JP2785971B2 - 断熱固定床反応器の制御方法 - Google Patents

断熱固定床反応器の制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ジャケット等の温度操作装置を有しない断
熱固定床反応器の制御方法に関し、特に、物理モデルを
用いて断熱固定床反応器の入口温度を制御することによ
って該断熱固定床反応器を自動的に制御する方法に関す
る。
[従来の技術] イソブチレンを重合させるための固定床反応塔のよう
な断熱固定床反応器における温度制御は、従来、種々の
目標値を設定して行なわれている。そして通常は、出口
温度、入口温度と出口温度との温度差、反応量のいずれ
かを目標値として設定している。しかし、断熱固定床反
応器は、むだ時間が大きく遅れ時間もあり、しかも入口
温度の制御手段以外には、ジャケット等の温度制御手段
を有していないので、温度の自動制御を行なうことが非
常に難しかった。
例えば、単純なフィードバック制御の場合は、断熱固
定床反応器のようなむだ時間のある系における制御はほ
とんど不可能であった。また、スミス補償器によるフィ
ードバック制御の場合は、むだ時間の補償は可能である
が、反応塔内部の状態の把握が困難であるとともに、操
作量を一度に大きく動かすので本プラントには不適当で
ある。また、触媒の活性変動に追従させること、ならび
に未来の状態の予測も難しいため、これによる制御も非
常に困難であった。
さらに、ARMAモデル(入出力モデル)による制御の場
合は、むだ時間の補償ならびに未来の状態の予測は比較
的行ないやすいが、入出力のみに着目しているので反応
塔内部の状態の把握が困難であり、これによる制御も難
しかった。
このため、断熱固定床反応器の温度制御は、試行錯誤
しながら培われたオペレータの勘,経験によって行なう
のが実状であった。
[解決すべき課題] 上述のように、従来、断熱固定床反応器の制御は、オ
ペレータの経験に頼っていたので、オペレータに多大の
負担がかかるとともに、最適な制御を行なうことが難し
かった。特に、外乱によって入口原料組成が大きく変動
し、それにともなって触媒活性も変動する反応器におい
ては、オペレータが反応器の入口及び出口の温度を常時
監視し、入口温度の調整を頻繁に行なわなければならな
いため、オペレータの負担及び最適制御の点で大きな問
題があった。
本発明は上記の問題点にかんがみてなされたもので、
入口温度を制御しつつ行なう断熱固定床反応器の制御
を、物理モデルを用いることによって自動的かつ最適に
行なえるようにした断熱固定床反応器の制御方法の提供
を目的とする。
[課題の解決手段] 上記目的を達成するため、本発明の断熱固定床反応器
の制御方法は、断熱固定床反応器の入口原料濃度と、入
口、出口及び内部温度を測定し、これらデータを温度,
反応混合物濃度,触媒活性の3変数の方程式からなる物
理モデルに与えて断熱固定床反応器の触媒活性と反応混
合物の濃度の現在値を算出し、上記触媒活性の変化にも
とづいて触媒活性の未来値を予測し、次いで、目標値と
上記触媒活性の未来値を上記物理モデルに与えて断熱固
定床反応器の入口温度を算出し、この入口温度に応じた
制御信号を断熱固定床反応器に出力して、断熱固定床反
応器の制御を行なうようにしてある。
なお、ここで目標値としては、例えば、断熱固定床反
応器の出口温度、入口と出口の温度差あるいは、反応量
(反応生成物の組成)などをとることができる。
そして具体的に、目標値を断熱固定床反応器の出口温
度とし、この温度を一定に保つ制御の場合には、断熱固
定床反応器の入口原料濃度と、入口、出口及び内部温度
を測定し、これらデータを温度,反応混合物濃度,触媒
活性の3変数の方程式からなる物理モデルに与えて断熱
固定床反応器の触媒活性と反応混合物の濃度の現在値を
算出し、上記触媒活性の変化にもとづいて触媒活性の未
来値を予測し、次いで、出口温度設定値と、出口原料濃
度初期設定値、及び上記触媒活性の未来値を上記物理モ
デルに与えて断熱固定床反応器の入口温度及び入口原料
