JPS62132541A - 反応器の内部温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばバッチ反応器の内部温度をジャケット
温度によって制御する場合に、予測操作量を算出して先
行制御することにより、反応器内部の温度を時間遅れな
く、しかもオーバーシュートを防止した状態で最適に制
御する反応器の内部温度制御方法に関する。

［従来の技術］ 従来、パッチ反応器の内部温度制御は、反応器の内部温
度をジャケット温度によって調節するカスケード方式の
フィードバック制御により行なっていた。

すなわち、例えば第６図に示すように、反応器１の周囲
に温度調節用のジャケット２を設けるとともに、反応器
１の内部温度を検出する内温温度計２１と、この温度計
２１からの検出温度と設定温度の差にもとづいた信号を
出力するバッチスイッチ付の内温：Ａ百計２２、および
ジャケット２の温度を検出する外温温度計２３と、この
温度計２３からの検出温度と上記内温調節計２２からの
設定温度との差に応じた制御信号を出力するジャケット
温度調節計２４、さらにジャケット温度調節計２４から
の信号にもとづいてジャケット２に供給する蒸気と冷却
水の量を調節する調節弁２５．２６とを備えた構成とし
てあった。

そして、その制御は、第７図に示すようにバッチスイッ
チ付の内温調節計２２を、時間ｔ１の間一定出力値とし
、ジャケット２に供給する蒸気の調節弁２５を開けて急
速に加熱昇温させ、反応器ｌの内温か操作出力上限設定
値に達した段階、すなわちターニングポイントにおいて
内温調節計２２の出力を下げてバイアス設定値だけ降温
させ、その後ＰＩＤ制御させることによって行なってい
た。

［解決すべき問題点］ 上述した従来の反応器の内部温度制御方法は、ジャケッ
ト温度を変化させて応答するまでに数分以上の時間遅れ
があり、かつフィードバック制御のため行き過ぎ制御と
なりやすかった。そのため、ジャケット温度が大きく変
動してオーバーシュートや暴走などの現象を生じ、反応
器の内部温度が不安定になりやすいといった問題があっ
た。そこで、制御にあたっては、オペレータの経験をも
とに、ジャケット温度の変化速度、あるいは加熱から冷
却への温度切替のためのターニングポイントの設定時間
などを調節して行なっていた。この結果、オペレータの
熟練度によって制御の良否に差が出るとともに、未熟練
のオペレータの場合には制御性が非常に悪くなるといっ
た問題点があった。

本発明は上記の問題点にかんがみてなされたもので、評
価関数を最小とする所定時間先の予測操作量を求め、こ
の予測操作量にもとづいて加熱手段または冷却手段を制
御することにより、オペレータの熟練度等に関係なく最
適制御を行なえる反応器の内部温度制御方法の提供を目
的とする。

［問題点の解決手段］ 上記目的を達成するため本発明の反応器の内部温度制御
方法は、反応器の内部温度設定値および測定値とから算
出した評価関数Ｊ Ｙ＋　　（ｋ十見）：設定値、Ｙｓ　　（ｋ）：測定値
を最小とする予測操作量を求め、この予測操作量にもと
づいて反応器の加熱手段または冷却手段を予測先行制御
するようにしである。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を：Ａ１図乃至第４図にもとづ
いて説明する。

第１図は本実施例の方法を実施する装置の構成図、第２
ａ図および第２ｂ図は本実施例のフローチャート図、第
３図および第４図は本実施例の方法を採用した場合の操
作量と内部温度の関係図および制御結果を表わした図を
示す。

第１図において、１は反応器であり、その周囲には反応
器の内部温度を制御するジャケット２が設けである。３
はジャケット２に供給する加熱または冷却媒体の供給管
で、熱交換姦４において加８蒸気または冷却水と熱交換
が行なわれ温度管理される。５は加熱蒸気あるいは冷却
水の供給管６に設けである温度制御用の流量７ＡｒＩＪ
弁である。７は反応器１の内部温度を検出する温度検出
器、８はジャケット２の温度を検出する温度検出器、９
は加熱または冷却媒体の温度を検出する温度検出器であ
り、これらによって検出された各温度信号は、予測制御
装２１１０に入力される。

予測制御装置ｉｏは、各温度計７．８．９からの測定値
と反応器１の内部温度設定値にもとづいて予測操作量を
算出する演算装置である。そして、この予＾−制御装置
１０は、非線形微分方程式で設定された反応器連続モデ
ルを線形化する手段と、この線形化した式をマトリック
スで表現させる手段と、この線形化して得られたマトリ
ックスを離散化する手段と、＃教化した式をインパルス
応答モデルに変換する手段と、このインパルス応答モデ
ルを差分化する手段と、ダイナミックス−マトリックス
により予測モデルを設定する手段と、前記内部温度の設
定値および各部側定値から算出した評価関数を最小とす
る予測操作量を算出する子役とを備えている。

