ITRA20120014A1 - Perfezionamenti negli impianti di pompaggio in alta e bassa pressione di gas criogenici o liquefatti. - Google Patents

Perfezionamenti negli impianti di pompaggio in alta e bassa pressione di gas criogenici o liquefatti. Download PDF

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Description

“PERFEZIONAMENTI NEGLI IMPIANTI DI POMPAGGIO IN ALTA E BASSA PRESSIONE DI GAS CRIOGENICI O LIQUEFATTIâ€
DESCRIZIONE
E’ oramai largamente diffuso l’utilizzo di bombole contenenti gas compresso in alta pressione, come ad esempio ossigeno e azoto per impieghi tecnici o metano per impieghi automobilistici. Tali bombole, per contenere quantità significative di gas, sono tipicamente riempite a pressioni comprese tra i 200 e i 300 bar e tale riempimento avviene, per compressione, solitamente attraverso due metodi distinti: 1) direttamente in forma gassosa, prelevando il gas da condotte con l'ausilio di compressori meccanici, come ad esempio accade per il gas metano per autotrazione: 2) prelevando il gas in forma liquida da serbatoi criogenici, che permettono di stoccare e movimentare grandi quantità di gas in poco spazio mediante l'ausilio di pompe che comprimono il gas liquefatto ad alta pressione per trasferirlo ad un sistema di vaporizzazione che può essere atmosferico o a scambiatore liquido. Il gas liquefatto, attraversando il vaporizzatore, evapora assorbendo il calore necessario dall’aria o dal liquido dello scambiatore stesso, per giungere tipicamente ad uno stoccaggio/smorzamento in alta pressione, dal quale attinge l'impianto di riempimento delle bombole destinate all'utilizzatore finale. In ambedue i sistemi à ̈ necessario disporre di un motore elettrico di adeguata potenza, idoneo a comprimere il gas compresso oppure liquefatto fino anche a pressioni superiori ai 300 bar, con consumi energetici owiamente molto elevati.
Inoltre, tali sistemi, fra i quali scegliere a seconda che si debba comprimere un gas in forma gassosa o in forma liquefatta, presentano, oltre alla problematica del forte consumo energetico, anche una seconda problematica non meno importante, rappresentata dall’usura delle parti in movimento che necessitano di frequenti e costose manutenzioni.
Proprio nell’ottica di evitare gli inconvenienti esposti e di contenere i costi di installazione, di energia elettrica e di manutenzione, i perfezionamenti di seguito presentati migliorano il sistema di pompaggio dei gas criogenici liquefatti, permettendo la corretta erogazione di prodotto alla giusta pressione con tempi di riempimento contenuti, consumi energetici ridottissimi e manutenzioni quasi nulle.
Per ottenere tale risultato si à ̈ provveduto a sviluppare e perfezionare un sistema di trasferimento e pressurizzazione del gas che sfrutta l'incomprimibilità dei liquidi e l'energia già disponibile in grande quantità nel gas criogenico stesso, recuperata durante l'espansione del gas nel passaggio dalla fase liquida alla fase vapore alla temperatura critica (aumento di volume di 300-600 volte).
Il principio à ̈ molto semplice, in quanto sfrutta la proprietà dei gas liquefatti di aumentare la propria pressione durante il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso quando sono confinati in un volume chiuso e ne viene aumentata la temperatura.
Grazie a questo principio, Ã ̈ possibile aumentare la pressione di un gas liquefatto utilizzando solamente il calore prodotto dalla differenza tra la temperatura dello stesso gas criogenico liquefatto e la temperatura ambiente, senza utilizzare pompe o compressori.
Il sistema consiste nel prelevare dal serbatoio di stoccaggio, attraverso la differenza di pressione, una porzione di gas liquefatto criogenico per inserirlo in un piccolo serbatoio di stoccaggio; successivamente, verrà fatto vaporizzare il gas criogenico liquefatto contenuto nel piccolo serbatoio apportando calore daH’ambiente ed ottenendo così un aumento della pressione e un passaggio di stato da liquido a gassoso; il gas così ottenuto, grazie alla sua pressione, travaserà in un serbatoio di stoccaggio gassoso equilibrando le differenti pressioni tra i due.
