Brevet FR2590494A1 — publié le 19870529

i La présente invention concerne un procédé de com- mande d'une installation de séparation d'air. Un procédé clasique de commande d'un séparateur d'air est décrit dans la demande de brevet japonais publiée sous le N 9627/1980. L'essence même de cette technique de l'art antérieur réside dans le fait qu'une quantité d'air brut est calculée en utilisant, en tant que signal d'entrée, l'état de chaque partie de l'installation, et que la valeur calculée est délivrée en tant que valeur de consigne pour un disposi- tif de réglage de la quantité d'air brut. Cependant la valeur de consigne du dispositif de réglage de la quantité d'air brut, obtenue selon ce procédé, est délivrée principalement conformément à l'étatdelinstalla- tion, et il se pose un problème consistant en ce que, même lorsqu'une commande d'accroissement de la quantité d'air brut est produite,.la quantité d'air brut ne peut pas être accrue en raison d'une limitation mécanique et analogue. Le procédé de commande conforme à la présente in- vention, qui permet d'obtenir un commande optimale d'un sépa- rateur d'air, consiste à calculer une quantité d'un produit, qui peut être collectée, grâce à l'utilisation d'une quantité d'air brut maximale prédéterminée, qui peut être délivrée,et d'un état de fonctionnement d'une colonne à plateaux de bar- botage, puis comparer une valeur d'entrée d'une quantité de produit nécessaire à la quantité de produit pouvant être collectée,consigner la quantité de produit nécessaire en tant que quantité de formation de produit lorsque la quantité de produit nécessaire est inférieure ou égale à la quantité de produit pouvant être collectée, consigner la quantité de pro- duit pouvant être collectée, en tant que quantité de forma- tion de produit lorsque la quantité de produit nécessaire est supérieure à la quantité de produit pouvant être collectée, délivrer la valeur de consigne de la quantité de formation de produit en tant que valeur de consigne pour un dispositif de réglage de la quantité de formation de produit, calculer la quantité d'air brut nécessaire au moyen de l'utilisation de la valeur de consigne de la quantité de formation de pro- duit et de l'état de fonctionnement d'une colonne à plateaux de barbotage et délivrer cette quantité en tant que valeur de consigne du dispositif de réglage de la quantité d'air brut. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma-bloc illustrant un pro- o10 cédé de séparation d'air et un appareil de commande conforme à une forme de réalisation de la présente invention; - la figure 2 est un schéma du système d'une par- tie d'une colonne à plateauxdebarbotage; et - la figure 3 est un organigramme illustrant un procédé de commande. Ci-après on va décrire une forme de réalisation de la présente invention de façon détaillée en se référant à un appareil de production d'azote, en tant que l'un des types des appareils de séparation d'air, pris à titre d'exemple. La figure 1 est un schéma-bloc montrant la combi- naison d'un processus de séparation d'air et d'un appareil de commande. Le processus va être décrit en référence à ce des- sin. Tout d'abord, l'air brut introduit à partir d'une cana- lisation 1 est comprimé par un compresseur d'air brut 2 à une pression prédéterminée d'environ 7.10 Pa, nécessaire pour le refroidissement intense, la liquéfaction, la rectification et la séparation. Des impuretés telles que l'humidité, le gaz carbonique et analogues sont adsorbées et sont éliminées par une unité de prétraitement 3. Une fois que les impuretés sont ainsi éliminées, une partie du gaz propre est soutirée au moyen d'une canali- sation 6 en tant qu'air pour l'appareillage et l'étanchéité, tandis que le reste de l'air est introduit dans des moyens 4 servant à réaliser un refroidissement rapide, une liquéfac- tion, une rectification et une séparation, et dans lesquels il est refroidi, liquéfié, rectifié et séparé. Le gaz produit résultant formé d'azote est délivré par une canalisation 5 et l'azote liquéfié produit est délivré par la canalisation 6. Ci-après on va décrire de façon plus détaillée, en référence à la figure 2,1a partie principale 400 desmoyens4 servant à réaliser un refroidissement intense, une liquéfac- tion, une rectification et une séparation, dans l'ensemble dé- crit précédemment. Bien qu'une partie soit à l'état liquide, l'air brut est refoulé dans une colonne à plateaux de barbotage 201 à partir d'une canalisation 21, et