JPH0730997B2 - 凝縮蒸発器 - Google Patents

凝縮蒸発器

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JPH0730997B2
JPH0730997B2 JP25048188A JP25048188A JPH0730997B2 JP H0730997 B2 JPH0730997 B2 JP H0730997B2 JP 25048188 A JP25048188 A JP 25048188A JP 25048188 A JP25048188 A JP 25048188A JP H0730997 B2 JPH0730997 B2 JP H0730997B2
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evaporator
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、第一流体室の液媒と第二流体室のガス流体と
を熱交換させる凝縮蒸発器に関し、特に空気液化分離装
置に用いられる凝縮蒸発器であって、第一流体室に導入
する液媒、即ち酸素室に導入する液化酸素を効率良く沸
騰蒸発させるとともに、第二流体室に導入するガス流
体、即ち窒素室に導入する窒素ガスを効率よく凝縮液化
させるのに適した凝縮蒸発器に関する。
〔従来の技術〕
空気液化分離装置の複精留塔等に用いられている凝縮蒸
発器は、特開昭56−56592号公報等に示されるように、
垂直方向を多数の平行な仕切板により仕切り、第一流体
室である酸素室と第二流体室である窒素室の二室とを交
互に隣接して積層した、いわゆるプレートフィン式熱交
換器と呼ばれているものが多く用いられている。
このようなプレートフィン式の凝縮蒸発器の酸素室は、
内部に垂直方向に伝熱板を配設して上下方向の蒸発流路
を多数形成するとともに、該蒸発流路の上下両端部を開
口させて下端部を液化酸素の導入口とし、上端部を酸素
ガスと液化酸素の混合流の導出口としている。この酸素
室は、凝縮蒸発器全体が上部塔の底部空間に溜まる液化
酸素中に浸漬されることにより液化酸素で満たされてお
り、酸素室内の液化酸素は、隣接する窒素室の窒素ガス
と熱交換を行い、その一部が蒸発して酸素ガスの気泡と
なり蒸発流路を上昇する。液化酸素は、液化酸素と酸素
ガスと気液混合相と酸素室外の液化酸素との密度差によ
り、凝縮蒸発気の内外に循環流を形成している。
一方の窒素室は、四周が密閉された室外に酸素室と同様
に垂直方向の伝熱板を配設して上下方向の凝縮流路が多
数形成されており、該凝縮流路の上下に設けられたヘッ
ダーを介して下部塔に接続されている。そして上部のヘ
ッダーから下部塔上部の窒素ガスを前記凝縮流路に下降
流として導入し、凝縮流路で液化酸素で熱交換を行って
凝縮した液化窒素を下部のヘッダーから導出している。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、従来の凝縮蒸発器は、その全体を上部塔
の底部空間の液化酸素内に浸漬して使用するため、該空
間に多量の液化酸素を貯液保有させなければ凝縮蒸発器
を機能させることができなかった。そのために装置の起
動時間が長く掛ったり、停止時に放出する酸素量が多く
なり、動力費等の損失となっていた。また万一の場合に
備えるための保安上の問題も大きい。
さらに液化酸素の液深により上部塔の底部空間下部、即
ち凝縮蒸発器下部の液化酸素に沸点上昇を生じるため、
酸素室の下部から蒸発流路に流入する液化酸素が過冷状
態となっている。そのため、酸素室の下部では、蒸発流
路を上昇する液化酸素を沸騰開始温度まで伝熱効率の低
い対流伝熱により加温しなければならず、該流路の伝熱
効率を低下させていた。
さらに凝縮側の窒素室は、その凝縮流路が垂直方向に形
成されており、窒素ガスが凝縮しなから流下するため、
該流路の下部では液化窒素量が増加し、厚い液膜となっ
て伝熱面の表面を覆うので、これが熱抵抗層となり伝熱
性能を低下させていた。上記の欠点は高い凝縮蒸発器に
おいて顕著である。
そこで本発明は、酸素室（第一流体室）側の液化酸素
（液媒）の必要量を低減するとともに、液化酸素の液深
による影響を低減させ、さらに窒素室（第二流体室）の
凝縮液による伝熱性能の低下を低減させた高さ方向の伝
熱性能上の形状的制限を低減した凝縮蒸発器を提供する
