(57)【要約】伝熱流体が反応容器の壁の一部を形成する導管で運ばれると共に（或いは）プロセス流体中を通過するようになっており、導管とプロセス流体との間の伝熱面積を、反応前後における伝熱流体の温度変化及び導管を通る伝熱流体の質量流量により決まる反応によって生成し又は吸収される熱に応じて変化させることができる反応システム。
2004535282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱流体が反応容器の壁の一部を形成する導管で運ばれると共に（或いは）プロセス流体中を通過するようになっており、導管とプロセス流体との間の伝熱面積を、反応前後における伝熱流体の温度変化及び導管を通る伝熱流体の質量流量により定まる反応による発生又は吸収熱に応じて変化させることができることを特徴とする反応システム。
【請求項２】
導管は、パイプ又はコイルで構成されていることを特徴とする請求項１記載の反応システム。
【請求項３】
導管は、反応流体中を通る２以上の伝熱コイル又はパイプで構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の反応システム。
【請求項４】
パイプ又はコイルの壁は、厚さが１／２〜４ｍｍであることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の反応システム。
【請求項５】
伝熱表面積は、２以上のプレートで構成されることを特徴とする請求項１記載の反応システム。
【請求項６】
ｉ．伝熱流体とプロセス流体の平均温度差は、１〜１，０００℃であり、
ｉｉ．反応システム前後の伝熱流体の温度差（ｔsi−ｔso）は、少なくとも０．１℃であり、
ｉｉｉ．伝熱流体の線速度は、少なくとも０．０１メートル／秒であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の反応システム。
【請求項７】
伝熱流体とプロセス流体の平均温度差は、１〜１００℃であることを特徴とする請求項６記載の反応システム。
【請求項８】
反応システム前後の伝熱流体の温度差（ｔsi−ｔso）は、少なくとも１℃であることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の反応システム。
【請求項９】
伝熱流体の線速度は、少なくとも０．１メートル／秒であることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の反応システム。
【請求項１０】
熱交換器の有効表面積は、伝熱流体が反応システムを横切って通るときに伝熱流体に１℃よりも高い温度差（ｔsi−ｔso）が観察されるようにするのに十分であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の反応システム。
【請求項１１】
温度差は、５℃よりも高いことを特徴とする請求項１０記載の反応システム。
【請求項１２】
導管は、パイプ又はコイルで構成され、伝熱パイプ又はコイルの直径と長さの関係は、まず最初に、次の公式を用いて所要の伝熱面積を計算することにより計算され、
〔数１〕
Ｕ・Ａ・ＬＭＴＤ＝ｍ・Ｃｐ・（ｔsi−ｔso）（ｋＷ）
上式において、Ｕ＝総熱伝達係数（ｋＷ．ｍ-2．Ｋ-1）、Ａ＝伝熱面積（ｍ2）、ｍ＝伝熱流体の質量流量（ｋｇ／ｓ）、ＬＭＴＤ＝使用流体とプロセス流体の対数平均温度差（℃）、Ｃｐ＝伝熱流体の比熱（ｋＪ．ｋｇ-1Ｋ-1）、（ｔsi−ｔso）＝入口と出口との間における伝熱流体の温度（℃）変化であり、コイルの直径と長さの関係は、過度の圧力降下を生じさせないで伝熱流体中に高いレイノルズ数を生じさせることができるように確立されていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の反応システム。
【請求項１３】
多数の熱伝達パイプ又はコイルを有し、前記熱伝達パイプ又はコイルは各々、或る程度の熱伝達を可能にするよう設計された直径と長さの関係を有し、パイプ又はコイルは、反応により発生し又は吸収された熱の測定値に従って稼動させたり稼働停止させることができることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の反応システム。
【請求項１４】
コイルを伝熱流体の流れ要件に従って稼動させたり稼働停止させることができることを特徴とする請求項２乃至１３の何れか１項に記載の反応システム。
【請求項１５】
プレートの表面積及びプレートを通る伝熱流体の液圧経路は、或る程度の熱伝達を可能にするよう設計されており、プレートを反応により発生し又は吸収された熱の測定値に従って稼動させたり稼働停止させることができるようになっていることを特徴とする請求項５乃至１１の何れか１項に記載の反応システム。
【請求項１６】
伝熱導管への伝熱流体の流量を調整する制御弁を備えており、前記制御弁は、反応器内容物の温度の測定から出力された出力信号により作動されることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の反応システム。
【請求項１７】
制御弁は、直列に設けられていることを特徴とする請求項１６記載の反応システム。
【請求項１８】
制御弁は、並列に設けられていることを特徴とする請求項１６記載の反応システム。
【請求項１９】
バッチ化学合成反応のための請求項１乃至１８の何れか１項に記載の反応システムの用途。
【請求項２０】
現在１０〜２０，０００リットルの反応器で実施されているバッチ有機合成反応における請求項１９記載の用途。
【請求項２１】
現在１０〜２０，０００リットルの反応器で実施されているバルク医薬品合成反応における請求項１９又は２０記載の用途。
【請求項２２】
現在１０〜２０，０００リットルの反応器で実施されているバッチ重合反応における請求項１９又は２０記載の用途。
【請求項２３】
現在不安定な物質について用いられている１０〜２０，０００リットルのバッチ合成反応における請求項１９又は２０記載の用途。
【請求項２４】
現在１０〜２０，０００リットルの反応器で実施されているバッチ無機合成反応における請求項１９又は２０記載の用途。
【請求項２５】
連続反応における請求項１〜１９のうちいずれか一に記載の反応システムの用途。
【請求項２６】
１ｍｌ〜１０リットルの容量の反応器における請求項１乃至１８の何れか１項に記載の反応システムの用途。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、反応システムに関し、特に、熱伝達を向上させた反応システムに関する。反応システムは、物理的及び（又は）化学的変化を必要とする場合がある。化学反応としては、例えば２以上の分子の反応の際の化学的変化を伴い、それにより、２以上の分子への分子の分解の際に重合を含む新しい分子が生じる。物理的反応は、例えば結晶化、沈殿、蒸発、溶融、固化等の際の状態の変化を伴う。反応の中には、化学的変化と物理的変化の両方を伴うものもある。
【０００２】
本発明は、物理的及び（又は）化学的反応の進み具合をモニタする性能を向上させることに関する。本発明は又、性能が向上したモニタによる反応システムの制御を向上させることに関する。本発明により得られる制御の向上により、高品質且つ高純度の材料の生産が可能になり、又、反応設備の有効利用が可能になり、しかも、制御性の向上は、反応設備の効率を一段と向上させて所与の量の出発材料から所与の量の物質を得るのに必要な反応時間が短くなるようにすることができる。もう１つの利点は、所与の体積の物質を生じさせるのに小形の反応器を使用できるということにある。
【０００３】
多くの反応は危険であり、事故がないようにするために注意を払う必要がある。本発明により得られる反応のより正確且つより時宜にかなったモニタにより、反応をより厳密な限度内で実施することができる。これにより、安全性が向上すると共に従来製造プロセスの固有の欠点であった反応の非効率性を軽減することができる。さらに、反応体の比を最適化することができ、それにより反応を完了させる上で、過剰の反応体の必要性を軽減する。
【０００４】
物理的であれ化学的であれ又はこれら両方であれいずれにせよ反応は、熱を発生させ又は吸収し、従って、反応前後で熱の変化がある。特定の反応において発生し又は吸収される理論的な熱は、確証された情報から知られている。したがって、反応中に発生し又は吸収される実際の熱は、理論的には、定常反応の場合には反応の効率を決定すると共にバッチ反応の場合には反応の進み具合を決定する有用な尺度である。
理論の一例を挙げると、典型的な化学合成工程について考えてみる。２つの試薬（Ａ及びＢ）は互いに反応して以下に示すように新しい化合物（Ｃ）を生じさせる。
【０００５】
〔数１〕
Ａ＋Ｂ→Ｃ
上式において、Ａ＝ｋｍｏｌのＡ、Ｂ＝ｋｍｏｌのＢ、Ｃ＝ｋｍｏｌである。
この反応により生じる熱は、次の公式に従って求められる。
【０００６】
〔数２〕
Ｑ＝ΔＨｒ・Ｃ（ｋＪ）
上式において、ΔＨｒ＝生じたＣの１ｋｍｏｌ当たりの反応熱（ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｃ＝生じた成分Ｃのｋｍｏｌ（ｋｍｏｌ）である。
ΔＨｒの値は、理論的データ又は実験室的熱量測定法から決定することができる。
現在、書き表された熱量データは種々の方法で利用できる。
任意の反応に関し、理論最大熱放出量は次のようにして計算できる。
【０００７】
〔数３〕
Ｑ′＝ΔＨｒＣ′（ｋＪ）
上式において、Ｑ′＝理論最大発生熱（ｋＪ）、ΔＨｒ＝生じたＣの１ｋｍｏｌ当たりの反応熱（ｋＪ／ｋｍｏｌ）、Ｃ′＝成分Ｃの最大理論歩留り（ｋｍｏｌ）である。
最大理論歩留りＣ′は、供給成分（Ａ，Ｂ）のうち一方又は両方が完全に用い尽くされたという仮定の上に成り立っている。
プロセス中に反応熱を測定すると、任意の時点で合成される成分Ｃの量は以下の通りである。
【０００８】
〔数４〕
Ｃ＝Ｑ／ΔＨｒ（ｋｍｏｌ）
上式において、Ｃ＝生じたＣの量（ｋｍｏｌ）、Ｑ＝反応中に測定した熱量（ｋＪ）、ΔＨｒ＝生じたＣの１ｋｍｏｌ当たりの反応熱（ｋＪ／ｋｍｏｌ）である。
かくして、吸収され又は放出された熱の総量又は反応熱（又は、結晶化等）を知ることによりＣの総質量を計算することができる。
Ｃの予想理論歩留りは、反応体の存在量及びプロセスの化学当量から知られている。かくして、上述の情報に基づき、以下の方程式から変換百分率を求めることができる。
