Brevet FR2247667A1 — publié le 19750509

a présente invention est relative de façon générale à un procédé pour vaporiser et combiner un courant de fluide cryogénique liquéfié avec un courant gazeux. Les fluides cryogéniques existent a l'état liquide seulement a de très basses températures. Dans beaucoup d'applications ces fluides sont stockés à l'état liquide et lorsqu'@@ en a besoin les fluides sont vaporisés et combinés avec d'autres courants gazeux.Par exemple, les fluides cryogéniques tels que le gaz de pétrole liqiié (GPL) et le gaz naturel liquéfié (GNL) sont utilisés communement dans la fourniture et la distribution de gaz naturel pour mettre en oeuvre des procédés connues dans l'art sous l'appellation de "peak shavings. Ces procédés sont utilisés dans les zones od le gaz naturel n'est pas produit localement et en consequence doit etre -transporté par pipeline depuis les champs éloignés de production.Ces pipelines sont généralement conçus pour une capacité de gaz naturel inférieure a celle requise pendant les périodes de pointe dans la zone dtutilisation. En conséquence, pendant ces périodes, par exemple, des périodes de froid prolon gées, la demande en gaz naturel dépasse la capacité du pipeline. Quand cette condition existe, le GPL ou le GNL stocké est vaporisé, surchauffé et combiné avec le courant de gaz naturel pour accroître le volume total de gaz disponible pour l'utilisation. Un procédé dit de "peak shaving" actuellement utilisé par les compagnies de production et de distribution de gaz naturel consiste a utiliser le GNL. Le système de pipeline de gaz naturel pour transporter de façon continue du gaz naturel depuis des champs éloés de production vers la zone dutilisation est dimen sionné pour une capacité de gas située entre la demande minimale pendant les mois d'été et la demande pointe pendant les mois d'hiver. Un système de réfrigération est installé dans la zone d'utilisation et pendant les mois d'été le gaz naturel en excès transporté par le pipeline est réfrigéré, liquéfié et stocké. Pendant les mois d'hiver le gaz naturel liquéfié stocké est reva porisé, surchauffé et combiné avec le gaz naturel de façon que la demande maximale de gaz naturel soit satisfaite. Jusqu'à présent, divers types d'appareils de chauffage ont été utilisés pour préchauffer, vaporiser et surchauffer le SNL avant de le combiner avec le gaz transporté à travers le système de pipeline.Ces appareils de chauffage nécessitent généralement l'emploi de matériaux de construction spéciaux du fait des températures rencontrées.Par exemple, le GNL existe à l'état liquide à une température d'anviron -173 C, et en conséquence, l'acier inoxy dable ou 'aluminium doivent être utilisés dans les parties de l'appareil de chauffage exposées au GNL dans le but d'empêcher une défaillance de l'appareil gaz à une contrainte th@@@ique. Conformément à la présente invention on met en oeuvre un procédé pour combiner un courant de fluide cyrogénique liquéfié avec un courant gazeux comprenant les étapes consistant: à diviser le cour@@t gazeux en une première et une seconde parties; élever la pression de la première partie du courant gazeux d'une quantité suffisante pour a@@ner la première partie à traverser un circuit de chauffage et à se recombiner avec la seconde partie du courant gazeux; à chauffer la première partie du courant gazeux à l'intérieur du circuit de chauffage; à injecter le courant de fluide cryogénique liquéfié directement la première partie chauffée du courant gazeux à l'intérieur du circuit de chauffage de sorte que le fluide cryogénique liquéfié soit vaporisé et mélangé avec la première partie dudit courant gazeux; et à combiner le mélange résultant de la première partie du courant gazeux et du fluide cryogénique vaporisé avec la seconde partie du courant gazeux. Si on ne prévoit pas l'étape de compression le courant gazeux combiné résultant est obtanu a un niveau de pression inférieur an niveau de pression du courant gazeux avant sa combinaison avec le fluide cryogénique. C'est-à-dire, une chute générale dans le niveau de pression du courant gazeux serait constatée. Dans certaines applications, une réduction de la pression du courant gazeux constitue un désavantage du fait qu'une force supplémentaire en chevaux-vapeur du compresseur est