le gaz obtenu se déplace dans la colonne à nlateaux de barbotage 201 selon un mouve- ment ascendant. Tout en maintenant un contact gaz-liquide avec un liquide de reflux apparaissant ultérieurement, le gaz se déplaçant selon un mouvement ascendant est de l'azote possé- dant une impureté élevée au niveau de la partie supérieure de la colonne. Une partie du gaz azote possédant une pureté élevée est soutirée en tant que gaz produit à partir d'une ca- nalisation 22, et le reste du gaz est liquéfié au moyen d'un condenseur d'azote 202 et est renvoyé au liquide de reflux décrit ci-dessus. Une partie de ce liquide de reflux est sou- tirée en tant qu'azote liquide produit, à partir d'une cana- lisation 23. Le liquide de reflux restant descend à l'intérieur de la colonne à plateaux de barbotage, le contact gaz-liquide avec le gaz décrit ci-dessus et se déplaçant selon un mouve- ment ascendant étant maintenu, et se transforme en air liqui- de à la base de la colonne. L'air liquide traverse une canalisation 24 et est détendu de façon adiabatique par une vanne 25 et sa tempéra- ture diminue. L'air liquide est ensuite envoyé au condenseur d'azote 202, en tant que fluide de refroidissement pour liqué- fierl'aztcom-. décrit ci-dessus. L'air liquide ainsi envoyé au condenseur d'azote 202 liquéfie le gaz azote, s'évapore delui- même et devient un gaz d'échappement et est refoulé ensuite par une canalisation 26. On va examiner maintenant le bilan-matières dans le dispositif décrit plus haut. On peut établir la relation suivante en utilisant les symboles dont la signification est donnée ci-après: QA = QLA + QGN + QLN...(1) dans laquelle: QA: quantité d'air délivrée par la canalisation 21 QGN: quantité de gaz azote soutirée de la canalisation 22 QLN: quantité d'azote liquide soutirée de la canalisation 23 QLA: quantité d'air liquide quittant la base de la colonne X: teneur en oxygène dans l'air liquide. Etant donné que la teneur en oxygène dans l'air brut (atmosphère) est égale à 21 % et que la teneur en oxygè- ne dans l'azote produit est 0 %, on va considérer le bilan ma- tières. Toutes les composantes de l'oxygène dans l'air brut sont contenues dans l'air liquide provenant de la partie infé- rieure de la colonne à plateaux de barbotage et sont délivrées, et l'on peut considérer la relation suivante: X x QLA = 0,21 x QA...(2) dans laquelle X est la teneur en oxygène dans l'air liquide. Par conséquent, on a QLA = (0,21/X) x QA... (3) Si l'on introduit la formule (3) dans la formule (1), on ob- tient: 0,21 QA = X x QA + QGN + QLN...(4) QA X (QGN + QLN).5) Q A X - 0,21..(5) X -0,21 QGN+QLN= (X - 0,21)QA...(6) X En d'autres termes la formule (5) signifie que la quantité d'air brut nécessaire peut être déterminée si la quantité d'azote produit nécessaire et la teneur en oxygène dans l'air liquide sont réglées, et la formule (6) montre que la quantité d'azote produite, que l'on peut collecter, peut être déterminée si la quantité d'air brut, qui peut être déli- vrée, et la teneur en oxygène dans l'air liquide sont réglées. A ce sujet, la teneur X en oxygène dans l'air li- quide est déterminée à partir de la relation de la solubilité de l'acétylène dans l'air liquide et à partir de l'équilibre gaz-liquide, de crainte que des traces d'acétylène ou analogue dans l'air se concentrent, s'accumulent et précipitent dans l'air liquide à l'intérieur du condenseur d'azote 202, pour des questions de sécurité, mais on ne donnera pas de descrip- tion détaillée de cette opération. Bien que la description donnée ci-dessus explique uniquement le bilan matières, on peut maintenir constant le rapport (désigné ci-après par "L/V") du liquide descendant (li- quide de reflux) au gaz montant à l'intérieur de la colonne à plateaux debarbotage, afin d'établir les conditions de fonc- tionnement de sécurité à l'intérieur de cette colonne. Ci-après on va considérer dans son ensemble le bi- lan matières de la colonne à plateaux de barbotage de la fi- gure 2. Lorsque du gaz azote seul est collecté en tant que pro- duit, aucun azote liquide n'est présent et c'est le gaz d'échap- pement délivré par la canalisation 26 et le gaz azote délivré par la canalisation 22,qui quittent la colonne à plateaux. Si l'air brut pénétrant dans la colonne à plateaux est à l'état de gaz, ses calories peuvent être délivrées en étant essen- tiellement équilibrées. Mais lorsqu'une partie de l'azote li- quide est soutirée en tant que produit, l'intensité de refroi- dissement, qui