JP2006224040A - 反応器の温度制御方法及び反応器の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
製品処方が異なっても制御系安定性及び外乱抑制が向上でき、容易で安定した反応器の温度制御方法及び反応器の温度制御装置、あるいは製品処方が異なっても、反応器の温度制御系の感度特性を高くし、制御即応性をあげるような設定が可能である温度制御方法及び反応器の温度制御装置を提供する。
【解決手段】
入力された処方に対応して算出された反応器１０の設定温度値と反応器１０の温度の計測値を入力してジャケット温度設定値を算出する反応器温度制御系２００と、ジャケット出口温度の計測値を入力してジャケット出口温度の変化と逆方向になるように補正値を算出する信号生成部５００と、ジャケット温度設定値と補正値とが加算されて補正されたジャケット温度設定値とジャケット入口温度の計測値を入力してバルブ開度設定値を算出するジャケット温度制御系４００を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、石油化学などのプロセス制御の分野に用いられる反応器の温度制御方法及び反応器の温度制御装置に関する。

石油化学などのプロセス制御の分野においては、重合反応プロセスの温度制御は自動化が困難なものの一つと考えられている。例えば、高機能ポリマーを製造する場合、複数の原料を異なる時間に仕込む処方があるため、反応器の温度特性が異なり、適切な温度制御はオペレータの勘と経験に頼るところが大きい。また、最近は多品種少量生産が求められ、一つの反応器で数十，数百といった数の処方を行う必要があり、運転員の負担が大きいのが実状である。

従来の技術として、〔非特許文献１〕には、プラントモデルを内包し、反応器とジャケットとの熱効率を推定し、その推定結果をもとに、最適制御を実現する技術が記載されている。

又、〔特許文献１〕には、予め温度調節開始後の一定時間におけるジャケットとタンク内液体との総括熱効率を、タンク内液体重量と、ジャケット入口および出口の温度と、ポンプ吐出量とを計測して算出し、その後継続して温度調節するとき、総括熱効率を用いて算出される伝熱量が所望する値となるよう、ポンプ吐出量とジャケットへ供給する熱交換媒体の温度を決定しながら温度調節するジャケット付きタンクの温度調節方法が記載されている。

又、〔特許文献２〕には、反応器内の温度を目標温度とするために必要な反応器の内部と外部との間の熱交換量を時々刻々求める熱交換量算出手段と、熱交換量算出手段により算出された熱交換量を達成するように反応器の外部に熱媒体をほぼ定量的に供給する熱媒体供給手段と、熱媒体の供給温度を設定する供給温度設定手段と、熱媒体の温度を制御する供給温度制御手段を備えたバッチ式反応器の温度制御装置が記載されている。

このように、従来の反応器の温度制御では、製品に対応した目標温度を設定し、この目標温度に反応温度（反応器温度と同じ）が一致するように、通常反応器廻りのジャケットに温水又は冷水などの熱媒体を通して反応器外部から加熱または冷却を行う。この反応器外部からの加熱または冷却は、反応温度のフィードバック制御により、ジャケットの入口側温度の設定値を求め、この設定値となるようにジャケット流量バルブの開度，熱媒体の温度を調節する、いわゆるカスケード制御が一般的に行われる。

又、〔特許文献３〕には、反応器温度計測値と外乱データベースからのデータとに基づいて、ジャケット温度補正量を算出するジャケット温度補正量演算手段と、操作手順制御の実行の有無，反応器圧力計測値，反応温度計測値に基づいてジャケット温度補正の要否を判定する手段と、判定手段で補正を必要と判断した場合にジャケット温度補正量により補正する補正手段を備えた化学プロセスの反応温度制御装置が記載されている。

又、〔特許文献４〕には、反応器内の反応液の検出した反応液温度と設定値の温度差，冷却器を通り反応器に還流する反応液の検出した冷却器出口温と設定値との温度差，反応液温度と冷却器出口温度の温度差のそれぞれの温度差に基づいて、冷却器に流れる冷却媒体流量を調節するコントロール弁を制御する反応器の温度制御装置が記載されている。

特開平６−２６６４４８号公報 特開平１０−２９６０７５号公報 特開２００４−２８３７８０号公報 特開平８−１４２４９０号公報 千本資、花渕太：計装システムの基礎と応用、５１７−５２３ページ、オーム社、１９８７．９．３０

〔特許文献４〕に記載の従来の技術では、反応器内の反応液の温度を直接計測するもので、冷却器に反応液を直接循環させるものでないと適用できないという問題があり、温度差で制御しているため、反応器の温度はアンダーシュートやハンチングを引き起こすという問題がある。

