Резервуар для хранения криогенной жидкости
Изобретения относятся к области транспортного машиностроения, а именно к резервуарам для хранения криогенной жидкости и способам конденсации пара. Резервуар для хранения криогенной жидкости имеет нижнюю часть для хранения криогенной жидкости и паровое пространство, образованное с его верхней стороны. Резервуар содержит конденсатор для конденсации образованного пара непосредственным теплообменом с криогенной жидкостью, подаваемой в резервуар. Конденсатор содержит плотно расположенную контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью. Насадка содержит верхнюю часть и нижнюю часть. Верхняя часть открыта в паровое пространство, обеспечивая приток образованного пара в насадку, а нижняя часть обеспечивает прохождение потока текучей среды в нижнюю часть резервуара. Резервуар содержит источник подачи криогенной жидкости, который является независимым от резервуара, впускное отверстие для подачи криогенной жидкости в верхнюю часть плотно расположенной контактной насадки и выпускное отверстие для удаления криогенной жидкости из нижней части резервуара. Способ конденсации пара, образованного в резервуаре для хранения криогенной жидкости, осуществляют с помощью конденсатора, установленного в резервуаре. Конденсатор содержит контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью. Способ включает переохлаждение криогенной жидкости от источника подачи криогенной жидкости, который является независимым от резервуара, и подачу указанной жидкости в контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью в конденсаторе. Образованный пар из парового пространства резервуара конденсируется в насадке конденсатора вследствие непосредственного теплообмена с подаваемой криогенной жидкостью. Достигается упрощение конструкции. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к резервуару для хранения криогенной жидкости и имеет частное применение в наземных резервуарах для хранения таких жидкостей и в резервуарах, установленных на борту судна.
Криогенные жидкости, такие как сжиженный природный газ («СПГ»), жидкий аргон («LAR»), жидкий азот («LIN»), жидкий кислород («LOX») или жидкий водород, хранят в теплоизолированных резервуарах для их хранения для того, чтобы свести к минимуму потери жидкости вследствие испарения. Однако, несмотря на теплоизоляцию, некоторая часть размещенной криогенной жидкости неизбежно будет испаряться вследствие притока тепла в резервуар (и связанные с ним трубопроводы), работы насосов при циркуляции потоков жидкости, мгновенного испарения при подаче жидкости и т.п. Поэтому должны быть приняты меры для предотвращения опасного увеличения давления в резервуаре для хранения криогенной жидкости.
С экономической точки зрения часто предпочтительно использование очень больших резервуаров низкого давления для хранения криогенной жидкости. Например, в настоящее время самые большие резервуары для хранения жидкого кислорода или жидкого азота имеют емкость около 5000 м3, а самые большие резервуары для хранения СПГ (обычно устанавливаемые на борту судов группами до 5 резервуаров) имеют каждый емкость около 40000 м3. Масштаб проблемы с давлением, обусловленным испарением жидкости, взаимосвязан с размером резервуара для хранения.
Возможно было бы просто выпускать пар в атмосферу. Однако такое решение проблемы нежелательно, поскольку это было бы экономически невыгодно из-за потерь криогенной жидкости (производство которой требует значительных затрат) и, если пар жидкости горючий (например, природный газ или водород), может привести к потенциально опасному накапливанию пара, особенно там, где используются очень большие резервуары для хранения.
Другим решением проблемы, связанной с испарением из резервуара для хранения, является переохлаждение жидкости, подаваемой в резервуар для хранения, в степени, достаточной для повторной конденсации пара. Однако до тех пор, пока подаваемая переохлажденная жидкость не будет соприкасаться с образованным паром при хорошем массообмене и теплообмене, равновесие не будет достигнуто. Без достижения равновесия по-прежнему должно удаляться большое количество пара, или же должна быть увеличена степень переохлаждения для увеличения интенсивности воздействия, приводящего к конденсации образованного пара.
Переохлаждение подаваемой жидкости в количестве, превышающем ее минимальное количество, требуемое для повторной конденсации образованного пара, приведет к дополнительному потреблению энергии. Такой «избыток» переохлаждения обычно приводит к опусканию подаваемой переохлажденной (и поэтому более плотной) жидкости к дну резервуара и образованию нижнего слоя из холодной жидкости.
Для обеспечения требуемого тесного теплового контакта переохлажденной жидкости и образованного пара известен способ с распылением переохлажденной жидкости в паровом пространстве резервуара. Такое распыление выполняется для противодействия давлению остаточной криогенной жидкости в автомобильных контейнерах при их повторном заполнении. Однако такие способы распыления не очень удобны для очень больших резервуаров и менее эффективны при высоком уровне заполнения вследствие более короткого времени соприкосновения жидкости и образованного пара. Кроме того, устройства для распыления (или разбрызгивания) обычно требуют увеличения давления подаваемой жидкости вследствие перепада давления в таком устройстве, и такое увеличенное давление подачи может оказаться нереализуемым в практических условиях.
