JP2001133173A - 熱サイホン蒸発凝縮器及び空気蒸留装置 - Google Patents

熱サイホン蒸発凝縮器及び空気蒸留装置

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JP2001133173A JP2000284456A JP2000284456A JP2001133173A JP 2001133173 A JP2001133173 A JP 2001133173A JP 2000284456 A JP2000284456 A JP 2000284456A JP 2000284456 A JP2000284456 A JP 2000284456A JP 2001133173 A JP2001133173 A JP 2001133173A
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fluid
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Bernard Darredeau
ダルドー ベルナール
Francois Fuentes
フュエンテ フランソワ
Jean-Yves Lehman
レマン ジャン−イヴ
Marc Wagner
ヴァグナー マルク
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２つの流体間で高度な熱交換を行う。 【解決手段】 その底端部より供給される蒸発されるべ
き流体のための第１の一連の流路（７）と、少なくとも
１つの加熱流体のための第２の一連の流路（８）とを画
定する、積み重ねた平行なプレート（３）、閉鎖バー
（４、４ＢＣ、４ＣＤ）、及びスペーサウエーブ（１２
〜２２）を含むタイプの熱サイホン蒸発凝縮器（１）で
あって、第１の一連の流路（７）の流路が、変化するセ
クションと、長さ全体にわたり底部から頂部にかけて拡
大するフローセクションとを有することにより特徴付け
られる、熱サイホン蒸発凝縮器（１）。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、その底端部の源よ
り供給される蒸発されるべき流体のための第１の一連の
流路と、少なくとも１つの加熱流体のための第２の一連
の流路とを画定する、積み重ねた平行なプレート、閉鎖
バー、及びスペーサウエーブ(spacer waves)を含むタイ
プの熱サイホン蒸発凝縮器(a thermosyphon evaporator
-condenser)に関する。
【０００２】本発明は、特に、窒素を中圧（典型的に
は、５〜６バール（絶対単位））で凝縮することによ
り、液体酸素を低圧（典型的には、大気圧をやや上回る
程度）で蒸発させる空気蒸留設備の主蒸発凝縮器に適用
される。上記用途について本発明を以下に説明する。
【０００３】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】本発明
の目的は、液体を高速度で再循環させることにより（即
ち、液体の流れに対する抵抗を比較的小さくすることに
より）、２つの流体間で高度な熱交換を達成することで
ある。
【０００４】この目的のために、本発明は、第１の一連
の流路における流路が変化するセクションと、長さ全体
にわたり底部から頂部に向けて拡大するフローセクショ
ンとを有することを特徴とする、上記のタイプの蒸発凝
縮器を提供する。
【０００５】又、本発明は、窒素を中圧で凝縮すること
により、液体酸素を低圧で蒸発させるための蒸発凝縮器
を含む空気蒸留設備を備えたタイプの空気蒸留装置を提
案している。ここで蒸発凝縮器は上記で定義したものを
指す。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様によ
ると、本発明は、下端から供給される蒸発されるべき流
体のための第１の一連の流路（７）と、少なくとも１つ
の加熱流体のための第２の一連の流路（８）とを画成す
る、積み重ねた平行なプレート（３）、閉鎖バー（４、
４ＢＣ、４ＣＤ）、及びスペーサウエーブ（１２〜２
２）を含むタイプの熱サイホン蒸発凝縮器（１）におい
て、第１の一連の流路（７）の流路は、変化するセクシ
ョンと、長さ全体にわたり下部から上部にかけて拡大す
るフローセクションとを有することを特徴とする、熱サ
イホン蒸発凝縮器である。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を添付