濃度を算出し、現在の入口原料濃度と上記算出した入口
原料濃度がほぼ等しい場合に、上記入口温度に応じた制
御信号を断熱固定床反応器に出力して、断熱固定床反応
器の出口温度を一定に保つ方法としてある。
また、目標値を断熱固定床反応器の入口温度と出口温
度の差とし、この温度差を一定に保つ制御の場合には、
断熱固定床反応器の入口原料濃度と、入口、出口及び内
部温度を測定し、これらデータを温度,反応混合物濃
度,触媒活性の3変数の方程式からなる物理モデルに与
えて断熱固定床反応器の触媒活性と反応混合物の濃度の
現在値を算出し、上記触媒活性の変化にもとづいて触媒
活性の未来値を予測し、次いで、入口と出口の温度差設
定値と、出口温度初期設定値、及び上記触媒活性の未来
値を上記物理モデルに与えて断熱固定床反応器の入口温
度を算出し、入口と出口の温度差値が上記温度差設定値
とほぼ等しい場合に、上記入口温度に応じた制御信号を
断熱固定床反応器に出力して、断熱固定床反応器の入口
温度と出口温度差を一定に保つようにしてある。
[作用] 本発明の断熱固定床反応器の制御方法は、物理モデル
を用いているので、モデルの状態量として反応器内部の
状態を把握でき、むだ時間の補償及び未来の状態予測も
容易となり、断熱固定床反応器の制御の自動化を可能な
らしめる。
[実施例] 以下、本発明の断熱固定床反応器の制御方法の一実施
例について説明する。
本実施例は、メチルエチルケトンの製造に際し、不純
物を取り除く工程中でおこなわるインブチレンの重合に
使用される固定床反応塔の温度制御を例にとっている。
まず、第1図のブロック図によって、本実施例方法を
実施するための制御系の説明を行なう。
同図において、10はプロセス、すなわち断熱固定床反
応器(固定床反応塔)であり、温度制御においては、こ
のプロセスの出口温度、あるいは入口と出口の温度差を
一定に保つ必要がある。
20はコントローラであり、物理モデルに温度目標値
(プロセスの出口温度あるいは入口と出口の温度差)
と、後述する推定予測器30からの触媒活性未来値を与
え、プロセスの入口温度及びイソブチレン濃度を算出す
る。そして、入口温度の計算値をコントローラの出力
(プロセスへの入力)とする。すなわち、プロセスへの
入口温度を制御しつつ、プロセスの目標値を一定に保つ
ようにする。
触媒活性の推定予測器30は、触媒活性の活性推定部31
と活性予測器32を有している。このうち、活性推定部31
は、物理モデルに原料(イソブチレン)濃度、プロセス
の温度データを与えてプロセスの触媒活性とイソブチレ
ン濃度の現在値を算出する。また、活性予測部32は、入
口部分のプロセスの触媒活性の変化を利用して下流の触
媒活性の未来値を予測する。
上記制御系における物理モデルは、管型反応器を軸方
向に分割して小さなセルに分け、完全混合槽の直列結合
として表現するかたちを採用した。この概念図を第2図
に示す。
上記セルの一つ一つについて、物質収支と熱収支をと
ることによりモデルを構築する。得られたモデルをシュ
ミレーションにより検証した結果、特性を十分に表現で
きていることが判明した。
物質収支 熱収支 ここで、 L :管の軸方向長さ n :分割数 [m] ε :空隙率 [−] R :一般ガス定数 [kcal/kmolK4] Pm :分子量(モノマー) [kg/kmolC4] Cpk :流体比熱 [kcal/Kg℃] ρk :流体密度 [kg/m3] Cpρk:流体+触媒床の平均熱容量 [kcal/m3℃] F :流量 [kg/h] u :流速 [m/h] Tk :k番目のセルの絶対温度 [K] △Hx :物質(イソブチレン)xの反応熱 [kcal/m3h] △H :イソブチレンの反応熱 [kcal/kmolx] 続いて制御用にモデルの簡略化を行なった。さらに、
推定,制御の周期に対してはプロセスの時定数は十分大
きいため、制御用モデルの定常近似が可能となり、結果
的に次式に示す漸化式を得ることができる。
