JP5547092B2 - 加圧液化ガス貯蔵を加熱するシステム - Google Patents

Description

本発明は、加圧液化ガスとりわけアンモニア又は塩素を貯蔵するため、及び前記ガスを高い流量で高純度ガスの形態で流通させるためのデバイスに関する。高い流量は１ｋｇ／ｈ以上、好ましくは１０ｋｇ／ｈより大きな流量を意味すると理解される。

幾つかの産業、例えば半導体、太陽電池又は光ファイバを製造する産業は、目下のところ、様々な製造段階における高純度のガスに対してさらなる要求に直面している。これらのガス、例えばＨＣｌ、Ｃｌ₂、ＨＢｒ、Ｎ₂Ｏ、ＮＨ₃、ＷＦ₆、ＢＣｌ₃、３ＭＳ（これらの少数のみに言及している）は、周囲温度で液化し、このために流通の困難さを提示している。これらの困難さは、それらの使用圧力及び／又はそれらの使用流量に直接結び付いている。

液化ガスは、互いに平衡状態にある液相と気相との２つの相からなる。この平衡は、所定の温度において、液化ガスが明確な圧力を有し、この圧力が温度の関数として各々のガスに独特な関係に従って変化することを意味する。実際のところ、温度が上昇するにつれて圧力が上昇し、その逆もある。

液化ガスの容器から気相を抜き出す際、液体の一部をガスに変換してガスを再生したほうがよい。平衡を維持するためにガスを使用するためである。その後、液体は利用可能なエネルギー（典型的には、前記容器を取り囲む外部環境からのエネルギー）を用いて沸騰し始める。抜き出し流量が大きいほど、エネルギー所要量は大きく、より大量の液体が激しく沸騰し、こうして不純物を取り込んだ液滴を気相中に同伴するおそれを生み出す。これらの液滴はガスを汚染するだけでなく、腐食現象を促進して流量調節及び圧力測定における不安定さをもたらす。利用可能なエネルギーが液体をガスに変え、こうして蒸気相を生成するのに十分でない場合、平衡を維持しなければならないので、温度（したがって圧力）が低下する。

加圧液化アンモニア（推論は他のガスと同様であろう）の場合、２０℃の温度での液体アンモニア相の気化（その蒸気圧は８．７ｂａｒである）は、アンモニア１キログラム当たり約２５０ｋｃａｌの熱（Ｑ_vapNH3）の抽出を伴う。こうして１００ｋｇ／ｈの流量でのアンモニアの気化は、２５０００ｋｃａｌ／ｈの抽出に対応する。

２００００ｋｇのアンモニアのＩＳＯコンテナでは、この熱の抽出はアンモニアの温度をΔＴ＝Ｑ_vapNH3／Ｍ_NH3 Ｃｐ_NH3だけ低下させる効果を有する。Ｍ_NH3はＩＳＯコンテナ内のアンモニアの総質量であり、Ｃｐ_NH3はその蒸気圧におけるその比熱であり、８．７ｂａｒでＣｐ_NH3＝１．１ｋｃａｌ／ｋｇ．°Ｋである。また、１００ｋｇ／ｈのアンモニアの気化は、その温度を時間当たり約１．１℃だけ低下させるであろう（ΔＴ＝２５０００／２００００×１．１）。

こうして極めて低い温度に到達することが可能である。産業界における傾向はより高いガス流量とより大きな容器とを必要とすることにあり、これは冷却問題を増加させる。最大の加圧液化ガス容器を使用することによって、多数の小さな容器のサポート及びメンテナンスがなくなり、空間が節約される。更に、容器を交換する頻度が減り、こうして容器を着脱する工程の間のより頻繁なガス漏れのおそれが減る。

この冷却はガスの蒸気圧の低下をもたらす。例えば、アンモニアの場合、蒸気圧は１５℃で６．３ｂａｒを超えず、０℃で４．３ｂａｒを超えず、−２０℃で２ｂａｒを超えないであろう。

