MXPA99001217A - Sistema de llenado de cilindros usando fluido criogenico - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para llenar un cilindro con gas que comprende:(A) bombear un líquido criogénico a una presión elevada dentro del rango de desde 70 kg/cm2 absoluto a 700 kg/cm2 absoluto (1000 a 10000 psia) para producir líquido criogénico a presión elevada;(B) vaporizar una primera porción del líquido criogénico de presión elevada para producir un gas a presión elevada;(C) mezclar una segunda porción del líquido criogénico de presión elevada con el gas a presión elevada, y vaporizar la segunda porción del líquido criogénico a presión elevada mediante intercambio directo de calor con el gas a presión elevada para producir gas a presión elevada a temperatura controlada;y (D) pasar el gas a presión elevada a temperatura controlada a un cilindro.

Description

SISTEMA DE LLENADO DE CILINDROS USANDO FLUIDO CRIOGÉNICO Campo Técnico Esta invención se refiere generalmente al llenado de cilindros y, más particularmente, al uso de fluido criogénico para llenar cilindros con gas a alta presión. Arte Antecedente Los cilindros llenados con gas se emplean en una gran cantidad de usos. Por ejemplo, cilindros llenos con oxígeno se usan para dispensar oxígeno para uso médico a pacientes. Cilindros llenos con argón se usan para dispensar argón para una operación de soldadura para propósitos de protección de gases. Cilindros llenos con nitrógeno se usan en muchas aplicaciones para dispensar nitrógeno para propósitos inertes. Cilindros llenos con helio se usan para dispensar helio a estructuras inflables para propósitos de levantamiento. Cilindros llenos con hidrógeno o un hidrocarburo se usan para dispensar tales gases para combustión. Cilindros llenos con dióxido de carbono se usan para dispensar dióxido de carbono para carbonatación de bebidas. Mezclas de gases son usadas también ampliamente para ser dispensados desde cilindros. Los cilindros son típicamente de tamaño relativamente pequeño, usualmente dentro del rango de 284 a 56,745 cm en volumen de agua, para que puedan ser fácilmente transportados desde una estación de llenado al punto de uso. Generalmente, los cilindros se llenan con gas en una estación de llenado centralizada y transportada desde la estación de llenado al punto de uso. Los cilindros se llenan con un gas bajo una alta presión, excediendo típicamente de 140 kg/cm2 abs, para que la cantidad o masa de gas envasado en el cilindro sea la máxima. En el llenado de cilindros, conforme fluye el gas desde un recipiente de almacenamiento al cilindro y la presión dentro del cilindro se incrementa, debido al volumen fijo del cilindro, la temperatura del gas dentro del cilindro aumenta siguiendo la relación de la ley de los gases ideales. Es importante que la temperatura del gas dentro del cilindro no exceda significativamente la temperatura, ambiente. Si se excede la temperatura ambiente, entonces se puede poner menos gas dentro de cualquier cilindro dado a cualquier presión dada y, conforme el contenido gaseoso del cilindro se estabiliza a la temperatura ambiente, el cilindro queda solamente parcialmente lleno y es entregado de la estación de llenado al punto de uso con significativamente menos gas del que podría de otra forma haber sido entregado. Con el fin de evitar este problema de temperatura elevada del gas dentro del cilindro a medida que el cilindro está siendo llenado con gas presurizado, los llenadores de cilindros llenan los cilindros a un régimen lento, típicamente alrededor de 7 kg/cm2 por minuto, de tal manera que el incremento de calor causado por la presión en aumento dentro del cilindro iguala más o menos el régimen de disipación de calor de las paredes del cilindro al medio ambiente. De esta manera la temperatura del contenido del cilindro no excede significativamente a la temperatura ambiente. Este procedimiento trata efectivamente el problema del llenado parcial de cilindros, pero consume tiempo y por lo tanto costoso e ineficiente. Consiguientemente es un objetivo de esta invención proveer un sistema de llenado de cilindros que permitirá el llenado de cilindros con gas a una presión elevada a un régimen significativamente mayor que ese hasta ahora posible sin encontrar un problema de acumulación de calor que eleve la temperatura del contenido gaseoso del cilindro significativamente sobre la temperatura ambiente. Breve Descripción de la Invención El anterior y otros objetivos, los cuales se harán aparentes a aquellos expertos en el arte mediante una lectura de esta descripción, son alcanzados por la presente invención, un aspecto de la cual es: Un método para llenar un cilindro con gas que comprende: (A) bombear un líquido criogénico a una presión elevada para producir líquido criogénico a presión elevada; (B) vaporizar una primera porción del líquido criogénico a presión elevada para producir gas a presión elevada; (C) mezclar una segunda porción del líquido