ことを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記した目的を達成するために、本発明は、多数の垂直
な仕切板により第一流体室と第二流体室とを交互に形成
し、前記第一流体室の液媒と第二流体室のガス流体とで
熱交換を行う凝縮蒸発器において、前記第一流体室に、
上下多段に伝熱板を配置して複数の液媒流路を形成し、
該液媒流路の一端に、液媒流路に連通して液媒を導入す
る複数の液溜を、上部を開放させて上下多段に設けると
ともに、前記液媒溜路の他端側を開放し、一方前記第二
流体室に、上下多段に伝熱板を配置して複数のガス流路
を形成し、該ガス流路の入口側に連接してガス導入路
を、またガス流路の出口側に連接して排出路をそれぞれ
設けたことを特徴とする凝縮蒸発器を提供するもので、
さらに前記液媒流路が前記液溜側の一端から他端の開放
側の先端に向かう登り勾配を有しているとともに、ガス
流体の流れ方向に向って水平に対して下り勾配を有して
いること、及び前記液媒流路の開放側の先端に連接して
液媒蒸発ガス及び未蒸発液媒の排出路を設けたことを特
徴としている。
〔作 用〕
凝縮蒸発器を上記のごとく構成することにより、凝縮蒸
発器を液媒中に浸漬することなく、液溜に液媒を供給し
て、該液溜から第一流体室の液媒流路に液媒を導入する
だけで運転することができるから、従来より少ない液媒
量で凝縮蒸発器の運転を行うことができるとともに、液
媒の液深による沸点上昇を低減することができ、伝熱性
能上の高さ方向の制限が解消され、沸騰蒸発効率を向上
させることができる。また、第二流体室の凝縮流路を上
下多段に配置してガス流体の流れ方向に向かう下り勾配
に形成したから、第二流体室の上下方向略均等にガス流
体を導入でき、凝縮流路長も短縮できるので、凝縮蒸発
器高さ方向の制限も解消される。さらに、第一流体室の
液媒を効率よく、加温することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を、第一流体室を酸素室、第二流
体室を窒素室とし、液媒を酸素、ガス流体を窒素とした
例につき、さらに詳細に説明する。
まず第１図乃至第５図において、凝縮蒸発器１は、垂直
方向に配設した多数の仕切板2,2により、複数の酸素室
３と窒素室４とを交互に隣接させて積層形成している。
また凝縮蒸発器１の一側には、液化酸素導入管５と、該
導入管５に通孔６を介して連通する複数の液溜７が上下
多段に設けられている。この液溜７は、上部及び酸素室
３側が開口した箱状に形成されており、側壁の上縁の一
部には、オーバーフロー用の切欠堰８が形成されてい
る。
前記酸素室３は、その上下両端部をそれぞれサイドバー
9,9により閉塞するとともに、内部にコルゲーションフ
ィン等の伝熱板10を配設して両端が開放した複数の液媒
流路11,11を形成している。この液媒流路11は、一側が
前記液溜７に連通するとともに、この液溜側から他端の
開放側の先端に向かう登り勾配を有するもので、一つの
液溜７に対して上下複数の液媒流路11,11が連通してい
る。
液化酸素LOは、前記液化酸素導入管５から通孔6,6を経
て上下各段の液溜7,7に導入され、該液溜７から酸素室
３内の液媒流路11,11に導入される。液媒流路11内の液
化酸素LOは、後述の窒素室４の窒素ガスGNと熱交換を行
い、その一部が蒸発して酸素ガスGOとなり、気液混合流
となって液媒流路11の開放側の先端に向かって上昇す
る。液媒流路11の開放側の先端に至って液化酸素LOと酸
素ガスGOの気液混合流は、ここで分離して酸素ガスGOは
上昇し、液化酸素LOは凝縮蒸発器１の下方に流下する。
また液溜７に過剰に供給された液化酸素LOは、前記切欠
堰８から順次下方の液溜７に溜下する。そして最下段の
液溜７、及び前記液媒流路11の先端から流下した液化酸
素LOは、液化酸素ポンプあるいはサーモサイフォン熱交
換器等により揚液され、前記液化酸素導入管５に循環す
る。
このように構成することにより、凝縮蒸発器１を機能さ
せるのに必要な液化酸素LOは、酸素室３内を満たす量，
液溜7,7に溜める量及びアセチレン等の濃縮を防止する
ための過剰循環量でよいため、従来のごとく、凝縮蒸発
器１全体を浸漬する量に比べてはるかに少ない量で凝縮
蒸発器１の運転を行うことができる。これにより、空気
分離装置の起動時間の短縮や、装置の停止時の冷媒放出
量の低減を図ることができ、保安上の問題も容易に解決
することができる。
また液化酸素LOは、各液溜7,7で圧力を開放されている
