1.質問

溶媒抽出の工程では、一般的に真空蒸発濃縮工程が使用されます。溶媒は揮発性が良い場合が多いため、真空抽出工程で溶媒が失われやすく、その損失は5~8%にも達することがある。そのため、蒸発濃縮工程での溶媒の損失を解決するためには、以下のような問題を解決する必要がある。

(1) 溶剤ロス低減の鍵となる定点制御やプログラム制御など、真空度の精密制御の問題。

(2)真空度と温度の同時制御問題。これは、真空度の違いによって溶液の沸点が決まるからです。真空度と温度の同時制御により、溶媒の収率を大幅に向上させることができる。

(3) 真空蒸発濃縮プロセスでは、溶媒や溶液がある程度腐食している場合が多く、真空度調整弁に耐食性の高いものが要求される。蒸発濃縮プロセスにおける溶媒ロスの低減という要求を解決するために、真空度調整弁として耐食性の強い電子式流量調整弁を使用するなど、真空度を精密に制御するソリューションを提案する。

2.解決方法
蒸発濃縮工程における真空度と温度の精密制御のために、制御システムの全体構成を図1に示す。

(図1 蒸発濃縮工程の真空度と温度制御系構造の模式図）。

精密な真空制御の基本原理は動的制御法です。つまり、制御設定値と真空計の測定値に従って、真空容器の吸入流量と排気流量をそれぞれ調整し、流入と流出が動的平衡に達することができるようにするのです。自動制御が必要な場合は、PID制御アルゴリズムとそれに対応したコントローラが必要となる。

図1に示すように、本稿の真空度制御の精度管理案は、吸気流量を電子流量制御弁で、排気流量を電子ボール弁または電子ニードル弁で調整し、真空ポンプを真空源とする動的制御方式を採用している。真空度の自動制御にはPIDコントローラを採用した。

この方式では、温度制御機能を同時に実現するために、1チャンネルを真空度制御に、もう1チャンネルを温度制御に使用する2チャンネルPIDコントローラを採用しています。このデュアルチャンネルPIDコントローラを図2に示す。この PID コントローラは，24 ビット A/D と 16D/A を持ち，47 種類の入力信号形式（熱電対，熱抵抗，直流電圧） を持ち，各種真空・温度センサに接続して計測・表示・制御が可能であ る。また、独立した2つの計測制御チャンネル、2線式RS485、標準的なMODBUS RTU通信プロトコルを備えています。

(図2 VPC2021シリーズ デュアルチャンネルPIDコントローラ）

(図3 FCシリーズ電子ニードルバルブ）

真空度調整工程では、高精度な調整を行うために、図3に示すような数値制御ステッピングモータによる微調節が可能な電子ニードルバルブを採用しています。このFCシリーズ比例ニードル弁は、電磁弁に比べてヒステリシスが非常に小さく、1秒以内の高速応答が可能であり、特にフッ素ゴム（FKM）シール技術の採用により、耐腐食性に優れている。数値制御比例ニードルバルブとステッピングモータ駆動回路モジュールを搭載し、数値制御ニードルバルブに必要な電源(24VDC)と制御信号(0~10VDC)を供給し、RS485シリアル通信の直接制御も可能です。

大口径の空気抜き配管には、図3に示すような小型の比例ニードル弁を使用する方式が採用されている。この比例ニードル弁シリーズは、小型の電子弁です。制御信号(DC0〜10V)の変化により、弁開度を連続的に調整することができます。最速の開閉時間は7秒以下、開閉時間も1秒以下に達することができます。バルブとバルブ本体の一体型設計により、外形容積を小さくし、低価格を実現しています。密閉容器と真空ポンプの間に設置し、排気量を調整することが多い。

つまり、この記事で説明した解決策を通じて、蒸発濃縮プロセスの真空度制御精度は1%に達することができ、対応する温度制御も実施することができるのである。真空度調整弁は超耐食性を持ち、真空蒸発工程における溶媒濃度の損失を効果的に低減することができる。