nécessaire pour surmonter la réduction de pression avec corme conséquence un accroissement dans le coût de fonctionnement du système de pipeline. t1 invention apparaitra plus clairement encore de la descrip tion détaillée qui suit, donnée à titre d'exemple en se référant au dessin annexé dans lequel - La figure I est une vue schématique d'un système pour combiner un fluide cryogénique avec un courant gazeux utilisant le procédé de la présente invention, - la figure 2 est une vue schématique d'une variante de système et, - la figure 3 est une vue en élévation latérale ,partiellement en coupe de l'appareil de mise en contact utilisé dans les systèmes des figures 1 et 2. En se référant au dessin, et en particuli-er a la figure 1, un système 10 pour vaporiser un fluide cryogénique liquide et le combiner avec un courant gazeux est représenté sous forme schématique. Le système 10 comprend essentiellement un conduit 12 recevant et conduisant iii courant gazeux. Le conduit 12 peut etre le pipeline principal a travers lequel un courant gazeux est conduit vers un système de distribution ou une autre destination finale, ou le conduit 12 peut être un pipeline auxiliaire relié au pipeline principal et å travers lequel tout ou partie du courant gazeux peut être amené à passer pendant certaines périodes lorsqu'un courant de fluide cryogEnique liquéfié doit être vaporisé et combiné avec lui. Un conduit 14 est relié au conduit 12 et relié a un compresseur de gaz conventionnel ou soufflante 1@. La décharge du compresseur de gaz 16 est reliée par un conduit 18 au serpentin de chauffage 20 d'un dispositif de chauffage a gaz conventionnel 22. Le dispositif de chauffage 22 peut être tout dispositif de chauffage conventionnel de courant gazeux, mais de préférence c'est un dispositif de chauffage allumé au gaz du type décrit dans le brevet canadien n 633.992 du 2 janvier 1962. Un conduit 34 est relié a la décharge du serpentin de chauffage 20 du dispositif de chauffage 22 et a l'entrée d'un appareil de mise en contact 26.Comme indiqué ci-apres l'appareil de mise en contact 26 est d'un modeKle tel qu'un courant de fluide cryogénique liquéfié entrant dans l'appareil par un conduit 32 relié à lui est mélange et intimement mis en contact avec un courant gazeux chauffé entrait dans l'appareil 26 a travers le conduit 24. Le mélange résultant est retiré de l'appareil 26 à travers un conduit 30 relié à la sortie de l'appareil de mise en contact 26. Le conduit 30 est relié au conduit 12 en un point an aval du conduit 14. Pour plus de commodité, les conduits 14, 18, 24 et 30 et le comprêsseur 16, le dispositif de chauffage 22 et l'appareil de mise en contact 26 du systeme 10 sont désignés ici par "circuit de chauffage". Un réservoir de stockage conventionnel 34 de fluide cryogénique est réalisé, et un conduit 36 relie le réservoir de stockage 34 à une pompe 38 de fluide cryogénique liquéfié, qui peut être toute pompe conventionnelle convenable pour aspirer les fluides cryogEniques à~basse température. La décharge de la pompe 38 est relie au conduit 32 qui est à son tour relie à l'appareil de mise en contact 26 du circuit de chauffage du système 10. Lors du fonctionnement du systeme 10 représenté dans la figure 1, un courant gazeux auquel on combine du fluide cryogénique. vaporisé est introduit dans le conduit 12. Une partie du courant gazeux circule dans le circuit de chauffage du système 10 à travers son conduit 14. Le compress@ur 16 peut être tout compresseur ou soufflante à. gaz conventionnel qui aspire unvvolume prédétermine de gaz à travers le circuit de chauffage du système 10, et simultanément élève sa pression d'une quantite prXde- terminez. Spécifiquement, le compresseur 16 est d'un modèle et d'un type qui élève la pression du courant gazeux d'une quantité suffisante pour. l'amener à circuler à travers le circuit de chauffage du système 10.Par exemple, en supposant que le niveau de la pression du courant gazeux passant à travers le conduit 12 est .de.35 kg/cm2 et que la chute de pression d'un volume prédéterminé de gaz passant à travers le circuit de chauffage est de 0,7 kg/cm2, le compresseur 16 est conçu pour élever la pression dU volume de gaz à un niveau de 35,7 kg/cm2. Ainsi à ca * du compresseur 16 une partie du courant gazeux passant à