Brevet FR2306008A1 — publié le 19761029

La présente invention concerne un appareil pour préparer un polymère de condensation formant des fibres de haute qualité et de poids moléculaire élevé; plus particulièrement, elle concerne un appareil commandé par calculateur pour préparer un polyester de téréphtalate de polyéthylène de haute qualité et de fort poids moléculaire adapté à un traitement en fibres, en film, ou articles d'autres formes. Le présent appareil comprend au moins deux réacteurs connectés en série, pour la polycondensation du polyester de téréphtalate de polyéthylène (PET) fondu . Chaque réacteur comprenant des moyens réglables tels qu'une valve réglable actionnée par air pour déterminer la pression de vapeur dans le réacteur, d'où il résulte que la suppression des sous-produits de condensation peut être commandée. Un dispositif de commande par calculateur en direct en boucle fermée du type série est prévu et est associé à la réaction de façon à commander la viscosité intrinsèque du PET sortant de chaque réacteur. La commande est basée sur des moyens tels que des viscosimètres en série pour détecter la viscosité du PET fondu avant l'entrée et après la sortie de chaque réacteur, et des moyens pour détecter la température du polymère entrant et du polymère sortant au niveau de chaque réacteur. Des algorithmes de "pré-action", ctest-à-dire de commande anticipée, et de réaction de formes connues (en particulier proportionnelle, intégrale, dérivée) sont utilisés pour fournir une commande de viscosité intrinsèque pouvant servir à maintenir la viscosité finale dans une plage de 0,5 % (0,005 unité). La présente invention sera décrite plus en détai;-en relation avec les figures 1 et 2 qui représentent schématiquement comment le dispositif de commande agit pour chaque réacteur. Les contrôleurs agissent en boucle fermée pour maintenir des points "cibles" de réglage de pression de vapeur comme cela est déterminé par le calculateur pour chaque réacteur. En outre, les points de réglage cibles ou les limites de commande peuvent être déterminés dans le calculateur en vue de la vitesse d'agitation de chaque réacteur et/ou de la vitesse de pompe. Une alarme et/ou un verrouillage de la commande au réglage existant est actionné si une variable surveillée sort des limites de commande prédéterminées. La commande peut alors être commutée du calculateur à un opérateur jusqu a ce que le mauvais fonctionnement de l'équipement ait été corrigé. A des intervalles suffisamment fréquents pour fournir un contrôle précis, le dispositif direct de commande numérique (DDC) évalue la viscosité intrinsèque. La viscosité intrinsèque existant à un instant est comparée à la viscosité intrinsèque souhaitée. Un nouveau point de réglage de pression est pratiquement instantanément calculé par le calculateur et des signaux correspondants sont produits et actionnent les moyens de commande de pression sur le réacteur. La viscosité intrinsèque V est déterminée à partir de la relation suivante entre la viscosité en fusion P et la température du viscosimètre : log P = A + B log V où A et B sont des fonctions linéaires de la température du viscosimètre, déterminée par un calcul approprié en relation avec des courbes expérimentales P-V pour une gamme de températures. Le calculateur comprend des moyens pour recevoir des signaux d'entrée analogiques; des moyens pourproduire des signaux de sortie analogiques; un programmateur en temps réel; et des moyens pour fournir et mémoriser un programme de commande anticipée dans le calculateur. Le dispositif de commande comprend des moyens pour produire des échantillons d'entrée analogiques représentant au moins la pression de vapeur, la viscosité du mélange d'entrée et de sortie, et la température d'entrée et de sortie pour un réacteur, et le calculateur comprend un moyen de mémorisation pour mémoriser les échantillons d'entrée analogiques; un processeur central pour traiter les échantillons d'entrée analogiques en reliant ces échantillons au programme de commande anticipée; et des moyens décrits plus en détails ci-dessous en relation avec les dessins pour commander la viscosité intrinsèque du polymère dans les limites prédéterminées du programme de commande anticipée en utilisant des signaux en provenance du calculateur en réponse aux échantillons d'entrée analogiques. En association avec le moyen de commande,se setrouve un moyen d'alarme et/ou de verrouillage pour fournir un avertissement et /ou arrêter le calculateur et/ou arrêter le