在存儲(chǔ)容器中存儲(chǔ)低溫流體的方法
【專利摘要】一種通過使用外部過熱器而在存儲(chǔ)容器中保持過冷底部狀態(tài)或液化天然氣的自然對(duì)流的方法。液化天然氣從存儲(chǔ)容器中被移除并且由低溫流體、例如液氮在換熱器中冷卻。被冷卻的液化天然氣被重新引入存儲(chǔ)容器，從而在存儲(chǔ)容器中保持過冷底層或自然對(duì)流。
【專利說明】在存儲(chǔ)容器中存儲(chǔ)低溫流體的方法

【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明提供一種方法，其用于在存儲(chǔ)容器中保持例如液化天然氣(LNG)的低溫流體的過冷狀態(tài)。低溫流體的一部分從存儲(chǔ)容器中離開，、被冷卻并且接著被重新引入存儲(chǔ)容器。
[0002]液化天然氣主要由甲烷組成，其包括大約85至98%摩爾成分的LNG。次要的成分目前可以包括乙烷、丙烷、二氧化碳、氧和氮。為了說明的目的，將使用純甲烷的性質(zhì)作為LNG的特征。
[0003]液化天然氣散料存儲(chǔ)容器、特別是那些用在加油站的存儲(chǔ)容器，受熱負(fù)載和返回氣體和/或與加料運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)的兩相支配。這樣會(huì)引起存儲(chǔ)容器顯著的熱負(fù)載，其典型地導(dǎo)致氣體排出。由于天然氣是強(qiáng)有力的溫室氣體，因此這種排出不僅是有價(jià)值產(chǎn)品的損失也是重大的環(huán)境問題。在過冷狀態(tài)下(與存儲(chǔ)罐壓力相對(duì)應(yīng)地低于沸點(diǎn)的溫度)保持散料存儲(chǔ)容器的內(nèi)容物將防止大多數(shù)或者全部的排出。然而，可獲得的過冷量取決于散料存儲(chǔ)容器的供應(yīng)流體的溫度，并且會(huì)通過一段時(shí)間的升溫而損失。因此來自LNG存儲(chǔ)容器的排出通常并且顯著地妨礙作為車用燃料的天然氣的成功實(shí)現(xiàn)。
[0004]LNG車用燃料罐典型地具有大約6_8bar的表壓(barg)的最優(yōu)存儲(chǔ)壓力，以將燃料供給發(fā)動(dòng)機(jī)而無需泵或壓縮機(jī)的幫助。如果被供應(yīng)的液體在加燃料期間處于相應(yīng)于最優(yōu)存儲(chǔ)壓力下的飽和溫度之上的溫度，那么燃料罐通常必然會(huì)在加燃料期間排出。因此理想的是，從散料存儲(chǔ)罐供應(yīng)的LNG所需的溫度處于或者稍微低于相應(yīng)于最優(yōu)車載存儲(chǔ)壓力下的飽和溫度。例如，在6bar的表壓(barg)以下，飽和溫度大約_131°C。這樣，允許加燃料發(fā)生在少量排出或沒有排出的時(shí)候，并且存儲(chǔ)罐在接近于最適宜的車載存儲(chǔ)壓力下被填充。
[0005]進(jìn)一步，在車載燃料罐最初處于相對(duì)于最適宜壓力的升高壓力的情況下，通常有利的是首先引入過冷LNG以使燃料罐中存在的氣體收縮。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種將存儲(chǔ)容器中例如液化天然氣的低溫流體保持在過冷狀態(tài)的方法，包括移除低溫流體的一部分，冷卻低溫流體的移除部分，以及將低溫流體的移除部分重新引入存儲(chǔ)容器的液態(tài)區(qū)域。
[0007]適于本發(fā)明的低溫流體包括液化天然氣、液氮、液氧、液態(tài)空氣和液氬以及這些流體的混合物。雖然不是典型的低溫流體的其他流體和流體混合物、例如乙烯也適用于本發(fā)明。當(dāng)這些流體或流體混合物被儲(chǔ)存在容器中時(shí)，流體的液相和氣相部分會(huì)自然形成并分離。當(dāng)這些流體的混合物作為存儲(chǔ)容器的唯一內(nèi)容物被包含，則液相和氣相成分的摩爾比將根據(jù)平衡熱力學(xué)而不同。
[0008]低溫流體的移除部分優(yōu)選從存儲(chǔ)容器的接近底部區(qū)域移除，并且優(yōu)選在高于低溫流體被移除處的位置處被注回存儲(chǔ)容器。這樣將有助于在存儲(chǔ)容器中建立均勻的底部過冷層。典型地，低溫流體、例如液氮被用于冷卻低溫流體的移除部分；然而其他低溫流體、例如液態(tài)空氣、氧和氬以及這些流體的混合物也可以被采用，或者機(jī)械制冷裝置或以其他方法冷卻的傳熱流體可以被采用。通過低溫流體、例如液氮所提供的冷卻優(yōu)選在外部換熱器中進(jìn)行，外部換熱器位于比罐中被移除的液化天然氣所返回的位置更高的位置。低溫流體的冷卻將增加其密度并且將導(dǎo)致被移除液化天然氣的自然循環(huán)(熱虹吸管)回路，并使其返回存儲(chǔ)容器而無需泵的幫助。然而這是優(yōu)選的方法，也可以采用其他的循環(huán)方法、例如那些通過泵幫助的方法。如果需要的話，低溫流體的移除可以被連續(xù)地實(shí)施，或者，可以周期性地進(jìn)行，其中以間歇的時(shí)間表將低溫流體從存儲(chǔ)容器中移除。
