Procédé et dispositif de régulation d'un débit de CO2 liquide, et application à un tunnel de refroidissement

Description

[0001] La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de régulation d'un débit de CO₂ liquide dans une conduite distributrice pourvue d'une vanne régulatrice et menant jusqu'à au moins un poste d'injection de CO₂.

[0002] Le CO₂ (anhydride carbonique) est utilisé pour de nombreux procédés, dans le domaine industriel d'une part (par exemple : carbonatation en chimie, neutralisation d'agents basiques et régulation de pH dans le traitement de l'eau), dans le domaine agroalimentaire d'autre part (par exemple : refroidissement et surgélation rapides, contrôle de température).

[0003] Pour ces applications, compte tenu des besoins, le CO₂ est le plus souvent livré sous forme liquéfiée et stocké sous cette forme dans un réservoir.

[0004] Les caractéristiques des procédés nécessitent de pouvoir adapter le débit de CO₂ à la charge à traiter ; on est donc amené à réguler le débit de CO₂ en fonction des paramètres caractéristiques du procédé : mesure du pH en traitements d'eau, mesure de température en traitements cryogéniques, par exemple.

[0005] La méthode de régulation qui est théoriquement la plus précise et la plus économique à l'égard de la consommation de CO₂ est celle consistant à réguler de façon continue le débit de CO₂ liquide à l'aide d'une vanne pilotée à ouverture variable, commandée par un régulateur à action proportionnelle, dérivée et intégrale. Le principe d'une telle vanne est de présenter une restriction à l'écoulement du fluide. La section de cette restriction est ajustée à l'aide d'un élément obturateur, se déplaçant de façon continue entre deux positions etrêmes sous l'effet d'une énergie électrique ou pneumatique.

[0006] Le CO₂ se présente en amont de cette vanne à une pression proche de celle du réservoir, soit 11 à 60 x 10⁵ Pa suivant les cas. La restriction de section provoque, selon les lois de l'écoulement des fluides, une perte de pression d'autant plus importante que la section de passage à l'obturateur est faible. Lorsque, temporairement, le fonctionnement du procédé est tel que le besoin en CO₂ est minimal, la vanne prend une position proche de sa fermeture totale. La restriction de section est alors maximale, et la chute de pression au passage de l'obturateur est suffisamment importante pour que la pression du CO₂en aval de la vanne prenne des valeurs inférieures à 5,2 x 10⁵ Pa.

[0007] Cette valeur de 5,2 x 10⁵ Pa correspond à la pression du point triple du CO₂, valeur en-deçà de laquelle le CO₂ liquide se tranforme instantanément en un mélange de CO₂ gazeux et de CO₂ solide (neige carbonique).

[0008] Or, les caractéristiques de construction des vannes de régulations utilisables pour ces procédés sont telles que le faible diamètre et la forme tortueuse des tuyauteries immédiatement en aval de l'obturateur conduisent à un bouchage immédiat dès l'apparition de neige carbonique.

[0009] Il s'ensuit qu'en pratique, ces vannes de régulation ne sont que rarement utilisables pour la régulation d'un débit de CO₂ liquide,et que les solutions habituellement adoptées font appel à d'autres techniques : la régulation en tout ou rien, peu précise, ou, lorsque l'application ne nécessite pas du CO₂ liquide, l'utilisation d'un vaporiseur en amont de la vanne de régulation, ce qui constitue une technique coûteuse en investissement et en énergie.

[0010] Le document FR-A-2.142.309 décrit un dispositif atomiseur de CO₂ liquide comportant une conduite distributrice de CO₂ liquide pourvue d'une valve à actionnement tout ou rien, telle que susmentionné, fonctionnant en alternance avec une valve en tout ou rien d'une canalisation d'amenée de CO₂ gazeux fournissant, en sortie du dispositif, un courant gazeux de pré-pressurisation de cette sortie.

[0011] L'invention a pour but de permettre dans tous les cas, de façon simple et fiable, l'utilisation d'une vanne pilotée de façon continue.

[0012] A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'on maintient, de façon permanente pendant toute l'opération de délivrance du débit de CO₂, au moins dans la partie de la conduite en aval de ia vanne, jusqu'à proximité du point d'injection de CO₂, une pression intermédiaire supérieure à la pression du point triple du CO₂ et en ce que avant de relier la conduite distributrice à un réservoir de CO₂ liquide, on injecte dans cette conduite, en amont et en aval de la vanne, du CO₂ gazeux à une pression comprise entre la pression du point triple et ladite pression intermédiaire.