contrôle d'une variable en cas de mauvais fonctionnement. Le calculateur est également muni d'un matériau (hardware) classique tel qu'un disque à mots Multiples, un télétype d'entrée/sortie et des fermetures à contacts. (1) Calculateur Un élément de base de l'appareil de commande par calculateur est le programmateur en temps réel. Celui-ci fournit une commande d'exécution pour effectuer un échantillonnage des entrées analogiques, des sorties analogiques, des avertisseurs sonores, un filtrage numérique, et une vérification de limite des variables de commande. Une première partie du programmateur maintient la commande pilote des événements dépendant du temps. Les événements prévus à des intervalles mesurés en secondes, et les opérations dépendantes du temps, sont exécutés immédiatement. Les opérations prévues à des intervalles de l'ordre de la minute sont placées dans une table d'attente pour eAtre exécutées quand le temps le permet. Une seconde partie non dépendante du temps de ce programmateur est destinée à fournir un lien pour les programmes se trouvant sur une section à disque supplémentaire.Quand le temps le permet, le programmateur appelle le programme approprié à partir des disques dans une mémoire variable et exécute le programme dans le mode auxiliaire. A l'intérieur de la logique de commande d'ensemble du programmateur, setrouve la commande d'entrée analogique utilisée pour échantillonner les variables de traitement à des intervalles spécifiés. Chaque entrée peut avoir des intervalles d'échantillonnage variables. Une autre partie du module d'entrée analogique est destinéeà filtrer numériquement les données d'entrée analogiques brutes. Ceci est réalisé par approximation numérique dans un filtre à retard du premier ordre. Une troisième partie du module d'entrée analogique est destinée à vérifier toutes les variables de contrôle par rapport à un ensemble donné de limites supérieures et inférieures. Des messages sur documents imprimés et des avertisseurs sonores sont actionnés par cette partie du dispositif quand les limites prédéterminées sont violées. Egalement, le programmateur en temps réel agit sur la commande de sortie analogique et ses sous-composants de contrôle de traitement. Les fonctions de ce module sont de maintenir le fichier d'erreur de commande numérique directe (DDC) et de calculer les nouveaux points de réglage établis pour les organes de commande DDC en résolvant la forme de la vitesse des équations de commande de mode proportionnel plus intégral plus dérivé (PID). En outre, il fournit à des convertisseurs analogiques-numériques des données appropriées pour maintenir des conditions de processus sur les trois réacteurs par interface direct avec les valeurs de contrôle. Les réglages de "préaction" à mettre en oeuvre par les organes de commande DDC sont calculés à partir d'un algorithme de la forme suivante PADJ = Cl @ EV (1) où X désigne une multiplication, PADJ = réglage du point établi de pression de vapeur pour le réacteur; Cl = constante (établie par les caractéristiques du pro cessus); A V = changement de viscosité intrinsèque au niveau de l'entrée du réacteur depuis la dernière mise en oeuvre de préaction. Puisqu'un retard de distance existe entre le viscosimètre d'entrée du réacteur et l'entrée du réacteur, les réglages sont placés dans une table de retard et mis en oeuvre après un temps de retard approprié. Les réglages de réaction sont calculés à partir d'un algorithme de la forme PADJ = PN-PCSET PN est calculé par l'algorithme suivant PN = (PN-l )+Kx [ EN- (EN-l) ] + K##TkEN+KD# [ EN-2 (EN-l )+(EN-2 ) ] /T (2) où x désigne une multiplication; PN > (PN-l) désignent le point de réglage calculé de façon instantanée et celui qui a été calculé précédemment en dernier; PADJ désigne le réglage du point de pression choisi; EN,(EN-1)J (EN-2) sont les termes d'erreur (viscosité in trinsèque de cible - viscosité intrinsèque mesurée) mesu rés de façon instantanée et au moins deux mesures précéden tes, c'est-à-dire à des intervalles de temps, N, (N-l) et (N-2) pour un polymère sortant du réacteur; KI est la constante de temps intégrée pour le réacteur donné;; KD est la constante de temps dérivée pour le réacteur donné; T l'intervalle de temps entre les exécutions du programme de supervision; PCSET désigne le point de positionnement de pression de vapeur à un instant donné. L'opération DDC est prévue à l'intervalle de temps spécifié par le programmateur en temps réel. Le calculateur vérifie s'il est temps de mettre en