Per potere immettere nuovamente gas criogenico liquefatto dal serbatoio di stoccaggio al piccolo serbatoio di espansione e dare continuità al ciclo, sarà necessario diminuire la pressione del piccolo serbatoio di stoccaggio facendo ritornare parte del gas nel serbatoio principale e quindi ricondensandolo, oppure facendolo ricondensare in un secondo piccolo serbatoio precedentemente riempito di gas liquefatto destinato alla vaporizzazione.
In ogni caso, le soluzioni sopra delineate saranno più chiaramente descritte con l'ausilio di due tavole di disegno dove, a solo titolo indicativo e non limitativo, sono rappresentate:
- la FIG. 1 , che mostra schematicamente una prima tipologia di perfezionamento di un sistema di pompaggio e rigassificazione in alta pressione di gas criogenico liquefatto per il riempimento di bombole in alta pressione;
- la FIG. 2, che mostra schematicamente una seconda tipologia di perfezionamento di un sistema di pompaggio e rigassificazione in alta pressione di gas criogenico liquefatto per il riempimento di bombole in alta pressione.
Nell’esempio della FIG. 1 , il gas criogenico liquefatto à ̈ conservato a bassa temperatura (tipicamente da -160 a -190°C a seconda della tipologia di gas) nel serbatoio criogenico 1 con pressioni di stoccaggio normalmente di pochi bar. Ad impianto pronto all'esercizio, il vaporizzatore 2, collegato con la stazione di utilizzo a valle, viene mantenuto ad una pressione compresa tra 250 e 300 bar, mentre le valvole V, V1, V2, V3 e V4 sono mantenute chiuse.
Quando si verifica un prelievo di gas a valle del sistema, dovuto ad esempio al riempimento di bombole, si ha ovviamente un calo di pressione nel vaporizzatore 2. Al raggiungimento della soglia minima di pressione prefissata, il sistema di controllo comanda l’apertura delle valvole V1 e V2, che provoca, grazie al semplice principio di funzionamento a “termosifone", il riempimento del piccolo serbatoio coibentato S con gas criogenico liquefatto alla medesima pressione e temperatura del serbatoio di stoccaggio 1 .
Quando il livello L1 segnala la presenza del liquido alla soglia prefissata, il sistema di controllo comanda la chiusura delle valvole V1 e V2 precedentemente aperte.
Per trasferire il gas liquefatto dal serbatoio S al vaporizzatore 2, viene aperta quindi la valvola V3, che mette il serbatoio S alla medesima pressione del vaporizzatore 2 e della stazione di utilizzo a valle. Subito dopo viene aperta anche la valvola V4. Ciò provoca lo svuotamento del gas liquefatto contenuto nel serbatoio S verso il vaporizzatore, grazie alla semplice differenza di altezza tra il serbatoio S stesso e la parte bassa del vaporizzatore. Al raggiungimento della soglia di livello considerata minima, il segnalatore di livello L2 comanda la chiusura delle valvole V3 e V4.
Il gas liquefatto scaricato nel vaporizzatore evaporerà, ripristinando le condizioni iniziali di pressione del vaporizzatore, in quanto il volume del serbatoio S sarà calcolato per contenere una quantità di gas liquido corrispondente alla quantità di gas contenuto tra la pressione massima e minima del vaporizzatore stesso.
In alternativa a tale sistema di controllo del volume di riempimento di gas nel vaporizzatore, si può utilizzare uno specifico sistema di misura della quantità di gas erogata alle bombole in fase di riempimento. Infatti, in rapporto al volume di gas erogato un sistema di controllo deciderà quanti riempimenti/svuotamenti del serbatoio S sono necessari a ripristinare la pressione del vaporizzatore.
