取り（サンプリング）構造又はオン
ライン（非侵入）構造、すなわちプロセス経路を横切る構造のいずれかで適切な
施設場所でＦＴＩＲをインタフェースさせたのち、結果を通信するだけでは不十
分である。信頼しうる効果的で影響を受けにくいプロセス制御スキームを作るた
めには、機器及び計測ガイドラインならびに品質保証／品質管理（ＱＡ／ＱＣ）
のシステム（又はプロトコル）を採用しなければならない。そのような妥当性立
証なしでは、システム実現が非効率的になり、誤った観測を生じさせ、制御の誤
った適用を招くおそれがある。プロトコルの使用はまた、計器の性能及び得られ
るデータに対する多数のチェックを許容する。本明細書に開示する概念は、実行
可能なＱＡ／ＱＣ計画の欠如及びプロセス特異性に関して従来技術で認められて
いる他の欠陥に伴う障害を除くことを意図する。
【０００６】 チャプル・ソコオル（Chapple-Sokol）らの米国特許第５，４３１，７３４号
及び第５，６６５，６０８号は、製品劣化を検出するためのＦＴＩＲの使用に基
づく、化学蒸着反応器への酸化アルミニウムの添加を制御するシステムを記載し
ている。この技術は、インライン分析セルと、薬品を反応器に流れ込ませるか、
その薬品が劣化していることがわかったならば反応器から完全にバイパスさせる
ように作動する１個の弁とを使用する。改善された製品歩留まりが予想される。
しかし、チャプル・ソコオルは、品質保証／品質管理を開示又は示唆しておらず
、１種の薬品及び対応する劣化製品の評価を目的とする。この開発された技術の
適用は、サンプルセルの中で使用される材料及び成分の保存に関係するガス流の
温度に限られるであろう。
【０００７】 ホルト（Holt）（米国特許第５，４５７，２６０号）は、シミュレートされる
移動吸収床分離法を制御するための近赤外分光分析法の使用を論じている。標的
用途は特定的であり、計測に規制を課し、それにより、データの許容性を保証す
るためのＱＡ／ＱＣフレームワークが欠如している。
【０００８】 レ・フエバ（Le Feber）ら（米国特許第５，４３０，２９５号）は、石油成分
の制御された混合の方法を記載している。具体的な実施態様は、選択生成物を生
成するための指定モデルに基づく制御法に依存している。混合物中の指定標的分
子を検出するための主要な方法が近赤外分光分析法として記載されてはいないが
、所与の分子又は最終製品パラメータを決定するための他の手段がクレームされ
ている。ここでもまた、ＱＡ／ＱＣフレームワークは考慮されなかった。
【０００９】 ランジェ（Lange）ら（米国特許第５，１５１，４７４号）は、ポリオレフィ
ンの重合法の制御に関連して、多成分分析器（ＦＴＩＲ分光計）の使用を記載し
ている。分光計は、１−オクテン、エチレン及びプロピレンの定量に向けられて
いる。ランジェらは、計測の質を保証し、制御する標準的手段に言及していない
。そのうえ、オレフィン重合以外のプロセスへの応用は考慮されなかった。
【００１０】 リーゲン（Reagen）（米国特許第５，７７７，７３５号）は、ＦＴＩＲ分光計
の基本的機能部品からなる現場用ガス分析器を記載している。追跡可能なＱＡ／
ＱＣプロトコルが述べられているが、このガス分析器は、工業及び／又は製造プ
ロセスの直接制御を考慮していない。引用された発明は、周囲空気サンプル中の
極微濃度を評価するために特定的であり（サンプルの前処理を伴わない）、従っ
て、計測の目的及び規模は、工業衛生の分野には直接適用可能であるが、通常は
より大きい分子濃度に直面するプロセス制御には適用できない。
【００１１】 （発明の概要） 本発明は、プロセスストリームからサンプルを採取するステップと、フーリエ
変換赤外分光分析法を使用して、確立されたＱＡ／ＱＣプロトコルに従ってサン
プルを審問して、プロセスの状態を示す一つ又は多数の成分の濃度を測定するス
テップと、測定した濃度を制御コンピュータに伝達するステップと、測定した濃
度及びプロセスモデルに基づいて制御システム応答を決定するステップと、制御
システム応答に基づいて少なくとも一つの機能動作を実現するステップと、採取
、審問、伝達、決定及び実現の各ステップを繰り返すステップとを含む、多成分
プロセス分析及び制御のための装置及び方法を提供することにより、従来技術の
前記制限を多大な程度まで解消する。さらには、ＭＰＡＣシステムが、多成分分
析計測の技術を、廃物救済、化学薬品製造、燃焼及び他の工業的操業で直面する
多様なプロセスに適した制御装置における直接的な利用にまで拡張する。
【００１２】 本発明の目的は、プロセスストリームのサンプル中に固有にある多数の成分の
