ES2276484T3 - Sistema para rellenar un cilindro con fluido criogenico. - Google Patents

Sistema para rellenar un cilindro con fluido criogenico. Download PDF

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Bruce Hall Davidson
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Abstract

SISTEMA PARA LLENAR RAPIDAMENTE BOMBONAS CON GAS MIENTRAS QUE SE EVITAN LAS VARIACIONES DE TEMPERATURAS SUPERAMBIENTE DEL CONTENIDO DE LAS BOMBONAS, EN DONDE EL GAS DE CARGA DE LAS BOMBONAS SE OBTIENE EVAPORANDO EL LIQUIDO CRIOGENICO A PRESION EN UNA MEZCLA CON GAS A PRESION PARA PRODUCIR SIMULTANEAMENTE EN UN PASO EL GAS DE CARGA Y CONTROLAR LA TEMPERATURA DEL GAS DE CARGA A FIN DE PERMITIR EL CONSIGUIENTE REGIMEN DE LLENADO RAPIDO.

Description

Sistema para rellenar un cilindro con fluido criogénico.
Campo de la técnica
Esta invención se refiere generalmente al rellenado de cilindros y, más particularmente, al uso de fluido criogénico para rellenar cilindros con gas a elevada presión.
Antecedente de la técnica
Cilindros rellenados de gas se emplean en muchísimos usos. Por ejemplo, se usan cilindros rellenados con oxígeno para uso médico para dispensar oxígeno a pacientes. Se usan cilindros rellenados con argón para dispensar argón en una operación de soldadura con el propósito del gas de proteger. Se usan cilindros rellenados con nitrógeno en muchas aplicaciones para dispensar nitrógeno con fines de inertización. Se usan cilindros rellenados con helio para dispensar helio en estructuras inflables con fines de sustentación. Se usan cilindros rellenados con hidrógeno o un hidrocarburo para dispensar tal gas para combustión. Se usan cilindros rellenados con dióxido de carbono para dispensar dióxido de carbono para la carbonatación de bebidas. También se usan ampliamente para ser dispensadas mezclas de gases desde los cilindros.
Típicamente, los cilindros son de tamaño relativamente pequeño, normalmente dentro del intervalo desde 0,28 a 56,3 l de volumen de agua, de manera que pueda ser transportado fácilmente desde una estación de rellenado hasta el punto de uso. Generalmente, los cilindros se rellenan con gas en una estación de rellenado centralizada y se transportan desde la estación de rellenado hasta el punto de uso. Los cilindros se rellenan con gas bajo una elevada presión, que supera típicamente 13,8 MPa, de manera que se maximice la cantidad o masa de gas envasada en el cilindro.
En el rellenado de los cilindros, a medida que el gas fluye desde un recipiente de almacenamiento hasta el cilindro y la presión dentro del cilindro se incrementa, debido a la capacidad fija del cilindro, la temperatura del gas dentro del cilindro se eleva siguiendo la relación de la ley de los gases perfectos. Es importante que la temperatura del gas dentro del cilindro no supere significativamente la temperatura ambiente. Si se fuera a superar la temperatura ambiente, entonces se puede introducir menos gas en cualquier cilindro dado a cualquier presión dada y, como los contenidos de los gases del cilindro se estabilizan a temperatura ambiente, el cilindro sólo se llega a rellenar parcialmente y se distribuye desde la estación de rellenado al punto de uso con significativamente menos gas que el que, de otro modo, podría haberse distribuido.
Para evitar este problema de alta temperatura del gas dentro del cilindro a medida que el cilindro está siendo rellenado con el gas de presurización, los especialistas rellenan cilindros a bajo caudal, típicamente a aproximadamente 689 kPa por minuto, de manera que el incremento de calor causado por la presión creciente dentro del cilindro se iguale aproximadamente a la velocidad de disipación del calor desde las paredes del cilindro al medio ambiente. De esta forma, la temperatura de los contenidos del cilindro no supera, de forma significativa, la temperatura ambiente. Este procedimiento se dirige, de forma efectiva, al problema de carga parcial del cilindro, pero se consume tiempo y, por tanto, es costoso e ineficiente.
En consecuencia, un objeto de esta invención es proporcionar un sistema de rellenado de un cilindro que permita el rellenado de cilindros con gas a una elevada presión a una velocidad significativamente superior a la que era posible hasta ahora sin encontrar el problema de aumento del calor que eleva la temperatura de los contenidos de gases del cilindro significativamente por encima de la temperatura ambiente.