Имеются также другие методики конденсации образуемого пара, известные в данной области техники. Например, в US-A-3894856 (Lofredo et al; опубликован 15 июля 1975 г.) раскрыт способ очистки и сжижения природного газа. Одной из целей способа является поддержание постоянного состава сжиженного природного газа («СПГ») в резервуаре для его хранения посредством сжижения пара, образующегося в этом резервуаре. В примере осуществления способа пар СПГ из резервуара для его хранения конденсируется снаружи резервуара посредством косвенного теплообмена с жидким азотом. Сконденсированный пар затем возвращается в резервуар, в результате чего поддерживается постоянный состав СПГ в резервуаре.
В US-B-6470706 (Engdahl; опубликован 29 октября 2002 г.) раскрыт конденсатор пара, в котором образованный пар конденсируется в результате непосредственного теплообмена со сжиженным газом. Было обнаружено, что конденсатор имеет частное применение в системах для хранения и распределения СПГ. В этих системах СПГ хранится в резервуаре. Образованный пар СПГ подается в конденсатор, расположенный с внешней стороны резервуара, в котором он конденсируется в результате непосредственного тепло- и массообмена с СПГ, подаваемым насосом из резервуара для его хранения. Тепло- и массообмен может быть обеспечен при использовании неупорядоченной насадки (такой как 2-дюймовые (5 см) кольца Полла), структурированной насадки, тарельчатых колонн или распылительных элементов. Сконденсированный пар СПГ затем подается в насосы высокого давления, из которых он затем направляется в распределительный трубопровод.
US-A-2938360 (Christensen, дата публикации: 31 Мая 1960) раскрывает резервуар для хранения жидкостей, которые кипят при низкой температуре, например, такая как аммиак. Резервуар для хранения имеет колонну, содержащую секцию конденсации и секцию насыщения. Секция насыщения или сатуратор содержит насадку. Конденсация газа, взятого из парового пространства резервуара, происходит в секции конденсации за счет косвенного теплообмена с внешним хладагентом, в результате этого, жидкость стекает в насадку сатуратора. Оставшийся неконденсирующийся газ выходит из конденсатора, протекая через насадку сатуратора, где он контактирует с жидкостью из резервуара для хранения, которая подается в сатуратор. Затем подаваемая жидкость и конденсат протекают назад в резервуар для хранения и таким образом избыточный газ, охлажденный и очищенный, выпускается в атмосферу.
US-A-2059942 (Gibson; дата публикации: 3 ноября 1936) раскрывает резервуар для хранения летучих жидкостей, таких как углеводороды, и данный резервуар содержит устройство для извлечения пара. В одном варианте, жидкость из резервуара для хранения охлаждается с помощью косвенного теплообмена с внешним хладагентом, затем прокачивается и подается в контактное средство, в котором пары из резервуара абсорбируются в охлажденную жидкость.
Желательно иметь способ реализации охлаждающего действия переохлажденной жидкости, подаваемой для уменьшения испарения, в компактном устройстве, в котором не будет требоваться значительное увеличение давления, необходимое для подачи такой жидкости. Особенно желательно, чтобы такой способ был пригоден для использования в очень больших резервуарах низкого давления.
Задачей предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение резервуара для хранения криогенной жидкости, в конструкции которого устранена по меньшей мере часть паровых трубопроводов, в результате чего снижается стоимость и сложность резервуара.
Другой задачей предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение резервуара для хранения криогенной жидкости, в котором конденсатор для образования пара не требует герметичной оболочки.
Кроме того, задачей предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение резервуара для хранения криогенной жидкости, в котором не требуется использование внешнего хладагента для обеспечения холодопроизводительности для конденсации образованного пара.
В соответствии с первым вариантом настоящего изобретения обеспечен резервуар для хранения криогенной жидкости, имеющий нижнюю часть для хранения криогенной жидкости, и паровое пространство, образованное с его верхней стороны, при этом резервуар содержит:
конденсатор для конденсации образованного пара непосредственным теплообменом с криогенной жидкостью, подаваемой в резервуар, конденсатор содержит плотно расположенную контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью; насадка содержит верхнюю часть и нижнюю часть, при этом по меньшей мере верхняя часть открыта в паровое пространство, обеспечивая приток образованного пара в насадку, а нижняя часть обеспечивает прохождение потока текучей среды в нижнюю часть резервуара для хранения криогенной жидкости;
источник подачи криогенной жидкости, который является независимым от резервуара;
впускное отверстие для подачи указанной криогенной жидкости в верхнюю часть плотно расположенной контактной насадки для соприкосновения пара с жидкостью; и
выпускное отверстие для удаления криогенной жидкости из нижней части резервуара.
Преимущества изобретения достигаются в результате простоты конструкции конденсатора. Например, конденсация образованного пара происходит вследствие непосредственного теплообмена между подаваемой криогенной жидкостью и образованным паром. Поэтому отсутствует необходимость в сложных и дорогих теплообменниках с косвенным теплообменом. Кроме того, криогенная жидкость пропускается через конденсатор под действием силы тяжести, что дополнительно упрощает конструкцию. Более того, конденсация образованного пара в плотно расположенной контактной насадке пар-жидкость дополнительно втягивает образованный пар в конденсатор. Поэтому отсутствует необходимость в трубопроводе или ином оборудовании для подачи образованного пара в конденсатор, поскольку конденсатор эффективно снабжает сам себя образованным паром.
