CN113348146A - 多级储液式冷凝蒸发器以及使用多级储液式冷凝蒸发器的氮制造装置 - Google Patents

多级储液式冷凝蒸发器以及使用多级储液式冷凝蒸发器的氮制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种在不增加用于制造氮的动力的情况下能够制造两种不同组成的气体的紧凑的多级储液式冷凝蒸发器、以及使用所述多级储液式冷凝蒸发器的氮制造装置，本发明提供一种多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，进一步具备：最下级储液部，用于储存被供给到下级的蒸发通道的液体而不使之循环；以及流体收集部，用于收集从最下级的蒸发通道流出的流体并使之排出到外部而不返回所述最下级储液部。

Description

多级储液式冷凝蒸发器以及使用多级储液式冷凝蒸发器的氮 制造装置
技术领域
本发明涉及多级储液式冷凝蒸发器以及使用所述多级储液式冷凝蒸发器的氮制造装置，用于将设置在至少两个蒸发区域中的储液部内的液体导入蒸发通道，利用所述液体与流过冷凝流道的气体的换热而产生的热虹吸作用使所述液体蒸发，并且使所述气体冷凝。
背景技术
主要制造氮的氮制造装置的冷凝蒸发器通过使来自从空气中浓缩氮的蒸馏塔的塔顶的氮气与来自蒸馏塔塔底的富氧液态空气进行换热，从而使氮气冷凝，生成蒸馏塔的回流液。
随着氮气的冷凝，作为冷媒的富氧液态空气蒸发，一部分用于产生氮制造装置的寒气。另外，一部分为了改善氮的回收率而作为原料空气的一部分，或者作为第二蒸馏塔的原料来使用。
作为这样的冷凝蒸发器，通常使用采用板翅型换热器芯的冷凝蒸发器。这种冷凝蒸发器具有换热器芯被浸渍到储液内的形态(储液式)或者不浸渍的形态(干式)。
在干式中，富氧液态空气经由头部供给到换热芯内，通过与氮气的换热完全气化并被取出。因此，取出的气体的氮浓度等于供给的富氧液态空气的氮浓度。
另一方面，在储液式中，储存在容器内的富氧液态空气从通过热虹吸效应浸渍的换热芯的底部流入，一部分蒸发，在气液二相状态下从芯上部流出。蒸发后的气体从容器中取出，未蒸发的液体返回容器。由此，从容器底部取出的富氧液态空气的氮浓度比供给的富氧液态空气小，从容器取出的蒸发气体的氮浓度增加。这样，在储液式中可以对供给的富氧液态空气进行成分分离。
但是，在储液式中，由于取出容器内的富氧液态空气，蒸发气体的氮量比干式少。即使将该蒸发气体作为原料空气的一部分或作为第二蒸馏塔的原料来使用，也不能改善氮的回收率。
为了解决这样的问题，考虑利用多级储液式冷凝蒸发器。例如，专利文献1公开了一种多级储液式冷凝蒸发器，具备分隔为多级的蒸发通道、以及储存向该通道供给及从该通道流出的液体的储液部。
该专利文献1所公开的多级储液式冷凝蒸发器的作用如下所示。
当向具有级数为2的蒸发区域的多级储液式冷凝蒸发器的最上级储液部供给富氧液态空气时，储存在储液部中的富氧液态空气从位于下方的蒸发导入流道流入蒸发通道，在储液部内与蒸发通道内液面变为同一高度。
在这种状态下，当氮气通过冷凝通道时，进行换热，富氧液态空气的一部分蒸发成为气液二相，由于热虹吸效应产生上升流，从位于上方的蒸发流出流道以气液二相导出。导出的气体从储液部的蒸发气体取出口取出。另一方面，未蒸发的液体返回到储液部，在储液部与蒸发通道之间形成循环流。通过此时的蒸发和循环，蒸发的气体的氮浓度增加，储存在储液部中的富氧液态空气的氮浓度减少。
当储液部的液面达到连通导入流道的液面的高度以上时，氮浓度减少的富氧液态空气从连通导入流道流入连通流道并从连通流出流道导出，被储存在下一级储液部中。在该级也同样进行富氧液态空气的蒸发和循环，取出氮浓度比上级低的气体。这样能够制造两种不同氮浓度的气体。可通过将氮浓度高的蒸发气体作为原料空气的一部分，或者作为第二蒸馏塔的原料来使用，从而提高氮的回收率。
但是，储存在最下级储液部中的富氧液态空气的氮浓度约为30％以下。这种氮浓度的降低使富氧液态空气的沸点上升。因此，流过最下级蒸发通道的流体与流过冷凝通道的氮之间的温度差变小。因此，希望增大最下级中的所述温度差。
另外，为了使多级储液式冷凝蒸发器更加紧凑，降低向最上级储液部供给的富氧液态空气的压力时，存在用于制造氮的动力增加的问题。
专利文献1：日本专利第6087326号公报
发明内容
