JPH0370977A - 複式空気精留塔用蒸発凝縮装置及びそのような装置を有する空気精留設備 - Google Patents

複式空気精留塔用蒸発凝縮装置及びそのような装置を有する空気精留設備

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JPH0370977A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、空気精留設備の蒸発凝縮器に関するものであ
る。本発明はまず、低圧塔の液溜め内に配置された少く
とも１個の主熱交換器を有する種類の複式空気精留塔用
の、酸素気化・窒素凝縮装置に関し、該熱交換器は流下
式であって、多くの酸素通路、該酸素通路に過剰に液体
酸素を流下させる手□、気化酸素の全竜と過剰な液体酸
素を該通路の下端から排出する手段、酸素通路と間接熱
交換関係にある多くの窒素通路、該窒素通路に中圧塔か
ら出るガス状窒素を供給する手段、及び凝縮された窒素
を中圧塔内に再送する手段を有している。
（従来技術） 複式空気精留設備では、低圧塔の液溜めにある液体酸素
は、中圧塔の頂部で採取されたガス状窒素との熱交換に
よって気化される。低圧塔の与えられた運転圧力につい
て、熱交換器の構造によって必要となる酸素と窒素との
間の温度差は、中圧塔の運転圧力に影響を与える。した
がって、この温度差は、中圧塔に吹き込まれる処理空気
の圧縮に関する費用を最低にするためには、できるだけ
小さいことが望まれる。
流下式蒸発凝縮器は、そのすぐれた熱交換性能によって
非常に有効であり、本出願人名義のヨーロッパ特許出願
公開第１３０．１２２号に記載された技術によって、信
頼性のある経済的方法で製作できる。
しかしながら、次のような問題も提起されている。
偶発事件（瞬間的停電、機械の故障、等）につずく又は
、計画された空気精留設備の停止時には、上部塔（低圧
塔）及び場合によっては複式精留塔に組合されたアルゴ
ン混合物塔の精留板上に貯えられた液体、さらにはリッ
チ液体（中圧塔底部にある酸素に富む液体空気）の再上
昇弁の操作について何の対策もとられないならば、下部
塔（中圧塔）の精留板上に貯えられた液体も、低圧塔の
液溜め内、正確には蒸発凝縮器が設けられている場所に
注入されるようになる。
高純度で、高収率が要求される装置では、精留板の数は
著しく多く、したがって設備停止時に、低圧塔の液溜め
内に突然排出される“負荷液体”（正常な運転に必要な
精留板の一種の負荷をこのように呼ぶ）は、数メートル
の高さを示すであろう。熱交換器が低圧塔の液溜め内に
配置され、かつガス状酸素と同様に液体酸素の取出しが
熱交換器の下部から行えないときには、そのとき少くと
も部分的に浸漬されている熱交換器は、設備の運転再開
時に再開することは不可能である。
したがって停止の直後、数時間後、さらには数日後でも
装置の運転再開は、液溜めにまだ存在する液体は、いろ
いろな精留塔の精留板に直ちに再負荷して“負荷液体”
を構成できるので歓迎されるのに、その液体を事前に排
出する必要がある。
液溜めに集められた液体の排除なしに蒸発凝縮器が再開
できるには、集められた液体が、熱交換器′の下部に到
達しないように低圧塔の液溜め底部から十分な高さをも
って熱交換器を設けるか、低圧塔の付属物とし”Ｃか突
出部として低圧塔の外側に液体の滞留部を設けることが
考４えられる。しかしながら、これらの解決法は、通常
の運転に全（不要な大きな寸法の空間を用いることを必
要とするであろうし、このこεは投資の過剰な費用を意
味するであろう。
（発明が解決しようとする課題） 本発明は、比較的経済的なやり方で熱交換器の運転再開
の問題を解決することを目的としている。
（課題を解決するための手段） このため、本発明の装置は、前記種類の蒸発凝縮器にお