[0009]低溫流體、例如液氮在位于低溫流體存儲(chǔ)容器外部的換熱器中。供應(yīng)到換熱器的低溫流體量被調(diào)節(jié)成在存儲(chǔ)容器中保持低溫流體中的過冷所需的程度。這種冷卻液還可以通過其他低溫流體、由其他裝置冷卻的傳熱流體或機(jī)械制冷提供。在換熱任務(wù)完成后，低溫流體從換熱器排出。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施例中公開了一種在存儲(chǔ)容器中保持低溫流體的自然對(duì)流的方法，包括移除一部分低溫流體，冷卻低溫流體的移除部分并且將低溫流體的移除部分重新引回存儲(chǔ)容器。
[0011]存儲(chǔ)容器可以從任意一種可用的設(shè)計(jì)、尺寸或定向中選擇。接入存儲(chǔ)容器或接出存儲(chǔ)容器的管道連接也可以適當(dāng)改良。過冷低溫流體的進(jìn)入存儲(chǔ)容器的回流可以高于或低于在散料存儲(chǔ)容器內(nèi)部低溫液體被移除的位置。用于熱虹吸管效應(yīng)以進(jìn)行過冷的優(yōu)選模式的管道可以另外設(shè)置或者與作為用于外部低溫泵的熱虹吸管冷卻的管道相同。
[0012]接入和/或接出容器的另外的管道也是可能的，包括用于進(jìn)入容器的底部或頂部區(qū)域的氣體和/或液體的回流。
[0013]如果需要，另外的例如控制閥的控制元件或者溫度或壓力傳感裝置也可以用于控制外部過冷的程度和速度。
[0014]低溫流體、例如從外部換熱器排出的氮?dú)饪梢杂糜诘蜏亓黧w存儲(chǔ)容器所位于的其他單元運(yùn)轉(zhuǎn)中，例如冷卻運(yùn)轉(zhuǎn)、惰性化，或作為壓力氣體來運(yùn)轉(zhuǎn)閥。
[0015]由于熱虹吸管性能以及返回和供應(yīng)管線可以補(bǔ)充有低溫泵，外部換熱器的放置可以被改良以最優(yōu)化循環(huán)。
[0016]用于容器壓力控制和蒸汽冷凝的其它方法也是可能的，并且可以聯(lián)合用在本發(fā)明中。例如，對(duì)容器進(jìn)行填充時(shí)，可采用由過冷液體在頂部和底部進(jìn)行填充的組合，以保持存儲(chǔ)容器壓力。另外，可以設(shè)置外部低溫泵，以使底部過冷液體的一部分周期性地循環(huán)至低溫容器的頂部，以直接冷凝蒸汽。
[0017]雖然本發(fā)明的以下詳細(xì)說明是將存在與存儲(chǔ)容器的液化天然氣作為低溫液體來凸輪，當(dāng)本發(fā)明的方法也可適用于其它低溫流體，例如液氮、液氧、液態(tài)空氣、液氬、和乙烯以及這些流體的混合物。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖是根據(jù)本發(fā)明的低溫流體存儲(chǔ)容器和第二制冷源的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]轉(zhuǎn)向附圖，示出處于高壓下的包含LNG的液化天然氣散料存儲(chǔ)容器。液化天然氣存在于散料存儲(chǔ)容器A中，該容器與換熱器B流體連通。液化天然氣將通過管線I而從散料存儲(chǔ)容器A中被回收，且在管線I中被導(dǎo)向換熱器B。管線I中的液化天然氣將進(jìn)一步通過與液氮的換熱而被冷卻。進(jìn)一步被冷卻的液化天然氣經(jīng)過管線2返回散料存儲(chǔ)容器。液化天然氣將經(jīng)由通過換熱器B的管線3而被注入換熱器B。液氮在換熱過程被加熱并且經(jīng)由管線4作為氮?dú)舛鴱膿Q熱器B中排出。
[0020]液化天然氣(LNG)散料存儲(chǔ)容器包含處于高壓下的LNG。在散料容器中的LNG通常包括頂部飽和層(液體處于與存儲(chǔ)壓力相對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)溫度)和下部過冷層(液體處于比與存儲(chǔ)壓力相對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)低的溫度)。下部過冷層可以進(jìn)一步具有空間溫度變化。這種兩層排列的平衡條件是用于罐內(nèi)的自然對(duì)流，該自然對(duì)流是由來自容器壁的熱負(fù)載和可被引入容器底部的氣體所導(dǎo)致的，由此，使頂部飽和層變得非常薄。當(dāng)熱的或底部氣體被持續(xù)地加入容器，僅該薄的頂部飽和層會(huì)汽化，而底部過冷層會(huì)變暖但不會(huì)汽化。在這一時(shí)間段內(nèi)，由于隨著液體被回收，薄的飽和層的蒸發(fā)量會(huì)由液體回收量補(bǔ)償，因此通常沒有顯著的排出。然而，附加的熱將最終破壞貫穿底層的過冷并且整個(gè)容器將變得飽和。在那種情況下，任何進(jìn)一步的供熱和供氣將僅僅導(dǎo)致LNG蒸發(fā)而不變暖。為了在容器中保持所需壓力，則排出天然氣變成必要的。