[0013] L'invention a également pour objet un dispositif de régulation d'un débit de CO₂ liquide pour la mise en oeuvre d'un tel procédé, tel que défini dans la revendication 2.

[0014] Le document GB-A-807.088 décrit un dispositif de pressurisation d'un récipient par du CO₂ provenant d'une source de CO₂ liquide, le dispositif comprenant un obturateur coopérant avec un orifice de détente du CO₂ liquide et couplé à une membrane de façon à être maintenu normalement ouvert tant que la pression de gaz dans le récipient ne dépasse pas une valeur déterminée.

[0015] Quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels :

• la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention;
• la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du déverseur de ce dispositif;
• la figure 3 est une vue partielle en coupe longitudinale, à plus grande échelle, d'une variante de ce déverseur;
• les figures 4 et 5 illustrent schématiquement des applications du procédé suivant l'invention.

[0016] Le dispositif de régulation représenté à la figure 1 est destiné à fournir un débit variable de CO₂ en un point d'injection A à partir d'un réservoir de stockage 2 dans lequel est maintenue une pression PS nettement supérieure à la pression PT du point triple du CO₂ (5,2 bars), et généralement comprise entre 11 et 60 bars. Le point A se trouve à une pression PO déterminée, par exemple sensiblement égale à la pression atmosphériqué, mais de toute façon inférieure à PT.

[0017] Le dispositif de régulation 1 comprend une conduite de liquide 3 thermiquement isolée s'étendant de la partie inférieure du réservoir 2 à un déverseur 4. Une vanne pilotée 5 est interposée dans cette conduite et définit dans celle-ci un tronçon amont 6, du réservoir à la vanne, et un tronçon aval 7, de la vanne au déverseur. Cette vanne comporte un obturateur dont la position peut varier de façon continue entre une positon d'ouverture maximale et une position de fermeture totale, sous l'action d'un moteur 8. Ce dernier est commandé par un régulateur 9 qui reçoit d'un instrument de mesure 10 (par exemple un pH mètre ou un thermomètre) un signal représentatif de la grandeur pilote.

[0018] Le déverseur 4 (figure 2) comprend un boitier 11 divisé en deux chambres par une membrane 12. Un ressort hélicoïdal 13, dont la force est réglable au moyen d'une vis 14, est disposé dans l'une de ces chambres, tandis que l'autre chambre (la chambre inférieure sur la figure 2) reçoit le fluide contenu dans le tronçon de conduite 7. Dans cette autre chambre, une tige d'obturateur 15 est solidaire de la membrane et se termine par un obturateur 16 coopérant avec un siège 17 situé à l'entrée de l'orifice de sortie 18 du déverseur. Les éléments 13 à 18 sont tous coaxiaux.

[0019] Ainsi, l'obturateur 16 se soulève de son siège si et seulement si la pression régnant dans la chambre inférieure du déverseur dépasse la pression correspondant à la force du ressort 13. On peut donc régler la vis 14 de façon que cette ouverture se produise lorsque la pression dans le tronçon 7 est au moins égale à une pression intermédiaire PI supérieure à la pression PT.

[0020] Une conduite de CO₂ gazeux 19 part de la partie supérieure du réservoir 2 et comporte, d'amont en aval, une vanne d'arrêt 20 et un détendeur 21. Ce dernier délivre en aval une pression P2 supérieure à PT mais inférieure à PI. En aval du détendeur 21, la conduite 19 se divise en deux branches 22 et 23 aboutissant respectivement dans les tronçons 6 et 7 respectivement de la conduite 3. Chaque branche est équipée d'un clapet anti-retour 24 n'autorisant la circulation de fluide que du détendeur 21 vers la conduite 3.

[0021] En fonctionnement, on procède tout d'abord au conditionnement du dispositif à la pression P2 en ouvrant la vanne 20. On garantit ainsi qu'en aucun point du dispositif, la pression ne descendra au-dessous du point triple du CO₂.

[0022] Puis, par une commande de mise en service non représentée, on admet le CO₂ liquide dans la conduite 3. Le déverseur 4 s'ouvre lorsque la pression dans le tronçon 7 est supérieure à la valeur PI, et un jet de neige carbonique sort alors de l'orifice 18. L'évacuation de cette neige s'effectue sans entrave grâce à la disposition de l'orifice 18 dans l'axe du système membrane-obturateur.