いて、主熱交換器が、復式精留塔の運転停止時に少くと
も部分的に液体に浸漬されるように配置されること、及
び装置が、主熱交換器が、少くとも部分的に液体に浸漬
されているときに液体の気化のみを保証するのに適した
少くとも１個の補助熱交換器を有することを特徴として
いる。
第１の実施態様では、補助熱交換器は、多くの酸素通路
、該酸素通路に過剰に液体酸素を流下させる手段、酸素
通路と間接熱交換関係にある多くの窒素通路、中圧塔か
ら出るガス状窒素を窒素通路に供給する手段、及び凝縮
された窒素を中圧塔内に再送する手段を有する流下式熱
交換器であり、補助熱交換器は、低圧塔の液溜め内の液
体の最高液面の完全に上に配置され、かつ補助熱交換器
の酸素通路の頂部にこの液体を上昇させる手段と補助熱
交換器の下端部の液体を主熱交換器の酸素通路の頂部に
再送する手段を備えている。
第２の実施態様では、補助熱交換器は、主熱交換器と同
じ種類の熱交換器であって、低圧塔の液溜めに主熱交換
器とほぼ同じ高さに配置され、補助熱交換器の酸素通路
の頂部は、もっばら前記液溜めに収容された液体を上昇
管路によって供給されている。
第３の実施態様では、補助熱交換器は、低圧塔の液溜め
内で主熱交換器の真下に配置された浴式熱交換器である
。
本発明はまた、上に定義されたような蒸発凝縮装置を有
する複式空気精留設備も対象と（７ている。
実施態様のいくつかの例を、添付の図面を参照しながら
以下に述べる。
（実施例） 各図面には、複式精留塔式空気精留設備の中圧塔ｌの頂
部及び低圧塔２の液留め部が見られ、各精留塔は、精留
板３又は熱交換及び物質交換用の同等の構造物を有して
いる。絶対圧約６バールで作動する中圧塔１は、円筒状
外筒４によって限定され、大気圧よりわずかに高い圧力
で、゛作動する低圧塔２は、円筒状外筒５ｊごよっ”（
限定される。２本の精留塔は上の方にふくらんだ底板６
によって隔てられている。中圧塔］の頂部の窒素は、低
圧塔２の液溜めに到達する液体酸素を気化しながら流下
式間接熱交換器７によって凝縮される。
熱交換器７は、大きな寸法、例えば水平断面が１〜１．
５ｍ平方、高さが３〜６ｍの平方六面体のブロックから
基本的に構成され、該ブロックは、多数のアルミニウム
製垂直平行板の集積から形成され、それらの板の間に平
たい通路を限定している。これらの通路は、スペーサ及
びフィンを形成するアルミニウム製波形を有し、垂直又
は水平の小棒によって仕切られる。これらの通路の一部
、例えば二つに一つの通路は酸素通路であり、残りの通
路は窒素通路である。酸素通路は、熱交換器の頂部に、
側部が閉じられ、下部が開いているように形成された液
体受け８によって液体酸素を頂部に供給される。窒素通
路は四方から閉じられ、その上端部付近で、水平軸をも
った半円筒形箱９によって窒素ガスを側面に供給され、
前記の半円筒形箱は、管路１０を介して中圧塔１の頂部
と連通している。凝縮された窒素は、水平軸をもった他
の半円筒形箱】ｌによって同じ通路の下側部に集められ
、管路１２によって中圧塔１に戻される。管路１２は、
液体窒素を確保する溝１３に開口する。熱交換器７のブ
ロックは、炉内ろう付げによって組立てられる。
正常運転では、液体酸素浴１４は、低圧塔２の液溜めに
あり、その液面Ｎは、熱交換器７の下端部かられずか下
の距離にある。ポンプ１５は、管路１６を経て液体酸素
の流れを流体受け８に上げ、液体受けは、低圧塔２の精
留板から流量りの液体酸素も受は入れる。流量りの液体
酸素は、過剰に液体酸素が浴１４に落下するように、熱
交換器７内で気化される。流量は、実際上は値りから多
少離れる。
このような流下式蒸発凝縮器の構造及び作動についての
他の詳細は、前記のヨーロッパ特許出願公開第１３０．