Ck-1=Ck+a・Akk・R(Tk,Ck) (3) Tk-1=Tk−b・Akk・R(Tk,Ck) (4) Akk :k番目のセルの触媒活性 R(Tk,Ck):反応項 a,b :定数項 Ck :k番目のセル中のイソブチレン濃度 [kmol/m3] (3),(4)は、温度,原料濃度,触媒活性の3変
数の方程式となっている。ここで温度に関しては実測値
が得られているから未知変数は2個となり方程式の本数
と対応するから原料濃度,触媒活性について解くことが
できる。ただし、漸化式形式であるから初期値は必要と
なる。
この求解をサンプリング周期毎に行なうことにより、
常に触媒の活性を把握することが可能となる。
なお、物質収支モデル,熱収支モデルは、必ずしも低
次元化近似モデルとしなくてもよいが、このように低次
元化近似モデルとすると計算量が少なくなり、短時間で
計算を行なえる点で好ましい。
次に、第3図に示すフローチャートを参照しつつ本発
明の第一実施例方法について説明する。
第一実施例方法は、入口温度を制御しつつ断熱固定床
反応器の出口温度を一定に保つ制御方法である。
目標値の設定(101) 出口温度と出口イソブチレン濃度初期値を設定する。
データの測定(102) プロセス、すなわち断熱固定床反応器の各セルにおけ
る入口と出口の温度及び原料(イソブチレン)濃度を測
定する。
各セルの触媒活性とイソブチレン濃度の現在値算出
(103) 上記定常差分近似低次元化モデルを利用して、触媒の
活性ならびにイソブチレン濃度を、プラントからのデー
タをもとにオンラインで推定する。これを可能にするた
めに次のような仮定をおく。
仮定 イ.計算の途中において隣り合うセルどうしの比熱、密
度は等しい。
ロ.分割数(セルの数)は温度計の数に合せる(9分
割)。
このとき、ベッド温度は各温度計の値を、フィードの
イソブチレン濃度はサンプル・データを利用する。
上記定常差分近似低次元化モデルに、上記測定データ
を与えて各セルの触媒活性とイソブチレン濃度の現在値
を算出する。
触媒活性の推定値より未来値を予測(104) 触媒の活性は必要に応じて予測により補正したものを
用いる。
実際には、式(8),(9),(10)のアルゴリズム
により現在値を補正する。
以下にそのアルゴリズムを示す。
Ak1 :No.1セル(入口)の触媒活性推定値(現在値) Ak1P :No.1セル(入口)の触媒活性推定値(1ステップ
過去値) PDC :No.1セルの触媒活性変化率 τ :時定数 Prf :予測の調整因子 Prc :No.2セル以降の触媒活性の予測変化率 Akk :セルkの触媒活性推定値(現在値) Akk′:セルkの触媒活性推定値(予測値) 各セルの入口温度,入口イソブチレン濃度の算出(10
5) 上記(3),(4)式に各セルの出口温度設定値と、
推定予測器30において予測された各セルの触媒活性の未
来値を与えて、各セルの入口温度,イソブチレン濃度を
算出する(105a)。
次いで、入口イソブチレン濃度の計算値と実測値を比
較(105b)し、ほぼ等しい場合には、上記各セルの入口
濃度計算値をコントローラ20より出力する。また、入口
イソブチレン濃度の計算値と実測値が等しくない場合に
は、出口イソブチレン濃度の初期設定値を再設定し、再
びを行なう。
プロセスへの入力(106)。
コントローラ20より出力された入口温度計算値を、プ
ロセスである断熱固定床反応器の入力温度調整器(図示
せず)に入力する。そしてこのように、断熱固定床反応
器の入口温度を一定となるように制御することによっ
て、断熱固定床反応器の出口温度を一定に保つ。
第4図は、本発明の第二実施例方法を説明するための
フローチャートである。第二実施例方法は、断熱固定床
反応器の入口と出口の温度差を一定に保つ制御方法であ
る。
目標値の設定(101)。
入口と出口の温度差初期値と、出口温度初期値を設定
する。
〜は、第一実施例方法と同様にして行なう。
各セルの入口温度、入口イソブチレン濃度の算出(11
2)。
第一実施例方法と同様にして各セルの入口温度とイソ
ブチレン濃度を算出する(105a)。その後、入口と出口
の温度差の計算値と設定値を比較(105c)し、ほぼ等し