【０００９】
〔数５〕
η＝Ｃ／Ｃ′×１００
上式において、η＝変換百分率、Ｃ＝Ｃの生成量（ｋｍｏｌ）、Ｃ′＝成分Ｃの最大理論歩留り（ｋｍｏｌ）である。
バッチ反応では、変換百分率（η）は、反応の終点（エンドポイント）及び（又は）最適反応比を割り出す有効な手段となる。これを用いると、製造時間を減少させ、プラントの有効性を向上させ、しかも反応効率を向上させることができる。
【００１０】
本発明は又、実験室活動、例えば、実験室的熱量測定法に用いることができる。本発明の方法を用いると、従来型ジャケット付き熱量測定法の誤差を減少させ又は無くすことができ、しかも、熱量測定法中、温度制御が簡単になる。このように、理論ΔＨｒの決定のための迅速且つ正確な方法が提供される。光学分析装置とは異なり、熱量測定データを、共通のプロセス効果（ファウリング、組成変化、温度ばらつき、層の混合等）により損なわれない固有の簡単な器具で測定される。光学分析装置とは異なり、熱量測定器具の校正は、製品固有のものではなく、器具を任意の流体について試験して校正することができる。
【００１１】
連続（プラグ）流型反応器では、反応効率（η）は、反応器への供給流量及びプロセス条件を制御するパラメータを提供する。このように、小規模プラグ流型反応器で従来型バッチプロセスを実施することができる。これは、製造プロセスの全ての点で利点をもたらし、かかる利点としては、設備の資本費が安くなること、プラントの融通性が高まること、製品歩留りが向上すること、より安全なプロセス条件が得られること（小規模な在庫により）、製品スループットが増大すること及び製品開発時間が減少することが挙げられる。
【００１２】
反応の進み具合をモニタする機能は、小形反応器と大形反応器の両方にとっての追加の安全上の利益を有している。オンライン熱量測定データを備えたシステムは、未反応の化合物が反応器内に堆積している時期を瞬時に識別することができる。これにより、未反応化学物質の堆積に起因する暴走の恐れが小さくなる。
しかしながら、通常の工業的用途における反応器の設計は、熱量測定データを測定するには本来的に不適切であり、かくして、上述の方法は、あくまで理論的なものである。
【００１３】
例えば医薬品及びファインケミカル業界で一般的に用いられている化学反応器は、４つの大きなカテゴリに分類される。標準型バッチ式反応器では、試薬が、外部ジャケットを通って再循環している伝熱流体により熱が加えられ又は除去される攪拌容器内で混合される。これら反応器は、小規模有機及び無機合成反応のための最も普及している反応器である。内部コイルを備えたバッチ式反応器は、標準型バッチ式反応器の変形例であり、液体内部に追加の伝熱面を有している。これら反応器は、高い熱負荷に直面する汎用バッチ反応に用いられる。ループ反応器では、反応体が外部熱交換器を通って圧送され、容器に戻される。これら反応器は、気体／液体反応に一般に用いられ、この場合、液体は、スプレーノズルを介して反応器に戻されて広い気体／液体境界領域を生じさせる。連続反応器では、反応体が定常条件下で熱交換器を通って圧送される。これら反応器は一般に、長時間の製造運転を行う大規模製造プロセスに用いられている。
【００１４】
上述した４つのタイプの反応器の伝熱特性は、次の３つの共通した特徴を備えている。
ｉ．伝熱流体は、高速で熱交換器を通って循環されて好ましい熱伝達係数を維持する。ジャケット付き反応器の場合、これは、伝熱流体をノズルを用いて高速でジャケット内へ注入し、又は、バッフルを用いて流れをジャケットの周りに逸らすことによって達成される。或る場合には、伝熱流体の流れのためのコイルが、反応容器の外壁に溶接される。
ｉｉ．伝熱流体の高い質量流量が、伝熱流体とプロセス流体の良好な平均温度差を維持するために用いられる。
ｉｉｉ．伝熱面積は一定であり、プロセス流体の温度制御は、伝熱流体の温度を変化させることによって達成される。或る場合には、伝熱面積を増減する範囲には限度が存在する。
上述の特徴は、反応器内での融通性が有り且つ最適化される伝熱能力を達成する上で良好な設計上のやり方を示している。しかしながら、これら特徴は、発生した又は放出される熱の量を測定するのには向いていない。この欠点は、上述したように試薬Ａ，Ｂ相互間の化学反応に関して例示される。（例は、化学反応には限定されず、他の化学的及び物理的プロセスにもそのまま当てはまることは注目されるべきである）。
２つの試薬（Ａ，Ｂ）が互いに反応してＣを生じさせる場合、熱が放出される。１秒当たりに放出される熱は、次のように表すことができる。
【００１５】
〔数６〕
ｑ＝ΔＨｒ・ｃ（ｋＷ）
上式において、ｑ＝１秒当たりに放出される熱（ｋＷ）、ΔＨｒ＝生じたＣの１ｋｍｏｌ当たりの反応熱（ｋＪ／ｋｍｏｌ）、ｃ＝１秒当たりに生じる成分Ｃのｋｍｏｌ（ｋｍｏｌ／ｓ）である。
プロセス温度が一定のままであれば、放出される熱（ｑ）は、次の公式に従って伝熱流体の温度上昇として観察されることになる。
【００１６】
〔数７〕
ｑ＝ｍ・Ｃｐ・（ｔsi−ｔso）
上式において、ｑ＝反応により生じた熱である伝熱流体により吸収される熱（ｋＷ）、ｍ＝伝熱流体の質量流量（ｋｇ／ｓ）、Ｃｐ＝伝熱流体の比熱（ｋＪ．ｋｇ-1Ｋ-1）、ｔsi＝伝熱流体の流入温度（℃）、ｔso＝伝熱流体の流出温度（℃）である。
しかしながら、ｑを求めるためには、伝熱流体の流量及び温度変化（ｔsi−ｔso）を正確に測定する必要がある。上述の反応器の例では、効果的な設計は、伝熱流体の高い流量に好都合である。これにより、伝熱流体の温度変化（ｔsi−ｔso）が１℃未満になる場合が多い。ＩＥＣクラスＡＲＴＤは、利用可能な正確な温度測定装置の１つである。これら装置は、許容誤差が±０．２５℃である（据え付け型装置に関する誤差は高い場合がある）。
【００１７】
かくして、温度変化が１℃の場合、測定の精度は、±２５％よりも悪いものであると予想できる。これは、伝熱流体の温度が０．１℃だけ変化しても、２５０％になる。この要因だけで、従来型反応器で反応熱を測定することは事実上不可能である。さらに、従来型反応器では、ジャケットの非プロセス側を介してシステムから漏れ出る熱は、深刻な誤差を生じさせる場合がある。
【００１８】
さらに、従来型化学反応器は、バルク材料の温度を数度だけサイクル動作させることができる反応の鈍い制御システムを有する場合が多い。エネルギの観点では、温度の数度の変化は、全体的なエネルギ放出量の相当な割合を占める場合がある。
さらに、制御速度は、導管を一定温度に維持することができるので、新たに開かれた導管に関して非常に大きな補正運動を可能にするので迅速である。したがって、制御は、迅速且つ正確である。
【００１９】
従来型反応器は、伝熱流体の流れが良好な速度に保持される場合、許容可能な伝熱特性をもたらす。伝熱面は１又は２個の別々の要素に制限されるので、有用な使用温度上昇（ｔsi−ｔso）を達成できる範囲（放出又は吸収されるエネルギの範囲）は、非常に制限される。プロセスからのエネルギ放出量が小さい場合、伝熱流体の温度上昇は、１℃の何分の１かである場合がある。これに加えて、伝熱ポンプのシャフトエネルギは、全体のうち高い割合を占める場合がある。
【００２０】
上述の制約は、医薬品、化学及び同系諸業界で用いられる全ての反応器（及び蒸発器、バッチ式蒸留器等）に共通している。したがって、これら反応器を用いる場合、反応により生じ又は消費された熱は、反応の進み具合を任意の精度内でモニタするのに用いることはできない。
【００２１】
米国特許第６，１０６，７８５号明細書では、重合反応で生じた熱を用いて反応の進み具合をモニタできることが提案された。しかしながら、米国特許第６，１０６，７８５号明細書に記載されたシステムは、推定型センサの使用を必要とする反応をモニタする大まかな方法であり、この方法の技術的思想は、重合プロセスに関し、熱の放出量が非線形方法ではないが、単量体（モノマー）の変換度に比例しているという観察に基づいている。米国特許第６，１０６，７８５号明細書によれば、反応器の熱平衡をオンラインで注意深く計算することにより、変換度を連続的に推定してこれを制御のために用いることができる。いったん実際の変換度を求めて最終的に制御すると、反応器の冷却デューティ又は能力をも制御でき、かくして、これをプラントスケジュール設定者によってこれに割り当てられた冷却容量に一致させることができる。したがって、米国特許第６，１０６，７８５号明細書は、伝熱流体の使用の最適化及び安全動作パラメータ範囲内での開始剤／抑制剤の追加に関している。
米国特許第６，１０６，７８５号明細書では、バッチ式制御器データを直接用いて冷却剤流入量及び温度を操作することにより反応器の混合物温度を制御する。データは、推定型センサに送られ、ここで、用いられて単量体変換度の現在の値を推定する。
【００２２】
したがって、米国特許第６，１０６，７８５号明細書では、変換度は、直接的には測定されず、反応器の熱平衡を動的に評価することにより推定される。したがって、米国特許第６，１０６，７８５号明細書は、反応器の熱平衡の動的評価から変換度を推定させることができる。変換度の利用は、製品品質（最終使用）特性に関しフィードバック制御のための特定のセンサに取って代わる。また、変換度の利用は、弁の開閉のようなプロセス関連動作のタイミングのための物理的時間に取って代わると共に熱供給／除去の制御、反応体の投与等を可能にする。センサの利用は、バッチ発生の予測精度の向上を可能にすると考えられており、かくして、かかる利用により、従来用いられたシステムにより得られる冷却必要プロフィールの予測よりも正確な予測を可能にする。
【００２３】
米国特許第６，１０６，７８５号明細書では、反応混合物の温度及び全体的な熱消費率は、２つの別個独立のプロセス変数として処理される。この方式は、バッチ操業中、いずれか一方の変数の発生を定めるような仕方でバッチの処方を特定すると共に厳しい高性能制御下でこれらバッチ処方を実行する自由度をユーザに与えることができると言われている。単量体の変換度はＰＶＣを含む多くの重要なポリマーについて全体的な熱消費量に比例するので、２つの変数の制御は、製品品質の２つの基本的な決定要因に対するユーザ独立制御を可能にすると言われている。米国特許第６，１０６，７８５号明細書によれば、この制御は、バッチ操業のあらゆる時点で熱放出量を完全に定め、かくして、信頼性の高い計画及びスケジュール設定により有効な冷却容量を良好に利用することができる。温度及び全体熱消費量を別個独立に制御するため、提案された方法は、反応に加えられ又は反応から取り出される熱の量及びバッチ操業中に追加される開始剤及び抑制剤の量を操作する。