次に、第２ａ図および第２ｂ図のフローチャートにより
実施例の方法について詳細に説明する。

■　まず、バッチ反応器連続モデルの非線形連立微分方
程式を設定する（第２ａ図における１０１のプロセス）
。

反応系における基本式 ○反応器の物質収支（原料モノマーＱの転化速度は次式
で表わされる） ｄｘ／ｄｔ ＝ｋ　　（Ｔ＋＋　　）　　　（ｆ　　−Ｃｚ　　）　
　へ　　（１−ｘ）・・・・・・　（１） ここで、アレｍ＝ウスの式より ｋ　（ＴＲ）＝ｋｏ　　ｅｘｐ　（−ｈ／Ｔｔ＋　）ｋ
Ｏ：頻度因子 り二内部エネルギ Ｏ反応器の熱収支 ｄＴＲ／ｄｔ ＝　１／Ｃｐ＠Ｗｓ　　”　　（ｋ　（ＴＲ）　　（ｆ
−ＣＺ　）＾（１−ｘ）ΔＨ・Ｗｏ　−Ｕ　ＲＡ　Ｒ（
ＴＲ−ＴＣ）　ｌ　　　　　　　　　　・・・・・・（
２）○熱交換器の熱収支 ｄ　ＴＣ／　ｄ　ｔ ＝　１／ＣｐｅＷｃ　　−（ＵＲＡＲ（ＴＲ−Ｔｃ　）
−Ｕｔ　ＡＥ　　（ＴＣ−Ｔｓ　））　　　　・−・・
（３）ここでＵＥ　＝　ｆ　（Ｗｓ　）　＝　ｋｓ　　
６ＷＳ上記（１）〜（３）式における記号は次の通り。

Ｘ：原料上ツマ−Ｑの濃度 ｔ：時　間 に：定　数 Ｃ１：触媒濃度 ｆ：生成ポリマーにより決定される定数Ａ：反応系によ
り決定される定数 ＴＲ：反応器内部温度 ＴＣ：ジャケット温度 Ｔｓ　：加熱または冷却媒体の温度 Ｃρ自自互反応器内容物平均比熱 Ｃｐｃ：加熱または冷却媒体の比熱 ΔＨ：反応熱（ｋ　ｃａｌｌ　／　ｋｇ腸ｏＪＬ　−Ｑ
）Ｗ−：反応器内容物の重量 Ｗｏ　：原料モノマーＱの重量 Ｗｃ　：加熱または冷却媒体の重量 ＵＲ：総括伝熱係数 ＡＲ：反応器の伝熱面積 Ａ［：熱交換器の伝熱面積 Ｗｓ　：加熱蒸気または冷却水の１＆量ｋｓ：定　数 ｆｚ　＝　（ｆ＊ｃｌ）八として（１）、（２）。

（３）式の係数を簡略化する。

ｄ　ｘ　／　ｄ　ｔ ＝ｋ　（ＴＲ）　ｆｚ　　（１−ｘ）　　　　　・・・
・・・（４）ｄＴＲ／ｄｔ ＝　１／ＣｐｓＷｍ　・　（ｋ　（ＴＲ）ｆｌ　（１−
Ｘ）・ΔＨＷｏ　−ＵＲＡＲ（ＴＲ−Ｔｃ　））・・・
・・・（５） ｄＴｃ／ｄｔ ＝　１　／　ＣｐｔＷｃ　　・（ＵＲＡＲ（ＴＲＴＣ）
−ｆ　（Ｗｓ　）　ＡＥ　　（ＴＣＴＳ　）　ｌ　−−
（６）■　次いで、非線形微分方程式で設定された反応
器連続モデルを線形化する手段で、次の処理を行なう（
第２ａ図における１０２のプロセス）。

