JP2004167357A

JP2004167357A - 温度制御方法

Info

Publication number: JP2004167357A
Application number: JP2002335329A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Akaha; 陽介赤羽
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】溶媒に溶剤を添加して混合する際の混合槽内の温度を所定温度に維持することのできる温度制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】溶媒に溶剤を添加し混合する混合槽と、混合槽を取り囲む、内部に熱媒を収容するジャケットとからなる混合装置の、ジャケット内に熱媒を通過させることにより混合槽内温度３１が所定の温度に維持されるように制御する温度制御方法において、溶剤の添加開始時刻よりも所定時間前から添加開始時刻までの間、ジャケット内温度３２を、溶剤の添加開始時刻におけるジャケット内温度３２が溶剤の添加により混合槽内温度３１が変化する方向とは反対の方向に所定の温度だけ変化した目標温度となるように調整し、溶剤の添加終了時刻よりも所定時間前から添加終了時刻までの間、ジャケット内温度３２を、混合槽内の、溶剤の添加開始時刻以前の温度と同一の温度となるように調整する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶媒に溶剤を添加して混合する混合槽内の温度を制御する温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶媒に溶剤を添加して混合する混合槽内の温度を制御する方法として、混合槽を取り囲むように設けたジャケット内の熱媒の温度を調節することにより混合槽内の温度を所定の温度に維持する温度制御方法が広く採用されている。
【０００３】
この温度制御方法では、ジャケット内の熱媒から混合槽内の混合物への熱伝達の時間遅れを軽減して応答を改善しようとするＰＩＤ制御（比例積分偏差制御）やセットポイント制御などの制御方式が採用されるのが普通である。
【０００４】
例えば、混合槽内の溶媒に溶剤添加などの外乱が与えられることが予定されている場合に、その外乱となる溶剤添加の添加パターンによる混合液の液量変化および溶剤添加による反応熱などをリアルタイムで演算して制御を行う温度制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９０３０２７号公報（第１〜３頁、第１〜６図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の温度制御方法は、特殊な行列演算に基づく複雑な熱モデルからなり、ＰＩＤ制御器のほかに特殊な演算器を必要とする。
【０００７】
特殊な演算器を用いることなく、一般的なＰＩＤ制御器による温度制御方法では、外乱の熱モデルを予測計算しその予測計算式に基づく温度制御が行われるが、具体的な温度制御方法および具体的な予測計算式を開示した報告は見当たらない。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑み、溶媒に溶剤を添加して混合する際の混合槽内の温度を、特殊な演算器を用いることなく所定の温度に維持することのできる温度制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の温度制御方法は、
溶媒を収容し、収容された溶媒への溶剤の添加を受けて混合する混合槽と、その混合槽を取り囲むように形成された、内部に熱媒を収容するジャケットとからなる混合装置の、そのジャケット内に熱媒を通過させることによりその混合槽内の温度が所定の温度に維持されるように制御する温度制御方法において、
上記溶剤の添加開始時刻よりも所定時間前から添加開始時刻までの間は、上記ジャケット内の温度を、上記溶剤の添加開始時刻における上記ジャケット内の温度がその溶剤の添加により上記混合槽内の温度が変化する方向とは反対の方向に所定の温度だけ変化した目標温度となるように調整し、
上記溶剤の添加終了時刻よりも所定時間前から、上記ジャケット内の温度を、上記混合槽内の、上記溶剤の添加開始時刻以前の温度と同一の温度となるように調整開始することを特徴とする。
【００１０】