[0021]本發(fā)明的方法是在液化天然氣存儲(chǔ)容器中抑制對(duì)底部過冷層的破壞。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是將底部過冷層保持在優(yōu)選的溫度下，以有助于車用燃料罐最優(yōu)的加料。因此，本發(fā)明設(shè)法在存儲(chǔ)容器中保持低溫流體底部區(qū)域的過冷狀態(tài)，并保持存在于存儲(chǔ)容器中的低溫流體整體的過冷狀態(tài)。由于先前描述的自然對(duì)流以及排出的問題顯著減少或消除，通過防止底部過冷層隨時(shí)間流逝而被破壞，散料存儲(chǔ)容器將保持大量過冷。這通過采用第二制冷源(在此情形中，優(yōu)選低溫流體，例如液氮)來完成，以對(duì)外部換熱器中的一部分LNG進(jìn)行過冷。雖然可以使用泵來循環(huán)在外部形成的該過冷LNG，本發(fā)明的新穎方面和優(yōu)選選擇是依靠循環(huán)的熱虹吸管效應(yīng)。
[0022]轉(zhuǎn)向附圖，示出兩條管線進(jìn)入散料存儲(chǔ)容器底部，優(yōu)選的在水平和垂直方向上分離。標(biāo)記“h”表示當(dāng)冷卻器液化天然氣從比再次引入的點(diǎn)的高度要高的點(diǎn)注入整體存儲(chǔ)容器時(shí)，外部換熱器B驅(qū)動(dòng)熱虹吸管效應(yīng)所必需的高度。液化天然氣通過管線I從存儲(chǔ)容器A被回收并且指向外部換熱器B。管線3中的液氮被用于冷卻外部換熱器B中來自管線I的LNG的這部分側(cè)流。當(dāng)換熱器B中的LNG的外部流被正常沸點(diǎn)低于LNG的沸點(diǎn)大約35°C的液氮充分冷卻，其自然變得更加稠密并且趨于下降。LNG的這種高度過冷的側(cè)流向下流過管線2并且回到散料LNG存儲(chǔ)容器的底部。當(dāng)這種高過冷LNG返回散料LNG存儲(chǔ)容器時(shí)，在外部換熱器B中其自然地由來自管線I的溫度更高的LNG返回流所替代。這種自然循環(huán)或熱虹吸管效應(yīng)一直持續(xù)到液氮被供給外部換熱器B。
[0023]所供應(yīng)的液氮量通常調(diào)節(jié)成保持底部過冷的一個(gè)優(yōu)選的程度，通過溫度T或LNG的其他合適的溫度測(cè)量值表示。泵(未示出)是有助于該循環(huán)的一種可能的附加特征。然而，一個(gè)實(shí)施例是已經(jīng)描述和說明的熱虹吸管設(shè)計(jì)，其提供更簡(jiǎn)單、更可靠以及更低成本的解決方案。除了管道布置之外，這種熱虹吸管設(shè)計(jì)還取決于流體靜力學(xué)的壓力頭以驅(qū)動(dòng)循環(huán)。圖中示出的這種距離h說明靜水壓頭如何通過相對(duì)于存儲(chǔ)容器內(nèi)部的內(nèi)部管道末端的來合適地放置外部換熱器而產(chǎn)生。h的典型值在I至3米之間。
[0024]需要注意的是，圖中所示的熱虹吸管布置僅僅將外部的過冷LNG直接引入到容器的底部區(qū)域。如先前所討論的，存在于這些容器內(nèi)部的自然對(duì)流將確保位于該更低區(qū)域上方的容器容量的大部分也保持在過冷狀態(tài)。
[0025]雖然本發(fā)明關(guān)于特定的實(shí)施例做了描述，顯然本發(fā)明的多數(shù)其他形式和改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的。本發(fā)明中的從屬權(quán)利要求通常應(yīng)該解釋成覆蓋所有這些在本發(fā)明真實(shí)的精神和范圍內(nèi)的明顯的形式和改進(jìn)。
【權(quán)利要求】
1.一種將存儲(chǔ)容器中的低溫流體的底層保持在過冷狀態(tài)的方法，包括移除一部分低溫流體，冷卻低溫流體的移除部分，以及將低溫流體的移除部分重新引入存儲(chǔ)容器的液態(tài)區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在高于從存儲(chǔ)容器移除低溫流體的位置處，將低溫流體的移除部分重新注入存儲(chǔ)容器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，低溫流體被用于冷卻低溫流體的移除部分。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，低溫流體是在換熱器中。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在低溫流體的移除部分中建立循環(huán)。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，產(chǎn)生熱虹吸管效應(yīng)，以使低溫流體的移除部分循環(huán)。
