ITTO990849A1 - Procedimento per eliminare l'evaporazione di un gas liquefatto stoccato in un serbatoio stagno e isotermico, e dispositivo per la sua messa - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo "PROCEDIMENTO PER ELIMINARE L'EVAPORAZIONE DI UN GAS LIQUEFATTO STOCCATO IN UN SERBATOIO STAGNO E ISOTERMICO, E DISPOSITIVO PER LA SUA MESSA IN OPE-RA"

La presente invenzione riguarda un procedimento per eliminare l'evaporazione di un gas liquefatto, in particolare metano liquido, stoccato in un serbatoio stagno e termicamente isolante, integrato oppure no in una struttura portante di nave, in particolare di una nave metaniera, e il dispositivo per la messa in opera di questo procedimento.

Il metano liquido viene generalmente stoccato sotto forma liquida ad una pressione vicina alla pressione atmosferica e ad una temperatura di circa -163 “C. Allo scopo di limitare l’evaporazione del metano liquido durante il trasporto, è stato già proposto di migliorare l'isolamento termico del serbatoio mediante diversi procedimenti che sono descritti nelle domande di brevetto francese n° 2 535 831, 2586 082, 2629 897, 2 683 786 che appartengono tutte alla società depositante. I miglioramenti sull'isolamento termico del serbatoio hanno permesso di abbassare il tasso di evaporazione nominale per giorno di stoccaggio dallo 0,30% a circa il 15% in peso, ma è difficile andare oltre.

Su una nave metaniera ciascun serbatoio è generalmente collegato ad un albero sul ponte principale della nave per permettere la fuoriuscita del gas evaporato, che altrimenti produrrebbe una sovrapressione inammissibile nel serbatoio. Per evitare di evacuare nell'atmosfera il gas evaporato, che è un'emissione inquinante tanto più inaccettabile quanto più la nave si trova in vicinanza di un porto, e per evitare di perdere cosi una parte del carico, è noto di utilizzare l'evaporazione del gas per la propulsione della nave. A questo scopo la sala macchine della nave S generalmente dotata di una turbina a vapore che è adatta a bruciare nello stesso tempo il gas di evaporazione e gasolio o nafta. Tuttavia le turbine a vapore hanno un basso rendimento e la doppia funzionalità della turbina richiede di aumentare la lunghezza della sala macchine, ciò che si traduce in un allungamento della nave o in una riduzione della dimensione dei serbatoi di stoccaggio. Inoltre, con un tasso di evapo-r razione dell'ordine dello 0,15%, il gas di evaporazione fornisce solo il 40 al 80% delle necessità energetiche della turbina a vapore che deve dunque funzionare continuamente bruciando anche gasolio o nafta.

Per evitare l'inconveniente connesso alla combustione dei gas di evaporazione e per evitare di consumare una parte del carico prima del suo scarico, è stato anche proposto di installare sul ponte della nave un'officina di riliquefazione'per liquefare di nuovo i gas di evaporazione e per rinviarli al serbatoio. Tuttavia questa soluzione è molto costosa da mettere in opera poiché l'investimento di partenza per un'officina di riliquefazione è molto elevato e le necessità energetiche di un'officina di riliquefazione sono ugualmente molto grandi. Inoltre, poiché generalmente un carico di metano non è puro, è necessario prevedere una liquefazione separata dei diversi componenti del carico, ciò che richiede l'utilizzazione di colonne di separazione, ciò che è delicato da gestire su una nave che è sottoposta al moto ondoso.

L’invenzione ha lo scopo di eliminare gli inconvenienti sopra citati e di proporre un procedimento per eliminare l’evaporazione di un gas liquefatto, stoccato in un serbatoio stagno e termicamente isolante integrato oppure no in una struttura portante di nave, che sia semplice ed economico nella sua messa in opera e nel suo funzionamento.