【００２４】
３つの方法は、冷却剤の使用を最適化する際に利点をもたらすが、これら方法は、反応の複雑精巧な検出及び制御を可能にするのに十分正確且つ識別可能ではない。本発明は、この問題に対する解決策を提供する。
【００２５】
本出願人の同時係属英国特許出願第０１１０３０１．９号明細書では、本出願人は、物理及び（又は）化学反応に対する制御を向上させる反応システムを開示していて、かかる反応システムを請求の対象としている。本発明は、プロセス流体と伝熱流体との間の可変伝熱面積を利用することにより、広範な動作条件にわたって制御を向上させることができるという点において英国特許出願第０１１０３０１．９号明細書に関連している。本出願人の、同時係属英国特許出願第０１１０２９５．３号明細書は、本発明に利用できる測定システムを記載している。
【００２６】
したがって、本発明は、伝熱流体が反応容器の壁の一部を形成する導管で運ばれると共に（或いは）プロセス流体中を通過するようになっており、導管とプロセス流体との間の伝熱面積を、反応前後における伝熱流体の温度変化及び導管を通る伝熱流体の質量流量により定まる反応による発生又は吸収熱に応じて変化させることができることを特徴とする反応システムを提供する。
【００２７】
任意の形態の導管を伝熱流体に用いることができるが、パイプ、プレート又はコイルが好ましく、以下、本発明を１又は複数のコイルの使用と関連して説明する。
【００２８】
本発明は、好ましい実施形態では、反応プロセス媒体を収容した反応器と、伝熱流体が流れることができる導管を備えた熱交換器とを有する反応システムを提供し、かかる反応システムでは、反応前後における伝熱流体の流量及び温度変化の測定値を用いて反応システムにより発生し又は吸収される熱を測定し、この測定を用いて導管とプロセス流体との間の伝熱表面積を制御し、この場合、
ｉ．伝熱流体とプロセス流体との間の平均温度差が、１〜１，０００℃、好ましくは１〜１００℃であり、
ｉｉ．反応システム前後における伝熱流体の温度差（ｔsi−ｔso）は、少なくとも０．１℃、好ましくは少なくとも１℃であり、
ｉｉｉ．伝熱流体の線速度は、少なくとも０．０１℃メートル／秒、好ましくは少なくとも０．１メートル／秒である。
【００２９】
本発明者は、これら基準を満足することを条件として、反応前後における伝熱流体の流量及び温度変化の測定により、反応システムにより発生し又は吸収される熱を広範な動作条件にわたり高い精度で測定できるということを発見した。次に、かかる測定を利用して導管とプロセス流体との間の伝熱表面積をモニタしてこれを制御し、かくして、反応を高い精度で制御することができる。
【００３０】
効果的な動作を得るために、反応システムは好ましくは、以下の特徴を有するべきである。
ａ．熱交換器の有効表面積は、伝熱流体が反応器を横切って通過するときに伝熱流体に測定可能な温度差（ｔsi−ｔso）が観察されるようにするのに十分であることが必要である。正確さのためには、０．１℃以上の温度差が好ましく、より好ましくは、１℃以上の温度差が好ましい（好ましくは、５℃以上でありより好ましくは１０℃以上である）。
ｂ．正確に測定可能な使用流体温度変化（ｔsi−ｔso）を達成でき、必要な伝熱面積が小さいようにするためには、プロセス流体と入口伝熱流体（ｔsi）との間に高い温度差を維持することが好ましい。
ｃ．可能な限りにおいて、熱をプロセス流体にのみ出し入れし、他の設備又は環境には伝えないようにする必要がある。
ｄ．伝熱流体は常時適度の速度で流れなければならない。速度は、導管、好ましくはコイルの寸法及び条件で変わるが、０．０１メートル／秒以上、好ましくは、０．１メートル／秒以上、最も好ましくは１メートル／秒以上であることが好ましい。これよりも低い速度では温度制御レスポンスが遅くなる。また、低い速度では、熱容量（伝熱流体の熱容量）と熱放出量の比が高くなる。これにより、測定熱量の値の誤差が大きくなる。
ｅ．バッチプロセス又は多目的デューティのために用いられる場合、伝熱設備は、広範なエネルギ放出／吸収量にわたって安定した動作を行うことができなければならない。この範囲は、反応の性状に応じてさまざまであろう。バッチ反応の場合、非常に広い動作範囲が必要になる。
【００３１】
上述の条件ｃを満足するため、熱交換器は好ましくは、プロセス流体中に浸漬され、プロセス流体中に完全に浸漬された場所以外のあらゆる箇所で十分に断熱される必要がある。これにより、伝熱流体によって与えられ又は失われる熱が全て直接プロセス流体から伝えられたりプロセス流体に伝えられたりする。この条件は、熱交換器をプロセス流体中に完全に沈められるコイル又はプレートとして設計することにより最も容易に達成される。
伝熱表面積と伝熱流体の熱容量の最適な関係が提供されることが更に好ましい。かかる条件は、伝熱流体（所望の線速度で移動している伝熱流体）が過度の圧力降下を生じさせないで容易に測定される温度変化（例えば、１０℃）をもたらす場合に存在する。最適な伝熱条件は、それぞれプロセス流体の性質及び伝熱流体の性質に応じてさまざまであることは注目されるべきである。
【００３２】
これらの基準を満足するため、反応器用の熱交換器は好ましくは、反応流体中を通って延びる伝熱コイルである。コイルの設計は、本発明の目的を達成する上で重要であり、伝熱面積が規定の条件下で熱運搬容量にマッチするようなものでなければならない。
【００３３】
本発明の技術は、伝熱流体が通り抜け又は再循環されるシステムで利用できる。しかしながら、本発明者は、本発明のシステムが伝熱流体を一定の速度及び一定の温度で送る場合に最も有効であることを発見した。
コイルの伝熱面積は、次の公式を用いることにより液体の熱運搬容量に関連付けられる。
【００３４】
〔数８〕
Ｕ・Ａ・ＬＭＴＤ＝ｍ・Ｃｐ・（ｔsi−ｔso）（ｋＷ）
上式において、Ｕ＝総熱伝達係数（ｋＷ．ｍ-2．Ｋ-1）、Ａ＝伝熱面積（ｍ2）、ｍ＝伝熱流体の質量流量（ｋｇ／ｓ）、ＬＭＴＤ＝使用流体とプロセス流体の対数平均温度差（℃）、Ｃｐ＝伝熱流体の比熱（ｋＪ．ｋｇ-1Ｋ-1）、（ｔsi−ｔso）＝入口と出口との間における伝熱流体の温度（℃）変化である。
面積Ａは、プロセス流体と接触した状態にある面積である。
【００３５】
次に、この情報を用いて伝熱流体から伝熱面への熱の伝達を最適化するのがよい。これを用いると、個々のコイルの直径と長さの最適の関係を求めることができ、それにより、大きな乱流が熱交換器中の伝熱流体の過度の圧力降下を生じさせないで達成される（高いレイノルズ数によって示される）。別法として、導管がプレートである場合、上記公式を用いると、プレート中の伝熱流体の最適液圧経路を求めることができる。
【００３６】
有効な動作を得るため、以下のことが好ましい。
ａ．入口伝熱流体とプロセス流体との温度差は、伝熱流体がコイル中を通る際に測定可能な温度変化（＞１℃又は好ましくは１０℃以上）を生じるようにするほど高い（例えば５〜１００℃）ことが必要である。しかしながら、温度変化は、プロセス流体の凍結、ワキシングアウト（waxing out）、沸騰又は焼き付きを生じさせるほど高く又は低いものであってはならない。
ｂ．伝熱面積は、伝熱流体がプロセス流体中に測定可能な温度変化（好ましくは、＞１℃又はより好ましくは１０℃以上）を生じさせるようにするほど大きくなければならない。温度変化がこれよりも小さいと、伝熱容量及び精度が制限される。大きな温度変化は、プロセス流体の凍結、ワキシングアウト、沸騰又は焼き付きを生じさせないので望ましい。
ｃ．伝熱流体の線速度は、満足のゆくほどの制御応動及び良好な総合熱伝達係数を維持するためには適度に高くなければならない（好ましくは＞０．１ｍ・ｓ-1）。
ｄ．コイルを通って流れる伝熱流体の圧力降下は、０．００１〜２０バール、好ましくは０．１〜２０バールである。
【００３７】
実際には、最適コイル長さは、用いられる温度の差及びシステムの熱力学及び物理的性質に応じてさまざまであろう。最適コイル長さの計算は、反復プロセスである。汎用装置は、熱伝導率が低く且つ反応流体と伝熱流体との温度差が小さな流体に基づいて得られた保存データを用いて寸法決めされることになる。各コイルは、動作範囲が制限されることになる。コイル長さの僅かなばらつきは、コイルの形状を変えることにより、例えば、フィンを設けて表面積を増大させることにより達成できる。
【００３８】
伝熱設備が広範なエネルギ放出量にわたって安定した動作を行うことができる本発明のシステムでは、このシステムは、伝熱面積を特定の反応（又は、反応の段階）の必要性に応じて代えることができるようなものである。これは有利には、各々が或る程度の伝熱を可能にするよう設計された直径と長さの関係を持つ多数の伝熱導管、例えばパイプ又はコイルを設け、或いは、或る程度の熱伝達を可能にするよう設計された伝熱流体のための表面積及び液圧経路を備えたプレートを設けることにより達成できる。好ましい多コイルシステムでは、コイルを、反応システムの必要性に従って稼動させたり動作停止させたりすることができる。
【００３９】
変形例として、伝熱面積を変えるには、反応器壁を設け又は伝熱流体の一連の導管から成る反応器壁用のジャケットを設け、これを反応システムの必要性に応じて稼動させ又は稼働停止させることができる。これと同様に、熱交換器は、反応システムの必要性に応じて稼動させ又は稼働停止させることができる一連のプレートから成ってもよい。温度制御性を向上させるために可変面積を利用することにより、より迅速且つ安定した温度制御レスポンスが得られ、しかも、ユーザにより定められる一定の熱束を得ることができる。
【００４０】
開放コイル、特に熱量計における安定条件により、温度オーバーシュートの効果に起因する妨害が減少する。さらに、制御速度は、導管を一定温度に維持できることにより新たに開放された導管に対し非常に高い補正温度を与えることができるので迅速である。したがって、制御は迅速且つ正確である。
【００４１】
熱量計は、装置に入り又はこれから出る熱の測定値に関している。工業的プロセスの場合、熱量測定データは、プロセス操作の健全性及び進み具合に対する極めて有用な指針となる場合がある。面積可変設計は、以下の理由で従来型システムよりも比較できないほど良好な熱量測定データを送る。
