JPH1076101A - 噴霧乾燥装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 装置の製造能力の変更、生成物品質の目標値
の変更等、装置の運転条件を変更した場合であっても迅
速に安定した制御を行うことができる噴霧乾燥装置の制
御方法を提供する。 【解決手段】 コントローラ１４はＣＰＵ、メモリを備
えて構成されており、システムの運転状態を示す上記の
各測定データから熱収支を計算し熱損失を求める計算プ
ログラムを有する。また、計算した熱収支から、目標値
（乾燥粉水分、スラリー供給量等）の値の変更、及び必
要であれば（関係式がわかっていれば）対応する物理量
の値（排風温度、熱損失、粒状生成物温度）を変更し再
度熱収支を計算し、目的の熱風温度及び／または風量を
計算するプログラムを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原料を噴霧乾燥する噴
霧乾燥装置の制御方法に関する。

【０００２】

【従来技術】スラリー原料を噴霧して乾燥させて所定範
囲の水分を含有する粉状洗剤製品を得る等の噴霧乾燥技
術は従来から知られている。たとえば、乾燥塔の現在の
水分値等からプロセス値をフィードバックするものとし
て、特公平02- 14400 号公報には、特定の指数関数方程
式に基づいて熱風温度，スラリ−供給速度及び噴霧圧を
操作するようになった噴霧乾燥における品質制御方法が
開示されている。また、特開平06- 15101 号には、さら
に水分の基準値に制御するため、フアジイ推論とメンバ
−シツプ関数により制御するようにした水分制御付き噴
霧乾燥装置および噴霧乾燥方法が開示されている。特公
昭54- 35702 には、見かけ比重，送風温度，スラリ−供
給速度等の操作変数をベクトル演算制御する熱風乾燥に
おける品質制御方法が開示されている。特開平01-12700
1 号には、塔下生地温度の変化を小さくするように熱風
の送風温度を適応的に制御する噴霧乾燥塔の制御装置が
開示されている。特開平01-284301 号には乾燥装置の排
風温度を検知して送風温度を制御する噴霧乾燥方法が開
示されている。特公平07- 51202 には、粉末の含水率の
現在値を測定し、乾燥空気の流量、温度の過去値、含水
率の現在値及び過去値に応じて、乾燥用空気の流量、空
気温度を制御するコンピユ−タ制御式噴霧乾燥法がそれ
ぞれ開示されている。

【０００３】また、特開平01-203001 号には、あらかじ
め乾燥する品目毎に設定してあった条件ファイル、計算
式で噴霧乾燥装置の運転条件を自動設定するようにした
多種原液の噴霧乾燥に適用できる噴霧乾燥装置の運転条
件の自動設定方法が開示されている。特開平03-106401
号には、含水率制御定数を該乾燥域からの排出ガス温度
及び噴霧乾燥粒子温度により定めて，該乾燥域を操作す
るようにした噴霧乾燥粉粒体の含水率制御方法及び噴霧
乾燥装置が開示されている。

【０００４】

【解決しようとする課題】噴霧乾燥装置を用いて粒子状
生成物を得る場合、生成物中の水分含有率の許容範囲は
比較的狭いのが普通であり、したがって、生成物中の所
望の水分含有率を達成するためには、装置の運転状態を
精密に制御する必要がある。噴霧乾燥において、目標値
に対するフィードバック制御をおこなうようにすると、
ある程度安定した制御が可能である。すなわち、フィー
ドバック制御は装置の定常運転時における外乱因子に対
する安定化に対しては有効であるので、噴霧乾燥装置を
定常運転する場合にはフィードバック制御によって所望
の品質の生成物を得ることができる。しかし、装置の運
転においては、さまざまな理由によって装置の運転条件
を変更する必要が生じる。上記のフィードバック制御
は、運転における設定値（目標水分や能力）を変更した
場合の追随性が悪いという問題がある。すなわち、新た
な設定値になるまでに時間がかかりすぎるという問題が
あり、設定を変更して制御が安定するまでの間の生成物
の所望の品質を確保することができなくなり、運転効率
が低下することとなる。