定量に適した方法に基づく自動化制御装置を、実行可能で追跡可能な品質保証／
品質管理（ＱＡ／ＱＣ）ルーチンと併せて提供し、それにより、多数の成分の速
やかな時間的定量を可能にして高レベルのプロセス制御を可能にすることである
。
【００１３】 本発明のもう一つの目的は、特定の用途に限定されないよう十分に融通が利く
制御システムを提供することである。
【００１４】 本発明の別の目的は、種々の制御スキームアーキテクチャの結合を許容する制
御装置を提供することである。
【００１５】 本発明のさらなる目的は、信頼しうる技術に基づく制御システムを提供するこ
とである。
【００１６】 本発明のさらに別の目的は、従来の制御システムに対して製品歩留まりを増す
ことができる制御システムを提供することである。
【００１７】 本発明のなおさらに別の目的は、環境影響を制限及び制御するために使用する
ことができる制御システムを提供することである。
【００１８】 本発明のもう一つの目的は、プロセス効率を改善し、それにより、運転費を下
げる制御システムを提供することである。
【００１９】 本発明のもう一つの目的は、プロセス条件を完全に記録する制御システムを提
供することである。
【００２０】 本発明のさらなる目的は、環境影響、製品分配及び歩留まりの直接の知識を１
５秒よりも短い時間スケールで操業者に提供する制御システムを提供することで
ある。
【００２１】 本発明のもう一つの目的は、多数のガスソースと、プラズマアークに送られる
ガス組成をトーチからの排気ガスの濃度に基づいて自動的に制御する制御装置と
を含むプラズマトーチアセンブリを提供することである。
【００２２】 本発明のもう一つの実施態様では、サンプルをサンプルマニホールドに送るた
めに正の圧力が使用される。
【００２３】 本発明の他の実施態様では、多成分定量が可能である代替分光分析法、すなわ
ちラマン、近赤外及び吸収分光分析法（レーザ励起の有無は問わない）を使用す
る。
【００２４】 好ましい実施態様では、標的分光分析法ベースのシステム及び制御装置の運用
に１台のコンピュータを使用する。
【００２５】 本発明の他の目的、態様及び利点は、本発明の実施態様を一例として開示する
添付図面と併せて読まれる以下の説明から明らかになるであろう。場合によって
は、本発明の理解を容易にするため、本発明の種々の側面が誇張又は拡大されて
示されているかもしれないことを理解されたい。
【００２６】 （詳細な説明） 以下、好ましい実施態様の詳細な説明を提供する。しかし、本発明は多様な形
態で実施できることを理解しなければならない。従って、本明細書に開示する具
体的な詳細は、限定的であると解釈してはならず、むしろ、特許請求の基礎とし
て、また、本発明を実質的にいかなる適切な詳細のシステム、構造又は方法で用
いることを当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されなければならな
い。
【００２７】 ここで、同じ参照番号がいくつかの図を通じて同一又は対応する部品を示す図
面、特に図１を参照すると、本発明の好ましい実施態様による多成分プロセス分
析制御装置（以下「ＭＰＡＣ」と呼ぶ）１００がブロック図の形で示されている
。ＭＰＡＣ１００では、サンプルインタフェース２が、制御装置６の制御の下、
プロセスストリーム１の一部を抽出する。サンプルインタフェース２はまた、従
来技術に従って、流れストリームに対するサンプリング場所に依存して、サンプ
ルをコンディショニングしてもよい。プロセスストリームの抽出された部分は、
ＦＴＩＲ分光計３のサンプルセル４に運ばれる。ＦＴＩＲ分光計は、好ましい実
施態様では、電磁スペクトルの中間ＩＲ部分で設定されている。ＦＴＩＲ分光計
３による審問ののち、サンプルは、サンプルをはじめに収集されたところから下
流で、プロセスストリーム１中に排出してもよいし、または代案として廃棄処分
に送ってもよい。
【００２８】 ＦＴＩＲ分光計３は、制御装置６のソフトウェア中で規定された順序に従って
起動される計器標的コンピュータ５内の自動化プログラムによって制御される。
計器標的コンピュータ５中のソフトウェアは、干渉計のスペクトル及び時間的解
像度、スペクトルデータのすべての処理及びＱＡ／ＱＣプロトコルに関連する統
計量の測定、従来技術で公知の較正法によるプロセスサンプル（又は較正換算標
準）中の分子濃度の計算、データとその対応する計測タイムスタンプの保管なら
びに関連する結果、すなわち濃度、タイムスタンプ及び状態フラグの制御装置６