oeuvre une commande de préaction et prend l'action appropriée. Le calculateur met alors à jour la table d'erreur et calcule une nouvelle valeur de PN basée sur 1 'algo- rithme (1) susmentionné. Il vérifie alors le temps de mise en oeuvre de réaction et fournit un réglage si nécessaire. Les réglages sont transmis au contrôleur DDC pour leur mise en oeuvre. Tous les changements de processus initialisés par le réflecteur sont exprimés sur le télétype situé dans la pièce de contrôle. Une seconde partie du calculateur en temps réel traite des opérations qui peuvent être retardées et exécutées quand le temps le permet. Cette partie du dispositif en temps réel sert à effectuer les opérations de système suivantes (1) exécuter les programmes dans les mémoires variables (mode intermédiaire) en mettant en service la table d'attente (2) sortir au niveau du télétype tous les messages de matériel (hardware) et d'erreur de système; (3) prendre les données à partir de la mémoire intermédiaire à disque et les sortir au niveau du télétype; (4) effectuer le programme du tableau de commande à partir du disque; (5) traiter toutes les requêtes d'entrée-sortie du disque qui peuvent être des données ou des programmes;; (6) établir un appel pour permettre des changements de priorité de pupitre de commande, c'est-à-dire tous les changements à des zones protégées des tores qui pourraient affecter des fonctions de commande du processus; et (7) mettre en oeuvre les événements (I) à (6) de sorte qu'ils n'entrent pas en conflit les uns avec les autres ou ne nuisent aux opérations dépendantes du temps. Des parties supplémentaires du programmateur en temps réel établissent des séquences temporelles et des priorités de traitement par des programmes d'interruption de service pour chacun des dispositifs matériels (hardware). Ces parties comprennent l'horloge en temps réel, le disque, le télétype d'entrée-sortie, le minuteur de secours et les sorties numériques. (2) Programme de vérification de limite Le programme de vérification de limite est un programme sur disque. Le calculateur amène automatiquement le programme de limite dans la mémoire centrale pour exécution à un intervalle spécifié par l'utilisateur. La fonction de ce programme est de vérifier l'état instantané de chaque variable d'entrée. Pour accomplir cela, le programme convertit l'entrée analogique filtrée en unités techniques et procède alors à la vérification des limites supérieures et inférieures de la variable. Si une variable est en dehors de cette gamme, le calculateur arrête automatiquement la commande de cette variable et une alarme est actionnée. L'intervalle d'exécution normal est de 3 à 5 minutes mais peut varier selon les nécessités. Un document imprimé de toutes les violations de limites est prévu en ce qui concerne le nombre de variables, les données, le temps et la valeur réelle de la variable. (3) Dispositif d'alarme et de verrouillage Chaque composant du dispositif d'ensemble comprend un moyen d'alarme et/ou un moyen de verrouillage pour alerter l'opé- rateur du processus d'un mauvais fonctionnement et/ou pour restreindre le fonctionnement du calculateur en cas de panne. Le moyen d'alarme par verrouillage est actionné quand le calculateur arrête de fournir le signal périodique nécessaire à la remise à zéro répétée d'un minuteur de secours. Dans le cas d'une panne de calculateur (par exemple d'un bouclage du calculateur), un avertisseur sonore fonctionnera ; en même temps, la commande DDC est bloquée au réglage précédent. De même, dans le cas de violations des limites prédéterminées pour les variables du processus en cours de surveillance, ou de panne à fournir un signal d'entrée à l'instant prévu pour une telle variable, l'alarme est actionnée et des messages sont imprimés en sortie qui disent à l'opérateur quelle variable du processus est en erreur, et cette variable arrête automatiquement d'être contrôlée. Les moyens d'alarme et/ou de verrouillage sont actionnés par un minuteur de secours. En tant que partie du programme du calculateur, le minuteur est mis en route pendant 5 secondes par un signal en provenance du calculateur et doit être remis à zéro par ce signal pendant cet intervalle pour empêcher qu'il n'actionne alarme. Si le minuteur n'est pas ainsi remis à zéro, l'alarme est actionnée; et/ou le calculateur arrête de fonctionner, et le réglage immédiatement précédent est verrouillé jusqu a ce que l'opérateur prenne le contrôle et re-actionne la commande du calculateur. En figure 1, la