それ故に、使用時にガスの圧力を一定に保つには、その温度を一定に保つ必要がある。このために、冷却の産出（Ｑ_vapgaz）に少なくとも等しい熱量を与える必要がある。

加熱による外部からのエネルギー供給は、観察される冷却及び圧力低下を抑えることを可能にする。したがって、幾つかの解決策が想定されるであろう。

現在使用されている第１の解決策は、ガス容器をその全高に亘って加熱し、周囲温度よりも高い一定の温度を維持することからなる。この解決策は、容器の下流にある設備の完全な追跡を必要とする。というのは、ガスが周囲温度よりも高い温度で容器を出るからである。実際のところ、このような解決策を適用することにより、ガスを周囲温度で輸送するためのパイプラインは凝縮を生じ、したがってパイプライン中の液体の存在をもたらすであろう。これは、とりわけ製品の流量に不均一性をもたらすので許容できない。

特許出願ＥＰ１５３８３９０には、液化ガスを収容したボトルのための誘導加熱システムが記載されている。特許出願ＥＰ１２９８３８１は加圧液化ガスを加熱するデバイスを記載しており、この加熱デバイスは前記容器と常に接触しており、電気的な加熱手段からなっている。特許出願ＵＳ２００２／０１２４５７５は、貯蔵デバイス（前記貯蔵デバイスの外側にある熱源により加熱される）の中にある加圧液化ガスの温度を制御する方法を記載している。

しかしながら、このようなデバイスも十分ではない。実際のところ、上で説明した出願において使用されるガスは腐食性及び可燃性であり、電気的な加熱システムを用いると、このようなガスが漏れることに関連する爆発の危険性を排除できない。また、これらの電気システムのために、例えば緊急の場合にスプリンクラー冷却システムを使用することは不可能である。貯蔵容器の燃焼、腐食及び感電死のリスクもかなりありうる。加えて、故障の場合の装備の洗浄、メンテナンス及び交換は、複雑で危険で費用がかかる。

本発明の１つの目的は、上で述べた従来技術の欠点のうちの全て又は一部を克服することである。

この目的のために、本発明の主題は、高純度加圧液化ガスを１ｋｇ／ｈ以上の流量で貯蔵及び流通させるデバイスであって、
−前記ガスの液化相Ｇ_Lを下部に収容し、気相Ｇ_gを上部に収容する容器と、
−前記ガスの気相Ｇ_gを抜き出すためのシステムと、
−使用時にガスの一定圧力を維持するように設計された加熱システムと
を具備し、
加熱システムは、容器の表面Ｓに作り付けられた回路内での熱流体Ｆの循環からなることを特徴とするデバイスである。

加えて、本発明の複数の実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る：
上に定義したデバイスは、前記回路が容器の外面Ｓ上にチューブを有することを特徴とする。好ましくは、このチューブは容器の外面に溶接されている。

上に定義したデバイスは、チューブ及び容器がステンレス鋼製であることと特徴とする。

上に定義したデバイスは、加熱システムが、容器の外面の下部４分の１を覆って分布していることを特徴とする。

上に定義したデバイスは、抜き出されるガスの流量が、１ｋｇ／ｈと１００ｋｇ／ｈの間にあり、好ましくは１０ｋｇ／ｈと５０ｋｇ／ｈの間にあることを特徴とする。

上に定義したデバイスは、容器の容量が、１トンと１００トンの間にあり、好ましくは１０トンと４０トンの間にあることを特徴とする。

上に定義したデバイスは、液体レベルインジケータが容器内にあることを特徴とする。

上に定義したデバイスは、ガスの圧力に従って加熱システム内を循環する熱流体Ｆの流量を調節する手段を具備したことを特徴とする。

上に定義したデバイスは、熱流体Ｆの温度が５０℃以下であることを特徴とする。

熱い液体を流通させるデバイスは、前記液体を収容した容器の全表面を加熱するように設計された加熱システムを必要とする。これらの液体は、加圧液化ガスの場合と同様な大きな蒸気圧を有しておらず、したがって５０℃を超える温度でこれらを加熱することができる。２つのデバイスに関する出願は、このように全く異なっており、様々なタイプのデバイス及びそれらの構成部材を比較するには、技術分野が余りにもかけ離れ過ぎている。