Верхняя часть плотно расположенной контактной насадки для соприкосновения пара с жидкостью будет, как правило, холоднее ее нижней части при подаче в верхнюю часть насадки переохлажденной жидкости, нагреваемой по мере прохождения вниз через конденсатор. При эксплуатации конденсатора верхняя часть плотно расположенной насадки холоднее ее нижней части. Соответственно, в вариантах осуществления, в которых нижняя часть плотно расположенной насадки также открыта в паровое пространство, больше пара будет конденсироваться в верхней части, а не в нижней части, вследствие чего больше образованного пара втягивается в конденсатор в его верхней части, а не в нижней части.
Природа криогенной жидкости, находящейся в резервуаре для ее хранения, не критична для настоящего изобретения. Настоящее изобретение предназначено для использования при хранении любой криогенной жидкости, включая СПГ и жидкие аргон, азот, кислород и водород.
Резервуары для хранения криогенных жидкостей обычно имеют боковую стенку корпуса, основание и крышу, ограничивающие внутреннее пространство, который содержит нижнюю часть для приема криогенной жидкости и паровое пространство, расположенное над нижней частью. Такие резервуары обычно теплоизолируются для уменьшения в как можно большей степени притока в них тепла. Однако ни одна теплоизоляция не является абсолютно эффективной. Соответственно, такие резервуары обычно имеют клапан вентиляции, который может открываться и закрываться, как это требуется для сброса постепенно увеличивающегося избыточного давления, создаваемого испарением криогенной жидкости, которое вызывается притоком тепла в резервуар для ее хранения. Клапан вентиляции обычно управляется автоматически при использовании датчика давления для определения превышения заданного безопасного предела и приводного средства для приведения в действие клапана вентиляции для сбрасывания избыточного давления.
Источник подачи криогенной жидкости может является независимым от резервуара. Резервуар может быть интегрирован в процесс разделения воздуха при низкой температуре, в котором криогенная жидкость (например, жидкий азот, кислород или аргон), необходимая для подачи, может быть получена в ходе разделения воздуха при низкой температуре при последующем требуемом переохлаждении жидкости и ее подаче в резервуар в качестве переохлажденной криогенной жидкости. В качестве альтернативы, резервуар может быть интегрирован в процесс сжижения газа, в котором криогенная жидкость (например, СПГ или жидкий водород), используемая для подачи в резервуар, может быть получена посредством процесса сжижения при последующем требуемом переохлаждении жидкости и ее подаче в резервуар в качестве переохлажденной криогенной жидкости. Эти варианты осуществления пригодны, в частности, для стационарных наземных резервуаров для хранения.
Резервуар для хранения криогенной жидкости может также содержать:
насос для нагнетания (подачи) криогенной жидкости;
трубопровод для подачи криогенной жидкости из резервуара для ее хранения в насос;
теплообменник для переохлаждения криогенной жидкости посредством косвенного теплообмена с хладагентом для получения переохлажденной криогенной жидкости;
трубопровод для подачи нагнетаемой криогенной жидкости от насоса к теплообменнику; и
трубопровод для подачи переохлажденной криогенной жидкости из теплообменника во впускное отверстие резервуара для хранения. Эти варианты осуществления резервуара для хранения могут быть интегрированы в процесс разделения воздуха при низкой температуре или в процесс сжижения.
Может быть использован любой подходящий хладагент, а в качестве трубопроводов могут быть использованы обычные трубы с теплоизоляцией.
Подаваемая криогенная жидкость обычно переохлаждается для снижения температуры ниже значения, обеспечивающего конденсацию образованного пара. Подаваемая криогенная жидкость обычно переохлаждается по меньшей мере в той степени, которая необходима для уменьшения или устранения необходимости в выпуске образованного пара. Увеличение переохлаждения увеличивает способность к конденсации пара, вследствие чего может быть пропорционально уменьшена площадь поверхности насадки.
Конденсатор может быть установлен внутри или снаружи резервуара. В вариантах осуществления, в которых конденсатор установлен снаружи резервуара, конденсатор размещен внутри контейнера. Этот контейнер имеет верхнюю часть и нижнюю часть, обе части соединены с возможностью прохождения текучей среды (например, трубопроводом) с паровым пространством резервуара для обеспечения притока образованного пара в плотно расположенную контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью и обеспечения подачи сконденсированного пара (вместе с нагретой криогенной жидкостью) в паровое пространство и, соответственно, в нижнюю часть резервуара. Предпочтительно такой контейнер и связанный с ним трубопровод имеют теплоизоляцию для снижения притока тепла в конденсатор. Если конденсатор находится вне резервуара, то он может быть объединен с имеющимся резервуаром для его модификации.
