JP5297014B2 - 熱媒加熱冷却装置及び熱媒温度制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、熱媒加熱冷却装置及び熱媒温度制御方法に関し、詳しくは、化学反応プロセス等で利用される反応槽の温度制御を行うための熱媒を加熱又は冷却するための温度制御装置及び前記熱媒の温度を制御する方法に関する。
有機合成、晶析等の化学反応プロセスは、精度の高い温度制御が要求されるため、反応槽の外側に熱媒を流通可能としたジャケットを温度調整部として設けた二重構造の容器を使用し、所定温度に制御した熱媒をジャケットに循環供給することにより、反応槽内を所定温度に保持するようにしている（例えば、特許文献１参照。）
特開２００７−１２７３３４号公報
特許文献１に記載された熱媒加熱冷却装置においても、熱媒の温度を効率よく制御することはできるが、熱媒加熱部や循環ポンプからの熱侵入が大きい場合には、熱媒を所定の温度に高精度に安定制御することは難しかった。
そこで本発明は、熱媒の温度制御をより効率よく安定して行うことができる熱媒加熱冷却装置及び熱媒温度制御方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の熱媒加熱冷却装置は、熱媒によって温度制御される反応槽と、前記熱媒を温流体との間接熱交換により加熱する熱媒加熱部と、前記熱媒を冷流体との間接熱交換により冷却する熱媒冷却部と、前記反応槽、熱媒加熱部及び熱媒冷却部に熱媒を循環させる循環ポンプ及び経路とを備えた熱媒加熱冷却装置において、前記熱媒加熱部を迂回するバイパス経路を設けるとともに、前記熱媒の流れを熱媒加熱部とバイパス経路とに切り換える切換弁を設け、反応槽の現在温度を測定する反応槽温度測定手段と、反応槽に供給される熱媒の温度を測定する熱媒温度測定手段と、反応槽の目標温度を設定する目標温度設定手段と、前記現在温度と前記目標温度との差の許容範囲を安定温度幅として設定する安定温度幅設定手段と、前記現在温度と前記目標温度との差が前記安定温度幅の範囲内にあるときに冷却制御と加熱制御との切り換えを行う制御切換温度を設定する制御切換温度設定手段と、前記現在温度と前記目標温度との温度差が前記安定温度幅の範囲内にあるか否かを判定する安定温度判定手段と、前記温度差が前記安定温度幅の範囲内にあるときに前記目標温度と前記制御切換温度とを比較して前記安定温度範囲幅内で加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施するか判定する第１判定手段と、前記温度差が前記安定温度幅の範囲内にないときに前記目標温度と前記現在温度とを比較して前記目標温度に向けて加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施するか判定する第２判定手段と、前記第１判定手段又は第２判定手段の判定結果が加熱制御であるときに前記熱媒加熱部を作動させて前記熱媒を加熱する加熱制御部と、前記第１判定手段又は第２判定手段の判定結果が冷却制御であるときに前記熱媒冷却部を作動させて前記熱媒を冷却する冷却制御部とを備えていることを特徴とし、さらに、前記切換弁は、装置異常発生時には、熱媒の流れをバイパス経路に切り換えることを特徴としている。
さらに、前記熱媒温度測定手段が二対式温度検出器であって、検出温度信号が前記加熱制御部及び前記冷却制御部にそれぞれ出力されること、前記反応槽温度測定手段は、該反応槽内の温度、該反応槽の温度調整部に導入される前記熱媒の温度、該反応槽の温度調整部から導出される前記熱媒の温度の少なくともいずれか一つの温度を測定すること、前記切換弁は、前記冷却制御部が前記熱媒を冷却制御しているときには、熱媒の流れをバイパス経路に切り換えることを特徴としている。