本发明是为了解决这种课题而完成的，目的在于提供一种不增加动力，就能够制造两种不同组成的气体的紧凑的多级储液式冷凝蒸发器以及使用所述多级储液式冷凝蒸发器的、不增加用于制造氮的动力的氮制造装置。
本发明为了解决上述问题，提供以下的多级储液式冷凝蒸发器以及使用多级储液式冷凝蒸发器的氮制造装置。
(1)一种多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，具备：
上下连通的冷凝通道，气体在所述冷凝通道中流通并冷凝；
上下分隔为多级的蒸发通道，与所述气体进行换热而蒸发的液体在所述蒸发通道中流通；
循环储液部，与除了最下级以外的各级的蒸发通道对应设置，所述循环储液部用于向所述蒸发通道供给液体及储存从所述蒸发通道流出的液体并在各级的蒸发通道中使所述液体循环；
连通通道，用于使所述循环储液部的液体从上级的循环储液部流到下级的循环储液部；以及
最下级连通通道，用于使最下部的循环储液部的液体流到最下级储液部，
所述冷凝通道与所述蒸发通道堆叠构成换热部，
由所述换热部形成换热器芯，
在与所述堆叠方向正交的所述换热器芯的宽度方向的至少单侧的侧面，以与所述蒸发通道的级数对应的方式形成有所述循环储液部，
所述多级储液式冷凝蒸发器进一步具备：
最下级储液部，用于储存被供给到最下级的蒸发通道的液体而不使之循环；以及
流体收集部，用于收集从最下级的蒸发通道流出的流体并使之排出到外部而不返回所述最下级储液部。
(2)根据所述(1)所述的多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，具备：
蒸发气体取出口，用于取出流入所述循环储液部的蒸发气体；
液体导入口，用于从外部向最上级的循环储液部导入液体；以及
液体取出口，用于取出流入所述最下级储液部的液体。
(3)根据所述(1)所述的多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，具备：气液捕集容器，用于收集流入所述循环储液部的气体并且兼作所述最下级储液部，所述气液捕集容器具备：液体导入口，从外部向最上级的所述循环储液部导入液体；蒸发气体取出口，用于取出收集的蒸发气体；以及液体取出口，用于取出储存的液体。
(4)根据所述(2)或(3)所述的多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，进一步具有：用于将经过所述液体取出口取出的液体供给到最下级的蒸发通道的导管；以及设置于所述导管的减压器。
(5)根据所述(2)～(4)所述的多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，换热器芯由换热部和液体连通部形成，所述液体连通部具备所述连通通道和所述最下级连通通道，在构成所述换热部的、所述冷凝通道和所述蒸发通道的堆叠方向上，所述液体连通部设置在换热部的至少单侧。
(6)一种氮制造装置，具备：多级储液式冷凝蒸发器；第一蒸馏塔和第二蒸馏塔，通过低温蒸馏分离氧、氮和氩的混合流体；以及膨胀涡轮，
所述氮制造装置的特征在于：
所述多级储液式冷凝蒸发器是所述(2)～(5)中任一项所述的多级储液式冷凝蒸发器，
所述氮制造装置进一步具备：
用于将来自第一蒸馏塔的上部的氮气的至少一部分导入所述多级储液式冷凝蒸发器的氮气导入管的导管；
用于将来自所述多级储液式冷凝蒸发器的冷凝通道的液氮作为回流液导入所述第一蒸馏塔的上部的导管；
用于将来自所述第一蒸馏塔的下部的富氧液态空气的至少一部分导入所述多级储液式冷凝蒸发器的液体导入口的导管；
用于将经过所述流体收集部取出的气体的至少一部分作为寒气发生源导入膨胀涡轮的导管；以及
用于将经过所述蒸发气体取出口取出的气体的一部分作为第二蒸馏塔的原料导入的导管。
(7)一种氮制造装置，具备：多级储液式冷凝蒸发器；蒸馏塔，通过低温蒸馏分离氧、氮和氩的混合流体；以及膨胀涡轮，
所述氮制造装置的特征在于：
所述多级储液式冷凝蒸发器是所述(2)～(5)中任一项所述的多级储液式冷凝蒸发器，
所述氮制造装置进一步具备：
用于将来自所述蒸馏塔的上部的氮气的至少一部分导入所述多级储液式冷凝蒸发器的氮气导入管的导管；
用于将来自所述多级储液式冷凝蒸发器的冷凝通道的液氮作为回流液导入所述蒸馏塔的上部的导管；
用于将来自所述蒸馏塔的下部的富氧液态空气导入所述多级储液式冷凝蒸发器的液体导入口的导管；