В предпочтительных вариантах осуществления, однако, конденсатор установлен в паровом пространстве резервуара для хранения криогенной жидкости. Эти варианты осуществления обладают несколькими преимуществами по сравнению с вариантами осуществления с внешними конденсаторами. Например, при отсутствии конденсатора с внешней стороны резервуара уменьшается возможность притока в резервуар тепла, которое способствует возникновению проблемы с образованным паром. Кроме того, отсутствует необходимость в дополнительном контейнере, трубопроводе и дополнительной теплоизоляции. Также не требуется помещать конденсатор в оболочку, и, соответственно, пар может проникать в конденсатор с боковой стороны насадки.
Материал насадки может быть неупорядоченной насадкой, такой как кольца Полла, однако предпочтительно использование структурированной насадки, такой как гофрированные перфорированные металлические листы. Материал насадки предпочтительно имеет большую площадь поверхности. Площадь поверхности насадки, как правило, больше 100 м2/м3 (площадь поверхности в м2/объем насадки в м3), обычно больше 200 м2/м3 и предпочтительно больше 400 м2/м3. Подходящим верхним пределом для площади поверхности насадки является 750 м2/м3.
В вариантах осуществления, в которых насадка является структурированной насадкой, материал насадки может быть объединен с образованием плотного расположения в виде «пробки». В случае использования гофрированных перфорированных металлических листов эти листы обычно расположены вертикально параллельно одни другим. Поскольку в такой конструкции имеет место лишь незначительный перепад давления между паровым пространством насадки и паровым пространством резервуара, то такая пробка не требует оболочки, и в основном вся плотно расположенная насадка открыта для притока в нее образованного пара почти по существу со всех направлений.
Однако в некоторых других предпочтительных вариантах осуществления плотно расположенная контактная насадка для соприкосновения пара с жидкостью находится в оболочке. С оболочкой может использоваться неупорядоченная или структурированная насадка. Боковые участки плотно расположенной насадки могут быть закрыты от парового пространства в случае, если оболочка не имеет отверстий. Однако предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть плотно расположенной насадки или по меньшей мере одна ее сторона была открыта в паровое пространство через по меньшей мере одно отверстие в оболочке для обеспечения притока пара в насадку с ее боковой стороны.
В дополнение к верхней части плотно расположенной насадки ее нижняя часть также может быть открыта в паровое пространство. Эти варианты осуществления особенно предпочтительны в случае размещения конденсатора в паровом пространстве резервуара для хранения криогенной жидкости. Нижняя часть плотно расположенной насадки соединена с возможностью прохождения текучей среды с нижней частью резервуара таким образом, что сконденсированный пар (в виде смеси с нагретой подаваемой криогенной жидкостью) подается под действием силы тяжести через паровое пространство к нижней части резервуара.
Однако в других вариантах осуществления резервуар для хранения криогенной жидкости дополнительно содержит канал для подачи сконденсированного пара (в виде смеси с нагретой подаваемой криогенной жидкостью) от нижней части плотно расположенной насадки к более низкой части резервуара для хранения криогенной жидкости. Такой канал может содержать нижнюю оболочку (такую как донную насадку), которая исключает доступ из парового пространства в нижнюю часть плотно расположенной насадки, и трубопровод для подачи жидкости, собранной на дне оболочки, в более низкую часть резервуара для хранения криогенной жидкости.
Адекватное распределение криогенной жидкости над верхней частью плотно расположенной насадки может быть достигнуто простым выпуском подаваемой жидкости на верхнюю часть насадки и использованием способности к распределению, присущей насадке.
В качестве альтернативы резервуар может также содержать распределитель жидкости для по существу равномерного распределения подаваемой криогенной жидкости над верхней частью плотно расположенной контактной насадки пар-жидкость. Может быть использован любой обычный распределитель жидкости. Распределитель может находиться под давлением (в этом случае это может быть закрытый распределитель, такой как труба, устройство для разбрызгивания или распыления), или же он может не находиться под давлением (в этом случае это может быть открытый распределитель, такой как пластина или желобчатый распределитель). В предпочтительных вариантах осуществления распределитель представляет собой пластину с паровыми стояками и множеством распределительных отверстий.
Резервуар для хранения криогенной жидкости может иметь более одного конденсатора и/или более одного впускного отверстия в одном конденсаторе. Впускное отверстие может быть разделено для обеспечения подачи в несколько конденсаторов. Однако в предпочтительных вариантах осуществления резервуар для хранения имеет один конденсатор и одно впускное отверстие для подачи криогенной жидкости в конденсатор.
Впускное отверстие для конденсатора может быть единственным впускным отверстием в резервуар. Однако в альтернативном варианте осуществления может быть по меньшей мере одно дополнительное впускное отверстие. Одно или каждое из дополнительных отверстий, как правило, не подает среду в конденсатор, а обычно образовано для подачи криогенной жидкости непосредственно в нижнюю часть резервуара через паровое пространство. В некоторых вариантах осуществления подача жидкости в резервуар разделена на две части. Первая часть жидкости охлаждается и подается в конденсатор, а вторая часть без переохлаждения подается непосредственно в жидкость, находящуюся в нижней части резервуара. Снижение расхода переохлажденной части жидкости предполагает, что общая площадь поверхности насадки может быть уменьшена.