A questo scopo l’invenzione ha per oggetto un procedimento per eliminare l'evaporazione di un gas liquefatto stoccato in un serbatoio stagno e termicamente isolante integrato in una struttura portante di nave o situato in un gruppo di serbatoi di stoccaggio a terra o galleggiante, caratterizzato dal fatto che esso consiste nel fare circolare un fluido refrigerante nella massa di gas liquefatto, per refrigerare la suddetta massa ad una temperatura leggermente inferiore alla sua temperatura di riferimento di stoccaggio, in modo da compensare il riscaldamento della suddetta massa che deriva dalle dispersioni termiche durante il suo trasporto o il suo stoccaggio. Così l’evaporazione del gas liquefatto viene soppressa o per lo meno limitata. Infatti, se il gas liquefatto comincia ad evaporare nel volume gassoso che galleggia sulla massa liquefatta nel serbatoio, l'entrata in circolazione del fluido refrigerante provocherà una nuova liquefazione automatica del gas di evaporazione mediante trasferimento termico nell’interfaccia tra il gas liquefatto e il gas di evaporazione.

L’invenzione riguarda anche un dispositivo per la messa in opera del procedimento sopra citato, caratterizzato dal fatto che esso comprende, per ciascun serbatoio, uno scambiatore di calore che è immerso nella massa di gas liquefatto da refrigera^ re, un compressore, per comprimere il fluido refrigerante all'uscita dallo scambiatore, e un'unità frigorifera per refrigerare alla sua temperatura di refrigerazione il fluido refrigerante compresso, prima della sua entrata nello scambiatore di calore.

Vantaggiosamente il dispositivo comprende un'unità di circolazione di acqua di mare per raffreddare il fluido refrigerante compresso prima della sua entrata nell'unità frigorifera. Questa unità di circolazione di acqua di mare può essere collegata ad un collettore di zavorra di una nave.

In una forma di attuazione particolare il fluido refrigerante si trova in fase liquida, preferibilmente azoto liquido, alla sua entrata nello scambiatore di calore e vaporizza durante la sua circolazione nella massa di gas liquefatto, l'unità frigorifera essendo adatta a liquefare di nuovo il fluido refrigerante ad ogni ciclo. Questa variante è particolarmente efficace poiché si utilizza il calore latente del liquido refrigerante per refrigerare il carico. Ovviamente il fluido refrigerante potrebbe trovarsi in fase gassosa e in questo caso il gas refrigerante subisce un'espansione durante il suo riscaldamento nello scambiatore di calore, ad esempio secondo il ciclo noto di Joule-Thomson.

Secondo un'altra caratteristica l'unità frigorifera è adatta a portare il fluido refrigerante ad una temperatura di refrigerazione che è inferiore di circa 30°C alla temperatura di riferimento della massa di gas liquefatto, prima della sua entrata nello scambiatore di calore.

Secondo ancora un'altra caratteristica dell'invenzione, ciascun serbatoio è dotato di un manometro per controllare le variazioni di pressione nel volume gassoso che galleggia sulla massa di gas liquefatto nel serbatoio, in questo caso il manometro pud comandare l'entrata in funzione della circolazione del fluido refrigerante non appena la pressione rivelata dal manometro è superiore ad un primo valore predeterminato di soglia di pressione, ad esempio 5 mmbar al di sopra della pressione di riferimento di stoccaggio, che è generalmente dell'ordine di 1060 mmbar, e il suo arresto non appena la pressione rivelata è inferiore a un secondo valore determinato di soglia di pressione, ad esempio 5 mmbar al di sotto della suddetta pressione di riferimento.

Vantaggiosamente lo scambiatore di calore è sostenuto all'interno del serbatoio da una torre di caricamento/scaricamento del gas liquefatto, che è prevista su una delle pareti trasversali verticali del serbatoio.

Lo scambiatore di calore può comprendere uno o più tubi a spillo le cui estremità attraversano il tetto del serbatoio. In questo caso ciascun tubo o gruppo di tubi a spillo può essere circondato lateralmente da una tubazione cava che forma un pozzo di convezione aperto alle sue due estremità verticali, per generare un movimento di convezione nella massa di gas liquefatto attraverso ciascun pozzo.

Vantaggiosamente il compressore e l'unità frigorifera sono installati sul ponte della nave in corrispondenza della torre di caricamento/scaricamento di ciascun serbatoio.

Per fare comprendere meglio l'oggetto dell'invenzione sarà ora descritta, a titolo di esempio puramente illustrativo e non limitativo, una forma di attuazione rappresentata sui disegni allegati· Su questo disegno:

- la figura 1 è una vista schematica in elevazione longitudinale e parzialmente in sezione di una nave metaniera con struttura classica, e

- la figura 2 è una vista parziale, ingrandita e parzialmente in sezione di un serbatoio della nave della figura 1 secondo una forma di attuazione dell’invenzione.