[0023] En variante (figure 3), dans les cas où la neige carbonique nécessite d'être véhiculée dans une courte portion du tuyauterie avant d'atteindre le point d'injection A, on relie à l'orifice 18 un tuyau 25 ne présentant ni aspérité interne ni coude prononcé. Le diamètre intérieur du tuyau 25 est sur toute sa longueur sensiblement égal à celui de l'orifice 18 et n'offre pas de restriction de section à l'écoulement du mélange gaz-solide.

[0024] Une application de la variante de la figure 3 est illustrée schématiquement à la figure 4. Il s'agit de la régulation, à partir d'une mesure de pH, d'un débit de CO₂ liquide injecté dans une canalisation d'eau résiduaire 26 pour y neutraliser un effluent basique.

[0025] Le tuyau 25 débouche dans un venturi 27 destiné à injecter et disperser la neige carbonique dans le débit d'eau.

[0026] On a représenté à la figure 5 une variante du dispositif de la figure 1 dans laquelle le tronçon de conduite 7 se divise en trois branches 7A à 7C aboutissant chacune à un déverseur respectif 4A à 4C. Ceci permet de fournir du CO₂ en plusieurs points d'injection et, en adoptant des réglages de pression différents pour chaque déverseur, d'injecter des débits de CO₂ réglables individuellement pour chaque point d'injection.

[0027] Cette possibilité est particulièrement intéressante pour, par exemple, réaliser des zones plus ou moins froides dans un tunnel longitudinal de surgélation de produits alimentaires, comme illustré à la figure 5.

[0028] Dans cette application, la régulation de la vanne 5 est effectuée à partir d'une mesure de température unique effectuée près de la sortie du tunnel. Le CO₂ est injecté en parallèle par les déverseurs 4A à 4C afin de répartir l'apport frigorifique sur la longueur du tunnel 28. En régime permanent, le déverseur 4A situé du côté de l'entrée 29 des produits à traiter, véhiculés par un convoyeur à bande 30, génère un débit de CO₂ supérieur aux autres du fait de son réglage sur une pression PI-A plus faible. De même, lorsque l'installation est proche de son débit minimal (position de veille entre deux phases de traitement), ce premier déverseur pourra être le seul à débiter.

[0029] L'agencement de la figure 5 permet d'obtenir de façon simple et économique une régulation fiable et précise du processus de surgélation.

[0030] L'invention peut s'appliquer à de nombreux autres procédés consommant du CO₂. Elle est particulièrement bien adaptée pour les applications nécessitant un débit notable de CO₂ (au moins 100 kg/h), délivré de façon quasi-continue et à un taux variable dans un rapport de 1 à 5 environ.

Revendications

1. Procédé de fourniture d'un débit variable de CO₂ liquide à au moins un poste d'injection (A) via une conduite distributrice de CO₂ liquide (3) pourvue d'une vanne régulatrice pilotée à section variable (5), dans lequel on délivre le débit de CO₂ liquide au poste d'injection (A) au moyen d'un déverseur (4) s'ouvrant lorsque la pression en aval de la vanne (5) est supérieure à une pression déterminée (PI) supérieure à la pression (PT) du point triple du CO₂, de façon à maintenir en permanence, au moins dans la partie de la conduite (3) en aval de la vanne (5) une pression supérieure à celle du point triple du CO₂ et dans lequel avant de relier la conduite (3) à un réservoir (2) de CO₂ liquide, on injecte dans cette conduite, en aval de la vanne (5), du CO₂ gazeux à une pression (P2) comprise entre la pression (PT) du point triple et la pression déterminée (PI), et en ce qu'on injecte également du CO₂ gazeux à ladite pression (P2) dans la partie de la conduite (3) en amont de la vanne (5).