への伝達を制御する。好ましい実施態様では、準拠するプロトコルは、１９９５
年２月３日付けの「Protocol for the Use of Extractive Fourier Transform I
nfrared (FTIR) Spectrometry for the Analysis of Gaseous Emissions From S
tationary Sources」と題するＥＰＡプロトコルである。このプロトコルの内容
を引用例として本明細書に含める。制御装置６は、サンプルインタフェース２を
作動させ、データ収集及び分析を開始し、プロセスモデルに基づいて設備起動装
置７を始動させる。
【００２９】 サンプルインタフェース２を図２に詳細に示す。プロセスストリーム１の一部
が、場合によっては、チャンバ８中で公知の実施方法（たとえば加熱）に従って
コンディショニングされたのち、質量流量制御装置９に送られる。２個のさらな
る質量流量制御装置１０、１２が、不活性パージガス供給１１の導入（質量流量
制御装置１０）及び較正換算標準ガス供給１３の導入（質量流量制御装置１２）
を計量するために使用される。不活性パージガス供給１１は、サンプルを審問し
たのちＦＴＩＲセルをフラッシュして、以前のサンプルの残りが後続のサンプル
を汚損しないことを保証するために使用される不活性ガスの供給である。較正換
算標準ガス供給１３は、ＦＴＩＲ分光計３の較正をチェックするために使用され
る、既知の組成及び濃度のガスの供給である。分光計３の較正は、好ましい実施
態様で施設からのサンプルを評価する期間の前後でチェックされる。
【００３０】 プロセスストリーム１の一部、不活性パージガス供給１１又は較正換算標準ガ
ス供給１３は、求められる具体的な作業に依存して、分光計３のサンプルセル４
に運ばれ、そこで、赤外吸収分光分析法を使用してサンプルの分析が行われる。
真空ポンプ１４が、システム中に一定の流れを維持するために必要な吸引を供給
する（当業者は、プロセスストリーム１中に十分な正の圧が存在する場合、真空
ポンプ１４が不要であるかもしれないことを認識するであろう）。システムの圧
力は、ＮＩＳＴ（National Institute of Standards and Technology）に対して
追跡可能である圧力変換器１５によってモニタされる。システムの圧及び温度は
、プロトコルに従ってシステムの較正の際に使用される同じ値に維持される。圧
力は、同じく制御装置６の制御下にある電子制御弁１６によって制御される。
【００３１】 図３は、質量流量制御装置９、１０、１２、電子制御弁１６及び追跡可能な圧
力変換器１５の、制御装置６への相互接続を示す。図３は、制御装置６からのサ
ンプルインタフェース部品の制御（一点鎖線）ならびに質量流量制御装置の弁位
置及び電子制御弁の制御装置６によるポーリング（破線）を詳細に示す。種々の
部品の制御の状態及び値は、安全なシステム動作を維持するために必要な動作を
含む所定の計測シーケンスに従って確立される。
【００３２】 再び図１に戻ると、制御装置６と計器標的システムコンピュータ５との間の電
子通信は、好ましい実施態様では、標準インタフェース１７を介する二方向通信
を使用して実行される。所与の設備制御装置の具体的な構造に基づいて、制御装
置６と設備起動装置７との間に多数の異なる通信オプションが可能である。制御
下にある特定のプロセス及び設備起動装置の実際の数に依存して、図示するより
も多くの接続が必要であるかもしれない。
【００３３】 図面に記載したシステムは、特定の命令ソフトウェアとともに、多成分プロセ
ス分析及び制御のための機械の主要部品を構成する。適切な炉４１０の中に位置
するプラズマトーチ４２０に送られるガス組成を制御し、混合廃棄組成物を処理
するために構成された本発明の実施態様４００が図４に示されている。この記載
例は、単に、制御システムとしてのＭＰＡＣ発明の使用を示す。これに関して、
本技術を使用し、ただし、ＦＴＩＲ技術を使用して定量することができる他の分
子に基づいて適切な決定を下すことにより、他のプロセスを制御することができ
ることが理解されるべきである。実際、多成分定量に適した他の計器を使用して
もよい。
【００３４】 プラズマトーチ４２０は、廃棄物と発生するプラズマアークとの直接的な相互
作用又は放射伝導によって炉４１０中に存在する高温のいずれかにより、廃棄物
ストリームの成分を高温まで加熱する。混合放射性廃棄物中の有機分子はラジカ
ル反応によって優先的に破壊されるが、溶融体形成分子及び原子は、液化したの