criogénico a presión elevada con el gas a presión elevada, y vaporizar la segunda porción del líquido criogénico a presión elevada mediante intercambio directo de calor con el gas a presión elevada para producir gas a presión elevada a temperatura controlada; y (D) pasar gas a presión elevada a temperatura controlada al interior del cilindro. Otro aspecto de la invención es: Un aparato para llenar un cilindro con gas que comprende: (A) un tanque de almacenamiento de líquido criogénico, una bomba para líquidos, y medios para pasar líquido criogénico del tanque de almacenamiento de líquido criogénico a la bomba para líquidos; (B) un vaporizador, medios de admisión para pasar líquido criogénico de la bomba para líquidos al vaporizador, y medios de salida para pasar gas hacia fuera desde al vaporizador; (C) una válvula de derivación, un primer pasaje que comunica entre los medios de admisión y la válvula de derivación, y un segundo pasaje que comunica entre la válvula de derivación y los medios de salida; y (D) un cilindro y medios para pasar gas desde los medios de salida al cilindro. Como se usa en la presente, el término "líquido criogénico" significa un fluido que tiene una temperatura de o por debajo de -40°C.

Como se usa en la presente, el término "intercambio directo de calor" significa llevar dos líquidos a una relación de intercambio de calor con contacto o intermezclar los líquidos entre ellos. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La única Figura es una representación esquemática de una modalidad particularmente preferida de la invención en donde en la estación de llenado se llenan simultáneamente una pluralidad de cilindros a través de un múltiple. Descripción Detallada La invención será descrita en detalle con referencia al dibujo. Haciendo referencia ahora a la Figura, el tanque 1 de almacenamiento de líquido criogénico contiene el líquido criogénico 20. Entre los líquidos criogénicos que pueden 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 estos. Cuando se desea el llenado de cilindros uno o más cilindros 21 se conectan mediante la línea o líneas de carga 22 a la reja o múltiple 4 de carga. La modalidad de la invención ilustrada en la Figura muestra cuatro de tales cilindros 21 conectados al múltiple 4 listos para llenarse. Hay ilustrado también un segundo conjunto de cuatro cilindros para cargarse. En la práctica real, mientras el primer conjunto está siendo cargado el segundo conjunto está siendo conectado y evacuado por la bomba 5.

Después que se ha llenado el primer conjunto de cilindros, el flujo de gas a estos cilindros se detiene cerrando las válvulas apropiadas, y el flujo de gas al segundo conjunto de cilindros se inicia abriendo las válvulas apropiadas. Mientras el segundo conjunto de cilindros está siendo llenado, los cilindros llenos del primer conjunto se desconectan y alistan para embarque al punto de uso, y se conectan cilindros vacíos al múltiple para cargarlos después que se ha completado la carga del segundo conjunto de cilindros. El procedimiento se repite hasta que todo el número deseado de cilindros se ha llenado. La Figura ilustra cuatro cilindros conectados al múltiple en cada conjunto. Desde uno hasta varios cientos de cilindros pueden ser llenados simultáneamente en un arreglo de múltiple en la práctica de esta invención. La Figura ilustra también el uso de una válvula 10 en una de las líneas 22 de carga la cual se usa para desviar gas por medio del conducto 23 al analizador 1 1 que comprueba la pureza del gas que está siendo cargado en el (los) cilindro(s). El líquido criogénico se saca del tanque 1 de almacenamiento de líquido criogénico por la línea 24 a través de la válvula 25 mediante la bomba 2 para líquido criogénico la cual bombea el líquido criogénico a una presión elevada, generalmente dentro del rango de 70 a 700 kg/cm2 absolutos. El líquido criogénico 26 a presión elevada expulsado de la bomba 2 para líquido criogénico se divide en una primera porción 27 y una segunda porción 28. La primera porción 27 consiste de por lo menos 60 por ciento de líquido criogénico 26 a presión elevada y la segunda porción 28 consiste de hasta 40 por ciento de líquido criogénico 26 a presión elevada. El vaporizador 3 tiene una entrada que comunica con la bomba 2 para líquido criogénico por donde el líquido criogénico se pasa de la bomba 2 para líquido criogénico al vaporizador 3, y tiene una salida por donde se pasa gas hacia fuera del vaporizador 3. Cualquier vaporizador adecuado, tal como un vaporizador calentado eléctricamente o calentado por vapor, puede ser usado en la práctica de esta invención. Un vaporizador preferido es el vaporizador atmosférico descrito y reivindicado en la Patente de E.U.A., No. 4,399,660 - Vogler et al. Dentro del vaporizador 3, la primera porción 27 del líquido criogénico a presión elevada es vaporizada para producir el gas 29 a presión elevada el cual es retirado del vaporizador 3 dentro de la salida.