上に定義したデバイスは、加熱システムが組み込まれた容器の外面Ｓの少なくとも一部を覆う断熱システムを有することを特徴とする。

上に定義したデバイスは、高純度加圧液化ガスがアンモニアであることを特徴とする。

本発明の好ましい実施形態によれば、上で定義した加熱回路のチューブとデバイスの容器とは、同じ材料から作られている。前記材料は銅でもよいし、好ましくは、前記材料はステンレス鋼である。

上に定義した加熱システム内を循環する熱流体Ｆは、水、油または他の熱伝達液体から選択される。前記流体は好ましくは水である。

本発明の特定の実施形態によれば、上に定義したデバイスの容器は、セミトレーラーシャーシに据え付けられた容器である。好ましくは、前記容器はｉｓｏコンテナである。

高純度ガスは、純度が９９．９９％以上、好ましくは９９．９９９％以上、更により好ましくは９９．９９９９％のガスを意味していると理解される。

本発明の主題であるデバイスのある実施形態によれば、熱流体を再循環させる手段は加熱システムからの出口に位置している。

図面を参照して以下の説明を読めば他の特別な特徴及び利点が明らかになるであろう。

図１は、本発明に係るデバイスの長手方向の概略断面を示している。 図２は、図１に示したデバイスの詳細の線Ａに沿った断面の斜視図を示している。 図３は、本発明に係るデバイスの実施形態の他の例の概略断面図を示している。 図４は、図１乃至３に示したデバイスの詳細概略図であって、本発明に係るデバイスの容器に組み込まれた加熱システムのチューブを示している。

加圧液化ガスを貯蔵し且つ流通させるためのデバイス１が図１に示されており、容器２を具備している。容器２の下部３は貯蔵されているガスの液相Ｇ_Lで満たされており、上部４は貯蔵されているガスの気相Ｇ_gで満たされている。また、抜き出しシステム５が容器２の上部にある。この抜き出しシステム５は、本発明のデバイスに関連する用途のために使用される加圧された腐食性液化ガスの気相Ｇ_gを抜き出すように設計されている。抜き出しシステム５は、例えば容器２内部の上部４に位置するパイプからなる。したがって、このような抜き出しシステム５のために、液相に溶存している不純物は同伴されない。

容器２は腐食性のガス、例えばアンモニアを収容することがあるので、前記ガスに適合し、このガスによって腐食されない材料からなるのがよい。したがって、容器２は例えばステンレス鋼製であり、ステンレス鋼３０４が特によく適している。容器２は大きな容量を有し、例えば１０乃至５０トンの加圧された液化腐食性ガスを収容することができるＩＳＯコンテナからなり、充填又は交換は月に１度又は２度でよく、安全性に関してこのデリケートな作業の頻度を制限する。

デバイス１は容器２に組み込まれた加熱システム６を具備している。加熱システム６は気化による液体Ｇ_Lの冷却を補償する機能を有し、こうして気相Ｇ_gの圧力低下を防ぐ。好ましい方法では、図１に示すように、加熱システム６は容器２の外面の下部に位置している。したがって、この構造の目的は、液相Ｇ_Lのみを加熱して、液相Ｇ_Lへ流れる不純物を再度同伴する加熱されていない気相Ｇ_gを部分的に再凝縮させることによって、液相Ｇ_Lに溶解している不純物の気相Ｇ_gへの移動を制限することである。