【０００５】従来では、このように装置の能力を変更す
る等の運転条件の変更を行う場合には運転者の経験等に
基づいて能力変更に係わる影響因子の運転条件（送風温
度や送風量）を変更していた。また、特開平01-203001
号及び特開平03-106401 号に開示されるように、あらか
じめ実験などで乾燥特性や関係式を求めておきその結果
に基づいて条件を設定する方法では、前提となる装置定
数、物性定数の誤差が大きいために、所望の品質の生成
物が得られるまで長時間を要する。特に、運転中の装置
の設定値の変更を行う場合には、迅速に制御が安定する
ことが肝要であり、この観点では上記公報に開示される
手法では不十分である。

【０００６】

【課題を解決する手段】本発明は上記事情に鑑みて構成
されたもので、装置の製造能力の変更、生成物品質の目
標値の変更等、装置の運転条件を変更した場合であって
も迅速に安定した制御を行うことができ、したがって、
このような場合であっても、迅速に所望の品質の生成物
を得ることができる信頼性が高く、かつ運転効率の良好
な噴霧乾燥装置の制御方法を提供することを目的とす
る。本発明の上記目的は、原料を噴霧して粒子化し、該
粒子化した原料を乾燥して所定の粒子状生成物を得る噴
霧乾燥装置の制御方法において、前記噴霧乾燥装置を含
むシステムに導入される物質及びシステムから排出され
る物質の温度を計測し、前記システムに導入される物質
及びシステムから排出される物質の量を計測し、前記計
測値に基づき前記システムにおける熱損失を演算し、前
記システムに導入される物質及び前記システムから排出
される物質の温度また量の内所定の物理量を設定値とし
て与え、別の所定の物理量を未知数として前記システム
の熱収支及び／または物質収支についての方程式をた
て、前記方程式を解いて未知数を算出し、算出された未
知数を含む物理量に基づいて前記噴霧乾燥装置の運転条
件を設定することを特徴とする制御方法によって達成す
ることができる。

【０００７】好ましい態様では、前記計測値として、所
定の運転時間における平均計測値を用いる。また、通常
前記運転条件に原料の量、該原料を乾燥するための乾燥
用の空気量及び空気温度等が含まれる。さらに、前記シ
ステムを所定時間継続して定常運転した後において、前
記熱損失を演算するのが望ましい。好ましい態様では、
前記原料量を設定値として与え前記乾燥用空気量又は温
度を未知数として前記方程式を解いて前記空気量と温度
とを求めるようになっている。また、前記設定値を所定
の特性に従って変化させ、これに対応する未知数を順次
算出することによって前記設定値と未知数との相関関係
を得るようにし、これによって運転条件を設定するよう
にしてもよい。

【０００８】

【本発明の実施の形態】本発明は、所望の条件の生成物
を得るための装置の運転においては、システムの熱収
支、物質収支等に関する方程式を用いてシミュレーショ
ン計算して、運転条件を変更した後の、システムの運転
状態を正確に予測して信頼性のある制御を達成し、これ
によって、高品質の生成物を効率的に得ることができる
ようにしたものである。この場合、ある時点のシステム
の運転データまたは連続的な運転に基づいて得られるデ
ータから、システムの運転状態の予測に必要なデータで
あって、直接的は、計測が困難な物性や装置定数、ある
いはパラメータ等を推定計算し、そこで計算された値を
使ってその乾燥塔の設定値や物性値の変化に対する変動
を予測して、システムの運転状態の変動に対応する運転
条件を決定しシステムを制御するようにしたものであ
る。この場合、上記直接計測が困難な物性値等の計算に
あたって、単一運転状態に関する測定データから求める
場合であって、計算式から単独解が求まる場合はその解
を用いる。

