JP4883142B2 - 反応液粘度測定装置及び反応液製造装置、並びに反応液製造方法 - Google Patents
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Description
これまでの反応液の粘度測定は、通常ガードナーホルト法により行われることが多い。本法は、反応液を一部採取し、必要に応じて希釈溶剤等にて希釈を行った後に、試料中の気泡の移動速度を標品と比較することにより粘度の測定を行うものであり、測定された粘度に定量性がない上に、気泡の移動速度を目視により行うためにバラツキが大きく、上記目的の反応工程管理を行うには用いることのできない方法である。
また、本法に基づく工程管理では、粘度測定の際、生産ラインを停止して製品化途上の反応液を少量抽出し、冷却、計量、希釈、温度調整等の手続きを経てから粘度を計測する手続を経る必要があり、効率性に劣る問題があった。しかも、反応が進み過ぎて粘度の値が規格で定めた数値を超過した場合には目的とする性能が発揮されないことにより不良品として扱われるため、当該粘度計測は念入りに注意深く、反応の終点付近では少なくとも3〜4回もの複数にわたって行われるのが通例であり、生産効率向上の大きな妨げとなっていた。
1)前記電動機に供給されている電力を検出する電力検出手段
2)前記電動機に供給されている電流を検出する電流検出手段
3)前記電動機に供給されている電圧を検出する電圧検出手段
4)前記回転軸の速度を検出する回転速度検出手段
5)前記インバータ出力周波数を検出する周波数検出手段
の各手段を有し、前記各手段で得られた検出出力の値に基づき、特定の演算を行うことにより、精度の高い回転トルクが演算できること、更に該回転トルク検出値をもとに反応液粘度を検出できる装置を作出することにより、本発明の反応液粘度検出装置を完成するに至った。
予め定められた前記反応器での製造単位あたりの標準仕込み量と、当該製造単位における実仕込み量が異なる場合に、両者の仕込み量の差に基づいて反応液粘度値を補正することによる仕込み量の補正手段を有する装置、及び
反応液の検出粘度が、予め定められた値を超えたときに反応終点と判定する判定機能を有する装置を完成させた。
また、反応液を製造する場合に、該反応液粘度検出装置を公知慣用の反応液の製造装置に取り入れることによって、より効率性の高い反応液の製造が可能となることを見出し、本発明の反応液製造装置並びに製造方法を完成させるに至った。
T=(PI−PL)/ω 式(1)
として求めることができることに着目した点にある。
即ち、本発明は、トルク演算に必要な電流、電圧、電力等の計測量が各種要因で変動することがあったとしても、エネルギーの入出力の総和がゼロになるということ、及びインバータ出力周波数を検出するための周波数検出手段から検出される周波数に着目することによって、演算結果の精度が格段に高くなることを見出した。本知見をもとに、PLとωの計測値を基にした関数演算を経ることにより、回転トルク(T)を精度高く求めることができ、更にバラツキを少なくした反応液粘度検出装置を作出するに至った。
予め定められた前記反応器での製造単位あたりの標準仕込み量と、当該製造単位における実仕込み量が異なる場合に、両者の仕込み量の差に基づいて反応液粘度値を補正することによる仕込み量の補正手段を有し、
該反応液の検出粘度が、予め定められた値を超えたときに反応終点と判定する判定機能を有することを特徴とする。
また、本発明によれば、前記検出方法を、反応液を製造する公知慣用の製造方法に設置することにより、反応途上の抽出検査を行うことなくリアルタイムで粘度値を把握できるようになるため、効率性の高い反応液の製造装置及び反応液の製造方法を提供することができる。
前記PI(W)は、投入電力計測値を用いる。測定には通常公知の電力測定機器を用いることができる。電力測定機器は、用いられる電動機の種類によって、使い分けを行うことが必要で、例えば、電動機が単相回路である場合は単相用電力計、3相電動機である場合は3相用電力計を用いる。
電動機の損失には、電動機に対する負荷の大きさに依存せずに発生する固定損と、負荷の大きさに依存する変動損があることが知られており、前者固有損は電動機に固有の値であり、一義的に決定することが可能である。
後者変動損は、運転中の電圧値、電流値及び軸回転速度と、電動機に固有の回路定数を用い、所定演算を行うことにより求めることができる。ここで回路定数は、電動機メーカーから提供される試験表によっても、電動機の負荷試験による計測値によっても得ることができる。
