EP0376823B2 - Procédé et dispositif de régulation d'un débit de CO2 liquide, et application à un tunnel de refroidissement - Google Patents

Procédé et dispositif de régulation d'un débit de CO2 liquide, et application à un tunnel de refroidissement Download PDF

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EP0376823B2
EP0376823B2 EP89403619A EP89403619A EP0376823B2 EP 0376823 B2 EP0376823 B2 EP 0376823B2 EP 89403619 A EP89403619 A EP 89403619A EP 89403619 A EP89403619 A EP 89403619A EP 0376823 B2 EP0376823 B2 EP 0376823B2
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Patrick Micheau
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Carboxyque Francaise SA
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Carboxyque Francaise SA
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for regulating a flow of liquid CO 2 in a distribution pipe provided with a regulating valve and leading to at least one CO 2 injection station.
  • CO 2 carbon dioxide
  • CO 2 carbon dioxide
  • the industrial field on the one hand for example: carbonation in chemistry, neutralization of basic agents and pH regulation in water treatment
  • food industry on the other hand for example: rapid cooling and freezing, temperature control
  • CO 2 is most often delivered in liquefied form and stored in this form in a tank.
  • the characteristics of the processes require the ability to adapt the CO 2 flow rate to the load to be treated; it is therefore necessary to regulate the flow of CO 2 as a function of the characteristic parameters of the process: measurement of the pH in water treatments, measurement of temperature in cryogenic treatments, for example.
  • the regulating method which is theoretically the most precise and economical with regard to the consumption of CO 2 is that of continuously regulating the flow of liquid CO 2 using a pilot valve with variable opening. , controlled by a proportional, derivative and integral regulator.
  • the principle of such a valve is to present a restriction on the flow of the fluid.
  • the section of this restriction is adjusted by means of a shutter element, moving continuously between two etreme positions under the effect of electrical or pneumatic energy.
  • the CO 2 is present upstream of this valve at a pressure close to that of the reservoir, ie 11 to 60 ⁇ 10 5 Pa depending on the case.
  • the section restriction causes, according to the laws of the flow of fluids, a loss of pressure all the more important as the section of passage to the shutter is low.
  • the valve assumes a position close to its complete closure.
  • the section restriction is then maximum, and the pressure drop at the passage of the shutter is large enough for the CO 2 pressure downstream of the valve to take values less than 5.2 ⁇ 10 5 Pa.
  • This value of 5.2 x 10 5 Pa is the pressure of the triple point of CO 2, value below which the liquid CO 2 is instantly transforms into a mixture of CO 2 gas and solid CO 2 (dry ice) .
  • control valves usable for these processes are such that the small diameter and the tortuous shape piping immediately downstream of the shutter lead to an immediate blockage as soon as carbon dioxide snow appears.
  • Document FR-A-2,142,309 describes a device for atomizing liquid CO 2 comprising a line for dispensing liquid CO 2 provided with an all-or-nothing actuation valve, as mentioned above, operating alternately with an all-or-nothing valve of a gaseous CO 2 supply pipe supplying, at the outlet of the device, a gaseous stream of pre-pressurization of this outlet.
  • the invention aims to allow in all cases, simply and reliably, the use of a continuously piloted valve.
  • the method according to the invention is characterized in that one maintains, permanently during the whole operation of delivering the CO 2 flow, at least in the part of the pipe downstream of the valve, up to '' near the CO 2 injection point, an intermediate pressure higher than the pressure of the triple CO 2 point and in that before connecting the distribution line to a liquid CO 2 reservoir, we inject into this line, upstream and downstream of the valve, gaseous CO 2 at a pressure between the pressure of the triple point and said intermediate pressure.
  • the invention also relates to a device for regulating a flow rate of liquid CO 2 for the implementation of such a method, as defined in claim 2.
  • Document GB-A-807.088 describes a device for pressurizing a container with CO 2 from a source of liquid CO 2 , the device comprising a shutter cooperating with an orifice for expansion of the liquid CO 2 and coupled to a membrane so as to be kept normally open as long as the gas pressure in the container does not exceed a determined value.
  • the regulating device shown in FIG. 1 is intended to supply a variable flow of CO 2 at an injection point A from a storage tank 2 in which a pressure PS is maintained which is clearly greater than the pressure PT at the point triple CO 2 (5.2 bars), and generally between 11 and 60 bars.
  • the point A is at a determined pressure PO, for example substantially equal to the atmospheric pressure, but in any case less than PT.