Sulla figura 1 è stata rappresentata una nave metaniera N con struttura classica che comprende quattro serbatoi 1 per lo stoccaggio del carico, ciascun serbatoio essendo associato ad un albero 2 che è previsto sul ponte principale 3 della nave per la fuoriuscita del gas durante una sovrapressione nel serbatoio. Nella parte posteriore della nave N è prevista una sala macchine 14 che comprende in modo classico una turbina a vapore che funziona mediante combustione di gasolio e/o di gas di evaporazione proveniente dai serbatoi.

I serbatoi 1 sono separati gli uni dagli altri mediante delle doppie paratie trasversali 4, note con il termine di "cofferdam”. Il fondo di ciascun serbatoio è formato dal tondello interno 5 del doppio scafo della nave, lo spazio intercalare tra il tondello interno 5 e il tondello esterno 6 del doppio scafo servendo come zavorra. In modo noto in sé ciascun serbatoio 1 contiene una torre di caricamento/scaricamento 7 per caricare il carico nel serbatoio, prima del suo trasporto, e per scaricare il carico dopo il suo trasporto.

Come si pud vedere meglio sulla figura 2, la torre 7 si estende su tutta l'altezza del serbatoio 1, in vicinanza di una paratia trasversale del cofferdam 4, e comprende nella sua parte inferiore una pompa 8 per lo scaricamento del carico. In modo noto in sé la torre 7 comprende una linea di caricamento del carico e una linea di scaricamento del carico, la torre potendo essere del tipo a tripode, cioè con tre alberi verticali che sostengono l'insieme delle linee di caricamento e di scaricamento del carico.

In modo noto in sé ciascun serbatoio 1 comprende una barriera di isolamento termico secondaria 10 fissata sulla struttura portante della nave, in particolare il tondello interno 5 del doppio scafo e le paratie trasversali 4, e due barriere di tenuta secondaria 11 e primaria 12 ancorate alla suddetta barriera di isolamento secondaria 10. Tra le barriere di tenuta secondaria 11 e primaria 12 è montata generalmente una barriera di isolamento termico primaria 13 oppure uno scudo di protezione meccanica resistente agli urti, come descritto nella domanda di brevetto francese n<* >98/08196 del 10 luglio 1998 appartenente alla società depositante.

Sulla figura 2 è stata indicata la linea di separazione S tra la massa di gas liquefatto L e il volume del carico in fase gassosa G all’interno del serbatoio 1.

Sulla figura 2 è stata rappresentata, mediante un blocco globale 20, un'unità frigorifera associata ad un compressore, ad esempio per la circolazione di azoto liquido. L'unità frigorifera può essere adatta a liquefare di nuovo l'azoto liquido all'uscita dal serbatoio. Il blocco 20 è montato sul ponte principale 3 della nave.

Una linea di alimentazione 21 e una linea di uscita 22 sono collegate al blocco 20 per fare circolare dell'acqua di mare proveniente ad esempio da un collettore di zavorre della nave.

Almeno un tubo a spillo 23 d collegato, alla sua entrata 23& e alla sua uscita 23£>, al blocco 20. Il tubo a spillo 23 costituisce uno scambiatore di calore che si estende verticalmente nel serbatoio 1 sostanzialmente a metà altezza a distanza dal suo fondo. Benché non sia rappresentato, ciascun tubo a spillo 23 è vantaggiosamente sostenuto da un albero della torre 7 sopra citata. A questo scopo ciascun tubo a spillo 23 si estende in vicinanza della torre 7.

Intorno a ciascun tubo a spillo 23 è prevista una tubazione cava 24 che forma un pozzo di convezione all'interno del serbatoio 1. Questa tubazione 24 è passante alle sue due estremità verticali in modo da generare un movimento di convezione del carico stoccato nel serbatoio 1.

Sarà ora descritto il funzionamento di un esempio di attuazione dell'invenzione.

Il metano in fase liquida L e il piccolo volume in fase gassosa G è stoccato nel serbatoio 1 ad una temperatura di circa -163<*>c.