Давление в резервуаре может контролироваться или изменением степени переохлаждения жидкости, подаваемой в виде единого потока, или же разделением потока на переохлажденную часть жидкости и часть, не подвергаемую переохлаждению. Или по выбору может быть первичной системой контроля давления с клапаном вентиляции и испарителя для увеличения давления, действующего в качестве вторичной системы в случае, если первичная система не в состоянии поддерживать давление в требуемом интервале.
Конденсатор согласно изобретению имеет частное применение в резервуарах для хранения криогенной жидкости очень большой емкости, т.е. емкостью более 500 м3. Верхний предел емкости резервуаров для хранения криогенной жидкости согласно изобретению может составлять около 60000 м3, например, около 40000 м3 (в частности, это резервуары для хранения СПГ, установленные на борту судна) или около 5000 м3 (в частности, это резервуары для хранения жидкого кислорода или азота).
Резервуары для хранения криогенной жидкости согласно изобретению предпочтительно адаптированы для хранения криогенных жидкостей под низким давлением, т.е. жидкостей, имеющих давление от около 0,5 бар вакуума (около 50 кПа абсолютного давления) до около 3 бар избыточного давления (около 400 кПа абсолютного давления), предпочтительно от около атмосферного давления (около 100 кПа абсолютного давления) до около 0,5 бар избыточного давления (около 150 кПа абсолютного давления).
Устройство обычно сконструировано для конденсации максимального количества пара, образованного следующими источниками:
(a) притоком тепла в резервуар и испарением части содержимого;
(b) паром, вытесненным при заполнении резервуара жидкостью;
(c) мгновенным испарением от любой части подаваемой жидкости, которая не переохлаждена; и
(d) паром, образованным мгновенным испарением обратных потоков, закачиваемых в резервуар.
Расчеты для определения количества пара, производимого источниками (а), (b), (с) и (d), хорошо известны специалистам в данной области техники. Для специалиста также понятно, что объемный расход пара, вытесненного при заполнении резервуара жидкостью, равен объемному расходу жидкости, поданной в резервуар. Как правило, приток тепла в резервуар через теплоизоляцию приводит к испарению от около 0,2% до около 0,5% от полного содержимого резервуара в день.
Суммарное образование пара составляет V (в кг/с). Нагрузка Q (в кВт) равна V·dH, где dH - скрытая теплота испарения хранящейся текучей среды (в кДж/кг). Требуемая площадь поверхности теплопередачи А (в м2) рассчитывается из рассчитанной нагрузки Q, коэффициента теплопередачи U (в кДж/м2/K) и логарифма средней разности температуры («LMTD») между конденсируемым паром и жидкостью, проходящей по поверхности, в соответствии со следующей формулой:
A=Q/(U·LMTD)
Коэффициент теплопередачи может быть оценен из соответствующих литературных данных, а LMTD может быть рассчитан из потока переохлажденной жидкости, потока пара и температуры жидкости и пара. Соответствующие предельные условия могут быть применены к требуемой площади А для получения фактической площади А*.
Посредством разработки устройства для сближения температуры жидкости и пара (например, с разностью менее 0,5 K, так что разность очень мала) нагрузка для фиксированной площади поверхности может быть сделана невосприимчивой к коэффициенту теплопередачи, так что его величина не должна быть определена точным образом.
Объем насадки, которая должна быть использована, Р (в м3), может быть затем определен как Р=А*/а, где а - площадь поверхности на единичный объем насадки (в м2/м3). Площадь поперечного сечения устройства, Х (в м2), должна быть определена при использовании методов проектирования, рекомендованных для выбранной насадки, для обеспечения низкого перепада давления пара и того, что максимальные расходы пара и жидкости не приведут к захлебыванию насадки, если весь пар будет введен в нижнюю часть насадки. Такой метод проектирования хорошо известен в данной области техники и не будет здесь описан. Высота насадки Н (в м) может быть, соответственно, определена как Н=Р/Х.
В вариантах осуществления с использованием распределителя жидкости, который распределяет подаваемую жидкость в основном равномерно по верхней части плотно расположенной насадки для соприкосновения пара с жидкостью, данный распределитель жидкости должен быть обычно подобран таким образом, чтобы поток жидкости с верхней стороны насадки был как можно более равномерным. Конструкция такого распределителя хорошо известна и не будет описана здесь. Должно быть достаточное пространство для прохождения пара вокруг распределителя жидкости, с тем, чтобы обеспечить максимальный рассчитанный поток пара для их введения в верхнюю часть устройства при достаточно низком перепаде давления.
В других вариантах осуществления жидкость может подаваться из одного места с верхней стороны насадки. В таких вариантах осуществления эффективная площадь поверхности насадки должна быть уменьшена для учета поверхности, которая не смачивается жидкостью.
В соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения обеспечивается способ конденсации пара, образованного в резервуаре для хранения криогенной жидкости; резервуар имеет нижнюю часть для хранения криогенной жидкости, паровое пространство, образованное над жидкостью, и конденсатор для конденсации образованного пара непосредственным теплообменом с криогенной жидкостью, подаваемой в резервуар; конденсатор содержит контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью; при этом способ включает:
переохлаждение криогенной жидкости из источника криогенной жидкости, который является независимым от резервуара, для получения переохлажденной криогенной жидкости; и
подачу переохлажденной криогенной жидкости в контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью в конденсаторе, посредством чего образованный пар из парового пространства резервуара конденсируется в насадке конденсатора вследствие непосредственного теплообмена с подаваемой криогенной жидкостью.