１２２号中に述べられている。
変形として、ポンプ１５は、他の液体上昇手段、例えば
熱サイホン又は適、当な流体（中圧塔下部から取出され
る酸素に富んだリッチ液体でよい）により加熱される間
接熱交換器１５Ａで構成されるガス“抽出装置“によっ
て置き換えることができる。
第１図には、この変形が一点鎖線で示され、また低圧塔
２からのガス状酸素取出し管路１７及び中圧塔１からの
液体窒素取出し管路Ｉ８も示されている。
低圧塔の高さを最大限縮小するために、前に示したよう
に液面Ｎは、熱交換器７のわずかに下に想定されている
。ずっと前に説明したように設備の停止の場合には、多
数の精留板の“負荷液体”が低圧塔２の液溜めに集まり
、液体は液面Ｎ１まで±５昇し、そのために熱交換器７
は部分的に浸漬される１、特に熱交換器７の酸素通路の
内部に液体高さが存在する。設備が運転を再開すると少
量の酸素が気化されるが、酸素通路は下の方しか開いて
いないので、急速に平衡状態に達して熱交換器は運転を
継続することができなくなる。第２図ないし第５図では
図面を簡潔にするために窒素に関する管路が省略されて
いるが、熱交換器７の運転再開榮可能にするために、本
発明に従ってどのように設備が改良されるかが示されて
いる。。
第２図の解決法では、低圧塔２の液溜めは、第１図と同
ｉ、゛′高さに、すなわち底板６の非常に近くで、液体
酵素浴の液面Ｎの真上に下端部を有する、平行に配置さ
れた２個の主熱交換器を有し、ている。
液体受け８は２個の熱交換器に共通である。
設備は、補助熱交換器２０を収容する補助外筒１９を有
している。この熱交換器も流下式であり、主熱交換器７
と同じ構成をもっている。補助外筒１９は、頂部を上方
底部２１によって、底部を主熱交換器７の液体受け８の
液面の上にある下方底部２２によって閉じられている。
液体上昇管路１６は、補助外筒１９の頂部に開口し、管
路２３は下方底部２２を液体受け８に連結し、管路２４
及び２４Ａはそれぞれ、補助熱交換器２０の真下に配置
された空間及び上方底部２１の真下に配置された空間を
、液体受け８の真上に配置された外筒５の帯域に連結す
る。
正常運転では、ポンプＩ５は、補助熱交換器２０の頂部
の補助液体受け２５を維持するように、浴１４の液体酸
素を補助外筒１９の頂部に上昇させる。この液体の流量
のほぼ半分は、この補助熱交換器で気化され、過剰な液
体酸素並びに気化酸素は、管路２３及び２４を経て外筒
５内に流れる。過剰な液体酸素は、低圧塔２の精留板か
ら落ちる液体酸素に液体受け８内で添加され、液体受け
８に供給する全液体酸素流量のほぼ半分は主熱交換器７
で気化され、過剰な液体は、ポンプ１５によって戻され
る。
設備の停止時は、低圧塔２の液溜めの液体は、第１図に
おけるように液面Ｎ１まで上昇する。設備を運転再開す
るために、ポンプ１５は、その位置のお蔭で運転状態に
ある補助熱交換器２０の頂部に液体を上げる。したがっ
て、液体の一部は補助熱交換器２０のみによ−、・て気
化され、過剰な液体及び気化液体は、以前のように管路
２３及び２４を経て外筒５内に流れる。したがって、液
体の液面は低圧塔２内で徐々に低下し、液面Ｎが再び回
復されると、主熱交換器７が新たに運転できるようにな
る。
補助熱交換器２０は、精留板の“負荷液体”が再現する
ように、精留板の運転開始に必要な空気流量を設備が処
理できるように寸法決めされ、この空気流量は、設備の
正常運転（こ対応する流量より少ない４ユ し、たがって、補助外筒１９及び補助熱交換器２０は、
補足的熱交換面とし、て常に使用され、このことは設備
の熱的機能を改良する。
変形として、補助熱交換器２０は、管路２３に、補助ポ
ンプを設けること１ごよって、液体受け８より下又は、
液Ｎｌと同じ高さに配置することができる。さらに補助
