EP0181796A1 - Récipient pour mélange cryogénique et procédé de soutirage du liquide - Google Patents

Récipient pour mélange cryogénique et procédé de soutirage du liquide Download PDF

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EP0181796A1
EP0181796A1 EP85401989A EP85401989A EP0181796A1 EP 0181796 A1 EP0181796 A1 EP 0181796A1 EP 85401989 A EP85401989 A EP 85401989A EP 85401989 A EP85401989 A EP 85401989A EP 0181796 A1 EP0181796 A1 EP 0181796A1
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liquid
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reservoir
tank
heat exchanger
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EP85401989A
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Pierre Delacour
Alain Prost
Gérard Mondain-Monval
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Compagnie Francaise de Produits Oxygenes SA
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Compagnie Francaise de Produits Oxygenes SA
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Publication date
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    • F17C2250/0404—Parameters indicated or measured
    • F17C2250/043—Pressure

Definitions

  • the present invention relates to a container for liquid cryogenic mixture of the type comprising a reservoir in which is disposed a duct forming a heat exchanger which crosses the neck of the reservoir and the inlet of which is connected to the lower part of the reservoir by means of a member for creating a pressure drop, a line for drawing off the liquid mixture, and a pressure rise circuit.
  • Containers of the aforementioned type have been proposed to avoid such a change in the composition of the liquid.
  • the internal pressure of the tank exceeds the outlet pressure of the heat exchanger by a quantity predetermined by the member creating a pressure drop
  • a certain quantity of liquid passes through the latter and, being reduced to a lower pressure, vaporizes then heats up by taking the corresponding heat from the container.
  • the heat inputs are thus compensated without venting the gaseous phase, at the cost of a small liquid leak, and the composition of the liquid remains practically constant throughout the emptying of the container.
  • the product leakage is of the same order as that which results from the venting of the gas phase, mentioned above.
  • the tank must include, in addition to the liquid withdrawal line and the cooling circuit comprising the exchanger, at least one filling line and, when the tank is intended to be filled with liquid mixture already prepared, a circuit circulation of an auxiliary refrigerant ensuring sub-cooling of the liquid mixture, and therefore an absence of distillation, during filling.
  • the invention aims to solve this problem by simplifying the structure of the tank.
  • the invention relates to a container of the aforementioned type, characterized in that the line for drawing off the liquid mixture is connected to the outlet of the heat exchanger, so that all of the liquid drawn off passes through this exchanger .
  • the heat exchanger extends over almost the entire height of the tank.
  • the invention also relates to a process for withdrawing a liquid cryogenic mixture from a container provided with a cooling circuit by expansion of a liquid leak, characterized in that the liquid is drawn off exclusively through the cooling.
  • the container shown comprises an internal tank 1 with a capacity of 100 to 200 liters, for example, and an external envelope 2 (not shown in FIG. 1) separated by a vacuum space 3.
  • the tank 1 has an upper neck 4 closed by a removable head 5.
  • Line 7 ends at an intermediate level in the neck 4, while the other three lines 10, 13 and 15 extend downwards approximately to the level of the connection of the neck 4 and the tank 1.
  • line 10 is connected to the inlet of a heat exchange coil 19, the outlet of which is in turn connected to the inlet of line 13.
  • the line 15 is connected to the upper end of a second heat exchange coil 20 which extends to the bottom of the tank 1, where its lower end is fitted with a calibrated valve 21.
  • the coil 20 Over the entire height occupied by the coil 19, the coil 20 has a reduced diameter and is disposed inside thereof. Below the coil 19, the coil 20 takes a larger diameter, substantially equal to that of the coil 19 and slightly less than the inside diameter of the neck 4.
  • the head 5, comprising the flange 6, the pipes 7, 10, 13 and 15 and the two coils 19 and 20, forms a removable monobloc assembly which can be fixed on the tank by threading the two coils in the neck and in fixing the flange 6 with screws on a flange 22 provided at the entrance to the neck 4, with the interposition of a seal 23.
  • valve 21 rests on the bottom of the tank 1 by slightly compressing the coil 20.
  • a cryogenic liquid mixture to be stored for example a mixture of oxygen and nitrogen with 22% oxygen (that is to say practically liquid air), is introduced in rain, under the storage pressure. (for example 10 to 20 bars), via line 7.
  • liquid nitrogen circulates in line 10 and the coil 19, and escapes in the gaseous state via line 13, to ensure that the pressure during these filling operations, and in particular if the tank is initially hot, does not exceed the value maximum tolerated, without the need to vent some of the vapor phase or liquid phase of the mixture.
  • the inevitable heat inputs cause some vaporization of the liquid and an increase in pressure.
  • the latter exceeds the opening pressure of the valve 16 by a predetermined value corresponding to the setting of the valve 21 (for example 2 bars), the latter opens and a small amount of liquid passes through the coil 20.
  • valve 17 When it is desired to draw off liquid, the valve 17 is opened, which puts the line 15 in communication with the operating circuit (not shown), connected to the connector 18.
  • the operating circuit is assumed to be at a pressure lower than the storage pressure by an amount greater than the pressure drop imposed by the valve 21.
  • the pressure regulator 31 opens, liquid passes through the butt 28 into the vaporizer 29, and the vapor thus produced is returned by the pipe 30 in the neck 4 from tank, until restored seed of the set pressure. Due to the speed of circulation of the fluid in the circuit 27, the vapor reinjected into the neck 4 has the same composition as the liquid withdrawn by the butt 28.
  • the fact of withdrawing the liquid through the coil 20 minimizes the number of pipes to be provided, which allows all the necessary pipes to pass through the neck of the tank, even if it is narrow.
  • the invention can thus easily be adapted to existing small containers of relatively reduced capacity.
  • valve 21 can be replaced by another member capable of creating a pressure drop, for example by a capillary tube or a sintered element.
  • the container described above has circuit 10-19-13 because it was assumed that it was filled with the liquid mixture already prepared.
  • the mixing can also be carried out in the container itself, in the following manner: the necessary quantity of the most volatile liquid (for example liquid nitrogen) is poured, which ensures that the container is cooled and the equilibrium of nitrogen under atmospheric pressure at 77 K; in an external condenser, which may be common to a set of receptacles, the other constituent (s) of the mixture (for example liquid oxygen) is sub-cooled to the same temperature (for example in a coil immersed in nitrogen liquid), then pour it (them) into the container.
  • the circuit 10-19-13 is no longer necessary, and as a result the removable head 5 of the reservoir 1 no longer has more than two pipes passing through the flange 6, namely the pipes 7 and 15, and the structure of the tank is further simplified.

