Brevet FR2890761A1 — publié le 20070316

La présente invention concerne une méthode permettant de fournir un mélange de deux gaz ou plus. Elle s'attache à proposer une nouvelle méthode offrant notamment les particularités suivantes: - homogénéité du mélange; É des conditions de pression amont et aval variables; É des conditions de débit variables, des débits amont et aval qui peuvent être différents; É la simplicité des moyens de contrôle; - adaptable à n'importe quel mélange de gaz sans nécessité de modification mécanique. Les mélanges de gaz sont utilisés pour de très nombreuses et diverses applications parmi lesquelles on peut citer: - Les gaz d'étalonnage pour analyseurs - Les gaz de soudage - Les mélanges pour la conservation des aliments dans l'industrie alimentaire - Les mélanges de gaz pour la plongée sous-marine - Les mélanges de gaz utilisés dans des opérations de trempe gazeuse....etc... Selon l'application envisagée, des besoins variables existent en termes de précision du mélange, de pression, de pureté etc Et si dans certains cas, les mélanges peuvent être commercialisés directement en bouteilles (mélanges pre-effectués), certaines applications nécessitent quant à elles la réalisation du mélange directement sur site avec l'utilisation d'appareils dédiés. Parmi les appareils et méthodes de mélanges existants, on peut tout d'abord distinguer des mélangeurs dynamiques, dans lesquels le mélange est réalisé en continu entre les écoulements des différents gaz à mélanger. Ces mélangeurs peuvent reposer sur l'une des technologies suivantes: -contrôle des débits des différentes espèces par l'utilisation de régulateurs de débit massique; 2890761 2 - vanne de mélange à plusieurs voies munie d'orifices calibrés dont l'un est de diamètre fixé et les autres de diamètre variable; - permeation d'un des constituants à ajouter à travers une membrane. Toutefois, ces appareils présentent les inconvénients suivants: -la gamme de concentration est généralement limitée en fonction des espèces à mélanger; - la difficulté de réaliser des mélanges comportant plus de trois composants; - ces types de mélangeurs doivent subir des modifications mécaniques (changement de vannes,...) significatives si la nature des constituants à mélanger est modifiée; - pour les systèmes comportant des orifices calibrés, les conditions de pression amont et aval et de débit doivent être contrôlées rigoureusement; - les équipements utilisés pour la réalisation de ces mélangeurs sont généralement des équipements coûteux (régulateurs de débit massique, tubes à perméation, vannes de mélange équipées d'orifices calibrés,...) ; - le contrôle du mélange par un analyseur de gaz est souvent nécessaire. Par opposition, d'autres méthodes de mélange de type séquentiel ou statique peuvent être évoquées. Parmi ces méthodes, on peut distinguer la méthode dite gravimétrique : chaque constituant du mélange gazeux est ajouté séquentiellement dans un réservoir, qui est pesé afin de contrôler la masse du constituant ajoutée dans le mélange. Cette méthode, outre la difficulté et le coût liés à la mise en ceuvre d'une pesée d'un réservoir sous pression, comporte des risques d'imprécision, en particulier lorsque le mélange comporte des constituants très légers (tels l'hydrogène ou l'hélium). D'autres méthodes, utilisées par exemple pour le remplissage de bouteilles pour la plongée, reposent sur le calcul des pressions partielles de gaz. Une des sources d'imprécision de telles méthodes est la maîtrise de la quantité de gaz ajoutée et les volumes morts au niveau des vannes. A titre d'exemple, le document US-5 540 251 propose l'emploi de vannes doseuses permettant de contrôler finement la quantité de gaz ajoutée. Ces méthodes peuvent également se révéler imprécises lorsque les gaz à mélanger peuvent subir des variations de température, par exemple entre un gaz issu d'un compresseur, donc chaud, et un gaz tel que de l'azote issu d'un évaporateur à partir d'un réservoir cryogénique. En effet, la méthode de mélange par pression partielle repose sur l'hypothèse que la température est constante. Or, considérons ci-dessous l'influence du paramètre température. Soit Pestimée la pression partielle estimée d'un gaz donné sans prise en compte de la température et Préeiie la pression partielle qui devrait être