Ｉ．従来型熱交換器では、外部から課される大きな熱変動が、プロセス温度の制御のために用いられる。この「ヒートノイズ（heat noise）」を固有の制御遅延と組み合わさると、正確な熱量測定が不可能になる。面積可変設計を利用した場合、外部から課される変動は、事実上無くなり、制御遅延が実質的に減少する。
ＩＩ．面積可変設計は、良好な温度制御をもたらすだけでなく、熱量を測定している間でもかかる良好な温度制御を引き続き行う。これにより、システム温度のばらつきと関連した誤差及び複雑さの問題が軽減される。
ＩＩＩ．動作条件を温度制御性能を損なうことなく、伝熱流体の首尾一貫して高い温度変化が与えられるよう設定できる。これにより、正確な温度データを収集することができる。
【００４２】
本発明の反応システムを添付の図面を参照して説明する。
図１は、プロセス流体２及び長さ３メートルの冷却コイル３を収容した反応器１の略図である。このシステムは、７２〜２６０ワットのエネルギ変化を正確に測定することができる。７２ワット未満のエネルギ放出量の測定は、低い正確度（伝熱流体の僅かな温度上昇）又は遅い制御応動（伝熱流体の低い速度）を犠牲にして達成される。２６０ワット以上のエネルギ放出量を測定することにより、非常に低温の（又は高温の）伝熱流体を供給しなければならないので凍結（又は、熱が加えられたところの焼き付き／沸騰）の恐れが生じる。代替手段として大きな流量の伝熱流体を用いても、伝熱容量の面では改善の度合いはほんの僅かであり（Ｕ値の僅かな改善及びプロセス流体と使用流体の大きな温度差）、これは、精度を次第に低くした状態で達成される（伝熱流体の僅かな温度上昇）。
【００４３】
図２の反応器は、本発明に従って７２〜７８０ワットの改善された測定範囲がどのようにすれば達成できるかを示している。２本以上のコイル４，５を追加することにより汎用性が高められている。１つのコイルが動作しているとき、７２〜２６０ワットの熱の発生を測定できる（図１の反応器の場合）。３つ全てのコイルが動作している場合（呼称最大流量で）、最高７８０ワットを測定できる。この方法により、広い動作範囲の反応器を設計することができる。
【００４４】
通常の作動において、流量制御弁を用いてコイル（又は１組のコイル）への伝熱流体の流量を増大させる。負荷の増大に対応するよう新たなコイルのスイッチが入ると、制御弁は、流量を調整して大きな流量への滑らかな移行が得られるようにする。これにはシステム圧力降下の段階的変化への迅速な流量制御レスポンスが必要となる。動作条件と広い動作範囲との間の滑らかな移行を可能にするためには、多数のコイルを設けることが望ましい。熱交換器の性能は、開放状態の導管に一定流量及び一定温度（伝熱流体の）をもたらすことにより最もよく発揮されることは注目されるべきである。したがって、流量制御を用いる場合、これを新たに開かれたコイルに制限すると共に動作状態にある任意他のコイルに対する一定流量及び一定温度を維持することが好ましい。十分な導管が用いられていると仮定すれば、代替解決策は、最も重要なコイルについての１つのオンオフ制御（流量制御ではなく）である。変形例として、開放コイルは、開放時と閉鎖時との間で変動してもよい。
【００４５】
熱量測定法の観点からは、開放コイルの安定条件により、オーバーシュート効果に起因する妨害が減少する。制御の観点では、コイルを一定温度に維持することにより、新たに開かれたコイルに対し非常に高い補正温度を与えることが可能になり、これにより、オーバーシュートが減少し、従って迅速且つ正確になる。
【００４６】
計装は、本発明のシステムの首尾よい動作の重要な特徴である。正確且つ感度の高い計装を、温度の測定、伝熱流体の流量の測定及び伝熱面積の増減のために使用する必要がある。器具は、広範な流量にわたって動作しなければならず、これは、コイルシステムをマニホルドによって動作される別々のモジュールに分けることにより達成できる。これにより、種々のコイルをシステムの要求に従って稼動させたり稼動停止させることができる。
【００４７】
迅速且つ正確な温度測定は、性能上重要な要件である。これを達成するため、温度要素は有利には高速で流れている伝熱流体中に設けられる。最小の滞流（hold up ）容積（使用液体の）が温度要素と伝熱表面との間に存在する必要がある。これは、副マニホルドを図３に示すように放出管に設けることにより達成される。
【００４８】
図３は、コイル９〜１５を利用した７コイルシステムと関連した３つの温度差測定装置６，７，８を示す略図である。これら装置は、コイルを横切って流れる伝熱流体の温度変化を測定する。温度差測定装置は、カスケード方式で働く。小流量（コイル９又はコイル９，１０が動作する状態）では、測定装置６は吐出温度を測定するために用いられる。３以上のコイルが動作している場合、測定装置６は、アイドル状態に切り替わり、測定装置７はそのままである。５以上のコイルが動作している場合、両方の温度差測定装置６，７の両方は、アイドル状態に切り替わり、温度差測定装置８はそのままである。この技術的思想は、用いられるコイル及び温度差測定装置の数とは無関係に適用される。伝熱流体が温度要素を通って流れるときの伝熱流体の線速度は、１秒当たり１メートル以上である（但し、これよりも低い速度は許容範囲に入る）。温度差測定装置は非常に正確且つ感度が高くなければならない。温度差測定装置の変形例として、互いに別々の入口温度装置及び出口温度装置を用いてもよいことは注目されるべきである。
【００４９】
好ましいプロセスでは、プロセスをその範囲全体にわたって常時測定し、必要な安全上のインターロックをもたらす通常のプロセス温度トランスミッタに加えて、特定のプロセス設定値をモニタするために第２の対をなす温度要素を設けるのがよい。この構成は、２つの互いに異なるタイプの測定要素を用いている。主要な装置は好ましくは、ＲＴＤであり、4 wire Pt100 RTD to 1/10th DIN標準型が特に適している。４〜２０ｍＡの出力信号を出力するのに用いられるトランスミッタは、トランスミッタに許容可能な最小値にまたがっている（これと同様に、任意の出力信号タイプ又は温度スパンを利用できる）。温度トランスミッタは、特にプロセス設定値で校正されることになる。範囲が広いと依然として許容可能な結果が与えられるが、スパンを考えられる最小値に減少させると、向上した精度及び解像度が得られる。かくして、この構造により、プロセス温度測定の極めて正確な手段が得られることになる。
【００５０】
温度測定システムの要素は、液体と接触状態にある装置の一部である。ＲＴＤの場合、その抵抗は、温度の変化に応動して変化するであろう。ＲＴＤのレスポンスは、線形ではない。トランスミッタは、測定装置の校正部分であり、出力を制御システムに合わせて線形化し、信号を業界の標準、通常４〜２０ｍＡに変換するのに用いられるが、１〜５Ｖ又は０〜１０Ｖであってもよい。温度変化に対する熱電対のレスポンスは、電圧の変化、即ち通常は１℃当たりのミリボルトである。熱電対から成るトランスミッタはこの場合も又、この信号を業界標準、この場合も又、しばしば４〜２０ｍＡ以下に変換する。したがって、「要素」という用語は、プロセス中の物理的な存在、例えば、反応器内に設けられて反応器内容物の温度を測定する温度要素を説明する場合に用いられる。制御システムと関連した温度測定装置の特徴を説明する場合の「トランスミッタ」という用語、即ち、温度トランスミッタは、０〜１００℃に校正され、反応器の内容物の温度を表示する。
【００５１】
ＲＴＤの欠点は、温度の段階的変化に対するレスポンスの速度である。代表的には、ＲＴＤは温度変化を測定するのに４秒又は５秒かかる場合がある。他方、熱電対は、温度の変動に対し非常に迅速に応動できる。この理由で、プロセス設定値をモニタするのにも熱電対が用いられ、Ｔタイプの熱電対が特に適している。そのトランスミッタの範囲は、これと同様にＲＴＤまで及ぼされる。しかしながら、Ｔタイプ熱電対が＋１℃又は−１℃だけの精度を持っているので、これはプロセス温度のモニタには用いられない。その機能は、プロセス温度の変化率をモニタすることにある。
【００５２】
これら２つの互いに異なるタイプの検出要素を組み合わせて用いることにより、極めて正確であると共に極めて応答性の高い温度制御システムが得られる。全てのプロセス動作がこのレベルの温度測定精度及び制御性を必要としているわけではないということは注目されるべきである。かかる場合、より基本的な温度制御及び測定システムは、許容可能となろう。
【００５３】
この２要素方式を十分に利用するためには、特注のソフトウェアが、どのプロセス変数（温度、又は温度の変化率）が任意の一時点において最も重要であるかを判定するために用いられる。他の温度測定装置、例えば光学（例えば、赤外線）温度測定装置を用いてもよい。測定の速度は、システムの有効動作を得る上で重要である。
【００５４】
流量の正確な測定も又、効果的な動作を得る上で重要である。図４は、図３に示す反応器の流れ測定システムであって、多数のフローデバイス又は流量装置を採用した流量測定システムを示している。フローデバイス１６は、コイル９又はコイル９，１０が動作状態にあるときに流量を測定する低レンジ装置である。３以上のコイルが動作中である場合、フローデバイス１７はそのままであり、フローデバイス１６はアイドル状態に切り替わる。満足のゆく精度を達成するために任意の数の流れトランスミッタを用いることができる。一般的に、用いられるべきフローデバイスの数は、次のようにして計算すべきである。
【００５５】
〔数９〕
フローデバイスの数＝（Ｆmax−Ｆmin）／（Ｒ・Ｆmin）
上式において、Ｆmax＝最大流量（ｋｇ・ｓ-1）、Ｆmin＝最小流量（ｋｇ・ｓ-1）、Ｒ＝流量測定器具のターンダウン比である。
【００５６】
上記方程式は、質量流量を採用している。しかしながら、この装置は、システムが体積流量データを質量流量データに変換すれば、体積フローデバイスを用いることができる。これは、制御ソフトウェア（質量流量＝体積流量×液体の密度）によって自動的に行うことができる。敏感なシステムの場合（又は、広い温度範囲を持つシステムの場合）、液体密度の変化を補償する必要がある。液体密度に関する情報を手作業で制御システムに入力するのがよい。変形例として、制御ソフトウェアは、確立された数学的関係を用いて温度に基づく密度を計算してもよい。変形例として、質量流量装置を用いてもよい。
【００５７】