Предпочтительно объем подаваемой криогенной жидкости должен быть достаточным для втягивания образованного пара в плотно расположенную контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью.
Способ предпочтительно также включает распределение переохлажденной криогенной жидкости в основном равномерно над верхней частью плотно расположенной контактной насадки для соприкосновения пара с жидкостью.
Этот способ может быть интегрирован в процесс разделения воздуха при низкой температуре для получения криогенной жидкости (например, жидкого азота, кислорода или аргона) или в процесс сжижения для получения криогенной жидкости (например, СПГ или жидкого водорода). В других вариантах осуществления данный способ может также включать удаление криогенной жидкости из резервуара для хранения, прокачку жидкости и последующее переохлаждение прокачиваемой жидкости для получения подаваемой переохлажденной криогенной жидкости.
Особенно предпочтительные варианты осуществления резервуара для хранения криогенной жидкости или способа в соответствии с настоящим изобретением в основном описаны здесь со ссылками на сопроводительные чертежи.
Заявленное изобретение теперь будет описано только в виде примеров со ссылками на сопроводительные чертежи. На чертежах:
на фиг.1 показано схематическое изображение поперечного сечения резервуара для хранения криогенной жидкости для одного из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.2 показано схематическое изображение поперечного сечения резервуара для хранения криогенной жидкости для другого варианта осуществления изобретения;
на фиг.3 показано схематическое изображение поперечного сечения конденсатора в соответствии с изобретением; и
на фиг.4 показана горизонтальная проекция распределительной пластины 24 распределителя, изображенного на фиг.3.
На фиг.1 показан резервуар 10 для хранения криогенной жидкости в соответствии с изобретением. Резервуар может быть использован для размещения любой криогенной текучей среды, такой как СПГ, жидкие азот, аргон, кислород и т.п. Резервуар для хранения криогенной жидкости теплоизолирован, однако теплоизоляция не показана на фигуре.
Резервуар 10 имеет нижнюю часть 12 для приема криогенной жидкости 14 и паровое пространство 16, образованное над нижней частью 12. Клапан вентиляции 18 установлен для сброса чрезмерно повышенного давления образованного пара в паровом пространстве 16. Клапан вентиляции 18 управляется блоком 20 для контроля давления. Поток 22 криогенной жидкости удаляется из резервуара 10 и подается насосом 24 под повышенным давлением, создавая нагнетаемый поток 26 криогенной жидкости. Нагнетаемый поток 26 разделяется на две части. Первая часть 28 при пониженном давлении после клапана 30 возвращается в резервуар 10. Вторая часть 32 удаляется в качестве выходного потока.
Резервуар 10 используется для подачи криогенной жидкости непрерывным или прерывистым образом в последующий узел (не показан) или для транспортировки. Обычно имеется одна или несколько возвратных линий 28 с насосами/насосом, по которым часть нагнетаемой текучей среды возвращается для контроля. Любая возращенная жидкость будет способствовать дополнительному испарению вследствие работы насоса и притока тепла в трубопроводы, что увеличивает теплосодержание возвращаемой жидкости.
Признаки 10-32 в основном хорошо известны в данной области техники.
Конденсатор 34 установлен в паровом пространстве 16 резервуара 10 и содержит плотно расположенную контактную насадку 36 для соприкосновения пара с жидкостью. Поток 38 подаваемой криогенной жидкости поступает в резервуар 10 через впускное отверстие 40. Подаваемый поток 38 подвергается переохлаждению (не показано) по меньшей мере в той степени, которая требуется для сведения к минимуму или устранения необходимости в удалении образованного пара через клапан вентиляции 18. Подаваемый поток 38 распределяется в основном равномерно по верхней части плотно расположенной насадки 36 для соприкосновения пара с жидкостью при использовании распределителя жидкости (не показан). Переохлажденная жидкость распределяется поверх насадки, что обеспечивает большую площадь поверхности соприкосновения пара с жидкостью, и конденсирует образованный пар. Сконденсированный пар (вместе с нагретой подаваемой жидкостью) выпускается из конденсатора 34 в хранящуюся жидкость 14.
Конденсатор 34 открыт в паровое пространство 16 как со стороны верхней части, так и со стороны нижней части. Процесс конденсации пара внутри конденсатора 34 обусловливает втягивание образованного пара в конденсатор со стороны верхней части и со стороны нижней части конденсатора. Больше пара втягивается со стороны верхней части по сравнению с нижней частью, поскольку она холоднее, и поэтому в ней конденсация осуществляется в большей степени. Верхняя часть холоднее нижней части, поскольку переохлажденная жидкость подается в эту часть конденсатора 34.