用于将经过所述流体收集部取出的气体的至少一部分作为寒气发生源导入膨胀涡轮的导管；以及
用于将经过所述蒸发气体取出口取出的气体的一部分作为原料空气的一部分导入所述蒸馏塔的导管。
本发明所涉及的多级储液式冷凝蒸发器，具备：最下级储液部，用于储存被供给到最下级蒸发通道的液体而不使之循环；以及流体收集部，用于收集从最下级的蒸发通道流出的流体并使之排出到外部而不返回所述最下级储液部。因此，液体不在最下级储液部中循环，因此不会如以往例那样液体中的氮浓度降低。与液体循环的情况相比较，能够增大最下级的蒸发区域中的流体的温度与流过冷凝通道的氮之间的温度差。由此，能够实现制造两种不同组成的气体的多级储液式冷凝蒸发器的紧凑化。
附图说明
图1是透视本发明的一实施方式所涉及的多级储液式冷凝蒸发器的一部分来示出的立体图。
图2是构成本发明的一实施方式所涉及的换热器芯的各流道的说明图。
图3是用于说明本发明的效果的说明图，是表示本发明的多级储液式冷凝蒸发器为二级时的富氧液态空气的温度变化的图表。
图4是表示现有的二级储液式冷凝蒸发器中的富氧液态空气的温度变化的图表。
图5是表示在循环储液部中具备用于取出蒸发气体的蒸发气体取出口、用于从外部导入液体的液体导入口、以及用于取出最下级储液部的液体的液体取出口的多级储液式冷凝蒸发器中的流体进出的图。
图6是表示具备气液捕集容器的多级储液式冷凝蒸发器中的流体进出的图。
图7是用于说明在图5所示的多级储液式冷凝蒸发器中，对最下级储液部的液体进行减压的结构的图。
图8是用于说明在图6所示的多级储液式冷凝蒸发器中，对最下级储液部的液体进行减压的结构的图。
图9是构成本发明多级储液式冷凝蒸发器为四级时的换热器芯的各通道的说明图。
图10是表示作为本发明的一实施方式的、使用多级储液式冷凝蒸发器的氮制造装置的概略图。
图11是表示作为本发明的另一实施方式的、使用多级储液式冷凝蒸发器的氮制造装置的概略图。
具体实施方式
(多级储液式冷凝蒸发器)
如图1所示，本实施方式的多级储液式冷凝蒸发器1包括：换热器芯7，具备换热部3和设置在换热部3的堆叠方向的两侧面的两个液体连通部5；多级的循环储液部9，形成在与换热部3的堆叠方向正交的换热器芯7的宽度方向(以下简称为“换热器芯的宽度方向”)的单侧；最下级储液部11，设置在换热器芯7的下端部；以及流体收集部13，收集从最下级的蒸发通道17流出的流体并使其排出到外部而不返回最下级储液部11。
另外，换热部3的堆叠方向是指形成换热部3的、堆叠冷凝通道15与所述蒸发通道17的方向，也是堆叠一个液体连通部5、所述换热部3和另一个液体连通部5的方向。
另外，上述换热器芯的宽度方向是与所述堆叠方向正交的方向，且堆叠方向与芯的宽度方向构成的平面形成相对于多级储液式冷凝蒸发器的垂直方向水平的面。
下面，对各结构进行详细说明。此外，在以下的说明中，以多级储液式冷凝蒸发器1作为使氮气与富氧液态空气进行换热，将氮气冷凝并使富氧液态空气蒸发的氮制造装置的冷凝蒸发器使用的情况为例进行说明。
<换热部>
换热部3使富氧液态空气与氮气流通到其内部，相互进行换热，使氮气冷凝并且使富氧液态空气蒸发。换热部3由冷凝通道15与蒸发通道17相邻并层叠而形成。如图1所示，本实施方式中的换热部3通过将三层的冷凝通道15和四层的蒸发通道17层叠而形成。
冷凝通道15和蒸发通道17与专利文献1所公开的多级储液式冷凝蒸发器同样，是将板(管板)、翅(波纹翅片)和侧边栏等层叠而形成的所谓板翅型。
冷凝通道15使用纵向翅来形成，如图1、图2所示，流道形成为从换热器芯7的上端面到下端面连通。氮气从冷凝通道15的上端流入，在通过冷凝通道15内部的过程中被冷却，从下端作为液氮取出。在换热器芯7的下端设置有用于取出由冷凝通道15冷凝的液氮的液氮取出管(未图示)。
如图1和图2所示，在第一蒸发区域～第三蒸发区域这三个蒸发区域中分别设置有独立的蒸发通道17，通过配置沿换热器芯7的宽度方向配置的翅(横向翅)和与横向翅连通的纵向翅来形成蒸发通道17。
如图2所示，储存在循环储液部9中的富氧液态空气从下部的横向翅即蒸发导入流道17a流入，沿着纵向翅一边蒸发一边上升，在气液二相流体的状态下，通过上部的横向翅即蒸发流出流道17b返回到循环储液部9。
另外，储存在最下级储液部11中的富氧液态空气在最下级的蒸发通道17一边蒸发一边上升，几乎全部蒸发成为蒸发气体并被收集到流体收集部13中，并被取出到外部。