本発明では、反応器は一定温度で動作する。環境に対する温度の損失又は利得を反応活動度として記録する。システムは、導管相互間に直接的な熱伝達が生じないようなものであることが好ましい。導管がプロセス流体を通って延びる場合、プロセス流体それ自体は、導管相互間の直接的な熱伝達を防止するのに十分な断熱手段となる。しかしながら、導管が容器の壁であり又はその一部をなしている場合、導管相互間に断熱材を設けることが必要な場合がある。
【００５８】
本出願人の好ましいシステムでは、熱損失を考慮に入れるために３つの措置を用いる。
・熱損失を反応前にゼロ校正により補償する。
・熱損失を最小限に抑えるために容器を保温し又はボックス内に収納する。
・非常に感度の高いシステムの場合、断熱ボックスは、図５に示すように独立ループによって温度制御される。
【００５９】
図５の構造は、温度制御ボックス１９内に設けられた空気循環ファン１８を備える第２の加熱冷却ループを示している。断熱ボックス内の空気温度は、温度測定装置２０によって求められ、プロセス反応温度３１に維持される。これにより、環境への熱損失及び環境からの熱利得が無くなる。
【００６０】
システムに出入りする正味の熱流をモニタし又は制御する必要がある。液体（又は乾燥ガス）がシステムに入り又はこれから出る場合、これらは、反応温度の状態になければならない。もしそうでなければ、かかる液体（又は乾燥ガス）は、既知の比熱のものであって、温度および流量についてモニタされる必要がある。システムから運び出される蒸気は、大きな問題となる。ガス流量がかなり大きい場合、２つの選択肢を採用することができる。排ガスによる熱損失を試運転で測定し、計算において補償する。この解決策は、ガス発生が時間と共に変化するバッチ操作の場合注意深く利用されなければならない。したがって、バッチ操作の場合、反応器からのガス流量を測定し、情報を熱流データの状態に変換することが好ましい。
【００６１】
システムは、等温条件下で最も効率的に稼動する。しかしながら、かかるシステムをプロセス温度が変化する反応に用いることができる。この場合、システムの熱容量を次のようにして測定することが必要である。
【００６２】
〔数１０〕
ΣＭ・Ｃｐ＝（Ｍp・Ｃｐp）＋（Ｍc・Ｃｐc）
上式において、ΣＭ・Ｃｐ＝システムの熱容量（ｋＪ／℃）、Ｍp＝プロセス流体の質量（ｋｇ）、Ｃｐp＝プロセス流体の比熱（ｋＪ・ｋｇ-1Ｋ-1）、Ｍc＝プロセス流体と接触している設備の質量（ｋｇ）、Ｃｐc＝プロセス流体と接触状態にある設備の比熱（ｋＪ・ｋｇ-1Ｋ-1）である。
【００６３】
実際には、ΣＭ・Ｃｐを反応器を用いることにより計算することができる。これは、プロセス流体を加熱し又は冷却し、そして、プロセスにより吸収され又は放出される熱がない場合に所与の温度変化にわたって損失し又は得られる熱を測定することによって達成される。
【００６４】
〔数１１〕
ΣＭ・Ｃｐ＝Ｑ／（ｔs−ｔf）（ｋＪ／℃）
上式において、ΣＭ・Ｃｐ＝システムの比熱（ｋＷ／℃）、Ｑ＝追加され又は奪われた熱の測定量（ｋＪ）、ｔs＝加熱又は冷却開始時における温度（℃）、ｔf＝加熱又は冷却終了時における温度（℃）である。
【００６５】
この熱容量に関する情報をシステム中に送り、温度がプロセス中に変化する場合、補正率として用いることができる。熱容量に関する情報は又、有用なプロセスデータとして役立つ。
【００６６】
従来型反応器は、面積が一定の伝熱面（又は、場合によっては幾つかの要素、例えば、底部皿及び壁に設けられた別々の部分）を有している。これら従来型反応器は、ジャケット（又はコイル）への伝熱流体の大きく且つ一定の流量の場合に最も効率的に働く。プロセス温度は、伝熱流体の温度を変化させることにより制御される。本発明の好ましいシステムでは、伝熱面の面積は、反応の必要性に応じて変化させることができる（但し、伝熱流体の温度の或る程度のばらつきも又利用できる）。
【００６７】
可変面積の伝熱面を用いる伝熱流体の制御のための代表的な制御装置が図６に示されている。図６では、弁２１，２２は、伝熱コイルへの伝熱流体の流量を調整する制御弁である。これら制御弁が開く度合いは、反応器（又は容器）からの温度出力尺度によって決定される。プロセスがアイドル状態にある場合、弁２３は開いており、攪拌器からの熱利得を補償するのに十分な流量が得られる。負荷がプロセスに加えられると、弁２１は開いて多量の伝熱流体の流れを可能にする。弁２１があらかじめ設定された値（又は、流量が決定する時点）を超えて開いていると、弁２４が開き、弁２１は僅かに閉じて補償を行う。弁２１がその制御範囲の頂点に近づいても、弁２２はそのままである。弁２２が次第に開くと、弁２３〜弁２９がカスケード方式で開かれる。好ましい作動では、開放状態のコイルの場合の伝熱流体の速度の優れた一貫性は、弁がいったん開き、弁が開いたままであり、流量の調整が稼動状態にされるべき次のコイルに合わせて制限されることにより達成される。
【００６８】
流量制御弁の所要の数を、フローデバイス（上述した）の場合と同一の方法で計算することができる。
任意の数の制御弁を使用することができ、これら制御弁を直列（図示のように）又は並列に設けることができる。この好ましいシステムでは、弁２１，２２が開く程度は、プロセス負荷によって定められる。オンオフ弁（この弁は、コイルをターンオンしたりターンオフする）の数は、制御弁の位置又は流量測定値のいずれかによって決まる。
【００６９】
上述したような流量制御弁を用いた場合の欠点は、これら流量制御弁が外部源からの熱流の望ましくない変動を生じさせることにある。この好ましい代替手段は、一定圧力に保持される大形供給マニホルドである。これにより、開放状態のコイルが一定流量及び一定温度にある伝熱流体を常時見るようになる。この場合、新たに開いたコイルだけが、流量制御を受ける（流量調整又はオンオフ制御により）。この制御システムの別の改良は、英国特許出願第０１２１３７５．０号明細書の発明内容である。
伝熱流体を一定圧力及び一定温度で制御設備に与える。或る場合には、温度も又、動作範囲を増大させる必要がある場合には変化させることができる。
【００７０】
本発明の重要な要件は、信頼性である。これは、現行の良好な製造方式（ｃＧＭＰ）により装置が指定された設計パラメータの範囲内で動作することが定められている医薬品用途では特に重要である。
【００７１】
校正手段をもたらすため、そして性能チェックとして、反応器は、電気ヒータ（又は他の或る形式の基準ヒータ）を備えるのがよい。測定された電流をヒータに供給することにより、システムを校正し、性能をチェックする信頼性の高い基準負荷が提供される。医薬品用途では、制御及びデータ収集システムはソフトウェアと一緒に、ｃＧＭＰ基準を満たすよう実証されるべきである。
【００７２】
装置は、従来型計装とプロセス専用計装の両方を組み込んでいる。これらプロセス専用器具は、従来型計装と比較して、通常の精度よりも高い精度で動作する。図９は、
・プロセス温度ＲＴＤ器具３１と、
・プロセス温度熱電対器具３２と、
・伝熱流体の温度差測定器具６，７，８と、
・伝熱流体流量計１６，１７と
から成る代表的なプロセス計装の略図である。
【００７３】
プロセス温度ＲＴＤ器具３１及び伝熱流体温度差測定器具６，７，８の場合、ＲＴＤセンサを温度トランスミッタにマッチさせた結果として、顕著な改良を達成できる。ＲＴＤセンサの固有の特徴は、各装置に対して固有である。この情報をトランスミッタに記憶させることにより、精度の向上が達成される。この方式で用いられる定数は、カレンダー−フォンデューセン（ＣＶＤ）定数と呼ばれている。本発明は、その計装の精度を高めるために追加の校正段階を用いている点で特徴的である。例えば、ＣＶＤ方法を高精度ＲＴＤ（代表的には、class B to  1/10th DIN標準型）の使用と結合すると、プロセス特有の校正を実施して精度の一段の向上を図ることができる。
【００７４】
「プロセスに固有の校正」（例えば、最適反応温度）という用語は、器具が特にその通常のプロセス設定値で校正されること、測定システムの誤差が調節されてこの動作点において、最もよい精度が達成される（通常校正された器具の場合、最もよい精度は通常、最大校正範囲で又はセンサの特性により定められた点で与えられる）ことを意味している。例えば、プロセスが３５℃で制御される場合、器具３１は、僅かな範囲にわたり、即ち、２５〜４５℃にわたって校正される。さらに、器具は、３５℃で校正され、この特定の温度で、測定システムの誤差が達成可能な最小値であるように調節される。器具ループの校正は、いったん据え付けられて制御システムに接続されると、完全な設備として認められ、制御システムの誤差が補償される。制御システムのハードウェアは、誤差を最小限に抑え（精密コンポーネントを用いなければならない）、かくして精度を最適化するよう設計されている。これと同様に、計器設備は、測定誤差を最小限に抑えるようなものでなければならない。これら追加の段階を用いると、可能な限り最大の校正精度を達成することができる。
【００７５】
プロセス温度熱電対３２を同様な仕方で校正するが、これは温度とは対照的に温度の変化率を測定するために用いられるので、その全体的な精度は（依然として有用ではあるが）重要性は低い。高精度熱電対が利用される場合、これら高精度熱電対を主要測定要素として用いることができる。
【００７６】
伝熱流体温度差測定器具６，７，８も又、これと同一の方式を採用して最もよい校正精度が達成されるようにする。
【００７７】
伝熱流体流量測定器具１６，１７の場合、この方式はこの場合も又同様である。この場合における校正は、好ましい流量の場合に最もよい精度が達成されることを強調した上で、狭い動作範囲にわたって実施する。比較的狭い動作範囲、例えば、０〜１、１〜２、２〜３等にわたって校正された多数の器具を用いることにより、範囲０〜３にわたって校正された単一の器具を用いる場合よりも精度の顕著な改良が達成される。最もよい精度は、器具スパンの８０〜９０％の通常の流量で適当に寸法決めされた器具を用いることによって達成される。この場合も又、器具ループの校正は、いったん据え付けられて制御システムに接続されると、完全な設備として認められ、制御システムの誤差が補償される。制御システムのハードウェアはこれ又、誤差を最小限に抑え、かくして精度を最適化するよう設計されている。
【００７８】
熱測定装置の定期的な校正を次のように幾つかの段階で実施することができる。