デバイス１は、管路１２を通って入る液化ガスＧ_L及び管路５を通って出て行くガスを制御するバルブ１３及び１４を備えている。

また、図１に示すデバイスは容器２内に収容された液体レベルインジケータ８を含んでいる。このインジケータ８は、ユーザーに、容器２の下部３に残っている液体のレベルを知らせる機能を有する。こうして、前記ユーザーは、液体が全て気化した場合に液相中に溶存している不純物が気相に同伴されるのを防ぐために、残留液体（例えば１０％）を残すように行動するであろう。変形として、デバイス１はレベルインジケータ８の代わりに容器２の重さを量るためのシステムを含んでもいてよい。

変形として、容器２に組み込まれた加熱システム６を覆うように断熱システム１０を取り付けてもよい。容器２に適用される第１の断熱技術は以下の工程を含む：
工程ａ）：例えばアルミニウム又はＰＶＣ製の堅い漏れのない覆いを容器２の外側に５０ｍｍと２００ｍｍの間の距離で取り付ける。

工程ｂ）：ポリウレタンを工程ａ）で形成したジャケットの内部に注入する。

容器２に適用される他の断熱技術は以下の工程を含む：
工程ａ）：厚さが５０ｍｍと２００ｍｍの間にある断熱材料、例えば固体ポリウレタンのシートを容器２の外側に貼り付ける。

工程ｂ）：例えばアルミニウムまたはＰＶＣ製の覆いを前記シート上に取り付ける。

また、圧力センサ１１があってもよい。図２に示すように、このセンサ１１は接続手段９によって加熱システム６に接続されている。

図２に、その中に熱流体Ｆが循環するチューブ７からなる回路６が溶接された表面Ｓを有する容器２を具備したデバイス１を示している。

図４にチューブ７を示しており、図３に矢印で示すように、加熱された流体Ｆがチューブに入る。加熱された流体Ｆの流量は、調節バルブ１５により、それの温度に関連するガス圧力に従って調節される。ガス圧力は、容器２の下流の配管において凝縮がないように選択される。圧力は圧力センサ１１によって測定される。

流体Ｆの循環は、液化腐食性ガスの蒸気圧が５０℃の液相温度に相当する場合、及び／又は残留液体レベルが最初の体積の１０％未満になったらすぐに停止される。

加熱システム６は、容器２の表面の５％乃至９０％、好ましくはこの外面の１０％乃至５０％を覆うであろう。特に好ましい方法では、図３に図示するように、加熱システムは容器２の外面Ｓの下部４分の１をカバーする。この実施形態の例では、容器２の外面Ｓの下部４分の１に溶接されたチューブ７で熱流体Ｆの循環が起こり、９０％が使用されるまで液相の体積Ｖのみを加熱する。底部のより熱い液体が重力及び対流によって上昇する。本発明の特定の実施形態によれば、チューブ７はステンレス鋼製であり、同じくステンレス鋼製である容器２の外面Ｓに溶接されている。

流体Ｆが水である場合、容器２の表面Ｓに溶接されたチューブ７内において５０℃の最高温度で予め加熱された水を循環させることによって、入熱が行われる。加熱された流体Ｆの温度を５０℃に制限し、前記容器がいっぱいのときに危険なガス圧を生じないようにする。

加熱システム６を出て行く水の温度が３０℃（Ｔｆ）であり、加圧液化ガスと水との間でのみ熱交換が行われることを考えると、Ｑ_vapgaz ＝ Ｍ_eau × Ｃｐ_eau ×（Ｔ_i − Ｔ_F）を成立させることができる。これは、例えば、Ｍeau ＝ Ｑ_vapNH3 ／Ｃｐ_eau （Ｔ_i − Ｔ_F）＝２５０００／１×２０＝１２５０ｌ／ｈのアンモニアの場合の水の流量に相当する。

