JP2005224750A - 熱交換装置及び熱交換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換対象物に熱交換処理を施す際に、処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持することができ、生成物を良好な再現性で安定して生産することができる熱交換装置及び熱交換方法を提供する。
【解決手段】 本発明にかかる熱交換装置１０は、熱交換対象物１を収容して熱交換対象物１に熱を伝導する伝熱容器１１と、伝熱容器１１に収容された熱交換対象物１と熱交換する熱交換用媒体２を内部で循環させる熱交換器１２と、収容された熱交換対象物１を攪拌する攪拌手段１７と、熱交換時に、熱交換用媒体２の温度と熱交換対象物１の温度とに基づいて総括伝熱係数をリアルタイムで算出する演算部２０とを備え、算出された総括伝熱係数に応じて攪拌手段１７の攪拌速度を変換可能な攪拌速度変換手段２４、及び、熱交換器に流入する熱交換用媒体の流量を変換可能な流量変換手段２３のうち少なくとも一方を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱交換装置及び熱交換方法に関し、特に、熱交換時に総括伝熱係数をリアルタイムで算出し、この総括伝熱係数を目標値に制御することで所定の処理温度及び処理時間で熱交換を行う熱交換装置及び熱交換方法に関する。

従来、熱交換対象物を収容しつつ該熱交換対象物に熱を伝えて熱量を調整可能な熱交換装置がある。一般的な熱交換装置には、容器に収容された熱交換対象物に熱を伝える熱交換器と熱交換対象物の攪拌を行う攪拌部とが設けられ、攪拌部によって熱交換対象物を攪拌しつつ熱交換器によって熱交換対象物に熱を均等に伝えることで、熱交換対象物を所定の温度に調整する構成である。

このような熱交換装置の代表的なものとして、化学物質を収容し、化学物質との熱交換を媒介する熱交換用媒体を熱交換器内部に流動させて該化学物質に熱を伝えることで、化学物質を反応させて生成物を製造したり、化学物質の再結晶・晶析等の精製や後処理を行う反応器を備えたものが挙げられる。

ところで、反応器を用いて化学物質を反応させる場合には、熱交換時の化学物質の処理温度及び熱交換にかかった処理時間が生成物の品質及び反応率に重大な影響を及ぼす。このため、熱交換時における化学物質の処理温度及び処理時間を生成物の品質及び反応率に影響を与えることがない適正な範囲に維持するように、反応器の伝熱効率を制御することが重要である。

ここで、伝熱効率は総括伝熱係数という値で表わされ、この値が高いほど伝熱効率が良いことを示す（非特許文献１参照）。総括伝熱係数は、装置、熱交換対象物の種類・量およびその状態、熱交換用媒体の種類・流量・温度等の因子によって変化する。このため、特に、反応器では、化学物質の状態が反応の進行と共に変化するのに伴って該化学物質の総括伝熱係数も常に変化することを考慮して総括伝熱係数を制御して処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持することが重要である。

このように総括伝熱係数に基づいて熱交換器を制御する制御方法としては、例えば、リアルタイムで総括伝熱係数を算出し、この総括伝熱係数の変化に伴い熱交換用媒体の温度を制御する制御方法がある（特許文献１参照）。

また、熱交換器の汚れの度合いに伴って低下してくる総括伝熱係数を算出し、その値から熱交換器の伝熱性能を確認して、熱交換器の洗浄時期を検知する方法が示されている（特許文献２参照）。

さらに、反応器において収容する原料の総括伝熱係数を推定し、追加原料の供給量を制御することにより温度制御を行う方法がある（特許文献３参照）。

化学工学会編「化学工学便覧」改訂６版 丸善刊 特開平０１−２８８３３２号公報 特開平１０−２８１６９５号公報 特開平１０−２１１４２６号公報

しかし、特許文献１に記載の制御方法は、総括伝熱係数の変化に伴い、熱交換器の温度のみを制御する場合に、熱交換器近傍のみが局所的に過温又は過冷状態となり、熱交換対象物全体に均一に熱を伝えることができないことに起因して制御の精度が低くなり、生成物の品質が良好に得られないおそれがある点で改善の余地があった。また、特許文献１に記載の制御方法は、現実的には設備事情により、熱交換用媒体の温度を制御することが不可能である場合が多い点で改善の余地があった。

