EP3811012A1 - Système de contrôle d'un débit d'argon en sortie d'une colonne de distillation - Google Patents

Système de contrôle d'un débit d'argon en sortie d'une colonne de distillation

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EP3811012A1
EP3811012A1 EP19740621.8A EP19740621A EP3811012A1 EP 3811012 A1 EP3811012 A1 EP 3811012A1 EP 19740621 A EP19740621 A EP 19740621A EP 3811012 A1 EP3811012 A1 EP 3811012A1
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EP
European Patent Office
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argon
distillation column
level
assembly
argon flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19740621.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Marc BASTID
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP3811012A1 publication Critical patent/EP3811012A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
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    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04793—Rectification, e.g. columns; Reboiler-condenser
    • F25J3/048—Argon recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J3/04642—Recovering noble gases from air
    • F25J3/04648—Recovering noble gases from air argon
    • F25J3/04654—Producing crude argon in a crude argon column
    • F25J3/04666—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system
    • F25J3/04672—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system having a top condenser
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    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04848—Control strategy, e.g. advanced process control or dynamic modeling

Definitions

  • the field of the invention relates to the control of a flow of argon at the outlet of a distillation column.
  • the modification of the argon flow rate of a fluid at the outlet of a distillation column makes it possible to modify the oxygen content of this fluid and thus to improve its purity in argon. Distillation is carried out at cryogenic temperatures.
  • Distillation is a process for separating the different constituents of a homogeneous liquid mixture.
  • these constituents generally have separate boiling temperatures (or vaporization temperatures) so that, under the effect of the increase in temperature, the constituents of the liquid mixture will transform into gases at different temperatures, which allows to separate them from each other.
  • Argon is an inert gas, for example it is used as an atmosphere for chemical reactions. Argon is also widely used in the manufacture of incandescent bulbs since it has the advantage of not reacting with the filament of the bulb.
  • the purity of argon is very often characterized by the content of residual oxygen in the argon fluid obtained at the outlet of a distillation column and the improvement of the purity of argon is therefore a recurring problem.
  • the methods and systems for improving the purity of argon do not take into account certain criteria such as the level of oxygen at the outlet of the distillation column, the delay inherent in the operation of the distillation column, external disturbances. or the bias introduced by the regulator (s) usually used.
  • the present invention improves the situation.
  • the invention in question here relates to a system for controlling a flow of argon from a fluid leaving a set of at least one distillation column in order to reach a target level of oxygen.
  • the system includes:
  • a sensor arranged to measure a level of oxygen in a fluid comprising argon at the outlet of the assembly of at least one distillation column
  • a regulator arranged to determine a variation of argon flow required as a function of the difference between the level of oxygen measured by the sensor and a level of target oxygen
  • a controller arranged to generate a control signal relating to a targeted argon flow rate, said targeted argon flow rate being determined as a function of the variation of required argon flow rate determined by the regulator and of variations in the dioxygen level measured by the sensor and
  • a valve controlled by said controller, arranged to modify the argon flow rate of the fluid leaving the assembly of at least one distillation column to obtain the targeted argon flow rate.
  • Variations in the flow rate of the fluid comprising argon at the outlet of the assembly of at least one distillation column have a direct impact on the oxygen level of this fluid.
  • the system described here determines an argon flow, namely the targeted argon flow, to reach the target oxygen level.
  • the assembly of at least one distillation column is supplied with an air fluid, the target argon flow rate determined by the controller being determined also as a function of a predictive value of the Argon flow rate as a function of the air flow rate at the inlet of the assembly of at least one distillation column and of the efficiency of said assembly.
  • the predictive value of the argon flow rate is a function of a delayed air flow rate relative to the air flow rate at the inlet of the assembly of at least one distillation column, said d ' delayed air being defined as follows:
  • Air Q * (0 Q C as air 3 ⁇ 4 ue Qair Qair CO O ⁇ S ⁇ R
  • Qair (t) is the flow of air entering the set of at least one distillation column at time t
  • R is a positive predetermined threshold
  • the predictive value of the argon flow at a given instant is determined as follows:
  • Qpred (t) is the predictive value of the argon flow at a given time t
  • A is the proportion of argon in the air flow entering the assembly of at least one distillation column
  • the efficiency of the assembly of at least one distillation column is determined by applying a predetermined function to a factor characterizing an amount of energy used for the operation of the assembly d '' at least one distillation column.
  • the predetermined function is determined by a learning algorithm on the basis of a set of data relating to a plurality of distillation processes implemented according to different values of quantity of energy requested.
  • the predetermined function is polynomial.
  • the target argon flow rate is determined as a function of an anticipation parameter relating to variations in the level of oxygen measured by the sensor, said anticipation parameter taking discrete values in a set of predetermined values.
  • the level of oxygen measured by the sensor is that of the fluid comprising argon at the outlet of the assembly of at least at least one distillation column.
  • This fluid therefore comes from the upper part of a distillation column where the level of oxygen varies non-linearly.
  • the regulator and more particularly a PID regulator, is not adapted to non-linearity and therefore does not make it possible to regulate satisfactorily the level of dioxygen leaving the assembly of at least one distillation column.
  • such an anticipation parameter is complementary to the regulator and therefore corrects the approximations due to the non-linearity of the oxygen content in the upper part of a distillation column.
  • the anticipation parameter relating to variations in the level of oxygen is defined as follows: or :
  • P (t) is the value of the anticipation parameter relating to variations in the level of oxygen measured by the sensor at time t
  • PV (t) is the value of the oxygen level measured by the sensor at time t
  • the variations in the oxygen level when it is regulated by a regulator, and more specifically a PID regulator, are known in advance and therefore make it possible to determine the possible values of the anticipation parameter.
  • the anticipation parameter relating to variations in the level of oxygen measured by the sensor is a corrective flow, the targeted argon flow being determined as follows:
  • Qargon is the target argon flow
  • Qpred is the predictive value of the argon flow
  • a regui is a variation of argon flow required
  • the anticipation parameter relating to the variations in the level of oxygen measured by the sensor is a weighting coefficient of the predictive value of the argon flow, the targeted argon flow being determined as follows :
  • a regui is a variation of argon flow required
  • the predictive value of argon flow rate is weighted by a corrective factor relating to disturbances of the assembly of at least one distillation column, said corrective factor being determined as a function of the difference between the oxygen level measured by the sensor and the target oxygen level.
  • the corrective factor is defined as follows: r
  • K K 2 if T 2 ⁇ PV (t) - SP ⁇ Ti
  • Ki, K 2 and K 3 are possible predetermined values of the corrective factor, and Ti and T 2 are predetermined thresholds.
  • the regulator is a PID regulator (“Proportional-Integral-Derivative”) configured so that the values of the parameters respectively relating to the proportional and integral contributions of the PID regulator are multiplied by two when the level of oxygen measured by the sensor is higher than the target oxygen level.
  • PID regulator Proportional-Integral-Derivative
  • the PID regulator is a PI regulator.
  • the target oxygen level of the argon fluid leaving the assembly of at least one distillation column is less than 2 ppm.
  • the target oxygen content of the argon fluid leaving the assembly of at least one distillation column is between 0.9 ppm and 2 ppm.
  • the target oxygen level of the argon fluid leaving the assembly of at least one distillation column is equal to 0.9 ppm.
  • the ratio of argon recovered at the outlet of the assembly of at least one distillation column depends directly on the level of dioxygen at the outlet of this assembly.
  • a dioxygen level of 0.9 ppm represents the minimum value making it possible to reach a maximum ratio of argon recovered between the outlet fluid of the last distillation column of the assembly and the inlet fluid of this last column.
  • the invention further relates to a method for controlling a flow of argon from a fluid leaving a set of at least one distillation column in order to reach a target level of oxygen.
  • the method includes: - measuring a level of dioxygen in a fluid comprising argon at the outlet of the assembly of at least one distillation column,
  • the invention also relates to a computer program comprising instructions for implementing the method described above, when these instructions are executed by at least one processor.
  • Figure 1 illustrates a set of at least one distillation column and a system according to the invention comprising a sensor for measuring the oxygen level of a fluid in outlet of the assembly of at least one distillation column, a regulator, a controller and a valve;
  • FIG. 2 illustrates the variations in the flow of an air fluid entering the assembly of at least one distillation column, as well as the variations in a delayed air flow used by the controller to determine a target argon flow rate of the fluid leaving the assembly of at least one distillation column;
  • Figure 3 illustrates variations in the level of oxygen measured by the sensor at the outlet of the assembly of at least one distillation column
  • FIG. 4 illustrates the regulator according to an embodiment in which the regulator is of the PID type
  • Figure 5 illustrates the argon yield obtained as a function of the oxygen level of the fluid leaving the assembly of at least one distillation column
  • Figure 6 illustrates a method of controlling the flow of argon from the fluid leaving the assembly of at least one distillation column according to the invention.
  • Figure 1 illustrates an assembly 1 of at least one distillation column and a system 3 for controlling a flow of argon from a fluid leaving the assembly 1.
  • the assembly 1 of at least one distillation column is arranged to implement one or more distillation processes of a homogeneous mixture of which one of the constituents is argon (chemical element of notation "Ar" in the periodic table of elements).
  • the assembly 1 comprises several successive distillation columns, each implementing a distillation process, so that the fluid entering a distillation column is the fluid leaving the preceding distillation column.
  • the assembly 1 is supplied, for example, by an air fluid.
  • the air does indeed include argon.