外筒１９は、その液体が流れる部分自体を熱交換ブロッ
クで構成することができる。
第３図の設備では、熱交換器７は全部で３個であり、第
２図におけるように横に並んで浴１４の真上に配置され
、共通の液体受１＋９をもっている。
補助熱交換器は、熱交換６１ｉ　’Ｉ゛と同一の３個υ
）熱交換器２０Ａで構成され、低、ｒＨ塔２内で熱交換
器７の貞−Ｅ？ご配置される３管１？；１５．６は、補
助熱′ン換器２ｎＡの液体受け２５Ａに開Ｅｌ　”’Ｊ
−”ｏ）分岐管１６Ａ、、及び熱交換器７の液体受けＨ
に開１］夕ろ分岐管１６Ｂを有する。これらの分岐管は
、子れぞれＩＦ、め＊、２６Ａ、２６Ｂを備えている。
。 正常’１　転テＬｔ、液体酸素（７）　ｉ’ｉ’ｉ：、
　］、　、１１．　ｌ’：”’ｉ：　、＋ＩＩ；：、ｌ
ｉ、ｉ、　！４１．−、（：ある９、弁２Ｇへ；ゴ閉で
あり　Ｉｙ−２６百（は開ρ５う′白′）１．補助熱交
換器２０．〜は、低圧塔２の′晴留５　ｉ、：、、　、
１．ニーー゛・でのみ液体酸素左・イ１（拾六れ、この
流（゛側１・゛）は（よ゛＋０４気化し、残部を液体受
け８に供給する１、同程度σ）流量が、ポンプＩ５によ
−〉で液体晋け３に上げられ、全流量の半分が熱交換器
７で気化され、残部は浴Ｉ４に落ちる。、 設備の停止１時には、液面Ｎ１までの液体の上昇が熱交
換器を部分的に浸漬する。運転再開時、弁２６Ｂは閉で
あり、弁２６Ａは開であって、ポンプ１５は液体を上部
液体受け２５Ａに上昇させる。この流量の一部は気化さ
れ、液体は徐々に低圧塔の液溜めで低下し、はぼ液面Ｎ
に戻ったとき、熱交換器７は新たに作動する。この解決
沃の利点は、低圧塔の外筒内に非常に大きな熱交換面を
備えた補助熱交換器を配置できることであり、このこと
は正常運転での熱交換性能を改良でき、例えば、中圧窒
素と液体酸素との間の温度差をほぼ０．５°Ｃに到達さ
せることができる。ガス状酸素取出し管路１７が、熱交
換器７の頂部と低圧塔２の精留板の間のどんな場所にで
も、液体を送出する危険なしに配置できることは注目さ
れる。
第２図の補助熱交検器２０及び第３図の補助熱交換器２
０Ａは、前記ヨ・−ロツパ特許出願公開公報に記載のよ
うに、ヒ部から気化液体を排出できるように製作される
こεは注意すべきである。
第４図の実施態様では、外筒５内に２個の主熱交換器７
と２個の補助熱交換器２０Ｂとが横に並んで備（られて
いる１、４個の熱交換器は、液面Ｎかられずか１，７Ｌ
に配置、〜れたド端部を有（７，２個の主熱交換器７は
、先哲例におけるように上方に開いた共通の液体受け８
を￥ｊ′するのに、２個の補助熱交換器２１は、管路１
（以、ハ・μの中に開（＝１４る水平な半円筒形供給箱
２７によ−２．゛気密に４覆われた共通補助液体受け２
５８を有３゛るｊ、いう違いを除けば全く同一である。
供給箱２’７・、°）頂部に発してｅＪＰｌ、簡５から
外へ出る管路２７ＡＩＩ１１、外筒５　（７、Ｈ，側に
弁２′？８を備え、液面Ｎの上で外筒５内（１”、開！
田ぶる、６設備の１Ｅ、常運転では、７ｐ、　２７１″
ｉはじｎ　、、、ｒＦある、同一・流量が、精留板を出
所とし、て液体受け８及び管路１６によって補助液体受
け２５Ｎ３＋こ到達する２、各熱交換器はこの流量のほ
ぼ１／・ｉ５．−気化（、，２、過剰な液体は、ポンプ
１５に上って上昇させられるよ、・・）に浴１４に落ち
る。
設備の停止時には、液体は液面Ｎへ上昇し、４個の熱交
換器を部分的に浸漬する。運転再開のために弁２７Ｂが
閉じられ、ポンプは液体を供給箱２７内に七、昇させ、
その中に過圧を生じさせ、この過圧は、補助熱交換器２
０Ｂ内で気化された酸素に下部にある液体浴の圧力を超
えることを可能にする。
液体は低圧塔の液溜めで徐々に低下し、供給箱内の圧力
も同時に順次低ｆし、液面Ｎがほぼ回復されたときに熱