A seguito del completamento della fase precedente, viene aperta la valvola V che scarica lentamente nel serbatoio principale 1 la pressione in fase vapore contenuta nel serbatoio S, facendola gorgogliare all’interno della fase liquida del serbatoio 1 oppure attraverso una serpentina interna. Ciò, per abbassare la temperatura di tale gas e permettergli di condensare all’interno del serbatoio di stoccaggio 1 senza portarlo, poco a poco, in sovrappressione. Al raggiungimento delle medesime pressioni tra il serbatoio di stoccaggio principale 1 ed il serbatoio S, la valvola V viene richiusa.
A questo punto il ciclo può essere ripetuto, fino al raggiungimento della quantità desiderata di prodotto da trasferire.
Il principio di funzionamento del sistema della FIG. 2 non cambia, ma la condensazione della parte vapore di fine ciclo avviene nei due serbatoi S1 e S2 esterni ai serbatoio di stoccaggio 1 , per diminuire eventuali problematiche di sovrappressione che potrebbero verificarsi nel serbatoio stesso.
Il gas criogenico liquefatto à ̈ conservato a bassa temperatura (tipicamente da -160 a -190°C a seconda della tipologia di gas) nel serbatoio criogenico 1 con pressioni tipiche di stoccaggio normalmente di pochi bar, analogamente all'esempio precedente.
Ad impianto pronto all’esercizio, il vaporizzatore 2, collegato alla stazione di utilizzo a valle, viene mantenuto normalmente ad una pressione compresa tra 250 e 300 bar, mentre tutte le valvole sono mantenute chiuse. Col prelievo di gas a valle del sistema, dovuto ad esempio al riempimento di bombole, si ha ovviamente un calo di pressione nel vaporizzatore 2.
Al raggiungimento della soglia minima di pressione prefissata, il sistema comanda l’apertura delle valvole V13, V1 e V3 che provoca, grazie al semplice principio di funzionamento a “termosifone", il riempimento del piccolo serbatoio coibentato S1 fino a che il livello L1 , segnalando la presenza del liquido alla soglia prefissata, comanda la chiusura delle valvole V13, V1 e V3 precedentemente aperte.
Per trasferire il gas liquefatto contenuto nel serbatoio S1 al vaporizzatore, viene aperta la valvola V2, che mette il serbatoio S1 alla medesima pressione del vaporizzatore 2 e subito dopo viene aperta anche la valvola V4.
Ciò provoca lo svuotamento del gas liquefatto verso il vaporizzatore grazie alla semplice differenza di altezza tra il serbatoio S1 e la base del vaporizzatore stesso. Al raggiungimento della soglia di livello considerata minima, il segnalatore di livello L2 comanda la chiusura delle valvole V2 e V4.
Il gas liquefatto scaricato nel vaporizzatore evaporerà ripristinando le condizioni iniziali di pressione del vaporizzatore, in quanto il volume del serbatoio S1 sarà calcolato per contenere una quantità di gas liquido corrispondente alla quantità di gas contenuto tra la pressione massima e minima del vaporizzatore stesso.
In alternativa a tale sistema di controllo del volume di riempimento, si può utilizzare uno specifico sistema di misura della quantità di gas erogata alle bombole da riempire. In rapporto al volume di gas erogato, un sistema di controllo deciderà quanti riempimenti/svuotamenti dei serbatoi S1 e S2 sono necessari a ripristinare la pressione del vaporizzatore 2.
Per accelerare lo svuotamento del serbatoio S1, oppure quando non sia possibile rispettare specifici livelli tra il serbatoio S1 e il vaporizzatore che permettano il suo svuotamento naturale, à ̈ possibile forzare tale operazione nel seguente modo: dopo il riempimento del serbatoio S1 e la chiusura delle rispettive valvole V13, V1 e V3, nonché dopo l’apertura delle valvole V2 e V4 per la messa in equilibrio della pressione del serbatoio S1 con il vaporizzatore, si richiude la valvola V2 e si apre la valvola V10. Grazie ad un semplice principio di vasi comunicanti, il gas liquefatto contenuto nel serbatoio S1 affluisce alla serpentina di vaporizzazione 3 posta dopo la valvola V10, che provoca la vaporizzazione di parte del gas liquefatto. Il vapore che si crea, va a finire nel cielo del serbatoio S1 provocando l'espulsione forzata del liquido contenuto in S1 verso il vaporizzatore, attraverso la valvola V4 ancora aperta.