PL(W)を構成する損失電力としては、一次電流損、二次電流損、渦電流損、ヒステリシス損、機械損、浮遊損の総和として表され、各々以下の一般式(2)、(3)、(9)、(10)、(11)、(12)で表される。
一次電流損=一次巻線抵抗×(一相電流)2×電動機の相数式(2)
二次電流損=二次巻線抵抗×(一相二次電流)2×電動機の相数 式(3)
前記一相二次電流の値(単位アンペア)は三相誘導電動機のL型等価回路の採用によって、次の一般式(4)によって求められる。
二次電流値=一相電圧計測値/((一次巻線抵抗+(二次巻線抵抗/すべり))2+(一次巻線リアクタンス+二次巻線リアクタンス)2)1/2 式(4)
前記一次及び二次巻線リアクタンスの値(単位Ω)は、定格周波数における値なのでインバータ運転時の周波数の値によって次の一般式(5)、(6)によって求められる。
一次巻線リアクタンス=定格周波数における一次巻線リアクタンス×(インバー出力周波数出力値/定格周波数) (単位Ω) 式(5)
二次巻線リアクタンス=定格周波数における二次巻線リアクタンス×(インバー出力周波数出力値/定格周波数) (単位Ω) 式(6)
すべり=(同期回転速度−回転速度計測値)/同期回転速度 式(7)
式(7)における同期回転速度は次の一般式(8)によって求められる。
同期回転速度=120×インバータ出力周波数計測値/極数 式(8)
渦電流損 =渦電流損×(一相電圧計測値/定格相電圧)2 (単位W) 式(9)
ヒステリシス損=ヒステリシス損×(一相電圧計測値/定格相電圧)2/(インバータ出力周波数計測値/定格周波数) (単位Hz) 式(10)
機械損≒(機械損)× 回転速度計測値/定格同期速度 (単位W) 式(11)
浮遊損=固定損 (単位W) 式(12)
機械出力(PM)は、PIから上記各損失電力を差し引いた値であるので、
PM=PI‐(一次電流損+二次電流損+渦電流損+ヒステリシス損+機械損+浮遊損
式(13)
で表される。
回転トルク=機械出力(PM)/(2π×回転速度計測値/60)(単位Nm)
式(14)
で求めることができる。
ここで値234.5は銅の抵抗温度係数として知られる。回転中の巻線温度を直接測定するのは困難なので、温度検出手段は電動機内部の温度全体を代表するような部位に固定して設け、そこで得られた値を近似的に一次及び二次巻線の温度とみなしてもよい。
F=ηAU/h 式(16)
で表される。
F=η(2πrl・2πrN)/g (単位N) 式(17)
従って、
回転トルク(T)=F・r=η(2πrl・2πrN)/g・r(単位Nm) 式(18)
であるので、
η=T・g/(2πrl・2πrN・r)
ここで、T、N以外は反応容器及び攪拌翼の寸法によって決定される定数なので改めて
η=κT/N (単位Pa・S) 式(19)
と表すことができ、式(19)によって相対的に反応液粘度を求めることができる。
前記演算手段には、ノート型、ディスクトップ型等の各種パーソナルコンピュータ、或いはプロセスコンピュータ等の公知慣用演算処理機能を有する手段を用いることができる。前記演算手段並び前記各検出手段との間にはRS−232C、GP−IP、USB、ISA、PCI等の公知慣用のデータ通信機能があってもよいし、また前記同期信号発生手段が前記コンピュータ等からの命令で代用されるものであってもよい。
また、図1は動力源である電動機が単相回路であることを想定したものであるが、対象が三相誘導電動機である場合には、公知慣用の三相用の電力計が用いられるべきこと、また、その場合、電圧及び電流共に相毎に計測され、トルクを算出する演算も相毎に行われて合成されるべきことは言うまでもない。また対象とする電動機が直流電源で駆動する直流電動機であっても本発明を同様に適用することができる。
原動側、従動側何れの側のトルクを求める場合にせよ、各計器での測定は(5)のPCからの命令で一斉に同期的に行われ、(6)の通信ケーブルを通じて当該計測情報を(5)のPCに戻される。(5)のPCは予めプログラム内に格納している電動機の固定損失及び電動機の回路定数を用い、前記計測情報に基づいてトルクを算出するための演算を行い、結果を画面や内部の情報記録手段等に出力する。
以上のような手順を経ることにより、オペレータはPC画面上に表示された回転トルク値をリアルタイムで知ることができる。
一方、化学反応製品の粘度はアレニウス型と呼ばれる温度の指数型関数であることが知られており、温度変化に対しては大きく急激に変動する。一般に、反応温度を一定に維持することは困難であるとの前提から、本発明の装置で得られる粘度の値も、上記温度変動の影響を受けて増減することになるので、その結果、反応液に固有の粘度値を一義的に決めることができない。