  • the regulating device 1 comprises a thermally insulated liquid line 3 extending from the bottom of the tank 2 to one overflow valve 4.
  • a pilot-operated valve 5 is interposed in this pipe and defines in it a section upstream 6, from the tank to the valve, and a section downstream 7, from the valve to the overflow valve.
  • This valve has a shutter whose position can vary continuously between an opening position maximum and a fully closed position, under the action of a motor 8.
  • the latter is controlled by a regulator 9 which receives from a measure 10 (for example a pH meter or a thermometer) a signal representative of the quantity pilot.
  • a measure 10 for example a pH meter or a thermometer
  • the overflow valve 4 (FIG. 2) comprises a box 11 divided into two chambers by a membrane 12.
  • a helical spring 13, the force of which is adjustable by means of a screw 14, is arranged in one of these rooms, while the other room (the lower chamber in Figure 2) receives the fluid contained in the pipe section 7.
  • a shutter rod 15 is integral with the membrane and ends with a shutter 16 cooperating with a seat 17 located at the inlet of the outlet orifice 18 of the overflow.
  • the elements 13 to 18 are all coaxial.
  • the shutter 16 lifts from its seat if and only if the pressure in the lower spout chamber exceeds pressure corresponding to the force of the spring 13.
  • a gaseous CO 2 pipe 19 leaves from the upper part of the tank 2 and comprises, from upstream to downstream, a stop valve 20 and a pressure reducer 21. The latter delivers downstream a pressure P2 greater than PT but less than PI . Downstream of the regulator 21, the pipe 19 is divided into two branches 22 and 23 ending respectively in the sections 6 and 7 respectively of the pipe 3. Each branch is equipped with a non-return valve 24 not authorizing the circulation of fluid than from regulator 21 to line 3.
  • the liquid CO 2 is admitted into the pipe 3.
  • the overflow valve 4 opens when the pressure in the section 7 is greater than the value PI, and a jet of carbon dioxide snow comes out then from the orifice 18.
  • the evacuation of this snow is carried out without hindrance thanks to the arrangement of the orifice 18 in the axis of the membrane-obturator system.
  • FIG. 4 An application of the variant of FIG. 3 is illustrated diagrammatically in FIG. 4. It is the regulation, from a pH measurement, of a flow of liquid CO 2 injected into a waste water pipe. 26 to neutralize a basic effluent.
  • the pipe 25 opens into a venturi 27 intended for injecting and dispersing dry ice in the water flow.
  • FIG. 5 a variant of the device of Figure 1 in which the pipe section 7 is divided into three branches 7A to 7C each leading to a respective overflow 4A to 4C. This makes it possible to supply CO 2 at several injection points and, by adopting different pressure settings for each outlet, to inject CO 2 flow rates that can be adjusted individually for each injection point.
  • the regulation of the valve 5 is carried out on the basis of a single temperature measurement carried out near the exit of the tunnel.
  • the CO 2 is injected in parallel by the overhangs 4A to 4C in order to distribute the refrigeration supply over the length of the tunnel 28.
  • the overflow 4A located on the inlet side 29 of the products to be treated, conveyed by a belt conveyor 30, generates a CO 2 flow rate higher than the others due to its setting on a lower PI-A pressure.
  • this first outlet may be the only one to flow.
  • the invention can be applied to many other processes consuming CO 2 . It is particularly well suited for applications requiring a significant flow of CO 2 (at least 100 kg / h), delivered almost continuously and at a variable rate in a ratio of 1 to 5 approximately.

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Description

La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de régulation d'un débit de CO2 liquide dans une conduite distributrice pourvue d'une vanne régulatrice et menant jusqu'à au moins un poste d'injection de CO2.
Le CO2 (anhydride carbonique) est utilisé pour de nombreux procédés, dans le domaine industriel d'une part (par exemple : carbonatation en chimie, neutralisation d'agents basiques et régulation de pH dans le traitement de l'eau), dans le domaine agroalimentaire d'autre part (par exemple : refroidissement et surgélation rapides, contrôle de température).
Pour ces applications, compte tenu des besoins, le CO2 est le plus souvent livré sous forme liquéfiée et stocké sous cette forme dans un réservoir.
Les caractéristiques des procédés nécessitent de pouvoir adapter le débit de CO2 à la charge à traiter ; on est donc amené à réguler le débit de CO2 en fonction des paramètres caractéristiques du procédé : mesure du pH en traitements d'eau, mesure de température en traitements cryogéniques, par exemple.