ち、炉の底でスラグ又はガラスを形成する傾向を示すであろう。窒素、空気又は
それらの組み合わせであろうと、トーチへのガス供給を制御する能力は、廃棄物
中にはじめから存在する有機分子の破壊の程度ならびに有害な汚染性の温室ガス
の形成を指図する。これらの後者の分子は、プラズマ内の化学反応及び／又はア
ークと廃棄物との相互作用から直接発生するかもしれない。
【００３５】 これらの実験に使用されるプラズマトーチは通常、後部プラズマ電極上のアー
ク取り付け点を異なる空間的場所に移動させながら維持し、それにより、時間と
ともに電極を均等に磨耗させるため、トーチガス供給圧力を循環しながら、すな
わち変動しながら作動する。ＭＰＡＣを使用して変動するプロセスパラメータ（
ガス供給圧力）を制御するこの特定の例は、システムによって達成することがで
きる制御の極端な例である。フィーダ、ミキサの作動又は温度、流量もしくは圧
力の制御又はそれらの組み合わせによって制御を起こす他のプロセスは、それほ
ど複雑にはならないであろう。
【００３６】 図４に示す実施態様４００では、ブリケットの形態の廃棄物が、ブリケットを
炉４１０の床のるつぼ４１２に通すフィーダ４１４を使用してトーチ炉４１０に
送られる。フィーダ４１４はモータ４１６によって駆動され、このモータはモー
タ制御装置４１８によって制御される。図４に示す具体的な実施態様４００では
、フィーダ４１４は、二つの可能な送り出し速度の一方にセットすることができ
るスクリュー型フィーダである。制御装置６（制御装置６とモータ制御４１８と
の接続は図４には示さない）の制御の下でフィーダ４１４を周期的に起動及び停
止させて所望の半連続速度を得ることにより、異なる速度を得た。フィーダ４１
４を制御するために使用される制御方法は、当該技術で周知である。
【００３７】 ４１２中の廃棄物は、プラズマトーチ４２０に送られる。プラズマトーチ４２
０の温度は、冷却水供給４２２によって供給される水によって調整され、ドレン
４３０を介して排出される。冷却水供給４２２中の水の圧及び温度は、圧力セン
サ／トランスミッタ（Ｓ／Ｔ）４２４及び温度センサＳ／Ｔ４２６によって計測
される。冷却水ドレン４３０の温度は、温度Ｓ／Ｔ４３２センサ４３２によって
計測される。Ｓ／Ｔ４２２、４２４、４３２からの入力は、プラズマトーチ作動
温度を監視するために使用されるが、この実施態様では制御機能は実行されない
。
【００３８】 プラズマトーチ４２０がブリケットを燃焼させると、発生するガスは、エキゾ
ースト４７０を介して二次燃焼室（図４には示さず）に通される。排気ガスの温
度は、温度Ｓ／Ｔ４７２によって計測される。ＦＴＩＲ分光分析法を使用して分
析される排気ガスサンプルは、サンプルインタフェース２で抜き取られ（そして
下流に戻され）、分析結果が変換され、制御装置６中の７０１１（ＣＣ−７５）
に伝達される。
【００３９】 プラズマトーチ４２０に供給されるガスは、空気（一次ガス）、窒素（二次ガ
ス）又は両方の組み合わせのいずれかである。直観的に、廃棄物含有有機成分を
窒素プラズマを使用して処理する場合、高レベルの一酸化炭素ＣＯ及び対応する
低レベルの二酸化炭素ＣＯ2が形成するであろう。あるいはまた、空気プラズマ
を使用してトーチを作動させると、高レベルのＮＯ及びＮＯ2が発生するであろ
う。これらの成分は、トーチ４２０（及びプラズマ成分と炉に送られる廃棄物と
で発生する隔壁）に供給されるガス中の酸素及び窒素の量に正比例して発生する
傾向を有するであろう。空気と窒素との組み合わせを使用してトーチ４２０に供
給することにより、排気ガス中の一酸化炭素ＣＯ濃度を許容可能レベルに維持す
ると同時に、空気のみをトーチに供給する場合に比べてＮＯx排出を減らすこと
が可能である。
【００４０】 プロセス計器構成図（図４）は、この直観モデルに基づいて開発されたもので
ある。指定のしきい値を超えるＣＯレベルの検出を使用して、制御装置動作を煽
動して、すなわち、トーチガスの組成を制御して（酸素含有量を増すことにより
）、ＮＯ及びＮＯ2の形成を減らしながらも（空気プラズマの場合に比べて）Ｃ
Ｏレベルを許容可能レベルに減らすことができる。これらの動作を自動的に実行
する際、制御装置を使用して、ＮＯxの環境影響を最小限にしながらも高い有機
物破壊効率を達成することができる。
【００４１】 ガス供給システムには二つの制御ループがある。濃度制御装置ＣＣ−７５及び
流量制御装置ＦＣ−６０を含む制御装置６が、二つのループそれぞれを制御する
。第一の制御ループは一次ガス４６０の流量を制御する。第一の制御ループでは