特許文献２に示す装置及び方法では、総括伝熱係数に基づいて伝熱性能を演算しているものの、総括伝熱係数を変換するように制御を行うものではなかった。

特許文献３に示す方法及び装置では、熱交換用媒体の温度及び流量を監視し、総括伝熱係数の推定値を＋５０又は−５０だけ変化させて原料供給量を計算している。この方法では熱交換の進行に伴って総括伝熱係数が変化することが考慮されているが、しかし、実際の総括伝熱係数を算出しているのではなく推定値を用いるため、状況に応じて的確に制御するには限界がある。

さらに、従来、熱交換対象物の処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持するために行われていた熱交換用媒体や攪拌部の制御は、設備の使用者の勘や経験に頼って行われ、総括伝熱係数が常に目標値となっているかどうかを判断することができなかった。このため、制御の度合いが過剰になり、制御を必要以上に繰り返さなければならなかったり、処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持できなくなるおそれがあった。また、このような制御は煩雑であり、使用者や用いる設備、その設備の経時劣化等により、熱交換によって得られる生成物の再現性が得られず、安定生産に支障を来たす場合があった。

本発明の目的は、熱交換対象物に熱交換処理を施す際に、処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持することができ、生成物を良好な再現性で安定して生産することができる熱交換装置及び熱交換方法を提供することにある。

本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、熱交換時に熱交換器の温度と熱交換用媒体の温度を測定し、これら温度に基づいてリアルタイムで総括伝熱係数の実測値を算出し、この総括伝熱係数を予め算出した目標値になるように調節することで、熱交換時の熱交換対象物の処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持できることを見出した。

すなわち、本発明の上記目的は、熱交換の対象となる熱交換対象物を収容して熱交換対象物に熱を伝導する伝熱容器と、伝熱容器の外側又は内側に設けられ、伝熱容器に収容された熱交換対象物と熱交換する熱交換用媒体を内部で循環させる熱交換器と、伝熱容器に収容された熱交換対象物を攪拌する攪拌手段と、熱交換時に、熱交換器に流入する熱交換用媒体の温度と熱交換器から流出する熱交換用媒体の温度と伝熱容器に収容された熱交換対象物の温度とに基づいて総括伝熱係数をリアルタイムで算出する演算部とを備え、演算部によって算出された総括伝熱係数に応じて攪拌手段の攪拌速度を変換可能な攪拌速度変換手段、及び、熱交換器に流入する熱交換用媒体の流量を変換可能な流量変換手段のうち少なくとも一方を備えたことを特徴とする熱交換装置によって達成される。

本発明の熱交換装置は、熱交換時に、演算部によって、熱交換器に流入する熱交換用媒体の温度と熱交換器から流出する熱交換用媒体の温度と伝熱容器に収容された熱交換対象物の温度とに基づいて総括伝熱係数をリアルタイムで算出し、且つ、この総括伝熱係数に基づいて、攪拌速度変換手段と流量変換手段とのうち少なくとも一方を操作し、算出された総括伝熱係数を、適正な総括伝熱係数を示す目標値に近づけることで、熱交換時の熱交換対象物の処理温度及び処理時間が適当な範囲に維持することができる。
こうすれば、総括伝熱係数に基づいて攪拌速度変換手段と流量変換手段とのうち少なくとも一方を操作するため、従来のように熱交換器の温度のみを制御することに起因して熱交換器近傍のみが局所的に過温又は過冷状態となることを回避することができる。
また、熱交換時の総括伝熱係数を監視することで、この熱交換対象物が過温又は過冷となる異常な状態を検知し、このような異常な状態で熱交換処理が進行することを回避することができ、熱交換対象物全体に均一に熱を伝えることができる。
上記熱交換装置は、熱交換時にリアルタイムで総括伝熱係数を算出して攪拌速度変換手段と流量変換手段とのうち少なくとも一方を操作するとともに、操作後に算出される総括伝熱係数に基づいて、更なる操作が必要であるか否かを確認することができる。このため、熱交換装置は、従来のように制御の度合いが過剰になって制御を必要以上に繰り返してしまうことや処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持できなくなることを回避できる。
従って、上記熱交換装置は、使用者や用いる設備、その設備の劣化状況等に係らず、生成物の品質が低下することを防止して熱交換による生成物を良好な再現性で得ることができるため、生成物を安定して生産することができる。