の図面を適宜参照しながら詳述する。図１及び図２は、
中圧塔の頂部からの気体窒素を凝縮することにより、液
体酸素を低圧塔タンクから蒸発させるよう構成された、
図示しない二重空気蒸留塔式の「槽」或いは「熱サイホ
ン」タイプの蒸発凝縮器１を示す。
【０００８】蒸発凝縮器１は１つの概ね平行六面体の形
状の交換体２を含む。交換体は、同一の矩形プレート
３、周囲の閉鎖バー４、及び例えば穿孔された波型プレ
ートから形成された後述のスペーサウエーブ又はフィン
を垂直方向に積み重ねることにより形成されている。組
立ては火炉内で単一作業でろう付けすることにより行わ
れる。２つの概ね半円筒形のボックス、即ち、気体窒素
注入口となる頂部の側部ボックス５及び液体窒素吐出口
となる底部の側部ボックス６を本体２に溶接する。
【０００９】図１〜図３、図８〜図１１を理解しやすく
するため、プレート及び閉鎖バーの長手方向のエッジを
太線で示している。
【００１０】隣接するプレート３の各対は概ね平らな流
路を画定している。これらの流路は交互に酸素流路７
（図１参照）と窒素流路８（図２参照）となっている。
バー４は流体入口/出口開口部を除く流路の周囲を閉鎖
する。
【００１１】従って、流路７は、ボックス６の反対側に
形成された底部側部窓９を除き、高さ全体にわたり側部
が閉鎖されている。流路の上部は全体的に開口し、底部
は全体的に閉鎖されている。対照的に、流路８は、ボッ
クス５と連通する上部側部窓（気体窒素入口）１０と、
ボックス６と連通する側部窓（液体窒素出口）１１とを
除いて、周囲全体が閉鎖されている。
【００１２】各流路７は、上部出口から始まって長さの
大部分にわたって、垂直方向の母線を有するスペーサウ
エーブ１２を含む。各流路７は、長さ方向の残りの部分
に、図１に示すように、できれば２つの部分的な横方向
セパレータバーと関連する、窓９からのジグザグパスを
形成する一連のウエーブを含む。入口ウエーブ１３は水
平方向の母線を有し、三角形の第１リターンウエーブ１
４は垂直方向の母線を有し、リターンウエーブ１５は水
平方向の母線を有し、垂直方向の母線を有する三角形の
第２リターンウエーブ１６上に開口している。第２リタ
ーンウエーブ１６は、ウエーブ１２の全幅にわたり流体
を再分配する斜めのウエーブ１７上に開口している。
【００１３】各流路８は、ボックス５を介して入る気体
窒素を、垂直方向の母線を有する主ウエーブ１９（図２
参照）の全幅にわたって分配するようになっている斜め
のウエーブ１８を上部に有する。主ウエーブ１９の下側
には、垂直な母線を有する三角形のリターンウエーブ２
１に、本質的に液体の窒素を集める斜めのコレクタウエ
ーブ２０がある。リターンウエーブ２１は、窓１１で終
わっている水平な母線を有する液体窒素排出ウエーブ２
２と連通している。上述の如く、図示するようにウエー
ブ２０と２２との間に部分的な横方向バーを設けること
もできる。
【００１４】動作上、蒸発凝縮器は略完全に低圧塔のタ
ンクの液体酸素中に浸漬される。液体酸素は窓９を介し
て総ての流路７に同時に導入される。即ち、液体酸素は
流路の下端から送り込まれる。槽の流体静力学的な高さ
のために、液体酸素は過冷却される。液体酸素は、ジグ
ザグを形成している２つの小面積のフローパスに沿っ
て、ウエーブ１３、次いでウエーブ１５を通って水平方
向に進行する。液体酸素はウエーブ１５において蒸発し
始め、これにより濃度が低下する。次いで、液体酸素は
ウエーブ１７を介して、上昇している二相の流体に著し
く大きいフローセクションを提供するウエーブ１２に分
配される。
【００１５】従って、フローセクションは、流体の単位
重量当たりの容量の増加に伴って拡大する。これにより
流れが促進され、酸素の再循環が改良される。これによ
り、循環速度に依存する酸素側の熱交換係数が改善され
る。
【００１６】二相酸素は流路７の上部より排出される。
低圧塔内には、気体酸素が生じる。余剰の液体酸素は、
図１に矢印で示すように、溢れ出て液体酸素槽へ戻され
る。
【００１７】同様に、ウエーブ１８により分配される気
体窒素も、先ず高度のフローセクション(a high flow s
ection)を有するウエーブ１９に沿って流れる。次い
で、窒素の大部分が凝縮されると、窒素はウエーブ２０
により、著しく小さいフローセクションを有するウエー
ブ２２に集められる。ウエーブ２２は、ウエーブ１３の
対向領域において酸素パスと適合する形状を窒素パスに