La segunda porción 28 del líquido criogénico a presión elevada pasa el vaporizador 3 por una derivación. La válvula 6 de derivación tiene un primer pasaje que comunica con la entrada del vaporizador por donde es pasada la segunda porción 28 a la válvula 6 de derivación, y tiene un segundo pasaje por donde la segunda porción del líquido criogénico en la corriente 30 pasa de la válvula 6 de derivación a la salida del vaporizador para mezclarse con el gas a presión elevada. Calor del gas a presión elevada vaporiza por intercambio directo de calor la segunda porción del líquido criogénico a presión elevada produciendo así gas 31 a presión elevada a temperatura controlada el cual está a una temperatura deseada para llenar rápidamente el (los) cilindro(s) 21 . La temperatura del gas 31 a presión elevada a temperatura controlada está preferiblemente dentro del rango de -40°C a -68°C. La temperatura del gas a presión elevada a temperatura controlada es mantenida dentro del rango deseado manipulando la válvula 6 de derivación para que esté en una posición más abierta o más cerrada variando así la porción del líquido criogénico 26 a presión elevada que forma la segunda porción 28. El gas 31 a presión elevada a temperatura controlada es pasado entonces al (los) cilindro(s) 21. Debido a la baja temperatura controlada del gas que está siendo pasado al (los) cilindro(s) 21 , el gas puede ser pasado a los cilindros a un régimen muy alto, generalmente dentro del rango de 14 a 35 kg/cm por minuto, lo cual es dos o más veces más rápido de lo que es posible con prácticas convencionales sin encontrar temperaturas superambientales dentro del (los) cilindro(s). Típicamente la presión final del contenido gaseoso del (los) cilindro(s) 21 lleno(s) está dentro del rango de 70 a 700 kg/cm2 abs., y la temperatura está en el rango de 15°C a 32°C, v.g. aproximadamente la temperatura ambiente. Así, el llenado de cilindros toma sólo aproximadamente tanto como la mitad con la práctica de la invención que con la práctica convencional. Cuando el (los) cilindro(s) están llenos, se desconectan del arreglo de múltiple y se alistan para embarque al punto de uso como fue descrito previamente. El sistema de llenado de cilindros de esta invención permite un mejoramiento adicional para asegurar la exactitud de llenado del cilindro. En la práctica convencional un cilindro de control se llena simultáneamente con los otros cilindros y la temperatura y presión de los contenidos del cilindro de control son comprobados. Cuando la temperatura y la presión de los contenidos del cilindro de control indican que el cilindro de control está apropiadamente lleno, el flujo de gas a todos los cilindros se cierra ya que esto indica que todos los cilindros están llenos. Mientras que la comprobación de temperatura y presión proporciona una exactitud razonable, la temperatura y presión son indicadores secundarios de contenidos de cilindro. Un indicador primario, y por lo tanto un parámetro potencialmente más exacto para la comprobación del contenido de cilindros, es la masa del contenido del cilindro. El sistema de llenado de cilindros de esta invención usa tal sistema de comprobación de masa el cual es ilustrado en el Dibujo. Volviendo ahora a la Figura se muestra el cilindro de control 7 descansando en la balanza 8. Para asegurar que la temperatura inicial del cilindro de control 7 es la misma a la del (los) cilindro(s) 21 de producto al final del ciclo de llenado, está instalado un cambiador de calor ajustado 9 el cual calienta el gas que está pasando al cilindro de control 9 para evacuación después del ciclo previo. En operación, conforme el gas a presión elevada a temperatura controlada está siendo pasado a los cilindros 21 de producto desde el múltiple 4, también está pasando al cilindro de control 7 a través de las válvulas 32 y 33. El llenado de los cilindros 21 es automático y controlado por un sistema 12 de computadora y controlador programable. El peso registrado por la balanza 8 es comprobado