На фиг.2 показан другой вариант осуществления резервуара 10 для хранения криогенной жидкости согласно изобретению. Элементы (10-36) резервуара 10, изображенные на фиг.2, те же самые, что и элементы резервуара 10, изображенного на фиг.1, и поэтому для этих элементов использованы те же самые цифровые обозначения. Ниже представлено обсуждение тех элементов резервуара 10 на фиг.2, которые отличаются от резервуара 10 на фиг.1.
Оба потока 42 и 46 подаваемой криогенной жидкости поступают в резервуар 10 (соответственно через впускные отверстия 44 и 48). Однако только поток 42 подвергается переохлаждению (не показано), и, соответственно, только поток 42 направляется в конденсатор 34. Этот вариант осуществления может быть использован, если на самом деле имеются два подаваемых потока от разных источников. В качестве альтернативы единственный подаваемый поток может быть разделен на две части, лишь одна из которых может переохлаждаться. В этом альтернативном варианте осуществления переохлажденная часть должна иметь степень переохлаждения больше, чем в случае, показанном на фиг.1. Более высокая степень переохлаждения увеличивает интенсивность воздействия, приводящего к конденсации пара, образованного в резервуаре, и поэтому позволяет уменьшить площадь поверхности контактной насадки. Кроме того, уменьшенный поток жидкости через насадку способствует также возможности уменьшения поперечного сечения контактной насадки. Этих преимуществ достаточно для обоснования дополнительного усложнения конструкции на фиг.2 по сравнению с фиг.1.
На фиг.3 показан распределитель жидкости 50, объединенный с конденсатором 34 на фиг.1 (или фиг.2). Данная комбинированная конструкция включает внешнюю стенку 52 оболочки и пластину 54 распределителя жидкости, имеющую паровые стояки 56 и отверстия 58 для распределения жидкости. Под распределителем 50 жидкости размещена плотно расположенная контактная насадка 36 с большой площадью поверхности. Насадка 36 обычно имеет опорный элемент (не показан), расположенный с ее нижней стороны, и, возможно, прижимной элемент (не показан), расположенный сверху.
На фиг.4 показана горизонтальная проекция пластины 24 такого распределителя с паровыми стояками 56 и распределительными отверстиями 58. Любой известный альтернативный вид распределения жидкости (например, желобчатый распределитель) может быть использован вместо изображенного распределителя с пластиной и стояками.
Переохлажденная жидкость поступает в распределитель 50 через подающую трубу 60 и распределяется в основном равномерно через отверстия 58 на верхнюю часть плотно расположенного материала насадки 36.
Образованный пар свободно проходит в конденсатор 34 сверху и снизу, поскольку верхний и нижний концы конденсатора открыты в паровое пространство. Поскольку переохлажденная жидкость проходит со стороны верхнего конца устройства, то основная конденсация пара будет происходить в верхней части плотно расположенной насадки, так как разность температур между переохлажденной жидкостью и насыщенным образованным паром будет больше в этой части по сравнению с более низкой частью, в которой жидкость нагревается вследствие конденсации пара. Поэтому основная часть пара, проходящего в конденсатор, будет стремиться к введению через его верхнюю часть. В комбинированной конструкции, показанной на фиг.3, пар, находящийся вверху, перемещается вниз по паровым стоякам 56. Однако пар также перемещается вверх в контактный материал, который «засасывается» в него вследствие конденсации, происходящей в насадке.
Поскольку основная часть пара поступает сверху, то отсутствует проблема с гидравлическим захлебыванием конденсатора. Такой конденсатор также компенсирует ухудшенное распределение жидкости по сравнению с проектом, поскольку пар предпочтительно будет вовлекаться в те места насадки, в которых температура будет меньше среднего значения (которые образовались бы в том случае, если бы в эти места вследствие диспропорции в распределении подавалось бы больше жидкости по сравнению с ее средним количеством).
Распределитель жидкости такого типа, как это показано на фиг.3, мог бы захлебываться в случае блокирования некоторых распределительных отверстий 58 или при большем, по сравнению с проектом, потоке подаваемой жидкости. Поскольку конденсатор открыт в паровое пространство на обоих концах, то такое захлебывание могло бы лишь уменьшить эффективность устройства, но не остановить его работу. Избыток жидкости переливался бы через верхний край стенки 52 оболочки (который в идеальном случае должен быть расположен ниже верхних концов стояков 56 так, чтобы не ограничивалось прохождение пара с верхней стороны).
Следует заметить, что именно конденсация пара внутри конденсатора обеспечивает прохождение пара в конденсатор. Соответственно, конденсатор может быть размещен в любом подходящем месте парового пространства резервуара, т.е. он не нуждается в размещении в том определенном месте, в котором расположена линия 18 с клапаном вентиляции.
В этом описании термин «средство» в контексте средства для выполнения частной функции означает любое подходящее устройство, адаптированное или сконструированное для выполнения этой функции.
Следует принимать во внимание, что изобретение не ограничено элементами, приведенными выше со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, и могут быть сделаны многочисленные модификации и варианты без отклонения от объема изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения.