い場合には上記各セルの入口温度計算値をコントローラ
20より出力してプロセス10へ入力(106)する。また、
等しくない場合には、出口温度の初期設定値を再設定
し、再びを行なう。
このように、本発明の制御方法によれば、オンライン
で常にプロセスの状態(各セルの触媒活性とイソブチレ
ン濃度)を推定しているので、対象の経時変化などに追
従可能である。つまり、適応型のシステムを構成でき
る。また、コントローラはモデルをベースとしており、
かつプロセスの出力から入力を逆算するような構造、す
なわちプロセスならびに推定器の逆システムになってい
る。したがって、モデル誤差や推定誤差はかなりのレベ
ルまでキャンセルされ、正確な制御が可能となる。
なお、目標値を反応量とした場合、すなわち、断熱固
定床反応器の入口温度を制御しつつ反応量を一定に保つ
制御方法の場合は、上述した第二実施例方法と同様の手
順によって行なうことができる。
[発明の効果] 以上のように、本発明によれば断熱固定床反応器の制
御を自動的にしかも最適の状態で行なえるという効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実施するための制御系の一例を示すブ
ロック図、第2図はプロセスの概念図、第3図及び第4
図は本発明実施例方法のフローチャートを示す。 10:プロセス、20:コントローラ 30:推定予測器、31:活性推定部 32:活性予測部

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】断熱固定床反応器の入口原料濃度と、入
    口、出口及び内部温度を測定し、これらデータを温度,
    原料濃度,触媒活性の3変数の方程式からなる物理モデ
    ルに与えて断熱固定床反応器の触媒活性と反応混合物の
    濃度の現在値を算出し、 上記触媒活性の変化にもとづいて触媒活性の未来値を予
    測し、 次いで、目標値と上記触媒活性の未来値を上記物理モデ
    ルに与えて断熱固定床反応器の入口温度を算出し、この
    入口温度に応じた制御信号を断熱固定床反応器に出力し
    て、断熱固定床反応器の制御を行なうことを特徴とした
    断熱固定床反応器の制御方法。
  2. 【請求項2】断熱固定床反応器の入口原料濃度と、入
    口、出口及び内部温度を測定し、これらデータを温度,
    原料濃度,触媒活性の3変数の方程式からなる物理モデ
    ルに与えて断熱固定床反応器の触媒活性と反応混合物の
    濃度の現在値を算出し、 上記触媒活性の変化にもとづいて触媒活性の未来値を予
    測し、 次いで、出口温度設定値と、出口原料濃度初期設定値、
    及び上記触媒活性の未来値を上記物理モデルに与えて断
    熱固定床反応器の入口温度及び入口原料濃度を算出し、 現在の入口原料濃度と上記算出した入口原料濃度がほぼ
    等しい場合に、上記入口温度に応じた制御信号を断熱固
    定床反応器に出力して、断熱固定床反応器の出口温度を
    一定に保つことを特徴とした断熱固定床反応器の制御方
    法。
  3. 【請求項3】断熱固定床反応器の入口原料濃度と、入
    口、出口及び内部温度を測定し、これらデータを温度,
    原料濃度,触媒活性を3変数の方程式からなる物理モデ
    ルに与えて断熱固定床反応器の触媒活性と反応混合物の
    濃度の現在値を算出し、 上記触媒活性の変化にもとづいて触媒活性の未来値を予
    測し、 次いで、入口と出口の温度差設定値と、出口温度初期設
    定値、及び上記触媒活性の未来値を上記物理モデルに与
    えて断熱固定床反応器の入口温度を算出し、入口と出口
    の温度差値が上記温度差設定値とほぼ等しい場合に、上
    記入口温度に応じた制御信号を断熱固定床反応器に出力
    して、断熱固定床反応器の入口温度と出口温度差を一定
    に保つことを特徴とした断熱固定床反応器の制御方法。
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