【０００９】また、所定時間範囲の変化を表すトレンド
データなどを用いて複数のデータから求める場合におい
て、それぞれの状態におけるデータから単独解が求まる
場合は求まった解の平均値を用いる。さらに、逐次計算
などが必要なシミュレーション計算を用いる場合では結
果の評価関数を規定し、この値が最小になるように探索
して推定値を決定する。本発明をスラリー洗剤原料を筒
内噴霧して乾燥させ、粒子化した所定範囲の含水率に調
整された粒子状洗剤生成物を得る噴霧乾燥装置に適用す
る場合において運転条件を変更する場合の多くは、被乾
燥物すなわち原料のフィード量（乾燥能力）の変更や、
生成物中の含水率すなわち目標水分量である。そして、
これらの値の変更に対しては噴霧乾燥装置に導入する熱
風の熱量（温度または風量）を変更して対応するのが普
通である。本発明によれば、運転条件の変更に際し、噴
霧乾燥装置を含むシステムの熱収支、物質収支にかかる
方程式をたて、これを解くことによって、装置の制御変
数を決定するようになっている。この場合、直接的に計
測することの困難なシステムの因子についても上記方程
式において算出し、この算出値を踏まえて運転条件の変
更に基づくシミュレーションを行うようになっている。
すなわち、本発明によれば、従来の手法と異なり、シス
テム全体の状態変化を念頭において、各種の制御変数を
決定するようにしているので正確の制御を達成すること
ができる。 （１）熱収支によるシミュレーション制御 本発明の１つの形態においては、現在の運転状態から噴
霧乾燥装置の熱バランスを計算し、その値によって新た
な目的能力、水分とするために必要な熱量を計算し、こ
れに基づいて熱風温度、風量を計算し新たな設定値とし
て与える。

【００１０】この場合において、熱収支によって新たな
目標値での条件を計算するには、運転条件として付与す
る設定値や、運転条件の変更後も影響を受けない因子以
外に噴霧乾燥装置の熱損失、生成物中の目標含水率が変
更された場合の排出空気温度、目標含水率、熱風温度が
変更された場合の乾燥生成物温度の値が必要となる。こ
の場合、噴霧乾燥装置の運転条件変更後の熱損失は絶対
値としてあらかじめ精度良く予測するのは困難である
が、現在の運転データから変更前の値は計算できるの
で、この値を用いて変更後の値を決定する。なお、排風
温度、生成物温度は現在の運転状態の値を測定すること
によって得ることができる。さらに、排風温度や粉状生
成物温度の変更後の値の絶対値を精度良く算出するの
は、極めて困難である。このことに鑑みて、生成物中の
水分含有率、排風温度、熱風温度、熱損失、熱風温度と
粒子状生成物温度のそれぞれの変化量といった相対値
は、比較的精度良く算出することができ、これらの値を
用いて運転条件を変更したのちの制御変数を精度よく決
定することができる。図１を参照して本発明の噴霧乾燥
装置を含むシステム１の構成について説明する。

【００１１】図１の例では、熱風と日乾燥物が塔内で反
対方向に移動するいわゆる向流型の噴霧乾燥装置である
が、熱風と被乾燥物が同方向に移動する並流型の噴霧乾
燥装置に対しても全く同様に適用することができる。本
発明にかかるシステムは、スラリー状の洗剤原料を噴霧
して乾燥し、所望の含有率の粒状洗剤生成物を得るもの
である。本発明のシステム１は、上記のスラリー原料を
内部に向けて噴霧する噴霧乾燥装置２と、該噴霧乾燥装
置に熱風を吹き込んで、粒状化した原料と接触して、乾
燥させるための熱風を発生する熱風発生炉３とを備えて
いる。上記噴霧乾燥装置２は、塔状を成しており、塔の
胴部２１の上端部側壁２２には、原料スラリーを噴霧す
るための噴霧ノズル２３が取付けられており、この噴霧
ノズルには、スラリー供給ライン４が接続されている。
塔の大きさにもよるが噴霧ノズルは複数本設ける場合も
ある。また上記胴部の下部にはやや径の大きくなったス
カート部２４が設けられており、該スカート部２４の上
端部には、上記熱風発生炉３からの熱風を導入するため
熱風ライン５が接続されている。また、噴霧乾燥装置２
の下端部は、円錐状に細くなるように延びており、その
下端には粒状生成物を取り出す生成物取り出し口２６が
設けられている。