上記熱交換装置は、演算部に算出された総括伝熱係数を表示可能な表示部を備えていることが好ましい。こうすれば、使用者は、熱交換時に表示部で総括伝熱係数を確認しながら攪拌速度変換手段や流量変換手段を操作することができ、表示された総括伝熱係数を目標値に近づけるように調整する際にその調整の進行状況を視覚的に確認しながら行うことができる。

また、本発明の上記目的は、伝熱容器に収容された熱交換対象物を、伝熱容器の外側又は内側に設けられた熱交換器の内部に熱交換用媒体を流動させることで、伝熱容器に収容された熱交換対象物と熱交換用媒体の間で熱交換を行ない、伝熱容器に収容された熱交換対象物を攪拌し、熱交換時に、熱交換器に流入する熱交換用媒体の温度と熱交換器から流出する熱交換用媒体の温度と伝熱容器に収容された熱交換用媒体の温度とに基づいて総括伝熱係数をリアルタイムで算出し、算出された総括伝熱係数に応じて、攪拌速度と熱交換器に流入する熱交換用媒体の流量とのうち少なくとも一方を変換することを特徴とする熱交換方法によって達成される。

上記熱交換方法によれば、生成物の品質が低下することを防止して熱交換による生成物を良好な再現性で得ることができるため、生成物を安定して生産することができる。

本発明によれば、熱交換対象物に熱交換処理を施す際に、処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持することができ、生成物を良好な再現性で安定して生産することができる熱交換装置及び熱交換方法を提供できる。

以下に本発明にかかる熱交換装置の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。ただし、本発明にかかる熱交換装置の構成は本実施形態で説明する構成に制限されるものではない。
図１は、本実施形態の熱交換装置の構成を説明する図である。図１に示すように、熱交換装置１０は、本実施形態において、本発明に係る熱交換装置に好適なバッチ式の反応器を用いている。熱交換装置１０は、熱交換の対象となる熱交換対象物を収容する伝熱容器として機能する縦置円筒型の反応器１１を備えている。なお、本実施形態では、一例としてジャケットが外部に設定された熱交換装置を使用している。

本発明にかかる熱交換装置に適用可能な伝熱容器の内部容積は、特に制限はないが、通常は１００ミリリットル〜５００００リットルの範囲であり、２００リットル〜９０００リットルの範囲とすることがより好ましい。

熱交換時における、熱交換対象物の処理温度は、通常、−１００℃から３００℃、より好ましくは−２０℃から１３０℃の範囲である。
熱交換用媒体２としては、−２０℃から８０℃の範囲では水又は水と塩化カルシウムあるいはエチレングリコール等の物質を混ぜて凝固点を変化させた水溶液、８０℃から１３０℃の範囲ではスチーム、熱媒油等を使用することができる。

反応器１１の下方端面及び下方周面を覆うようにジャケット部１２が設けられ、このジャケット部１２が熱交換器として機能する。ジャケット部１２は、反応器に収容された熱交換対象物に熱を伝えることで熱交換を媒介する熱交換用媒体２を内部において循環させる構成を有している。