反応器の温度制御でジャケットを介して温度制御するものでは、ジャケットを介して温度制御しているため、外部からの熱が反応器内部に速やかに到達するものではなく熱損失や時間遅れがあり、重合反応の過程において反応熱が生じて反応器内部の温度を上昇させるという複雑さがある。

〔非特許文献１〕，〔特許文献１〕から〔特許文献３〕に記載の従来の技術のように、反応温度フィードバック制御により、ジャケットの入口側温度の設定値を求め、この設定値となるようにジャケット流量バルブの開度，熱媒体の温度を調節する方法では、制御パラメータ、例えば目標温度との偏差に対する比例ゲイン，積分ゲインをきめ細かに調節することにより、外部からの温度調節の遅れと反応器内部での自己発熱があってもある程度は温度調節を行うことができる。

しかし、最近は、多品種少量生産が求められており、処方ごとに目標温度や原料の仕込み量，仕込みパターンが異なるため、処方ごとに制御パラメータを個別に調整する必要がある。このように、処方ごとに制御パラメータを管理することは負担が大きく、管理コストも膨大になる。また、制御パラメータの調整のために、処方ごとにプラント試験を実施することは、現実には不可能であるため、代表的なパラメータを設定し、運転中に手動操作で補間するなどで対応している。

又、フィードバック制御を行う上で、積分ゲインなどの制御パラメータのゲインを高い値に設定すると反応器温度の制御性能が向上する場合があるが、不安定であり、種々の製品処方に対応できないという問題があるため、制御パラメータのゲインは余裕をみた低い値に設定せざるを得なかった。このため、反応器の温度はアンダーシュートやハンチングを引き起こすという問題があった。

本発明の第１の目的は、製品処方が異なっても制御系安定性及び外乱抑制が向上でき、容易で安定した反応器の温度制御方法及び反応器の温度制御装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、製品処方が異なっても、反応器の温度制御系の感度特性を高くし、制御即応性をあげるような設定が可能である温度制御方法及び反応器の温度制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の反応器の温度制御方法及び反応器の温度制御装置は、反応器の設定温度値と反応器の温度の計測値を入力してジャケット温度設定値を算出し、信号生成部によりジャケット出口温度の計測値を入力してジャケット出口温度に負のゲインを与えて補正値を算出し、ジャケット温度設定値と補正値とが加算されて補正されたジャケット温度設定値とジャケット入口温度の計測値を入力してバルブ開度設定値を算出するものである。

本発明によれば、ジャケット出口温度をフィードバックして、反応器の温度制御系の制御信号を好適に補正しているので、制御系安定性及び外乱抑制が向上し、製品処方の種別によらず、容易で安定した反応器の温度制御が可能となる。

本発明の一実施例を図１から図５により説明する。図１は、本実施例の反応器の温度制御装置の構成図、図２は、スプリットレンジの動作特性を示す図、図３は、反応器温度制御系からジャケット温度制御系の構成図、図４は、図３に示す制御系の制御の流れ図、図５は、制御結果の一例を示す図である。

反応器の温度制御装置は、図１に示すように構成される。化学反応を伴い内部で重合反応等が行われる反応器１０には、反応器１０の温度を制御するためにジャケット２０が取付けられている。ジャケット２０には、ジャケット２０に給水するための給水管２１と排水管２２が取付けられ、給水管２１から供給された熱媒体がジャケット２０内を循環して排水管２２から排出されるようになっている。ここで、反応器１０での化学反応は、化学反応により発熱する発熱プロセスであっても、化学反応により吸熱する吸熱プロセスであってもよい。

給水管２１のジャケット２０側にはジャケット入口温度計４０が設けられ、給水管２１のジャケット入口温度計４０より上流側に循環ポンプ５０が設けられている。循環ポンプ５０のさらに上流側は分岐されており、一方の給水管２１ａには温水バルブ７０が、他方の給水管２１ｂには冷水バルブ７１が設けられ、温水バルブ７０と冷水バルブ７１は、スプリットレンジ８０と接続されている。

スプリットレンジ８０の動作特性は、図２に示すようになっている。横軸は操作信号であるバルブ開度設定信号ＳＵを示し、縦軸は対応するバルブ開度を示している。バルブ開度０％はバルブ全閉に対応し、バルブ開度１００％はバルブ全開に対応する。

この例では、バルブ開度設定信号ＳＵが５０％を境として、０〜５０％のときは冷水バルブ７１の開度信号を１００〜０％に変換し、バルブ開度設定信号ＳＵが５０〜１００％のときは温水バルブ７０の開度信号を０〜１００％に変換する。