交換器“１は運転を再開し、弁２７’Ｂが開かれる。
この解決法の利点は、外筒５の追加の高さも、精留塔外
の補助的空間もンく必要としないことにある。
第５図は、第２図り守旧として考えることのできる解決
法を示（，２ており、補助外筒１９は、第２図における
よりも低い高さにあり、下方底部２２は、はぼ複式精留
塔の底板６の高さである。管路２３の代わりに弁２９を
備えた管路２８が、外筒５と補助外筒Ｉ９を接続してい
る。管路２４は、第２図に１５けるように補助熱交換器
２０の真下に位置する空間を、液体受け８の真上に位置
する外筒５の帯域に接続する。管路２４Ａは弁２４Ｂを
備えている。
正常運転では、弁２９及び弁２４Ｂは開であり、液面Ｎ
が外筒５及び補助外筒１９内に定まる。補助熱交換器２
０は、管路１６によって液体酸素を供給される補足的蒸
発凝縮器を構威し、熱交換器７は精留板３のみによって
液体酸素を供給される。
設備の停止からすぐに、ポンプの停止と同時に弁２９が
閉じられる。このことは、補助熱交換器２０の浸漬を防
止する。運転再開時には、液体は補助熱交換器２０のみ
によって気化され、管路２４を経て低圧塔２へ戻るのは
二相流体である。
他の一解決法は、弁２９を開かせることである。
そのとき補助熱交換器２０ハ、設備停止中の熱交換器７
のように部分的に浸され、運転再開は、弁２４Ｂを閉じ
、第４図に関して述べられたのと類似のやり方で、ポン
プ１５によって補助外筒１９の上方底部内に過圧をつく
ることによって行われる。浸された補助熱交換器２０を
もったこの運転再開方法は。
さらに閉じられた弁２９によっても行われる。
第６図の実施態様では、３個の熱交換器７及びそれらの
真下で底板６の真上に複数の、例えば３個の温式又は熱
サイホン式補助熱交換器２０Ｃを備えている。これらの
補助熱交換器は、上部液体受け８が存在しないことで熱
交換器７と異なり、酸素通路は、上方に自由に開いてい
る。空気精留技術では、公知のこのような熱交換器は、
完全に浸漬されながら運転できる。さらに管路１６が除
かれている。
設備の正常運転では、液面Ｎは、補助熱交換器２０Ｃが
ほとんど完全に浸漬されるようなものである。熱交換器
７の液体受け８は、精留板から出る液体酸素のみを供給
される。流量のほぼ半分がこれらの熱交換器７で気化さ
れ、残部は浴１４内に落ちる。この超過した流量を気化
する補助熱交換器２０Ｃは、したがって原則的には液体
を液体受け８の方へ上昇させることは必要でない。しか
しながら変形として、温式蒸発器は流下式蒸発器より効
率が低いので、補助熱交換器２０Ｃが液体酸素流の小部
分しか・気化しないように、補助熱交換器を寸法法めす
るが好ましく、そのとき超過した流量は、前例のように
液体受け８内に戻される。
設備の停止時には、補助熱交換器２０Ｃは全体が浸漬さ
れ、熱交換器７は部分的に浸漬されるように、液体は液
面Ｎｌまで上昇する。運転再開は、まず補助熱交換器２
０Ｃによって保証された気化のみにより、次いで液面Ｎ
が１よぼ回復したときに熱交換器７により困難なく行わ
れる。
浴式熱交換器の存在という事実から、第６図の解決法は
、比較的穏やかな熱交換性が受は入れられる場合、例え
ばφ圧窒素ど液体酸素との間の温度差がほぼ１℃の場合
に適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、流下式で、下からもっばら酸素を取出す熱交
換器の油造及び作動を模式的に示し、第２図ないし第６
図は、本発明による空気精留設備の一部を、蒸発凝縮装
置のいくつかの異なる実施態様に従って模式的に示して
いる。 １：φ圧積留塔、２：低圧精留塔、３：精留板、４．５
：外筒、６：底板、７：流下式熱交換器、８：液体受け
、９、！！＝半円筒形箱、１４：液体酸素浴、１５：ポ
ンプ、１９：補助外筒、２０．２０Ａ、　２０Ｂ、２０