このようなデバイスは、容器を出て行く高純度の腐食性ガスと、高いガス流通流量の両方を確保することを可能にする。

得られるガスの純度はガス流通デバイスにとって重要なファクターである。実際のところ、不純物は、出発原料、漏れた場合の空気によるその汚染、又は容器の製造に由来するグリース若しくは油に由来するであろう。したがって、これは、予め洗浄され、それが収容するガスに適合し、定期的にそれが収容する腐食性ガスによる腐食生成物を容器から洗浄すべきである。液相によって引き起こされる腐食は、気相によって引き起こされるものよりも早い。図３に概略的に示す加熱システム６を用いると、液体の１０％が加熱され、それにより温度勾配がある。実際のところ、温度は容器の下部から上部へ向けて上昇する。なお、温度が高いほど腐食は大きくなるので、気相中の腐食不純物は、液相中よりも（数桁）少量である。このように、本発明に係る加熱システムは金属不純物による汚染を最小にすることを可能にし、このために電子産業又は光電子産業に適合する高純度、例えば９９．９９９９％のガスを提供することを可能にする。

本発明の特定の実施形態によれば、加熱システム６は、例えば溶接又は接着によって、容器２の外面Ｓに常時接触している。

容器２の外面Ｓに組み込まれたチューブ７内で熱流体を循環させることによる加熱のシステムは、容器の交換の間、加熱システムを熱流体入口パイプと流体出口パイプへの接続部に固定するための操作を最小限にする。

５０℃という流体の温度は、燃焼又は漏電の危険性をもたらさない。

電気加熱の場合と同様の、可燃性ガス（例えば、アンモニア）の漏れに関連する爆発の危険性はない。

緊急の場合に容器２を冷却するために自動スプリンクラーシステムを使用することも可能であり、これは電気加熱の場合にはより難しい。

本発明に係るデバイスは、アンモニアの貯蔵及び流通のみではなく、とりわけ電子工学において用いられる特殊なガスに関係する全ての用途においても適用可能である。

Claims (2)

1. 加圧高純度液化ガスを貯蔵し、貯蔵されている前記ガスの気相（Ｇg）が１ｋｇ／ｈ以上の流量で抜き出されるデバイスであって、
   −前記ガスの液化相（ＧL）を下部（３）に収容し、前記ガスの気相（Ｇg）を上部（４）に収容するステンレス鋼製の容器（２）と、
   −前記ガスの気相（Ｇg）を、前記容器（２）内から抜き出すためのシステム（５）と、
   −前記ガスの気相（Ｇg）の前記容器（２）内での圧力を計測する圧力センサ(１１)と、
   −前記容器（２）内に設けられ、前記ガスの液化相（ＧL）の前記容器（２）内でのレベルを計測する液体レベルインジケータ（８）と、
   −前記容器（２）の外面（Ｓ）の下部４分の１を覆った状態で、前記容器（２）の表面に作り付けられ、温度が５０℃以下である熱流体（Ｆ）を循環させるステンレス鋼製のチューブ（７）を有する加熱システム（６）と、
   −前記圧力センサ(１１)が計測する前記容器（２）内の前記ガスの気相（Ｇg）の圧力に従って、前記加熱システム（６）内を循環する前記熱流体（Ｆ）の流量を調節し、前記システム（５）を介して前記ガスを抜き出すときの前記ガスの気相（Ｇg）の圧力を、前記容器（２）の下流に設けられた配管内で、前記ガスが凝縮しない圧力に維持し、かつ前記液体レベルインジケータ（８）が計測した前記ガスの液化相（ＧL）のレベルが、最初に前記容器（２）内に貯蔵されていた前記ガスの液化相（ＧL）の量の１０％未満になったとき前記熱流体（Ｆ）の循環を停止する調整手段（９）と、
   −前記加熱システム（６）の少なくとも一部を覆う断熱システム（１０）と、
   を具備したことを特徴とするデバイス。
2. 前記加圧高純度液化ガスは、アンモニアであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。

Images