JP2013527391A - 上流の貯蔵部から下流のタンクに深冷液を急速に注入する方法及び装置 - Google Patents

上流の貯蔵部から下流のタンクに深冷液を急速に注入する方法及び装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、上流の貯蔵部から少なくとも一つの下流のタンクに深冷液を注入する方法及び装置に関し、前記上流の貯蔵部は、大気圧よりも高い貯蔵圧のもとで、該貯蔵タンクの底部では液相で、該貯蔵タンクの上部では気相で、深冷流体を収容し、この上流の貯蔵部は、該貯蔵部の底部から取り出された液体を前記下流のタンクに供給するとともに、外部から流体が供給されるのに適し、上流の貯蔵部内の気相の圧力を該貯蔵部内の平衡圧よりも高く加圧することで、前記上流の貯蔵部と前記下流のタンクとの間で圧力差が設けられて維持されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、上流の貯蔵タンクから下流のタンクに、液体窒素のような深冷液を注入する方法の分野に関する。
本発明は、特に、急速に注入することを可能にする方法に関する。
このような注入作業は、例えば、薬品や食品のような熱に敏感な製品を輸送及び流通させるのに用いられるトラックのタンクに注入するために用いられる。
通常は、例えば液体窒素のような深冷流体は、高容量の上流の貯蔵タンクに貯蔵される。この貯蔵タンクは、下流で、この流体を消費する装置、例えばトラックのタンクに接続される。上流の貯蔵タンクは、大気圧よりも高い貯蔵圧のもとで、深冷流体を収容する。この深冷流体は、タンクの底部では液相であり、タンクの上部では気相である。この貯蔵タンクは、該貯蔵タンクの底部から取り出された液体を下流の消費装置に供給するとともに、一方で、外部から流体が供給されるように設けられている。
最も一般的には、「低圧貯蔵タンク」と呼ばれる貯蔵タンクが用いられる。すなわち、タンクの上部で生じる最大圧力は、約４バール（絶対圧）よりも一般的に低く、通常では、貯蔵タンクの上部の圧力は、１．５バール（相対圧）である。
この上流の貯蔵タンクと上記のような下流のポイント、例えば注入されるタンクとの間で流体を急速に移すために、通常は、深冷ポンプが用いられる。この深冷ポンプは、下流の深冷タンクに移す間、上流の圧力を増加させるために用いられる（下方に添付の図１参照）。
しかしながら、このような深冷ポンプの使用は、コスト、メンテナンス、運転上の特定の制約、例えば使用前にポンプが冷やされる必要がある、などの点で短所を伴うことが知られている。これはなぜなら、深冷ポンプは、特定のメンテナンスを必要とする動く部品を含むためである。
下流のタンクが最後まで注入される前に圧力が加えられる中間移送タンクを用いる構成の他の解決法が提案されている。この解決法は、追加のタンクの使用を含み、これは、容量の制約と、下流のプロセスに大きく依存した運転モードを伴う（それが空の時の、使用及び注入処理の前の加圧など）。
上流の深冷貯蔵タンクを移送圧力に維持する構成の他の解決法が提案されている。しかし、深冷流体の特徴的な挙動のため、これらの条件下では、前記流体は、貯蔵タンク内の圧力における平衡温度(equilibrium temperature)に向かって引き寄せられる傾向があることが知られている。これは、移送の間に２相流体(diphasic fluid)を生じさせ、このため流量が減る。これは、流れの中にガスが存在するようになるためである（例示すると、窒素で１重量％の２相流体は、全体重量に対するガス重量の比率が空隙率(void rate)に等しく、すなわち全体容量に対してガスが占める比率は５０％であることを意味する）。
本発明の目的の一つは、上述の技術的課題を解決し、急速注入の新しいアプローチを提供することである。
より詳しくは以下に示すが、本発明は、新しい注入プロセスを提供し、その本質的特徴は、下記のように要約されてもよい。
- 上流の貯蔵タンクは、追加の中間タンクなしで、直接に使用される。