【００１２】そして、その取り出し口２６の下方には粒
状生成物を噴霧乾燥装置２からシステム外に搬出するた
めのベルトコンベア６を備えた搬出ライン７が設けられ
ている。また塔頂部２７には先端から噴霧された原料と
噴霧乾燥装置２内で接触した後の空気を排出する排風ラ
イン８が接続されている。この排風ラインには、排風ブ
ロアー９が設けられており、噴霧乾燥装置内部を吸引す
るようになっている。また、熱風発生炉３は、塔状を成
しており、その下部のスカート部３１には、送風ブロア
１０の供給側が接続されて空気を送り内部に送り込むよ
うになっている。また、上記スカート部３１の送風ブロ
アー１０に対向する位置には、燃料を導入する燃料ライ
ン１１が接続されている。熱風発生炉３においては、上
記燃料が燃焼して熱を発生し、送風ブロアー１０からの
空気を加熱することによって熱風が生成する。熱風発生
炉３の頂部は上記熱風ライン５に接続されている。熱風
発生炉３に関して、送風ブロアー１０からの空気量、空
気温度湿度は送風ライン１２に取付けられた流量計１２
１、温度計１２２、湿度計１２４によっては測定されて
おり燃料供給ライン１１には燃料量を計測する流量計１
１１及び、その流量を調整する流量調整弁１１２が設け
られている。さらに送風ブロアー１０からの風量を調整
する流量調整装置１２３が設けられている。熱風ライン
５には、温度を測定する温度計５２が設けられている。

【００１３】また、噴霧乾燥装置２に関し、原料スラリ
ー供給ライン４には原料スラリーの温度を測定する温度
計４１、スラリーの流量を測定する流量計４２が設けら
れている。また、スラリーは高圧ポンプ４４によって送
り出され、この回転数と噴霧ノズル本数、大きさで流量
をコントロールする。また、排風ライン１３には、排風
の温度を測定する温度計１３２が設けられる。なお、排
風ブロアー９の流量を調整する流量調整装置１３４が設
けられており、これによって、排風量を適宜調整できる
ようになっている。通常、送風量と排風量がバランスす
るように調整される。さらに、塔底から取り出される粒
状生成物の温度、含水量を測定する温度計２８及び水分
計７１が設けられている。また、スラリー中の水分量は
予め測定されており、既知である。本例にかかるシステ
ム１は、上記の計器からの出力によって運転状態を示す
データを得て熱収支、物質収支に関する方程式を解き、
所望の含水率を有する所望の量の粒状生成物を塔底から
得られるように送風ブロアーからの送風量、燃料供給
量、スラリー供給量等の制御量を決定して、それぞれの
制御装置に入力してシステム１を制御するコントローラ
１４を備えている。

【００１４】コントローラ１４は、上記の各制御量にか
かる信号を各制御装置に出力してシステムを制御する。
コントローラ１４はＣＰＵ、メモリを備えて構成されて
おり、システムの運転状態を示す上記の各測定データか
ら熱収支を計算し熱損失を求める計算プログラムを有す
る。また、本例の装置は、計算した熱収支から、目標値
（乾燥粉水分、スラリー供給量等）の値の変更、及び必
要であれば（関係式がわかっていれば）対応する物理量
の値（排風温度、熱損失、粒状生成物温度）を変更し再
度熱収支を計算し、目的の熱風温度及び／または風量を
計算するプログラムを備えている。