  • the argon content in the air is about 0.93%. It is therefore understood that this air fluid is injected as an inlet to the first distillation column 5 of the assembly 1 of at least one distillation column.
  • other homogeneous mixtures comprising argon can be used as an entry for set 1.
  • the assembly 1 comprises two distillation columns, namely a first distillation column 5 and a second distillation column 7.
  • the first distillation column 5 is arranged to be supplied by an air flow 100 characterized by an air flow Q air .
  • the air flow rate Q air of this fluid can be variable over time.
  • FIG. 2 illustrates variations in the air flow rate Q air at the inlet of the assembly 1 of at least one distillation column, and more exactly at the inlet of the first distillation column 5.
  • the first distillation column 5 is further arranged to implement a distillation process so as to emit a fluid 110.
  • This fluid 110 has a higher argon content than the air fluid 100 at the inlet of the first distillation column 5.
  • the second distillation column 7 is arranged to be supplied by the fluid 110.
  • the fluid 110 is a gas at the outlet of the first distillation column 5 but is a liquid at the inlet of the second distillation column 7.
  • the second distillation column 7 is further arranged to carry out a distillation process so as to emit, as illustrated in Figure 1, a fluid 120 at the outlet. This fluid has a higher argon content than the inlet fluid 110.
  • the system 3 is arranged to control the flow of argon from the fluid 120 at the outlet of the assembly 1 of at least one distillation column.
  • the fluid 120 corresponds to the fluid leaving the second distillation column 7.
  • the control of the argon flow results in the modification of the oxygen content of the fluid 120.
  • system 3 is in fact designed to reach a target level of oxygen in the fluid 120 by modifying the flow of argon in the fluid 120.
  • controlling the flow of argon is the lever used, by means of system 3, to improve the purity of the argon at the outlet of the assembly 1 of at least one distillation column.
  • the system 3 comprises a sensor 9, a regulator 11, a controller 13 and a valve 15.
  • the sensor 9 is arranged to measure the level of oxygen in the fluid 120 leaving the assembly 1 of at least one distillation column.
  • the PV value of the oxygen level of the fluid 120 is measured in real time.
  • the sensor 9 is positioned at the outlet of the second distillation column 7. More precisely, it is therefore understood that the sensor 9 is positioned at the top of the second distillation column 7, namely the part of the second distillation column 7 from which the fluid 120 is extracted.
  • FIG. 3 illustrates an example of variations in the level of oxygen measured PV by the sensor 9 at the outlet of the assembly 1 of at least one distillation column.
  • the sensor 9 is further arranged to transmit the value PV (t) of oxygen content measured to the regulator 11 at the instant t.
  • the sensor 9 is also designed to transmit the measured oxygen level value PV (t) to the controller 13.
  • the sensor 9 comprises a memory 17 and a processor 19.
  • the memory 17 is configured to store instructions, the implementation of which by the processor 19 results in the operation of the sensor 9.
  • the memory 17 is further arranged to store data relating to variations in the level of oxygen in the fluid 120 measured at the outlet of the assembly 1 of at least one distillation column.
  • the regulator 11 is arranged to receive the PV value of the oxygen content measured by the sensor 9.
  • the regulator 11 receives the PV value of the oxygen content in real time.
  • the regulator 11 also receives as an input a target value SP of oxygen content.
  • This target oxygen level SP is a predetermined value corresponding to the desired oxygen level for the fluid 120 leaving the assembly 1.
  • This target value SP can also be described as a setpoint.
  • the level of target oxygen is less than or equal to 2 ppm.
  • the level of target oxygen is between 0.9 ppm and 2 ppm.
  • the target oxygen level is equal to 0.9 ppm.
  • the regulator 11 is further arranged to determine a variation A re of argon flow required as a function of the difference between the level of dioxygen PV measured by the sensor 11 and the rate of target oxygen SP.
  • the output of regulator 11 is therefore a flow corresponding to a required variation in the flow of argon.
  • the regulator 11 is further arranged to transmit the variation A re gui of argon flow required to the controller 13.
  • PID Proportional-Integral-Derivative
  • the variation A re gui of argon flow required is of the following form, after application of the Laplace transform: It is also known that the determination of the output of a PID regulator may include other operations in addition to the determination of the proportional, integral and derived responses.
  • the regulator 11 is configured so that the values of the parameters G p and Gi respectively relating to the proportional and integral contributions of the regulator 11 are multiplied by two when the level of dioxygen PV measured by the sensor 9 is higher than the rate of target oxygen MS.
  • G p + and Gi + in the case where the level of dioxygen PV measured is greater than the rate of target oxygen SP
  • G p and Gi- in the case where the level of dioxygen PV measured is lower than the target dioxygen level SP
  • the regulator 11 is a PI ("Proportional-Integral") regulator.
  • the regulator 11 is arranged to determine a proportional response and an integral response to the difference e between the measured oxygen level PV and the target oxygen level SP.
  • the regulator 1 1 is a PID regulator whose derived response is zero.
  • the regulator 11 comprises a memory 25 and a processor 27.
  • the memory 25 is arranged to store instructions, the implementation of which by the processor 27 results in the operation of the regulator 11.
  • the controller 13 is arranged to receive the variation A regui of required argon flow determined by the regulator 11. Furthermore, as explained above, the controller 13 is also coupled to the sensor 9 so that the controller 13 is further arranged to receive the PV value of the oxygen level of the fluid 120 measured by the sensor 9 at the outlet of the assembly 1 of at least one distillation column. Advantageously, these data are received by the controller 13 in real time. At a given time t, the controller 13 therefore receives the value PV (t) of oxygen content measured by the sensor 9 and the variation A regui (t) of required argon flow rate determined by the regulator 11.
  • the controller 13 is further arranged to generate a control signal relating to a target argon flow rate Q argon .
  • the controller 13 is further arranged to transmit the control signal to the valve 15.
  • the modification of the flow of argon at the outlet of the assembly 1 directly impacts the oxygen content of this fluid 120.
  • the flow d the targeted argon Q argon determined by the controller 13 is therefore determined with a view to reaching the target dioxygen level SP at the outlet of the assembly 1.
  • the target value SP of dioxygen level is advantageously equal to 0, 9 ppm.
  • FIG. 5 illustrates, as a function of the oxygen content of the fluid 120 at the outlet of the assembly 1, the quantity of argon recovered, in fluid 120 therefore, relative to the amount of argon in fluid 110 supplying the last distillation column of assembly 1.
  • the last distillation column of assembly 1 corresponds to the second distillation column 7.
  • FIG. 5 illustrates the ratio of argon recovered between the fluid 110 at the inlet of the last distillation column of the assembly 1 and the fluid 120 at the outlet of the last distillation column of the assembly 1
  • this ratio increases when the oxygen level increases to 0.9 ppm. From 0.9 ppm, this ratio is substantially constant.
  • too high a level of oxygen in the fluid leaving the assembly 1 is also not desirable since it must be as pure as possible. Consequently, it is particularly advantageous to have a dioxygen level of between 0.9 ppm and 2 ppm in order to achieve a maximum ratio of recovered argon equal to 77%.
  • the level of dioxygen is equal to 0.9 ppm, namely the minimum value of level of oxygen allowing to reach a maximum ratio of recovered argon.
  • the targeted argon flow Qargon is determined as a function of the variation A re of required argon flow determined by the regulator 11 and of the variations in the level of dioxygen PV measured by the sensor 9.
  • the assembly 1 of at least one distillation column is supplied by the fluid 100 comprising argon.
  • the fluid 100 is an air fluid with a variable flow over time.
  • the targeted argon flow rate Q argon determined by the controller 13 is also determined as a function of a predictive value Q pre d of the argon flow rate depending on the air flow rate Q air at the inlet of set 1 of at least one distillation column and of a yield p of set 1.
  • the predictive value Q pre d of the argon flow is a function more exactly of a delayed air flow Q * a ir relative to the air flow Q air at the inlet of the assembly 1. It is therefore understood here that , in this particular embodiment, the value of air flow used for determining the predictive value Q pre d is, not the actual air flow Q air at the inlet of set 1, but a flow d delayed air Q * air . The use of this quantity makes it possible to take into account the delay inherent in the operation of the assembly 1 in general and of the distillation columns, here the distillation columns 5 and 7, in particular.
  • the delayed air flow Q * a ir is illustrated in Figure 2 and will be explained in the following description.
  • the controller 13 comprises a memory 25 and a processor 27.
  • the memory 25 is arranged to store instructions, the implementation of which by the processor 27 results in the operation of the controller 13.
  • the valve 15 is arranged to modify the argon flow rate of the fluid 120 at the outlet of the assembly 1 of at least one distillation column in order to obtain the targeted argon flow rate Q arg on determined by the controller 13.
  • the modification of the argon flow rate of the fluid 120 induces a change in the oxygen content of this same fluid 120.
  • FIG. 3 illustrates such variations in the level of dioxygen.
  • valve 15 includes an actuator and a conduit (not shown in Figure 1) ⁇
  • the actuator is arranged to modify the flow rate of the fluid, here the fluid 120 leaving the assembly 1, flowing along the conduit of the valve 15 so as to obtain the desired flow rate.
  • the position of the valve actuator is controlled by the control signal sent by the controller 13.
  • the position of the actuator is a function of the targeted argon flow .
  • the assembly 1 of at least one distillation column is supplied by the fluid 100 comprising argon.
  • the fluid 100 is an air fluid.
  • the air flow rate of the fluid 100 varies over time.
  • a distillation process is carried out in the first distillation column 5 so as to obtain a fluid 110 whose oxygen content is higher than that of the fluid 100.