また、コントローラの初期平衡点は、温度操作信号ＳＵ＝５０％に設定されているため、反応温度が安定し、外部から加熱も冷却も要しない場合は、温度操作信号ＳＵ＝５０％で温水バルブも冷水バルブも全閉の状態となる。

反応器１０には温度計３０が取付けられており、反応器１０の温度を計測して制御装置１００にフィードバックしている。反応器１０には、原料が図示しない原料供給バルブによりその量が調整されて供給されるようになっている。

排水管２２には、ジャケット出口温度計６０が設けられ、ジャケット出口温度計６０の上流側から循環ポンプ５０の上流側に接続されるバイパス管２３が設けられている。

制御系である制御装置１００には、汎用的なコンピュータが用いられ、処方データベース３００に接続されている。制御装置１００は、処方データベース３００からの信号
Ｓ３０１と温度計３０からの信号Ｓ３１を入力してジャケット温度設定信号Ｓ２０１を生成する反応器温度制御系２００，ジャケット出口温度計６０からの信号Ｓ６１を入力し補正信号Ｓ５０１を生成する信号生成部５００，反応器温度制御系２００からのジャケット温度設定信号Ｓ２０１と信号生成部５００からの信号Ｓ５０１により補正されたジャケット温度設定信号Ｓ６０１を生成する信号補正部６００、信号補正部６００からの補正されたジャケット温度設定信号Ｓ６０１とジャケット入口温度計４０からの信号Ｓ４１を入力しバルブ開度設定信号Ｓ４０１を生成するジャケット温度制御系４００で構成される。

ここで、本実施例では、反応器温度制御系２００,信号生成部５００,信号補正部６００及びジャケット温度制御系４００は、ソフトウエアで構成しているが、一部分をハードウエアで構成することもできる。

製造する製品の処方が決まると、制御装置１００にその製品の処方を入力する。入力されたデータに基づいて、処方データベース３００を参照して図示しない原料供給バルブを調節して原料が反応器１０に供給される。入力された処方に対応して算出された反応器の温度設定値を信号Ｓ３０１として反応器温度制御系２００へ送信する。

反応器温度制御系２００では、図４に示す流れ図のステップ１１１で、反応器温度を示す信号Ｓ３１と信号Ｓ３０１から反応器の温度設定値Ｔｓｐと反応器温度Ｔｒとの偏差Ｅ（目標偏差Ｅともいう）を算出し、数１で目標偏差に対して比例積分演算を行う比例積分型のフィードバック制御演算を行う。

（数１）
Ｔｊｓ＝Ｋ１＊Ｅ＋Ｋ２＊∫Ｅｄｔ （１）
ここで、Ｋ１，Ｋ２は各々比例ゲイン，積分ゲインであり、フィードバック制御の制御性能を調整するパラメータである。また、数１では微分項を設けていないが、微分演算を加算しても良い。また、テーブルを用いた演算等の別の制御演算でも適用可能である。又、モデルベースの予測制御でも適用可能である。この場合、フィードバック制御系の閉ループ感度特性を調整するパラメータが必要であるが、高い感度設定が可能である。

図３に示すように、数１で求められた演算結果であるジャケット温度設定値Ｔｊｓは、図４に示すステップ１１２で、ジャケット温度設定信号Ｓ２０１として記憶部６０５で記憶されるとともに、ステップ１１５で信号生成部５００からの信号Ｓ５０１と加算部606で加算され、補正されたジャケット温度設定信号Ｓ６０１としてステップ１１６で記憶部６０７に記憶される。

信号生成部５００では、ステップ１１３でジャケット出口温度計６０からの信号Ｓ６１を入力してジャケット出口温度Ｔｊを算出し、ステップ１１４で、数２により補正値Ｔjhを算出して補正信号Ｓ５０１を生成する。

（数２）
Ｔｊｈ＝−Ｋ＊Ｔｊ （２）
ここで、Ｋは定数ゲインであり、１≧Ｋ＞０であるが、Ｋ＞１の大きな数値を用いる場合もある。数２では、ジャケット出口温度Ｔｊｏと補正値Ｔｊｈは変化が逆方向となるように算出するが、ジャケット出口温度について不感帯を設けてもよい。又、信号生成部
５００は、負のゲインが与えられるものであれば、数３で表されるルックアップテーブル形式でも良い。