最初の段階は、ゼロ校正である。正確な作動のためには、ゼロ校正は、利用される各タイプのプロセスについて行われなければならない。これにより、制御システムは、「非プロセス」エネルギ変化（例えば、環境への熱利得及び熱損失、攪拌器等からのエネルギ利得）を補償することができる。容器を液体で満たし、攪拌器のスイッチをオンにする。次にこれを反応温度まで加熱する。温度が動作温度で安定すると、加熱／冷却システムは、非プロセスエネルギ変化を補償するよう非常に低レベルで機能することになる。制御システムは、これら条件下で零点調整される。
【００７９】
第２段階は、システムの範囲を定めてこれをスパンすることである。これは、基準ヒータ又はクーラで加熱又は冷却することにより行われる。これは、電気ヒータ又は独立加熱／冷却コイルの形態をしているのがよい。加熱（又は冷却）は、システムの範囲を定めこれをスパンするために幾つかの互いに異なるエネルギ入力レベルで行われる。
変形例として、器具を個々に試験してもよく、この場合、上述のプロセスの第２段階は必要でない場合がある。
【００８０】
本発明者は、本発明の反応システムがバッチ式化学合成反応器として極めて有用であることを発見した。本発明者は又、本発明により、同一サイズの機械を、開発、パイロットプラント及び完全製造目的で用いることができることを発見した。
本発明の可変面積伝熱反応器は、速い発熱反応の場合に理想的であり、この場合、かかる反応器は、従来バッチ反応として行われたプロセスに関し小形連続流反応器として動作することができる。大形の従来型バッチ式反応器とは異なり、反応が連続的にモニタされるのでこのモードで動作することができる。変換効率の低下は、即座に検出され、前進流が停止される。このシステムの構造が図７に示されている。変形例として、図７に示す容器は、熱交換器（攪拌器なし）であってもよく、この場合、乱流はプロセス流体の液圧経路を絞ることによって達成される。このモードで動作する場合の利点はいろいろある。この種の用途に関する反応器の資本費は、従来型反応器よりも実質的に低い。加うるに、高いスループットを達成することができる。この種の装置は又、反応体の在庫が従来型反応器に必要なレベルよりも非常に僅かにすることができるので危険な反応について理想的である。この装置は又、未消費の反応体が堆積し始める場合、試薬の追加を停止するようプログラムできる。
【００８１】
図１０は、本発明で用いることができるプレート（平板）熱交換器の概略分解図である。図１１は、図１０のプレート熱交換器のプレート（平板）３３，３４，３５，３６を通る伝熱流体の流れを示し、図１２は、プレートヒータを構成する種々のプレートへの伝熱流体の流量を制御するために用いることができる弁システムを示している。
【００８２】
プレート熱交換器は一般に、数枚の密に間隔を置いた互いに平行なプレートで構成され、図１０は、プレート内で利用可能な流体流路を示すよう分解して互いに離した状態の４枚のかかるプレート３３，３４，３５，３６を示している。本発明によれば、プレートは、開口部の設けられた管３７，３８を備え、これら開口部は、伝熱流体が特定のプレートに入るのを可能にし又は阻止するよう開閉できる。弁システム３９，４０，４１，４２，４３が設けられていて、かかる弁システムは、管３７，３８に沿って前後に摺動し、かくして個々のプレートへの入口を開くと共に（或いは）閉じることができるようプランジャ４２，４３を有している。このように、弁システムは、本発明による温度制御を可能にするよう反応によって生じ又は消費される熱の測定に応じて動作させることができる。
【００８３】
図１３は、導管９，１０，１１，１２，１３，１４，１５が容器１の壁の一部を形成している変形システムを示している。図２の場合と同様、符号２は、プロセス流体であり、符号３０は、伝熱流体である。導管を、単一の成形シート４４内に形成することができ、この場合、棘状突起が導管相互間に形成されていて、導管相互間の熱伝達を防止するようになっている。反応器は、外部断熱ジャケット４５を更に備えている。反応前後における伝熱流体の温度変化を、上述した方法で測定することができ、これから得られた情報を用いて導管を図２〜図６の反応システムについて説明したように稼動させたり稼動停止させる。
【００８４】
本発明は、多量の液体が保持される反応を含む緩慢な発熱反応に有用である。これら反応器では、データが得られ、分析され、そして上述の連続反応器と類似した方法で用いられる。緩慢な反応のためにこの装置を用いた場合の利点は、未反応化学物質の堆積を阻止するようコンポーネントの追加量を調節できるということにある。また、反応の終点を突き止めることができ、これにより、プラントの利用度が相当節約される。というのは、製品をこれが重要な品質管理目的を達成しているという自信を持って送り進めることができるからである。或る場合には、終点の正確な突き止めにより、製品の品質及び歩留りが向上する。本発明は又、エネルギの効率を高めると共に反応体の無駄を少なくした状態で良好な反応歩留りを可能にする。
【００８５】
プロセス流体と伝熱流体との間の熱の伝達速度は、全体的な熱伝達係数（Ｕ）によって定まる（部分的に）。Ｕの値が大きければ大きいほどそれだけ一層必要な熱伝達面積が小さくなる。Ｕの値を次の３つの成分から計算できる。
【００８６】
プロセス流体境界層中の伝熱抵抗
コイル壁中の伝熱抵抗
伝熱流体の境界層中の伝熱抵抗
境界層は、導管、好ましくは、コイル、壁の各側における液体のよどんだ層である。攪拌（又は液体の流れ）を早くすると、それだけ一層境界層が薄くなる。かくして、流量を多くすると、良好な伝熱が得られる。また、熱伝導率が良好な液体を用いると、境界層を通る良好な熱伝達が得られる。
【００８７】
導管、好ましくはコイル及び壁前後における伝熱メカニズムは、熱が伝わらなければならない距離が一定であることを除き（境界層とは異なり）実質的に同一である。コイル材料が高い熱伝導率を有している場合、高い伝熱量が達成される。高い伝熱量は又、コイル材料が薄い場合にも達成される。
【００８８】
かくして、高いＵ値は、薄い導管、好ましくはコイル、材料（高い熱伝導率を持つ材料）と両方の液体における乱流状態の両方を必要とする（乱流の度合いが大きければ大きいほど、それだけ一層良好である）。Ｕ値が高ければ高いほどそれだけ一層伝熱に必要な面積が小さくなる。これは、より短い伝熱コイルを意味している。
したがって、機械的強度及び腐食許容度を犠牲にしないで考えられる限り最も薄い壁の導管、好ましくはコイルを用いることが好ましい。代表的な肉厚は、１／２〜４ｍｍである。
【００８９】
導管、好ましくはコイルの構成材料は、重要ではないが、プロセス流体に対して不活性であることが必要である。好ましい材料としては、非腐食性有機流体についてはステンレス鋼、塩素化溶剤又は他の腐食化合物を用いる大抵の反応についてはハステロイＣ（２２又は２７６）又はこれに類似した合金が挙げられる。タンタル及びチタンは、特定の腐食条件が存在する場合に適している。或る用途では、他の材料、例えばプラスチック、ガラス、ガラス内張り鋼又はセラミックスを使用できる。
本発明の方法は、物理的変化による熱、例えば、結晶化や蒸発による熱を測定するのに用いることができる。
【００９０】
本発明は、本出願人の英国特許出願第０１２１３７５．０号明細書に記載された温度制御手段を採用するのがよく、かかる温度制御手段は、温度が制御されるべき媒体中の温度測定装置に応じて流体に対して開閉される列状に配列された導管を採用している。導管への伝熱流体の流量も又、多ポート流量制御弁、例えば、本出願人の英国特許出願第０１２１０７１．５号明細書に記載されている多ポート流量制御弁によって制御できる。
【００９１】
加うるに、本発明の反応システムは、英国特許出願第０１１０２９３．８号明細書に記載された方法を用いて校正できる。本発明の反応システムで使用可能な制御システムは、英国特許出願第０１１０２９５．３号明細書に記載されている。
以下の実験例は、伝熱コイルの寸法決めを示しているが、以下は例示に過ぎない。
実験例１は、例えば図１に用いられる個々の伝熱コイルの寸法決めを示している。実験例２及び実験例３は、本発明による多伝熱コイルシステムの寸法決め及び使用法を示している。
【００９２】
これらの例において、用いられる数のうち幾つかは、任意であり、例示の目的で選択されているに過ぎない。実験例は、発熱反応が起こるバッチ式反応器用のコイルの寸法決めを示している。この場合、理論的反応試薬Ａを製品Ｂと反応させると、以下のように新たな化合物Ｃが生じる。
【００９３】
〔数１２〕
Ａ＋Ｂ→Ｃ
上式において、Ａ＝Ａのｋｇ、Ｂ＝Ｂのｋｇ、Ｃ＝Ｃのｋｇである。
放出熱ΔＨｒは次のとおりである。
【００９４】
〔数１３〕
ΔＨｒc＝１，０００（ｋＪ／ｋｇc）（１）
バッチ式反応器をあらかじめ成分Ｂで満たす。成分Ａをゆっくりと追加する（変形例として、２つの成分を所望の比で反応器を通って連続的に圧送してもよい）。この実験例の目的上、これは速い反応であり、成分Ｂは、Ａと接触時にすぐにこれと反応する。したがって、放出された熱は、追加量（Ａの追加量）に比例している。追加量が０．００１ｋｇ／秒のＣを生じるようなものである場合、次式が成り立つ。
【００９５】
〔数１４〕
反応器の熱負荷（ｑ）＝０．００１×１，０００＝１ｋＷ
反応は又、一定温度で起こり、冷却用流体に対する熱負荷も又１ｋＷであるとみなされる。
【００９６】
図８は、伝熱流体３０が流通するプロセス流体２内に設けられた代表的な加熱／冷却コイル、例えば、図１に示すコイル３の概略断面図である。
【００９７】
実験例１
伝熱コイル３は、２つの機能を実行し、即ち、これはプロセス温度を制御すると共に放出された（又は吸収された）熱の量を測定し、この実験例の目的上、項ｔsiは、入口温度の測定値に用いられ、ｔsoは、伝熱流体の出口温度について用いられる。効率的な操作を得るためには、２つの要因を満足する必要がある。
ｉ．伝熱流体の温度変化（ｔsi−ｔso）は、良好な測定可能な差をもたらすほど大きくなければならない。この実験例の場合、伝熱流体の温度変化（ｔsi−ｔso）について１０℃を選択した。
ｉｉ．一般に、伝熱流体とプロセス流体との温度差は、できるだけ高くなければならないが、沸騰、焼き付き又は凍結がパイプ表面について生じるほど高いものであってはならない。反応温度は３０℃（ｔp）であると仮定する。また、使用流体をシステムに送り出すことができる最も低い温度は、５℃（外面上での凍結を回避するため）であると仮定する。かくして、使用流体の入口温度（ｔsi）は５℃であり、出口温度（ｔso）は１５℃である（なぜならば、（ｔsi−ｔso）は１０℃だからである）。