En el documento DE-A-42 01 952, considerado como técnica anterior más parecida, se describe un método para proporcionar gases fríos tales como los que se usan en el enfriamiento del vidrio o en el pulido de lacas para uno o más usuarios. Para poder proporcionar un suministro de gas frío que tenga la temperatura deseada durante un largo período de tiempo, se sugiere el uso de un recipiente de almacenamiento aislado desde el que se proporcione el gas hasta un colector que suministre la pluralidad de usuarios. El recipiente aislado es rellenado con gas frío mediante la retirada de una primera parte de un líquido criogénico desde un depósito de almacenamiento y mezclando tal primera parte de líquido criogénico con una segunda parte de líquido criogénico que haya sido vaporizado dentro de un vaporizador. La temperatura del gas frío puede ser ajustada mediante el ajuste del vaporizador o mezclando el líquido criogénico.
Sumario de la invención
El anterior y otros objetos, que llegarán a ser evidentes para los expertos en la técnica después de una lectura de esta descripción, se logran mediante la presente invención, un aspecto de la cual es un procedimiento para rellenar un cilindro con gas, como el que se define en la reivindicación 1.
Otro aspecto de la invención es un aparato para rellenar un cilindro con gas, como el que se define en la reivindicación 7.
Como aquí se utiliza, la expresión "líquido criogénico" significa un fluido que tiene una temperatura a -40ºC o inferior.
Como aquí se utiliza, la expresión "intercambio de calor directo" significa llevar los dos fluidos en una relación de intercambio de calor con contacto o entremezclando los fluidos entre sí.
Breve descripción del dibujo
La única Figura es una representación esquemática de una realización particularmente preferida de la invención en donde en la estación de rellenado se rellenan una pluralidad de cilindros de forma simultánea a través de un colector.
Descripción detallada
La invención será descrita en detalle con referencia al Dibujo. Con relación ahora a la Figura, el depósito de almacenamiento de líquido criogénico 1 contiene líquido criogénico 20. Entre los líquidos criogénicos que puedan ser usados en la práctica de esta invención se pueden nombrar oxígeno, nitrógeno, argón, helio, dióxido de carbono, hidrógeno, metano, gas natural y mezclas de dos o más de los mismos.
Cuando se desea rellenar el cilindro, se conectan uno o más cilindros 21 mediante manguera o mangueras de carga 22 al banco de carga o colector 4. La realización de la invención ilustrada en la Figura muestra cuatro de tales cilindros 21 conectados al colector 4 listo para rellenar. Se ha ilustrado también una segunda disposición de cuatro cilindros conectados para cargar. En la práctica real, mientras la primera disposición está siendo cargada, la segunda disposición está siendo conectada y evacuada mediante la bomba 5. Después de que la primera disposición de cilindros es rellenada, se detiene el flujo de gas a estos cilindros cerrando las válvulas apropiadas, y se inicia el flujo de gas a la segunda disposición de cilindros abriendo las válvulas apropiadas. Mientras la segunda disposición de cilindros está siendo rellenada, los cilindros rellenados de la primera disposición son desconectados y dispuestos para su envío al punto de uso, y los cilindros vacíos son conectados al colector para cargarlos después de que se haya completado la carga de la segunda disposición de cilindros. El procedimiento se repite hasta que se ha rellenado el número total deseado de cilindros. La Figura ilustra cuatro cilindros conectados al colector en cada disposición. Simultáneamente, pueden rellenarse de 1 a varios cientos de cilindros en una disposición múltiple en la práctica de esta invención. La Figura ilustra también el uso de una válvula 10 en una de las mangueras de carga 22 que se usa para desviar gas por medio de la tubería 23 al analizador 11 que controla la pureza del gas que está siendo cargado en el cilindro o en los
cilindros.
El líquido criogénico es retirado del depósito de almacenamiento de líquido criogénico 1 por la manguera 24 a través de la válvula 25 por medio de la bomba de líquido criogénico 2 que bombea el líquido criogénico a una elevada presión, generalmente dentro del intervalo desde 6,89 MPa hasta 68,9 MPa. El líquido criogénico a elevada presión 26 evacuado de la bomba de líquido criogénico 2 es dividido en una primera parte 27 y una segunda parte 28. La primera parte 27 comprende al menos 60 por ciento de líquido criogénico a elevada presión 26 y la segunda parte 28 comprende hasta 40 por ciento de líquido criogénico a elevada presión 26.
El vaporizador 3 tiene una entrada que comunica con la bomba de líquido criogénico 2 por la que el líquido criogénico es transferido desde la bomba de líquido criogénico 2 al vaporizador 3, y tiene una salida por la que el gas es transferido fuera del vaporizador 3. En la práctica de esta invención puede usarse cualquier vaporizador adecuado, tal como un vaporizador calentado con vapor o calentado eléctricamente. Un vaporizador preferido es el vaporizador atmosférico descrito y reivindicado en la patente de EE.UU. nº 4.399.660 - Vogler et al. Dentro del vaporizador 3, la primera parte 27 de líquido criogénico a elevada presión es vaporizada para producir gas a elevada presión 29 que es retirado del vaporizador 3 dentro de la salida.