図17は、一般的な反応液(以下、製品Aという)の粘度の温度特性を模式的に示した図であり、またToは当該製品Aが製造されるときの標準温度を表す。縦軸は、本発明原理である式(19)に基づいて得られた粘度の、温度Toおける値を100としたときの異なる温度における相対値(以下%粘度)を表したものである。当該曲線は、予め、例えばガードナーホルト法等の粘度測定装置を用いて、製品Aに係る粘度の温度特性を測定した結果を基に作成することができる。そして、本発明における温度補正は、図17に示す温度曲線を、例えば、2〜3次等の多項式形式で(5)のPC内部のメモリーに予め記憶させておいて、数値100を温度計測手段によって得られた値の%粘度で除した値(以下、温度補正係数という)を、式(19)で得られた値に積算することによって行われる。ここで、多項式はその種類は問わないが、粘度と温度の関係を誤差少なく表すものであればよい。
本発明において製造されるポリエステル樹脂は、例えば、低分子ポリオールまたはポリアルキレンエーテルジオールとカルボン酸またはポリカルボン酸とを反応させて得られる縮合ポリエステルまたは縮合ポリエステルポリオール、ラクトンの開環重合により得られるポリラクトンジオール、低分子ジオールと低級アルコールの炭酸ジエステルとを反応させて得られるポリカーボネートジオール等であり、アクリル樹脂は、例えば、アクリル酸、水酸基を有しないアクリル酸エステル、アクリルアミド、アクリロニトリル、メタクリル酸、水酸基を有しないメタクリル酸エステル、及び水酸基を有するアクリル酸エステル若しくはメタクリル酸エステル等の重合物であり、ポリウレタン樹脂は、例えば、アルコール若しくはポリオールとジイソシアネートの重付加物等であり、エポキシ樹脂は、例えば、ポリエポキシドとポリカルボン酸との付加縮合物等を挙げることができるが、これらに限らない。
以下に、重合反応釜を用いて合成樹脂製品を生産する工程において、本発明の反応液粘度検出装置を用いた結果を示す。
図3は反応設備の構成を示す図であり、
(4)は、角速度検出手段、
(5)は、パーソナルコンピュータ(PC)、
(6)は、通信ケーブル、
(7)は、三相電源、
(8)は、三相誘導電動機、
(9)は、反応釜(負荷)、
(9a)は、反応液、
(9b)は、従動軸に固定された攪拌翼、
(10)は、減速機、
(11)は、原動軸、
(12)は、従動軸、
(13)は、計測器パッケージ、
(14)は、制御盤、
(15)は、インバータ
(16)は、温度検出手段(反応液)
(17)は、温度検出手段(電動機巻線)
をそれぞれ示し、何れも公知慣用の設備並びに機器類である。尚、前記制御盤はインバータを内包し化学工場の非防爆指定区域に設けられるのが通常であり、また本実施例においてはPC及び計測器パッケージもまた当該制御盤内に設けられるのでd2G4等の防爆技術基準を満たす必要はない。但し、回転速度計は防爆指定区域にある現場の回転軸付近に設けられており当該生産設備の標準機能として敷設されていたものを、本発明の構成要素の一部として兼用した。
当該反応は発熱反応であるため、原料である上記トルエンジイソシアネートを一括投入すると爆発的に反応が起こるので、安全性への配慮から少量ずつ分割投入して製造が行われる。当該製品を本実施例で用いる反応釜で製造する場合の標準仕込み量は5000kgであり、本実施例での仕込み量は4500kgである。また仕込み量補正曲線から得られる仕込み量補正係数の値は1.09である。当該製品を製造する場合の反応中の標準温度は80℃であり、本実施例での反応温度は78℃であった。また当該製品の温度補正曲線から得られる78℃における温度補正係数の値は、0.97であった。
前記PCは前記計測パッケージから通信手段を通じてデータ入手し、所定演算を行って回転トルクを算出する演算機能と、各計測手段に対して一斉に計測タイミング信号を発する同期信号発生手段を兼ねる。各計測手段はPCからの指令で一斉に、単位時間あたり所定回数の計測を行い、その平均値をPCが取り込んで回転トルクを算出する。
次に、回転トルク演算手順を次に示す。
三相電力計測値としてPI=12000W、一相電圧計測値として123.6V、一相電流計測値として56.0A、二相、三相の電圧及び電流の計測値として共に一相と同じ値、周波数計測値として50.65Hz、回転速度計測値として1509.6m−1、電動機内部温度70℃が、それぞれ得られた場合で説明する。
定格相電圧 Vp=220/31/2=127.1(V)