此外，如图1所示，在换热器芯7的上端设置有用于向多个冷凝通道15分配并供给氮气的氮气头19，在氮气头19中设置有氮气导入管19a。
<液体连通部>
液体连通部5具备：用于将循环储液部9的液体从上级的循环储液部9流到下级的循环储液部9的连通通道21、以及用于将最下部的循环储液部9的液体流到最下级储液部11的最下级连通通道23。液体连通部5由板和翅形成，并且设置在换热部3的堆叠方向上的换热部3的两侧面。
如图1所示，连通通道21形成在换热部3的侧面，最下级连通通道23进一步形成在连通通道21的外侧。
此外，在图2中，液体连通部共在三处附加有双线。这条双线意味着液体不通过那里。
另外，本实施方式的液体连通部由在换热器芯7的堆叠方向的两侧由板和翅形成的液体连通部构成，但是本发明中的液体连通部并不一定需要与换热器芯一体设置。还可以与换热器芯独立地，例如由连结各循环储液部9、最下级储液部11的管等形成。
连通通道21是用于将最上级的循环储液部9的液体流到第二级的循环储液部9的通道。最下级连通通道23是用于将最下部的循环储液部9、即在本示例中第二级的循环储液部9的液体流到最下级储液部11的通道。
<循环储液部>
循环储液部9与除了最下级以外的各级蒸发通道17对应地设置。循环储液部9向蒸发通道17供给液体，以及将从所述蒸发通道17流出的液体储存，在各级蒸发通道17中使液体循环。
循环储液部9设置在换热器芯7的宽度方向的单侧或两侧。
在本实施方式的循环储液部9中设置有蒸发气体取出口9a。
另外，在最上级的循环储液部9中设置有用于从外部导入富氧液态空气的液体导入口25。
<最下级储液部>
最下级储液部11用于向最下级的蒸发通道17供给液体，液体不从最下级的蒸发通道17返回到最下级储液部11。最下级储液部11设置在换热器芯7的下端部。在最下级储液部11中设置有用于向外部取出液体的液体取出口27。
<流体收集部>
流体收集部13收集从最下级的蒸发通道17流出的流体(主要是蒸发气体)并使其排出到外部而不返回最下级储液部11，在流体收集部13中设置有流体排出口13a。
专利文献1所公开的多级储液式冷凝蒸发器，液体在包含最下级储液部的所有的储液部中循环，在所有的循环储液部中设置有蒸发气体取出口。
与此相对，在本实施方式中，由于最下级储液部11不使液体循环，因此不能收集蒸发气体。因此，在第三蒸发区域中，与最下级储液部11分开设置有独立的流体收集部13。
[操作说明]
结合多级储液式冷凝蒸发器1的操作对使用具有所述结构的多级储液式冷凝蒸发器1对氮气与富氧液态空气进行换热的方法进行说明。
富氧液态空气从外部经由液体导入口25被供给并储存到最上级的循环储液部9中。富氧液态空气经由连通通道21被供给并储存到下级的循环储液部9中。富氧液态空气经由最下级连通通道23被供给并储存到最下级储液部11中。
另一方面，氮气经由氮气头19导入冷凝通道15。
储存在循环储液部9中的富氧液态空气，通过头部压力流入蒸发通道17内，在循环储液部9内与蒸发通道17内液面成为同一高度。即使在最下级储液部11中，也储存有富氧液态空气，其液面达到蒸发通道17的规定高度。
在这种状态下，当氮气通过冷凝通道15内时，所述氮气与蒸发通道17内的富氧液态空气进行换热，富氧液态空气的一部分蒸发气化成蒸发气体，蒸发通道17内的富氧液态空气成为气液混合状态(气液二相流体)。蒸发通道17内的气液混合状态的富氧液态空气与循环储液部9内的富氧液态空气之间的密度产生差异，在蒸发通道17内产生上升流，气液二相流体从蒸发流出流道17b流出。流出的蒸发气体从循环储液部9的蒸发气体取出口9a中取出。未蒸发的富氧液态空气返回到循环储液部9中，在循环储液部9与蒸发通道17之间形成循环流(热虹吸作用)。此时，取出的蒸发气体的氮浓度比从外部供给的富氧液态空气的氮浓度高，比导入蒸发通道的循环流的氮浓度高。
由于在最下级储液部11中不产生循环流，因此在蒸发通道17中上升的流体被收集到流体收集部13中，从流体排出口13a向外部排出。
这样，由于在最下级储液部11中不会产生液体的循环，因此在蒸发通道17中上升的流体的氮浓度不会降低，能够相比以往例增大与流过冷凝通道15的氮的温度差。
在循环储液部9中，当循环储液部9的液面达到向连通通道21的导入口的高度以上时，富氧液态空气流入连通通道21并储存在下级的循环储液部9中。