【００１５】以下に本発明にかかるシステムの熱収支計
算の手順を示す。関係する物理量を以下のように表す。測定装置から得られた計測値 T2：熱風温度、T4：排風温度、T1：粒状生成物温度、T
3：スラリー温度、PW：粒状生成物中の水分、FES：スラ
リー供給量装置、原料、外気の測定値から既知となる設定値 G：熱風量、SW：スラリー水分、H2：熱風湿度化学工学的に計算可能または既知の値 CA2 ：熱風熱容量、CA4：排風熱容量、CJ2：熱風蒸気熱
容量 CJ4：排風蒸気熱容量、CS：固形分比熱、RAM：蒸発潜
熱。算出する熱量値 QI：入熱合計、QO：出熱合計、QH：熱風熱量、QS：原液
熱量 QP：シード粒状生成物熱量、QE：排風熱量、WJ：蒸発水
分量、H4：排風湿度、HRP：粒状生成物生成量。熱計算により求める値 QLOSS：熱損失。 熱収支の式は以下の通りとなる。 QLOSS=QI-QO QI=QH+QS QO=QP+QE QH=G*CA2*T2+(RAM+CJ2*T2)*H2*G QS=T3*(FES*SW/100+FES*CS*(100-SW)/100) QP=T1*(HRP*PW/100+HRP*CS*(1-PW/100)) HRP=FES*(1-SW/100)/(1-PW/100) QE=G*CA4*T4+(RAM+(CJ4*T4))*H4*G H4=H2+WJ/G WJ=FES*SW/100-PW/100*FES*(1-SW/100)/(1-PW/100) 上記のシステムにおいて、運転条件を変化させる態様と
しては以下のような場合が挙げられる。 スラリー供給量を変化させる場合であって熱風温度を
制御する場合 熱風温度を変数とし、スラリー供給量に新しい設定値を
入れてそのほかの値は変更前の運転データから求めた値
を用いて熱風温度を演算し、その値を設定値として熱風
温度を制御する。 粒状生成物中の含水率すなわち目標水分を変化させる
場合であって熱風温度を制御する場合 熱風温度を変数とし、乾燥粉水分に新しい値を入れてそ
のほかの値は変更前の運転データから求めた値を用いて
計算させその値を設定値として熱風温度を制御する。

【００１６】なお、目標水分を変化させる場合であっ
て、排風温度と粒状生成物の含水量変化の関係式がわか
っているときは熱風温度を変数とし、乾燥粉水分に新し
い値を入れ、排風温度は T4NEW=T4+f(PW-PWNEW) で求めてそのほかの値は変更前の運転データから求めた
値を用いて計算し、その値を設定値として粒状生成物の
目標水分量の変更後の最適熱風温度を決定しこの温度に
なるように実際の熱風温度を制御する。 スラリー供給量を変化させる場合であって、熱風量を
制御する場合 熱風風量を変数とし、スラリー供給量に新しい設定値を
入れてそのほかの値は変更前の運転データから求めた値
を用いて計算し、その値を設定値としてスラリー供給量
を変更した後の適正な熱風量を決定する。

【００１７】

【実施例】装置の運転状態を示す各種の測定値に基づい
て、運転状態に影響を与える因子としてシステムの熱損
失を算出し、その後、運転条件を変更して装置運転を制
御する場合の実際の計算例を以下に示す。現在運転され
ている条件に関してシステムの所定の位置に取付けられ
た各種の計測機器の出力に基づき、表１に示すような各
種の物理量が得られる。この値を用いて計算すると QLOSS 1218108 QI 5349298 QO 4131190 QH 5059298 QS 290000 QP 85431 HRP 6336 QE 4045758 H4 0.116 WJ 3664 となりQLOSS 1218108kcal/hrが求まる。ここで求まった
QLOSS を使って運転条件を変えたとき、操作因子をどう
変えれば目的の性状の粉状生成物が得られるかを計算す
る。制御例１ スラリーの供給量を 8000kg/hrに変更した場合に、上記
で得られたQLOSS を定数とし、生成物中の目標水分量な
どそのほかの条件はそのままで所望の含水量の粒状生成
物をえるための熱風温度を計算しT2=383.3を得た。そし
て、実際に乾燥塔へのスラリーの供給量を8000kg/hr に
変更し、同時に熱風温度設定値を383.3℃に変更したと
ころ時定数2.1 分でほぼ安定し、水分は5.0 〜5.4%（平
均5.25%）となり実用上十分な精度の制御結果を得た。制御例２ 次にこの運転条件を目標水分を７％に変更した場合にお
いて、得られたQLOSSを定数とし、そのほかの条件はそ
のままで上記目標水分を達成するための最適な熱風温度
として計算値T2=418.2が得られた。