また、本発明の熱媒加熱冷却装置における熱媒温度制御方法は、前記熱媒加熱冷却装置における熱媒の温度を制御する方法であって、反応槽の現在温度と反応槽の目標温度との温度差があらかじめ設定された安定温度幅の範囲内にあるときには、前記目標温度とあらかじめ設定された制御切換温度とを比較して前記安定温度範囲幅内で加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施し、反応槽の現在温度と反応槽の目標温度との温度差があらかじめ設定された安定温度幅の範囲内にないときには、前記目標温度と前記現在温度とを比較して前記目標温度に向けて加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施することを特徴としている。
本発明によれば、熱媒加熱部からの熱侵入を抑えることができ、熱媒の温度制御効率を向上させることができる。また、加熱制御と冷却制御とを独立した状態で行うことにより、制御応答性が良好で、無駄な加熱や冷却を行わないエネルギー効率に優れた温度制御を行うことができる。
図１は本発明の熱媒加熱冷却装置の一形態例を示す系統図である。この熱媒加熱冷却装置は、温度調整部であるジャケット１１ａを流れる熱媒によって温度制御される反応槽１１と、ジャケット１１ａから導出された熱媒を温流体との間接熱交換により加熱する熱媒加熱部１２と、ジャケット１１ａに向かう熱媒を冷流体との間接熱交換により冷却する熱媒冷却部１３と、前記反応槽１１のジャケット１１ａ、熱媒加熱部１２及び熱媒冷却部１３に熱媒を循環させる循環ポンプ１４及びこれらを接続する循環経路とを備えており、循環ポンプ１４の吸入側には、熱媒流量計１５が設けられている。
前記熱媒加熱部１２は、熱媒流路１２ａと温流体流路１２ｂとを熱交換可能に配置したものであって、温流体流路１２ｂには、温流体供給経路１６ａと温流体戻り経路１６ｂとが接続されるとともに、温流体供給経路１６ａには温流体流量調節弁１７が設けられ、温流体戻り経路１６ｂには温流体流量計１８が設けられている。さらに、熱媒加熱部１２の部分には、熱媒加熱部１２を迂回するバイパス経路１９が設けられるとともに、前記熱媒の流れを熱媒加熱部１２とバイパス経路１９とに切り換えるための一対の切換弁２０ａ、２０ｂが設けられている。切換弁２０ａ、２０ｂは、一方が開のときには他方が閉となるように設定されており、一体型の切換弁を採用することも可能である。
また、前記熱媒冷却部１３は、熱媒流路１３ａと冷流体流路１３ｂとを熱交換可能に配置したものであって、冷流体流路１３ｂには、冷流体供給経路２１ａと冷流体戻り経路２１ｂとが接続されるとともに、冷流体供給経路２１ａには冷流体流量調節弁２２が設けられている。さらに、熱媒流路１３ａの出口部近傍には、熱媒温度測定手段として二対式（ダブルエレメント）の熱媒温度検出器２３が設けられ、反応槽１１には、該反応槽内の現在温度を測定する反応槽温度測定手段として反応槽温度検出器２４が設けられている。
なお、反応槽１１内の現在温度を直接測定することが困難な場合などは、反応槽温度測定手段として、ジャケット１１ａの流入部や流出部に設けた温度検出器を利用することもできる。また、反応槽１１の温度調整部は、ジャケット１１ａに代えて、反応槽１１内に熱媒コイルを設けることもできる。