反応器１１の内部には、熱交換時において熱交換対象物を攪拌する攪拌部１７が設けられている。攪拌部１７は、攪拌時に、熱交換対象物に浸された状態で回転駆動するように支持された攪拌翼と、モータ等の攪拌駆動部２５と、攪拌駆動部２５の駆動力を攪拌翼に伝達するシャフト１６とを備えている。

また、ジャケット部１２には、熱交換用媒体２を供給する供給管Ｐ１と、ジャケット部１２の内部を流動した熱交換用媒体２が排出される排出管Ｐ２とが設けられている。熱交換用媒体の供給管Ｐ１には、ジャケット部１２側へ流入する熱交換用媒体の流れを規制するバルブ１８が設けられている。このバルブ１８の開閉状態を変換することで、供給管Ｐ１を通過してジャケット部１２側へ流入する熱交換用媒体の流量を変換することができる。

熱交換用媒体の供給管Ｐ１には、ジャケット部１２に流入する熱交換用媒体の温度を計測する温度計などの第１の温度計測手段１３が設けられ、また、熱交換用媒体の排出管Ｐ２には、ジャケット部１２から流出する熱交換用媒体の温度を計測する温度計などの第２の温度計測手段１４が設けられている。

さらに、反応器１１の内部には、該反応器１１に収容された熱交換用対象物１の温度を計測する温度計などの第３の温度計測手段１５が設けられている。

次に、本実施形態の熱交換装置の制御系を説明する。
熱交換装置１０は、演算部２０を備え、この演算部２０には、情報処理部２１と、表示部２２とが設けられている。本実施形態において、演算部２０としてＰＣ（パーソナルコンピュータ）を用いることができ、有機溶剤を使用する製造現場であれば防爆対策が施された演算部を使用することが好ましい。

上記第１，第２及び第３の温度計測手段１３，１４，１５は、それぞれ演算部２０に電気的に接続され、演算部２０の指令信号に応じて、熱交換用媒体の温度及び熱交換対象物の温度を計測し、この計測した温度を温度情報として演算部２０の情報処理部２１に出力する。演算部２０は、熱交換時において所定時間ごとに上記第１，第２及び第３の温度計測手段１３，１４，１５に温度の計測を実行させる信号を出力することができる。
演算部２０において、情報処理部２１が、読み込まれた温度情報に基づいて総括伝熱係数を算出する構成である。

表示部２２は、情報処理部２１によって算出された総括伝熱係数を表示する機能を有している。表示部２２は、例えば、液晶パネルなどのディスプレイ装置を用いることができる。図２は、本実施形態の熱交換装置１０の表示部２２の一例を示す図である。表示部２２には、算出された総括伝熱係数に限らず、熱交換装置１０の各部位の設定条件や熱交換時における熱交換装置１０の状態を表示してもよく、例えば、図２に示すように、算出された総括伝熱係数を実測値として表示するとともに、熱交換時において適正な総括伝熱係数を目標値として表示してもよい。なお、演算部で計算された総括伝熱係数は記録用紙において表示されることで、装置の使用者が確認できる構成としてもよい。

熱交換装置１０には、バルブ１８の開閉状態を制御可能な流量変換部２３が設けられ、この流量変換部２３が演算部２０に電気的に接続されている。流量変換部２３は、演算部２０の情報処理部２１からの変換信号に応じてバルブ１８の開閉状態を制御する機能を有し、流量変換手段として機能する。

熱交換装置１０には、攪拌駆動部２５の駆動状態を制御して攪拌速度を変換可能な攪拌速度変換部２４が設けられ、この攪拌速度変換部２４が演算部２０に電気的に接続されている。攪拌速度変換部２４は、演算部２０の情報処理部２１からの変換信号に応じて攪拌駆動部２５の駆動状態を制御する機能を有し、攪拌速度変換手段として機能する。

