Ratios de conversion liquide-gaz cryogéniques : volumes, densité et dimensionnement
Ratios de conversion liquide-gaz cryogéniques pour l'azote, l'oxygène, l'argon et le LNG, avec le calcul pour dimensionner le stockage selon votre demande.
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Le ratio de conversion liquide-gaz est le volume de gaz produit par un volume de liquide cryogénique. Aux conditions normales, l'azote liquide se dilate d'environ 1 à 696, l'oxygène liquide d'environ 1 à 861, l'argon liquide d'environ 1 à 847 et le LNG d'environ 1 à 600.
Le calcul sous-jacent est simple, et tout acheteur d'équipement cryogénique en vrac devrait pouvoir le faire. Une fois connue votre demande de gaz en mètres cubes par heure, le ratio de dilatation la convertit directement en litres de liquide par heure, puis en une capacité de réservoir réaliste et une fréquence de livraison.
Qu'est-ce qu'un ratio de conversion liquide-gaz cryogénique ?
Un ratio de conversion liquide-gaz cryogénique, aussi appelé ratio de dilatation, est le volume de gaz produit par un volume de liquide lorsque ce liquide est réchauffé à une température et une pression de référence. Il s'écrit 1 pour un nombre, où ce nombre est le volume de gaz.
Le ratio est utilisé à trois endroits pratiques.
- Dimensionner la capacité de stockage par rapport à la demande de gaz d'un site et à l'intervalle de livraison souhaité
- Dimensionner les vaporiseurs et les équipements de regazéification, qui doivent délivrer un débit de gaz tout en consommant un débit de liquide
- Évaluer la sécurité en espace clos, où un petit déversement de liquide produit un grand volume de gaz
Quels sont les ratios de dilatation de l'azote, de l'oxygène, de l'argon et du LNG ?
Voici les ratios de dilatation standards utilisés dans l'industrie des gaz industriels et du LNG, tous exprimés aux conditions normales.
L'azote liquide présente un ratio de dilatation liquide-gaz d'environ 1 à 696 aux conditions normales. En se vaporisant, l'azote liquide occupe environ 696 fois son volume liquide.
L'oxygène liquide présente un ratio de dilatation liquide-gaz d'environ 1 à 861 aux conditions normales. En se vaporisant, l'oxygène liquide occupe environ 861 fois son volume liquide.
L'argon liquide présente un ratio de dilatation liquide-gaz d'environ 1 à 847 aux conditions normales. En se vaporisant, l'argon liquide occupe environ 847 fois son volume liquide.
Le LNG présente un ratio de dilatation liquide-gaz d'environ 1 à 600 aux conditions normales. En se vaporisant, le LNG occupe environ 600 fois son volume liquide.
Résumé sous forme de liste pour référence rapide.
- Azote liquide (LIN) : environ 1 à 696
- Oxygène liquide (LOX) : environ 1 à 861
- Argon liquide (LAR) : environ 1 à 847
- LNG : environ 1 à 600
Le mot environ compte. Ce sont les chiffres de référence acceptés pour les estimations d'ingénierie et l'évaluation de la sécurité. Ce ne sont pas des valeurs de règlement contractuel, et la section sur les conditions de référence ci-dessous explique pourquoi.
Comment convertir des litres de liquide en mètres cubes de gaz ?
Le calcul se résume à une simple multiplication, et la seule chose qui piège les gens est le changement d'unité entre litres et mètres cubes.
La règle à retenir est que 1 000 litres équivalent à 1 mètre cube. Ainsi, un litre d'azote liquide produit environ 696 litres de gaz, soit 0,696 mètre cube. Un mètre cube d'azote liquide produit environ 696 mètres cubes de gaz.