同样，在最下部的循环储液部9中，当其液面达到向最下级连通通道23的导入口的高度以上时，富氧液态空气流入最下级连通通道23并储存在最下级储液部11中。
另一方面，氮气在通过冷凝通道15的过程中，与相邻的蒸发通道17内的富氧液态空气进行换热，被冷凝(液化)并从冷凝通道15的下端流下，经由液氮取出管取出。
在专利文献1(专利第6087326号公报)公开的多级储液式冷凝蒸发器中，液体在包含最下级的所有的储液部中在蒸发通道17的入口和出口之间循环。与此相对，在本实施方式的多级储液式冷凝蒸发器中，不使液体从最下级蒸发通道流入最下级储液部11，也就是不使液体循环。最下级被设为与干式同样的结构。富氧液态空气经过最下级连通通道23被供给到最下级储液部11中，流入底部有开口的蒸发通道17并完全蒸发，流出到流体收集部13并被抽出。
这样，在最下级储液部11中，由于富氧液态空气不循环，因此氮浓度不会降低。因此，与循环的情况相比，能够增大流过冷凝通道的氮与富氧液态空气之间的温度差。
图3是具有二级蒸发区域的多级储液式冷凝蒸发器的QT曲线图。氮气从顶部以露点流入，冷凝后从底部以沸点流出。由于露点与沸点几乎没有差别，因此温度是恒定的。此外，在以下的说明中，对与图1所示的三级多级储液式冷凝蒸发器相同的部分标注相同的附图标记。
富氧液态空气以氮浓度61％流入第一蒸发区域的循环储液部9，从下部流入蒸发通道17，一边蒸发一边温度略微增加并上升，以气液二相流入循环储液部9。流入的气体从蒸发气体取出口9a中取出。另一方面，液体返回到循环储液部9。其结果，取出的气体(富氮气体)的氮浓度增加到67％，循环储液部9的富氧液态空气的氮浓度减少到45％。
循环储液部9的液体经过最下级连通通道23被供给到最下级储液部11。然后，流入到在第二蒸发区域的底部有开口的蒸发通道17，完全蒸发后经过流体收集部13取出。因此，取出的气体(富氧气体)的氮浓度等于循环储液部9的富氧液态空气的氮浓度45％。另外，第二蒸发区域的蒸发通道17的温度，在底部等于循环储液部9的富氧液态空气温度，随着蒸发上升到露点。
另一方面，在以往的冷凝蒸发器中，如图4所示，在第二蒸发区域中通过蒸发和循环，从蒸发通道17的下部供给的富氧液态空气的氮浓度减少到24％。由于沸点上升导致温度上升，与流过冷凝通道的氮之间的温度差变小。
图5是表示多级储液式冷凝蒸发器中的流体进出的图，所述多级储液式冷凝蒸发器在循环储液部9中具备用于取出蒸发气体(GAir：富氮气体)的蒸发气体取出口、以及用于从外部导入液体(LAir：富氧液态空气)的液体导入口，并且具备用于取出最下级储液部11的液体(Purge：吹扫)的液体取出口。
另外，图6是表示多级储液式冷凝蒸发器中的流体进出的图，所述多级储液式冷凝蒸发器具备：气液捕集容器29，用于收集流入循环储液部9的气体并且兼作最下级储液部11；以及蒸发气体取出口，用于取出被收集在气液捕集容器的蒸发气体(GAir)，上述气液捕集容器29具备：液体取出口，用于取出(吹扫，Purge)储存在气液捕集容器中的液体；以及液体导入口，向循环储液部9导入液体(LAir)。在图6的多级储液式冷凝蒸发器中，在循环储液部9中没有设置蒸发气体取出口9a。构成循环储液部9的侧壁的上端不与蒸发通道17相接。因此，来自蒸发通道17的气体从循环储液部9的开口上部直接导入气液捕集容器29。
另外，也可以对经过最下级储液部的液体取出口取出的液体进行减压并供给到最下级的蒸发通道17。
图7示出了在图5所示的多级储液式冷凝蒸发器中对经过最下级储液部的液体取出口取出的液体进行减压并供给到最下级的蒸发通道17的情况。如图7所示，设置有连接液体取出口27与最下级的蒸发通道17入口的管道31，在该管道31上设置有减压阀33。另外，在第二蒸发区域的蒸发通道中，与第一蒸发区域的蒸发通道同样，在下部配置横向翅即蒸发导入流道、纵向翅以及在上部配置横向翅即蒸发流出流道。
图8示出了在图6所示的多级储液式冷凝蒸发器中对经过气液捕集容器的液体取出口取出的液体进行减压并供给到最下级的蒸发通道17的情况。如图8所示，在来自气液捕集容器的液体取出口的管道31上设置有减压阀33。在图8中，对与图7相同的部分标注相同的附图标记。
此外，图1和图2所示的蒸发区域为三级且级数为奇数，而在图9中示出构成蒸发区域为四级这样的偶数情况下的换热器芯7的各通道。在图9中，对与图2相同的部分标注相同的附图标记。