定格同期速度 Ns=120×60/4=1800(m−1)
次に前記運転時における基本量として同期速度とすべりを求める。
一次巻線抵抗 =0.033×(234.5+70)/(234.5+20)
=0.040 (Ω)
二次巻線抵抗 =0.015×(234.5+70)/(234.5+20)
=0.018 (Ω)
リアクタンスは周波数に比例するので運転時のインバータ周波数で変換すると、
一次巻線リアクタンス=0.038×(50.65/60)
=0.032 (Ω)
二次巻線リアクタンス=0.020×(50.65/60)
=0.017 (Ω)
運転時同期速度N=120×50.65/4=1519.5(m−1)
すべり S=(1519.5−1509.6)/1519.5=0.00652
二次電流 I2=123.6/((0.040+0.018/0.00652)2+(0.032+0.017)2)1/2=44.1(A)
一次電流損P1=一次巻線抵抗×一相電流の二乗×3相分
=0.040×56.02×3=376.3(W)
二次電流損P2=二次巻線抵抗×一相二次電流の二乗×3相分
=0.018×44.12×3=105.0(W)
渦電流損 P3=260×(123.6/127.1)2=245.9(W)
ヒステリシス損P4=200×(123.6/127.1)2/(50.65/60)
=224.1(W)
機械損 P5≒160×1509.6/1800=134.2(W)
浮遊損 P6=380(W)
機械出力Pm=PI−(P1+P2+P3+P4+P5+P6)
=12000−(376.3+105.0+245.9+224.1+134.2+380)=10535(W)
原動軸回転トルク=10535/(2π×1509.6/60)=66.65(Nm)
減速機出力トルク=66.65×29=1933(Nm)
と求めることができる。
反応液に起因する正味トルク=1933−150=1783(Nm)
として求められる。
従動軸(攪拌翼)角速度ω=2π×1509.6/60/29
=5.451 (rad/s)
補正前粘度 η=1783/5.451=327.1 (Pa・s)
仕込み量補正後粘度 η1=327.1×1.09=356.5 (Pa・s)
温度補正後粘度 η2= 356.5×0.97=345.8(Pa・s)
反応液粘度は、以上の回転トルクの結果と前記式(19)に従って求めることができる。
公知慣用法として知られるガードナー粘度計で求めたホルト粘度をストークス値に換算した値と本発明の方法で求めた反応液粘度の値で相関分析を行った結果を図10に示す。データの収集にあたり、3〜4ロット分の反応を用いた。
尚、本実施例においては相対粘度の値が便宜上0〜100の範囲に入るように係数を調節して求めた。当該実施例での直線性は良好で寄与率0.98(相関係数の二乗)であった。
実施例1におけるジエチレングリコール及びトルエンジイソシアネートの替わりに、エチレングリコール及びテレフタル酸を用いて通常公知の方法により、ポリエチレンテレフタレートを製造するに際し、実施例1と同様の手段を用いて反応を行った。
その結果、ポリエステル樹脂を含む重合液の製造において、本発明の手段及び方法を利用できることが確認された。
実施例1におけるジエチレングリコール及びトルエンジイソシアネートの替わりに、メタクリル酸メチルを用いて通常公知の方法によりメタクリル酸メチル樹脂を製造するに際し、実施例1と同様の手段を用いて反応を行った。
その結果、アクリル樹脂を含む重合液の製造において、本発明の手段及び方法を利用できることが確認された。
実施例1におけるジエチレングリコール及びトルエンジイソシアネートの替わりに、エピクロルヒドリン及びビスフェノールAを用いて通常公知の方法によりエポキシ樹脂を製造するに際し、実施例1と同様の手段を用いて反応を行った。
その結果、エポキシ樹脂を含む重合液の製造において、本発明の手段及び方法を利用できることが確認された。
図11には、上記実施例1で得た電圧計測値と回転速度の二情報のみを用いて、L型等価回路におけるトルクと一次電圧及びすべり(角速度の関数)の関係式から回転トルクを求めたチャートを表す。従来法で求めた図11と本発明の方法で求めた図4のチャートと比較すると、両者共に変化の傾向は類似しているものの、図11の方が各時刻における変動幅が大きく信頼性が劣ることは明らかである。
本比較例では、特許文献7の方法を適用して回転トルクを算出した。
この場合には、運転時の同期速度を求める時の周波数を、電源商用周波数で代用せざるを得ないので、f=50Hzとしてすべりを求め、その値に基づき二次電流の値を求めた。その他の計算方法は前述の図11の場合と全く同様とした。そのようにして求めたトルクの値は全領域で負となるものであったが、このような状況は物理的には有り得ないため便宜上ゼロとみなした(図12に回転トルクチャートを示す)。
