WO2011135210A1 - Procédé et installation de remplissage rapide d'un réservoir aval en liquide cryogénique à partir d'un stockage amont - Google Patents

Procédé et installation de remplissage rapide d'un réservoir aval en liquide cryogénique à partir d'un stockage amont Download PDF

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    • F17C2270/0171—Trucks

Definitions

  • the present invention relates to the field of filling processes in cryogenic liquid such as liquid nitrogen from a downstream reservoir, from an upstream storage.
  • El lé is particularly interested in methods allowing fast filling.
  • Such filling operations can be found, for example, for filling tanks in trucks used for transporting and dispensing heat-sensitive products, such as pharmaceuticals and food products.
  • the cryogenic fluid for example liquid nitrogen
  • a high-capacity upstream storage connected to equipment consuming this fluid downstream such as the tank of a truck, the upstream storage containing under a pressure of storage above atmospheric pressure, the cryogenic fluid in the liquid phase at the bottom of the tank and in the gaseous phase at the top of the tank, this storage being adapted to supply the downstream consumer equipment with liquid which is withdrawn at the bottom of the storage and on the other hand to be supplied from the outside with fluid.
  • cryogenic pump In order to proceed with the rapid transfer of the fluid between this upstream storage and such a downstream point, for example a reservoir to be filled, a cryogenic pump is commonly used to increase the upstream pressure during transfer to the cryogenic reservoir situated downstream (FIG. after annexed).
  • a cryogenic pump may present disadvantages in terms of cost, maintenance obligations, and specific operational constraints such as cold setting before use.
  • a cryogenic pump indeed comprises rotating parts that require specific maintenance.
  • One of the objectives of the present invention is then to propose a new rapid filling approach, making it possible to provide a solution to the technical problems identified above.
  • the present invention proposes a novel filling method whose essential characteristics can be summarized as follows:
  • the upstream storage is used directly, without the intervention of additional capacity; a pressure difference is set up between the upstream storage and the downstream point, by establishing at the level of this upstream storage an "overpressure", namely by pressurizing it at a pressure greater than the equilibrium pressure corresponding to the temperature cryogenic fluid storage, and maintaining by means of control / regulation such a higher pressure, which will allow to transfer the liquid undercooled relative to its transfer pressure and thus to perform fills with more flow rates important, by limiting the losses by vaporization during the transfer related to the pressure drops of the installation and to the thermal inputs (the time of rise in temperature of the liquid being sufficiently long by rep orport to its time of storage in the storage upstream between two refills);
  • control device capable of automatically managing the supply pressure cryogenic liquid upstream tank storage (liquid phase), and the temperature of the cryogenic liquid stored, to maintain the gas phase of the upstream storage at such a pressure greater than the equilibrium storage pressure.
  • the present invention thus relates to a cryogenic liquid filling process of at least one downstream reservoir, from an upstream storage, upstream storage which contains, under a storage pressure greater than atmospheric pressure, the cryogenic fluid in the liquid phase at the bottom of the storage and in the gaseous phase at the top of the storage, said upstream storage being adapted to supply the downstream reservoir with liquid withdrawn from the bottom of the storage, as well as to be supplied from the outside with fluid, characterized in that a pressure difference is set up and maintained between the upstream storage and the downstream reservoir, establishing at the level of the gas phase of the upstream storage a pressure greater than the equilibrium pressure of the storage.
  • a pressure level equal to: is set up and maintained at the level of the upstream storage gas phase;
  • - Pg is the pressure maintained in the gas sky of the storage
  • p is the density of the stored liquid
  • Figure 1 is a partial schematic view of a conventional installation for filling a downstream liquid nitrogen tank from an upstream storage, implementing a cryogenic pump;
  • Figure 2 is a partial schematic view of a fast filling installation according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates an installation according to the invention, which does not comprise such a pressurizing means, but which on the other hand comprises a control device, able to act automatically on the cryogenic liquid supply pressure of the upstream storage tank and on the temperature of the stored cryogenic liquid, in response to a measurement of the pressure of the gas phase of the reactor.
  • the transfer pressure of the cryogenic fluid is adjusted to the desired nominal value, for example 5 bar relative to a given application of downstream liquid nitrogen, the temperature of the fluid is moreover controlled with respect to a value of reference under given conditions, for example -187 ° C which corresponds to an equilibrium pressure of 1.5 bar relative. If after a period of use, the temperature deviation from the setpoint is greater than the set hysteresis, a new pressure setpoint is inserted in the controller to reduce the associated gas sky pressure and therefore to limit the heating of the fluid in the storage during non-operational periods of transfers. The system resumes operating pressure in anticipation of operational reuse of the rapid transfer facility.
  • the control device thus allows parametrizable management of the pressure, temperature and time data in order to optimize the overall consumption of the installation.
  • This table indicates filling times obtained for 410 liters of liquid nitrogen transferred from upstream to downstream, for different operating conditions:
  • the table For each operating condition, the table provides the filling time as well as the average flow rate implemented.