référence 1 désigne un réacteur d'estérification, 2 un premier viscosimètre, 3 un premier réacteur de polycondensation et 4 un second viscosimètre. Chaque viscosimètre est muni de moyens pour mesurer la température du polymère. Les éléments 5, 5 sont des pompes pour alimenter les seconds réacteurs de polycondensation 6, 6. Le polymère en provenance des réacteurs 6, 6 passe vers les viscosimètres 7, 7 et ensuite vers des plaques de distribution et des filières. Les lignes 8, 9, (10, 10) et (11, 11) indiquent une circulation d'information depuis le viscosimètre 2 vers le réacteur 3, du viscosimètre 4 au réacteur 3, du viscosimètre 4 au réacteur 6 et du viscosimètre 7, 7 au réacteur 6, 6. Les entrées analogiques par l'intermédiaire des lignes 8 et 9 vers le calculateur représentent la pression de vapeur, la vitesse d'agitateur, la viscosité du milieu fondu et la température pour commander le réacteur 3. Des entrées appartenant aux réacteurs 6, 6 comprennent en outre des vitesses de pompe. Le dispositif de commande numérique directe DDC commande la pression de vapeur dans chacun des réacteurs et la vitesse d'agitateur dans ceux-ci. La figure 2 représente schématiquement des détails de la commande de pression de vapeur par le contrôleur DDC. Un signal sous forme d'une pression, représentant une pression de vapeur dans le réacteur, est transmis par l'intermédiaire de la ligne 20 et est converti par le transducteur 21 en un courant électrique analogique qui est converti en la tension convenable pour entrer dans le calculateur au moyen du réseau de résistances 22. La tension est fournie à la section d'entrée analogique 23 et est traitée sous forme numérique dans le processeur de commande 24. La sortie numérique en provenance du calculateur est alors convertie en un signal électrique analogique à la section 25.Elle est ensuite reconvertie en une pression d'air à l'aide d'un transducteur 26 et passe par l'intermédiaire d'un commutateur pneumatique 27 et d'une ligne 28 -vers une valve à air commandée non représentée. La valve à air commandée établi la la pression de vapeur dans le réacteur selon des tolérances étroites. Le commutateur pneumatique 27 permet le transfert de la commande de pression de vapeur dans le réacteur, de la commande par le calculateur, à la commande au moyen d'un organe de commande ana logiQoeclassique 29 qui est mis en route par l'opérateur. La vitesse d'agitateur est commandée par le contrôleur DDC en utilisant un dispositif en boucle fermée de façon générale tel que cela a été décrit pour la pression de vapeur, de façon à régler la vitesse d'agitateur dans chaque réacteur pour maintenir une valeur calculée par le calculateur. L'exemple et les comparaisons suivantes permettent de faire ressortir les avantages techniques de la présente invention. EXEMPLE 18,8 kg/heure (110 moles/heure) d'acide téréphtalique purifié, 10,5 kg d'éthylèneglycol/heure (168 moles/heure) et 0,036 kg de diisopropylamine étaient fournis en continu à un mélangeur à roues à palettes où ils étaient convertis en une pâte. Le mélange pâteux était alors pompé à partir du mélangeur par la pompe d'alimentation vers l'entrée de la pompe de circulation. Le mélange pâteux était pompé avec 40 parties de mélange de recirculation par la pompe de recirculation par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur à enveloppe et tubes multiples où il était chauffé à 2600C. Après avoir quitté l'échangeur de chaleur, le mélange entrait dans un réacteur d'estérification maintenu à 2600C par des moyens de chauffage classiques et à une pression de sensiblement 7 bars au moyen d'une valve à ouverture automatique. Le mélange ester-acide téréphtalique-glycol-eau quittant ce réacteur était partagé, une partie retournant à l'entrée de la pompe de recirculation qui était combinée avec la pâte franche et une partie envoyée pour une polycondensation vers le premier d'une série de réacteurs disposés et commandés comme cela est schématiquement représenté en figures 1 et 2 des dessins. La différence de pression entre le réacteur d'estérifica tion et le premier réacteur de polycondensation amenait le matériel à circuler vers le réacteur de polycondensation, mais une commande de niveau actionnait une valve qui empêchait tout l'effluent de sortir de cette route de préférence à la route retournant à entrée de la pompe de circulation. En conséquence, sensiblement 1,16 kg/ heure de matériau partiellement estérifié était renvoyé à la pompe de circulation. Le polyester formé de