est nécessaire pour la liquéfaction d'une ma- nière correspondant à la quantité d'azote liquide devient né- cessaire du point de vue de l'équilibre thermique, étant don- né que l'azote est soutiré en tant que liquide. La substance, qui pénètre dans la colonne à plateaux de barbotage en prove- nance de l'extérieur, est uniquement de l'air brut arrivant de la canalisation 21. C'est pourquoi l'air brut doit pénétrer à l'état liquide en une quantité correspondant à la quantité d'azote liquide devant être soutirée, et cette quantité peut être considéréecomme étant essentiellement égale à la quantité d'azote liquide produite. Par conséquent, la quantité de gaz V, qui s'élè- ve à l'intérieur de la colonne à plateaux de barbotage, est le reste de la soustraction de la quantité d'air liquide QLA, de la quantité d'air brut QA: V = QA - QLN...(7) D'autre part, la quantité L de liquide descendant a l'intérieur de la colonne à plateaux de barbotage est le res- te de la soustraction de la quantité de gaz azote produit et de la quantité d'azote liquide produit QLN, de la quantité de gaz montant, et peut être exprimée comme suit: L = V - QGN - QLN...(8) Lorsque l'on introduit la formule (8) dans la formule (7), on obtient: L =QA - QLN - QGN - QLN...(9) Par conséquent, on a L = QA - QGN - 2QLN...(10) Lorsque l'on obtient L/V à partir des formules (7) et (10), on a L/V = QA - QGN - 2QLN...(11) QA - QLN Par conséquent, on a QA = QGN + QLN...(12) (1 - L/V)+ QLN ou QA= QGN + (2 - L/V)QLN (13) QA = 1 - L7V.. ( 3 La formule (12) signifie qu'une quantité plus im- portante d'air brut correspondant à la quantité de produit li- quide est nécessaire lorsque l'ensemble des produits sont ga- zeux. Dans la formule (13) la quantité QGN, qui est soustraite du produit à l'état gazeux lorsque le produit à l'état liquide est augmenté de QLN, pour la même quantité d'air, peut être déterminée à partir de la formule suivante obtenue en utilisant le numérateur en tant que constante: QGN + (2 - L/V)QLN = QGN - AQGN + (2 - L/V)(QLN + 6QLN) (14) AQGN = (2 - L/V) AQLN...(15) Cette formule montre que si l'on augmente ou on réduit la quantité du produit à l'état liquide, pour la même quantité d'air brut, le produit à l'état gazeux doit être mul- tiplié par le coefficient multiplicateur (2 - L/V) afin d'éta- blir la même condition. Dans la formule (12) et (13), la quantité d'air brut nécessaire en cas d'absence de produit sous forme liqui- de est fournie par la relation suivante: QGN QA = 1 - L/V...(16) D'autre part, la quantité d'air brut nécessaire dans le cas de l'absence le produit sous forme liquide peut être obtenue comme suit à partir de la formule (5): QA = X.QGN.(17) X - 0,21 Etant donné que les membres de gauche des formules (16) et (17) sont identiques, on peut obtenir la formule suivante: QGN X.QGN 1 - L/V X - 0,21 L/V = X 0,21..(19) x Lorsque l'on tient compte de la formule (19) dans la formule (12) et (13), on obtient: QGN + QLN QA = 0,21 + QLN... (20) 1 X 0,21 QGN + (2- X)QLN QA =X...(21) 0,21 X En d'autres termes, si l'on utilise les formules (20) et (21), l'opération de collecte simultanée du produit sous forme liquide peut être réalisée lors de la même opéra- tion de rectification que pour l'opération de collecte unique- ment du produit sous forme de gaz, par réglage de la teneur X en oxygène dans l'air liquide, au moment de la collecte du produit sous forme de gaz. Etant donné que la description donnée ci-dessus détermine la quantité d'air brut nécessaire dans le cas o la colonne à plateaux de barbotage est l'élément principal, la quantité d'air brut pour l'appareil dans son ensemble peut être obtenue par l'addition d'une autre quantité de gaz QBG, correspondant par exemple à l'air pour l'appareillage et pour l'étanchéité,selonlesformle s(20) et (21). En effet la quantité d'air nécessaire QA peut être obtenue comme suit: QA = QGNQ + QLN + QBG...(22) QA-1 + 0,21 1+X ou QGN + (2- 0,21)QLN QA = + QBG...