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Abstract

L'invention concerne un procédé et une installation de remplissage en liquide cryogénique d'au moins un réservoir aval, à partir d'un stockage amont, stockage amont qui contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ledit stockage amont étant adapté pour alimenter le réservoir aval en liquide soutiré à partir du fond du stockage, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, se caractérisant en ce que l'on met en place et l'on maintient une différence de pression entre le stockage amont et le réservoir aval, en établissant au niveau de la phase gaz du stockage amont une pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage.

Description

Procédé et installation de remplissage rapide d'un réservoir aval en liquide cryogénique à partir d'un stockage amont
La présente invention concerne le domaine des procédés de remplissage en liquide cryogénique tel l'azote liquide d'un réservoir aval, à partir d'un stockage amont.
El l e s'intéresse plus particulièrement aux méthodes permettant un remplissage rapide.
On trouve de telles opérations de remplissage par exemple pour le remplissage de réservoirs présents dans des camions utilisés pour le transport et la distribution de produits thermosensibles, tels les produits pharmaceutiques et les produits alimentaires.
De façon traditionnelle, le fluide cryogénique, par exemple l'azote liquide est disponible dans un stockage amont de grande capacité, raccordé à u n équipement consommateur de ce fluide en aval tel le réservoir d'un camion, le stockage amont contenant sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du réservoir et en phase gazeuse au sommet du réservoir, ce stockage étant adapté pour d'une part alimenter l'équipement consommateur aval en liquide qui est soutiré au fond du stockage, et d'autre part pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide.
On utilise le plus couramment des stockages dits « à basse pression de stockage », c'est-à-dire dont la pression maximale atteinte au sommet du réservoir est en général inférieure à environ 4 bars absolus, classiquement 1 ,5 bar relatif de pression au sommet du stockage.
Pour procéder au transfert rapide du fluide entre ce stockage amont et un tel point aval, par exemple un réservoir à remplir, on utilise couramment une pompe cryogénique, pour augmenter la pression amont lors du transfert vers le réservoir cryogénique situé en aval (figure 1 ci-après annexée). Mais on sait que l'utilisation de telles pompes cryogéniques peut présenter des inconvénients en termes de coût, d'obligations de maintenance, et de contraintes opérationnelles spécifiques telles que la mise en froid avant utilisation. Une pompe cryogénique comprend en effet des pièces tournantes qui nécessitent un entretien spécifique.
Une autre solution a été proposée qui consiste à utiliser une capacité intermédiaire de transfert qui sera pressurisée avant le remplissage final vers le réservoir aval. Cette solution implique l'utilisation d'un réservoir additionnel, d'où une contrainte d'encombrement et un mode de fonctionnement qui va fortement dépendre du procédé en aval (mise en pression avant utilisation et gestion du remplissage lorsqu'il est vide....).
Une autre solution a été proposée qui consiste à maintenir le stockage cryogénique en amont à la pression d'utilisation lors du transfert mais on sait q u 'a lors , d u fa it des caractéristiques de comportement des fluides cryogéniques, dans ces conditions le fluide tendra à se diriger vers la température d 'équilibre à la pression du stockage, ce qui donnera lieu à la création de diphasique lors du transfert donc à une réduction du débit lié à la présence du gaz dans l'écoulement (à titre illustratif, 1 % de diphasique massique en azote = ratio masse gaz/masse totale équivaut à un taux de vide de 50% i. e. la section occupée par le gaz / section totale).
Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une nouvelle approche de remplissage rapide, permettant d'apporter une solution aux problèmes techniques identifiés ci-dessus.
Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose une nouvelle méthode de remplissage dont les caractéristiques essentielles peuvent être résumées ainsi :
- on utilise le stockage amont directement, sans intervention d'une capacité additionnelle ; - on met en place une différence de pression entre le stockage amont et le point aval, en établissant au niveau de ce stockage amont une « surpression », à savoir en le pressurisant à une pression supérieure à la pression d'équilibre correspondante à la température du fluide cryogénique du stockage, et en maintenant par des moyens de contrôle/régulation une telle pression supérieure, ce qui va permettre de transférer du liquide sous-refroidi par rapport à sa pression de transfert et donc d'effectuer des remplissages avec des débits plus importants, en limitant les pertes par vaporisation lors du transfert liées aux pertes de charge de l'installation et aux entrées thermiques (le temps de remontée en température du liquide étant suffisamment long par ra pport à son tem ps d e séjou r d a ns l e stockag e amont entre deux remplissages) ;
- pour cela, selon un mode préféré de mise en œuvre de l'invention, on met en place sur le stockage amont ou on associe au stockage amont un dispositif de contrôle, apte à gérer de façon automatisée la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve (phase liquide), et la température du liquide cryogénique stocké, pour maintenir la phase gaz de ce stockage amont à une telle pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage.