ので、それぞれの液深が小さくなり液圧による沸点上昇
を抑えることができ、液媒流路11に流入と略同時に蒸発
沸騰を開始させることができる。
尚、各液媒流路11の傾斜角度は、接続する液溜７の深さ
や各流路11の長さあるいは処理量等により適宜選定され
るものであり、水平とすることもできるが、水平よりも
登り勾配として設けた方が、蒸発生成した酸素ガスの気
泡の浮上力で液化酸素の一方向へ流動を促進でき、伝熱
効率を向上させることができる。また各液媒流路11,11
に導入する液化酸素量は、液化酸素導入管５や通孔６の
径，液溜７の深さ，あるいは液媒流路11の長さや傾斜，
開口断面積等を調節することにより行うことができ、上
下の各液媒流路11,11に均等に液化酸素LOを導入するよ
うに調整することが好ましい。さらに各液溜7,7から下
段の液溜７に液化酸素LOを流下させる手段は、上記切欠
堰８に限らず、オーバーフロー管等によっても行うこと
ができる。
一方、この酸素室３に仕切板２を介して隣接配置される
窒素室４は、第２図に示すように、四周をサイドバー1
2,12により閉塞し、室内にコルゲーションフィン等の伝
熱板13を配設して両端が開放された多数のガス流路であ
る凝縮流路14,14を形成するとともに、該凝縮流路14の
両側に連接させて、それぞれガス導入路15と排出路16と
を設けている。
上記凝縮流路14は、該凝縮流路14内で凝縮した液化窒素
LNを凝縮流路14から導出流下させるために、ガス導入路
15側から排出路16に向かう水平方向に対して適宜な下り
勾配が設けられている。また窒素室４の両側部のガス導
入部15と排出路16には、それぞれ入口及び出口ヘッダー
17,18を連接して窒素ガスGNを窒素室４に導入するとと
もに、凝縮流路14で凝縮した液化窒素LNを排出するよう
に形成している。
窒素ガスGNは、前記入口ヘッダー17及びガス導入路15を
経て各凝縮流路14,14に導入される。凝縮流路14に導入
された窒素ガスGNは、隣接する前記酸素室３の液化酸素
LOと熱交換を行って凝縮し、液化窒素LNとなり凝縮流路
14の下り勾配により排出路16に向かって流れ、排出路16
から出口ヘッダー18を経て排出される。また窒素ガスGN
中の非凝縮ガスGXは、排出路16の上部に設けられたパー
ジノズル19から排出される。
このように、窒素室４に下り勾配を有する多数の凝縮流
路14を形成し、窒素ガスGNを該凝縮流路14の一端から導
入して他端から導出することにより、窒素室４上下方向
の各凝縮流路14に導入する窒素ガス量や該流路14内で凝
縮する液化窒素を略同一とできるので、境膜伝熱係数を
凝縮蒸発器１の上下方向で略同一とすることができる。
従って、酸素室３下部の液化酸素LOとも十分な熱交換を
行うことができるので、凝縮蒸発による伝熱性能を最大
限に発揮させることができる。特に大型の背の高い凝縮
蒸発器では、凝縮流路14の長さを大幅に短くすることが
でき、各凝縮流路14の排出路16近傍に形成される液化窒
素LNの液膜の厚さを薄くすることができるから、伝熱性
能の低下を最小限とすることができる。さらに凝縮流路
14の断面積及び開口面積を増大させることができるた
め、凝縮流路断面積当たりの凝縮量や流動抵抗や減少
し、熱交換効率をさらに向上させることができる。また
排出路16に開口する凝縮流路14の開口端の一部に液切り
部を突設することにより、上方の凝縮流路14から流下す
る液化窒素LNを排出路16に案内し、下方の凝縮流路14の
開口端が液膜で塞がれることを防止することができる。
また上記ガス導入路15と排出路16には、耐圧性向上のた
めの補強材等を適宜設けることができるが、いずれもガ
スや液の流れ抵抗が低いもので、かつガスの均一な分配
や液の排出性等を考慮して形状や配置を選定する必要が
ある。
このように酸素室３と窒素室４とを形成することによ
り、酸素室側の液圧による液化酸素LOの沸点上昇と、窒
素室側の液膜厚の増加による伝熱特性の低下とを最小限
とすることができるので、凝縮蒸発器１の全伝熱面積を
高伝熱特性を有する沸騰凝縮伝熱に利用することができ
る。また上下方向での伝熱特性を略同一とすることがで
きるので、凝縮蒸発器１の高さを自由に設定することが
可能となり、処理能力の増大を高さを高くすることで対
応でき、塔径を増大させることなく大型の複精留塔を製
作することができる。さらに、伝熱特性向上により、凝
縮側流体と蒸発側流体との間の温度差を小さくすること