1. Резервуар для хранения криогенной жидкости, имеющий нижнюю часть для хранения криогенной жидкости, и паровое пространство, образованное с его верхней стороны, содержащий:
конденсатор для конденсации образованного пара непосредственным теплообменом с криогенной жидкостью, подаваемой в резервуар, причем конденсатор содержит плотно расположенную контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью, насадка содержит верхнюю часть и нижнюю часть, при этом по меньшей мере верхняя часть открыта в паровое пространство, обеспечивая приток образованного пара в насадку, а нижняя часть обеспечивает прохождение потока текучей среды в нижнюю часть резервуара для хранения криогенной жидкости,
источник подачи криогенной жидкости, который является независимым от резервуара;
впускное отверстие для подачи указанной криогенной жидкости в верхнюю часть плотно расположенной контактной насадки для соприкосновения пара с жидкостью, и
выпускное отверстие для удаления криогенной жидкости из нижней части резервуара.
2. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, в котором конденсатор установлен в паровом пространстве резервуара для хранения.
3. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.2, в котором насадка является структурированной насадкой, причем в основном вся плотно расположенная насадка открыта в паровое пространство.
4. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, в котором плотно расположенная контактная насадка для соприкосновения пара с жидкостью размещена внутри оболочки.
5. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.4, в котором по меньшей мере часть или по меньшей мере одна сторона плотно расположенной насадки открыта в паровое пространство через по меньшей мере одно отверстие в оболочке.
6. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, в котором нижняя часть плотно расположенной насадки открыта в паровое пространство.
7. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, дополнительно содержащий трубопровод для подачи сконденсированного пара из нижней части плотно расположенной насадки в нижнюю часть резервуара для хранения.
8. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, дополнительно содержащий распределитель жидкости для распределения подаваемой криогенной жидкости в основном равномерно над верхней частью плотно расположенной контактной насадки для соприкосновения пара с жидкостью.
9. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, содержащий один конденсатор и одно впускное отверстие для подачи криогенной жидкости в конденсатор.
10. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, содержащий по меньшей мере одно дополнительное впускное отверстие, при этом одно или каждое дополнительное отверстие выполнено для подачи криогенной жидкости непосредственно в нижнюю часть резервуара через паровое пространство.
11. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, дополнительно содержащий:
насос для подачи криогенной жидкости,
трубопровод для подачи криогенной жидкости из резервуара для ее хранения в насос,
теплообменник для переохлаждения криогенной жидкости посредством косвенного теплообмена с хладагентом для получения переохлажденной криогенной жидкости,
трубопровод для подачи нагнетаемой криогенной жидкости от насоса к теплообменнику, и
трубопровод для подачи переохлажденной криогенной жидкости из теплообменника во впускное отверстие резервуара для хранения.
12. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1 имеющий емкость более 500 м3.
13. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, адаптированный для хранения криогенной жидкости под давлением от около 50 кПа абсолютного давления (около 0,5 бар вакуума) до около 400 кПа абсолютного давления (около 3 бар избыточного давления).
14. Резервуар для хранения криогенной жидкости по п.1, в котором источник подачи криогенной жидкости является процессом разделения воздуха при низкой температуре или процессом сжижения газа.
15. Способ конденсации пара, образованного в резервуаре для хранения криогенной жидкости, причем резервуар имеет нижнюю часть для хранения криогенной жидкости, паровое пространство, образованное над жидкостью, и конденсатор для конденсации образованного пара непосредственным теплообменом с криогенной жидкостью, подаваемой в резервуар, при этом конденсатор содержит контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью, включающий:
переохлаждение криогенной жидкости от источника подачи криогенной жидкости, который является независимым от резервуара, для получения переохлажденной криогенной жидкости, и
подачу указанной переохлажденной криогенной жидкости в контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью в конденсаторе, посредством чего образованный пар из парового пространства резервуара конденсируют в насадке конденсатора вследствие непосредственного теплообмена с подаваемой криогенной жидкостью.
16. Способ по п.15, в котором объем подаваемой криогенной жидкости является достаточным для втягивания образованного пара в плотно расположенную контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью.
17. Способ по п.15 или 16, который также включает распределение переохлажденной криогенной жидкости в основном равномерно над верхней частью плотно расположенной контактной насадки для соприкосновения пара с жидкостью.
18. Способ по п.15 дополнительно включающий:
удаление криогенной жидкости из резервуара для хранения, нагнетание указанной криогенной жидкости в насосе для получения нагнетаемой криогенной жидкости;
переохлаждение указанной нагнетаемой криогенной жидкости в теплообменнике посредством косвенного теплообмена с хладагентом для получения переохлажденной криогенной жидкости; и
подачу указанной переохлажденной криогенной жидкости в контактную насадку для соприкосновения пара с жидкостью в конденсаторе резервуара.
19. Способ по п.15, в котором подаваемую криогенную жидкость получают в процессе разделения воздуха при низкой температуре, переохлаждают как требуется и затем подают в резервуар в качестве переохлажденной криогенной жидкости.
20. Способ по п.15, в котором подаваемую криогенную жидкость получают в процессе сжижения газа, переохлаждают как требуется и затем подают в резервуар в качестве переохлажденной криогенной жидкости.