、ＣＯ濃度トランスミッタＣＴ−７５が、ＦＴＩＲから得られた一酸化炭素濃度
を濃度制御装置ＣＣ−７５に伝達する。濃度制御装置ＣＣ−７５は、計測したＣ
Ｏ濃度をそのセットポイント（ＳＰ）と比較し、電気信号をＩ／Ｐ（電流−圧）
変換器ＣＹ−７５に送信し、この変換器が故障時開液圧制御弁４６９を制御する
ことによって一次ガス供給を操作する。一次ガス供給４６０の操作は、機能動作
の一例である。
【００４２】 第二のループは、二次ガス４５０の流量を制御するフローループである。フロ
ー要素４６１（ベンチュリ計を含む）及び差圧変換器ＦＴ−７５が、一次ガス４
６０の流量を計測し、代表信号を平方根抽出器ＦＹ−７５Ａを介して計算ブロッ
クＦＹ−６０Ｂに送信する。同様に、フロー要素４４２及び差圧変換器ＦＴ−７
５が、一次ガスと二次ガスとを合わせた全流量を計測し、代表信号を平方根抽出
器ＦＹ−８０Ａを介して計算ブロックＦＹ−６０Ｂに送信する。計算ブロックＦ
Ｙ−６０Ｂは、計測した一次ガス流量、計測した全ガス流量及び所望の全ガス流
量に基づいて、所望の二次ガス流量を決定する（注：上記で論じたように、全ガ
ス流量は、プラズマトーチ４２０の電極の寿命を延ばすため、変動させなければ
ならない）。そして、計算ブロックＦＹ−６０Ｂは、所望の二次ガス流量―二次
ガスのセットポイント―を流量制御装置ＦＣ−６０に伝達する。そして、流量制
御装置ＦＣ−６０は、セットポイントを、フロー要素４５１及び差圧変換器ＦＴ
−６０によって計測され、平方根抽出器ＦＹ−６０Ａに通して伝達される二次ガ
ス供給４５０の実際の流量と比較する。そして、流量制御装置ＦＣ−６０は、Ｉ
／Ｐ変換器ＦＹ−６０Ｃによって弁４５９を制御する。当業者は、一次ガスとし
ての空気の選択及び二次ガスとして窒素の選択を逆にしてもよいことを認識する
であろう。
【００４３】 トーチに供給されるガスの圧を一定に保持した条件で、プラズマを窒素から発
生させ、次に空気から発生させた場合の標的分子の濃度レベルを確立するため、
第一の実験を実施した。毎分５ブリケットの代用廃棄物原料の窒素プラズマの場
合で、３３，４００±７９０ppmの平均ＣＯ2濃度を見いだした。これらの条件下
、平均ＮＯ濃度は３５０±３０ppmであり、それを時間的に平均化した。ＮＯ2及
びＨ2Ｏ濃度は、３０±４ppm及び８４０±１１０ppmと測定された。この同じ廃
棄物導入速度で、空気から発生するプラズマの使用は、１８２，５８０±４，２
００ppmの平均ＣＯ2濃度を出した（窒素プラズマに比べて空気プラズマを用いて
得られたＣＯ2の量の増大は、窒素プラズマに対して空気プラズマを用いて得ら
れるＣＯの量の対応する減少を意味する）。空気プラズマでは、ＮＯ、ＮＯ2及
びＨ2Ｏの濃度は、それぞれ、４０４０±３７１ppm、７７０±７０ppm及び９６
７０±９８０ppmに増大した。
【００４４】 実際には、先に論じたように、変動するガス流量がプラズマを駆動する。ＭＰ
ＡＣ発明を使用した実験は、三回の別々の実験の平均ＣＯ2濃度が６６，２９０
±１，５３０ppmであることを示した。これは、窒素がトーチのソースガスであ
った対照実験に比較して５０％増のＣＯ2を表わし、空気プラズマを用いた運転
に比較して６４％の減少を表わした。同じ実験で、ＮＯ濃度の平均は１，８３０
±１７０ppmであり、窒素ベースのプラズマに対して８１％増を表わした。他方
、ＮＯ濃度は、空気をトーチに供給した対照実験に比較して５５％減少した。Ｎ
Ｏ2及びＨ2Ｏ濃度に関してもおおよそ同じ傾向が確認された。それぞれ７０±１
０ppm及び１，２００±１１０ppmの平均ＮＯ2及びＨ2Ｏ濃度を観測した。平均Ｎ
Ｏ2濃度は、窒素ベースラインケースの場合に得られた値に対して５４％増を表
わし、水の濃度は、空気プラズマに比較して９１％減に相当する。
【００４５】 いずれもプラスマトーチに供給されるガスの圧力を循環させることに対応する
、窒素プラズマ実験で得られたＣＯの結果と、トーチガス組成を本発明によって
変更した実験で得られたＣＯの結果とを図５及び６で対比させる。プラズマトー
チをＮ2ガスで作動させるシステムを使用して計測したＣＯ濃度は、平均でおよ
そ２０，０００ppmである。図６で興味深いことは、直接制御下、すなわち、Ｍ
ＰＡＣ発明を使用してプロセスモデルに従ってガスを混合したときのＣＯ濃度の
変動である。具体的には、ＣＯ濃度が、全ガス流量及びプラズマトーチに流れる
全ガスの一部を表す空気の流量とともに詳細に示されている。１０：５４：０９
で、ＣＯ濃度が約３８００ppmであることがわかる。ＭＰＡＣは、濃度がしきい