2. Dispositif de fourniture d'un débit variable de CO₂ liquide à un poste d'injection de CO₂ (A), comprenant un réservoir (2) de CO₂ sous pression relié à une conduite (3) distributrice de CO₂ liquide, comportant une vanne régulatrice pilotée à section variable (5), et à une conduite (19) de soutirage gazeux comportant un détendeur (21) et aboutissant, via un premier clapet anti-retour (24), dans une partie aval (7) de la conduite de distribution (3) en aval de la vanne (5), caractérisé en ce qu'il comporte, en amont du poste d'injection (A), au moins un déverseur (4) dans lequel aboutit la partie aval (7) de la conduite distributrice (3), le déverseur (4) étant du type à membrane (12) portant un obturateur (16) coopérant avec un siège (17) d'éjection de sortie de CO₂, la membrane étant sollicitée dans le sens de fermeture du clapet par un ressort (13) réglable (en 14) taré de façon que l'obturateur (16) ne s'ouvre que lorsque la pression du CO₂ dans la partie aval (7) de la conduite distributrice (3) est supérieure à une pression (P_I) supérieure à la pression (P_T) du point triple du CO₂ et en ce que la conduite (19) de soutirage gazeux débouche également, via un second clapet anti-retour (24), dans une partie amont (6) de la conduite distributrice (3), en amont (6) de la vanne régulatrice (5).

3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'un tuyau (25) ayant sensiblement le même diamètre intérieur que le siège de sortie (18) du déverseur s'étend de ce siège jusqu'au point d'injection du CO₂ dans le poste d'injection.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point d'injection est constitué par un venturi (27) disposé dans une canalisation d'eau résiduaire (26).

5. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que la partie aval (7) de la conduite distributrice (3) comporte au moins deux embranchements (7A, 7B, 7C) aboutissant chacun à un déverseur à membrane (4A, 4B, 4C).

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins un (4A) des déverseurs (4A-4C) est réglé à une pression d'ouverture (Pl.A) plus faible que le ou les autres déverseurs.

7. Tunnel de refroidissement de produits alimentaires (28), caractérisé en ce qu'il est alimenté en CO₂ par un dispositif selon l'une des revendications 2 à 6.

Ansprüche

1. Verfahren zum Liefern eines variablen Mengenstroms von flüssigem CO₂ an wenigstens einen Abgabepunkt (A) über eine Zufuhrleitung (3) für flüssiges CO₂, die mit einem in Bezug auf seinen Querschnitt variablen Regelventil (5) versehen ist, bei dem der Mengenstrom von flüssigem CO₂ an den Abgabepunkt (A) mittels einer Abgabeeinrichtung (4), die sich öffnet, wenn der Druck stromabwärts von dem Ventil (5) höher ist als ein vorbestimmter Druck (PI), der höher ist als der Druck (PT) am CO₂-Tripelpunkt, derart geliefert wird, daß wengistens in dem Abschnitt der Leitung (3) stromabwärts von dem Ventil (5) ein Druck durchgehend aufrechterhalten wird, der höher ist als derjenige am CO₂-Tripelpunkt und bei dem vor dem Anschließen der Leitung (3) an einen Vorratsbehälter (2) mit flüssigem CO₂ in diese Leitung stromabwärts von dem Ventil (5) CO₂-Gas unter einem Druck (P2) eingeleitet wird, der zwischen dem Druck (PT) am Tripelpunkt und dem vorbestimmten Druck (PI) liegt, und daß man außerdem CO₂-Gas mit diesem Druck (P2) in den Abschnitt der Leitung (3) einspeist, der stromaufwärts von dem Ventil (5) liegt.