(23) 0,21 1- X Ci-après on va décrire l'agencement et le fonc- tionnement de l'appareil de commande enréférenceaux figures 1 et 2. Sur la figure 1, un ordinateur 100 reçoit des com- mandes de lecture telles qu'une quantité requise d'azote pro- duit à l'état gazeux, au moyen d'un interrupteur à marguerite 101, par l'intermédiaire d'une interface d'entrée 106, une quantité nécessaire de gaz azote produit à l'état liquide au moyen d'un interrupteur à marguerite 102, et une quantité né- cessaire d'azote produit à l'état gazeux et une quantité d'azo- te produit à l'état liquide, au moyen d'un contacteur à bou- ton-poussoir 103, d'autres paramètres tels que des constantes de commande au moyen d'un interrupteur numérique 104, et des commandes de lecture de paramètres au moyen d'un contacteur à bouton-poussoir 105. D'autre part l'ordinateur 100 délivre des valeurs de consigne du débit à une boucle secondaire FC1 pour la commande du débit d'air brut, à une boucle secondaire FC2 pour la commande du débit d'azote produit à l'état gazeux, et à uoe boucle secondaire FC3 pour la commande du débit d'azo- te produit à l'état liquide, par l'intermédiaire d'une inter- face d'entrée/sortie 107. Dans l'agencement décrit ci-dessus, lorsque l'or- dinateur 100 détecte que le contacteur à bouton-poussoir 103 pour la commande de la lecture de la quantité de produit né- cessaire est enfoncé, il lit la quantité nécessaire de forma- tion de produit à partir des interrupteurs à marguerite 101 et 102, calcule le débit d'air brut optimum, la quantité d'azo- te produit à l'état gazeux et la quantité d'azote produit à l'état liquide, sur la base de cette quantité nécessaire de formation de produits, et les délivre en tant que valeurs de consigne pour les boucles secondaires respectives de réglage FC1, FC2 et FC3. Chaque boucle secondaire de réglage établit une commande sur la base de la valeur de consigne délivrée par l'ordinateur de sorte que le débit effectif dans la boucle con- corde avec la valeur de consigne. Le calcul effectué par l'ordinateur 100 lors de cette commande permet d'obtenir les valeurs de consigne opti- males conformément à la formule (22) ou (23), comme cela a dé- jà été décrit. Cependant, le débit d'air brut QA de la formu- le peut être fixé au moyen du compresseur d'air brut 2 de la figure 1. Etant donné qu'il existe, du point de vue mécani- que, une valeur limite supérieure QAmax de la quantité d'air brut, cette commande ne peut pas être réalisée si la quantité d'air brut QA fournie par le calcul dépasse sa valeur limite supérieure QAmax, mais l'ordinateur pourrait la calculer. La forme de réalisation selon la présente inven- tion modifie la valeur de consigne de la quantité de forma- tion du produit lorsqu'un tel état apparaît, de sorte que la quantité d'air brut fournie par le calcul ne dépasse pas la valeur limite supérieure. Ce procédé va être expliqué en ré- férence à l'organigramme de la figure 3. Tout d'abord, une quantité prédéterminée varia- ble de gaz QBG est soustraite d'une quantité d'air brut maxi- mal prédéterminé QA de manière à fournir une quantité d'air max maximale Qa, qui peut être introduite dans la colonne à pla- teaux de barbotage, conformément au bloc 500. Ensuite une quan- tité d'azote produit sous forme de gaz QGNmax, qui peut être collectée, est déterminée conformément à la formule (17) mo- yennant l'utilisation de la quantité d'air QA et d'une impure- té X formée d'oxygène dans l'air liquide prédéterminé, dans le bloc 501. Ensuite, dans le bloc 502, la quantité pouvant être collectée d'azote produit sous forme de gaz QGNmax, dé- crite ci-dessus, et une quantité nécessaire d'azote produit sous forme de gaz réglée à partir de l'extérieur sont compa- rées entre elles. Lorsque la quantité nécessaire d'azote produit sous forme de gaz est supérieure à la quantité pou- vant être collectée d'azote produit sous forme de gaz, la com- mande passe au bloc 503, dans lequel la quantité pouvant être collectée d'azote produit sous forme de gaz sert en tant que valeur de consigne de la boucle secondaire FC2 de commande de l'azote produit sous forme de gaz. Il va sans dire que, étant donné que le produit liquide ne peut pas être collecté en une quantité plus importante, la valeur de consigne'nulle est en- voyée à la boucle secondaire FC3 de commande de la quantité d'azote liquide. La quantité d'air brut maximale QAma est dé- max livrée en tant que valeur de consigne à la boucle secondaire FC1 de commande du débit d'air brut, et ce cycle est achevé. D'autre part, dans le bloc 502, si la quantité né- cessaire de produit sous forme de gaz, réglée à partir de l'ex- térieur, est inférieure à la quantité pouvant être collectée de produit sous forme de gaz QGNmax dans le bloc 502, la com- mande passe au bloc 504, ou la quantité nécessaire d'azote pro- duit sous forme de gaz est délivrée en tant que valeur de con- signe à la boucle secondaire FC2 de commande de l'azote pro- duit sous forme de gaz. Dans le bloc 505, la quantité