このように形成された熱媒加熱冷却装置は、ジャケット１１ａに循環する熱媒の温度を加熱冷却制御部２５によって制御することにより、反応槽１１内をあらかじめ設定された目標温度に調節する。加熱冷却制御部２５は、前記反応槽温度検出器２４で測定した反応槽の現在温度ＰＶと、前記熱媒温度検出器２３で測定した熱媒温度ＫＶとを制御用データとして取り込んで制御を行うもので、あらかじめ設定される設定値を入力するための入力手段２５ａとして、反応槽１１の目標温度ＳＶを設定する目標温度設定手段と、前記現在温度ＰＶと前記目標温度ＳＶとの差の許容範囲を安定温度幅αとして設定する安定温度幅設定手段と、前記現在温度ＰＶと前記目標温度ＳＶとの差が前記安定温度幅αの範囲内にあるときに冷却制御と加熱制御との切り換えを行う制御切換温度βを設定する制御切換温度設定手段とを備えている。
また、加熱冷却制御部２５には、前記現在温度ＰＶ、目標温度ＳＶ、安定温度幅α、制御切換温度βに基づいて装置の温度状態を判定する判定部と、判定部で判定した結果に応じて前記熱媒加熱部１２のみを作動させる加熱制御部と、前記熱媒冷却部１３のみを作動させる冷却制御部とを備えており、熱媒温度検出器２３で測定した熱媒温度ＫＶの検出温度信号は、加熱制御部及び冷却制御部のそれぞれに個別に出力されている。
判定部は、前記現在温度ＰＶと前記目標温度ＳＶとの温度差ＭＶが前記安定温度幅αの範囲内にあるか否かを判定する安定温度判定手段と、前記温度差ＭＶが前記安定温度幅αの範囲内にあるときに前記目標温度ＳＶと前記制御切換温度βとを比較して前記安定温度範囲幅α内で加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施するか判定する第１判定手段と、前記温度差ＭＶが前記安定温度幅αの範囲内にないときに前記目標温度ＳＶと前記現在温度ＰＶとを比較して前記目標温度ＳＶに向けて加熱制御又は冷却制御のどちらを実施するか判定する第２判定手段とを備えている。
次に、図２の判定手順の一例を示すフローチャート及び図３の温度変化の一例を示す図を参照して前記加熱冷却制御部２５の動作例を説明する。まず、温度制御を行う前に、有機合成、晶析等の処理を行う際の目標温度ＳＶ、処理を行う際に目標温度に対して許容される安定温度幅α及び処理環境の温度等によって適宜設定される制御切換温度βをそれぞれ設定する。ここでは、目標温度ＳＶを、「−８０℃ → −６０℃ → ＋５０℃ → ＋２０℃ → −１１０℃」に変化させた。また、安定温度幅αは５℃、制御切換温度βは＋２０℃にそれぞれ設定した。
反応槽温度検出器２４で測定した運転開始時の反応槽１１内の現在温度ＰＶは０℃である（図３の点Ａ）。安定温度判定手段におけるステップ１０１であらかじめ設定された目標温度ＳＶと反応槽１１内の現在温度ＰＶとの温度差を求め、得られた温度差が安定温度幅αの範囲内、すなわち、±５℃の範囲内にあるか否かを判定する。このときの目標温度ＳＶは−８０℃、現在温度ＰＶは０℃であるから、温度差（ＳＶ−ＰＶ）は−８０℃となり、安定温度幅αの範囲内（±５℃）にはないため（ＮＯ）、ステップ１０２に進んで温度状態が「不安定」であると判定する。
続いて第２判定手段におけるステップ１０３に進み、目標温度ＳＶから現在温度ＰＶを差し引いて温度差を求める。この温度差が０℃を超えているか否かを判定する。なお、このステップ１０３では、ステップ１０１の判定を経てきているので、前記温度差（ＳＶ−ＰＶ）が±５℃の範囲内になることはない。
ステップ１０３で温度差（ＳＶ−ＰＶ）が−８０℃であって、０℃を超えていないため（ＮＯ）、ステップ１０４に進んで連続的に冷却を必要とする「傾き冷却」を行うとの判定を下す。このように、判定部での判定結果が「傾き冷却」になったときには、ステップ１０５において「傾き冷却」に基づく温度制御を行うと判定する。
この「傾き冷却」では、冷却制御部が作動状態となり、熱媒冷却部１３の冷流体流量調節弁２２を開き、冷流体流路１３ｂに冷流体、例えば液化窒素を流通させて熱媒流路１３ａを流れる熱媒を冷却してジャケット１１ａに導入することにより、反応槽１１を目標温度ＳＶに向けて冷却する。この「傾き冷却」の実行中、加熱制御部は非作動状態となり、熱媒加熱部１２側の切換弁２０ａが閉じてバイパス経路１９側の切換弁２０ｂが開く。これにより、熱媒は熱媒加熱部１２を通らない状態となり、熱媒への熱侵入を少なくすることができるとともに、低温の熱媒によって温流体流路１２ｂ内の温流体が凍結することを防止できる。