Exemples chiffrés
- Un réservoir d'azote liquide de 20 000 litres, rempli complètement, contient 20 000 multiplié par 696, soit 13 920 000 litres de gaz, ce qui équivaut à 13 920 mètres cubes de gaz azote
- Un réservoir d'oxygène liquide de 20 000 litres contient 20 000 multiplié par 861, soit 17 220 000 litres, ce qui équivaut à 17 220 mètres cubes de gaz oxygène
- Une cuve d'argon liquide de 1 000 litres contient 1 000 multiplié par 847, soit 847 000 litres, ce qui équivaut à 847 mètres cubes de gaz argon
- Un réservoir de LNG de 20 mètres cubes contient 20 multiplié par 600, soit 12 000 mètres cubes de gaz naturel
Comment remonter de la demande de gaz à la consommation de liquide ?
C'est le sens de calcul le plus important pour un acheteur, car les sites mesurent leur demande en unités de gaz alors que les fournisseurs vendent du liquide. Divisez la demande de gaz par le ratio de dilatation pour obtenir le volume de liquide requis.
Exemple azote
Supposons qu'un site consomme 300 mètres cubes par heure de gaz azote.
- Liquide requis par heure : 300 divisé par 696, soit 0,431 mètre cube, ce qui équivaut à 431 litres par heure
- Sur 24 heures de fonctionnement continu : 431 multiplié par 24, soit 10 344 litres par jour, environ 10,3 mètres cubes d'azote liquide par jour
- Sur un intervalle de livraison de 7 jours : 10 344 multiplié par 7, soit 72 408 litres de liquide utile
Exemple oxygène
Un site consommant 500 mètres cubes par heure de gaz oxygène a besoin de 500 divisé par 861, soit 0,581 mètre cube par heure, ce qui équivaut à 581 litres d'oxygène liquide par heure, soit environ 13 940 litres par jour en fonctionnement continu.
Comment le ratio de conversion liquide-gaz détermine-t-il la taille du réservoir de stockage ?
Une fois connue la consommation quotidienne de liquide, le dimensionnement du réservoir devient une question de durée souhaitée entre deux livraisons et de la part réellement utilisable du réservoir.
En poursuivant l'exemple de l'azote, avec 10 344 litres par jour et un intervalle de livraison de 7 jours, le site a besoin de 72 408 litres de liquide utile entre deux livraisons. Le volume utile n'est pas identique à la capacité géométrique. Si votre pratique d'exploitation consiste à commander un réapprovisionnement lorsque le réservoir atteint 20 pour cent et à remplir jusqu'à 90 pour cent, alors seulement environ 70 pour cent de la capacité géométrique est utilisable, donc le réservoir requis est d'environ 72 408 divisé par 0,70, soit environ 103 000 litres.
Plusieurs corrections s'appliquent ensuite à ce premier chiffre.
- Évaporation : les réservoirs cryogéniques fixes modernes perdent environ 0,2 à 0,6 pour cent de leur contenu par jour selon la taille et l'isolation, donc les sites à faible soutirage continu doivent en tenir compte
- Demande de pointe : un réservoir dimensionné sur la consommation moyenne peut tout de même échouer à couvrir une courte période de fort débit, une question de vaporiseur et de régulation de pression autant que de capacité
- Croissance future : un réservoir dimensionné précisément pour la demande actuelle devient la contrainte de la prochaine augmentation de production
Pour une consommation faible à modérée, ce calcul oriente souvent vers une cuve MicroBulk plutôt qu'un réservoir en vrac complet. Pour une consommation élevée ou croissante, il oriente vers une cuve en vrac plus grande ou une paire en réseau.
Pourquoi le ratio de dilatation compte-t-il pour la sécurité en espace clos ?
Le même calcul qui rend le stockage cryogénique économique rend les déversements cryogéniques dangereux en intérieur. Un petit volume de liquide déversé devient un grand volume de gaz, et l'azote et l'argon sont incolores et inodores, donc il n'y a aucun avertissement.