接着，对使用所述多级储液式冷凝蒸发器1的氮制造装置进行说明。
(氮制造装置)
<第一实施方式>
图10示出将所述多级储液式冷凝蒸发器1作为从空气制造氮的氮制造装置的冷凝蒸发器来使用的例子。
该实施方式的氮制造装置35具备多级储液式冷凝蒸发器1，所述多级储液式冷凝蒸发器1具备图6所示的气液捕集容器29。
本实施方式的氮制造装置35将从流体收集部13经过流体排出口13a取出的气体的至少一部分作为寒气发生源来使用，将经过循环储液部9的开口上部并从蒸发气体取出口9a取出的气体的一部分作为第二蒸馏塔49的原料来使用。
下面，根据图10对本实施方式的氮制造装置35进行具体说明。
由原料空气压缩机37升压至规定的压力的原料空气由预处理设备39去除原料空气中的二氧化碳、水蒸气和其他微量的杂质。
去除了杂质的原料空气由主换热器41通过后述的低温气体冷却，并且通过导管57导入蒸馏塔43，其中该导管57的第一端(一端)与原料空气压缩机37连接，第二端部(另一端)连接到蒸馏塔43的下部。所述原料空气在蒸馏塔43中上升，通过与后述的下降液的蒸馏，在蒸馏塔43的上部浓缩氮成分，在蒸馏塔43的下部采集浓缩了氧成分的富养液态空气。
浓缩了氮成分的氮气从第一端连接到蒸馏塔43上部的导管59中抽出，其中一部分从导管61导入主换热器41，通过与原料空气的换热而升温，从导管63作为产品氮气被采集。
另一方面，从上述导管59抽出的剩余的浓缩了氮成分的氮气经由导管65导入多级储液式冷凝蒸发器1的冷凝通道15中，通过与后述的富氧液态空气的换热而被冷凝，其中该导管65的第一端连接到导管59，第二端连接到设置在多级储液式冷凝蒸发器1的氮气头19上的氮气导入管19a。然后，冷凝的液氮从导管67导入到蒸馏塔43并成为蒸馏塔43的下降液，其中该导管67的第一端连接到液体排出口27，第二端连接到蒸馏塔43的上部。
第一蒸馏塔43下部的富氧液态空气的大部分被导出到导管69并由减压阀45减压，其中该导管69的第一端连接到蒸馏塔43的塔底，第二端连接到减压阀45。接着，从导管71导入到多级储液式冷凝蒸发器1，其中该导管71的第一端连接到减压阀45，第二端连接到多级储液式冷凝蒸发器1的液体导入口25。导入到多级储液式冷凝蒸发器1中的富氧液态空气通过与前述的氮气的换热而气化。并且，其一部分即从最下级的蒸发通道17由流体收集部13收集的氮浓度低的气体从导管73作为寒气发生源用的废气被导出，由主换热器41升温后，导入膨胀涡轮47，其中该导管73的第一端连接到流体收集部13的流体排出口13a，第二端连接到膨胀涡轮47。
由膨胀涡轮47产生装置所需的寒气的所述废气通过导管75导入主换热器41，冷却原料空气，并成为常温。
导入到多级储液式冷凝蒸发器1的富氧液态空气的液体以外的成分，即来自上部打开的循环储液部9的开口上部的蒸发气体暂时被导入到气液捕集容器29内，从导管77导出作为氮浓度高的氮回收率改善用的排气，作为原料气导入到第二蒸馏塔49的下部，其中该导管77的第一端连接到设置在气液捕集容器29的上部的蒸发气体取出口9a，第二端连接到第二蒸馏塔49的下部。
导入到第二蒸馏塔49的下部的所述气体在第二蒸馏塔49中上升，通过与后述的下降液的蒸馏，在第二蒸馏塔49的上部浓缩氮成分，在第二蒸馏塔49的下部采集浓缩了氧成分的富氧液态空气。
浓缩了氮成分的氮气从导管79中抽出，该导管79的第一端连接到第二蒸馏塔49的上部，第二端连接到后述的导管81。然后，该氮气的一部分经由导管81导入主换热器41。因此，通过与原料空气的换热而升温，从导管83中采集作为第二产品氮气。
另一方面，从所述导管79抽出的浓缩了氮成分的剩余的氮气经由从所述导管79分支的导管85导入冷凝蒸发器51，通过与后述的富氧液态空气的换热而冷凝。然后，从导管87导入第二蒸馏塔49，成为第二蒸馏塔49的下降液，其中该导管87的第一端连接到所述冷凝蒸发器51，第二端连接到所述第二蒸馏塔49的上部。
存在于第二蒸馏塔49的下部的富氧液态空气被导出到导管89，该导管89的第一端连接到所述第二蒸馏塔49的塔底，第二端连接到减压阀53。由减压阀53减压。然后，富氧液态空气从导管91被导入到冷凝蒸发器51，该导管91的第一端连接到减压阀53，第二端连接到所述冷凝蒸发器51。导入到冷凝蒸发器51中的富氧液态空气在通过与前述的氮气的换热气化后，经由导管93与来自前述膨胀涡轮47的废气汇合。