Ｃ：補助熱交換器、２ｉ：上方底部、２２：下方底部、
２５．２５Ａ、　、２５Ｂ　：袖助液抹受け、２７：半
円筒形供給箱

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、低圧塔（２）の液溜め内に配置された少くとも１個
    の主熱交換器（７）を有し、前記熱交換器は流下式であ
    って、多くの酸素通路、該酸素通路に過剰に液体酸素を
    流下させる手段（８）、気化酸素の全量と過剰な液体酸
    素を該通路の下端から排出する手段、酸素通路と間接熱
    交換関係にある多くの窒素通路、該窒素通路に中圧塔（
    １）から出るガス状窒素を供給する手段（９、１０）及
    び凝縮された窒素を中圧塔内に再送する手段（１１、１
    ２）を有する種類の複式空気精留塔用の酸素気化・窒素
    凝縮装置において、主熱交換器（７）が、複式精留塔の
    運転停止時に少くとも部分的に液体に浸漬するように配
    置されること、及び前記装置が、主熱交換器が少くとも
    部分的に液体に浸漬されているときに液体の気化のみを
    保証するのに適した少くとも１個の補助熱交換器（２０
    ；２０Ａ；２０Ｂ；２０Ｃ）を有することを特徴とする
    蒸発凝縮装置。 ２、補助熱交換器（第２図の２０；２０Ａ）が、多くの
    酸素通路、該酸素通路に過剰に液体酸素を流下させる手
    段（２５；２５Ａ）、酸素通路と間接熱交換関係にある
    多くの窒素通路、中圧塔（１）から出るガス状窒素を該
    窒素通路に供給する手段、及び凝縮された窒素を中圧塔
    内に再送する手段を有する流下式熱交換器であること、
    及び前記補助熱交換器が、低圧塔の液溜め内に収容され
    た液体を補助熱交換器の酸素通路の頂部に上昇させる手
    段（１５、１６）と補助熱交換器の下端部の液体を主熱
    交換器（７）の酸素通路の頂部に再送する手段（２３）
    を備えていることを特徴とする請求項１記載の蒸発凝縮
    装置。 ３、補助熱交換器が、低圧塔（２）の液溜め内の流体の
    最高液面（Ｎ１）の完全に上に配置されていることを特
    徴とする請求項２記載の蒸発凝縮装置。 ４、補助熱交換器（２０；２０Ａ）が、主熱交換器（７
    ）の頂部の完全に上に配置されていることを特徴とする
    請求項３記載の蒸発凝縮装置。 ５、補助熱交換器（２０）が、低圧塔（２）の外に配置
    されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれ
    か１項に記載の蒸発凝縮装置。 ６、補助熱交換器（２０Ａ）が、主熱交換器（７）の上
    で低圧塔（２）の外筒（５）の中に配置されていること
    を特徴とする請求項４記載の蒸発凝縮装置。 ７、補助熱交換器（第５図の２０；２０Ｂ）が、主熱交
    換器（７）と同じ種類の熱交換器であり、主熱交換器と
    ほぼ同一高さに配置され、補助熱交換器の酸素通路の頂
    部が、もっぱら前記液溜め内に収容された液体を上昇管
    路（１６）によって供給される気密供給箱（第５図の２
    １、２７）によって覆われていることを特徴とする請求
    項１記載の蒸発凝縮装置。 ８、補助熱交換器（２０Ｃ）が、低圧塔（２）の液溜め
    内で主熱交換器（７）の真下に配置された浴式熱交換器
    であることを特徴とする請求項１記載の蒸発凝縮装置。 ９、請求項１ないし８のいずれか１項による酸素気化・
    窒素凝縮装置を有することを特徴とする複式電気精留設
    備。
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