また、熱媒加熱部１２は、非作動状態でも温流体流量調節弁１７を僅かに開いた状態とし、温流体流路１２ｂに温流体を適当な流量で流通させることにより、温流体流路１２ｂ内での温流体の凍結を確実に防止するようにしている。
「傾き冷却」を行っている時間の経過と共に反応槽１１内の現在温度ＰＶが低下し（図３の点Ｂ）、ステップ１０１での判定において目標温度ＳＶと現在温度ＰＶとの温度差が安定温度幅αの範囲内に入ると（ＹＥＳ）、ステップ１０６に進んで温度状態が「安定」であると判定され、続いて第１判定手段におけるステップ１０７に進み、目標温度ＳＶが制御切換温度β以上であるか否かを判定される。ここでは目標温度ＳＶが−８０℃、制御切換温度βが＋２０℃であり、目標温度ＳＶが制御切換温度β以上ではないから（ＮＯ）、ステップ１０８に進んで「安定冷却」を行うと判定し、ステップ１０５における温度制御において「安定冷却」に基づく温度制御を行う。
この「安定冷却」では、反応槽温度検出器２４で測定した現在温度ＰＶと熱媒温度検出器２３で測定した熱媒温度ＫＶとに基づいて冷流体流量調節弁２２の開度を調節し、冷流体の流量を調節することにより熱媒を適切な温度に冷却し、循環ポンプ２４からの熱浸入等による反応槽１１内の温度上昇に応じた冷却制御が行われる。この「安定冷却」の実行中も、前記「傾き冷却」の実行中と同様に、加熱制御部は非作動状態となる。
次に、目標温度ＳＶが−８０℃から−６０℃に切り換えられると（図３の点Ｃ）、ステップ１０１での判定で目標温度ＳＶと現在温度ＰＶとの温度差が＋２０℃になることから（ＮＯ）、ステップ１０２を経てステップ１０３に進み、目標温度ＳＶから現在温度ＰＶを差し引いて温度差を求める。ここでは、温度差が＋２０℃になるから（ＹＥＳ）、ステップ１０９に進んで連続的に加熱を必要とする「傾き加熱」を行うとの判定を下す。判定部での判定結果が「傾き加熱」になったときには、ステップ１０５において「傾き加熱」に基づく温度制御を行う。
この「傾き加熱」では、加熱制御部が作動状態となり、熱媒加熱部１２側の切換弁２０ａを開いてバイパス経路１９側の切換弁２０ｂを閉じるとともに温流体流量調節弁１７を開き、温流体流路１２ｂに温流体、例えば温水を流通させて熱媒流路１２ａを流れる熱媒を加熱する。一方、「傾き加熱」の実行中、冷却制御部は非作動状態となり、冷流体流量調節弁２２が閉じて熱媒冷却部１３での熱媒の冷却は行われない。したがって、熱媒加熱部１２で加熱された熱媒がジャケット１１ａに導入され、反応槽１１が目標温度ＳＶに向けて加熱される。
「傾き加熱」の進行により、ステップ１０１で目標温度ＳＶと現在温度ＰＶとの温度差が安定温度幅αの範囲内に入ったと判定されると（図３の点Ｄ）、前記同様にステップ１０６、ステップ１０７、ステップ１０８に進んで「安定冷却」を行うと判定され、前記同様の「安定冷却」に基づく温度制御が行われる。
さらに、目標温度ＳＶが−６０℃から＋５０℃に切り換えられると（図３の点Ｅ）、ステップ１０１での判定で目標温度ＳＶと現在温度ＰＶとの温度差が＋１１０℃になることから（ＮＯ）、前記同様に、ステップ１０２、ステップ１０３、ステップ１０９により「傾き加熱」を行うとの判定が下され、ステップ１０５において「傾き加熱」に基づく温度制御が行われる。
