Brevet FR3082923A1 — publié le 20191227

Le domaine de l'invention se rapporte au contrôle d'un débit d'argon en sortie d'une colonne de distillation. En particulier, la modification du débit d'argon d'un fluide en sortie d'une colonne de distillation permet de modifier la teneur en dioxygène de ce fluide et ainsi d'en améliorer la pureté en argon. La distillation est effectuée à des températures cryogéniques La distillation est un procédé de séparation des différents constituants d'un mélange liquide homogène. En effet, ces constituants présentent généralement des températures d'ébullition (ou températures de vaporisation) distinctes de sorte que, sous l'effet de l'augmentation de la température, les constituants du mélange liquide vont se transformer en gaz à des températures différentes, ce qui permet ainsi de les séparer les uns des autres. En particulier, il est possible de séparer les différents constituants d'un mélange d'air liquide et ainsi d'isoler du diazote, du dioxygène mais aussi des gaz rares, notamment l'argon La séparation de l'argon des autres constituants de l'air pour obtenir un fluide d'argon aussi pur que possible présente un réel intérêt et a de nombreuses applications industrielles. L'argon étant un gaz inerte, il est par exemple employé comme atmosphère pour des réactions chimiques. L'argon est en outre très utilisé dans la fabrication des ampoules incandescentes puisqu'il il présente l'avantage de ne pas réagir avec le filament de l'ampoule. La pureté de l'argon est bien souvent caractérisée par la teneur en dioxygène résiduel dans le fluide d'argon obtenu en sortie d'une colonne de distillation et l'amélioration de la pureté de l'argon est donc un problème récurrent Bien souvent, les procédés et systèmes d'amélioration de la pureté de l'argon ne prennent pas en considération certains critères comme le taux de dioxygène en sortie de colonne de distillation, le délai inhérent au fonctionnement de la colonne de distillation, les perturbations extérieures ou encore le biais introduit par le ou les régulateurs habituellement utilisés. La présente invention vient améliorer la situation 2 L'invention dont il est question ici concerne un système de contrôle d'un débit d'argon d'un fluide en sortie d'un ensemble d'au moins une colonne de distillation pour atteindre un taux de dioxygène cible. Le système comprend : - un capteur agencé pour mesurer un taux de dioxygène dans un fluide comprenant de 5 l'argon en sortie de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation, - un régulateur agencé pour déterminer une variation de débit d'argon requise en fonction de la différence entre le taux de dioxygène mesuré par le capteur et un taux de dioxygène cible, - un contrôleur agencé pour générer un signal de commande relatif à un débit d'argon 10 visé, ledit débit d'argon visé étant déterminé en fonction de la variation de débit d'argon requise déterminée par le régulateur et de variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur et - une vanne, pilotée par ledit contrôleur, agencée pour modifier le débit d'argon du fluide en sortie de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation pour obtenir le 15 débit d'argon visé. Les variations du débit du fluide comprenant de l'argon en sortie de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation ont en effet un impact direct sur le taux de dioxygène de ce fluide. Ainsi, le système décrit ici détermine un débit d'argon, à savoir le débit d'argon visé, pour atteindre le taux de dioxygène cible 20 Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l'ensemble d'au moins une colonne de distillation est alimenté par un fluide d'air, le débit d'argon visé déterminé par le contrôleur étant déterminé en fonction en outre d'une valeur prédictive du débit d'argon fonction du débit d'air en entrée de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation et d'un rendement dudit ensemble. Selon un aspect de l'invention, la valeur prédictive du débit d'argon est fonction d'un débit 25 d'air retardé relatif au débit d'air en entrée de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation, ledit d'air retardé étant défini comme suit : 1:2-air(t) = Qair(t) tant que Qair(t) - Qair(t - 5) S P3 Si PV(t) - PV(t - T) G -S où : - P(t) est la valeur du paramètre d'anticipation relatif aux variations du taux de di oxygène mesuré par le capteur à l'instant t, - Pi, P2, P3 sont des valeurs possibles du paramètre d'anticipation selon les variations du 15 taux de di oxygène mesuré par le capteur, - PV(t) est la valeur du taux de dioxygène mesuré par le capteur à l'instant t, - r est une période de temps prédéterminée, et - S est un seuil prédéterminé. Les variations du taux de dioxygène lorsque celui-ci est régulé par un régulateur, et plus 20 spécifiquement un régulateur MD, sont connues à l'avance et permettent donc de déterminer les valeurs possibles du paramètre d'anticipation. Selon un autre aspect de l'invention, le paramètre d'anticipation relatif aux variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur est un débit correctif, le débit d'argon visé étant déterminé comme suit : Qargon = Qpred + Aregul + P - Qaigon est le débit d'argon visé, - n ,pred est la valeur prédictive du débit d'argon, 25 où : 5 - Aregtà est une variation de débit d'argon requise, et - P la valeur du débit correctif Selon un autre aspect de l'invention, le paramètre d'anticipation relatif aux variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur est un coefficient de pondération de la valeur prédictive du 5 débit d'argon, le débit d'argon visé étant déterminé comme suit : Qargon = Qpred X P + Aregui où : - Qarp,on est le débit d'argon visé, - Qpred est la valeur prédictive du débit d'argon, 10 - Aregul est une variation de débit d'argon requise, et - P la valeur du coefficient de pondération de la valeur prédictive du débit d'argon. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la valeur prédictive de débit d'argon est pondérée par un facteur correctif relatif à des perturbations de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation, ledit facteur correctif étant déterminé en fonction de la différence entre le taux de 15 dioxygène mesuré par le capteur et le taux de di oxygène cible Selon un aspect de l'invention, le facteur correctif est défini comme suit : f Kisi PV(t) - SP Ti K = K2 Si T2 G PV(t) - SP Kajr est distinct du débit d'air réel Qair. Plus exactement, le débit d'air 5 retardé Q*air est retardé de 40 minutes, période au cours de laquelle la valeur du débit retardé Q*air est maintenue constante, quelles que soient les variations du débit d'air réel Qair sur cet intervalle de temps. A titre d'exemple, à to = 80 min, la mesure indique que l'augmentation de débit sur 1 minute est supérieure au seuil R prédéterminé. La valeur du débit retardé Q(t) est donc maintenue 10 bloquée pendant 40 minutes, c'est-à-dire entre to = 80 min et to+k = 120 min. Par ailleurs, au cours de cette période de temps, la valeur du débit retardé rait(t) est égale à Qaii(to-X.)= Qair(40) 97,9 m3/11. A partir de t = 140 min, le débit d'air réel Qair continue d'augmenter, mais avec une pente faible cette fois-ci, jusqu'à t = 200 min. En effet, sur cet intervalle de temps délimité par les points B 15 et C sur la courbe illustrée en Figure 2, le débit d'air réel ()air augmente d'environ 0,42 ieh chaque minute, ce qui est donc inférieur au seuil prédéterminé R = 1m3/h. Puisque la pente est faible, le débit retardé Q*,,o est donc égal à Qair mais seulement lorsque la période de temps de 40 minutes, toujours en cours à t = 140 min, pendant laquelle la valeur du débit retardé Q*air(t) est maintenue constante, s'achève, c'est-à-dire à t = 160 min. 20 Enfin, sur la portion de courbe délimitée par les points D et E, la courbe du débit d'air réel Qair est décroissante et la variation de débit d'air réelQair sur 1 minute reste inférieure au seuil prédéterminé R = 1 M3/11. Le débit d'air retardé Q*air est donc égal à ()ah entre t = 200 min et t = 280 min. Au cours de l'étape S3, donc, on détermine la valeur de débit d'air retardé (taie) à l'instant t. 25 Cette valeur est par exemple déterminée par le contrôleur 13 qui reçoit donc, dans ce mode de réalisation, la mesure du débit d'air Qair en entrée de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation. Alternativement, la valeur du d'air retardé Q*,,,(0 est directement transmise au contrôleur 13 Lors d'une étape S4, le contrôleur 13 détermine la valeur prédictive Qpied(t) du débit d'argon 30 en fonction du débit d'air Qair en entrée de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation et d'un rendement de l'ensemble 1. Selon un mode de réalisation, la valeur prédictive Qpred(t) 17 est plus précisément déterminée en fonction, non du débit d'air Qatr en entrée de l'ensemble 1, mais du débit d'air retardé Q*a,r et du rendement de l'ensemble 1. Par exemple, pour un instant t donné, la valeur prédictive Qpred(t) du débit d'argon est déterminée par le contrôleur 13 comme suit . 5 Qpred(t) = Q*aw(t) xOEXP où : - Qpred(t) est la valeur prédictive du débit d'argon à un instant t donné, - a est la proportion d'argon dans le débit d'air en entrée de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation, 10 - p est le rendement de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation. Typiquement, la proportion d'argon a dans le débit d'air en entrée de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation est d'environ 0,93%. Concernant le rendement p de l'ensemble 1, celui-ci est par exemple déterminé par application d'une fonction prédéterminée à un facteur caractérisant une quantité d'énergie utilisée pour le 15 fonctionnement de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation. Avantageusement, la fonction prédéterminée est déterminée par un algorithme d'apprentissage sur la base d'un ensemble de données relatives à une pluralité de processus de distillation mis en oeuvre selon différentes valeurs de quantité d'énergie sollicitée. En d'autres termes, on détermine la fonction prédéterminée en réalisant plusieurs processus de distillation en faisant 20 varier, d'un processus à l'autre, la quantité d'énergie sollicitée. On obtient alors un ensemble de points quantité d'énergie-rendement. Un algorithme d'apprentissage tel qu'une extrapolation de ces différents points permet de déterminer la fonction F. Par exemple, la fonction prédéterminée est polynômiale. Typiquement, une telle fonction prédéterminée est une fonction polynômiale de degré inférieur ou égale à 2. 25 Lors d'une cinquième étape optionnelle S5, la valeur prédictive Qpred(t) de débit d'argon à un instant t est pondérée par un facteur correctif K relatif à des perturbations de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation. Le facteur correctif K est déterminé en fonction de la différence entre le taux de dioxygène mesuré PV(t) par le capteur 9 et le taux de dioxygène cible SP. 18 Dans ou plusieurs modes de réalisation, le facteur correctif K est défini comme suit : f Kisi PV(t) - SP > Ti K = K2 Si T2 S P3 Si PV(t) - PV(t - r)