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Abstract

Le liquide est soutiré de ce récipient par l'intermédiaire d'un serpentin (20) muni à son entrée d'un clapet taré (21). La baisse de pression consécutive est compensée au moyen d'un circuit (27) de remontée en pression. Application au stockage d'air liquéfié.

Description

  • La présente invention est relative à un récipient pour mélange cryogénique liquide du type comprenant un réservoir dans lequel est disposé un conduit formant échangeur de chaleur qui traverse le col du réservoir et dont l'entrée est reliée à la partie inférieure du réservoir par l'intermédiaire d'un organe de création d'une perte de charge, une conduite de soutirage du mélange liquide, et un circuit de remontée en pression.
  • Dans les récipients cryogéniques classiques, la pression est maintenue à peu près constante malgré les entrées de chaleur inévitables par l'élimination intermittente d'une partie de la phase gazeuse au moyen d'une soupape tarée. La conservation des mélanges cryogéniques liquides dans un tel récipient est impossible, car la vaporisation du liquide résultant des entrées de chaleur s'accompagne d'une distillation de ce liquide, de sorte que celui-ci s'enrichit progressivement en composant(s) le(s) moins volatil (s).
  • Les récipients du type précité ont été proposés pour éviter une telle évolution de la composition du liquide. En effet, lorsque la pression intérieure du réservoir dépasse la pression de sortie de l'échangeur de chaleur d'une quantité prédéterminée par l'organe de création d'une perte de charge, une certaine quantité de liquide traverse ce dernier et, se trouvant ramenée à une pression plus faible, se vaporise puis se réchauffe en prélevant dans le récipient la chaleur correspondante. Les entrées de chaleur sont ainsi compensées sans mise à l'atmosphère de la phase gazeuse, au prix d'une petite fuite de liquide, et la composition du liquide reste pratiquement constante pendant toute la vidange du récipient. La fuite de produit est du même ordre que celle qui résulte de la mise à l'atmosphère de la phase gazeuse, évoquée plus haut.
  • Un inconvénient important de cette solution réside dans la complexité accrue de la structure du réservoir, et en particulier dans la difficulté de l'adapter aux réservoirs existants de capacité relativement faible et à col étroit. En effet, le réservoir doit comporter, outre la conduite de soutirage de liquide et le circuit de refroidissement comportant l'échangeur, au moins une conduite de remplissage et, lorsque le réservoir est destiné à être rempli avec du mélange liquide déjà préparé, un circuit de circulation d'un fluide auxiliaire réfrigérant assurant un sous-refroidissement du mélange liquide, et donc une absence de distillation, pendant le remplissage.
  • L'invention a pour but de résoudre ce problème en simplifiant la structure du réservoir.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un récipient du type précité, caractérisé en ce que la conduite de soutirage du mélange liquide est reliée à la sortie de l'échangeur de chaleur, de sorte que la totalité du liquide soutiré traverse cet échangeur.
  • Dans un mode de réalisation avantageux, l'échangeur de chaleur s'étend sur à peu près toute la hauteur du réservoir.
  • L'invention a également pour objet un procédé de soutirage d'un mélange cryogénique liquide dans un récipient pourvu d'un circuit de refroidissement par détente d'une fuite liquide, caractérisé en ce qu'on soutire le liquide exclusivement à travers le circuit de refroidissement.
  • Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels :
    • - la figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale un récipient conforme à l'invention ;
    • - la figure 2 représente plus en détail l'agencement intérieur du récipient ; et
    • - la figure 3 est une vue en plan de la tête de ce récipient.