前記（４）、（５）、（６）式の非線形微分方程式を逐
次、定常状態のまわりでティラー級数展開し、２次以降
の高次項を無視した式とする（本は動作点におｔする伯
）。

ｋ　（ＴＲ”）　＝　ｋｏ　ｅ　ｘ　ｐ　（−ｈ／ＴＲ
’）を代入して ｄ　（Δｘ）／ｄｔ ＝−ｋ　（ＴＲ’）　ｆ　／ΔＸ ＋　ｋｏ　　ｅ　　ｘ　　ｐ　　（−ｈ／Ｔシつ　（１
／Ｔａ”）φ　ｈｆ７　　（１−Ｘ”　　）　　ΔＴＲ
・”−・　（７）ｄ　（ΔＴＲ）　　／　ｄ　　ｔ ＝ΔＨＷＱ　／　Ｃａ＊Ｗ−（−ｋ　（ＴＲつｆ／ΔＸ
＋ｋｏ　　ｅｘｐ　　（ｈ／ＴＲ”）　　（１／ＴＲ”
　　）−ｈｆｌ　　（１−Ｘ”）　　ΔＴＲ）　　　１
　／　ＣｐｍＷ＠−（ＵＲＡＲΔＴＲＸｆ　　／１．８
　−ＵＲＡＲΔＴ　ｃ　）・・・・・・　（８） ｄ　（ΔＴｃ）／ｄｔ ＝　　１／ＣｐｃＷｃ　　（ＵＲＡＲΔＴＲ−ｕ、、　
ＡＲΔＴｃ　−ｆ　（Ｗｓ”）　ＡＥΔＴｃ−ＡＥ　　
　（Ｔｃ拳−Ｔ　ｓ　”　）　　Δ　ｆ　　（ＷＳ　　
）　　）・・・・・・　（９） ■　次いで、線形化した式をマトリックスで表現させる
手段において、次の処理を行なう（第２ａ図における１
０３のプロセス）。

前記（７）、（８）、（９）式をマトリックスで表現す
る。

状態方程式 ・・−・・（１０） 似下余白） 状態方程式 ％式％（） 出力方程式 ｙ　　（ｔ）　　＝ｌ）ｒ　　Ｘ　　（ｔ）ここでＤＴ
　＝　Ｃｏ　：　ｔ　：　Ｏ）■　次いで、線形化して
得られたマトリックスを離散化する手段で、次の処理を
行なう（第２Ｊにおける１０４のプロセス）。

連続系から離散系に変換する。

連続系 ｄＸ　（ｔ）／ｄ　ｔ　＝ＦＸ　（ｔ）＋ＧＵ　（ｔ）
Ｙ　（ｔ）　＝ＤＴ　Ｘ　（ｔ）　　；Ｖ１期値Ｘ（Ｏ
）＝ＯＵ　（ｔ）＝Ｕ　（ｋ）；　ｋＴ＜ｔ＜　（ｋ＋
Ｌ）Ｔ離散系 離散化式（１１）　　、　　（１２）により次式で表わ
すことができる。

離散化式 τ・・・時間きざみ Φ＝　６　Ｆτ（Ｉ＋Ｆτ＋Ｆ２　？２　／２　！＋−
）・・・・・・（１１） ＝τ（Ｉ　＋Ｆτ／２１＋Ｆ２　τ２／３！＋・・・）
・Ｇ　　　　　　　　　・・・・・・（１２）■　次い
で、離散化した式をインパルス応答モデルに変換する手
段において、次の処理を行なう（第２α図における１０
５のプロセス）。

離散化した式をインパルス応答モデルに変換する。

Ｙ（ｋ＋１） ＝Ｄｒ　Ｘ　（ｋ＋１） ＝ＤＴ　　（ＫＩＸ　　（ｋ）　　＋　ｐＴ　　ｒｕ　
　（ｋ）＝ＤＴ　　　（り２　　　Ｘ　　（ｋ−１）　
　　＋ＤＴ　　　４）　　ｒ　Ｕ　　（ｋ−１）＋ＤＩ
　　ｒＵ　（ｋ） ＝ＺＤ’　ｅ”−１ｒＵ　（ｋ−１＋１）＋Ｄ［ΦＮ　
Ｘ　（ｋ−Ｍ＋　１） ＝ΣｈｅＵ　　（ｋ−１＋１） α・１ ＋Ｄ’　　＋ＨＸ　　（ｋ−Ｎ＋　　１）ココテ、ｈｅ
＝Ｄ’＋＋し１ｒ （見＝ｔ、２．３＋・・・・・・、Ｎ）インパルス応答
モデルは次式で表わすことができる。

■　次いで、インパルス応答モデルを差分化する手段で
、次の処理を行なう（第２゜Ｌ図におＬする１０６のプ
ロセス）。

インパルス応答モデルを差分化する。

インパルス応答モデル 変換式 ％式％１） ■　次いで、ダイナミックス・マトリックスにより予測
モデルを設定する手段で、次の処理を行なう（第２し図
における１０７のプロセス）。