Al raggiungimento del livello minimo di S1 il sensore di livello L2 interrompe lo svuotamento chiudendo tutte le valvole precedentemente aperte.
Tale sistema di svuotamento forzato può essere applicato anche al sistema precedentemente descritto nella FIG. 1.
Il ciclo, se necessario, prosegue attraverso il riempimento del serbatoio S2, ovvero aprendo le valvole V13, V5 e V8 fino a che il livello L3 comanderà la chiusura delle tre valvole precedentemente aperte.
Solo a questo punto si aprirà la valvola V9 che farà trasferire il gas in alta pressione contenuto nel serbatoio S1, precedentemente svuotato della parte liquida, facendolo gorgogliare lentamente o attraverso una serpentina nel serbatoio S2 contenente gas liquefatto e qui, raffreddandosi, condenserà in buona parte nel gas liquefatto contenuto in S2. Al raggiungimento della medesima pressione, verrà chiusa la valvola V9 e si procederà a vuotare il serbatoio S2 nel medesimo modo cui à ̈ stato vuotato il serbatoio S1.
Contemporaneamente, il serbatoio S1, dopo il passaggio di buona parte del suo contenuto di gas al serbatoio S2, scarica la sovrappressione residua nel serbatoio principale mediante l’apertura della valvola V1 e della valvola V12, che scaricheranno la pressione rimasta in S1 nel serbatoio di stoccaggio principale gorgogliando all’interno della fase liquida oppure attraverso una serpentina interna nel serbatoio criogenico principale. Ciò per abbassare di temperatura tale gas residuo e permettergli di condensarsi all’interno del serbatoio di stoccaggio stesso impedendogli di portarlo poco a poco in sovrappressione. Al raggiungimento del pareggio delle pressioni tra il serbatoio di stoccaggio principale ed il serbatoio S1 , le valvole V1 e V12 vengono richiuse.
A questo punto il ciclo può essere ripetuto secondo necessità dall'inizio, invertendo alternativamente i serbatoi S1 e S2.
E’ ovvio che, ferme restando le caratteristiche di massima illustrate e descritte ed indipendentemente dal tipo di liquido trattato, non sono escluse modifiche o varianti che, comunque comprese nel presente ambito brevettale, potranno riguardare: l’impiego di mezzi o sistemi diversi per il trasferimento del liquido e/o la sua espulsione dopo adeguato innalzamento di pressione e vaporizzazione; l’impiego di materiali o sistemi diversi per la costruzione dei vari serbatoi di vaporizzazione ed accessori, nonché per l'adattamento ad impianti diversi da quello esemplificato.

Claims (5)

  1. RIVENDICAZIONI 1) Perfezionamenti negli impianti di pompaggio in alta e bassa pressione dì gas criogenici o liquefatti, detti impianti comprendendo almeno un serbatoio criogenico (1) in cui il gas criogenico liquefatto à ̈ stoccato a bassa pressione ed almeno un vaporizzatore (2) collegato alla zona di prelievo del gas posta a valle deirimpianto, caratterizzati dal fatto di comprendere: almeno un serbatoio coibentato (S; S1) frapposto al serbatoio criogenico (1) ed al vaporizzatore (2); valvole (V1, V2, V; V1, V3, V13) di collegamento di detto serbatoio (S; S1) al serbatoio (1) e valvole (V3, V4; V2, V4) di collegamento di detto serbatoio (S; S1) al vaporizzatore (2).
  2. 2) Perfezionamenti, come alla rivendicazione 1 , in cui una serpentina di vaporizzazione (3) Ã ̈ posta dopo una valvola (V10) e collegata al serbatoio (S; S1) per accelerarne lo svuotamento facendo affluire il gas liquefatto contenuto nel suddetto serbatoio nella stessa serpentina.