演算部２０は、熱交換時前に、予め、伝熱面積、伝熱容器の熱交換対象物量，熱交換対象物の比熱の情報が入力され、これらの情報を図示しないメモリなどに貯蓄させておくことができる。また、これらの情報に基づいて、予め適正な総括伝熱係数を目標値として算出するが、この場合演算部２０を用いて算出してもよいし、他のＰＣや計算機で別途算出してもよい。
そして、演算部２０は、熱交換時には、情報処理部２１において、上記の貯蓄された情報と、上記計測手段によって計測された温度に基づいて、所定の時間幅で総括伝熱係数を算出し、該総括伝熱係数に応じて、流量変換部２３と攪拌速度変換部２４に使用者による手動又は自動制御で変換信号を出力する構成である。

演算部２０は、算出した総括伝熱係数の実測値と目標値との差がある場合は、流量変換部２３で流量を制御し、又は、攪拌速度変換部２４で攪拌速度を制御する。ここで、流量変換部２３で流量を制御し、且つ、攪拌速度変換部２４で攪拌速度を制御してもよい。

具体的には、総括伝熱係数の実測値が目標値よりも高い場合は、熱交換における伝熱効率が高すぎることであるため、攪拌速度変換部２４によって攪拌部１７の攪拌速度を下げるか、又は、流量変換部２３によって熱交換用媒体の流量を下げる。このとき、総括伝熱係数の実測値が目標値より低い場合は、伝熱効率が低すぎるため、攪拌速度変換部２４によって攪拌部１７の攪拌効率を上げるか、又は、流量変換部２３によって熱交換用媒体の流量を上げる。

総括伝熱係数の実測値を目標値に近づける場合、攪拌部１７の攪拌速度又は熱交換用媒体の流量を制御することで達成することができ、攪拌部１７の攪拌速度と熱交換用媒体の流量との両方を制御することで達成することもできる。したがって、熱交換装置１０において、流量変換部２３及び攪拌速度変換部２４のうちいずれか一方を備えた構成としてもよい。

総括伝熱係数は、以下に示す熱交換対象物顕熱及び熱交換用媒体からの伝熱量を算出する式から算出することができる。
熱交換対象物の顕熱Ｑ_１（ｋｃａｌ／ｍ²・ｈｒ・℃）は、下記数式（１）によって求めることができる。

Ｑ₁＝Ｃｐ・ｗ・（Ｔｒ−Ｔｒ（−ｔ）） （１）

上記数式（１）において、Ｃｐは熱交換対象物の比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）を示し、ｗは熱交換対象物の質量（ｋｇ）を示し、Ｔｒは時間変化量ｔ（ｈｒ）ごとに測定される反応器内部の熱交換対象物の温度（℃）を示し、ｔは時間変化量（ｈｒ）を示し、Ｔｒ（−ｔ）は時間変化量ｔ（ｈｒ）が経過する直前の反応器における熱交換対象物の温度（℃）を示している。また、熱交換用媒体からの伝熱量Ｑ₂は下記数式（２）によって求めることができる。

Ｑ₂＝Ｕ・Ａ・ｔ・△Ｔ （２）

上記数式（２）において、Ｕは総括伝熱係数（ｋｃａｌ/ｍ²・ｈｒ・℃）を示し、Ａは伝熱面積（ｍ²）を示し、△Ｔは温度差（℃）を示している。ここで、伝熱面積Ａは、伝熱容器に収容された熱交換対象物が伝熱容器を介して熱交換用媒体と接する面の面積を意味する。