La présente invention concerne alors un procédé de remplissage en liquide cryogénique d'au moins un réservoir aval, à partir d'un stockage amont, stockage amont qui contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du stockage et en phase gazeuse au sommet du stockage, ledit stockage amont étant adapté pour alimenter le réservoir aval en liquide soutiré à partir du fond du stockage, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, se caractérisant en ce que l'on met en place et l'on maintient une différence de pression entre le stockage amont et le réservoir aval, en établissant au niveau de la phase gaz du stockage amont une pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage. Selon un des modes de mise en œuvre de l'invention, on met en place et l'on maintient au niveau de la phase gaz du stockage amont un niveau de pression égal à :
Pg = ΔΡ+Ρ, - p g h»
où :
- Pg est la pression maintenue dans le ciel gazeux du stockage ;
- ΔΡ est la perte de charge dans la ligne entre stockage amont et réservoir aval ;
- Pi est la pression du liquide dans la ligne ;
- p est la masse volumique du liquide stocké;
- g =9,81 m/s2 ;
- et h est la hauteur de liquide disponible.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés pour lesquels :
la figure 1 est une vue schématique partielle d'une installation traditionnelle de remplissage d'un réservoir aval en azote liquide à partir d'un stockage amont, mettant en œuvre une pompe cryogénique ;
la figure 2 est une vue schématique partielle d'une installation de remplissage rapide conforme à l'invention.
On reconnaît sur la figure 1 la structure traditionnelle d'une telle installation de remplissage, avec présence sur la ligne d 'un moyen de pressurisation du liquide extrait du stockage en pied de cuve et transporté vers le réservoir aval, structure bien connue et qui en conséquence ne sera pas décrite ici plus avant. La figure 2 illustre quant à elle une installation conforme à l'invention, qui ne comporte pas une tel moyen de pressurisation, mais qui en revanche comporte un dispositif de contrôle, apte à agir de façon automatisée sur la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve et sur la température du liquide cryogénique stocké, en réponse à une mesure de la pression de la phase gaz du stockage amont et de la position de cette mesure par rapport à la pression d'équilibre du stockage, pour maintenir une différence de pression entre le stockage amont et le réservoir aval, en maintenant cette pression de la phase gaz à un niveau supérieur à la pression d'équilibre du stockage correspondante à la température du fluide cryogénique du stockage.
A titre d'exemple, la pression de transfert du fluide cryogénique est ajustée à la valeur nominale souhaitée, par exemple 5 bar relatif pour une application donnée en azote liquide en aval, la température du fluide est par ailleurs contrôlée par rapport à une valeur de référence dans des conditions données, par exemple -187°C qui correspond à une pression d'équilibre de 1 ,5 bar relatif. Si après une période d'utilisation, l'écart de température par rapport à la valeur de consigne est supérieur à l'hystérésis paramétrée, une nouvelle consigne de pression est insérée dans le contrôleur afin de réduire la pression de ciel gazeux associée et par conséquent de limiter le réchauffement du fluide dans le stockage lors des périodes non-opérationnelles des transferts. Le système se remet à la pression d'utilisation en prévision d'une réutilisation opérationnelle de l'installation de transfert rapide. Le dispositif de contrôle permet ainsi une gestion paramétrable des données de pression, température et heure afin d'optimiser les consommations globales de l'installation.
Le tableau de résultats d'expérimentations ci-dessous permet de mieux visualiser les avantages de telles conditions conformes à l'invention.
Ce tableau indique des temps de remplissage obtenus pour 410 litres d'azote liquide transférés de l'amont à l'aval, pour différentes conditions opératoires :
- des deltas de pression entre l'amont et l'aval de 1 , 2 ou 3 bar ; - en combinaison avec des températures régulées de la phase liquide du stockage amont de -177°C, -181 , -187 ou -191 °C ;
- dans chaque cas, la valeur « Psat » représente la pression d'équilibre de l'azote à la température de liquide considérée.
Pour chaque condition opératoire, le tableau fournit le temps de remplissage ainsi que le débit moyen mis en œuvre.
Ainsi à titre d'exemple pour un delta de 3 bar (Pamont = 5 bar et Pavai = 2 bars) avec une température du liquide régulée à -187°C, on remplit en 3,7 minutes les 410 litres d'un réservoir aval, avec un débit moyen de 1 10,8 l/min.
Figure imgf000008_0001
Tableau 1 On peut déduire de ce tableau les enseignements suivants :
- les colonnes 3 et 4 (-181 °C, -177°C) démontrent effectivement une dégradation du débit (exemples comparatifs) ; - les essais de la colonne 1 sont conformes à l'invention, mais l'on peut avancer qu'ils représentent une mise en œuvre certes possible mais plus coûteuse ;
- les essais de la colonne 2 (-187 °C, delta de pression de 2 ou 3 bar) représentent un très bon compromis, de performances, et de coût de mise en œuvre pour l'application et l'installation alimentée ici.