  • Le récipient représenté comprend un réservoir intérieur 1 d'une capacité de 100 à 200 litres, par exemple, et une enveloppe extérieure 2 (non représentée sur la figure 1) séparées par un espace sous vide 3. Le réservoir 1 comporte un col supérieur 4 obturé par une tête 5 amovible.
  • La tête 5 est constituée par une bride 6 traversée verticalement par quatre conduites qui lui sont rigidement reliées :
    • - une conduite 7 de remplissage en pluie, pourvue d'une vanne 8 et d'un raccord d'entrée 9 et ouverte à son extrémité inférieure ;
    • - une conduite 10 d'entrée d'un agent réfrigérant pourvue d'un raccord d'entrée 11 et d'un clapet anti-retour 12 ;
    • - une conduite 13 de sortie de cet agent, munie d'un clapet anti-retour 14 ; et
    • - une conduite 15 de soutirage de liquide et de fuite de liquide comportant, à l'extérieur du réservoir, une soupape de mise à l'atmosphère 16, une vanne 17 et un raccord de sortie 18.
  • La conduite 7 se termine à un niveau intermédiaire dans le col 4, tandis que les trois autres conduites 10, 13 et 15 se prolongent vers le bas à peu près jusqu'au niveau du raccordement du col 4 et du réservoir 1. A cet endroit, la conduite 10 est reliée à l'entrée d'un serpentin 19 d'échange de chaleur, dont la sortie est à son tour reliée à l'entrée de la conduite 13. Au même niveau, la conduite 15 est reliée à l'extrémité supérieure d'un deuxième serpentin 20 d'échange de chaleur qui s'étend jusqu'au fond du réservoir 1, où son extrémité inférieure est équipée d'un clapet taré 21. Sur toute la hauteur occupée par le serpentin 19, le serpentin 20 a un diamètre réduit et est disposé à l'intérieur de celui-ci. Au-dessous du serpentin 19, le serpentin 20 prend un diamètre plus grand, sensiblement égal à celui du serpentin 19 et légèrement inférieur au diamètre intérieur du col 4.
  • Ainsi, la tête 5, comprenant la bride 6, les conduites 7,10, 13 et 15 et les deux serpentins 19 et 20, forme un ensemble monobloc amovible qui peut se fixer sur le réservoir en enfilant les deux serpentins dans le col et en fixant par des vis la bride 6 sur une bride 22 prévue à l'entrée du col 4, avec interposition d'un joint d'étanchéité 23.
  • Pour bien immobiliser les deux serpentins, le clapet 21 s'appuie sur le fond du réservoir 1 en comprimant légèrement le serpentin 20.
  • Came représenté à la figure 1, le récipient comporte encore :
    • - un disque de rupture 24 relié au col 4 par une tubulure équipée d'un manomètre ;
    • - une tubulure 25 de purge, reliée au col 4, équipée d'une vanne et normalement condamnée par un bouchon 26 ; et
    • - un circuit 27 de remontée en pression, comprenant une crosse 28 de soutirage de liquide au fond du réservoir 1, un vaporiseur 29 et une conduite 30 qui relie ce dernier au col 4 par l'intermédiaire d'un régulateur de pression 31.
  • Un mélange liquide cryogénique à stocker, par exemple un mélange d'oxygène et d'azote à 22 % d'oxygène (c'est-à-dire pratiquement de l'air liquide), est introduit en pluie, sous la pression de stockage (par exemple 10 à 20 bars), par la conduite 7. Avant et pendant ce renplissage, de l'azote liquide circule dans la conduite 10 et le serpentin 19, et s'échappe à l'état gazeux par la conduite 13, pour assurer que la pression pendant ces opérations de remplissage, et notamment si le réservoir est initialement chaud, n'excède pas la valeur maximale tolérée, sans qu'il soit besoin de mettre à l'air libre une partie de la phase vapeur ou de la phase liquide du mélange.
  • Pendant le stockage, les entrées de chaleur inévitables provoquent une certaine vaporisation du liquide et une augmentation de la pression. Lorsque celle-ci dépasse la pression d'ouverture de la soupape 16 d'une valeur prédéterminée correspondant au tarage du clapet 21 (par exemple 2 bars), ce dernier s'ouvre et une petite quantité de liquide passe dans le serpentin 20.