travers. - le conduit 12 peut être amenée a circuler à travers le circuit de chauffage du système 10 sans avoir pour conséquence une réduction de pression dans le courant gazeux. Le réservoir de stockage 34 contient une cuve de fluide cryogénique liquéfié. Un courant de fluide cryogénique liquéfié est conduit.depuis le réservoir 34 par le conduit 36. vers la pompe 38. La décharge de la pompe 38 est dirigée par un conduit levers la connexion d'entrée du fluide crypgénique de l'appareil de mise en contact 26. La pompe de fluide cryogénique 38 est de conception telle que le niveau de pression du courant de fluide cryogénique liquéfié introduit dans le conduit 32 est élevé à un niveau tel qu'il est injecté dans l'appareil de mise en contact 26 a travers sa connexion d'entrée du fluide cryogénique.Un assemb-lage 40 de commande de circulation conventionnel est disposé dans le conduit 32 pour commander le flux du fluide cryogé@ique liquéfié passant dans appareil de mise en contact 26. La partie de courant gazeux traversant le circuit de chauffage du système 10 est chauffoepar le dispositif de chauffage 22 d'une quantité prédéterminée. Spécifiquement on transfère au courant gazeux une quantité de chaleur qui est égale a la quantité de chaleur nécessaire pour vaporiser le courant du fluide cryogénique liquéfie entrant dans l'appareil de mise en contact 26 et pour surchauffer le fluide vaporisé pour donner une température désirée au courant combiné Le courant gazeux chauffé traverse le conduit 24 dans l'appareil de mise en contact 26 où il vient intimement au contact du fluide cryogénique liquéfié qui y est injecté.Pendant qu'il est A l'intérieur de l'appareil de mise en contact 26, de la chaleur est transférée du courant gazeux chauffé au fluide cryogénique liquéfié l'amenant à se vaporiser et se melanger avec le courant gazeux. Le mélange passe alors de l'ap- pareil de mise en contact 26 dans le conduit 30.Le mélange est dirijX par le conduit t dans le conduit 12 où il est combiné avec la partie restante du courant gazeux d'entrée passant à travers On prévoit un dispositif de contrôle de la température conventionnel et un assemblage 42 de valve de commande de carburant qui détecte la température du mélange gazeux passant a travers le conduit 30 et a pour fonction de régler la quantité de carburant passant a travers un conduit-41 qui est connecté a un ou plusieurs brûleurs (non représentés) associés avec le dispositif de chauf fage 22. C' est-à-dire si la température du mélange gazeux passant a travers le conduit 34 est inférieure à une température désirée présélectionnée, du carburant supplémentaire est amené à entrer dans le brûleur de l'appareil de chauffage 22 qui a son tour amène plus de chaleur a entre -transférée dans le courant ga@eux passant a travers son serpentin de chauffage 20 et tice versa. Ainsi le débit de circulation du fluide cryogénique liquéfié se vaporisant et se combinant avec le courant gazeux peut être accru ou diminué à volonté et le dispositif de contrôle de la température 36 amène automatiquement la quantité de chaleur à transférer au courant gazeux à s'accroStre ou diminuer de façon proportionnelle. Un conduit 28 est réalisé grâce auquel le melange quittant l'appareil de mise en contact 26 pet être divisé en deux parties, une partie passant a travers le conduit 30 et l'autre partie passant a travers un conduit 28 pour être renvoyée vers le conduit 14, ce qui réduit ainsi la quantité de gaz soustraite du conduit 12 à travers le conduit 14. Le débit particulier de circulation du gaz introduit dans le circuit de chauffage du système 10 dépend de divers facteurs tels que le débit de circulation de fluide cryogénique liquéfié à vaporiser, la température de sortie tU courant combiné désiré, et les données éoenomiques optimales attachées au système Des calculs conventionnels peuvent être utilisés pour déterminer les débits de circulation optimaux, les températures et dimensions d1 appareils nécessaires. En se réféfant maintenant a la figure 2, on a représenté une variante de système 50 qui est semblable au système 10 repré senté dans la figure 1 et qui comprend un conduit 52 pour recevoir et diriger un courant gazeux auquel un courant de- fluide cryogénique liquéfié doit être combiné. Le système. 