「傾き加熱」の進行により、ステップ１０１で目標温度ＳＶと現在温度ＰＶとの温度差が安定温度幅αの範囲内に入ったと判定されると（図３の点Ｆ）、前記同様にステップ１０６からステップ１０７に進んで目標温度ＳＶが制御切換温度β以上であるか否かを判定される。ここでは目標温度ＳＶが＋５０℃、制御切換温度βが＋２０℃であり、目標温度ＳＶが制御切換温度β以上であるから（ＹＥＳ）、ステップ１１０に進んで「安定加熱」を行うと判定し、ステップ１０５における温度制御において「安定加熱」に基づく温度制御を行う。
この「安定加熱」では、反応槽温度検出器２４で測定した現在温度ＰＶと熱媒温度検出器２３で測定した熱媒温度ＫＶとに基づいて温流体流量調節弁１７の開度を調節し、温流体流路１２ｂに供給する温流体の流量を調節することにより熱媒を適切な温度に加熱し、熱放散などによる反応槽１１内の温度低下に応じた加熱制御が行われる。この「安定加熱」の実行中も、前記「傾き加熱」の実行中と同様に、冷却制御部は非作動状態となる。
また、目標温度ＳＶが＋５０℃から＋２０℃に切り換えられると（図３の点Ｇ）、ステップ１０１での判定（ＮＯ）からステップ１０２を経てステップ１０３に進み、ステップ１０３の判定（ＮＯ）によってステップ１０４の「傾き冷却」に進んでステップ１０５において「傾き冷却」に基づく温度制御が行われる。現在温度ＰＶが目標温度ＳＶに対して安定温度幅αの範囲内に入ると（図３の点Ｈ）、ステップ１０１での判定（ＹＥＳ）からステップ１０６を経てステップ１０７に進み、目標温度ＳＶ（＋２０℃）が制御切換温度β（＋２０℃）以上であるから（ＹＥＳ）、ステップ１１０で「安定加熱」と判定され、ステップ１０５において「安定加熱」に基づく温度制御が行われる。さらに、目標温度ＳＶが＋２０℃から−１１０℃に切り換えられると（図３の点Ｉ）、前記同様にして「傾き冷却」に基づく温度制御が行われた後、「安定冷却」に基づく温度制御が始まる（図３の点Ｊ）。
このように、反応槽１１内の現在温度ＰＶと、あらかじめ設定された目標温度ＳＶ、安定温度幅α及び制御切換温度βとに基づいて図２に示す手順で判定を行い、「安定加熱」「安定冷却」「傾き加熱」「傾き冷却」の４つの判定結果に基づき、加熱制御部による加熱制御又は冷却制御部による冷却制御のいずれか一方による温度制御を行うことにより、制御応答性が良好で、無駄な加熱や無駄な冷却を行うことなく、循環する熱媒を効率よく加熱又は冷却することができ、高温域から低温域までの幅広い温度制御域において安定した温度制御を行うことができる。
特に、循環ポンプ１４として比較的熱侵入量が多いキャンドモータポンプを用いても、循環ポンプ１４での熱侵入による温度制御の一次遅れ要素に対し、制御切換温度βを境にして高温側の加熱制御と低温側の冷却制御とに分け、熱侵入に対応する設定を加熱制御時と冷却制御時とで最適化することができるので、熱侵入による影響を低減して安定した温度制御を行うことができる。また、熱媒温度検出器２３として二対式温度検出器を用いることにより、一つの熱媒温度検出器２３で加熱制御部及び冷却制御部のそれぞれに検出温度信号を出力することができる。
なお、「安定加熱」を行う際の加熱制御部の制御動作、「安定冷却」を行う際の冷却制御部の制御動作は、一般的なシーケンサーを用いた周知のＰＩＤ制御によってそれぞれ行うことができるので、詳細な説明は省略する。
１１…反応槽、１１ａ…ジャケット、１２…熱媒加熱部、１２ａ…熱媒流路、１２ｂ…温流体流路、１３…熱媒冷却部、１３ａ…熱媒流路、１３ｂ…冷流体流路、１４…循環ポンプ、１５…熱媒流量計、１６ａ…温流体供給経路、１６ｂ…温流体戻り経路、１７…温流体流量調節弁、１８…温流体流量計、１９…バイパス経路、２０ａ、２０ｂ…切換弁、２１ａ…冷流体供給経路、２１ｂ…冷流体戻り経路、２２…冷流体流量調節弁、２３…熱媒温度検出器、２４…反応槽温度検出器、２５…加熱冷却制御部、２５ａ…入力手段
Claims (6)