Prenons un déversement de 10 litres d'azote liquide. À 1 pour 696, cela produit 6 960 litres de gaz azote, soit environ 7 mètres cubes. Dans une pièce fermée de 5 mètres sur 4 mètres sur 2,5 mètres, le volume de la pièce est de 50 mètres cubes. En supposant que le gaz libéré se mélange et déplace un volume égal d'air, la fraction d'air restante est (50 moins 7) divisé par 50, soit environ 0,86. L'air normal contient environ 20,9 pour cent d'oxygène, donc la concentration en oxygène chute à environ 18 pour cent.
De nombreux régimes nationaux considèrent une concentration en oxygène inférieure à environ 19,5 pour cent comme une carence en oxygène. Dans cet exemple, un déversement de 10 litres dans une petite pièce suffit à franchir ce seuil, et un déversement plus important ou un espace plus petit le franchit bien plus vite.
Les conclusions pratiques découlent directement du ratio.
- Implanter les cuves en vrac en extérieur, ou dans des espaces ventilés pour le volume de rejet crédible
- Installer une détection d'oxygène là où des liquides cryogéniques inertes sont manipulés en espace clos ou partiellement clos
- Traiter les fosses, tranchées, sous-sols et cages d'escalier comme des points d'accumulation, car le gaz froid est initialement dense
- Appliquer le même calcul en sens inverse pour l'oxygène liquide, où un déversement enrichit l'atmosphère et rend les matériaux environnants beaucoup plus facilement inflammables
- Utiliser le ratio de dilatation lors de la rédaction de l'évaluation des risques, afin que le volume de rejet évalué soit calculé plutôt que supposé
Pourquoi les ratios de conversion liquide-gaz publiés diffèrent-ils légèrement ?
Vous trouverez des chiffres légèrement différents selon les références, et la différence tient presque toujours à la condition de référence plutôt qu'à une erreur.
- Température de référence : le volume de gaz dépend de la température, et différentes normes utilisent 0, 15 ou 20 degrés Celsius comme référence. Une température de référence plus élevée donne un volume de gaz plus grand et donc un ratio plus élevé
- Pression de référence : normalement une atmosphère, mais pas toujours indiquée explicitement
- État du liquide : la densité du liquide utilisée peut être celle du point d'ébullition normal ou celle d'une pression de stockage typique, qui ne sont pas identiques
- Composition : le LNG est un mélange, principalement du méthane avec des quantités variables d'éthane, de propane et d'azote selon la source. Son ratio de dilatation varie donc avec la composition de la cargaison, ce qui explique pourquoi le chiffre est donné comme environ 1 à 600 plutôt que comme une valeur exacte
Pour le dimensionnement d'ingénierie et l'évaluation de la sécurité, les ratios ci-dessus sont les bons chiffres de travail. Pour le transfert de propriété et la facturation, utilisez les valeurs et conditions de référence inscrites dans votre contrat de fourniture, car ce sont ces chiffres qui règlent le compte.
Qu'en est-il de la conversion en masse ?
De nombreux contrats de fourniture sont rédigés en kilogrammes ou en tonnes plutôt qu'en litres. Convertir entre masse, volume de liquide et volume de gaz nécessite la densité du liquide spécifique à sa condition de stockage réelle, et pour le LNG, également la composition de la cargaison. Reprenez ces valeurs de densité dans la fiche technique de votre fournisseur de gaz pour le produit tel que livré.
Comment le ratio s'applique-t-il au dimensionnement des vaporiseurs et de la regazéification ?
Un vaporiseur est dimensionné en débit de gaz, généralement en mètres cubes normaux par heure, mais il consomme du liquide. Le ratio de dilatation relie la demande de gaz du site au débit de liquide traversant le vaporiseur, et c'est la première étape de tout calcul de dimensionnement.