  • Cette fuite de liquide se vaporise puis se réchauffe dans le serpentin 20, en prélevant de la chaleur dans le liquide et dans la phase vapeur qui le surmonte, et le gaz réchauffé s'échappe par la soupape 16. Ainsi, le liquide se sous-refroidit, la vapeur se recondense partiellement, et la pression redescend jusqu'à une valeur pour laquelle le clapet 21 et la soupape 16 se referment. Ceci permet, au prix d'une petite perte de liquide, de conserver le liquide avec une composition pratiquement constante, puisque la phase vapeur n'est jamais mise à l'atmosphère.
  • Parmi les deux phénomènes expliqués ci-dessus, c'est la recondensatian de la phase vapeur qui constitue l'utilisation la plus efficace du froid produit par la détente du liquide. Or, du fait de l'extension du serpentin 20 sur toute la hauteur du réservoir, la surface d'échange de chaleur contenue dans la phase vapeur augmente proportionnellement au volume de cette phase. L'efficacité de la reoondensation des vapeurs est ainsi maximale.
  • Lorsqu'on désire soutirer du liquide, on ouvre la vanne 17, ce qui met la conduite 15 en communication avec le circuit d'utilisation (non représenté), relié au raccord 18. Le circuit d'utilisation est supposé se trouver à une pression inférieure à la pression de stockage d'une quantité supérieure à la perte de charge imposée par le clapet 21.
  • Par conséquent, ce clapet s'ouvre, et le liquide soutiré passe en totalité dans le serpentin 20, la soupape 16 restant fermée. Tout le liquide soutiré produit donc du froid, ce qui a pour résultat d'une part un sous-refroidissement du liquide restant dans le réservoir, et d'autre part une recondensation de la phase vapeur qui le surmonte.
  • Dès que la pression descend au-dessous d'une valeur prédéterminée, le régulateur de pression 31 s'ouvre, du liquide passe par la crosse 28 dans le vaporiseur 29, et la vapeur ainsi produite est renvoyée par la conduite 30 dans le col 4 du réservoir, jusqu'à rétablis- sèment de la pression de consigne. Du fait de la vitesse de circulation du fluide dans le circuit 27, la vapeur réinjectée dans le col 4 a la même composition que le liquide prélevé par la crosse 28.
  • Ainsi, lorsqu'on soutire du liquide, il se produit simultanément un sous-refroidissement du liquide et un brassage important, à travers le circuit de remontée en pression 27, qui tend à maintenir la phase vapeur à la même carposition que la phase liquide. Ces deux phénomènes s'opposent à la distillation du mélange, et il est ainsi possible de soutirer la quasi-totalité du liquide sans variation gênante de sa composition.
  • On remarque également que le fait de soutirer le liquide à travers le serpentin 20 réduit au maximum le nombre de conduites à prévoir, ce qui permet de faire passer toutes les conduites nécessaires à travers le col du réservoir, même si celui-ci est étroit. On peut ainsi adapter facilement l'invention à des petits récipients existants de capacité relativement réduite.
  • En variante, le clapet 21 peut être remplacé par un autre organe capable de créer une perte de charge, par exemple par un tube capillaire ou un élément fritté.
  • Le récipient décrit ci-dessus comporte le circuit 10-19-13 parce qu'on a supposé qu'on le remplissait avec le mélange liquide déjà préparé. Cependant, on peut également réaliser le mélange dans le récipient lui-même, de la façon suivante : on verse la quantité nécessaire du liquide le plus volatil (par exemple l'azote liquide), ce qui assure la mise en froid du récipient et la mise à l'équilibre de l'azote sous la pression atmosphérique à 77 K ; dans un condenseur extérieur, qui peut être commun à un ensemble de récipients, on sous-refroidit le ou les autres constituants du mélange (par exemple l'oxygène liquide) à la même température (par exemple dans un serpentin immergé dans de l'azote liquide), puis on le (les) verse dans le récipient. Dans ce cas, le circuit 10-19-13 n'est plus nécessaire, et par suite la tête amovible 5 du réservoir 1 ne comporte plus que deux conduites traversant la bride 6, à savoir les conduites 7 et 15, et la structure du réservoir est encore simplifiée.