与えている。
【００１８】窒素の逆流はボックス６を介して中圧塔へ
戻る。「凝縮できない物質」（水素、ヘリウム、及びネ
オン）は二重塔から、ボックス６の頂部と接続されたパ
イプ２３を介して排気される。
【００１９】示された例では、ウエーブ１３及び１５に
沿って、本質的に液体の酸素のための、垂直方向におけ
る幅が等しい水平の２方向パスがある。或いは、酸素が
最初にその中を進行する水平パスの数は２より少なくて
も多くてもよい。パス数が２以上であるならば、これら
のパスのフローセクションは流体濃度が減少するにつれ
て漸次拡大する。当然ながら、同じことが流路８にも言
える。
【００２０】図３〜図７に示した実施形態では、側部の
窓９がなく、流路７は底部において完全に開口してい
る。各酸素流路７は高さ全体にわたり、垂直方向の母線
を有するウエーブ１２を含む。しかしながら、酸素フロ
ーセクションが漸次拡大するように、ウエーブ１２のピ
ッチは、底部から頂部に向けて拡大することで変化し、
及び/又はウエーブは底部から頂部にかけて漸次厚みが
減少するプレートからできている。
【００２１】この代わりに、或いはこれに加えて、同じ
目的のために、波形により画定される間隙２４は流路の
頂部セクション２５では解放されているが、セクション
２６〜２８に挿入体を下に挿入する（図１３〜図１６参
照）ことにより、漸次塞がれていく。頂部から２つ目の
セクション２６では、挿入体は薄肉のＵ字型プレート２
９である。頂部から３つ目のセクション２７では、挿入
体は厚肉のＵ字型プレート３０である。底部セクション
２８では、挿入体は支持ロッド３２とくし型に接続され
た中実のバー３１である。各ロッド３２は対応するウエ
ーブ１２の底端部上に支持され、これにより流路７の入
口セクションの大部分を解放している。
【００２２】同様の配置を窒素流路８にも適用できるこ
とは明らかである。
【００２３】図８に示す蒸発凝縮器は、気体窒素の上昇
するフローと、液体窒素の下降するフローと共に、即
ち、フーゼル油リムーバとして動作する。更に、前の例
では、酸素流路は底部において完全に開口している。気
体窒素は、液体窒素を排出するためにも用いられる底部
側部入口ボックス１０５を介して窒素流路に入り、凝縮
できない物質は頂部出口ボックス１０６を介して排出さ
れる。
【００２４】４つのプレートのうち、プレート３Ａのみ
が交換体２の高さ全体にわたり連続している。３つの中
間プレートは３つのセクションに分割されている。従っ
て、図８におけるプレートを左から右へ見てみると、第
２のプレート３Ｂは、頂部から下に向かって、高さｈ１
を有する頂部セクション、高さｈ２を有する中間セクシ
ョン、及び高さｈ３を有する底部セクションを含み、第
３のプレート３Ｃは、ｈ１よりも小さい高さｈ４を有す
る頂部セクション、ｈ２よりも大きく、その底部がプレ
ート３Ｂの中間セクションの底部と同じレベルである高
さｈ５を有する中間セクション、及び高さｈ３を有する
底部セクションを含み、第４のプレート３Ｄは、高さｈ
４を有する頂部セクション、ｈ５よりも小さく、その底
部がプレート３Ｃの中間セクションの底部と同じレベル
である高さｈ６を有する中間セクション、ｈ３よりも大
きい高さｈ７を有する底部セクションを含む。
【００２５】従って、中間のプレート３Ｃの中間セクシ
ョンは、プレート３Ｂの頂部セクションの底部端と、プ
レート３Ｄの底部セクションの頂部端の両方と重複す
る。閉鎖バー４ＢＣと４ＣＤは、３つのプレートの対向
する部分を密閉接続する。全てが垂直方向の母線を有す
る対応ウエーブのプレート３Ｂ〜３Ｄのセクション間に
は、中断部(interruptions)３３及び３４のような中断
部が設けられている。
【００２６】従って、酸素が上昇する間、そのフローセ
クションは中間セクションの高さ全体にわたり二重にな
り、頂部セクションの高さ全体にわたり５０％拡大す
る。窒素のフローセクションは中間セクションの高さ全
体にわたり３分の１縮小し、頂部セクションの高さ全体
にわたり半分に縮小する。
【００２７】フローセクションにおける変化を促進する
ため、バー４ＢＣ及び４ＣＤは、それぞれの断面が平行
四辺形となるよう、図示する如く斜めの頂部及び底部エ
ッジを有することが有利である。間隙３３及び３４に
は、中実部分に高い割合で穿孔した穿孔スペーサを設け
ることができる。
【００２８】図９の実施形態でも同じフローセクション
の変形が用いられている。図９の実施形態が図８の実施