  • the fluid 110 is then injected at the inlet of the second distillation column 7 within which a distillation process is also carried out .
  • the fluid 120 at the outlet of the second distillation column 7, therefore of the assembly 1, is the fluid treated by the system 3.
  • the sensor 9 measures the value PV (t) of the oxygen content of the fluid 120 at an instant t.
  • the level of oxygen in the fluid 120 is advantageously measured in real time.
  • the PV value (t) of the oxygen content measured by the sensor 9 is transmitted to the regulator 1 1 and to the controller 13.
  • the regulator 11 receives the value PV (t) of the level of oxygen measured by the sensor 9 at time t. Furthermore, the regulator 11 also receives the target value SP of the target oxygen level, namely the level of oxygen satisfying the requirement of argon purity of the fluid 120.
  • the regulator 11 determines the difference e between the measured value PV (t) of the oxygen content and the target value SP, also called the setpoint.
  • this variation being determined, it too, in real time, it can also be noted A re gui (t) in the following description to designate the value of the variation in argon flow required in response to the measured value PV (t) of the oxygen content at time t.
  • the regulator 11 is a PID regulator.
  • the variation A re gui (t) of argon flow required includes a proportional response, an integral response and a derivative response to the difference e between the value PV (t) of measured oxygen content and the SP value of target oxygen level.
  • the regulator 11 is a PI regulator and the derived response is therefore zero.
  • the delayed air flow Q * air is determined as a function of the air flow Q air .
  • the air flow Q air of the air fluid 100 at the inlet of the assembly 1 of at least one distillation column varies as a function of time. These variations in the air flow Q air have an impact on the argon flow of the fluid 120 at the outlet of the assembly 1 and therefore on the oxygen level of the fluid 120.
  • the distillation process or processes successively implemented have a certain delay inherent in the assembly 1. For example, a an increase in the air flow at the inlet of 100 m 3 / h will not be passed on at the outlet of assembly 1 until after approximately 40 minutes. It is therefore advantageous to use a value of delayed air flow rate Q * air (t) rather than the value of the actual air flow rate Q air (t) for the calculations detailed in the rest of the process.
  • the delayed flow Q * air is defined as follows according to the actual air flow Q air :
  • Q air (t) is the air flow at the inlet of all of at least one distillation column at time t
  • R is a positive predetermined threshold
  • the delayed air flow Q * air is distinct from the real air flow Q air when the real air flow Q air increases with a high slope, ie ie a slope greater than or equal to a predetermined value, namely here ⁇ / g.
  • a high slope is detected, the value of the delayed air flow Q air (t) is kept constant for a predetermined period of time, here denoted l.
  • FIG. 2 illustrates the variations in the air flow rate Q air at the inlet of the assembly 1 of at least one distillation column.
  • d 1 min
  • This portion of the curve of the actual air flow Q air is identified by the ends A and B. Since the slope is steep, the delayed flow Q * air is distinct from the real air flow Q air . More precisely, the delayed air flow Q * air is delayed by 40 minutes, period during which the value of the delayed air flow Q * air is kept constant, whatever the variations of the real air flow Q air on this time interval.
  • the measurement indicates that the increase in flow over 1 minute is greater than the predetermined threshold R.
  • step S3 the value of delayed air flow rate Q * air (t) is determined at time t.
  • This value is for example determined by the controller 13 which therefore receives, in this embodiment, the measurement of the air flow Q air at the inlet of the assembly 1 of at least one distillation column.
  • the value of the delayed air Q * air (t) is directly transmitted to the controller 13.
  • the controller 13 determines the predictive value Q pred (t) of the argon flow as a function of the air flow Q air at the inlet of the assembly 1 of at least one distillation column and d 'a return on the set 1.
  • the predictive value Q pred (t) is more precisely determined as a function, not of the air flow Q air entering the assembly 1, but of the delayed air flow Q * a ir and of the efficiency of the assembly 1.
  • the predictive value Q pred (t) of the argon flow rate is determined by the controller 13 as follows:
  • Qpred (t) is the predictive value of the argon flow at a given time t
  • A is the proportion of argon in the air flow entering the assembly of at least one distillation column
  • the proportion of argon a in the air flow at the inlet of the assembly of at least one distillation column is approximately 0.93%.
  • the predetermined function is determined by a learning algorithm on the basis of a set of data relating to a plurality of distillation processes implemented according to different values of quantity of energy requested.
  • the predetermined function is determined by carrying out several distillation processes by varying, from one process to another, the quantity of energy required. We then obtain a set of energy-efficiency quantity points.
  • a learning algorithm such as an extrapolation of these different points makes it possible to determine the function F.
  • the predetermined function is polynomial.
  • a predetermined function is a polynomial function of degree less than or equal to 2.
  • the predictive value Q pr ed (t) of argon flow at an instant t is weighted by a corrective factor K relating to disturbances of the set 1 of at least one column of distillation.
  • the corrective factor K is determined as a function of the difference between the dioxygen level measured PV (t) by the sensor 9 and the target dioxygen level SP.
  • the corrective factor K is defined as follows:
  • K K 2 if T 2 ⁇ PV (t) - SP ⁇ Ti
  • Ki, K 2 and K 3 are possible predetermined values of the corrective factor, and Ti and T 2 are predetermined thresholds.
  • FIG. 3 illustrates an example of variations in the level of dioxygen PV measured by the sensor 9 at the outlet of the assembly 1.
  • predetermined conditions have been defined:
  • the value of the corrective factor K is Ki when the PV value (t) of the argon flow measured by the sensor 9 is greater than or equal to 0.95 ppm.
  • the value of the corrective factor K is K 2 .
  • the value of the corrective factor K is K 3 when the PV value (t) of the argon flow measured by the sensor 9 is less than or equal to 0.85 ppm.
  • an anticipation parameter P relating to the variations in the level of dioxygen PV measured by the sensor 9 is determined, for example by the controller 13.
  • the anticipation parameter P takes discrete values in a set of predetermined values.
  • the system 3 uses a regulator 11 which is typically a PID regulator. The use of such a regulator induces a variation in the argon flow rate of the fluid 120, namely the variation A re gui discussed so far.
  • the evolution over time of the level of oxygen in the fluid 120 at the outlet of the assembly 1 has a profile similar to that of the curve illustrated in FIG. 3. Typically, four points of inflection are observed, denoted respectively by W , X, Y and Z in Figure 3.
  • point W marks the beginning of a strong increase in the level of oxygen
  • point X marks the end of this strong increase and the beginning of a phase during which the level of oxygen is substantially constant.
  • Point Y marks the start of a sharp decrease in the level of oxygen
  • point Z marks the end of this sharp decrease and the start of a phase during which the level of dioxygen is again substantially constant.
  • the anticipation parameter P relating to the variations in the rate of dioxygen PV measured by the sensor 9 is based on the fact that these variations, largely due to the operating mode of the regulator 11, have a profile known in advance and which can therefore be anticipated. Furthermore, the PID regulator is very often not suitable for regulating non-linear variations, which is the case here, as illustrated in FIG. 3, with the variations in the level of dioxygen at the outlet of the assembly 1. This non linearity is mainly due to the fact that the measured oxygen level corresponds to the level of oxygen in the fluid 120 extracted from the upper part of the distillation column, here the second distillation column 7.
  • the anticipation parameter P aims to compensate for the relative inability of the regulator 11 to regulate in the case of non-linearity.
  • the anticipation parameter P is defined to take discrete values from a set of predetermined values as a function of the current position on the curve of the measured dioxygen PV level.
  • the anticipation parameter P relating to variations in the level of oxygen is defined as follows: or :
  • P (t) is the value of the anticipation parameter relating to variations in the level of oxygen measured by the sensor at time t
  • PV (t) is the value of the oxygen level measured by the sensor at time t
  • the set of predetermined values therefore comprises a first predetermined value Pi, a second predetermined value P 2 and a third predetermined value P 3 .
  • the anticipation parameter P takes the value Pi on the portion of the curve before point W, between point X and point Y, and after point Z.
  • the anticipation parameter P takes the value P 2 on the portion of curve between point W and point X.
  • the anticipation parameter P takes the value P 3 on the portion of curve between point Y and point Z.
  • this anticipation parameter may be of a different nature depending on the embodiments and therefore be used differently from one embodiment to another in the determination, by the controller 13, of the argon flow rate Q argon targeted. .
  • the anticipation parameter P relating to the variations in the level of PV oxygen measured by the sensor 9 is a corrective flow.
  • the discrete values by the anticipation parameter P are the following:
  • the anticipation parameter P relative to the variations in the level of dioxygen PV measured by the sensor 9 is a weighting coefficient of the predictive value Q pre d of the argon flow.
  • the controller 13 determines the argon flow rate Q argon targeted. It will also be understood from the above that the targeted argon flow rate Q argon is advantageously determined in real time since it depends on the variation A re of required argon flow rate determined by the regulator and variations in the rate of PV oxygen measured by sensor 9 in real time.
  • the anticipation parameter P relating to the variations in the level of dioxygen PV measured by the sensor 9 is, according to one embodiment, a corrective flow.
  • the target argon flow Q argon is then determined as follows:
  • a regui is a variation of argon flow required
  • the flow of argon Q argon is determined as follows:
  • the anticipation parameter P relating to the variations in the level of dioxygen PV measured by the sensor 9 is a weighting coefficient of the predictive value Q pre d of the argon flow.