- 熱媒によって温度制御される反応槽と、前記熱媒を温流体との間接熱交換により加熱する熱媒加熱部と、前記熱媒を冷流体との間接熱交換により冷却する熱媒冷却部と、前記反応槽、熱媒加熱部及び熱媒冷却部に熱媒を循環させる循環ポンプ及び経路とを備えた熱媒加熱冷却装置において、前記熱媒加熱部を迂回するバイパス経路を設けるとともに、前記熱媒の流れを熱媒加熱部とバイパス経路とに切り換える切換弁を設け、
反応槽の現在温度を測定する反応槽温度測定手段と、反応槽に供給される熱媒の温度を測定する熱媒温度測定手段と、反応槽の目標温度を設定する目標温度設定手段と、前記現在温度と前記目標温度との差の許容範囲を安定温度幅として設定する安定温度幅設定手段と、前記現在温度と前記目標温度との差が前記安定温度幅の範囲内にあるときに冷却制御と加熱制御との切り換えを行う制御切換温度を設定する制御切換温度設定手段と、前記現在温度と前記目標温度との温度差が前記安定温度幅の範囲内にあるか否かを判定する安定温度判定手段と、前記温度差が前記安定温度幅の範囲内にあるときに前記目標温度と前記制御切換温度とを比較して前記安定温度範囲幅内で加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施するか判定する第１判定手段と、前記温度差が前記安定温度幅の範囲内にないときに前記目標温度と前記現在温度とを比較して前記目標温度に向けて加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施するか判定する第２判定手段と、前記第１判定手段又は第２判定手段の判定結果が加熱制御であるときに前記熱媒加熱部を作動させて前記熱媒を加熱する加熱制御部と、前記第１判定手段又は第２判定手段の判定結果が冷却制御であるときに前記熱媒冷却部を作動させて前記熱媒を冷却する冷却制御部とを備えていることを特徴とする熱媒加熱冷却装置。 - 前記切換弁は、装置異常発生時には、熱媒の流れをバイパス経路に切り換えることを特徴とする請求項１記載の熱媒加熱冷却装置。
- 前記熱媒温度測定手段が二対式温度検出器であって、検出温度信号が前記加熱制御部及び前記冷却制御部にそれぞれ出力されることを特徴とする請求項１又は２記載の熱媒加熱冷却装置。
- 前記反応槽温度測定手段は、該反応槽内の温度、該反応槽の温度調整部に導入される前記熱媒の温度、該反応槽の温度調整部から導出される前記熱媒の温度の少なくともいずれか一つの温度を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱媒加熱冷却装置。
- 前記切換弁は、前記冷却制御部が前記熱媒を冷却制御しているときには、熱媒の流れをバイパス経路に切り換えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱媒加熱冷却装置。
- 請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱媒加熱冷却装置における熱媒の温度を制御する方法であって、反応槽の現在温度と反応槽の目標温度との温度差があらかじめ設定された安定温度幅の範囲内にあるときには、前記目標温度とあらかじめ設定された制御切換温度とを比較して前記安定温度範囲幅内で加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施し、反応槽の現在温度と反応槽の目標温度との温度差があらかじめ設定された安定温度幅の範囲内にないときには、前記目標温度と前記現在温度とを比較して前記目標温度に向けて加熱制御又は冷却制御のいずれかを実施することを特徴とする熱媒加熱冷却装置における熱媒温度制御方法。
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