【００１８】実際に乾燥塔の熱風温度を418 ℃に変更し
たところ時定数1.7 分でほぼ安定し、水分は6.7 〜7.1%
（平均6.9%）となり実用上十分な精度の制御結果を得
た。また排風温度、粉温度、を熱風温度と粉水分の関数
として表す、熱風、排風、熱風蒸気、排風蒸気の熱容
量、蒸発潜熱を温度の関数として表す、熱風湿度を使用
した燃料から発生する水分を加味して補正する等によっ
て、さらに精度を向上させることができ、制御の信頼性
を向上させることができる。なお上記実施例では、他の
の制御方法を示していないが、フィードバック制御など
の組み合わせて使用することも可能である。次に、本例
のシステムの制御に関し、逐次計算シミュレーションに
よる方法を適用する場合について説明する。この方法は
乾燥塔を微少区間に輪切りにし、各々の区間内の熱収
支、物質収支、物質移動等の方程式を解くことによって
乾燥塔の物理量をシミュレーションする事ができる方法
である。この場合用いる基本式は、以下のようになる。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここで添え字1,2は設定した微少区間への
入り、出の値を示す。シミュレーションは微少区間につ
いてこの方程式を解くことによって行われるが、ここで
も熱伝達係数（ｈ）、熱損失（Ｌ）は決定の困難な値で
ある。この場合も現在の運転されている状態（トレンド
での複数の値）からｈ、Ｌを決定し（最小二乗法などの
手法を用いてｈ、Ｌをある値に仮定したとき計算結果で
ある最後の生成物含水率（水分）に相当と排風温度が実
際の値と最も近くなるｈ、Ｌの組み合わせを探索して求
める）、そこで求まった値を用いて新たな設定値のもと
での制御量をあたえ、信頼性の高い制御結果を得ること
ができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、乾燥などの化学処理プロセス
において、目的性状の生成物を得るためにシミュレーシ
ョン計算を用いてプロセスの操作条件を設定する場合に
好適である。特に、上記のシミュレーションに使用する
装置定数、物性値等（定数、変数）などで容易に適正な
値を設定することが困難であって、システムの運転に影
響を与えるパラメータ等が存在する場合に好適である。
このような場合には上記したように、噴霧乾燥等の乾燥
プロセスでは多くの場合予備実験などからでは推定困難
な熱損失や熱伝達係数などを運転中に得られる測定値を
用いて算出し、得られた熱損失、熱伝達係数等の値を用
いてシステムの運転条件を変更した場合における制御量
を決定することによって、精度の高い、信頼性のある制
御を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用することができる噴霧乾燥装置を
含むシステムの系統図、

【図２】コントローラの入出力関係を示すブロック図、

【図３】図１のシステムの運転状態を示す各種の測定値
を示す表である。

【符号の説明】

１ システム、２ 噴霧乾燥装置 ３ 熱風発生炉、４
燃料供給ライン、５ 熱風ライン、６ ベルトコンベ
ア。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料を噴霧して粒子化し、該粒子化した
   原料を乾燥して所定の粒子状生成物を得る噴霧乾燥装置
   の制御方法において、 前記噴霧乾燥装置を含むシステムに導入される物質及び
   システムから排出される物質の温度を計測し、 前記システムに導入される物質及びシステムから排出さ
   れる物質の量を計測し、 前記計測値に基づき前記システムにおける熱損失を演算
   し、 前記システムに導入される物質及び前記システムから排
   出される物質の温度また量の内所定の物理量を設定値と
   して与え、 別の所定の物理量を未知数として前記システムの熱収支
   及び／または物質収支についての方程式をたて、 前記方程式を解いて未知数を算出し、 算出された未知数を含む物理量に基づいて前記噴霧乾燥
   装置の運転条件を設定することを特徴とする制御方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記計測値が所定の
   運転時間における平均計測値であることを特徴とする制
   御方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記運転条件に原料
   の量、該原料を乾燥するための乾燥用の空気量及び空気
   温度が含まれることを特徴とする制御方法。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記システムを所定
   時間継続して定常運転した後において、前記熱損失を演
   算することを特徴とする制御方法。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記原料量を設定値
   として与え前記乾燥用空気量又は温度を未知数として前
   記方程式を解いて前記空気量と温度とを求めることを特
   徴とする制御方法。
6. 【請求項６】 請求項１において、前記設定値を所定の
   特性に従って変化させ、これに対応する未知数を順次算
   出することによって前記設定値と未知数との相関関係を
   得ることを特徴とする制御方法。