（数３）
補正信号＝ＦＵＮＣ（ジャケット出口温度） （３）
ここで、ＦＵＮＣは、関数を意味する。

補正されたジャケット温度設定信号Ｓ６０１は、ステップ１１７で、ジャケット温度制御系４００に入力される。ジャケット温度制御系４００では、ジャケット入口温度Ｔｊｉと比較され、偏差Ｆを算出する。数４で偏差Ｆに対して比例積分微分演算を行う比例積分微分型のフィードバック制御演算を行い、バルブ開度設定値Ｂｓの算出を行う。

（数４）
Ｂｓ＝Ｋ３＊Ｆ＋Ｋ４＊∫Ｆｄｔ＋Ｋ５＊ｄＦ／ｄｔ （４）
ここで、Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５は各々比例ゲイン，積分ゲイン，微分ゲインであり、フィードバック制御の制御性能を調整するパラメータである。又、数４では比例積分微分演算を示したが、反応器温度制御系２００と同様に、テーブルを用いた演算等の別の制御演算でも適用可能である。

バルブ開度設定値Ｂｓは、バルブ開度設定信号Ｓ４０１としてスプリットレンジ８０に送信され、スプリットレンジ８０において、加熱用の温水バルブ７０又は冷却用の冷水バルブ７１の開度信号に変換され、温水バルブ７０又は冷水バルブ７１に送信されて温水バルブ７０又は冷水バルブ７１の開度が制御される。

図５は、本実施例の反応器の温度制御装置により、比例ゲイン，積分ゲイン，微分ゲイン等のゲインは高い値に設定して反応器の温度制御を行った一例を示している。処方を行っている途中に反応器内で化学反応により発熱して外乱として作用し、反応器温度が上昇した場合の反応器温度，ジャケット出口温度、およびジャケット入口温度の変化を示している。

図５から分るように、反応器の温度が上昇すると、信号生成部５００で補正信号Ｓ501を生成しているので、ジャケット入口温度を低下させる。ジャケット入口温度の低下により、上昇していたジャケット出口温度の上昇が止まり低下し始める。その結果、補正信号Ｓ５０１の効果によりジャケット入口温度の低下がいったん緩和し、ジャケット出口温度の低下とは反対側に推移してジャケット入口温度を緩やかに上昇させる。

一方、反応器の温度も低下し始めるが、ジャケット入口温度の低下が抑えられたため、反応器温度の設定値からのアンダーシュートは少ない結果となる。

このように、本実施例の制御方法では、反応器温度の外乱抑制後のオーバーシュートあるいはアンダーシュートが小さく、その結果、反応器の温度制御系の感度特性を高くし、制御即応性をあげるような設定が可能となる。

これに対して、ジャケット出口温度をフィードバックした信号生成部５００を備えていない場合は、ジャケット入口温度は反応器の温度の上昇に応じて低下し続け、アンダーシュートを引き起こし、ハンチングを生じるため、反応器の温度が設定値に収束するのに時間を要することなる。これを防ぐために、信号生成部５００を備えていない制御では、比例ゲイン，積分ゲインなどの制御パラメータの値を低く設定して、低い感度の制御系にせざるを得ないが、本実施例では、比例ゲイン，積分ゲインなどの制御パラメータの値を高く設定して制御できるので、応答性がよい。

本発明の他の実施例を図６から図８を用いて説明する。図６は、本実施例の反応器の温度制御装置の構成図、図７は、反応器の温度制御の流れ図、図８は、補正信号を算出するためのルックアップテーブルを示す図である。

図６に示すように、本実施例の反応器の温度制御装置は、図１に示す反応器の温度制御装置と同様に構成されているが、本実施例では、ジャケット入口温度計４０と循環ポンプ５０との間にジャケット流量計９０を設けており、ジャケット流量計９０で検出したジャケット流量計測値Ｓ９１を信号生成部５００に入力するようになっている。又、図１に示す実施例と同様に、図７に示す反応器の温度制御の流れ図に沿って制御が行われる。

本実施例では、循環ポンプ５０が停止している場合、あるいは循環ポンプ５０の回転速度が変化してジャケット２０内を循環する熱媒体の流量が変化した場合を考慮している。

信号生成部５００は、ジャケット出口温度計６０からの信号Ｓ６１と、ジャケット流量計９０で検出したジャケット流量計測値Ｓ９１とを入力し、ジャケット流量が変化した場合に対応して、適切な補正信号を算出する。本実施例では、熱媒体の流量が大きくなると、補正係数を大きくするように補正信号を算出する。

この補正信号の算出は、図８に示すルックアップテーブルを用いて行う。図８に示す例では、ジャケット出口温度及びジャケット流量に対応する補正信号を示しており、信号生成部５００は、このルックアップテーブルを備えており、ジャケット出口温度及びジャケット流量を入力して、対応する補正信号を出力する。なお、信号生成部５００は、関数形式でも良く、数５で補正信号を算出し、その場合は、図７に示すｘｎ，ｙｎが引数となる。