L'unità frigorifera 20 fa circolare nel tubo a spillo 23 dell'azoto liquido a circa -196‘C, ciò che ha l’effetto di refrigerare il metano liquido L intorno al suddetto tubo 23. Dato che il metano li^ quido cosi refrigerato diventa più denso, esso subisce un movimento discendente nel serbatoio 1 e il metano liquido non ancora refrigerato subisce inversamente un movimento ascendente. Questo movimento di convezione del metano liquido L viene incanalato dal pozzo di convezione 24 allo scopo di creare questo movimento di convezione in tutto il serbatoio 1. A titolo di esempio il diametro della tubazione cava 24 è di circa 1 metro. Ovviamente lo scambiatore di calore potrebbe comprendere più tubi a spillo 23 o dei tubi con più gomiti, come pure più tubazioni di convezione 24. La tubazione cava 24 presenta, alla sua estremità superiore, una forma sostanzialmente ad imbuto 24& svasata verso l'esterno per favorire questo movimento di convezione.

Durante la sua circolazione nel tubo a spillo 23, l’azoto liquido subisce un’evaporazione, ciò che permette di raffreddare in modo più efficace il metano liquido L beneficiando del calore latente dell'azoto. Stando cosi le cose si potrebbe anche utilizzare dell’azoto in fase gassosa, l'azoto gassoso subendo un'espansione durante la sua circolazione nello scambiatore di calore. Alla sua uscita 23fe dal tubo a spillo 23 l'azoto si trova ad una temperatura di circa -163°C. L'azoto passa allora nel compressore 20, ad esempio un compressore a tre stadi, ciò che porta l'azoto ad una temperatura ad esempio di circa 130°C. L'azoto cosi compresso viene raffreddato in un primo tempo dalle linee di circolazione di acqua di mare 21, 22 per portare l'azoto ad una temperatura massima di circa 30°C, cioè alla temperatura dell'acqua di mare. Infine l'azoto compresso così raffreddato subisce una nuova liquefazione nell'unità.frigorifera, per portarlo alla temperatura di -196°C.

Dato che l'unità frigorifera e il compressore 20 sono situati sulla verticale della torre 7, è possibile utilizzare la potenza disponibile per la pompa di scarico 8 poiché quest'ultima non funziona durante il trasporto ma unicamente durante lo scarico.

Il blocco 20 è vantaggiosamente associato ad un manometro 25 situato nel volume gassoso G del serbatoio 1 per rivelare le variazioni di pressione in questo volume gassoso. A titolo di esempio, per una pressione di riferimento di stoccaggio di circa 1060 mmbar nel volume gassoso G, il manometro 25 è atto a rivelare una variazione dì 5 mmbar al di sopra e al di sotto di questa pressione dì riferimento allo scopo rispettivamente di attivare l'entrata in funzione dell'unità frigorifera e del compressore o di arrestare il loro funzionamento. Dato che il carico in ciascun serbatoio presenta una forte inerzia termica, l'unità frigorifera e il compressore 20 funzionano generalmente per più ore prima di poter generare un leggero raffreddamento del carico stoccato e prima di liquefare di nuovo il metano evaporato nell'interfaccia S con il gas liquefatto L. Nello stesso modo l'unità frigorifera e il compressore 20 restano fermi per più ore prima che l'evaporazione del gas liquefatto possa di nuovo prodursi.

In modo pratico, poiché le perdite termiche dovute all'irradiazione sul ponte si producono essenzialmente di giorno, è possibile far funzionare automaticamente il compressore e l'unità frigorifera 20 di giorno e arrestarli di notte.

Grazie all'invenzione è possibile sopprimere la turbina a vapore per la propulsione della nave e utilizzare un motore diesel che funziona a gasolio che presenta un migliore rendimento e un minore ingombro, ciò che permette di ridurre la dimensione della sala macchine. La dimensione della sala macchine può essere ridotta di circa il 10%, ciò che si traduce in più metri di meno in lunghezza. Ora ciascun metro risparmiato sulla sala macchine permette di aumentare il volume dei serbatoi, ciò che è molto importante tenuto conto della dimensione dei serbatoi.

Un altro vantaggio dell'invenzione consiste nel sopprimere tutte le linee di circolazione del gas di evaporazione verso la sala macchine o verso un'eventuale officina di riliquefazione.