La méthode de régulation qui est théoriquement la plus précise et la plus économique à l'égard de la consommation de CO2 est celle consistant à réguler de façon continue le débit de CO2 liquide à l'aide d'une vanne pilotée à ouverture variable, commandée par un régulateur à action proportionnelle, dérivée et intégrale. Le principe d'une telle vanne est de présenter une restriction à l'écoulement du fluide. La section de cette restriction est ajustée à l'aide d'un élément obturateur, se déplaçant de façon continue entre deux positions etrêmes sous l'effet d'une énergie électrique ou pneumatique.
Le CO2 se présente en amont de cette vanne à une pression proche de celle du réservoir, soit 11 à 60 x 105 Pa suivant les cas. La restriction de section provoque, selon les lois de l'écoulement des fluides, une perte de pression d'autant plus importante que la section de passage à l'obturateur est faible. Lorsque, temporairement, le fonctionnement du procédé est tel que le besoin en CO2 est minimal, la vanne prend une position proche de sa fermeture totale. La restriction de section est alors maximale, et la chute de pression au passage de l'obturateur est suffisamment importante pour que la pression du CO2en aval de la vanne prenne des valeurs inférieures à 5,2 x 105 Pa.
Cette valeur de 5,2 x 105 Pa correspond à la pression du point triple du CO2, valeur en-deçà de laquelle le CO2 liquide se tranforme instantanément en un mélange de CO2 gazeux et de CO2 solide (neige carbonique).
Or, les caractéristiques de construction des vannes de régulations utilisables pour ces procédés sont telles que le faible diamètre et la forme tortueuse des tuyauteries immédiatement en aval de l'obturateur conduisent à un bouchage immédiat dès l'apparition de neige carbonique.
Il s'ensuit qu'en pratique, ces vannes de régulation ne sont que rarement utilisables pour la régulation d'un débit de CO2 liquide,et que les solutions habituellement adoptées font appel à d'autres techniques : la régulation en tout ou rien, peu précise, ou, lorsque l'application ne nécessite pas du CO2 liquide, l'utilisation d'un vaporiseur en amont de la vanne de régulation, ce qui constitue une technique coûteuse en investissement et en énergie.
Le document FR-A-2.142.309 décrit un dispositif atomiseur de CO2 liquide comportant une conduite distributrice de CO2 liquide pourvue d'une valve à actionnement tout ou rien, telle que susmentionné, fonctionnant en alternance avec une valve en tout ou rien d'une canalisation d'amenée de CO2 gazeux fournissant, en sortie du dispositif, un courant gazeux de pré-pressurisation de cette sortie.
L'invention a pour but de permettre dans tous les cas, de façon simple et fiable, l'utilisation d'une vanne pilotée de façon continue.
A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'on maintient, de façon permanente pendant toute l'opération de délivrance du débit de CO2, au moins dans la partie de la conduite en aval de ia vanne, jusqu'à proximité du point d'injection de CO2, une pression intermédiaire supérieure à la pression du point triple du CO2 et en ce que avant de relier la conduite distributrice à un réservoir de CO2 liquide, on injecte dans cette conduite, en amont et en aval de la vanne, du CO2 gazeux à une pression comprise entre la pression du point triple et ladite pression intermédiaire.
L'invention a également pour objet un dispositif de régulation d'un débit de CO2 liquide pour la mise en oeuvre d'un tel procédé, tel que défini dans la revendication 2.
Le document GB-A-807.088 décrit un dispositif de pressurisation d'un récipient par du CO2 provenant d'une source de CO2 liquide, le dispositif comprenant un obturateur coopérant avec un orifice de détente du CO2 liquide et couplé à une membrane de façon à être maintenu normalement ouvert tant que la pression de gaz dans le récipient ne dépasse pas une valeur déterminée.
Quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention;
  • la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du déverseur de ce dispositif;
  • la figure 3 est une vue partielle en coupe longitudinale, à plus grande échelle, d'une variante de ce déverseur;
  • les figures 4 et 5 illustrent schématiquement des applications du procédé suivant l'invention.
Le dispositif de régulation représenté à la figure 1 est destiné à fournir un débit variable de CO2 en un point d'injection A à partir d'un réservoir de stockage 2 dans lequel est maintenue une pression PS nettement supérieure à la pression PT du point triple du CO2 (5,2 bars), et généralement comprise entre 11 et 60 bars. Le point A se trouve à une pression PO déterminée, par exemple sensiblement égale à la pression atmosphériqué, mais de toute façon inférieure à PT.