La segunda parte 28 de líquido criogénico a elevada presión se deriva al vaporizador 3. La válvula de derivación 6 tiene un primer paso que comunica con la entrada al vaporizador por la que se transfiere la segunda parte 28 a la válvula de derivación 6, y tiene un segundo paso por el que la segunda parte de líquido criogénico en la corriente 30 se transfiere desde la válvula de derivación 6 a la salida del vaporizador para mezclar con el gas a elevada presión. El calor del gas a elevada presión evapora, por intercambio de calor directo, la segunda parte del líquido criogénico a elevada presión produciendo así gas a elevada presión a temperatura controlada 31 que está a la temperatura deseada para rellenar rápidamente el cilindro o cilindros 21. La temperatura del gas a elevada presión a temperatura controlada 31 está, preferiblemente, dentro del intervalo desde -40ºC a -67,8ºC. La temperatura del gas a elevada presión a temperatura controlada es mantenida dentro del intervalo deseado manipulando para que la válvula de derivación 6 esté en una posición más abierta o más cerrada variando así la parte de líquido criogénico a elevada presión 26 que forma la segunda parte 28.
El gas a elevada presión a temperatura controlada 31 se transfiere luego al cilindro o cilindros 21. Debido a la temperatura baja controlada del gas que está siendo transferido al cilindro o cilindros 21, el gas puede ser transferido a los cilindros a un ritmo muy alto, generalmente dentro del intervalo desde 1,38 a 3,45 MPa por minuto, que es dos o más veces más rápido que lo que es posible con la práctica convencional sin afrontar temperaturas superiores a la temperatura ambiente dentro del cilindro o cilindros. Típicamente, la presión final de los contenidos de gas del cilindro o cilindros 21 rellenados está dentro del intervalo desde 6,89 a 68,9 MPa y la temperatura está dentro del intervalo desde 15,6 a 32,2ºC, es decir, aproximadamente la temperatura ambiente. Así, el rellenado de cilindro necesita sólo aproximadamente la mitad con la práctica de la invención de lo que necesita con la práctica convencional. Cuando el cilindro o cilindros son rellenados, son desconectados del dispositivo múltiple y dispuestos para su envío al punto de uso como se ha descrito previamente.
El sistema de rellenado de cilindros de esta invención permite una mejoría adicional que asegura la precisión del rellenado del cilindro. En la práctica convencional, con los otros cilindros se rellena simultáneamente un cilindro de control y se controlan la temperatura y presión de los contenidos del cilindro de control. Cuando la temperatura y presión de los contenidos del cilindro de control indican que el cilindro de control está apropiadamente rellenado, se interrumpe el flujo de gas a todos los cilindros ya que esto indica que todos los cilindros están rellenados. Aunque el control de la temperatura y presión proporciona una razonable precisión, la temperatura y presión son indicadores secundarios de los contenidos del cilindro. Un indicador primario, y por tanto un parámetro potencialmente más preciso para controlar el contenido del cilindro, es la masa de los contenidos de gas del cilindro. El sistema de rellenado de cilindros de esta invención usa un sistema de control de masa que está ilustrado en el Dibujo.
En relación, de nuevo, ahora, con la Figura se muestra el cilindro de control 7 que reposa sobre la báscula 8. Para asegurar que la temperatura inicial del cilindro de control 7 es la misma que la del cilindro o cilindros de producto 21 al final del ciclo de rellenado, está instalado un intercambiador de calor con puesta a punto 9 que calienta el gas que es transferido al cilindro de control 9 para evacuar después del ciclo previo.
En funcionamiento, a medida que el gas a elevada presión a temperatura controlada está siendo transferido a los cilindros de producto 21 desde el colector 4, también es transferido al cilindro de control 7 a través de las válvulas 32 y 33. El rellenado de los cilindros 21 es automatizado y controlado mediante un sistema programable de controlador y ordenador 12. El peso leído por la báscula 8 es controlado por el sistema 12 por medio de una línea de conexión eléctrica 34 y cuando esta lectura indica que el cilindro de control 7 está completamente rellenado con gas, el sistema 12 envía una señal a la válvula de entrada 35 para que cierre la primera disposición y a la válvula de entrada 37 para que abra la segunda disposición para comenzar el siguiente ciclo de rellenado.