  • the target argon flow Q argon is then determined as follows: Qargon Qpred XP + D regul
  • a regui is a variation of argon flow required
  • the controller 13 then generates a control signal at the target argon flow rate Q determined argon . This control signal is sent to the valve 15 of the system 3.
  • the valve 15 receives the control signal sent by the controller 13.
  • This control signal is characteristic of the targeted argon flow Qargon.
  • the position of the actuator of the valve 15 is modified so that the flow rate of the fluid 120, flowing in the conduit of the valve 15, reaches the target flow rate of argon Q argon .
  • the modification using the valve 15 controlled by the controller 13, makes it possible to directly impact the oxygen level of the fluid 120 in order to reach the target oxygen level SP.
  • the level of target oxygen is typically less than 2 ppm, preferably equal to 0.9 ppm.
  • the use of the oxygen level value measured at the outlet of the assembly of at least one distillation column makes it possible to have more relevant data for determining the argon flow rate making it possible to reach the target oxygen level.
  • the anticipation parameter makes it possible to anticipate the variations in the oxygen level induced by the use of a regulator, and more specifically a PID regulator, and therefore achieve the target oxygen level more quickly and more reliably.
  • This anticipation parameter therefore makes it possible to compensate for the bias introduced by the use of a regulator.
  • the level of oxygen used here is non-linear since it is measured on the outlet fluid, therefore the fluid from the upper part of a distillation column.
  • a regulator, and more particularly a PID regulator is not suitable for managing this non-linearity, hence the use of the anticipation parameter in addition to the regulator, this anticipation parameter being adapted to the non-linearity the oxygen content of the fluid leaving the assembly of at least one distillation column.
  • column 5 is a double air separation column comprising a medium pressure column thermally coupled to a low pressure column, the low pressure column being supplied by a fluid enriched in nitrogen and a fluid enriched in oxygen originating of the medium pressure column.
  • the flow 110 is a flow enriched in argon coming from the low pressure column which is sent to the argon column 7.
  • the fluid 120 rich in argon is produced by the argon column 7.

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Abstract

L'invention concerne un système (3) de contrôle d'un débit d'argon d'un fluide (120) en sortie d'un ensemble (1) d'au moins une colonne de distillation pour atteindre un taux de dioxygène cible (SP). Le système comprend : - un capteur (9) agencé pour mesurer un taux de dioxygène (PV) dans un fluide comprenant de l'argon en sortie de l'ensemble d'au moins une colonne de distillation, - un régulateur (11) agencé pour déterminer une variation (Δregul) 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 (13) agencé pour générer un signal de commande relatif à un débit d'argon 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, - une vanne (15), 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 débit d'argon visé.

Description

Système de contrôle d’un débit d’argon en sortie d’une colonne de distillation
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. 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 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 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 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.
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 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 :
Q*air (0 = Q air C tant ¾ue Qair CO Qair O ~ S < R
si, à t = t0, R < Qair(t0) - Qair -o - d), alors:
Q* air O = Qair Oo A)pour tout t G [t0] t0 + l[
où : • Q*air(t) est le débit retardé à l'instant t,
• Qair(t) est le débit d’air en entrée de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation à l’instant t,
• to est un instant quelconque,
• l et d sont des périodes de temps prédéterminées,
• R est un seuil prédéterminé positif.
Selon un autre aspect de l’invention, la valeur prédictive du débit d’argon à un instant donné est déterminée comme suit :
Qpred
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,
• p est le rendement de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation,
Selon un autre aspect de l’invention, le rendement de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est déterminé par application d’une fonction prédéterminée à un facteur caractérisant une quantité d’énergie utilisée pour le fonctionnement de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation.
Selon un autre aspect de l’invention, 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 œuvre selon différentes valeurs de quantité d’énergie sollicitée.
Selon un autre aspect de l’invention, la fonction prédéterminée est polynomiale.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le débit d’argon visé est déterminé en fonction d’un paramètre d’anticipation relatif aux variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur, ledit paramètre d’anticipation prenant des valeurs discrètes dans un ensemble de valeurs prédéterminées.
Comme expliqué précédemment, le taux de dioxygène mesuré par le capteur est celui du fluide comprenant de l’argon en sortie de l’ensemble d’au moins au moins une colonne de distillation. Ce fluide est donc issu de la partie supérieure d’une colonne de distillation où le taux de dioxygène varie de manière non-linéaire. Le régulateur, et plus particulièrement un régulateur PID, n’est pas adapté à la non-linéarité et ne permet donc pas de réguler de manière satisfaisante le taux de dioxygène en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation. Aussi, un tel paramètre d’anticipation est complémentaire du régulateur et corrige donc les approximations dues à la non-linéarité du taux de dioxygène dans la partie supérieure d’une colonne de distillation.
Selon un aspect de l’invention, le paramètre d’anticipation relatif aux variations du taux de dioxygène est défini comme suit : où :
• P(t) est la valeur du paramètre d’anticipation relatif aux variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur à l’instant t,
• Pi, P2, P3 sont des valeurs possibles du paramètre d’anticipation selon les variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur,
• PV(t) est la valeur du taux de dioxygène mesuré par le capteur à l’instant t,
• t 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 spécifiquement un régulateur PID, 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 b ùregUj + P
où :
Qargon est le débit d’argon visé,
Qpred est la valeur prédictive du débit d’argon, • Aregui 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 débit d’argon, le débit d’argon visé étant déterminé comme suit :
Qargon Qpred X P + D regul
où :
• Qargon est le débit d’argon visé,
• Qpred est la valeur prédictive du débit d’argon,
• Aregui 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 dioxygène mesuré par le capteur et le taux de dioxygène cible.
Selon un aspect de l’invention, le facteur correctif est défini comme suit : r
KiSi PV(t)— SP > Ti
K = K2 si T2 < PV(t) - SP < Ti
v K3 si PV(t) - SP < T2 où :
Ki, K2 et K 3 sont des valeurs prédéterminées possibles du facteur correctif, et Ti et T2 sont des seuils prédéterminés.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le régulateur est un régulateur PID (« Proportionnel- Intégral-Dérivé ») configuré de sorte que les valeurs des paramètres respectivement relatifs aux contributions proportionnelles et intégrales du régulateur PID sont multipliées par deux lorsque le taux de dioxygène mesuré par le capteur est supérieur au taux de dioxygène cible.
Selon un aspect de l’invention, le régulateur PID est un régulateur PI. Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le taux de dioxygène cible du fluide d’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est inférieur à 2 ppm.
Avantageusement, le taux de dioxygène cible du fluide d’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est compris entre 0,9 ppm et 2 ppm. Préférentiellement, le taux de dioxygène cible du fluide d’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est égal à 0,9 ppm.
Ces valeurs sont particulièrement avantageuses. En effet, le ratio d’argon récupéré en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation dépend directement du taux de dioxygène en sortie de cet ensemble. Un taux de dioxygène de 0,9 ppm représente la valeur minimale permettant d’atteindre un ratio maximal d’argon récupéré entre le fluide de sortie de la dernière colonne de distillation de l’ensemble et le fluide d’entrée de cette dernière colonne.
L’invention concerne en outre un procédé 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 procédé comprend : - mesurer un taux de dioxygène dans un fluide comprenant de l’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation,
déterminer une variation de débit d’argon requise en fonction de la différence entre le taux de dioxygène mesuré et un taux de dioxygène cible,
déterminer, en fonction de la variation de débit d’argon requise et de variations du taux de dioxygène mesuré, un débit d’argon visé, et
- modifier le débit d’argon du fluide en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation pour obtenir le débit d’argon visé.
Enfin, l’invention concerne également un programme informatique comprenant des instructions pour la mise en œuvre du procédé décrit précédemment, lorsque ces instructions sont exécutées par au moins un processeur.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : la Figure 1 illustre un ensemble d’au moins une colonne de distillation et un système selon l’invention comprenant un capteur de mesure du taux de dioxygène d’un fluide en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation, un régulateur, un contrôleur et une vanne ;
• la Figure 2 illustre les variations du débit d’un fluide d’air en entrée de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation, ainsi que les variations d’un débit d’air retardé utilisé par le contrôleur pour déterminer un débit d’argon visé du fluide en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation ;
• la Figure 3 illustre des variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation ;
• la Figure 4 illustre le régulateur selon un mode de réalisation dans lequel le régulateur est de type PID ;
• la Figure 5 illustre le rendement d’argon obtenu en fonction du taux de dioxygène du fluide en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation ; et
• la Figure 6 illustre un procédé de contrôle du débit d’argon du fluide en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation selon l’invention.
La Figure 1 illustre un ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation et un système 3 de contrôle d’un débit d’argon d’un fluide en sortie de l’ensemble 1.
L’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation est agencé pour mettre en œuvre un ou plusieurs processus de distillation d’un mélange homogène dont un des constituants est l’argon (élément chimique de notation « Ar » dans la table périodique des éléments).
Typiquement, l’ensemble 1 comprend plusieurs colonnes de distillation successives, chacune mettant en œuvre un processus de distillation, de sorte que le fluide en entrée d’une colonne de distillation est le fluide de sortie de la colonne de distillation précédente. Par ailleurs, l’ensemble 1 est alimenté, par exemple, par un fluide d’air. L’air comprend, en effet, de l’argon. La teneur en argon dans l’air est environ de 0,93%. On comprend donc que ce fluide d’air est injecté comme entrée de la première colonne de distillation 5 de l’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation. Bien entendu, d’autres mélanges homogènes comprenant de l’argon peuvent être utilisés comme entrée de l’ensemble 1.