téréphtalate de polyéthylène sortant du dernier étage de réacteur avait une viscosité intrinsèque de 0,95 unité. I1 passait à une température de 1950C par l'intermédiaire d'une plaque de distribution de filtrage vers une filière à 192 trous et était traitée sous forme d'un fil. Les propriétés du fil produit selon ltexemple ci-dessus sont représentées dans le tableau ci-dessous par la référence "A" en meme temps qu'un échantillon de contrôle produit par le même processus mais sans utiliser le dispositif de commande par calculateur. TABLEAU Echan- Visco- Titre Téna- Allon- Indice Résis- IQO x Retrac tillon sité en cité gement de té- tance tion ther-l lintrin denier (gpd) à la nacité à la mique (%) saque ruptu- trac re (%) tion d f A j 0,91 1295 9,4 21,0 1,12 115 O 2,3 Con- 0,89 1310 8,9 13,8 0,65 110 200 9 > 0 trôle x IQO - (indice de qualité d'ourdissage) - Défauts (filaments cas sés, retournements, protubérances, etc...) par million de mètres sur ltensouple. L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Appareil comprenant au moins deux réacteurs# connec- tés en série pour la polycondensation d'un polyester formé de téréphtalate de polyéthylène fondu, dont chacun comprend des moyens réglables pour établir la pression de vapeur, caractérisé en ce qu'un appareil de commande pour commander automatiquement la viscosité intrinsèque du polyester de téréphtalate de polyéthylène sortant des réacteurs est prévu et comprend (a) un calculateur muni de moyens pour recevoir des signaux d'entrée analogiques; des moyens pour produire des signaux de sortie analogiques; un programmateur en temps réel dans le calculateur; et des moyens pour fournir et mémoriser un programme de commande anticipé dans le calculateur; (b) des moyens pour produire des échantillons d'entrée analogiques à partir de chaque réacteur représentant la pression de vapeur, la viscosité du mélange fondu d'entrée, la viscosité du mélange fondu de sortie, la température d'entrée et la température de sortie; (c) des moyens de mémorisation pour mémoriser des échantillons d'entrée analogiques dans le calculateur; (d) un processeur central dans le calculateur pour traiter les échantillons d'entrée analogiques en liant ces échantillons d'entrée au programme de commande anticipé;; (e) des moyens pour commander la viscosité intrinsèque du polyester dans des limites prédéterminées du programme de commande anticipé comprenant des moyens précédant chaque réacteur et des moyens suivant chaque réacteur pour déterminer la viscosité du mélange fondu et la température du polyester avant qu'il nten- tre et après qu'il ne sorte de chaque réacteur; et des moyens de signalisation pour régler le moyen d'établissement de pression de vapeur dans chaque réacteur pour approcher d'un point de consigne déterminé par (1) la viscosité intrinsèque existant de façon instantanée (telle qu'elle est déterminée par le calculateur à partir de la viscosité et de la température du mélange fondu) du polymère d'entrée comparée à la dernière détermination prévue de la viscosité intrinsèque du polymère entrant ; et par (2) le dernier point de consigne de pression de vapeur calculé précédemment, les constantes de gain proportionnel, l'intégrale en fonction du temps et les dérivés en fonction du temps, et la viscosité intrinsèque désirée du polymère sortant moins la viscosité intrinsèque du polymère sortant au moins deux instants de mesure auparavant, et par les intervalles de temps entre les mesures et les points établis instantanés de pression de vapeur pour chaque réacteur, ces relations étant résolues par le calculateur qui produit par suite des signaux auxquels le moyen de réglage de pression de vapeur répond ;; (f) des moyens d'alarme-verrouillage pour alerter 1 'opé- rateur et éventuellement pour restreindre la commande par le calculateur chaque fois que les états du réacteur surveillé par le calculateur sortent des limites prédéterminées établies par le programme de commande anticipé, et chaque fois qu'un signal d'entrée n'est pas reçu à l'instant prévu dans le processus central. 2 - Appareil selon la revendication 1J caractérisé en ce que la vitesse d'un agitateur dans chaque réacteur est commandée par un dispositif en boucle fermée pour maintenir une valeur calculée par le calculateur. 3 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'alarme/verrouillage comprend un minuteur de secours qui actionne une alarme et/ou arrête le calculateur, à moins qu'il ne soit remis à zéro périodiquement par un signal programmé.