ここで、温度差△Ｔは、熱交換対象物の温度が変化する場合、下記数式（３）によって求められる。数式（３）においてＬＮは自然対数を表している。

ΔＴ＝((Ｔｊ−Ｔｒ（−ｔ）)−(Ｔｊ−Ｔｒ))／ＬＮ((Ｔｊ−Ｔｒ（−ｔ）)／(Ｔｊ−Ｔｒ)) （３）

一方、温度差△Ｔは、熱交換対象物の温度が変化しない場合、下記数式（４）によって求められる。

ΔＴ＝Ｔｊ−Ｔｒ （４）

上記数式（３）及び数式（４）において、温度Ｔｒは、計測時の反応器における熱交換対象物の温度（℃）を示し、温度Ｔｊは熱交換用媒体の温度（℃）を示す。なお、熱交換用媒体の温度Ｔｊは、測定を行う時刻からｔ（ｈｒ）前までの熱交換用媒体入口の温度及び出口の温度の全データの平均値（℃）とする。また、熱交換対象物の顕熱と熱交換用媒体からの伝熱量が等しいとみなした場合、Ｑ₁＝Ｑ₂が成り立つことから、上記数式（２）に基づき、下記数式（５）が成り立つ。

Ｕ = Ｑ₁／（Ａ・ｔ・ΔＴ） （５）

本実施形態の熱交換装置及び熱交換方法において、制御部の演算部の動作開始時に比熱Ｃｐ、質量ｗ、伝熱面積Ａ及び時間変化量ｔの値を入力する。例えば、熱交換対象物となる原料の供給と同時進行の反応のように、途中でＣｐ,ｗ,Ａの値が変化してしまう場合は、時間による各値の変化量を事前に演算部２０にプログラミングする。温度計の計測値と各値の入力値に基づき、上記数式(５)から総括伝熱係数の実測値が算出され、計算結果が表示部２２に表示される。

総括伝熱係数の目標値は、事前に目的の処理時間と反応器の処理温度から上記数式(５)で算出しておく。ただし、発熱反応等により熱交換器以外の要素による熱量変化が発生する場合には、下記数式（６）により総括伝熱係数の目標値を求める。下記数式（６）においてＱ₃は、反応における発熱や吸熱等、熱交換器以外の要素による熱変化量（ｋｃａｌ）を示している。

Ｕ＝（Ｑ₁＋Ｑ₃）／（Ａ・ｔ・ΔＴ） （６）

温度Ｔｊは過去の測定データから推測される仮定値を用いると良い。熱交換用媒体の流量を変化させる場合は出口の温度が変わるため、総括伝熱係数の目標値の算出には、この影響を考慮してＴｊの仮定値に幅を持たせると良い。影響が非常に大きい場合は攪拌効率で制御を行う方が適しているといえる。

次に、本発明にかかる熱交換方法の工程を図１に示す熱交換装置１０を参照して説明する。図３は、本発明にかかる熱交換方法のフローチャートを示す図である。

最初に、比熱Ｃｐ，熱交換対象物の質量ｗ，伝熱面積Ａ，時間変化量ｔ及び温度差△Ｔ、および反応による発熱等の熱交換器以外の要素による熱変化量Ｑ₃を演算部２０に入力する（ステップＳ１１）。
そして、熱交換する処理時間と、このときの熱交換対象物の処理温度から総括伝熱係数の目標値Ｕ０を予め算出し、設定する（ステップＳ１２）。

次に、熱交換装置を駆動して熱交換を開始し（ステップＳ１３）、開始時間から時間変化量ｔをカウントする。熱交換開始から時間変化量ｔが経過したことを認識し（ステップＳ１４）、上記の温度計測手段１３，１４，１５によって、温度差△Ｔを測定する（ステップＳ１５）。測定された温度差△Ｔに基づいて総括伝熱係数の実測値Ｕを算出する（ステップＳ１６）。

算出された総括伝熱係数の実測値Ｕを、目標値Ｕ０と比較し（ステップＳ１７）、この実測値Ｕが不適正である場合には、攪拌速度を変換し（ステップＳ１８）、熱交換用媒体２の流量を変換する（ステップＳ１９）。ここで、先に、熱交換用媒体２の流量を変換し、必要に応じて攪拌速度を変換してもよい。また、変換速度又は熱交換用媒体２の流量のいずれか一方のみを変換する工程を実行し、他方の工程を実行しないで省略してもよいが、総括伝熱係数の実測値Ｕをより確実に目標値Ｕ０に近づけるため、変換速度を変換する工程と熱交換用媒体２の流量を変換する工程との両方を実行することが好ましい。