Dans l’exemple illustré en Figure 1, l’ensemble 1 comprend deux colonnes de distillation, à savoir une première colonne de distillation 5 et une deuxième colonne de distillation 7.
La première colonne de distillation 5 est agencée pour être alimentée par un flux d’air 100 caractérisé par un débit d'air Qair. Par ailleurs, le débit d’air Qair de ce fluide peut être variable au cours du temps. A titre d’exemple, la Figure 2 illustre des variations du débit d'air Qair en entrée de l’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation, et plus exactement en entrée de la première colonne de distillation 5. Dans l’exemple illustré en Figure 2, le débit d’air Qair augmente avec une pente élevée entre t = 0 minute ett = 140 minutes. Puis, entre t = 140 minutes et t = 200 minutes, le débit d’air Qair continue d’augmenter mais avec une pente faible. Enfin, le débit d’air Qair décroît entre t = 200 minutes et t = 280 minutes.
La première colonne de distillation 5 est agencée en outre pour mettre en œuvre un processus de distillation de manière à émettre en sortie un fluide 110. Ce fluide 110 présente une teneur en argon plus élevée que le fluide d’air 100 en entrée de la première colonne de distillation 5.
La deuxième colonne de distillation 7 est agencée pour être alimentée par le fluide 110. L’homme du métier comprend que d’autres opérations, non représentées ici, peuvent être mises en œuvre entre deux colonnes de distillation successives. Par exemple, le fluide 110 est un gaz en sortie de la première colonne de distillation 5 mais est un liquide en entrée de la deuxième colonne de distillation 7. La deuxième colonne de distillation 7 est agencée en outre pour mettre un œuvre un processus de distillation de manière à émettre, comme illustré en Figure 1, un fluide 120 en sortie. Ce fluide présente une teneur en argon plus élevée que le fluide 110 en entrée.
Le système 3 est agencé pour contrôler le débit d'argon du fluide 120 en sortie de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation. Dans le cas décrit ici, le fluide 120 correspond au fluide en sortie de la deuxième colonne de distillation 7. Le contrôle du débit d'argon a pour conséquence la modification du taux de dioxygène du fluide 120.
On comprend donc ici que le système 3 est en fait agencé pour atteindre un taux de dioxygène cible dans le fluide 120 en modifiant le débit d'argon du fluide 120. En d'autres termes, le contrôle du débit d'argon est le levier utilisé, au moyen du système 3, pour améliorer la pureté de l’argon en sortie de l’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation.
Comme illustré en Figure 1, le système 3 comprend un capteur 9, un régulateur 11, un contrôleur 13 et une vanne 15.
Le capteur 9 est agencé pour mesurer le taux de dioxygène du fluide 120 en sortie de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation. Avantageusement, la valeur PV du taux de dioxygène du fluide 120 est mesurée en temps réel. Dans la suite de la description, on pourra donc également utiliser la notation PV(t) pour désigner la valeur du taux de dioxygène du fluide 120 à un instant t donné. Ici, le capteur 9 est positionné en sortie de la deuxième colonne de distillation 7. Plus exactement, on comprend donc que le capteur 9 est positionné au niveau de la partie supérieure de la deuxième colonne de distillation 7, à savoir la partie de la deuxième colonne de distillation 7 dont est extrait le fluide 120. La Figure 3 illustre un exemple de variations du taux de dioxygène mesuré PV par le capteur 9 en sortie de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation.
Le capteur 9 est agencé en outre pour transmettre la valeur PV(t) de taux de dioxygène mesurée au régulateur 11 à l’instant t. Avantageusement, le capteur 9 est également agencé pour transmettre la valeur de taux de dioxygène mesurée PV(t) au contrôleur 13. Le capteur 9 comprend une mémoire 17 et un processeur 19.
La mémoire 17 est configurée pour stocker des instructions dont la mise en œuvre par le processeur 19 se traduit par le fonctionnement du capteur 9.
Avantageusement, la mémoire 17 est agencée en outre pour stocker des données relatives aux variations du taux de dioxygène du fluide 120 mesuré en sortie de l’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation.
Le régulateur 11 est agencé pour recevoir la valeur PV du taux de dioxygène mesurée par le capteur 9. Avantageusement, le régulateur 11 reçoit la valeur PV du taux de dioxygène en temps réel. D’autre part, le régulateur 11 reçoit aussi en entrée une valeur cible SP de taux de dioxygène. Dans la suite de la description, on parlera également de taux de dioxygène cible SP. Ce taux de dioxygène cible SP est une valeur prédéterminée correspondant au taux de dioxygène désiré pour le fluide 120 en sortie de l’ensemble 1. Cette valeur cible SP peut également être qualifiée de consigne.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le taux de dioxygène cible est inférieur ou égale à 2 ppm. Avantageusement, le taux de dioxygène cible est compris entre 0,9 ppm et 2 ppm. Préférentiellement, le taux de dioxygène cible est égal à 0,9 ppm.
Le régulateur 11 est agencé en outre pour déterminer une variation Aregui de débit d’argon requise en fonction de la différence entre le taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 11 et le taux de dioxygène cible SP. La sortie du régulateur 11 est donc un débit correspondant à une variation requise de débit d’argon. Par ailleurs, le régulateur 11 est agencé en outre pour transmettre la variation Aregui de débit d'argon requise au contrôleur 13.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le régulateur 11 est un régulateur PID (" Proportionnel-Intégral-Dérivé "). Ce cas est illustré en Figure 4. Comme illustré en Figure 4 sous forme de schéma fonctionnel (ou schéma-bloc), le régulateur 11 reçoit en entrée une valeur PV de taux de dioxygène mesurée par le capteur 9 ainsi qu'une valeur cible SP de taux de dioxygène. Le régulateur 11 est alors agencé pour mesurer la différence e entre le taux de dioxygène PV mesuré et le taux de dioxygène cible SP, c’est-à- dire e = PV-SP. Dans le mode de réalisation décrit ici, le régulateur 11 est agencé par ailleurs pour déterminer une réponse proportionnelle, une réponse intégrale et une réponse dérivée à la différence e. En d'autres termes, la variation Aregui de débit d'argon requise est de la forme suivante, après application de la transformée de Laplace : II est connu par ailleurs que la détermination de la sortie d’un régulateur PID peut comprendre d’autres opérations en complément de la détermination des réponses proportionnelle, intégrale et dérivée.
Avantageusement, le régulateur 11 est configuré de sorte que les valeurs des paramètres Gp et Gi respectivement relatifs aux contributions proportionnelles et intégrales du régulateur 11 sont multipliées par deux lorsque le taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 est supérieur au taux de dioxygène cible SP. Autrement dit, en adoptant les notations Gp + et Gi+ dans le cas où le taux de dioxygène PV mesuré est supérieur au taux de dioxygène cible SP, et les notations Gp et Gi- dans le cas où le taux de dioxygène PV mesuré est inférieur au taux de dioxygène cible SP, on a : G + = 2 x G~
Gf = 2 x G
Selon un mode de réalisation, le régulateur 11 est un régulateur PI (" Proportionnel-Intégral "). Autrement dit, dans ce mode de réalisation, le régulateur 11 est agencé pour déterminer une réponse proportionnelle et une réponse intégrale à la différence e entre le taux de dioxygène mesuré PV et le taux de dioxygène cible SP. Une autre manière de concevoir ce mode de réalisation est de considérer que le régulateur 1 1 est un régulateur PID dont la réponse dérivée est nulle. En d'autres termes :
Gd = 0
Bien entendu, l'homme du métier comprend qu'il est équivalent et tout aussi pertinent de mesurer la différence SP-PV au lieu de la différence PV-SP.
Comme illustré en Figure 1 et en Figure 4, Le régulateur 11 comprend une mémoire 25 et un processeur 27.
La mémoire 25 est agencée pour stocker des instructions dont la mise en œuvre par le processeur 27 se traduit par le fonctionnement du régulateur 11.
Le contrôleur 13 est agencé pour recevoir la variation Aregui de débit d'argon requise déterminée par le régulateur 11. Par ailleurs, comme expliqué précédemment, le contrôleur 13 est également couplé au capteur 9 de sorte que le contrôleur 13 est agencé en outre pour recevoir la valeur PV de taux de dioxygène du fluide 120 mesurée par le capteur 9 en sortie de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation. Avantageusement, ces données sont reçues par le contrôleur 13 en temps réel. A un instant t donné, le contrôleur 13 reçoit donc la valeur PV(t) de taux de dioxygène mesurée par le capteur 9 et la variation Aregui(t) de débit d'argon requise déterminée par le régulateur 11.
Le contrôleur 13 est agencé en outre générer un signal de commande relatif à un débit d’argon visé Q argon. Le contrôleur 13 est agencé en outre pour transmettre le signal de commande à la vanne 15. Comme expliqué précédemment, la modification du débit d’argon en sortie de l’ensemble 1 impacte directement la teneur en dioxygène de ce fluide 120. Le débit d’argon visé Q argon déterminé par le contrôleur 13 est donc déterminé en vue d'atteindre le taux de dioxygène cible SP en sortie de l’ensemble 1. Comme expliqué précédemment, la valeur cible SP de taux de dioxygène est avantageusement égale à 0,9 ppm.