本発明の温度制御方法によれば、溶剤の添加開始時刻よりも所定時間前から添加開始時刻までの間は、ジャケット内の温度を上記目標温度となるように調整し、溶剤の添加終了時刻よりも所定時間前から、ジャケット内の温度を上記同一の温度となるように調整開始することにより、溶剤の添加開始および添加終了という予定の外乱による混合槽内の温度変化を相殺するに必要な熱量がジャケットから混合槽に与えられるので、混合槽内の温度は一定の温度に維持される。
【００１１】
また、本発明の温度制御方法は、以下のように、ＰＩＤ制御を用いたカスケード制御と外温制御とで実現することができ、特殊な演算器を用いる必要がない。
【００１２】
ここで、本発明の温度制御方法が、
上記溶剤の添加開始時刻よりも所定時間前までは、上記混合槽内の温度が所定の設定温度になるように第１のＰＩＤ制御演算を行うことにより目標温度を求めて上記ジャケット内の温度が上記目標温度となるように第２のＰＩＤ制御演算を行うことにより得られた制御値に基づいて上記ジャケット内の温度を制御するカスケード制御を行い、上記所定時間前から添加開始時刻までの間は、上記ジャケット内の温度が上記第１のＰＩＤ制御演算により求められる目標温度とは無関係に外部から設定した外部温度となるように上記第２のＰＩＤ制御演算を行うことにより得られた制御値に基づいて上記ジャケット内の温度を制御する外温制御を行い、上記添加開始時刻から上記添加終了時刻よりも所定時間前までは、上記カスケード制御を行い、上記添加終了時刻よりも所定時間前から上記添加終了時刻までの間は、上記外温制御を行い、上記添加終了時刻からは上記カスケード制御を行うことであってもよい。
【００１３】
本発明の温度制御方法をこのように構成した場合は、上記カスケード制御と上記外温制御とをそれぞれ適切な時期に相互に切り替えてジャケット内の温度を制御することにより、溶剤の添加開始および添加終了という予定の外乱による混合槽内の温度変化を相殺するに必要な熱量がジャケットから混合槽に与えられるので、混合槽内の温度は一定の温度に維持される。
【００１４】
ここで、上記目標温度を、
上記溶媒の温度、量、および比熱容量と、
上記溶剤の温度、添加量、および比熱容量と、
上記混合槽が、その混合槽内の液体を撹拌する撹拌翼を有するものであって、該撹拌翼の径、回転数、および撹拌により発生する撹拌熱と、
上記溶媒と溶剤と間の伝熱を担う伝熱面の面積、厚さ、および熱伝導率と、
上記ジャケットに流入する熱媒の量と、
上記混合槽の容積と、
上記混合槽内の溶媒の比熱、粘度、および熱伝導率と、
上記混合槽の槽壁の上記ジャケットに接する外面の汚れを表す外面汚れ係数と、
上記外面とは反対側の内面の汚れを表す内面汚れ係数とを用いて演算で求めることとしてもよい。
【００１５】
本発明の温度制御方法をこのように構成した場合は、上記目標温度を、上記混合装置に固有なパラメータを用いて演算で求めることができるので、本発明の温度制御方法を容易に実施することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の温度制御方法の一実施形態で用いられる混合装置を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、この混合装置１は、溶媒１１を収容し収容された溶媒１１への溶剤１２の添加を受けて混合する混合槽１０と、混合槽１０を取り囲むように形成された、内部に熱媒２１を収容するジャケット２０と、混合槽１０内の溶媒および溶剤を撹拌する撹拌機１３と、混合槽１０内の溶媒および溶剤の温度を測定する混合槽温度計１４と、ジャケット２０内の熱媒２１の温度を測定するジャケット温度計２２と、ジャケット２０への熱媒２１の温度を調節する加熱バルブ２３および冷却バルブ２４とからなる。
【００１９】
この実施形態の温度制御方法では、混合槽１０を取り巻くジャケット２０に、液体または気体の熱媒２１を通過させることによって、混合槽１０内の温度が所定の温度に維持されるように制御する。
【００２０】
図２は、本発明の温度制御方法の一実施形態における制御系を示す図である。
【００２１】
図２に示すように、この制御系では、２台のＰＩＤ制御器３５，３６によるカスケード制御と、ＰＩＤ制御器３６および外温設定器３７による外温制御との２種類の制御が行えるようになっており、切替スイッチ３４によって、この２種類の制御のうちいずれか一方の制御に切り替えられる。
【００２２】
カスケード制御は、切替スイッチ３４をＰＩＤ制御器３５側に切り替えることにより行われる制御であり、混合槽内温度３１が所定の設定温度３０になるように、第１のＰＩＤ制御器３５によるＰＩＤ制御演算を行うことにより目標温度３５ａを求め、ジャケット内温度３２が目標温度３５ａとなるように第２のＰＩＤ制御器３６によるＰＩＤ制御演算を行うことにより得られた制御値３６ａに基づきバルブ開度操作量（ＭＶ）３３を調整してジャケット内温度３２を制御する。