- 圧力差は、上流の貯蔵タンクと下流のポイントとの間に作り出される。この圧力差は、上流の貯蔵タンク内の深冷流体の温度に対応した平衡圧よりも高い圧力にそのタンクを加圧することでこの上流のタンク内に超過圧力(overpressure)を設定し、制御／調整手段によってその高い圧力を維持することで得られる。これにより、過冷液(subcooled liquid)をその移送圧で移送できるようする。これにより、据付け(installation)におけるヘッドロス(head loss)及び熱の進入(ingress)に関連にした気化による損失を移送時に制限することで、より大きな流量で注入作業が行えるようにする（前記液体の温度が上昇するのにかかる時間は、２つの注入作業の間にそれが上流の貯蔵タンク内に留まる時間に対して十分に長い）。
- これを行うために、本発明の好ましい実施形態によれば、制御装置は、上流の貯蔵タンクに取り付けられる(fitted to)または関連する。上記装置は、上流の貯蔵タンク内の気相の圧力を貯蔵タンク内の平衡圧よりも高く維持するために、上流の貯蔵タンクの脚部（液相）において、該上流のタンク内の深冷液の供給圧と、貯蔵された深冷液の温度とを自動的に管理することができる。
- 本発明は、このように、上流の貯蔵タンクから少なくとも一つの下流のタンクに深冷液を注入する方法に関する。上流の貯蔵タンクは、大気圧よりも高い貯蔵圧で、貯蔵タンクの底部では液相で、貯蔵タンクの上部では気相で、深冷流体を収容する。この上流の貯蔵タンクは、該貯蔵タンクの底部から取り出された液体を前記下流のタンクに供給し、外部から流体が供給されるように設けられている。注目すべきは、前記上流の貯蔵タンク内の気相の圧力を該貯蔵タンク内の平衡圧よりも高く設定することで、前記上流の貯蔵タンクと前記下流のタンクとの間で圧力差が設けられて維持される。
本発明の一つの実施形態によれば、上流の貯蔵タンク内の気相は、以下の圧力にもたらされて維持される。
Ｐｇ＝ΔＰ＋Ｐｌ−ρｇｈ
ここで、
- Ｐｇは、貯蔵タンク内のガス状雰囲気で維持される圧力であり、
- ΔＰは、上流の貯蔵タンクと下流のタンクとの間のラインにおけるヘッドロスであり、
- Ｐｌは、上記ラインにおける液体の圧力であり、
- ρは、貯蔵液の密度であり、
- ｇ＝９．８１ｍ／Ｓ２であり、
- ｈは、液体の有効高さである(the height of liquid available)。
深冷ポンプを用いた、上流の貯蔵タンクから下流のタンクに液体窒素を注入する通常の設備の部分的な概略図である。 本発明に係る急速注入設備の部分的な概略図である。
本発明の他の特徴及び利点は、添付された図面を参照した以下の記載からより明らかになるが、これは本発明を全く限定しない例示である。
- 図１は、深冷ポンプを用いた、上流の貯蔵タンクから下流のタンクに液体窒素を注入する通常の設備の部分的な概略図である。
- 図２は、本発明に係る急速注入設備の部分的な概略図である。
図１は、このような注入設備の通常の構造を示す。貯蔵タンクの脚部から取り出されて下流のタンクに移送される液体を加圧する加圧手段は、上記ライン上に存在する。この構成は、よく知られており、そのためここではこれ以上記載しない。
図２は、本発明に係る設備の一部を示す。この設備は、上記のような加圧手段を含まないが、その代わりに、制御装置を含む。この制御装置は、上流の貯蔵タンク内の気相の圧力を貯蔵タンク内の深冷液の温度に対応した平衡圧よりも高く維持し、上流の貯蔵タンクと下流のタンクとの間の圧力差を維持するように、上流の貯蔵タンク内の気相の圧力の計測値と、該貯蔵タンク内の平衡圧に対するこの計測値の位置に応じて、上流の貯蔵タンクの脚部における深冷流体の供給圧と、貯蔵された深冷液の温度とに対して自動的に作動する。
例えば、深冷流体の移送圧は、望まれる名目値(nominal desired value)、例えば液体窒素を用いた与えられる下流の仕様(application)に対して、相対圧が５バールに設定される。前記流体の温度は、与えられた条件のもとでの参照値に関連して(relative to)さらに制御され、例えば１．５バール（相対圧）の平衡圧に対応した−１８７℃に制御される。