Le dispositif de régulation 1 comprend une conduite de liquide 3 thermiquement isolée s'étendant de la partie inférieure du réservoir 2 à un déverseur 4. Une vanne pilotée 5 est interposée dans cette conduite et définit dans celle-ci un tronçon amont 6, du réservoir à la vanne, et un tronçon aval 7, de la vanne au déverseur. Cette vanne comporte un obturateur dont la position peut varier de façon continue entre une positon d'ouverture maximale et une position de fermeture totale, sous l'action d'un moteur 8. Ce dernier est commandé par un régulateur 9 qui reçoit d'un instrument de mesure 10 (par exemple un pH mètre ou un thermomètre) un signal représentatif de la grandeur pilote.
Le déverseur 4 (figure 2) comprend un boitier 11 divisé en deux chambres par une membrane 12. Un ressort hélicoïdal 13, dont la force est réglable au moyen d'une vis 14, est disposé dans l'une de ces chambres, tandis que l'autre chambre (la chambre inférieure sur la figure 2) reçoit le fluide contenu dans le tronçon de conduite 7. Dans cette autre chambre, une tige d'obturateur 15 est solidaire de la membrane et se termine par un obturateur 16 coopérant avec un siège 17 situé à l'entrée de l'orifice de sortie 18 du déverseur. Les éléments 13 à 18 sont tous coaxiaux.
Ainsi, l'obturateur 16 se soulève de son siège si et seulement si la pression régnant dans la chambre inférieure du déverseur dépasse la pression correspondant à la force du ressort 13. On peut donc régler la vis 14 de façon que cette ouverture se produise lorsque la pression dans le tronçon 7 est au moins égale à une pression intermédiaire PI supérieure à la pression PT.
Une conduite de CO2 gazeux 19 part de la partie supérieure du réservoir 2 et comporte, d'amont en aval, une vanne d'arrêt 20 et un détendeur 21. Ce dernier délivre en aval une pression P2 supérieure à PT mais inférieure à PI. En aval du détendeur 21, la conduite 19 se divise en deux branches 22 et 23 aboutissant respectivement dans les tronçons 6 et 7 respectivement de la conduite 3. Chaque branche est équipée d'un clapet anti-retour 24 n'autorisant la circulation de fluide que du détendeur 21 vers la conduite 3.
En fonctionnement, on procède tout d'abord au conditionnement du dispositif à la pression P2 en ouvrant la vanne 20. On garantit ainsi qu'en aucun point du dispositif, la pression ne descendra au-dessous du point triple du CO2.
Puis, par une commande de mise en service non représentée, on admet le CO2 liquide dans la conduite 3. Le déverseur 4 s'ouvre lorsque la pression dans le tronçon 7 est supérieure à la valeur PI, et un jet de neige carbonique sort alors de l'orifice 18. L'évacuation de cette neige s'effectue sans entrave grâce à la disposition de l'orifice 18 dans l'axe du système membrane-obturateur.
En variante (figure 3), dans les cas où la neige carbonique nécessite d'être véhiculée dans une courte portion du tuyauterie avant d'atteindre le point d'injection A, on relie à l'orifice 18 un tuyau 25 ne présentant ni aspérité interne ni coude prononcé. Le diamètre intérieur du tuyau 25 est sur toute sa longueur sensiblement égal à celui de l'orifice 18 et n'offre pas de restriction de section à l'écoulement du mélange gaz-solide.
Une application de la variante de la figure 3 est illustrée schématiquement à la figure 4. Il s'agit de la régulation, à partir d'une mesure de pH, d'un débit de CO2 liquide injecté dans une canalisation d'eau résiduaire 26 pour y neutraliser un effluent basique.
Le tuyau 25 débouche dans un venturi 27 destiné à injecter et disperser la neige carbonique dans le débit d'eau.
On a représenté à la figure 5 une variante du dispositif de la figure 1 dans laquelle le tronçon de conduite 7 se divise en trois branches 7A à 7C aboutissant chacune à un déverseur respectif 4A à 4C. Ceci permet de fournir du CO2 en plusieurs points d'injection et, en adoptant des réglages de pression différents pour chaque déverseur, d'injecter des débits de CO2 réglables individuellement pour chaque point d'injection.