ができるので、凝縮側ガスの飽和圧力を低くすることが
でき、ガス流体の圧力、即ち原料ガスを圧縮するための
圧縮機の動力費を低減できる。
次に第６図乃至第９図に基づいて、本発明の凝縮蒸発器
の複精留塔に組込んだ一実施例を説明する。尚、凝縮蒸
発器各部の構成で、前記実施例と同様に形成されている
部分は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
まず本実施例に示す凝縮蒸発器20は、前記実施例で示し
た凝縮蒸発器１を２基対向させて組合わせたごとく形成
している。即ち酸素室21は、第７図に示すように凝縮蒸
発器20の両側部に液溜7,7を配設するとともに、中央部
に酸素ガス及び液化酸素の排出路22を形成している。ま
た窒素室23は、対向する凝縮流路11,11間の中央部にガ
ス導入路15を形成するとともに、両凝縮流路14,14の外
側にそれぞれ排出路16,16を設け、両路15,16にそれぞれ
ヘッダー17,18を連接している。またガス導入路15に
は、多数の孔を穿設した孔あきコルゲーションフィン等
の補強材24を設けている。尚、凝縮蒸発器20の背の高い
場合には、凝縮蒸発器20の上部にも入口ヘッダーを設け
てガス導入路15に窒素ガスGNを導入することにより、窒
素ガスGNの供給量を上下で均一化させることができる。
このように形成された凝縮蒸発器20は、従来と同様に、
複精留塔30の上部塔31と下部塔32とを仕切る隔壁33の上
部、即ち上部塔31の底部空間内に配置されており、上部
塔31からの液化酸素LOと下部塔32からの窒素ガスGNとを
熱交換させている。
この凝縮蒸発器20への液化酸素LOの供給は、上部塔最下
段トレイ34からの液化酸素LOを流下管35により、また循
環する液化酸素LOを液戻し管36により、それぞれ凝縮蒸
発器20上部に設けた受液箱37に供給することにより行わ
れる。受液箱37に供給された液化酸素LOは、これに連接
する凝縮蒸発器20両側の液化酸素導入管５から各液溜7,
7を経て各液媒流路11,11に導入される。液媒流路11内の
液化酸素LOは、前記実施例と同様に、その一部が蒸発し
て酸素ガスGOとなり、両液媒流路11,11を流れて開放端
に至った液化酸素LOと酸素ガスGOの気液混合流は、ここ
で分離して酸素ガスGOは排出路22を上昇して一部が製品
として採取され、残部が上部塔31の上昇ガスとなる。一
方、液化酸素LOは排出路22を流下して凝縮蒸発器20の下
方の液化酸素溜38に溜り、管39から導出されて一部が製
品となる他は前記液戻し管36に循環する。
一方下部塔32上部の窒素ガスGNは、一部が製品として採
取される以外は、二重管で形成された導入管40の内周の
導入部40aを上昇して前記入口ヘッダー17から窒素室23
中央部のガス導入路15を経て各凝縮流路14,14に導入さ
れる。凝縮流路14に導入された窒素ガスGNは、前記実施
例と同様に凝縮して液化窒素LNとなり窒素室23両側の排
出路16,16に向かって流れる。この液化窒素LNは、排出
路16を流下して出口ヘッダー18を経て前記導入管40の外
周の導出部40bを通って管41から導出され、一部が製品
として採取されるほか、残部が上部塔31及び下部塔32の
還流液となる。また非凝縮ガスGXは、前記同様、パージ
ノズル19,19から導出される。
このように、前記実施例に示した凝縮蒸発器１の２基分
の液媒流路11や凝縮流路14を対向させて配置することに
より、複精留塔30等に組込む際の配管を少なくすること
ができ、製造，組立て等のコストを低減させることがで
きる。
また凝縮蒸発器20の運転は、液面計42等で液化酸素溜38
に溜る液化酸素LOの量を計測することにより、従来と同
様に行うことができる。
尚、以上の説明では、空気液化分離における液化酸素と
窒素ガスとの熱交換による蒸発と凝縮を基にして説明し
たが、これ以外の他の液媒とガス流体を用いた場合も同
様の作用効果を得ることができる。また酸素室や窒素室
の各流路の勾配の角度、その他の各部の形状等は、液媒
とガス流体の種類や流量等により適宜選定することがで
きる。
前記液媒流路及び凝縮流路の勾配形成方法としては、こ
れらの流路を水平に配置した凝縮蒸発器全体を傾けて設
置してもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の凝縮蒸発器は、液媒を上
下多段に設けた液溜に供給して、該液溜から上下多段に