utilisée avec prise en compte de la température. Dans le cas où l'équation d'état des gaz parfaits est utilisée, l'erreur résultant de l'absence de prise en compte des variations de température sera la suivante: estimée estimée Pour Testimée=300 K et Tréeiie=330 K, l'erreur peut donc atteindre 10%. La présente invention s'attache à pallier les difficultés mentionnées cidessus, ses principales caractéristiques peuvent être résumées ainsi: - Le mélange est stocké dans un réservoir intermédiaire avant d'alimenter l'installation utilisatrice; ainsi les débits, d'une part de fourniture et d'autre part d'utilisation du mélange gazeux peuvent être différents; par exemple, le mélange peut être constitué avec un débit moyen de 30 Nm3/h dans un premier temps, puis fourni aux installations aval avec un débit de 100 Nm3/h par exemple dans un second temps; le réservoir peut être constitué d'une ou plusieurs capacités disposées en série ou parallèle, notamment quand une fourniture de gaz en continu est nécessaire. - Les proportions du mélange sont contrôlées par un calcul reposant sur des mesures de pression et de température; ainsi, le procédé de mélange selon la présente invention est adaptable au mélange de tous types d'espèces gazeuses. estimée - e Belle estimée réelle P T - La hauteur du réservoir est limitée afin de faciliter l'homogénéité du mélange. Les avantages de l'invention sont donc les suivants: - Les seules vannes utilisées sont des vannes tout ou rien , l'emploi de vannes de mélange spécifiques (à 3 voies ou plus) de géométrie adaptée ou bien de régulateurs de débit massique n'est donc pas nécessaire. - Aucun analyseur n'est nécessaire. - La méthode est immédiatement adaptable à n'importe quel 10 mélange de gaz. - Les proportions du mélange sont gérées par des mesures de pression et température: d'où la simplicité de la mesure et de l'équipement nécessaire; la quantité de chaque élément du mélange injectée, permettant de contrôler la composition du mélange, est gérée à l'aide de la loi de gaz parfaits (cas simple) ou bien d'une équation d'état des gaz plus complexe si une précision plus importante est nécessaire (prise en compte des facteurs de compressibilité). La présente invention concerne alors une méthode d'élaboration et de délivrance d'un mélange d'au moins deux gaz à une installation utilisatrice du mélange, dans laquelle: - on dispose d'un réservoir intermédiaire apte à contenir le mélange et à alimenter en mélange l'installation utilisatrice; - on dispose de sources desdits au moins deux gaz, reliées au réservoir par des lignes d'alimentation, équipées chacune d'une vanne d'alimentation de type tout-ou-rien ainsi que d'un organe de limitation du débit; - on dispose d'un capteur de pression apte à mesurer la valeur de la pression régnant à l'intérieur du réservoir; - on dispose d'un capteur de température apte à mesurer la valeur de la température du gaz à l'intérieur du réservoir; - on dispose d'une unité d'acquisition et de traitement de données, apte à recevoir lesdites valeurs de pression et de température, et à rétroagir sur lesdites vannes d'alimentation; 2890761 5 et dans lequel on procède aux étapes suivantes: i) toutes les vannes d'alimentation sont initialement en position de fermeture; j) on connaît la composition initiale de gaz présente dans le réservoir; k) on détermine le nombre de moles de chaque constituant du mélange initialement présent dans le réservoir à partir de la pression, de la température et de la composition initiale présente dans le réservoir; I) - on ouvre la vanne d'alimentation de l'un des dits au moins deux gaz, les autres vannes d'alimentation des autres gaz étant fermées, et l'on détermine le nombre de moles du gaz considéré en fonction de la pression et de la température mesurées dans le réservoir au cours du remplissage, et du nombre de moles du gaz considéré initialement présent dans le réservoir; la teneur du gaz considéré dans le mélange étant estimée à partir de ce nombre de moles et de la pression finale visée dans le réservoir; - on compare la teneur du gaz considéré ainsi évaluée avec une teneur consigne souhaitée pour le gaz considéré ; - lorsque la teneur consigne du gaz considéré est atteinte, on ferme la vanne d'alimentation du gaz considéré ; m) on procède aux opérations de l'étape I) tout à tour pour chacun desdits au moins deux gaz; o) on ouvre une vanne située sur une ligne de sortie du réservoir afin d'alimenter en mélange l'installation utilisatrice. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence à la figure unique annexée qui est une représentation schématique d'un exemple de mode de réalisation de l'invention pour la réalisation de mélanges binaires (Gaz 1 et Gaz 2) mettant en ceuvre un unique réservoir Vm. Cette figure illustre les éléments et le fonctionnement suivants 15 20 2890761 6 La pression de service et les dimensions du réservoir Vm sont déterminés en fonction des conditions d'utilisation nécessaires en termes de: - débit amont (débit des sources de gaz) - débit aval (débit nécessaire au site utilisateur) - pression aval nécessaire - pression amont disponible. Le réservoir Vm peut être équipé d'un évent permettant de purger le gaz, et éventuellement raccordé à une pompe à vide pour être purgé. Préférentiellement, le gaz alimenté par le haut (Gaz 1 sur la figure) est le plus lourd et le gaz alimenté par le bas (Gaz 2 sur la figure) est le plus léger, afin de faciliter et d'accélérer le mélange entre les composants du mélange. Les lignes d'alimentation des Gaz 1 et 2 sont équipées d'une électrovanne (sur lesquelles peut retroagir l'Automate/programmateur) et en aval de l'électrovanne d'un organe de limitation du débit, par exemple un orifice calibré, une vanne de laminage, une réduction de section de la canalisation etc... Dans une mise en ceuvre avantageuse de l'invention, les piquages d'alimentation en gaz qui sont réalisés en deux endroits distincts et séparés sur la capacité Vm sont conçus de manière à obtenir une vitesse de gaz élevée à l'entrée dans la capacité, c'est-à-dire au moins égale à 20 m/s, et idéalement supérieure à 50 m/s, afin d'assurer un mélange turbulent (remous) entre les différents composants du mélange. Par exemple, pour un débit d'alimentation de 100 Nm3/h, et une pression de la capacité Vm au plus égale à 10 bar, le diamètre des entrées de gaz dans Vm est avantageusement inférieur à 8 mm. Comme figuré sur la figure unique annexée, un capteur de pression "P" transmet la valeur de la pression à l'intérieur de Vm vers l'Automate/Programmateur contrôlant la réalisation du mélange, et un capteur de température "T" transmet la valeur de la température du gaz régnant à l'intérieur de Vm à ce même Automate/Programmateur. La méthode de réalisation du mélange est illustrée ci-dessous pour le cas d'un mélange à deux constituants pour alimenter une opération de trempe 5 gazeuse. La méthode repose sur la détermination du nombre de moles de chaque composant du mélange ajouté en fonction de la pression et de la température mesurées dans le mélange i.e à l'intérieur de la capacité. Le nombre de moles de gaz peut être déterminé à partir de l'équation d'état des gaz parfaits: PV = nRT Où P est la pression du mélange gazeux, V le volume de l'enceinte où est réalisé le mélange, n le nombre de moles de gaz dans l'enceinte, R la constante des gaz parfaits et T la température du gaz. Si l'on considère un gaz réel et non un gaz parfait, l'équation à prendre en compte est la suivante: PV = ZnRT Où Z est le facteur de compressibilité du gaz qui dépend de la composition du mélange et de son état. Pour chaque constituant i du mélange, la pression partielle P; est reliée au nombre de moles ni par les relations: P.V = n.RT ou P.V = Z.n.RT a a a aa Dans le cas où les variations de température sont négligées, le rapport du nombre de moles du constituant i au nombre de moles total correspond au rapport de la pression partielle du constituant i à la pression totale. Dans le cadre du présent exemple, les étapes de la réalisation du 30 mélange sont les suivantes: - toutes les vannes sont initialement fermées - le nombre de moles de chaque constituant du mélange initialement présent dans Vm est déterminé à partir de la pression, de la température et de la composition initiale présente dans la capacité : i) selon les cas on peut démarrer d'une situation où l'installation était précédemment arrêtée, auquel cas l'automate sait qu'il démarre du vide; ou j) d'une situation en fonctionnement i.e par cycles de remplissage/vidange de toute ou partie de la capacité pour effectuer la trempe/remplissage etc... et