Claims

Revendications
1. Procédé de remplissage en liquide cryogénique d'au moins un réservoir aval, à partir d'un stockage amont, stockage amont qui contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du stockage et en phase gazeuse au sommet du stockage, ledit stockage amont étant adapté pour alimenter le réservoir aval en liquide soutiré à partir du fond du stockage, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, se caractérisant en ce que l'on met en place et l'on maintient une différence de pression entre le stockage amont et le réservoir aval, en établissant au niveau de la phase gaz du stockage amont une pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage.
2. Procédé de remplissage selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on maintient la pression de la phase gaz du stockage amont en agissant sur la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve et sur la température du liquide cryogénique stocké.
3. Procédé de remplissage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on dispose d'un dispositif de contrôle, apte à gérer de façon automatisée la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve et la température du liquide cryogénique stocké, en réponse à une mesure de la pression de la phase gaz du stockage amont et de la position de cette mesure par rapport à la pression d'équilibre du stockage.
4. Installation de remplissage en liquide cryogénique d'au moins un réservoir aval, à partir d'un stockage amont, stockage amont qui contient, sous une pression de stockage supérieure à la pression atmosphérique, le fluide cryogénique en phase liquide au fond du stockage et en phase gazeuse au sommet du stockage, ledit stockage amont étant adapté pour alimenter le réservoir aval en liquide soutiré au fond du stockage, ainsi que pour être approvisionné depuis l'extérieur en fluide, se caractérisant en ce qu'elle comprend un dispositif de contrôle, apte à gérer de façon automatisée la pression d'alimentation en liquide cryogénique du stockage amont en pied de cuve et la température du liquide cryogénique stocké, en réponse à une mesure de la pression de la phase gaz du stockage amont et de la position de cette mesure par rapport à la pression d'équilibre du stockage, afin de maintenir au niveau de la phase gaz du stockage amont une pression supérieure à la pression d'équilibre du stockage.
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