7.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過從由液氮、液氧、液態(tài)空氣、氬和乙烯以及這些流體的混合物組成的組中選擇的低溫流體來提供冷卻。
8.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，在所述存儲(chǔ)容器中的所述低溫流體從由液化天然氣、液氮、液氧、液態(tài)空氣、液氬和乙烯以及這些流體的混合物所組成的組中選擇。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，冷卻是基于低溫流體的移除部分的溫度。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，供應(yīng)到換熱器的低溫流體量被調(diào)節(jié)成保持所需的低溫流體過冷程度。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括用泵使低溫流體的移除部分循環(huán)回到存儲(chǔ)容器中。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻由機(jī)械制冷提供。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述低溫流體從所述換熱器排出。
14.一種在存儲(chǔ)容器的低溫流體中保持占優(yōu)勢(shì)的過冷條件的方法，包括移除一部分低溫流體，冷卻低溫流體的移除部分，以及將低溫流體的移除部分重新引入存儲(chǔ)容器。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在高于從存儲(chǔ)容器移除低溫流體的位置處，將低溫流體的移除部分重新注入存儲(chǔ)容器。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，低溫流體被用于冷卻低溫流體的移除部分。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在低溫流體中建立循環(huán)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在低溫流體中產(chǎn)生熱虹吸管效應(yīng)。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，通過從由液氮、液氧、液態(tài)空氣、氬、乙烯以及這些流體的混合物組成的組中選擇的低溫流體來提供冷卻。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在所述存儲(chǔ)容器中的所述低溫流體從由液化天然氣、液氮、液氧、液態(tài)空氣、液氬和乙烯以及這些流體的混合物所組成的組中選擇。
21.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，對(duì)部分低溫流體的移除是連續(xù)的。
22.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，低溫流體是在換熱器中。
23.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，供應(yīng)給換熱器的低溫流體量被調(diào)節(jié)成在所述存儲(chǔ)容器中的保持所需的低溫流體過冷程度。
24.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括通過泵將低溫流體的移除部分重新引入存儲(chǔ)容器。
25.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述冷卻由機(jī)械制冷來提供。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述低溫流體從所述換熱器排出。
【文檔編號(hào)】F25D3/00GK104136868SQ201280065974
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月6日
【發(fā)明者】R·李 申請(qǐng)人:琳德股份公司