作为第二蒸馏塔49所需的寒气的一部分，使用经由第一端连接到蒸馏塔43的塔底的导管95导出的富氧液态空气的一部分。
在该实施方式中，由于蒸馏塔43下部的富氧液态空气的一部分通过多级储液式冷凝蒸发器1成为氮组成多的排气，并作为第二蒸馏塔49的原料气体供给，因此第二蒸馏塔49的氮回收率得到改善。
<第二实施方式>
下面，基于图11对本实施方式的氮制造装置进行具体说明。此外，在图11中，对与图10相同的部分标注相同的附图标记。
该实施方式的氮制造装置56具备多级储液式冷凝蒸发器，所述多级储液式冷凝蒸发器具备图8所示的气液捕集容器29。
本实施方式的氮制造装置56将从流体收集部13经过流体排出口13a取出的气体的至少一部分作为寒气发生源使用，将经过循环储液部9的开口上部从蒸发气体取出口9a取出的气体的一部分作为原料空气的一部分使用。
由原料空气压缩机37升压至规定的压力的原料空气由预处理设备39去除原料空气中的二氧化碳、水蒸气和其他微量的杂质。
去除了杂质的原料空气由主换热器41通过后述的低温气体冷却，从导管57导入到蒸馏塔43，该导管57的第一端连接到原料空气压缩机37，第二端部(另一端)连接到蒸馏塔43的下部。所述原料空气在蒸馏塔43中上升，通过与后述的下降液的蒸馏，在蒸馏塔43的上部浓缩氮成分，在蒸馏塔43下部采集浓缩了氧成分的富氧液态空气。
浓缩了氮成分的氮气从第一端连接到蒸馏塔43的上部的导管59中抽出，该氮气的一部分从导管61导入主换热器41，通过与原料空气的换热而升温，从导管63作为产品氮气被采集。
另一方面，从上述导管59抽出的剩余的浓缩了氮成分的氮气经由导管65被导入到多级储液式冷凝蒸发器1中，其中该导管65的第一端连接到导管59，第二端连接到设置在多级储液式冷凝蒸发器1的氮气头19的氮气导入管19a。接着，通过与后述的富氧液态空气的换热而冷凝。冷凝的液氮从导管67导入到蒸馏塔43，成为蒸馏塔43的下降液，其中该导管67的第一端连接到液体排出口27，第二端连接到蒸馏塔43的上部。
蒸馏塔43下部的富氧液态空气被导出到导管69并由减压阀45减压，其中该导管69的第一端连接到蒸馏塔43的塔底，第二端连接到减压阀45。接着，从导管71经由循环储液部9的开口上部，被导入到多级储液式冷凝蒸发器1中，其中该导管71的第一端连接到减压阀45，第二端连接到多级储液式冷凝蒸发器1的液体导入口25。导入到多级储液式冷凝蒸发器1中的富氧液态空气，通过与前述的氮气的换热，其一部分在最上级的蒸发通道17中气化。未蒸发的富氧液态空气经过最下级连通通道23，被储存到兼作最下级储液部11的气液捕集容器29中。所储存的富氧液态空气通过设置在气液捕集容器29的底部的导管，在减压阀33减压后被供给到最下级的蒸发通道17中并且完全气化。接着，经过流体收集部13从导管73导出作为氮浓度低的寒气发生源用的废气，其中该导管73的第一端连接到流体排出口13a，第二端连接到膨胀涡轮47。导出的废气由主换热器41升温后导入膨胀涡轮47，在产生装置所需的寒气后，通过导管75导入主换热器41，冷却原料空气，并成为常温。
导入到多级储液式冷凝蒸发器1中的富氧液态空气的液体以外的成分、即从循环储液部9的开口上部取出的气体，从导管77导出作为氮组成多的氮回收率改善用的排气，由膨胀涡轮鼓风机55升压后，导入到原料空气中，成为蒸馏塔43的原料气体的一部分，其中该导管77的第一端连接到设置在气液捕集容器29的上部的蒸发气体取出口9a。
该实施方式为，蒸馏塔43下部的富氧液态空气的一部分通过多级储液式冷凝蒸发器1成为氮组成多的排气，作为蒸馏塔43的原料气体循环的过程。因此，由于表观原料空气增加，改善了蒸馏塔43的氮回收率。
附图标记说明
1 多级储液式冷凝蒸发器
3 换热部
5 液体连通部
7 换热器芯
9 循环储液部
9a 蒸发气体取出口
11 最下级储液部
13 流体收集部
13a 流体排出口
15 冷凝通道
17 蒸发通道
17a 蒸发导入流道
17b 蒸发流出流道
19 氮气头
19a 氮气导入管
21 连通通道
23 最下级连通通道
25 液体导入口
27 液体取出口
29 气液捕集容器
31 管道
33 减压阀
35 氮制造装置
37 原料空气压缩机
39 预处理设备
41 主换热器
43 蒸馏塔
45 减压阀
47 膨胀涡轮
49 第二蒸馏塔
51 冷凝蒸发器
53 减压阀
55 膨胀涡轮鼓风机