（ｔsi−ｔso）についていったん選択を行うと、伝熱流体の質量を次のようにして求めるのがよい。
【００９８】
〔数１５〕
ｍ＝ｑ／Ｃｐ（ｔsi−ｔso）（１）
上式において、ｍ＝伝熱流体の質量流量（ｋｇ／ｓ）、ｑ＝伝熱流体により得られた熱＝１（ｋＷ）（この例では、１ｋＷは、反応熱である）、Ｃｐ＝伝熱流体の比熱＝１．６ｋＪ・ｋｇ-1・Ｋ-1（合成伝熱流体の選択に基づいて）、ｔsi−ｔso＝伝熱流体の温度変化（１０℃に選択されている）である。
かくして、方程式（１）から、質量流量（ｍ）＝１／１．６×１０＝０．０６２５ｋｇ／ｓである。
【００９９】
伝熱流体の密度＝８４０ｋｇ／ｍ3であると仮定する。
かくして、流体の体積流量（Ｗ）＝０．０６２５／８４０＝０．００００７４ｍ3／ｓである。
【０１００】
コイルの幾何学的形状及び伝熱流体の速度を最適化することは、反復法である。熱交換コイルを通る伝熱流体の速度が低いと、制御及び測定レスポンスが不良になる。また、速度が低いと、その結果として、伝熱流体の熱質量と熱負荷の比が大きくなる。これは、温度測定値の誤差を大きくする傾向がある。高い液体速度が望ましい。というのは、これにより、迅速な制御レスポンス及び熱質量と熱負荷の良好な比が得られるからである。しかしながら、速度が増大すると、コイル前後の圧力降下が大きくなる。
【０１０１】
したがって、最適なコイルは、過度の圧力降下を生じさせないで、適度の伝熱面積をもたらすのに足るほど長いものであろう。直径が小さすぎる場合、圧力降下は高すぎることになろう（高い液体速度及び長いパイプ長さに起因して）。直径が大きすぎる場合、液体速度は低すぎることになろう。
【０１０２】
この実験例では、４ｍｍ直径のパイプに基づいた初期計算が次のように最初の反復について行われる。
口径が４ｍｍのパイプを通る０．００００７４ｍ3／ｓの流量では、伝熱流体の圧力降下は、１．２４バール／ｍ（合成伝熱流体に基づいて）であると計算される。
パイプ長さは、次の関係式から計算される。
【０１０３】
〔数１６〕
Ｌ＝Ａ／πＤ
上式において、Ｌ＝パイプ長さ＝（ｍ）、Ａ＝パイプの表面積（ｍ2）、Ｄ＝パイプ直径＝０．００４（ｍ）、π＝３．１４１６である。
熱交換器がプレート形のものである場合、パイプ長さに等価なパラメータは、プレートを通る伝熱流体の流路であり、計算に対する適当な修正が必要であろう。
反応の制御に必要な表面積（Ａ）は、次のようにパイプの熱伝達容量から求められる。
【０１０４】
〔数１７〕
Ａ＝ｑ／Ｕ・ＬＭＴＤ（ｍ2）
上式において、Ａ＝パイプの表面積（ｍ2）、Ｕ＝総合熱伝達係数＝０．７３０（ｋＷ・ｍ-2・Ｋ-1）（有機プロセス流体及び合成油伝熱流体についての推定値）、ＬＭＴＤ＝［（Ｔp−ｔsi）−（Ｔp−ｔso）］／Ｉｎ［（Ｔp−ｔsi）／（Ｔp−ｔso）］（℃）（プロセス流体と使用流体の対数平均温度差）、又、Ｔp＝３０、ｔsi＝５、ｔso＝１５  かくして、ＬＭＴＤ＝１９．６（℃）である。
したがって、Ａ＝１／（０．７３０×１９．６）＝０．０７ｍ2（ｍ2）である。
したがって、Ｌ＝０．０７／（３．１４１６×０．００４）＝５．６（ｍ）である。
ライン前後の圧力降下＝５．６×１．２４＝６．９バールである。
線速度も又、次のように連続方程式を用いて計算できる。
【０１０５】
〔数１８〕
Ｖ＝Ｗ／Ａ
上式において、Ｖ＝線速度（ｍ／ｓ）、Ｗ＝体積流量（ｍ3／ｓ）、Ａ＝パイプの断面積（ｍ2）である。
かくして、Ｖ＝０．００００７４／（π×０．００４2／４）＝５．９（ｍ／ｓ）である。
【０１０６】
この計算の結果の概要が以下の表１に示されている。
〔表１〕
表１
コイルデューティ  １ｋＷ
パイプ直径        ４ｍｍ
液体流量          ０．０７４ｌ／ｓ
液体速度          ５．９ｍ／ｓ
パイプ長さ        ５．６ｍ
圧力降下          ６．９バール
【０１０７】
この表は、直径が４ｍｍのコイルが１ｋＷの熱を発生させる反応で動作できるが、これは非常に大きな圧力降下（伝熱流体の圧力降下）を犠牲にして動作していることを示している。１ｋＷを超えるプロセス負荷の僅かな増大は、非常に高い流量及び長いコイルを必要とし、その結果、許容できないほど高い圧力降下が生じることになる。かくして、例示の目的でのみ選択された条件下においては、１ｋＷの負荷では、直径が４ｍｍのコイルは、その動作範囲の上限に位置する。
【０１０８】
したがって、内径が５ｍｍの大径のパイプ直径が、第２の反復法で選択される。
口径が４ｍｍのパイプを通る０．００００７４ｍ3／ｓの流量では、伝熱流体の圧力降下は、０．４２バール／ｍ（合成伝熱流体について行われる標準型の圧力降下計算に基づく）である。
【０１０９】
パイプ長さはこの場合も又、次の関係式から計算される。
〔数１９〕
Ｌ＝Ａ／πＤ
上式において、Ｌ＝パイプ長さ＝（ｍ）、Ａ＝パイプの表面積（ｍ2）、Ｄ＝パイプ直径＝０．００５（ｍ）、π＝３．１４１６である。
所要面積（Ａ）は、第１の反復法で用いられたのと同一の以下の方程式を用いてパイプの伝熱容量から求められる。
【０１１０】
〔数２０〕
Ａ＝ｑ／Ｕ・ＬＭＴＤ（ｍ2）
しかしながら、５ｍｍのコイルでは（Ｕの値はこの場合には小さい（０．６６ｋＷ・ｍ-2・Ｋ-1）であることに注目されたい）、これは、使用流体の速度の減少に起因している（これにより、高い使用側における境界層抵抗が与えられる）。
【０１１１】
〔数２１〕
Ａ＝１／（０．６６×１９．６）＝０．０７７ｍ2
【０１１２】
〔数２２〕
Ｌ＝０．０７７／（３．１４１６×０．００５）＝４．９ｍ
ラインを通る圧力降下＝４．９×０．４２＝２．１バール
また、新たな速度を以下のようにして計算し、即ち、Ｖ＝０．００００７４／（π×０．００５2／４）＝３．８（ｍ／ｓ）
この第２の計算の結果が表２に示されている。
【０１１３】
〔表２〕
表２
コイルデューティ  １ｋＷ
パイプ直径        ５ｍｍ
液体流量          ０．０７４ｌ／ｓ
液体速度          ３．８ｍ／ｓ
パイプ長さ        ４．９ｍ
圧力降下          ２．１バール
【０１１４】
したがって、直径が５ｍｍのコイルは、良好な線速度及び適度の圧力降下をもたらす。したがって、かかるコイルは、この実験例の目的で用いられる反応についての動作条件として有用である。速度も又、最小の好ましい値（１ｍ／ｓ）よりも十分に高い。
【０１１５】
実際に用いるためには、伝熱コイルは、１つの特定の伝熱流に制限されるのとは異なり、或る範囲の条件にわたって動作することが必要である。表３は、種々の条件下（有機プロセス流体及び合成伝熱油について）における直径５ｍｍのコイルの性能を示している。この表における１つの不変な事項は、コイルを通って流れる伝熱流体の温度変化（ｔsi−ｔso）が常時１０℃であるということにある。
【０１１６】
〔表３〕
表３
直径が５ｍｍのコイルについてのコイル長さの計算値
圧力降下  熱容量  流量  速度  LMTD 5℃  LMTD10℃  LMTD15℃  LMTD20℃  LMTD25℃
(bar/m)    (W)    (l/s) (m/s)   (m)       (m)        (m)      (m)       (m)
0.1       457    0.033  1.7     8.9      4.4        2.9      2.2       1.8
0.25      761    0.055  2.8    12.4      6.2        4.2      3.0       2.5
0.50     1,121   0.081  4.1    17.2      8.6        5.7      4.3       3.5
0.75     1,439   0.104  5.3    20.8     10.4        6.9      5.2       4.2
1.00     1,660   0.120  6.1    23.6     11.8        7.9      5.9       4.8
【０１１７】
表３の第１列は、流量が所与の場合のコイル前後の圧力降下（コイル１メートル当たり）を示している。第２列は、１０℃の温度変化に基づくコイルの加熱又は冷却容量を示している。第３列及び第４列は、液体の体積流量及び速度を示している。最後の第５列は、引き合い出されたＬＭＴＤの値について必要な最小コイル長さを示している。これらの列の最上部に記載されたＬＭＴＤ温度値は、伝熱流体とプロセス流体の対数平均温度差を表している。
【０１１８】
表３から理解できることとして、互いに異なるコイル長さがプロセス熱負荷及びプロセス流体と使用流体の対数平均温度差に応じて用いられている。表３は、大きな温度差が短いコイル長さを必要とするので有利であることを示している。
表３から、良好な汎用コイルは、長さが５．９メートルである。これは、所要のコイル長さが５．９メートル以下である場合、表３中に記載されたデューティの任意のものに役立つことができる。プロセス流体と伝熱流体との温度差が少なくとも２０℃であると仮定すると、これは１．６６ｋＷのプロセス負荷に適している。これらの条件下において、コイル前後の圧力降下は、５．９バールである。
【０１１９】
コイルは又、適当な伝熱面積及び最低０．４６ｋＷまでの熱負荷で妥当な制御レスポンスをもたらす。低速度は許容できるが、制御システムは、流量が低いと次第に緩慢になる。また、速度が低いと、その結果として、熱質量（伝熱流体の熱質量）と熱負荷の比が大きくなる。これは、温度測定値の誤差を大きくする傾向がある。したがって、液体速度が高いことが望ましい。というのは、これにより、速い制御レスポンス及び熱質量（伝熱流体の熱質量）と熱負荷の良好な（小さな）比が得られるからである。
【０１２０】
上述の理由で、高い伝熱流体の速度が全体として望ましい。しかしながら、非常に高い圧力降下は又、乱流及び摩擦に起因して大きなエネルギを生じさせる。また、液体をパイプを通ってどのように圧送できるかについては実際的な装置の制約がある。実験例１の単一のコイルシステムは有用であるが、これには欠点がある。
【０１２１】
実験例１の示すように、単一のコイルは、最適動作範囲を有している。これは、或る範囲の伝熱量を測定できるが、欠点がある。表３に示すように、１，１２１Ｗを超える伝熱量では、コイル前後の圧力降下は、次第に長いパイプ及びパイプの１メートルの長さ当たりの圧力降下が高いことを必要とするので迅速に増大する。