50 comprend en outre un circuit de chauffage constitué par un conduit 54 qui est relié à un conduit 52 ainsi -qu'à un compresseur ou soufflante 56. Le compresseur ou soufflante 56 est entraîné par une turbine à gaz conventionnelle 58. Un conduit 60 relie la décharge de la soufflante 56 a un serpentin 62 qui est disposé en relation d'échange thermique avec les gaz d'échappement émis dans la turbine à gaz 58.Un conduit 64 relie la sortie du serpentin 62 de l'échangeur de chaleur vers un serpentin 66 de chauffage disposé à l'intérieur d'un dispositif de chauffage à gaz 68. La décharge du serpentin de chauffage 66 du dispositif de chauffage 68 est reliée par un conduit 70 à un appareil de mise en contact 72. du même type et de même conception .que celui décrit ci-dessus. La connexion de décharge de l'appareil de mise en contact 72 est reliée à un conduit 74 qui est à son tour connecté au conduit 52 en un point se trouvant en aval du conduit 54. Un réservoir de stockage de fluide cryogénique -liquéfié 76 est relié a une pompe 78 de fluide cryogénique liquéfié par un conduit 80. La décharge de la pompe 78 est reliée à l'appareil de mise en contact 72 par un conduit 82. Un assemblage 84 de commande de circulation de fluide cryogénique liquéfié est prévu pour commander le débit de circulation du fluide crypgénique liquéfié vers l'appareil de mise en contact 72, et un dispositif de contrôle de la température ainsi qu'un assemblage 86 de valve de commande de carburant fonctionnent de la même manière que le dispositif de contrôle de la température dt l'assemblage de valve de carburant 42 décrits ci-dessus. Le système représenté dans la figure 2 fonctionne de la même manière que le système représenté dans la figure 1 et décrit cidessus sauf que la soufflante 56 est entrainée par une turbine à gaz 58. Une turbine a gaz produit un volume important de gaz 'échappement chauds qui sont normalement ventilés vers l'atmossphère Dans le système représenté dans la figure 2,. ces gaz d'échap- pement sont amenés a passer en relation d'échange thermique avec le courant gazeux traversant le circuit de chauffage du système 50 avant de faire passer le courant gazeux dans le serpentin de chauffage 66 du dispositif de chauffage 68. Ainsi le courant gazeux est préchauffé dans le serpentin 62. d'échange thermique et ensuite chauffé ultérieurement dans le serpentin 66 de chauffage du dispositif de chauffage 68. Lorsque l'énergie électrique n'est pas disponible ou lorsque d'autres facteurs econimiques dictent l'utilisation de gaz comme source d'énergie pour entrainer le compresseur 56, l'utilisation du système 50 est économiquement avantageuse. Dans les deux systèmes représentés, dans les figures 1 et 2 ci-dessus, une partie du mélange du courant gazeux et du fluide cryogénique. vaporisé provenant du circuit de chauffage peut être recyclée a travers le circuit de chauffage. C'est-à-dire, en se référant a la figure 1, un conduit 28 pen autre relié au conduit 30 et relié au conduit 14 en amont du compresseur 16. Cet agencement est particulièrement avantageux dans les applications où de grands volumes de fluides crypgéniques liquéfiés doivent être vaporisés et combinés avec un courant gazeux relativement petit. En se référant maintenant à la figure 3, on a représenté en détail un appareil de mise en contact 100. Comme on le comprendra, l'appareil de mise en contact 100 est identique Aux appareils de mise en contact 26 et 72 représentés dans les figuras 1 et 2 et décrits ci-dessus. Bien que divers types d'appareils de mise en contact puissent être utilisés on a maintenant trouvé qu'un appareil de mise en contact du type représenté dans la figure 3 est hautement efficace et de fabrication économique. L'appareil de mise en contact 100 comprend essentiellement un prOmier élément de conduit 102 possédant une connexion 104 d'entrée a bride conventionnelle à son extrémité avant 106.L'extrémité arrière 108 du conduit 102 comprend un assemblage conventionnel 112 a rondelle obturatrice soudé à elle a travers lequel passe un ajutage 110 d'entrée de fluide cryogénique liquéfié. L'ajutage 110 est constitué, d'une courte longueur de ty@au possédant une extré- mité 111 avant ouverte et une connexion a bride conventionnelle 113 à son extrémité arrière 115.L'ajutage 110 passe a travers l'organe a