  3. 3) Perfezionamenti, come alla rivendicazione 1, in cui un serbatoio (S2) à ̈ collegato in serie con il serbatoio (S; S1) ed à ̈ inoltre collegato al serbatoio (1) ed al vaporizzatore (2) per rendere più stabile il ciclo di trasferimento del gas criogenico da (1) a (2).
  4. 4) Metodo per il funzionamento degli impianti di pompaggio in alta e bassa pressione di gas criogenici o liquefatti perfezionati secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - prelevare gas dal vaporizzatore (2); - al raggiungimento della soglia minima di pressione prefissata, aprire le valvole normalmente chiuse (V1 e V2) per riempire il piccolo serba toio coibentato (S) con gas criogenico liquefatto alla medesima pressione e temperatura del serbatoio di stoccaggio (1); - al raggiungimento del livello prefissato (L1) chiudere le valvole V1 e V2 precedentemente aperte; - aprire la valvola (V3), che mette il serbatoio (S) alla medesima pressione del vaporizzatore (2) e dello stoccaggio a valle; - aprire anche la valvola (V4) per svuotare il serbatoio (S) del gas liquefatto ed inviarlo nel vaporizzatore; - al raggiungimento della soglia di livello considerata minima, chiudere le valvole (V3 e V4); - aprire la valvola (V) per scaricare lentamente il gas in pressione del serbatoio (S) nel serbatoio di stoccaggio principale (1), per abbassare la temperatura di tale gas e permettergli di condensare all'interno del serbatoio (1) senza portarlo poco a poco in sovrappressione; - richiudere la valvola (V) al raggiungimento delle medesime pressioni tra il serbatoio (1 ) ed il serbatoio (S); - ripetere il ciclo dalla fase 1 fino al raggiungimento della quantità desiderata di prodotto da trasferire.
  5. 5) Metodo per il funzionamento degli impianti di pompaggio in alta e bassa pressione di gas criogenici o liquefatti perfezionati secondo le rivendicazioni 1, 2 e 3, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi; - prelevare gas dal vaporizzatore (2); - al raggiungimento della soglia minima di pressione prefissata, aprire le valvole normalmente chiuse (V13, V1 e V3) per riempire il serbatoio coibentato (S1) fino al livello prefissato; - al raggiungimento del livello (L1) chiudere le valvole (V13, V1 e V3) precedentemente aperte; - aprire la valvola (V2), che mette il serbatoio (S1) alla medesima pressione del vaporizzatore (2) e dello stoccaggio a valle; - aprire anche la valvola (V4) per svuotare il serbatoio (S) del gas liquefatto ed inviarlo nel vaporizzatore; - per accelerare il processo, chiudere la valvola (V2) e aprire la valvola (V10) per far affluire il gas liquefatto contenuto nel serbatoio (S1) alla serpentina di vaporizzazione (3) posta dopo la valvola (V10), che provoca la vaporizzazione di parte del gas liquefatto e provocando così l'espulsione forzata del liquido contenuto in (S1) verso il vaporizzatore, attraverso la valvola (V4) ancora aperta; - al raggiungimento del livello minimo di (S1) interrompere lo svuotamento chiudendo tutte le valvole precedentemente aperte; - aprire le valvole (V13, V5 e V8) fino al riempimento del serbatoio (S2); - chiudere le valvole (V13, V5 e V8); - aprire la valvola (V9) per trasferire il gas in alta pressione contenuto nel serbatoio (S1), precedentemente svuotato della parte liquida, al serbatoio (S2) contenente gas liquefatto; - al raggiungimento della medesima pressione, chiudere la valvola (V9) e procedere a vuotare il serbatoio (S2); - aprire la valvola (V1) e la valvola (V12) per finire di scaricare la sovrappressione residua dal serbatoio (S1) al serbatoio principale (1); - richiudere le valvole (V1 e V12) al raggiungimento del pareggio delle pressioni tra il serbatoio di stoccaggio principale (1) ed il serbatoio (S1). - ripetere il ciclo dalla fase 1 fino al raggiungimento della quantità desiderata di prodotto da trasferire, invertendo alternativamente i serbatoi (S1 e S2).
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