【０１２２】
単一コイルの欠点は次のように説明できる。
１０℃のＬＭＴＤ（プロセス流体と使用流体の対数平均温度差）で動作する長さが６．２メートルのコイルは、４５７〜１，１２１Ｗの呼称動作範囲を有している。最大負荷では、コイル前後の圧力降下は、１．５５バールである。このコイルを同一条件下で１，６６０Ｗの熱負荷で使用した場合、このコイルは、長さが１１．８メートルでなければならず、これに対応した圧力降下は、１１．８バールである。同一条件下において、ＬＭＴＤを５℃に減少させると、パイプは、長さが２３．６メートルであることが必要であり、その結果生じる圧力降下は、２３．６バールになろう。
【０１２３】
入口温度（ｔsi）を変化させることによりコイルの動作範囲を増大させることができるが、欠点がある。温度差（ｔsi−ｔso）を減少させると、システムは、温度測定装置の限界に起因して、次第に正確さが小さくなる。温度差（ｔsi−ｔso）をあまり大きくすると、プロセス流体の凍結（又は、熱がプロセス流体によって吸収された場合、表面沸騰又は熱による損傷）が生じる恐れがある。
【０１２４】
使用流体流量及び供給温度は共に動作範囲を変更するよう変えることができるパラメータであるが、信頼性の高い制御方法が、一度に一方の制御パラメータを用いることが好都合である（そして、ステップは、必要に応じて他方を変更する）。
【０１２５】
実験例１に示す直径が５ｍｍのコイルは、約２．５（１，１２１／４５７）のターンダウン比をもたらす。コイル前後の温度差（ｔsi−ｔso）を１０℃から２０℃に大きくすると、ターンダウン比は、５に増大する。システムの動作範囲を増大させる別の方法は、多数のコイルをカスケード方式で用いることであり、これにより、可変面積伝熱面が得られる。かかるシステムについて以下に説明する。
システムの動作範囲を増大させる方法は、本発明による可変面積伝熱方式を用いると共に多数のコイルをカスケード方式で使用することにある。かかるシステムは、実験例２に示されており、この場合、実験例１に示すコイル寸法決めの原理は、一連のコイルに適用される。
【０１２６】
実験例２
実験例２は、例えば図２及び図３に示す多コイルシステムを利用した可変面積伝熱システムの設計例を示している。実験例１の場合と同様、冷却（又は加熱）コイルシステムは、プロセス温度を制御すると共にコイルを通る質量流量、温度変化（ｔsi−ｔso）及び伝熱流体の比熱に関する情報を用いて得られる又は失われた熱を連続的に測定する。
実験例２は、反応器が５００〜１５，０００Ｗの範囲で熱を生じさせる発熱反応を取り扱うのに必要であることを示している。この大きさの範囲は、実験例１に示す単一熱伝達コイルシステムの動作能力を超えている。しかしながら、かかる反応器は、この実験例（長さが各々１１．８ｍの同一のコイルが用いられる）に示すような多数のコイルをカスケード方式で用いると効果的に動作可能である。１つのコイルが１．７ｍ／ｓの伝熱流体で動作する場合、４５７Ｗの熱負荷が、１０℃の使用流体の温度上昇（ｔsi−ｔso）をもたらす。同一条件下においては、伝熱流体の速度を６．１ｍ／秒に増大させると、容量は１，６６０Ｗまで高くなる（表３参照）。２つのコイルを最大流量で用いる場合、容量は、３，３２０Ｗである。コイルをこのように追加することにより、大きな熱負荷を測定できる。例えば１０個のコイルを最大流量で用いる場合、容量は１６，６００Ｗである。したがって、このシステムは、約３６（１６，６００／４５７）のターンダウン比をもたらす。したがって、流体の速度及びコイルの数を変えることにより、広い範囲にわたり高い精度で熱容量を測定することができる。
【０１２７】
これまでに説明した装置の性能としてのターンダウン比は、最高３６である。実際問題として、１，０００以上のターンダウン比が望ましい場合がある。これは、終点を高精度で確認する必要があるバッチ反応で重要な場合がある。変形例として、高いターンダウン比は、バッチから連続操作に切り替わるプロセス作業にとって有用である。他の場合、同一の装置を幅広く変化するエネルギ放出（又は吸収）量の多くの用途で用いられる。上述した個々のコイルのターンダウン性能（温度、流量）により、システムを互いに異なる動作条件に適合させることができる。しかしながら、通常の動作では、各導管への一定の流量及び温度が望ましいことは認識されなければならない。この理由で、多数の導管が、可変面積方式の制御を最もよく示している（得られる利点の全てを備える）。先に説明した装置は相当広範な用途を有しているが、この種の用途には欠点がある。というのは、実現困難なほど多くの数のコイルが必要だからである。したがって、本発明の変形実施形態は、実験例３に示すように有効伝熱面積を変化させる複数のコイルを用いている。
【０１２８】
実験例３
表４は、漸変直径及び漸変長さの一連のコイルの伝熱能力を記載している。
〔表４〕
2004535282.tif 000003
【０１２９】
動作範囲に到達するため、実験例２の場合と同様、ＬＭＴＤを１０℃とし、（ｔsi−ｔso）を１０℃とする。表４の２番目及び３番目の列に記載された範囲の限界値は、伝熱流体の最小流量及び最大流量についての計算値を表している。最小流量は、結果的に０．１バール・ｍ-1の圧力降下（使用流体の圧力降下）を結果的にもたらす流量であり、最大流量は、結果的に１バール・ｍ-1の圧力降下（使用流体の圧力降下）をもたらす流量である。
【０１３０】
コイル直径と長さのこの組み合わせは、非常に高いターンダウン比をもたらすことができるシステムを提供する。例えば、６個のコイルを使用する反応器は、４Ｗ以下、最高５，０００Ｗまでで動作するよう設計できる。表５は、漸変直径の６個のコイルの累積能力を示している。
【０１３１】
〔表５〕
2004535282.tif 000004
【０１３２】
各コイルは、表４に示す最大長さについて寸法決めされている。６個のコイルの呼称ターンダウン比は、９８４である。
【０１３３】
（ｔsi−ｔso）を直径が１ｍｍの単一のコイルが動作しているときに５℃まで段階的に小さくすると、呼称ターンダウン比は１，９６７（２−３，９３４Ｗ）まで増大する。
【０１３４】
（ｔsi−ｔso）を全てのコイルが動作しているときに２０℃まで段階的に上昇させると、呼称ターンダウン比は３，９３４（２−７，８６８Ｗ）まで増大する。
【０１３５】
上述の６コイル構成は、良好な動作範囲をもたらす。しかしながら、スムーズな熱流量の移行を達成するため、コイルの開放は達成が困難である。６コイルシステムに関し２つの選択肢がある。第１の選択肢として、供給圧力又は温度を変化させて中間加熱／冷却能力をもたらすのがよい。変形例として、オンオフ弁をより複雑な順序で動作させてもよい。しかしながら、好ましい解決策は、より多くのコイルを用いることである。例えば、直径が１ｍｍのコイルを１０個、直径が２ｍｍのコイルを１０個及び直径が３ｍｍのコイルを１０個用いるのがよい。
【０１３６】
したがって、本発明により、単一設計の反応器で非常に広い動作範囲を得ることができる。
【０１３７】
或る場合には、パイプが開かれると、好ましい流体速度範囲で動作できるようにするために過酷な分析がより多くのオーバーラップ（動作範囲の観点で）を必要とする場合がある。
【０１３８】
本発明を用いると商用化学的及び物理的反応システムの動作を向上させることができる。しかしながら、本発明は又、性能が同等な商業的スループットでかなり小形の反応システムを提供するよう利用できる。例えば、本発明により、反応器の寸法を１０分の１にすることができ、或る場合には、１００分の１以下にすることができる。
【０１３９】
特に、本発明は、次の現行の商用システムに適用できる。
・１０〜２０，０００リットルの反応器で現在実施されているバッチ有機合成反応。
・１０〜２０，０００リットルの反応で現在実施されているバルク医薬品合成反応。
・１０〜２０，０００リットルの反応で現在実施されているバッチ重合反応。
・不安定な材料（自己加速暴走反応の影響を受け易い化合物）について現在使用されている１０〜２０，０００リットルのバッチ合成反応。
・１０〜２０，０００リットルの反応で現在実施されているバッチ無機合成反応。
上記方法は又、大規模化学及び石油化学操作で有用である。
【０１４０】
この方法は又、研究及び開発用途の別の熱量測定法として有用であろう。この能力では、これは、容量が１ｍｌ〜１０リットルの装置で吸熱反応による熱量測定に使用される。この方法は又、小規模反応用途に使用できる。この能力では、これは、容量が１ｍｌ〜１０ｍｌの反応装置に使用される。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】単一の伝熱コイル（指定された直径のもの）を備えた反応容器の略図である。
【図２】本発明による伝熱面積可変方式の３つの伝熱コイルを備えた性能が同等の反応器の略図である。
【図３】コイルを利用した７コイルシステムと関連した３つの温度差測定装置を示す略図である。
【図４】図３に示す反応器の流れ測定システムであって、多数のフローデバイス又は流量装置を採用した流量測定システムを示す略図である。
【図５】温度制御ボックス内に設けられた空気循環ファンを備える第２の加熱冷却ループを示す構成図である。
【図６】可変面積の伝熱面を用いる伝熱流体の制御のための代表的な制御装置を示す構成図である。
【図７】本発明の変形例よる熱交換器を示す略図である。
【図８】伝熱流体が流通するプロセス流体内に設けられた代表的な加熱／冷却コイル、例えば、図１に示すコイルの概略断面図である。
【図９】プロセス温度ＲＴＤ器具と、プロセス温度熱電対器具と、伝熱流体の温度差測定器具と、伝熱流体流量計１６，１７とから成る代表的なプロセス計装を示す略図である。
【図１０】本発明で用いることができるプレート（平板）熱交換器の概略分解図である。
【図１１】図１０のプレート熱交換器のプレート（平板）を通る伝熱流体の流れを示す概略図である。
【図１２】プレートヒータを構成する種々のプレートへの伝熱流体の流量を制御するために用いることができる弁システムを示す斜視図である。
【図１３】導管が容器の壁の一部を形成している変形システムを示す概略図である。
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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