La détermination de la valeur cible SP de taux de dioxygène va à présent être explicitée en référence à la Figure 5. La Figure 5 illustre, en fonction du taux de dioxygène du fluide 120 en sortie de l’ensemble 1, la quantité d’argon récupéré, dans le fluide 120 donc, par rapport à la quantité d’argon dans le fluide 110 alimentant la dernière colonne de distillation de l’ensemble 1. Dans l’exemple illustré en Figure 1, la dernière colonne de distillation de l’ensemble 1 correspond à la deuxième colonne de distillation 7.
En d’autres termes, la Figure 5 illustre le ratio d’argon récupéré entre le fluide 110 en entrée de la dernière colonne de distillation de l’ensemble 1 et le fluide 120 en sortie de la dernière colonne de distillation de l’ensemble 1. Comme représenté, ce ratio augmente lorsque le taux de dioxygène augmente jusqu’à 0,9 ppm. A partir de 0,9 ppm, ce ratio est sensiblement constant. Par ailleurs, un taux de dioxygène trop élevé dans le fluide en sortie de l’ensemble 1 n’est pas non plus souhaitable puisque celui-ci doit être le plus pur possible. Par conséquent, il est particulièrement avantageux d’avoir un taux de dioxygène compris entre 0,9 ppm et 2 ppm pour atteindre un ratio maximal d’argon récupéré égal à 77%. Préférentiellement, le taux de dioxygène est égal à 0,9 ppm, à savoir la valeur minimale de taux de dioxygène permettant d’atteindre un ratio maximal d’argon récupéré.
Le débit d'argon visé Qargon est déterminé en fonction de la variation Aregui de débit d'argon requise déterminée par le régulateur 1 1 et des variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9.
Comme expliqué précédemment, l’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation est alimenté par le fluide 100 comprenant de l’argon. Dans l’exemple décrit ici, le fluide 100 est un fluide d'air au débit variable au cours du temps. Avantageusement, dans un ou plusieurs modes de réalisation, le débit d’argon visé Qargon déterminé par le contrôleur 13 est déterminé en fonction en outre d’une valeur prédictive Qpred du débit d’argon fonction du débit d’air Qair en entrée de l’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation et d’un rendement p de l’ensemble 1.
Avantageusement, la valeur prédictive Qpred du débit d’argon est fonction plus exactement d’un débit d’air retardé Q*air relatif au débit d’air Qair en entrée de l’ensemble 1. On comprend donc ici que, dans ce mode de réalisation particulier, la valeur de débit d'air utilisée pour la détermination de la valeur prédictive Qpred est, non pas le débit réel d'air Qair en entrée de l'ensemble 1, mais un débit d'air retardé Q*air. L'utilisation de cette grandeur permet de prendre en compte le délai inhérent au fonctionnement de l’ensemble 1 en général et des colonnes de distillation, ici les colonnes de distillation 5 et 7, en particulier. Ainsi, une modification du débit d’air Qair en entrée n’est réellement répercutée en sortie de l’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation qu'après un certain délai, d'où l'intérêt d'utiliser une grandeur, ici le débit d'air retardé Q*air, caractérisant ce délai. Par ailleurs, du fait de la faible proportion d’argon dans l’air, et en particulier ici dans le fluide d’air 100, il est nécessaire de prendre en considération le délai pour « charger » la ou les colonnes de distillation de l’ensemble 1. Ainsi, la forte augmentation du débit d’air Qair en entrée de l’ensemble 1 crée une perturbation et entraîne un délai nécessaire pour adopter le bon profil de pureté d’argon au sein de l’ensemble 1. A l’inverse, lorsque le débit d’air en entrée augmente avec une pente faible ou décroît, le profil de pureté d’argon n’est que peu impacté et il demeure pertinent de prendre un compte directement le débit d’air Qair en entrée de l’ensemble 1 plutôt que de retarder ce débit.
Le débit d'air retardé Q*air est illustré en Figure 2 et sera explicité dans la suite de la description.
Comme illustré en Figure 1, le contrôleur 13 comprend une mémoire 25 et un processeur 27.
La mémoire 25 est agencée pour stocker des instructions dont la mise en œuvre par le processeur 27 se traduit par le fonctionnement du contrôleur 13.
La vanne 15 est agencée pour modifier le débit d'argon du fluide 120 en sortie de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation pour obtenir le débit d'argon visé Qargon déterminé par le contrôleur 13. Comme expliqué précédemment, la modification du débit d'argon du fluide 120 induit une évolution de la teneur en dioxygène de ce même fluide 120. A titre d'exemple, la Figure 3 illustre de telles variations du taux de dioxygène.
Typiquement, la vanne 15 comprend un actionneur et un conduit (non représentés sur la Figure 1)·
L'actionneur est agencé pour modifier le débit du fluide, ici le fluide 120 en sortie de l'ensemble 1, s'écoulant le long du conduit de la vanne 15 de manière à obtenir le débit désiré. Dans le contexte de l’invention, la position de l’actionneur de la vanne est pilotée par le signal de commande émise par le contrôleur 13. En d’autres termes, la position de l’actionneur est fonction du débit d'argon visé.
Un procédé de contrôle du débit d'argon du fluide 120 en sortie de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation va maintenant être décrit en référence à la Figure 6.
L’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation est alimenté par le fluide 100 comprenant de l'argon. Dans l'exemple développé ici, le fluide 100 est un fluide d'air. Par ailleurs, comme expliqué précédemment, le débit d'air du fluide 100 varie au cours du temps. En référence à la Figure 1, un processus de distillation est mis en œuvre dans la première colonne de distillation 5 de manière à obtenir un fluide 110 dont le taux de dioxygène est plus élevé que celui du fluide 100. Le fluide 110 est ensuite injecté en entrée de la deuxième colonne de distillation 7 au sein de laquelle un processus de distillation est également mis en œuvre. Le fluide 120 en sortie de la deuxième colonne de distillation 7, donc de l'ensemble 1, est le fluide traité par le système 3.
Lors d'une première étape Sl, le capteur 9 mesure la valeur PV(t) du taux de dioxygène du fluide 120 à un instant t. Le taux de dioxygène du fluide 120 est avantageusement mesuré en temps réel.
La valeur PV(t) du taux de dioxygène mesurée par le capteur 9 est transmise au régulateur 1 1 et au contrôleur 13.
Lors d'une deuxième étape S2, le régulateur 11 reçoit la valeur PV(t) du taux de dioxygène mesurée par le capteur 9 à l’instant t. Par ailleurs, le régulateur 11 reçoit en outre la valeur cible SP du taux de dioxygène cible, à savoir le taux de dioxygène satisfaisant l'exigence de pureté en argon du fluide 120.
Le régulateur 11 détermine la différence e entre la valeur mesurée PV(t) du taux de dioxygène et la valeur cible SP, aussi appelée consigne. Le régulateur 11 détermine, en fonction de la différence e = PV(t)-SP une variation Aregui de débit d'argon requise. D'ailleurs, cette variation étant déterminée, elle-aussi, en temps réel, on pourra également la noter Aregui(t) dans la suite de la description pour désigner la valeur de la variation de débit d’argon requise en réponse à la valeur mesurée PV(t) du taux de dioxygène à l’instant t.
Dans le mode de réalisation illustré en Figure 4, le régulateur 11 est un régulateur PID. Dans ce mode de réalisation, la variation Aregui(t) de débit d'argon requise comprend une réponse proportionnelle, une réponse intégrale et une réponse dérivée à la différence e entre la valeur PV(t) de taux de dioxygène mesurée et la valeur SP de taux de dioxygène cible. Avantageusement, le régulateur 11 est un régulateur PI et la réponse dérivée est donc nulle.
La valeur de la variation Aregui(t) de débit d'argon requise est ensuite transmise au contrôleur 13.
Lors d'une troisième étape S3, selon un ou plusieurs modes de réalisation, le débit d'air retardé Q*air est déterminé en fonction du débit d'air Qair. Comme expliqué précédemment, le débit d'air Qair du fluide d'air 100 en entrée de l'ensemble 1 d'au moins une colonne de distillation varie en fonction du temps. Ces variations du débit d'air Qair ont un impact sur le débit d'argon du fluide 120 en sortie de l'ensemble 1 et donc sur le taux de dioxygène du fluide 120. Par ailleurs, le ou les processus de distillation successivement mis en œuvre présentent un certain délai inhérent à l’ensemble 1. A titre d’exemple, une augmentation du débit d’air en entrée de 100 m3/h ne sera répercutée en sortie de l'ensemble 1 qu'après 40 minutes environ. Il est donc avantageux d'utiliser une valeur de débit d'air retardé Q*air(t) plutôt que la valeur du débit d'air réel Qair(t) pour les calculs détaillés dans la suite du procédé.
Par exemple, le débit retardé Q*air est défini comme suit en fonction du débit d'air réel Qair :
Q*air (0 = Qair C tant 0ue Qair CO Qair O ~ S < R
si, à t = t0, R < Qair(t0) - Qair O-o - d), alors:
Q* air O = Qair 0-0 A)pour tout t G [t0] t0 + l[ où :
• Q*air(t) est le débit retardé à l'instant t,
• Qair(t) est le débit d’air en entrée de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation à l’instant t,
• to est un instant quelconque,
• l et d sont des périodes de temps prédéterminées, et
• R est un seuil prédéterminé positif.
En d’autres termes, dans ce mode de réalisation, le débit d’air retardé Q*air est distinct du débit d’air réel Qair lorsque le débit d’air réel Qair augmente avec une pente élevée, c’est-à-dire une pente supérieure ou égale à une valeur prédéterminée, à savoir ici ^ / g . Lorsqu’une pente élevée est détectée, la valeur du débit retardé Qair(t) est maintenue constante pendant une période de temps prédéterminée, ici notée l.