por el sistema 12 por medio de una línea 34 de conexión eléctrica y cuando esta lectura indica que el cilindro de control 7 está completamente lleno con gas, el sistema 12 da una señal a la válvula 35 de admisión para que el primer conjunto se cierre y se abra la válvula 37 de salida al segundo conjunto para empezar el siguiente ciclo de llenado. Ahora mediante el uso del sistema de llenado de cilindros con fluido criogénico de esta invención en donde gas presurizado para el llenado de cilindros es producido en un paso que controla simultáneamente la temperatura del gas que sea a una temperatura definida muy baja antes de que el gas sea cargado en el (los) cilindro(s) de producto, la operación de cargado de cilindros puede proceder a un paso mucho más rápido que lo que hasta ahora fue posible, incrementando la eficiencia y reduciendo costos del procedimiento de llenado de cilindros. Aunque la invención ha sido descrita en detalle con referencia a cierta modalidad preferida, aquellos expertos en el arte reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1. Un método para llenar un cilindro con gas que comprende: (A) bombear un líquido criogénico a una presión elevada para producir líquido criogénico a presión elevada; (B) vaporizar una primera porción del líquido criogénico de presión elevada para producir gas a presión elevada; (C) mezclar una segunda porción del líquido criogénico de presión elevada con el gas a presión elevada, y vaporizar la segunda porción del líquido criogénico de presión elevada mediante intercambio directo de calor con el gas a presión elevada para producir gas a presión elevada a temperatura controlada; y (D) pasar el gas a presión elevada a temperatura controlada a un cilindro.
2. 2. El método de la reivindicación 1 en donde la primera porción comprende desde por lo menos 60 por ciento y la segunda porción comprende hasta 40 por ciento del líquido criogénico a presión elevada.
3. 3. El método de la reivindicación 1 en donde la temperatura del gas a presión elevada a temperatura controlada está dentro del rango de -40°C a -68°C.
4. 4. El método de la reivindicación 1 en donde el gas a presión elevada a temperatura controlada se pasa simultáneamente a una pluralidad de cilindros.
5. 5. El método de la reivindicación 1 en donde el gas a presión elevada a temperatura controlada se pasa al cilindro a un régimen de carga dentro del rango de 14 a 35 kg/cm por minuto.
6. 6. El método de la reivindicación 1 en donde el líquido criogénico comprende uno o más de oxígeno, nitrógeno, argón, helio, hidrógeno, metano y dióxido de carbono.
7. 7. Un aparato para llenar un cilindro con gas que comprende: (A) un tanque de almacenamiento de líquido criogénico, una bomba para líquidos, y medios para pasar líquido criogénico del tanque de almacenamiento de líquido criogénico a la bomba para líquidos; (B) un vaporizador, medios de admisión para pasar líquido criogénico de la bomba para líquidos al vaporizador, y medios de salida para sacar gas del vaporizador; (C) una válvula de derivación, un primer pasaje que comunica entre los medios de admisión y la válvula de derivación, y un segundo pasaje que comunica entre la válvula de derivación y los medios de salida; y (D) un cilindro y medios para pasar gas de los medios de salida al cilindro.
8. 8. El aparato de la reivindicación 7 en donde los medios para pasar gas desde los medios de salida comprenden un múltiple que permite al gas pasar de los medios de salida a una pluralidad de cilindros simultáneamente.
9. 9. El aparato de la reivindicación 8 que comprende además un cilindro de control en una balanza, medios para pasar gas desde el múltiple al cilindro de control, un cambiador de calor ajustado en comunicación de fluido con el cilindro de control, y un sistema controlador programable de computadora en comunicación electrónica con la balanza.
10. 10. El aparato de la reivindicación 8 que comprende además un analizador de gases y medios para pasar gas del múltiple al analizador de gases.