rondelle obturatrice de l'assemblage à bride 112 et est soudé de façon étanche à lui. Llajutage 110 de fluide cryogénique s'étend a l'intérieur du conduit 102 d'une courte distance et un second organe de conduit 116 est relié au conduit 102, la ligne centrale du conduit 116 étant disposée perpendiculairement à la ligne centrale du conduit 102. Une connexion à bride conventionnelle 118 est fixée à l'extrémité inférieure du conduit 116. Lors du fonctionnement de l'appareil de mise en contact 100, un courant gazeux chauffé passe à l'intérieur de l'appareil de mise en contact 100 à travers l'extrémité avant 106 de l'organe de conduit 102. Un courant de fluide cryogénique liquéfié à vaporiser et combiner avec le courant gazeux passe à travers l'aju- tage 110 et est pulvériséedepuis l'ajutage 110 à l'intérieur du conduit 50 à contre-courant par rapport a la direction du courant de gaz chauffé passant à travers lui. Le fluide crypgénique liquéfié est intimement mis en contact avec le courant de gaz chauffé à l'intérieur du conduit 102 provoquant le transfert de chaleur qui produit la vaporisation du fluide cryogénique. Le fluide cryogénique vaporisé passe à travers le conduit 116 et sort de l'appareil de mise en contact 100.Lorsque l'appareil de mise en contact 100 est constitué de matériaux résistant aux températures du fluide cryogénique, tels que l'acier inoxydable ou l'aluminium, sa taille relativement petite et sa conception simple en font un appareil plus écon@mique à fabriquer que les autres types d'appareils utilisés jusqu'ici. Ainsi.on obtient un procédé perfectionné pour. vaporiser et combiner un courant de fluide cryogénique liquéfié avec un courant gazeux qui peut être mis en oeuvre dans un appareil relativement simple et bon marché, et grâce auquel une diminution générale de la pression du courant gazeux ne se produit pas. Bien qutune soufflante ou un compresseur soit utilisé pour fournir la force d'entraînement pour amener une partie du courant gazeux à être introduite a travers le circuit de chauffante de la présente invention, les besoins en chevaux vapeur pour l'entraÎnement du compresseur ou de la soufflante sont négligeables en comparaison de ceux nécessai@es pour élever la pression de la totalité du courant gazeux auquel est ajouté le fluide crypgénique liquéfié. R E V E N û I-C A T I O N S 1. Procédé pour combiner un courant de fluide cryogénique liquéfié avec un courant gazeux, caractérisé par le fait que le courant gazeux est divisé en une première et une seconde parties, que la pression de la première partie est élevée d'une quantite suffisante pour l'amener a passer a travers. un circuit de chauffage et a se @@combiner avec la seconde partie, la première partie du courant gazeux étant chauffée à l'intérieur du circuit de chauffage, que le fluide cryogénique liquéfié est injecté directement dans la première partie chauffé a l'intérieur du circuit de chauffage de façon que le guide cryogénique liquéfié soit vaporisé et mélangé avec la première partie de courant gazeux, et que le mélange résultant, de la première partie et du fluide cryog@nique vaporisé, est combiné avec la seconde partie du courant gazeux. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le chauffage de la première partie du courant gazeux est commandé selon une fonction prédéterminée de la température du mélange de la première partie du courant gazeux et du fluide cryogenique. vaporisé. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le mélange de la première partie de courant gazeux et de fluide cryogénique vaporisé est divise en une première et une seconde parties dont la première partie Sa mélange est combinée .avec la première partie de courant gazeux et la seconde partie de mélange est recyclée à l'intérieur du circuit de chauffage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé par le fait que le courant g@@eux est du gaz naturel. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le fluide cryogénique liquéfié est du gaz naturel liquéfié. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé dentescaractérisé par le fait que la première partie du courant gazeux est partiellement chauffée par les gaz d'échappement d'une turbine à gaz utilisée pour entrainer un compresseur afin d'élever la pression de la première partie.