続いて特許文献7の方法を適用する更なる試みとして、周波数を50.3Hz、50.5Hz、50.7Hzと仮定して求めたトルク値を、図13、図14、及び図15にそれぞれ示す。何れの図においても経過時間300分前後のところで段差が生じていることが分かる。最も段差が小さい図15を最良値として実施例で示した(図10)ものと同様の相関分析を行った結果を図16に示す。当該比較例の結果は、本発明の方法で得た相関直線よりバラツキが大きく寄与率も実施例に比較し、0.1小さいものとなっている。
(2)電圧検出手段
(3)電流検出手段
(4)角速度検出手段
(5)演算手段(コンピュータ)
(6)データ通信線
(7)電源
(8)電動機
(9)負荷(反応釜)
(9a)反応液
(9b)従動軸に固定された攪拌翼
(10)継ぎ手(または減速機)
(11)原動軸
(12)従動軸
(13)計測器パッケージ(三相電力計、電圧計、電流計、周波数計)
(14)制御盤
(15)インバータ
(16)温度検出手段
(17)温度検出手段(電動機巻線)
Claims (12)
- インバータ駆動電動機を動力源として、攪拌翼を備えた回転軸を回転することにより反応液の攪拌を行う反応器に設置され、前記反応液の粘度を検出するための反応液粘度検出装置であって、
1)前記電動機に供給されている電力を検出する電力検出手段
2)前記電動機に供給されている電流を検出する電流検出手段
3)前記電動機に供給されている電圧を検出する電圧検出手段
4)前記回転軸の速度を検出する回転速度検出手段
5)前記インバータ出力周波数を検出する周波数検出手段
の各手段を有し、各手段で検出される検出値により得られる投入電力(PI)、損失電力(PL)、角速度(ω)を基に、式(1)
T=(PI−PL)/ω 式(1)
により回転トルク(T)を求め、該回転トルクから反応液粘度を演算することを特徴とする反応液粘度検出装置。 - 前記反応液粘度検出装置において、前記電動機の内部温度を検出する温度検出手段を更に有することを特徴とする請求項1に記載の反応液粘度検出装置。
- 前記損失電力(PL)が、一次電流損、二次電流損、渦電流損、ヒステリシス損、機械損、及び浮遊損の総和である請求項1又は2に記載の反応液粘度検出装置。
- 前記電力検出手段、電流検出手段、電圧検出手段、回転速度検出手段、周波数検出手段での検出が同期的に行われる請求項1〜3の何れかに記載の反応液粘度検出装置。
- 前記反応液粘度検出装置において、
1)前記反応液の温度を検出する温度検出手段
2)前記温度検出手段で得られた温度値に基づき反応液粘度値を補正する粘度補正手段の各手段を更に有することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の反応液粘度検出装置。 - 前記反応液粘度検出装置において、
予め定められた前記反応器での製造単位あたりの標準仕込み量と、当該製造単位における実仕込み量が異なる場合に、両者の仕込み量の差に基づいて反応液粘度値を補正することによる仕込み量の補正手段を更に有することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の反応液粘度検出装置。 - 前記反応器を用いて反応液を攪拌するに際し、
該反応液の検出粘度が、予め定められた値を超えたときに反応終点と判定する判定機能を更に有することを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の反応液粘度検出装置。 - 前記電動機が誘導電動機である請求項1〜7の何れかに記載の反応液粘度検出装置。
- 請求項1〜8の何れかに記載の反応液粘度検出装置が設置されることを特徴とする、反応液製造装置。
- 前記反応液が、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、またはエポキシ樹脂を含むものある請求項9に記載の反応液製造装置。
- 請求項1〜8の何れかに記載の反応液粘度検出装置を用いることを特徴とする反応液製造方法。
- 前記反応液が、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、またはエポキシ樹脂を含むものである請求項11に記載の反応液製造方法。
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