Cette possibilité est particulièrement intéressante pour, par exemple, réaliser des zones plus ou moins froides dans un tunnel longitudinal de surgélation de produits alimentaires, comme illustré à la figure 5.
Dans cette application, la régulation de la vanne 5 est effectuée à partir d'une mesure de température unique effectuée près de la sortie du tunnel. Le CO2 est injecté en parallèle par les déverseurs 4A à 4C afin de répartir l'apport frigorifique sur la longueur du tunnel 28. En régime permanent, le déverseur 4A situé du côté de l'entrée 29 des produits à traiter, véhiculés par un convoyeur à bande 30, génère un débit de CO2 supérieur aux autres du fait de son réglage sur une pression PI-A plus faible. De même, lorsque l'installation est proche de son débit minimal (position de veille entre deux phases de traitement), ce premier déverseur pourra être le seul à débiter.
L'agencement de la figure 5 permet d'obtenir de façon simple et économique une régulation fiable et précise du processus de surgélation.
L'invention peut s'appliquer à de nombreux autres procédés consommant du CO2. Elle est particulièrement bien adaptée pour les applications nécessitant un débit notable de CO2 (au moins 100 kg/h), délivré de façon quasi-continue et à un taux variable dans un rapport de 1 à 5 environ.

Claims (7)

  1. Procédé de fourniture d'un débit variable de CO2 liquide à au moins un poste d'injection (A) via une conduite distributrice de CO2 liquide (3) pourvue d'une vanne régulatrice pilotée à section variable (5), dans lequel on délivre le débit de CO2 liquide au poste d'injection (A) au moyen d'un déverseur (4) s'ouvrant lorsque la pression en aval de la vanne (5) est supérieure à une pression déterminée (PI) supérieure à la pression (PT) du point triple du CO2, de façon à maintenir en permanence, au moins dans la partie de la conduite (3) en aval de la vanne (5) une pression supérieure à celle du point triple du CO2 et dans lequel avant de relier la conduite (3) à un réservoir (2) de CO2 liquide, on injecte dans cette conduite, en aval de la vanne (5), du CO2 gazeux à une pression (P2) comprise entre la pression (PT) du point triple et la pression déterminée (PI), et en ce qu'on injecte également du CO2 gazeux à ladite pression (P2) dans la partie de la conduite (3) en amont de la vanne (5).
  2. Dispositif de fourniture d'un débit variable de CO2 liquide à un poste d'injection de CO2 (A), comprenant un réservoir (2) de CO2 sous pression relié à une conduite (3) distributrice de CO2 liquide, comportant une vanne régulatrice pilotée à section variable (5), et à une conduite (19) de soutirage gazeux comportant un détendeur (21) et aboutissant, via un premier clapet anti-retour (24), dans une partie aval (7) de la conduite de distribution (3) en aval de la vanne (5), caractérisé en ce qu'il comporte, en amont du poste d'injection (A), au moins un déverseur (4) dans lequel aboutit la partie aval (7) de la conduite distributrice (3), le déverseur (4) étant du type à membrane (12) portant un obturateur (16) coopérant avec un siège (17) d'éjection de sortie de CO2, la membrane étant sollicitée dans le sens de fermeture du clapet par un ressort (13) réglable (en 14) taré de façon que l'obturateur (16) ne s'ouvre que lorsque la pression du CO2 dans la partie aval (7) de la conduite distributrice (3) est supérieure à une pression (PI) supérieure à la pression (PT) du point triple du CO2 et en ce que la conduite (19) de soutirage gazeux débouche également, via un second clapet anti-retour (24), dans une partie amont (6) de la conduite distributrice (3), en amont (6) de la vanne régulatrice (5).
  3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'un tuyau (25) ayant sensiblement le même diamètre intérieur que le siège de sortie (18) du déverseur s'étend de ce siège jusqu'au point d'injection du CO2 dans le poste d'injection.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point d'injection est constitué par un venturi (27) disposé dans une canalisation d'eau résiduaire (26).
  5. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que la partie aval (7) de la conduite distributrice (3) comporte au moins deux embranchements (7A, 7B, 7C) aboutissant chacun à un déverseur à membrane (4A, 4B, 4C).
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins un (4A) des déverseurs (4A-4C) est réglé à une pression d'ouverture (Pl.A) plus faible que le ou les autres déverseurs.
  7. Tunnel de refroidissement de produits alimentaires (28), caractérisé en ce qu'il est alimenté en CO2 par un dispositif selon l'une des revendications 2 à 6.
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