（数５）
ｚｎ＝ＦＵＮＣ（ｘｎ，ｙｎ） （５）
このように、熱媒体の流量をフィードバックして補正信号を算出しているので、流量が大きくなった場合に反応器温度制御系の感度特性を高くし、制御即応性をあげることができる。

本実施例によれば、反応器の温度制御において、ジャケット出口温度の変化に対し、逆方向に変化する補正信号をジャケット温度設定値に与えているので、ジャケット温度制御系の即応性と安定性を向上させ、反応器制御系全体としての閉ループ特性を高感度に設定可能となる。

本発明の一実施例である反応器温度制御装置の構成図である。 スプリットレンジの動作特性を示す図である。 本実施例の演算部の構成図である。 本実施例の反応器の温度制御の流れ図である。 反応器温度，ジャケット出口温度、及びジャケット入口温度の時間変化の一例を示す図である。 本発明の他の実施例である反応器の温度制御装置の構成図である。 本実施例の反応器の温度制御の流れ図である。 本実施例の信号生成部に備えられるテーブルの例を示す図である。

符号の説明

１０…反応器、２０…ジャケット、３０…温度計、４０…ジャケット入口温度計、５０…循環ポンプ、６０…ジャケット出口温度計、７０…バルブ（７０Ｈ＝温水，７０Ｃ＝冷水）、８０…スプリットレンジ、９０…ジャケット流量計、１００…制御装置、２００…反応器温度制御系、３００…処方データベース、４００…ジャケット温度制御系。

Claims (6)

1. 入力された処方に対応して算出された反応器の設定温度値と反応器の温度の計測値を入力してジャケット温度設定値を算出する反応温度制御系と、ジャケット出口温度の計測値を入力して該ジャケット出口温度の変化と逆方向になるように補正値を算出する信号生成部と、前記ジャケット温度設定値と前記補正値とが加算されて補正されたジャケット温度設定値とジャケット入口温度の計測値を入力してバルブ開度設定値を算出するジャケット温度制御系を備えた反応器の温度制御装置。
2. 処方の原料が供給される反応器と、該反応器の温度を制御するためのジャケットと、該ジャケットに熱媒体を循環させるための循環ポンプを具備した給水管及び排水管と、該給水管に接続され上流側に設けられた温水バルブ又は冷水バルブの開度を制御するスプリットレンジと、前記反応器の設定温度値と反応器の温度の計測値と前記ジャケット出口温度の計測値とジャケット出口温度の計測値を入力して前記バルブ開度設定信号を前記スプリットレンジに出力する制御装置とを備え、該制御装置は、ジャケット出口温度の計測値からジャケット出口温度の変化と逆方向になる補正値を加算して前記バルブ開度設定信号を算出する反応器の温度制御装置。
3. 反応器の設定温度値と反応器の温度の計測値を入力してジャケット温度設定値を算出する反応温度制御系と、ジャケット出口温度の計測値を入力して該ジャケット出口温度に負のゲインを与えて補正値を算出する信号生成部と、前記ジャケット温度設定値と前記補正値とが加算されて補正されたジャケット温度設定値とジャケット入口温度の計測値を入力してバルブ開度設定値を算出するジャケット温度制御系を備えた反応器の温度制御装置。
4. 前記ジャケット出口温度の変化と逆方向になる補正値が前記ジャケット出口温度に負のゲインを与えて算出される請求項２に記載の反応器の温度制御装置。
5. ジャケットに熱媒体を循環させ、ジャケットと反応器との熱交換により反応器の温度を反応器の設定温度に調整する反応器の温度制御方法であって、反応器の設定温度値と反応器の温度の計測値を入力してジャケット温度設定値を算出し、信号生成部によりジャケット出口温度の計測値を入力して該ジャケット出口温度に負のゲインを与えて補正値を算出し、前記ジャケット温度設定値と補正値を加算して補正されたジャケット温度設定値を算出し、補正されたジャケット温度設定値とジャケット入口温度の計測値からバルブ開度設定値を算出し、該バルブ開度設定によりバルブ開度を制御して前記ジャケットを循環させる熱媒体の温度を制御する反応器の温度制御方法。
6. 前記信号生成部にジャケット流量計測値が入力されるものであって、該ジャケット流量計測値に基づいて前記補正値を得るための補正係数を変化させる請求項１，３，４のいずれかに記載の反応器の温度制御装置。
   
   
   

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