【００２３】
外温制御は、切替スイッチ３４を外温設定器３７側に切り替えることにより行われる制御であり、ジャケット内温度３２が、第１のＰＩＤ制御器３５によるＰＩＤ制御演算により求められる目標温度３５ａとは無関係に外温設定器３７から設定した外部温度３７ａとなるように第２のＰＩＤ制御器３６によるＰＩＤ制御演算を行うことにより得られた制御値３６ａに基づきバルブ開度操作量（ＭＶ）３３を調整してジャケット内温度３２を制御する。
【００２４】
カスケード制御は、溶剤の添加開始時刻よりも前記所定時間前までの期間、添加開始時刻から添加終了時刻よりも前記所定時間前までの期間、および添加終了時刻から行われ、外温制御は、所定時間前から添加開始時刻までの期間、および所定時間前から添加終了時刻までの期間に行われる。
【００２５】
混合槽内温度３１は、図１に示す混合槽温度計１４により測定された混合槽１０内の溶媒および溶剤の温度であり、ジャケット内温度３２は、図１に示すジャケット温度計２２により測定されたジャケット２０内の熱媒２１の温度である。
【００２６】
このように、本実施形態の温度制御方法では、上記２種類の制御方式を組み合わせた制御が行われるが、このような制御を行う理由について以下に説明する。
【００２７】
図１に示す混合装置１において、混合槽１０に溶剤１２の添加など外乱を加える場合について考えると、混合槽１０に加えられる外乱が小さい場合は、通常のＰＩＤ制御により混合槽１０内の温度を任意の許容温度範囲内に制御することが可能である。しかし、混合槽１０に加えられる外乱が大きくなるにつれて、フィードバック制御であるＰＩＤ制御では混合槽１０内の温度を任意の温度許容範囲内に抑えることは不可能となる。特に、混合槽１０に溶剤などの添加を開始した時および添加を終了した時の混合槽１０内の温度への影響が大きい。
【００２８】
そこで、本実施形態の温度制御方法では、混合槽１０に溶剤添加などの外乱が予定されている場合に、
（１）溶剤の添加開始時刻よりも所定時間前まではカスケード制御を行い、
（２）溶剤の添加開始時刻よりも所定時間前から添加開始時刻までの間は外温制御を行い、
（３）添加開始時刻から添加終了時刻よりも所定時間前まではカスケード制御を行い、
（４）所定時間前から添加終了時刻までの間は外温制御を行い、
（５）添加終了時刻以降は前記カスケード制御を行う。
【００２９】
このような制御を行うことにより、溶剤の添加開始や添加終了などの大きな外乱が予定されている場合に、外乱による混合槽１０内の温度変化を予測しその温度変化を相殺するだけの熱量を混合槽１０に与えることにより混合槽１０内の温度を温度許容範囲内に抑えることができる。
【００３０】
図３は、本発明の温度制御方法の一実施形態における温度変化を示す模式図である。
【００３１】
図３に示すように、混合槽に溶剤添加などの外乱が加えられない間は第１および第２のＰＩＤ制御器３５，３６（図２参照）によるカスケード制御を行い、混合槽内の溶媒に溶剤を添加する添加開始時刻Ａよりも所定時間ｔ前の時刻Ａ−ｔからは、外温制御に切り替えて、ジャケット内温度３２を、溶剤の添加開始時刻Ａにおけるジャケット内温度３２が溶剤の添加により混合槽内温度３１が変化する方向とは反対の方向に所定の温度Ｔだけ変化した目標温度Ｔ０＋Ｔとなるように、バルブ開度操作量（ＭＶ）３３の調整を開始する。そして、溶剤添加開始時刻Ａには、カスケード制御に切り替える。
【００３２】
次に、溶剤の添加終了時刻Ｂよりも所定時間ｔ前の時刻Ｂ−ｔからは、外温制御に切り替え、ジャケット内温度３２を、溶剤の添加開始時刻Ａ以前の温度Ｔ０と同一の温度となるように、バルブ開度操作量（ＭＶ）３３の調整を開始する。
【００３３】
そして、溶剤添加終了時刻Ｂには、再びカスケード制御に切り替える。
【００３４】
このような制御を行うことにより、混合槽内の温度を許容範囲内に抑えることができる。
【００３５】
なお、上記の所定時間ｔは、ジャケット内の温度変化が混合槽内の温度変化として現れるまでに要する時間であり、混合装置に固有の値である。この所定時間ｔは実測によって求めることができる。
【００３６】
また、上記の温度Ｔは、溶剤添加による温度変化を相殺するのに必要な熱量から前もって予測計算することが可能である。以下に、熱媒が液体である場合の温度Ｔの算出方法について説明する。
【００３７】
本実施形態における混合槽は伝熱系であるので、先ず、混合槽総括伝熱係数Ｕを次式により計算する。
【００３８】
【数１】