2. Vorrichtung zur Lieferung eines variablen Mengenstroms von flüssigem CO₂ an einen CO₂-Abgabepunkt (A), mit einem Vorratsbehälter (2) für unter Druck stehendes CO₂, der an eine Zufuhrleitung (3) für CO₂ angeschlossen ist, die ein querschnittsveränderliches Regelventil (5) enthält, und mit einer Gasabgabeleitung (19), die einen Druckminderer (21) enthält, und über ein erstes Rlückschlagvenitl (24) in einen stromabwärtigen Abschnitt (7) der Zufuhrleitung (3) stromabwärts von dem Ventil (5) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß sie stromaufwärts von dem Abgabepunkt (A) wengistens eine Abgabeeinrichtung (4) umfaßt, in die der stromabwärtige Abschnitt (7) der Zufuhrleitung (3) mündet, wobei die Abgabeeinrichtung (4) eine Abgabeeinrichtung mit Membran (12) ist, die ein Verschlußorgan (16) trägt, das mit einem ausgangsseitigen CO₂-Auslaßsitz zusammenwirkt, wobei die Membran in Schließrichtung des Rückschlagventils durch eine einstellbare (bei 14) Feder (13) vorgespannt ist, die derart gespannt ist, daß das Verschlußorgan (16) sich nur öffnet, wenn der CO₂-Druck im stromabwärtigen Abschnitt (7) der Zufuhrleitung (3) höher ist als ein Druck (PI), der höher ist als der Druck (PT) am CO₂-Tripelpunkt und die Gasabgabeleitung (19) über ein zweites Rückschlagventil (24) ebenfalls in einen stromaufwärtigen Teil (6) der Zufuhrleitung (3), stromaufwärts (6) von dem Regelventil (5), mündet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlauch (25), der im wesentlichen denselben Innendurchmesser aufweist wie der Auslaßsitz (18) der Abgabeeinrichtung, sich von diesem Sitz bis zum CO₂-Abgabepunkt erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgabepunkt durch ein Venturirohr (27) gebildet wird, das in einer Abwasserkanalisation (26) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabwärtige Abschnitt (7) der Zufuhrleitung (3) wenigstens zwei Zweigleitungen (7A, 7B, 7C) umfaßt, die jeweils in einer Membranabgabeeinrichtung (4A, 4B, 4C) münden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine (4A) der Abgabeeinrichtungen (4A-4C) auf einen Öffnungsdruck (PI-A) eingestellt wird, der geringer ist als derjenige des oder der weiteren Abgabeeinrichtungen.

7. Kühltunnel (28) für Lebensmittelprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß er mit CO₂ durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 versorgt wird.

Claims

1. Process for supplying a variable flowrate of liquid CO₂ to at least one injection station (A) via a liquid CO₂ distributor pipe (3) provided with a controlled regulator valve of variable cross-section (5), in which the stream of liquid CO₂ is delivered to the injection station (A) by means of a discharge unit (4) opening when the pressure downstream of the valve (5) is higher than a determined pressure (PI) higher than the pressure (PT) of the triple point of the CO₂, so as to maintain continuously, at least in the part of the pipe (3) downstream of the valve (5), a pressure higher than that of the triple point of the CO₂, and in which, before connecting the pipe (3) to a reservoir (2) of liquid CO₂, gaseous CO₂ at a pressure (P2) between the pressure. (PT) of the triple point and the determined pressure (PI) is injected into this pipe downstream of the valve (5), and in that gaseous CO₂ at the said pressure (P2) is also injected into the part of the pipe (3) upstream of the valve (5).

2. Device for supplying a variable flowrate of liquid CO₂ to a CO₂ injection station (A), comprising a reservoir (2) of CO₂ under pressure connected to a liquid CO₂ distributor pipe (3), comprising a controlled regulator valve of variable cross-section (5), and to a gaseous tapping pipe (19) comprising a pressure relief valve (21) and terminating, via a first non-return valve (24), in a downstream part (7) of the distribution pipe (3) downstream of the valve (5), characterised in that it comprises, upstream of the injection station (A), at least one discharge unit (4) in which terminates the downstream part (7) of the distributor pipe (3), the discharge unit (4) being of the type with diaphragm (12) bearing a closing device (16) interacting with a CO₂ outlet ejection seating (17), the diaphragm being pushed in the direction of closure of the valve by a spring (13) adjustable at (14) calibrated so that the closing device (16) opens only when the pressure of the CO₂ in the downstream part (7) of the distributor pipe (3) is higher than a pressure (P_I) higher than the pressure (P_T) of the triple point of the CO₂, and in that the pipe (19) for gaseous tapping also opens, via a second non-return valve (24), into an upstream part (6) of the distributor pipe (3), upstream (6) of the regulator valve (5).

3. Device according to Claim 2, characterised in that a pipe (25) having substantially the same internal diameter as the outlet seating (18) of the discharge unit extends from this seating as far as the point of injection of the CO₂ into the injection station.

4. Device according to Claim 3, characterised in that the injection point is constituted by a venturi (27) disposed in a waste water pipe system (26).

5. Device according to any of Claims 2 or 3, characterised in that the downstream part (7) of the distributor pipe (3) comprises at least two branches (7A, 7B, 7C) each terminating at a discharge unit with diaphragm (4A, 4B, 4C).

6. Device according to Claim 5, characterised in that at least one (4A) of the discharge units (4A-4C) is set at an opening pressure (PI.A) lower than the other discharge unit or units.

7. Tunnel for cooling food products (28), characterised in that it is fed with CO₂ by a device according to any of Claims 2 to 6.

Dessins