l'automate sait alors également de quelle situation de composition de la capacité il démarre. - l'électrovanne d'alimentation du gaz 1 est ouverte; le nombre de moles du constituant 1 est déterminé en fonction de la pression et de la température mesurées dans Vm au cours du remplissage, et du nombre de moles initialement présent dans Vm; la teneur du constituant 1 dans le mélange est estimée à partir de cette valeur et de la pression finale visée dans Vm, en considérant que la température finale sera égale à la température mesurée au cours du remplissage; - lorsque la teneur consigne du constituant 1 est atteinte, la vanne d'alimentation du gaz 1 est fermée; le nombre total de moles du constituant 1 20 présentes dans Vm est déterminé à partir de la mesure de pression et de température et des valeurs initiales de chaque constituant dans Vm; - la vanne d'alimentation du gaz 2 est alors ouverte; le nombre total de moles du constituant 2 et la teneur de ce constituant dans le mélange sont déterminées en continu à partir des mesures de pression et de température dans Vm; - lorsque la teneur du constituant 2 est atteinte, la vanne d'alimentation du gaz 2 est fermée; la pression finale atteinte peut être légèrement différente de la pression initialement visée si la température finale diffère de la température mesurée à l'étape précédente de remplissage du gaz 1; - la vanne de sortie du mélange est ouverte afin de fournir le mélange vers l'aval i.e vers l'opération de trempe. Si l'on vient de décrire dans ce qui précède plus en détail le cas d'un mélange gazeux à deux composants, on comprend sans qu'il soit nécessaire de développer plus avant que la méthode s'applique également et sans difficultés à des mélanges de plus de deux gaz, selon la même démarche de détermination du nombre de moles de chaque constituant à partir des conditions de pression, température, d'état initial de la capacité, et du nombre de moles de chaque constituant précédemment injectées avant l'injection du gaz i considéré. ------------------ REVENDICATIONS 1. Méthode d'élaboration et de délivrance d'un mélange d'au moins deux gaz à une installation utilisatrice du mélange, dans laquelle: - on dispose d'un réservoir intermédiaire apte à contenir le mélange et à alimenter en mélange l'installation utilisatrice; - on dispose de sources desdits au moins deux gaz, reliées au réservoir par des lignes d'alimentation, équipées chacune d'une vanne d'alimentation de type tout- ou-rien ainsi que d'un organe de limitation du débit; - on dispose d'un capteur de pression apte à mesurer la valeur de la pression régnant à l'intérieur du réservoir; - on dispose d'un capteur de température apte à mesurer la valeur de la température du gaz à l'intérieur du réservoir; - on dispose d'une unité d'acquisition et de traitement de données, apte à recevoir lesdites valeurs de pression et de température, et à rétroagir sur lesdites vannes d'alimentation; et dans lequel on procède aux étapes suivantes: i) toutes les vannes d'alimentation sont initialement en position de fermeture; j) on connaît la composition initiale de gaz présente dans le réservoir; k) on détermine le nombre de moles de chaque constituant du mélange initialement présent dans le réservoir à partir de la pression, de la température et de la composition initiale présente dans le réservoir; I) - on ouvre la vanne d'alimentation de l'un des dits au moins deux gaz, les autres vannes d'alimentation des autres gaz étant fermées, et l'on détermine le nombre de moles du gaz considéré en fonction de la pression et de la température mesurées dans le réservoir au cours du remplissage, et du nombre de moles du gaz considéré initialement présent dans le réservoir; la teneur du gaz considéré dans le mélange étant estimée à partir de ce nombre de moles et de la pression finale visée dans le réservoir; - on compare la teneur du gaz considéré ainsi évaluée avec une teneur consigne souhaitée pour le gaz considéré ; - lorsque la teneur consigne du gaz considéré est atteinte, on ferme la vanne d'alimentation du gaz considéré ; m) on procède aux opérations de l'étape I) tout à tour pour chacun desdits au moins deux gaz; n) on ouvre une vanne située sur une ligne de sortie du réservoir afin d'alimenter en mélange l'installation utilisatrice. ------------------