設けられた液媒流路に導入して蒸発させるようにしたか
ら、少ない液媒量で凝縮蒸発器を運転することができ、
起動時間の短縮、停止時の冷媒損失の低減、保安上の問
題の解決等を図れるとともに、液深の影響を低減して沸
騰側電熱効率の向上させることができる。また第二流体
室に、ガス流体の流れ方向に向かって水平方向に対して
下り勾配を有する凝縮流路を形成し、一側端部からガス
流体を導入して凝縮させながら他側方向に流下させるか
ら、第二流体室の上下方向に略均等にガス流体を導入す
ることができ、第一流体室下部の液媒も効率よく加温す
ることができる。また凝縮流路を短く形成することがで
きるので、凝縮液の液膜を薄くすることができ、凝縮側
の境膜電熱係数を向上させることができる。
従って、両室の伝熱性能を最大限に発揮させることがで
き、処理量の多い大型の空気液化分離装置の凝縮蒸発器
に特に好適なもので、装置全体の小型化や運転動力費の
低減が図れ、製品の動力原単位を低減させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第５図は本発明の凝縮蒸発器の一実施例を示
すもので、第１図は凝縮蒸発器の酸素室を示す断面正面
図、第２図は同じく窒素室を示す断面正面図、第３図は
同じく一部切欠き側面図、第４図は同じく一部切欠き正
面図、第５図は同じく断面平面図、第６図乃至第９図は
本発明の他の実施例を示すもので、第６図は凝縮蒸発器
を複精留塔に組込んだ状態を示す断面正面図、第７図は
酸素室を示す断面正面図、第８図は窒素室を示す断面正
面図、第９図は複精留塔に組込んだ状態を示す断面平面
図である。 1,20……凝縮蒸発器、3,21……酸素室、4,23……窒素
室、７……液溜、11……液媒流路、14……凝縮流路、15
……ガス導入路、16……排出路、22……酸素ガス及び液
化酸素の排出路、30……複精留塔、GN……窒素ガス、GO
……酸素ガス、LN……液化窒素、LO……液化酸素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−56592（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−130201（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−187085（ＪＰ，Ａ) 特公 昭40−18206（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭49−37627（ＪＰ，Ｂ１) 特公 平４−14269（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平６−68434（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭61−42072（ＪＰ，Ｙ２) 実公 昭63−47831（ＪＰ，Ｙ２) 実公 昭63−49676（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】多数の垂直な仕切板により第一流体室と第
    二流体室とを交互に形成し、前記第一流体室の液媒と第
    二流体室のガス流体とで熱交換を行う凝縮蒸発器におい
    て、前記第一流体室に、上下多段に伝熱板を配置して複
    数の液媒流路を形成し、該液媒流路の一端に、液媒流路
    に連通して液媒を導入する複数の液溜を、上部を開放さ
    せて上下多段に設けるとともに、前記液媒流路の他端側
    を開放し、一方前記第二流体室に、上下多段に伝熱板を
    配置して複数のガス流路を形成し、該ガス流路の入口側
    に連接してガス導入路を、またガス流路の出口側に連接
    して排出路をそれぞれ設けたことを特徴とする凝縮蒸発
    器。
  2. 【請求項２】前記液媒流路は、前記液溜側の一端から他
    端の開放側の先端に向かう登り勾配を有しているととも
    に、前記ガス流路は、ガス流体の流れ方向に向って水平
    に対して下り勾配を有していることを特徴とする請求項
    １記載の凝縮蒸発器。
  3. 【請求項３】前記液媒流路の開放側の先端に連接して液
    媒蒸発ガス及び未蒸発液媒の排出路を設けたことを特徴
    とする請求項１または２記載の凝縮蒸発器。
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