néces- saire d'azote produit sous forme liquide, délivrée à partir l1 de l'extérieur, est convertie en une quantité de gaz, moyen- nant l'utilisation de la formule (15). Comme cela ressort à l'évidence de la formule (19), le rapport L/V dans cette for- mule (15) peut être naturellement exprimé en fonction de la teneur X en oxygène dans l'air liquide. Ensuite,efaitqoeereste résultant de la soustrac- * tion de la quantité nécessaire de gaz produit, du produit pou- vant être collecté est supérieur ou non au débit nécessaire d'azote liquide converti en gaz, est établi dans le bloc 506. Si le débit nécessaire de l'azote liquide converti en gaz s'avère supérieur à ce débit, la commande passe au bloc 507, dans lequel le reste fourni par la soustraction de la quanti- té nécessaire de produits sous forme de gaz, de la quantité de produit pouvant être collectée, est à nouveau converti en une quantitédeliquide conformément à la formule (15), et la quantité de liquide convertie est envoyée en tant que valeur de consigne à la boucle secondaire FC3 de commande de la quan- tité d'azote produit sous forme liquide. La quantité d'air brut maximum QAmax est envoyée en tant que valeur de consigne a la boucle secondaire FC1 de commande du débit d'air brut, et cette commande est terminée. Ensuite, dans le bloc 506, si la détermination fournit un résultat opposé à celui indiqué ci-dessus, la com- mande passe au bloc 509, dans lequel la quantité nécessaire de produit sous forme liquide est envoyée en tant que valeur de consigne à la boucle FC3 de commande de l'azote liquide. Dans le bloc 510, la quantité nécessaire d'air brut est calculéemoyennant l'utilisation de la quantité néces- saire de produit sous forme de gaz, de la quantité nécessaire de produit sous forme liquide et de la teneur en X prédéter- minée en oxygène dans l'air liquide, conformément à la formu- le (22) ou (23), et le résultat du calcul est envoyé en tant que valeur de consigne à la boucle secondaire F21 de commande de la quantité d'air brut. Cette commande est alors achevée. Il ressort à l'évidence, de l'explication du processus donné ci-dessus, que le rapport du liquide descendant au gaz montant, à savoir le rapport L/V, peut être utilisé de la même manière à la place de la teneur X en oxygène dans l'air liquide, pour les cal- culs. Comme décrit ci-dessus, la présente invention per- met de réaliser un commande optimale de n'importe quelle va- leur de consigne de la quantité nécessaire du produit. REVENDICATIONS 1- Procédé pour commander un séparateur d'air, ca- ractérisé en ce qu'il consiste à: - calculer une quantité de produit (QGNmax), qui peut être collectée, au moyen de l'utilisation d'une quantité maxi- male prédéterminée d'air brut (QAmax), qui peut être délivrée, et d'un état de fonctionnement d'une colonne à plateaux de bar- botage (201), - comparer une valeur d'entrée d'une quantité né- cessaire de produit à ladite quantité de produit pouvant être collectée (QGNmax), max - consigner ladite quantité nécessaire de produit en tant que quantité de formation de produit lorsque ladite quantité nécessaire de produit est inférieure ou égale à ladite quantité de produit pouvant être collectée (QGN), max - consigner ladite quantité de produit pouvant être collectéeen tant que quantité de formation de produit, lorsque ladite quantité nécessaire de produit est supérieure à ladite quantité de produit pouvant être collectée (QGN Max), max - délivrer la valeur de consigne de ladite quantité de formation de produit en tant que valeur de consigne pour un dispositif (FC2,FC3) de réglage de la quantité de formation de produit, - calculer une quantité nécessaire d'air brut grâce à l'utilisation de ladite valeur de consigne de ladite quantité de formation de produit, et dudit état de fonctionnement de ladite colonne à plateaux de barbotage (201), et - délivrer ladite quantité d'air brut nécessaire en tant que valeur de consigne pour un dispositif (FCl) de réglage de la quantité d'air brut. 2- Procédé de commande d'un séparateur d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit état de fonctionne- ment de ladite colonne à plateaux de barbotage (201) est l'impu- reté que contient l'air liquide dans la partie inférieure de ladite colonne. 3 - Procédé de commande d'un séparateur d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit état de fonctionnement de ladite colonne à plateaux de barbotage (201) est un taux de reflux à l'intérieur de cette colonne.