【００３９】
ここで、上記外面境膜伝熱係数は、次の（２）式により算出することができる。なお、上記線速は（３）式により求められるものであり、αは、実験により求められる定数である。
【００４０】
【数２】

【００４１】
【数３】

【００４２】
ここで、上記χは、実験により求められる定数である。また、上記ポンプ送水量は、（４）式により算出することができる。なお、δ、εは、実験により求められる定数である。
【００４３】
【数４】

【００４４】
また、上記ジャケット通過回数は、（５）式により算出することができる。なお、φ、ψは、実験により求められる定数である。
【００４５】
【数５】

【００４６】
また、上記ジャケット通過断面積は、（６）式により算出することができる。なお、γ、ηは、実験により求められる定数である。
【００４７】
【数６】

【００４８】
また、上記内面境膜伝熱係数は、（７）式により算出することができる。なお、ιは、実験により求められる定数である。
【００４９】
【数７】

【００５０】
また、上記Ｒｅ数は、（８）式により算出することができる。
【００５１】
【数８】

【００５２】
上記各式により混合槽総括伝熱係数Ｕを計算した後、（９）により、制御すべき温度Ｔを算出する。なお、κは、実験により求められる定数である。
【００５３】
【数９】

【００５４】
ここで、上記必要供給熱量は、（１０）式により算出することができる。ここで、（１０）式における予測温度変化とは、何らの制御をも行わない時に予想される温度変化のことであり、（１１）式により算出することができる。なお、λは、実験により求められる定数である。
【００５５】
【数１０】

【００５６】
【数１１】

【００５７】
また、上記撹枠熱は、（１２）式により算出することができる。なお、μは、実験により求められる定数である。
【００５８】
【数１２】

【００５９】
なお、本実施形態では、温度Ｔを上記の算出方法により求める場合の例について説明したが、本発明の温度制御方法は、上記の算出方法により得られた温度Ｔにのみ依存するものではなく、実際の混合装置を用いてシミュレーションを行いその実験結果から求めた温度Ｔを用いてもよい。
【００６０】
図４は、本実施形態の温度制御方法における溶剤添加開始時刻前後の温度変化を示すグラフである。
【００６１】
このグラフは、本実施形態の温度制御方法により温度制御を行った場合の、混合槽内の溶媒に溶媒よりも低温の溶剤を添加開始した時刻前後の温度変化を示す実測データに基づくグラフである。なお、目標温度は、常温以上１００℃以下の適切な値を設定した。
【００６２】
図４に示すように、溶剤添加開始前には、カスケード制御（図２参照）により、混合槽内温度実測値ｂは、ほぼ混合槽内温度設定値ａに近い温度に維持されている。
【００６３】
そして、添加開始時刻Ａよりも所定時間ｔ前のＡ−ｔ時刻に、ジャケット内温度設定値ｃを、前記（９）式により算出された温度Ｔと溶剤添加開始前の温度Ｔ０との和Ｔ０＋Ｔとなるように設定された外温制御（図２参照）に切り替え、ｔ時間の間、外温制御を続け、次に、添加開始時刻Ａに到達した時点で溶剤添加を開始すると同時にカスケード制御に切り替えた。
【００６４】
その結果、ジャケット内温度実測値ｄは図４に示すように推移し、それにより混合槽内温度実測値ｂはほぼ混合槽内温度設定値ａに近い温度に維持することができた。
【００６５】
このように、溶剤添加開始による外乱にもかかわらず混合槽内の温度をほぼ一定に維持することができた。
【００６６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の温度制御方法によれば、上記のようにカスケード制御と外温制御とを切り替えて制御するので、混合槽内への溶剤添加開始および添加終了という外乱がある場合でも混合槽内の温度を一定に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度制御方法の一実施形態で用いられる混合装置を示す図である。
【図２】本発明の温度制御方法の一実施形態における制御系を示す図である。
【図３】本発明の温度制御方法の一実施形態における温度変化を示す模式図である。
【図４】本実施形態の温度制御方法における溶剤添加開始時刻前後の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１混合装置
１０混合槽
１１溶媒
１２溶剤
１３撹拌機
１４混合槽温度計
２０ジャケット
２１熱媒
２２ジャケット温度計
２３加熱バルブ
２４冷却バルブ
３０設定温度
３１混合槽内温度
３２ジャケット内温度
３３バルブ開度操作量（ＭＶ）
３４切替スイッチ
３５第１のＰＩＤ制御器
３５ａ目標温度
３６第２のＰＩＤ制御器
３６ａ制御値
３７外温設定器
３７ａ外部温度