Ahora, mediante el uso del sistema de esta invención de rellenado de cilindros con fluido criogénico en el que gas presurizado para rellenar cilindros es producido en una etapa que controla, de forma simultánea, que la temperatura del gas esté a una baja temperatura bien definida antes de que el gas sea cargado en el cilindro o cilindros de producto, la operación de carga del cilindro puede proseguir a un ritmo mucho más rápido del que era hasta ahora posible, incrementando la eficiencia y disminuyendo los costes del procedimiento de rellenado del cilindro.
Aunque la invención se ha descrito en detalle con referencia a cierta realización preferida, los expertos en la técnica reconocerán que hay otras realizaciones de la invención dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. Un procedimiento para rellenar un cilindro con un gas de manera que, después de rellenado, el gas sea almacenado dentro del cilindro a una elevada presión, comprendiendo dicho procedimiento:
(A)
bombear un líquido criogénico (20) a una elevada presión para producir líquido criogénico a elevada presión (26);
(B)
vaporizar una primera parte (27) de líquido criogénico a elevada presión (26) para producir gas a elevada presión (29);
(C)
mezclar una segunda parte (30) del líquido criogénico a elevada presión (26) con el gas a elevada presión (29), y vaporizar la segunda parte del líquido criogénico a elevada presión por intercambio de calor directo con el gas a elevada presión para producir gas a elevada presión a temperatura controlada (31); y
(D)
transferir el gas a elevada presión a temperatura controlada (31) a un ritmo de carga al interior del cilindro de manera que tenga lugar una elevación de la temperatura dentro del cilindro durante el rellenado del cilindro y se logre dicha elevada presión dentro del cilindro al terminar el rellenado del cilindro; en donde
(E)
la temperatura controlada en la etapa (C) se selecciona de manera que el gas dentro del cilindro esté a la temperatura ambiente o cerca de ella al terminar el rellenado del cilindro.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la primera parte (27) comprende desde al menos 60 por ciento y la segunda parte (30) comprende hasta 40 por ciento de líquido criogénico a elevada presión (26).
3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la temperatura del gas a elevada presión a temperatura controlada (31) está dentro del intervalo de -40ºC a -67,8ºC.
4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el gas a elevada presión a temperatura controlada (31) es transferido, de forma simultánea, a una pluralidad de cilindros.
5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el gas a elevada presión a temperatura controlada (31) es transferido al cilindro a un ritmo de carga dentro del intervalo desde 1,38 a 3,45 MPa por minu-
to.
6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el líquido criogénico (20) comprende uno o más de oxígeno, nitrógeno, argón, helio, hidrógeno, metano y dióxido de carbono.
7. Aparato para rellenar un cilindro con gas que comprende:
(A)
un depósito de almacenamiento de líquido criogénico (1), una bomba de líquidos (2) para presurizar un líquido criogénico para producir líquido criogénico a elevada presión, y medios para transferir líquido criogénico desde el depósito de almacenamiento de líquido criogénico hasta la bomba de líquidos;
(B)
un vaporizador (3), medios de entrada para transferir una primera parte del líquido criogénico a elevada presión desde la bomba de líquidos (2) hasta el vaporizador, y medios de salida para transferir gas a presión elevada fuera del vaporizador;
(C)
una válvula de derivación (6), un primer paso que comunica entre los medios de entrada y la válvula de derivación, y un segundo paso que comunica entre la válvula de derivación y los medios de salida para mezclar una segunda parte del líquido criogénico a elevada presión con el gas a elevada presión para producir gas a elevada presión con una temperatura controlada;
(D)
un cilindro (21) y medios para transferir el gas a elevada presión con temperatura controlada desde los medios de salida hasta el cilindro; y
(E)
medios para transferir el gas a elevada presión con temperatura controlada (31) a un ritmo de carga al cilindro para que tenga lugar una elevación de la temperatura dentro del cilindro durante el rellenado del cilindro y se logre dicha elevada presión dentro del cilindro al terminar el rellenado del cilindro, y para manipular la válvula de derivación (6) para que el gas dentro del cilindro esté a la temperatura ambiente o cerca de ella al terminar el rellenado del cilindro.
8. El aparato de la reivindicación 7, en el que los medios para transferir el gas desde los medios de salida comprende un colector (4) que permite al gas pasar desde los medios de salida a la pluralidad de cilindros de forma simultánea.
9. El aparato de la reivindicación 8, que comprende además un cilindro de control (7) sobre una báscula (8), medios para transferir gas desde el colector (4) al cilindro de control, un intercambiador de calor con puesta a punto (9) en comunicación de flujo con el cilindro de control, y un sistema programable de controlador y ordenador (12) en comunicación electrónica con la báscula.
10. El aparato de la reivindicación 8, que comprende además un analizador de gases (11) y medios para transferir gas desde el colector (4) al analizador de gases.
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