Infine, quando il fluido refrigerante è azoto, si dispone in corrispondenza di ciascun serbatoio di una riserva di azoto che può essere scaricata nelle zavorre, per limitare il tenore di ossigeno comburente, allo scopo di evitare un incendio a se-* guito di un urto sulle zavorre, ad esempio durante un accostamento da parte di un'altra nave.

Benché l'invenzione sia stata descritta in collegamento con una forma di attuazione particolare, è sicuramente evidente che essa non d assolutamente limitata e che comprende tutti gli equivalenti tecnici dei mezzi descritti come pure le loro combinazioni se queste entrano nell'ambito dell'invenzione.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per eliminare l'evaporazione di un gas liquefatto stoccato in un serbatoio (1) stagno e termicamente isolante integrato in una strut- . tura portante di nave (N) o situati in un gruppo di serbatoi di stoccaggio a terra o galleggiante, caratterizzato dal fatto che esso consiste nel far circolare un fluido refrigerante nella massa di gas liquefatto (L) per refrigerare la suddetta massa (L) ad una temperatura leggermente inferiore alla sua temperatura di riferimento di stoccaggio, in modo da compensare il riscaldamento della suddetta massa che deriva dalle dispersioni termiche durante il suo trasporto o il suo stoccaggio.
2. 2. Dispositivo per la messa in opera del procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che esso comprende, per ciascun serbatoio (1), uno scambiatore di calore (23), che è immerso nella massa di gas liquefatto (L) da refrigerare, un compressore (20), per comprimere il fluido refrigerante all'uscita dallo scambiatore, e un'unita frigorifera (20) per refrigerare alla sua terzeratura di refrigerazione il fluido refrigerante compresso, prima della sua entrata nello scambiatore di calore.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che esso comprende un’unità di circolazione (21, 22) di acqua di mare per raffreddare il fluido refrigerante compresso prima della sua entrata nell’unità frigorifera (20).
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che l'unità di circolazione di acqua di mare (21, 22) è collegata ad un collettore di zavorra di una nave.
5. 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 2 a 4, caratterizzato dal fatto che il fluido refrigerante si trova in fase liquida, preferibilmente azoto liquido, alla sua entrata nello scambiatore di calore (23), e vaporizza durante la sua circolazione nella massa di gas liquefatto (L), l’unità frigorifera (20) essendo adatta a liquefare di nuovo il fluido refrigerante ad ogni ciclo.
6. 6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 2 a 5, caratterizzato dal fatto che l'unità frigorifera (20) è adatta a portare il fluido refrigerante ad una temperatura di refrigerazione che è inferiore di circa 30°C alla temperatura di riferimento della massa di gas liquefatto (L), prima della sua entrata nello scambiatore di calore.
7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 2 a 6, caratterizzato dal fatto che ciascun serbatoio (1) β dotato di un manometro (25) per controllare le variazioni di pressione nel volume gassoso che galleggia sulla massa di gas liquefatto nel serbatoio .
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il manometro (25) comanda l'entrata in funzione della circolazione del fluido refrigerante non appena la pressione rivelata dal manometro è superiore ad un primo valore predeterminato di soglia di pressione, ad esempio 5 mmbar al di sopra della pressione di riferimento di stoccaggio, che è generalmente dell'ordine di 1060 mmbar, e il suo arresto non appena la pressione rivelata è inferiore ad un secondo valore determinato di soglia di pressione, ad esempio 5 mmbar al di sotto della suddetta pressione di riferimento.
9. 9. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 2 a 8, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore (23) è sostenuto all'interno del serbatoio (1) da una torre (7) di caricamento/scaricamento del gas liquefatto, che è prevista su una delle pareti trasversali verticali (4) del serbatoio.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore comprende uno o più tubi a spillo (23) le cui estremità attraversano il tetto del serbatoio (1).
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che ciascun tubo o gruppo di tubi a spillo (23) è circondato lateralmente da una tubazione cava (24) che forma un pozzo di convezione, aperto alle sue due estremità verticali, per generare un movimento di convezione nella massa di gas liquefatto (L) attraverso ciascun pozzo.
12. 12. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni 9 a 11, caratterizzato dal fatto che il compressore e l'unità frigorifera (20) sono installati sul ponte (3) della nave in corrispondenza della torre (7) di caricamento/scaricamento di ciascun serbatoio (1)