On fait référence à présent à la Figure 2 qui illustre les variations du débit d’air Qair en entrée de l’ensemble 1 d’au moins une colonne de distillation. Dans l’exemple décrit ici, les conditions prédéterminées suivantes ont été définies : d = 1 min
R = 1 m3/h l = 40 min Comme illustré en Figure 2, le débit d’air réel Qair augmente avec une pente forte, c’est-à-dire une augmentation d’environ 1,07 m3/h chaque minute, entre t = 0 min et t = 140 min. Cette portion de la courbe du débit d’air réel Qair est repéré par les extrémités A et B. Puisque la pente est forte, le débit retardé Q*air est distinct du débit d’air réel Qair. Plus exactement, le débit d’air 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 t0 = 80 min, la mesure indique que l’augmentation de débit sur 1 minute est supérieure au seuil R prédéterminé. La valeur du débit retardé Qair(t) est donc maintenue bloquée pendant 40 minutes, c’est-à-dire entre to = 80 min et to+l = 120 min. Par ailleurs, au cours de cette période de temps, la valeur du débit retardé Q*air(t) est égale à Qair(to ) = Qair(40) ~ 97,9 m3/h.
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 et C sur la courbe illustrée en Figure 2, le débit d’air réel Qair augmente d’environ 0,42 m3/h chaque minute, ce qui est donc inférieur au seuil prédéterminé R = lm3/h. Puisque la pente est faible, le débit retardé Q*air 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.
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 réel Qair sur 1 minute reste inférieure au seuil prédéterminé R = 1 m3/h. Le débit d’air retardé Q*air est donc égal à Qair entre t = 200 min et t = 280 min.
Au cours de l’étape S3, donc, on détermine la valeur de débit d’air retardé Q*air(t) à l’instant t. 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*air(t) est directement transmise au contrôleur 13.
Lors d’une étape S4, le contrôleur 13 détermine la valeur prédictive Qpred(t) du débit d’argon 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) est plus précisément déterminée en fonction, non du débit d’air Qair en entrée de l’ensemble 1, mais du débit d’air retardé Q*air 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 :
Qpred ou :
• 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,
• 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 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 œuvre 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 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 polynomiale. Typiquement, une telle fonction prédéterminée est une fonction polynomiale de degré inférieur ou égale à 2.
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. Dans ou plusieurs modes de réalisation, le facteur correctif K est défini comme suit :
f
KiSi PV(t) - SP > Ti
K = K2 si T2 < PV(t) - SP < Ti
V K3 si PV(t) - SP < T2 où :
Ki, K2 et K 3 sont des valeurs prédéterminées possibles du facteur correctif, et Ti et T2 sont des seuils prédéterminés.
On fait référence à présent à la Figure 3 qui illustre un exemple de variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 en sortie de l’ensemble 1. Dans l’exemple décrit ici, les conditions prédéterminées suivantes ont été définies :
SP = 0,9 ppm TL = 0,05 ppm
T2 = —0,05 ppm Ki = 0,75 K2 = 0,9 K3 = 1 Comme illustré sur la Figure 3, la valeur du facteur correctif K est Ki lorsque la valeur PV(t) du débit d’argon mesurée par le capteur 9 est supérieure ou égale à 0,95 ppm. Lorsque la valeur
PV(t) du débit d’argon mesurée par le capteur 9 est supérieure à 0,85 ppm et inférieure à 0,95 ppm, la valeur du facteur correctif K est K2. Enfin, la valeur du facteur correctif K est K3 lorsque la valeur PV(t) du débit d’argon mesurée par le capteur 9 est inférieure ou égale à 0,85 ppm. L’utilisation du facteur correctif K pour pondérer la valeur prédictive Qpred du débit d’argon permet de prendre en compte l’inertie importante de l’ensemble 1 lorsque celui-ci rencontre des perturbations extérieures ou un changement de fonctionnement notable.
Lors d’une sixième étape S6, un paramètre d’anticipation P relatif aux variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 est déterminé, par exemple par le contrôleur 13. Le paramètre d’anticipation P prend des valeurs discrètes dans un ensemble de valeurs prédéterminées. Comme expliqué précédemment, le système 3 utilise un régulateur 11 qui est, typiquement, un régulateur PID. L’utilisation d’un tel régulateur induit une variation du débit d’argon du fluide 120, à savoir la variation Aregui discutée jusqu’à présent. L’évolution au cours du temps du taux de dioxygène dans le fluide 120 en sortie de l’ensemble 1 a un profil similaire à celui de la courbe illustrée en Figure 3. On observe, typiquement, quatre points d’inflexion, notés respectivement W, X, Y et Z sur la Figure 3.
Comme illustré, le point W marque le début une forte augmentation du taux de dioxygène, tandis que le point X marque la fin de cette forte augmentation et le début d’une phase au cours de laquelle le taux de dioxygène est sensiblement constant. Le point Y marque le début d’une forte diminution du taux de dioxygène, tandis que le point Z marque la fin de cette forte diminution et le début d’une phase au cours de laquelle le taux de dioxygène est à nouveau sensiblement constant. De telles variations sont bien entendues amener à se répéter au cours du temps.
Le paramètre d’anticipation P relatif aux variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 s’appuie sur le fait que ces variations, en grande partie dues au mode de fonctionnement du régulateur 11, ont un profil connu à l’avance et qui peut donc être anticipé. Par ailleurs, le régulateur PID n’est bien souvent pas adapté pour réguler des variations non linéaires, ce qui est le cas ici, comme illustré en Figure 3, avec les variations du taux de dioxygène en sortie de l’ensemble 1. Cette non-linéarité est principalement due au fait que le taux de dioxygène mesuré correspond au taux de dioxygène du fluide 120 extrait de la partie supérieure de la colonne de distillation, ici la deuxième colonne de distillation 7. Dans la partie supérieure de la colonne de distillation, les variations du taux de dioxygène sont non-linéaires et, de ce fait, la sortie du régulateur 11 ne permet pas de réguler de manière satisfaisante le taux de dioxygène. On comprend donc que le paramètre d’anticipation P vise à compenser l’inaptitude relative du régulateur 11 à réguler dans le cas de non-linéarité.
Le paramètre d’anticipation P est défini pour prendre des valeurs discrètes dans un ensemble de valeurs prédéterminées en fonction de la position courante sur la courbe du taux de dioxygène PV mesuré.
Par exemple, le paramètre d’anticipation P relatif aux variations du taux de dioxygène est défini comme suit : ou :
• P(t) est la valeur du paramètre d’anticipation relatif aux variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur à l’instant t,
• Pi, P2, P3 sont des valeurs possibles du paramètre d’anticipation selon les variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur,
• PV(t) est la valeur du taux de dioxygène mesuré par le capteur à l’instant t,
• t est une période de temps prédéterminée, et
• S est un seuil prédéterminé. Dans ce mode de réalisation, l’ensemble de valeurs prédéterminées comprend donc une première valeur prédéterminée Pi, une deuxième valeur prédéterminée P2 et une troisième valeur prédéterminée P3.
En considérant l’exemple illustré en Figure 3, le paramètre d’anticipation P prend la valeur Pi sur la portion de courbe avant le point W, entre le point X et le point Y, et après le point Z. Le paramètre d’anticipation P prend la valeur P2 sur la portion de courbe comprise entre le point W et le point X. Enfin, le paramètre d’anticipation P prend la valeur P3 sur la portion de courbe comprise entre le point Y et le point Z.
Par ailleurs, ce paramètre d’anticipation peut être de nature différente selon les modes de réalisation et donc être utilisé différemment d’un mode de réalisation à l’autre dans la détermination, par le contrôleur 13, du débit d’argon Qargon visé.
Ainsi, dans un mode de réalisation, le paramètre d’anticipation P relatif aux variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 est un débit correctif. A titre d’exemple, les valeurs discrètes par le paramètre d’anticipation P sont les suivantes :
P1 = 0 m3/h P2 =—75 m3/h
P3 = 55 m3/h Alternativement, le paramètre d’anticipation P relatif aux variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 est un coefficient de pondération de la valeur prédictive Qpred du débit d’argon. A titre d’exemple, les valeurs discrètes par le paramètre d’anticipation P sont les suivantes : Pi = 1
P2 = 0,95 P3 = 1,05
Lors d’une septième étape S7, le contrôleur 13 détermine le débit d’argon Qargon visé. On comprend par ailleurs de ce qui précède que le débit d’argon visé Qargon est avantageusement déterminé en temps réel puisque celui-ci dépend de la variation Aregui de débit d’argon requise déterminée par le régulateur et de variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 en temps réel.
Comme expliqué précédemment, le paramètre d’anticipation P relatif aux variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 est, selon un mode de réalisation un débit correctif. Le débit d’argon visé Qargon est alors déterminé comme suit :
Qargon Qpred b ùregUj + P
où :
• Qargon est le débit d’argon visé,
• QPred est la valeur prédictive du débit d’argon,
• Aregui est une variation de débit d’argon requise, et
• P la valeur du débit correctif.
Par ailleurs, dans le mode de réalisation correspondant à l’étape optionnelle S5, dans lequel un facteur correctif K est déterminé, le débit d’argon Qargon est déterminé comme suit :
Qargon K X Qpred b ùregUj + P Alternativement, le paramètre d’anticipation P relatif aux variations du taux de dioxygène PV mesuré par le capteur 9 est un coefficient de pondération de la valeur prédictive Qpred du débit d’argon.