値を超え、プラズマトーチへの全流量中の空気の比率が増大し始めることを認識
した。この空気の増大の結果は、次のサンプリング間隔でのＣＯ濃度の減少であ
り、システムがガス組成、ひいては代用廃棄物の破壊及びプロセスの影響を制御
していることを示した。ＣＯ濃度が増減するとき、制御装置は、全トーチガス供
給中の空気の割合（残りはＮ2からなる）を変更し続けた。プラスマトーチに供
給される空気は、ＣＯのレベルが増大すると増大し、ＣＯレベルが低下すると低
下することが観測され、プロセスの直接制御を示す。
【００４６】 ＭＰＡＣ発明を使用するさらに別の三つの実験に関して、６３，４１０±１，
４６０ppmの平均ＣＯ2濃度が記録された。これは、Ｎ2トーチガス対照実験に比
較して４７％増を表わし、純粋な空気プラズマ実験に比較して６５％減を表わし
た。同じ実験中、ＮＯ濃度は平均２，１４０±１９０ppmであり、Ｎ2ベースのプ
ラズマを用いる運転の間に測定された濃度に対して８４％増を表わした。他方、
ＮＯ濃度は、純粋な空気プラズマの場合に比較して４７％減少し、それぞれ１０
±２ppm及び１，５００±１１０の平均ＮＯ2及びＨ2Ｏ濃度が観測された。平均
ＮＯ2濃度は、窒素でのトーチの運転の場合と比較してわずかな減少及び空気に
基づくプラズマの運転に比較して大きな減少（９８％）に相当した。平均Ｈ2Ｏ
濃度は、窒素に基づくプラズマで得られた濃度に比較して５５％増及びトーチに
送られるガスが空気であった場合に測定された濃度に比較して８５％減に相当し
た。
【００４７】 これらの結果は、ＭＰＡＣ発明が、プラズマトーチ（ひいてはプラズマの組成
）に送られる空気及び窒素ガスの割合ならびにプロセスストリームの得られる化
学を制御することを示した。システムは、空気ベースのプラズマを使用するトー
チの運用に比較してプロセスの環境影響の減少（より低いＮＯx及びＣＯレベル
）の原因であり、また、窒素ガスだけでトーチを運転した場合よりも高い有機廃
棄物破壊効率を維持しながらＣＯ2の平均レベルを最小限にした。
【００４８】 本発明は、Jason Marcus Hamiltonによる「Process Optimization Studies of
a Surrogate Mixed Waste Torch Processing Facility Using Extractive FTIR
Spectroscopy in Adavand Control Strategy」と題する修士論文に詳細に記載
されている。同論文の内容を引用例として本明細書に含める。
【００４９】 好ましい実施態様に関連して本発明を説明したが、本発明の範囲を述べた具体
的な形態に限定する意図はなく、それどころか、請求の範囲によって定義される
本発明の本質及び範囲に含まれるような代替、変形及び等価を包含することを意
図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 多成分プロセス分析制御装置のブロック図である。
【図２】 種々の部分を通過する分析ストリームの流れを示すサンプルインタフェースの
ブロック図である。
【図３】 サンプルインタフェースと制御装置との間の通信ラインを示す。
【図４】 プラズマトーチへのガス供給の制御のためのプロセス計器構成図である。
【図５】 トーチに送られるガスが窒素である場合（ベースラインケース）及び代用廃棄
物をトーチ炉に注入した場合の、プラズマトーチへのガス流量及びＣＯ濃度レベ
ルのグラフである。
【図６】 代用廃棄物をトーチ炉に送り、本発明の実施態様を使用してプロセスを直接制
御した場合の、プラズマトーチへの全ガス流量、全ガス流量のうち空気からの部
分及びＣＯのレベルを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０５Ｄ 21/00 Ｇ０５Ｄ 21/00 Ａ // Ｇ０１Ｊ 3/44 Ｇ０１Ｊ 3/44 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，Ｌ Ｋ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ ，ＺＷ (72)発明者 トギアニ，ホセイン アメリカ合衆国、ミシシッピー 39762、 ミシシッピー・ステイト、エセレッジ−ハ ーディー・ロード 129 (72)発明者 ハミルトン，ジェイソン・エム アメリカ合衆国、ロサンジェルス 70765、 プラークミン、ビルディング 2505、ハイ ウェイ １ Ｆターム(参考） 2G020 