56 氮制造装置
57～95 导管

Claims (7)

1.一种多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，具备：
上下连通的冷凝通道，气体在所述冷凝通道中流通并冷凝；
上下分隔为多级的蒸发通道，与所述气体进行换热而蒸发的液体在所述蒸发通道中流通；
循环储液部，与除了最下级以外的各级的蒸发通道对应设置，所述循环储液部用于向所述蒸发通道供给液体及储存从所述蒸发通道流出的液体并在各级的蒸发通道中使所述液体循环；
连通通道，用于使所述循环储液部的液体从上级的循环储液部流到下级的循环储液部；以及
最下级连通通道，用于使最下部的循环储液部的液体流到最下级储液部，
所述冷凝通道与所述蒸发通道堆叠构成换热部，
由所述换热部形成换热器芯，
在与所述堆叠方向正交的所述换热器芯的宽度方向的至少单侧的侧面，以与所述蒸发通道的级数对应的方式形成有所述循环储液部，
所述多级储液式冷凝蒸发器进一步具备：
最下级储液部，用于储存被供给到最下级的蒸发通道的液体而不使之循环；以及
流体收集部，用于收集从最下级的蒸发通道流出的流体并使之排出到外部而不返回所述最下级储液部。
2.根据权利要求1所述的多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，具备：蒸发气体取出口，用于取出流入所述循环储液部的蒸发气体；液体导入口，用于从外部向最上级的循环储液部导入液体；以及液体取出口，用于取出流入所述最下级储液部的液体。
3.根据权利要求1所述的多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，具备：气液捕集容器，用于收集流入所述循环储液部的气体并且兼作所述最下级储液部，所述气液捕集容器具备：液体导入口，从外部向最上级的所述循环储液部导入液体；蒸发气体取出口，用于取出收集的蒸发气体；以及液体取出口，用于取出储存的液体。
4.根据权利要求2或3所述的多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，进一步具有：用于将经过所述液体取出口取出的液体供给到最下级的蒸发通道的导管；以及设置于所述导管的减压器。
5.根据权利要求2～4中任一项所述的多级储液式冷凝蒸发器，其特征在于，换热器芯由换热部和液体连通部形成，所述液体连通部具备所述连通通道和所述最下级连通通道，在构成所述换热部的、所述冷凝通道和所述蒸发通道的堆叠方向上，所述液体连通部设置在换热部的至少单侧。
6.一种氮制造装置，具备：多级储液式冷凝蒸发器；第一蒸馏塔和第二蒸馏塔，通过低温蒸馏分离氧、氮和氩的混合流体；以及膨胀涡轮，
所述氮制造装置的特征在于，
所述多级储液式冷凝蒸发器是权利要求2～5中任一项所述的多级储液式冷凝蒸发器，
所述氮制造装置进一步具备：
用于将来自第一蒸馏塔的上部的氮气的至少一部分导入所述多级储液式冷凝蒸发器的氮气导入管的导管；
用于将来自所述多级储液式冷凝蒸发器的冷凝通道的液氮作为回流液导入所述第一蒸馏塔的上部的导管；
用于将来自所述第一蒸馏塔的下部的富氧液态空气的至少一部分导入所述多级储液式冷凝蒸发器的液体导入口的导管；
用于将经过所述流体收集部取出的气体的至少一部分作为寒气发生源导入膨胀涡轮的导管；以及
用于将经过所述蒸发气体取出口取出的气体的一部分作为第二蒸馏塔的原料导入的导管。
7.一种氮制造装置，具备：多级储液式冷凝蒸发器；蒸馏塔，通过低温蒸馏分离氧、氮和氩的混合流体；以及膨胀涡轮，
所述氮制造装置的特征在于：
所述多级储液式冷凝蒸发器是权利要求2～5中任一项所述的多级储液式冷凝蒸发器，
所述氮制造装置进一步具备：
用于将来自所述蒸馏塔的上部的氮气的至少一部分导入所述多级储液式冷凝蒸发器的氮气导入管的导管；
用于将来自所述多级储液式冷凝蒸发器的冷凝通道的液氮作为回流液导入所述第一蒸馏塔的上部的导管；
用于将来自所述蒸馏塔的下部的富氧液态空气导入所述多级储液式冷凝蒸发器的液体导入口的导管；
用于将经过所述流体收集部取出的气体的至少一部分作为寒气发生源导入膨胀涡轮的导管；以及
用于将经过所述蒸发气体取出口取出的气体的一部分作为原料空气的一部分导入所述蒸馏塔的导管。
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