変換速度及び熱交換用媒体２の流量を変換する工程を実行した後、総括伝熱係数の実測値Ｕが目標値Ｕ０に近づいたかどうか判別し、不適正である場合には、再び、変換速度及び熱交換用媒体２の流量の少なくとも一方を変換する工程を繰り返す。その一方、総括伝熱係数の実測値Ｕが適正である場合には、熱交換の処理時間が終了したかどうかを判別し（ステップＳ２１）、処理時間内の場合は、ステップＳ１４へ戻り、時間変化量ごとに総括伝熱係数の実測値Ｕを制御する。また、処理時間終了の場合には、熱交換処理を終了する。

上記熱交換装置１０は、熱交換時に、演算部２０によって、熱交換器１２に流入する熱交換用媒体２の温度と熱交換器１２から流出する熱交換用媒体２の温度と伝熱容器１１に収容された熱交換対象物１の温度とに基づいて総括伝熱係数をリアルタイムで算出し、且つ、この総括伝熱係数に基づいて、攪拌速度変換手段２４と流量変換手段２３とのうち少なくとも一方を操作し、算出された総括伝熱係数を、適正な総括伝熱係数を示す目標値Ｕ０に近づけることで、熱交換時の熱交換対象物１の処理温度及び処理時間が適当な範囲に収まるように調節することができる。

こうすれば、総括伝熱係数に基づいて攪拌速度変換手段２４と流量変換手段２３とのうち少なくとも一方を操作するため、従来のように熱交換器の温度のみを制御することに起因して熱交換器近傍のみが局所的に過温又は過冷状態となることを回避することができる。

また、熱交換時の総括伝熱係数を監視することで、この熱交換対象物１が過温又は過冷となる異常な状態を検知し、このような異常な状態で熱交換処理が進行することを回避することができ、熱交換対象物１の全体に均一に熱を伝えることができる。

上記熱交換装置１０は、熱交換時にリアルタイムで総括伝熱係数を算出して攪拌速度変換手段２４と流量変換手段２３とのうち少なくとも一方を操作するとともに、操作後に算出される総括伝熱係数に基づいて、更なる操作が必要であるか否かを確認することができる。このため、熱交換装置１０は、従来のように制御の度合いが過剰になって制御を必要以上に繰り返してしまうこと及び処理温度及び処理時間を適正な範囲に維持できなくなることを回避できる。
したがって、上記熱交換装置１０は、使用者、設備、設備の経時劣化にかかわらず、生成物の品質が低下することを防止して熱交換による生成物を良好な再現性で得ることができるため、生成物を安定して生産することができる。

（実施例）
次に、本発明にかかる熱交換装置の実施例を説明する。本実施例では、上記実施形態の熱交換装置を用いて反応残余物であるサルファンを水にて分解する処理を行う。

容量２０００リットルの反応器の内部で、水溶性色素の中間体に−ＳＯ₃Ｈ基を導入する反応を行った。反応終了後、過剰に仕込まれていたサルファン約１８０ｋｇが残存する混合液約３５０リットルに水３００リットルを滴下した。この時、ジャケット部の内部を流動する熱交換用媒体には恒温槽にて−１５℃に調整された５０％エチレングリコール水溶液を使用し、その流量は最大の１５０リットル／ｍｉｎに一定に維持した。また、この分解反応による発熱量（＝Ｑ₃）は８５６５８ｋｃａｌであり、予め定めた処理時間及び処理温度の適正な範囲は、処理温度３８℃〜４０℃、処理時間６．０ｈｒ以内であった。