AA03 AA04 AA05 BA02 CA04 CB42 CB43 CC22 CD04 CD13 CD22 CD35 2G043 AA01 BA12 BA13 BA14 CA01 DA05 EA03 EA08 FA06 GA07 GA25 GA28 GB07 GB09 GB21 JA08 KA01 KA02 KA03 LA01 MA03 2G057 AA02 AB01 AB02 AB03 AC03 BA01 EA03 GA01 2G059 AA01 BB01 CC04 CC05 CC13 DD12 DD16 EE03 EE12 FF11 HH01 HH02 HH03 JJ01 KK01 NN02 PP01 5H309 AA02 AA11 BB18 CC06 DD02 DD08 DD14 EE05 FF01 GG05 HH12 HH18 HH25 JJ06 KK04

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プロセスストリームからサンプルを採取するステップと、該
    サンプル中の少なくとも一つの成分の濃度を測定するために、確立された品質保
    証／品質管理（ＱＡ／ＱＣ）プロトコルに従って、分光分析法を使用して該サン
    プルを審問するステップと、 測定された濃度を制御装置へ伝達するステップと、 測定された濃度及びプロセスモデルに基づいて制御システム応答を決定するス
    テップと、 該制御システム応答に基づいて少なくとも一つの設備動作を実行するステップ
    と、 採取、審問、伝達、決定及び実行の各ステップを繰り返すステップと、 を含むプロセス制御方法。
  2. 【請求項２】 該審問ステップの前に該サンプルを高温で加熱又は維持する
    ステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 該プロセスストリームの一部を真空によって抽出することに
    よって該採取ステップを実行する、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 該審問ステップで使用される分光計に対応するサンプルセル
    をパージするステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 該繰り返しステップを実行する前に、較正換算標準を使用し
    て該分光計を較正するステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 該審問ステップからの結果に基づいて統計データを編集する
    ステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 作動容積を有するサンプルセル中のサンプルを１２０℃〜１
    ５０℃程度の温度に維持するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 該サンプルを、５℃以下しか変動しない温度に維持する、請
    求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 該温度が１℃以下しか変動しない、請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 該サンプルを、該サンプルを採取したところから下流の場
    所で該プロセスストリームに戻すステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】 フィードバックモデルに従って該制御システム応答を決定
    する、請求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】 フィードフォワード、カスケード又は比率制御に従って該
    制御システム応答を決定する、請求項１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 該分光分析法が赤外分光分析法である、請求項１記載の方
    法。
  14. 【請求項１４】 該分光分析法がフーリエ変換赤外分光分析法である、請求
    項１記載の方法。
  15. 【請求項１５】 該分光分析法が近赤外分光分析法である、請求項１記載の
    方法。
  16. 【請求項１６】 該分光分析法がラマン分光分析法である、請求項１記載の
    方法。
  17. 【請求項１７】 電磁スペクトルの紫外／可視部分で計測を実施する、請求