予測モデルを設定する。

！段目の予測モデル Ｙ（ｋ十立） 過　　去 未　　来 修正項 見＝１，２．・・・・・・、ｐ（ｐ：予測限界）■　次
いで、評価１１ａ数を最小とする予測操作量を算出する
手段で、次の処理を行なう（第２し図における１０８の
プロセス）。

予測操作量を算出する。

評価ＩＡＩ数Ｊ となるΔＵ（ｋ）、ΔＵ（ｋ＋１）、・・・・・・。

ΔＵ　（ｋ＋Ｍ−１）を求める。

（７丁　（ｋ生立）：設定値パターン）誤差ベクトルｅ
　（ｋ＋１） ダイナミックス°マトリフクス　　　　　　　　　　　
　　　　　　　・・・・・・　（１４）ここで修正項は
次のようにして求めたものである。

Ｙ（ｋ） ｄ（ｋ） （Ｙ＠　　（ｋ）：測定値） 予測操作量は次式により求める。

＝　（ＡＴ　　＊Ａ）−１ＡＴｅ　（ｋ＋１）（以下余
白） ここで誤差は 昇温バダーン　　　　測定値 過　　去　　　現　　在　　　未　　来■　次いで、反
応器の加熱または冷却手段によって、次の処理を行なう
（第２ｂ図における１０９のプロセス）。

予測制御装置ｌＯにおいて算出された予測操作量を電気
信号等として出力し、この出力に応じて流量調節弁５の
駆動モータ等を作動させて弁の開度を調節して、熱交換
器４に供給する加熱蒸気あるいは冷却水の流量をｙＡ節
する。

［相］　これにより、ジャケット２に供給される加熱あ
るいは冷却媒体の温度が制御され、反応器ｌの内部温度
の制御がなされる（第２ｂ図における１１０のプロセス
）。

このような制御方法を採用した場合には、第３図に示す
ような操作量と内部温度の関係が得られ、その結果第４
図に示すような反応器とジャケットの温度変化が期待で
きる、したがって、反応器１の内部温度が昇温し設定温
度で安定する際に、オーバーシュートを生じることがな
い。

なお、予測制御袋ＨＩＯで算出された予測操作量に応じ
て調節される加熱あるいは冷却手段としては、第５図に
示すようにジャケット２に供給する加熱または冷却媒体
の流量を調節弁５でＪ４節するようにしたものであって
もよい。

このように評価関数を最小とする予測操作量を求めて予
測先行制御する温度制御方法によれば、制御の遅れやオ
ーバーシュートをなくすことができるとともに、プロセ
ス運転の安全性を確保でき、ジャケット温度の設定変更
の操作も必要なくなる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、オペレータの熟練度等に
影響されることなく反応器内部の最適な温度制御を自動
的に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の実施例に関する図で、第１
図は実施装置の構成図、第２ａ図および第２ｂ図はフロ
ーチャート図、第３図は操作量と内部温度の関係グラフ
図、第４図は制御結果を示した図、第５図は実施装置の
他の構成図であり、：５６図は従来例の実施装と構成図
、第７図は従来例の制御結果を示した図である。 ■−反応器　　　　　　２：ジャケット３：加熱または
冷却媒体の供給管 ４：熱交換器　　　　　５：調節弁 ６：蒸気または冷却水の供給管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応器内部温度の設定値、および測定値とから算
   出した評価関数を最小とする予測操作量を求め、この予
   測操作量にもとづいて反応器の加熱手段または冷却手段
   を調節し、反応器の内部温度を予測先行制御することを
   特徴とした反応器の内部温度制御方法。
2. （２）イ、反応器の物質収支、反応器の熱収支、熱交換
   器の熱収支の非線形化連立微分方程式を線形化するプロ
   セス、 ロ、前記線形化して得られたマトリックスを離散化式と
   するプロセス、 ハ、前記離散化した式をインパルス応答モデルに変換す
   るプロセス、 ニ、前記インパルス応答モデルを差分処理するプロセス
   、 ホ、ダイナミックスマトリックスを用いて、反応器内部
   温度の設定値、および測定値とから算出した評価関数を
   最小とする予測操作量を求めるプロセス、 ヘ、前記予測操作量にもとづいて反応器の加熱手段また
   は冷却手段を調節するプロセス、とからなることを特徴
   とした特許請求の範囲第１項記載の反応器の内部温度制
   御方法。
3. （３）上記測定値が、反応器の内部温度、ジャケット温
   度、加熱または冷却媒体の温度の測定値であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の反応
   器の内部温度制御方法。