Le débit d’argon visé Qargon est alors déterminé comme suit : Qargon Qpred X P + D regul
où :
• Qargon est le débit d’argon visé,
• Qpred est la valeur prédictive du débit d’argon,
• Aregui est une variation de débit d’argon requise, et
• P la valeur du coefficient de pondération de la valeur prédictive du débit d’argon.
En combinaison avec le mode de réalisation dans lequel un facteur correctif K est déterminé, le débit d’argon Qargon est déterminé comme suit :
Qargon K X Qpred X P f D regul Le contrôleur 13 génère alors un signal de commande au débit d’argon visé Qargon déterminé. Ce signal de commande est émis à destination de la vanne 15 du système 3.
Lors d’une huitième étape S8, la vanne 15 reçoit le signal de commande émis par le contrôleur 13. Ce signal de commande est caractéristique du débit d’argon visé Qargon. Sur réception de ce signal de commande, la position de l’actionneur de la vanne 15 est modifiée de sorte que le débit du fluide 120, s’écoulant dans le conduit de la vanne 15, atteigne le débit d’argon Qargon visé. La modification, à l’aide de la vanne 15 pilotée par le contrôleur 13, permet d’impacter directement le taux de dioxygène du fluide 120 en vue d’atteindre le taux de dioxygène cible SP. Comme expliqué précédemment, le taux de dioxygène cible est typiquement inférieur à 2 ppm, préférentiellement égal à 0,9 ppm. La présente invention présente plusieurs avantages.
Tout d’abord, l’utilisation de la valeur de taux de dioxygène mesurée en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation permet d’avoir des données plus pertinentes pour déterminer le débit d’argon permettant d’atteindre le taux de dioxygène cible.
La prise en compte de l’inertie importante du processus de distillation et du délai nécessaire à l’ensemble d’au moins une colonne de distillation pour répercuter en sortie les variations du débit d’air en entrée ou la modification de la consigne permettent également d’améliorer la détermination du débit d’argon visé en anticipant les conditions du processus de distillation.
Enfin, le paramètre d’anticipation permet d’anticiper les variations du taux de dioxygène induites par l’utilisation d’un régulateur, et plus spécifiquement d’un régulateur PID, et donc d’atteindre plus rapidement et de manière plus fiable le taux de dioxygène cible. Ce paramètre d’anticipation permet donc de compenser le biais introduit par G utilisation d’un régulateur. Par ailleurs, le taux de dioxygène utilisé ici est non-linéaire puisqu’il est mesuré sur le fluide de sortie, donc le fluide issu de la partie supérieure d’une colonne de distillation. Un régulateur, et plus particulièrement un régulateur PID, n’est pas adapté pour gérer cette non-linéarité, d’où l’utilisation du paramètre d’anticipation en complément du régulateur, ce paramètre d’anticipation étant adapté à la non-linéarité du taux de dioxygène du fluide de sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation.
Typiquement pour toutes les figures, la colonne 5 est une double colonne de séparation d’air comprenant une colonne moyenne pression couplé thermiquement à une colonne basse pression, la colonne basse pression étant alimentée par un fluide enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène provenant de la colonne moyenne pression. Le débit 110 est un débit enrichi en argon provenant de la colonne basse pression qui est envoyé à la colonne argon 7. Le fluide 120 riche en argon est produit par la colonne argon 7.

Claims

Revendications
1. Système (3) de contrôle d’un débit d’argon d’un fluide (120) en sortie d’un ensemble (1) d’au moins une colonne de distillation pour atteindre un taux de dioxygène cible (SP), le système comprenant :
- un capteur (9) agencé pour mesurer un taux de dioxygène (PV) dans un fluide comprenant de l’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation,
- un régulateur (11) agencé pour déterminer une variation (Aregui) de débit d’argon requise en fonction de la différence (e) entre le taux de dioxygène mesuré par le capteur et un taux de dioxygène cible,
un contrôleur (13) agencé pour générer un signal de commande relatif à un débit d’argon visé (Qargon), 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 (15), 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 débit d’argon visé.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est alimenté par un fluide d’air (100), le débit d’argon visé déterminé par le contrôleur étant déterminé en fonction en outre d’une valeur prédictive (Qpred) du débit d’argon fonction du débit d’air (Qair) en entrée de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation et d’un rendement (p) dudit ensemble.
3. Système selon la revendication 2, dans lequel la valeur prédictive du débit d’argon est fonction d’un débit d’air retardé (Q*air) relatif au débit d’air en entrée de l’ensemble (1) d’au moins une colonne de distillation, ledit débit d’air retardé étant défini comme suit :
Q*air (0 = Qair C tant 9ue Qair CO Qair O ~ S < R
si, à t = t0, R < Qair(t0) - Qair O-o - d), alors:
Q* air O = Qair 0-0 A)pour tout t G [t0] t0 + l[ où :
• Q*air(t) est le débit retardé à l'instant t,
• Qair(t) est le débit d’air en entrée de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation à l’instant t,
• to est un instant quelconque,
• l et d sont des périodes de temps prédéterminées,
• R est un seuil prédéterminé positif.
4. Système selon la revendication 3, dans lequel la valeur prédictive du débit d’argon à un instant donné est déterminée comme suit :
Qpred
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,
• p est le rendement de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation,
5. Système selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel le rendement de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est déterminé par application d’une fonction prédéterminée à un facteur caractérisant une quantité d’énergie utilisée pour le fonctionnement de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation.
6. Système selon la revendication 5, dans lequel 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 œuvre selon différentes valeurs de quantité d’énergie sollicitée.
7. Système selon la revendication 6, dans lequel la fonction prédéterminée est polynomiale.
8. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le débit d’argon visé est déterminé en fonction d’un paramètre d’anticipation (P) relatif aux variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur, ledit paramètre d’anticipation prenant des valeurs discrètes dans un ensemble de valeurs prédéterminées.
9. Système selon la revendication 8, dans lequel le paramètre d’anticipation relatif aux variations du taux de dioxygène est défini comme suit : où :
• P(t) est la valeur du paramètre d’anticipation relatif aux variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur à l’instant t,
• Pi, P2, P3 sont des valeurs possibles du paramètre d’anticipation selon les variations du taux de dioxygène mesuré par le capteur,
• PV(t) est la valeur du taux de dioxygène mesuré par le capteur à l’instant t,
• t est une période de temps prédéterminée, et
• S est un seuil prédéterminé.
10. Système selon la revendication 9 prise en combinaison avec la revendication 2, dans lequel 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 b ùregUj + P
où :
• Qargon est le débit d’argon visé,
• Qpred est la valeur prédictive du débit d’argon,
• Aregui est une variation de débit d’argon requise, et
• P la valeur du débit correctif
11. Système selon la revendication 9 prise en combinaison avec la revendication 2, dans lequel 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 débit d’argon, le débit d’argon visé étant déterminé comme suit :
Qargon Qpred ^ ? f ^ regul
où : • Qargon est le débit d’argon visé,
• Qpred est la valeur prédictive du débit d’argon,
• Aregui est une variation de débit d’argon requise, et
• P la valeur du coefficient de pondération de la valeur prédictive du débit d’argon.
12. Système selon l’une des revendications 2 à 11, dans lequel la valeur prédictive de débit d’argon est pondérée par un facteur correctif (K) 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 dioxygène mesuré par le capteur et le taux de dioxygène cible.
13. Système selon la revendication 12, dans lequel le facteur correctif est défini comme suit :
r
KiSi PV(t)— SP > Ti
K = K2 si T2 < PV(t) - SP < Ti
V K3 si PV(t) - SP < T2
• Ki, K2 et K 3 sont des valeurs prédéterminées possibles du facteur correctif, et
• Ti et T2 sont des seuils prédéterminés.
14. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le régulateur est un régulateur PID (« Proportionnel-Intégral-Dérivé ») configuré de sorte que les valeurs des paramètres respectivement relatifs aux contributions proportionnelles et intégrales du régulateur PID sont multipliées par deux lorsque le taux de dioxygène mesuré par le capteur est supérieur au taux de dioxygène cible.
15. Système selon la revendication 14, dans lequel le régulateur PID est un régulateur PI.
16. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le taux de dioxygène cible du fluide d’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est inférieur à 2 ppm.
17. Système selon la revendication 16, dans lequel le taux de dioxygène cible du fluide d’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est compris entre 0,9 ppm et 2 ppm.
18. Système selon la revendication 16 ou 17, dans lequel le taux de dioxygène cible du fluide d’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation est égal à 0,9 ppm.
19. Procédé de contrôle d’un débit d’argon d’un fluide (120) en sortie d’un ensemble (1) d’au moins une colonne de distillation pour atteindre un taux de dioxygène cible (SP), le procédé comprenant :
- mesurer un taux de dioxygène (PV) dans un fluide comprenant de l’argon en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation,
déterminer une variation (Aargon) de débit d’argon requise en fonction de la différence (e) entre le taux de dioxygène mesuré et un taux de dioxygène cible, déterminer, en fonction de la variation de débit d’argon requise et de variations du taux de dioxygène mesuré, un débit d’argon visé (Qargon), et
- modifier le débit d’argon du fluide en sortie de l’ensemble d’au moins une colonne de distillation pour obtenir le débit d’argon visé.
20. Programme informatique comprenant des instructions pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 19, lorsque lesdites instructions sont exécutées par au moins un processeur (19, 23, 27).
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