    項１記載の方法。
  18. 【請求項１８】 少なくとも、第一の流量を有する第一のガスと、第二の流
    量を有する、第一のガスとは異なる第二のガスとをプラズマトーチに供給するス
    テップと、 該プラズマトーチによって発生する排気ガスサンプルを採取するステップと、 該サンプルを審問して、該排気ガスの少なくとも一つの成分の濃度を測定する
    ステップと、 該濃度を制御装置に伝達するステップと、 該濃度に基づいて該第一のガス及び該第二のガスの少なくとも一方の供給を調
    節するステップと、 採取、審問、伝達及び調節の各ステップを繰り返すステップと、 を含む、プラズマトーチを操作する方法。
  19. 【請求項１９】 該第一のガスが酸素であり、該第二のガスが窒素である、
    請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 全ガス流量を変動させるステップをさらに含み、該全ガス
    流量が、該第一のガスの該第一の流量と、該第二の流量とを含む、請求項１９記
    載の方法。
  21. 【請求項２１】 確立されたＱＡ／ＱＣプロトコルに従って該審問ステップ
    を実行する、請求項２０記載の方法。
  22. 【請求項２２】 分光分析法を使用して該審問ステップを実行する、請求項
    ２１記載の方法。
  23. 【請求項２３】 該分光分析法がフーリエ変換赤外分光分析法である、請求
    項２２記載の方法。
  24. 【請求項２４】 サンプルを採取するためにプロセスストリームに接続する
    ことができるサンプル抽出インタフェースと、 該サンプル抽出インタフェースからサンプルを受けるために該サンプル抽出イ
    ンタフェースに接続されたサンプルセルを含む分光計と、 該分光計から得られるスペクトルを処理し、該サンプルの少なくとも二つの成
    分の濃度を測定するために該分光計に接続された計器標的分析器と、 該プロセスストリームに接続することができる設備起動装置と、 該サンプル抽出インタフェースを制御して該サンプルを抽出し、それを該サン
    プルセルに配置し、該分光計を制御して該サンプルセル中のサンプルを審問し、
    該標的計器制御装置を制御して該サンプルの少なくとも二つの成分の濃度を測定
    し、該設備起動装置を制御して、測定した濃度に基づいて設備動作を実行させる
    ための、該サンプル抽出インタフェース、該分光計、該計器標的分析器及び該設
    備起動装置に接続された制御装置と、 を含む、工業プロセスを制御するための装置。
  25. 【請求項２５】 該サンプル抽出インタフェースが、該プロセスストリーム
    及び該サンプルセルに接続された第一の質量流量制御装置を含む、請求項２４記
    載の装置。
  26. 【請求項２６】 該サンプル抽出インタフェースが、 パージガス供給と、 該パージガス供給及び該サンプルセルに接続された第二の質量流量制御装置と
    、 較正標準ガス供給と、 該較正標準ガス供給及び該サンプルセルに接続された第三の質量流量制御装置
    と、 をさらに含む、請求項２５記載の装置。
  27. 【請求項２７】 該第一、第二及び第三の質量流量制御装置が三方向弁を介
    して該サンプルセルに接続され、該弁が、該第一の質量流量制御装置を該サンプ
    ルセルと流通可能にする第一の位置と、該第二の質量流量制御装置を該サンプル
    セルと流通可能にする第二の位置と、該第三の質量流量制御装置を該サンプルセ
    ルと流通可能にする第三の位置とを取ることができる、請求項２６記載の装置。
  28. 【請求項２８】 弁を介して該サンプルセルと流通する真空ポンプをさらに
    含む、請求項２４記載の装置。
  29. 【請求項２９】 圧力変換器をさらに含む、請求項２４記載の装置。
  30. 【請求項３０】 プラズマトーチと、 該プラズマトーチに接続され、第一のガス供給に接続することができる第一の
    弁と、 該プラズマトーチに接続され、該第一のガス供給とは異なるガスを供給する第
    二のガス供給に接続することができる第二の弁と、 該第一の弁及び第二の弁に接続され、少なくとも一つのプラズマトーチ排気ガ
    ス成分の濃度を計測し、該濃度に基づいて該第一の弁及び該第二の弁の少なくと
    も一方を制御するように構成されている制御装置と、 を含むプラズマトーチアセンブリ。
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