熱交換時に、上記の処理温度及び処理時間を維持するように本発明を適用するにあたり、まず総括伝熱係数の目標値を上記数式（６）により算出した。この場合、処理温度の目標は４０℃一定として計算するため、Ｑ₁は０となる。水の滴下に伴い伝熱面積Ａは２．４１ｍ²から３．１２ｍ²へと変化するが、本例では平均値２．７７ｍ²を用いて計算した。出口の温度の実績が−１０℃であったため、Ｔｊは−１２．５℃とした。以上より算出された総括伝熱係数の目標値は、９８ｋｃａｌ/ｍ²・ｈｒ・℃以上であった。
そこで、総括伝熱係数を監視しながら、上記の熱交換方法によって実際に攪拌回転数を７０〜８０ｒｐｍに調節して総括伝熱係数を目標値に制御した結果、処理温度及び処理時間を目標値内に収めることができた。

（比較例）
比較例として、総括伝熱係数の目標値を算出せず攪拌速度（攪拌の回転数）及び熱交換用媒体の流量を変換しないで、上記実施例と同様の条件・操作を行い、実施例及び比較例について、それぞれ処理温度及び処理時間を測定する試験を行った。試験の結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明にかかる熱交換方法を適用して攪拌の回転数を調節した場合は処理温度及び処理時間を目標値内にできたのに対し、本発明を適用しなかった比較例では操作時間は９．８ｈｒと大幅に適正な範囲を越える結果となった。この場合、総括伝熱係数が目標値でなかったことが原因であり、この結果から本発明の有用性は明らかである。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
本発明にかかる熱交換装置及び熱交換方法は、温度制御に関係する処理全般に適用することが可能であり、具体的には、反応器においては原料を導入する操作、反応を進行させる温度制御、熱交換対象物の温度を変化させる温度制御、晶析，抽出及び濃縮等の処理を行う際の反応物の温度制御に適用することができる。

本発明にかかる熱交換装置の一実施形態を示す図である。 熱交換装置の表示部を説明する図である。 本発明にかかる熱交換方法の一実施形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 熱交換対象物
２ 熱交換用媒体
１０ 熱交換装置
１１ 伝熱容器（反応器）
１２ ジャケット部（熱交換器）
２０ 演算部
２２ 表示部

Claims (4)

1. 熱交換の対象となる熱交換対象物を収容して前記熱交換対象物に熱を伝導する伝熱容器と、
   前記伝熱容器の外側又は内側に設けられ、前記伝熱容器に収容された前記熱交換対象物と熱交換する熱交換用媒体を内部で循環させる熱交換器と、
   前記伝熱容器に収容された前記熱交換対象物を攪拌する攪拌手段と、
   熱交換時に、前記熱交換器に流入する前記熱交換用媒体の温度と前記熱交換器から流出する前記熱交換用媒体の温度と前記伝熱容器に収容された前記熱交換対象物の温度とに基づいて総括伝熱係数をリアルタイムで算出する演算部とを備え、
   前記演算部によって算出された総括伝熱係数に応じて前記攪拌手段の攪拌速度を変換可能な攪拌速度変換手段、及び、前記熱交換器に流入する前記熱交換用媒体の流量を変換可能な流量変換手段のうち少なくとも一方を備えたことを特徴とする熱交換装置。
2. 前記演算部に算出された総括伝熱係数を表示可能な表示部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 伝熱容器に収容された熱交換対象物を、伝熱容器の外側又は内側に設けられた熱交換器の内部に熱交換用媒体を流動させることで、前記伝熱容器に収容された熱交換対象物と前記熱交換用媒体の間で熱交換を行ない、
   前記伝熱容器に収容された前記熱交換対象物を攪拌し、
   熱交換時に、前記熱交換器に流入する前記熱交換用媒体の温度と前記熱交換器から流出する前記熱交換用媒体の温度と前記伝熱容器に収容された前記熱交換用媒体の温度とに基づいて総括伝熱係数をリアルタイムで算出し、
   算出された総括伝熱係数に応じて、攪拌速度と前記熱交換器に流入する前記熱交換用媒体の流量とのうち少なくとも一方を変換することを特徴とする熱交換方法。
4. 算出された総括伝熱係数を表示部によって表示することを特徴とする請求項３に記載の熱交換方法。

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