Claims

溶媒を収容し、収容された溶媒への溶剤の添加を受けて混合する混合槽と、該混合槽を取り囲むように形成された、内部に熱媒を収容するジャケットとからなる混合装置の、該ジャケット内に熱媒を通過させることにより該混合槽内の温度が所定の温度に維持されるように制御する温度制御方法において、
前記溶剤の添加開始時刻よりも所定時間前から添加開始時刻までの間は、前記ジャケット内の温度を、前記溶剤の添加開始時刻における前記ジャケット内の温度が該溶剤の添加により前記混合槽内の温度が変化する方向とは反対の方向に所定の温度だけ変化した目標温度となるように調整し、
前記溶剤の添加終了時刻よりも所定時間前から、前記ジャケット内の温度を、前記混合槽内の、前記溶剤の添加開始時刻以前の温度と同一の温度となるように調整開始することを特徴とする温度制御方法。
前記溶剤の添加開始時刻よりも所定時間前までは、前記混合槽内の温度が所定の設定温度になるように第１のＰＩＤ制御演算を行うことにより目標温度を求めて前記ジャケット内の温度が前記目標温度となるように第２のＰＩＤ制御演算を行うことにより得られた制御値に基づいて前記ジャケット内の温度を制御するカスケード制御を行い、該所定時間前から添加開始時刻までの間は、前記ジャケット内の温度が前記第１のＰＩＤ制御演算により求められる目標温度とは無関係に外部から設定した外部温度となるように前記第２のＰＩＤ制御演算を行うことにより得られた制御値に基づいて前記ジャケット内の温度を制御する外温制御を行い、該添加開始時刻から前記添加終了時刻よりも所定時間前までは、前記カスケード制御を行い、該添加終了時刻よりも所定時間前から該添加終了時刻までの間は、前記外温制御を行い、該添加終了時刻からは前記カスケード制御を行うことを特徴とする請求項１記載の温度制御方法。
前記目標温度を、
前記溶媒の温度、量、および比熱容量と、
前記溶剤の温度、添加量、および比熱容量と、
前記混合槽が、該混合槽内の液体を撹拌する撹拌翼を有するものであって、該撹拌翼の径、回転数、および撹拌により発生する撹拌熱と、
前記溶媒と溶剤と間の伝熱を担う伝熱面の面積、厚さ、および熱伝導率と、
前記ジャケットに流入する熱媒の量と、
前記混合槽の容積と、
前記混合槽内の溶媒の比熱、粘度、および熱伝導率と、
前記混合槽の槽壁の前記ジャケットに接する外面の汚れを表す外面汚れ係数と、
前記外面とは反対側の内面の汚れを表す内面汚れ係数とを用いて演算で求めることを特徴とする請求項１記載の温度制御方法。