もし、使用期間の後、設定値(set point value)に対する温度差が、許容されるヒステレシス(hysteresis)よりも大きい場合、関連したガス状雰囲気の圧力を下げるために、新しい圧力の設定値が制御装置に送られ、これにより、移送時のアイドル時間における貯蔵タンク内の流体が暖まることが制限される。このシステムは、急速移送設備の再使用運転に対して圧力設定をリセットする。制御装置は、このため、設備の全ての消費を最適化するように、圧力、温度、及び時間のデータをパラメータで制御可能である。
以下の実験結果の表は、より理解を深めるための、本発明に係るそれら条件の利点を示す。
この表は、種々の運転条件において、上流から下流に４１０リットルの液体窒素を移すためにかかった注入時間を示す。
- 上流から下流への圧力差は、１、２、または、３バールである。
- 組み合わされる液相の温度は、上流の貯蔵タンク内で、−１７７℃、−１８１、−１８７、または、−１９１℃に調整されている。
- 全てのケースで、「Ｐｓａｔ」の値は、考察された液体温度での窒素の平衡圧を示す。
設定された全ての運転条件で、この表は、得られた注入時間と平均流量とを示す。
このように、例えば、３バールの差（Ｐ上流＝５バール、Ｐ下流＝２バール）で、液体の温度が−１８７℃に調整されている場合、４１０リットルの下流のタンクは、１１０．８リットル／分の平均流量で、３．７分で満たされる。
Figure 2013527391
この表から以下の教示が推論できる。
- 列３と４（−１８１℃、−１７７℃）は、流量の大きな減少を示す（比較例）。
- 列１の実験は、本発明に基づくが、これらは、確かに可能であるが、より高価な実施を示すといえるかもしれない。
- 列２（−１８７℃、圧力差は２または３バール）の実験は、ここに提供される仕様及び設備向けに、性能と実施コストとの間のとてもよい折衷を示す。

Claims (4)

  1. 上流の貯蔵タンクから少なくとも一つの下流のタンクに深冷液を注入する方法であって、前記上流の貯蔵タンクは、大気圧よりも高い貯蔵圧のもとで、該貯蔵タンクの底部では液相で、該貯蔵タンクの上部では気相で、深冷流体を収容し、この上流の貯蔵タンクは、該貯蔵タンクの底部から取り出された液体を前記下流のタンクに供給するとともに、外部から流体が供給されるように設けられており、前記上流の貯蔵タンク内の気相の圧力を該貯蔵タンク内の平衡圧よりも高く設定することで、前記上流の貯蔵タンクと前記下流のタンクとの間で圧力差が設けられて維持されることを特徴とする方法。
  2. 前記上流の貯蔵タンク内の気相の圧力は、該上流の貯蔵タンクの脚部における該タンク内の深冷液の供給圧と、この貯蔵された深冷液の温度とに対する動作によって維持されることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
  3. 前記上流の貯蔵タンク内の気相の圧力の計測値と、該貯蔵タンク内の平衡圧に対する前記計測値の位置とに応じて、前記上流の貯蔵タンクの脚部における該タンク内の深冷液の供給圧と、前記貯蔵された深冷液の温度とを自動的に管理可能な制御装置が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の注入方法。
  4. 上流の貯蔵タンクから少なくとも一つの下流のタンクに深冷液を注入する設備であって、前記上流の貯蔵タンクは、大気圧よりも高い貯蔵圧のもとで、該貯蔵タンクの底部では液相で、該貯蔵タンクの上部では気相で、深冷流体を収容し、この上流の貯蔵タンクは、該貯蔵タンクの底部から取り出された液体を前記下流のタンクに供給するとともに、外部から流体が供給されるように設けられており、該設備は、前記上流の貯蔵タンク内の気相の圧力を該貯蔵タンク内の平衡圧よりも高く維持するように、前記上流の貯蔵タンク内の気相の圧力の計測値と、該貯蔵タンク内の平衡圧に対する前記計測値の位置とに応じて、前記上流の貯蔵タンクの脚部における該タンク内の深冷液の供給圧と、この貯蔵された深冷液の温度とを自動的に管理可能な制御装置を含むことを特徴とする設備。
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