Claims (9)

1. - Récipient pour mélange cryogénique liquide, du type comprenant un réservoir (1) dans lequel est disposé un conduit formant échangeur de chaleur (20) qui traverse le col (4) du réservoir et dont l'entrée est reliée à la partie inférieure du réservoir par l'intermédiaire d'un organe (21) de création d'une perte de charge, une conduite (15) de soutirage du mélange liquide, et un circuit (27) de remontée en pression, caractérisé en ce que la conduite (15) de soutirage du mélange liquide est reliée à la sortie de l'échangeur de chaleur (20), de sorte que la totalité du liquide soutiré traverse cet échangeur.
2. - Récipient suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (20) s'étend sur à peu près toute la hauteur du réservoir (1).
3. - Récipient suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend également une conduite de remplissage (7) traversant une bride (6) adaptée pour être fixée de façon amovible à l'entrée du col (4) du réservoir (1).
4. - Récipient suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend également deux conduites (10, 13) d'entrée et de sortie, respectivement, d'un fluide auxiliaire réfrigérant reliées entre elles par un échangeur de chaleur auxiliaire (19), ces deux conduites (10, 13, 15) traversant ladite bride (6).
5. - Récipient suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les deux échangeurs de chaleur (19, 20) sont imbriqués l'un dans l'autre, la dimension transversale de l'ensemble étant inférieure au diamètre du col (4) du réservoir (1).
6. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ou chaque échangeur de chaleur (19, 20) est constitué par un serpentin, notamment hélicoidal.
7. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant une soupape (16) de mise à l'atmosphère, caractérisé en ce que cette soupape est montée sur la conduite de soutirage de liquide (15) .
8. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un disque de rupture (24) relié à la partie supérieure (4) du réservoir (1).
9. - Procédé de soutirage d'un mélange cryogénique liquide dans un récipient pourvu d'un circuit de refroidissement par détente d'une fuite liquide, caractérisé en ce qu'on soutire le liquide exclusivement à travers le circuit de refroidissement.
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