- Partez de la demande de gaz de pointe, pas de la demande moyenne, car un vaporiseur dimensionné sur des moyennes prendra du retard pendant les pointes et livrera du gaz froid en aval
- Convertissez la demande de gaz de pointe en débit de liquide à l'aide du ratio de dilatation du produit
- Appliquez les conditions ambiantes du site d'installation, car la capacité d'un vaporiseur à air ambiant chute avec une température d'air plus basse et une humidité plus élevée
- Prévoyez des unités en service et en secours avec commutation pour que chacune puisse dégivrer, et dimensionnez la paire pour le cas de service plutôt que de supposer un fonctionnement continu des deux
- Pour la regazéification de LNG, confirmez la température et la pression de livraison requises en aval, car elles déterminent la puissance thermique autant que le débit
Questions fréquentes
Quel est le ratio de dilatation liquide-gaz de l'azote liquide ?
L'azote liquide se dilate d'environ 1 à 696 aux conditions normales, ce qui signifie qu'un volume de liquide produit environ 696 volumes de gaz. Un litre d'azote liquide donne donc environ 696 litres, soit 0,696 mètre cube, de gaz azote. Un réservoir plein de 20 000 litres contient environ 13 920 mètres cubes d'équivalent gaz.
Quel est le ratio de dilatation liquide-gaz de l'oxygène liquide ?
L'oxygène liquide se dilate d'environ 1 à 861 aux conditions normales. Un litre d'oxygène liquide produit environ 861 litres de gaz oxygène, donc une cuve pleine de 20 000 litres contient environ 17 220 mètres cubes d'équivalent gaz. Le même ratio est utilisé pour évaluer le risque d'enrichissement lors d'un déversement d'oxygène.
Quel est le ratio de dilatation de l'argon liquide ?
L'argon liquide se dilate d'environ 1 à 847 aux conditions normales, donc un litre d'argon liquide produit environ 847 litres de gaz argon. L'argon est inerte, incolore et inodore, donc le même chiffre de dilatation sert à évaluer le risque de déplacement de l'oxygène en espace clos.
Combien de mètres cubes de gaz naturel un mètre cube de LNG produit-il ?
Le LNG se dilate d'environ 1 à 600 aux conditions normales, donc un mètre cube de LNG produit environ 600 mètres cubes de gaz naturel. Le chiffre est donné comme approximatif car le LNG est un mélange dont la composition varie selon la source, ce qui décale légèrement le ratio exact d'une cargaison à l'autre.
Comment convertir ma demande de gaz en consommation de liquide par jour ?
Divisez la demande horaire de gaz par le ratio de dilatation pour obtenir le volume horaire de liquide, puis multipliez par les heures de fonctionnement. Par exemple, 300 mètres cubes par heure de gaz azote divisés par 696 donnent 0,431 mètre cube par heure de liquide, soit 431 litres par heure, ou 10 344 litres sur 24 heures de fonctionnement continu.
Pourquoi différentes sources donnent-elles des ratios de dilatation légèrement différents ?
La raison principale est la température et la pression de référence utilisées pour le volume de gaz, qui peuvent être de 0, 15 ou 20 degrés Celsius selon la norme appliquée. La condition de densité du liquide compte aussi, et pour le LNG la composition varie selon la source. Utilisez ces chiffres pour l'ingénierie et la sécurité, et les valeurs du contrat pour la facturation.
Quel volume de gaz produit un déversement d'azote liquide dans une pièce ?
Multipliez le volume de liquide déversé par 696. Dix litres d'azote liquide produisent environ 6 960 litres, soit près de 7 mètres cubes de gaz. Dans une pièce fermée de 50 mètres cubes avec mélange, cela abaisse l'oxygène d'environ 20,9 pour cent à environ 18 pour cent, en dessous du seuil généralement considéré comme une carence en oxygène.
Le ratio de dilatation tient-il compte des pertes par évaporation ?
Non. Le ratio de dilatation décrit seulement la quantité de gaz produite par un volume donné de liquide. L'évaporation est une perte distincte, typiquement de l'ordre de 0,2 à 0,6 pour cent du contenu par jour pour les réservoirs cryogéniques fixes modernes selon la taille et l'isolation, et elle doit être ajoutée en plus lors de la planification de la consommation et des intervalles de livraison.
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