形態と異なる点は、プレート３Ｂの底部セクション及び
中間セクション、プレート３Ｃの頂部セクション及び底
部セクション、及びプレート３Ｄの頂部セクション及び
中間セクションがない点である。又、ウエーブの高さ
は、交換体の重ね合わせた３つのセクションにおけるプ
レートのセクション区切りに対応して変わる。
【００２９】２つの流体の相互汚染のリスクを完全に回
避するため、図８に示したバー４ＢＣ及び４ＣＤの代わ
りに、減圧システム（図示せず）に接続された、間に間
隙３５を有する離間されたバー対を用いている。
【００３０】図１０〜図１２に示されたシステムは、図
９に示されたものと同一の原理、即ち、底部から頂部に
かけて漸次拡大する酸素フローセクション、及び底部か
ら頂部にかけて漸次縮小する窒素フローセクションを有
する原理により動作する。図１０及び図１１の図は図３
と同様の図である。図１０及び図１１の図３との相違
は、３つの熱交換セクションが、３つの異なる交換体２
Ａ、２Ｂ及び２Ｃをそれぞれ有し、又交換体の個々の流
路間に接続を有する点にある。
【００３１】従って、端部プレート１０３は３つの交換
体に共通しており、横方向の垂直プレート３６は２つの
プレート間、即ち底部交換体の頂端部と頂部交換体の底
端部との間に密閉接続を提供する（分かり易くするた
め、図１２ではこれらのプレートの輪郭のみを示してい
る）。プレート３６は図１２に示すような平面であって
も、図１０及び図１１に示すように、窒素の圧力に対し
てよりよい抵抗を与えるために外方向へ下反りになって
いてもよい。
【００３２】このようにすると、重ね合わされた本体の
間に自由空間３７が形成され、装置使用中は自由空間３
７は二相酸素で完全に満たされる。
【００３３】窒素が各空間３７を横切ることができるよ
う、底部本体の頂部にある気体窒素出口窓３９と、頂部
本体の底部にある気体窒素入口及び液体窒素出口窓４０
の両方と重複する４つの側部ボックス３８が設けられて
いる。各ボックス３８には、頂部本体の底端部から下方
向に延出する頂部デフレクタ４１、及びデフレクタ４１
の下に五の目型に配置された、ボックス３８の壁から上
方向に延出している底部デフレクタ４２がある。結果と
してこのような障害物は、蒸発凝縮器の２つの中間レベ
ルにおける液体窒素の部分的な排気、及び気体窒素のあ
る本体から別の本体への妨害のない上方向への移動を確
実にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸素流路における長手方向セクションを示す、
本発明に従った蒸発凝縮器の図解的斜視図である。
【図２】窒素流路における長手方向セクションを示す、
本発明に従った蒸発凝縮器の図解的斜視図である。
【図３】酸素流路における長手方向セクションを示す、
本発明に従った蒸発凝縮器の第２の実施形態の図解図で
ある。
【図４】図３の断面線ＩＶ−ＩＶに沿って切断されたセ
クションの断面図である。
【図５】図３の断面線Ｖ−Ｖに沿って切断されたセクシ
ョンの断面図である。
【図６】図３の断面線ＶＩ−ＶＩに沿って切断されたセ
クションの断面図である。
【図７】図３を矢印ＶＩＩの方向から見た図である。
【図８】本発明に従った蒸発凝縮器の第３の実施形態の
垂直方向断面を斜視図で示したものである。
【図９】本発明に従った蒸発凝縮器の第４の実施形態の
垂直方向断面の斜視図である。
【図１０】酸素流路における長手方向セクションを示
す、本発明に従った蒸発凝縮器の第５の実施形態の垂直
方向断面の図解図である。
【図１１】窒素流路における長手方向セクションを示
す、図１０に示した蒸発凝縮器の図解図である。
【図１２】図１１に示した蒸発凝縮器の２つの交換体が
結合される領域の切取内部図の斜視図である。
【図１３】変形態様に関する、図４に類似する図であ
る。
【図１４】変形態様に関する、図５に類似する図であ
る。
【図１５】変形態様に関する、図６に類似する図であ
る。
【図１６】変形態様に関する、図７と類似した図であ
る。
【符号の説明】
１ 蒸発凝縮器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595179619 レール リキド、ソシエテ アノニム プ ール レテュドゥ エ レエクスプロアタ シィオン デ プロセーデ ジョルジュ クロード Ｌ’ＡＩＲ ＬＩＱＵＩＤＥ， ＳＯＣＩ ＥＴＥ ＡＮＯＮＹＭＥ ＰＯＵＲ Ｌ’ ＥＴＵＤＥ ＥＴ Ｌ’ＥＸＰＬＯＩＴＡ ＴＩＯＮ ＤＥＳ ＰＲＯＣＥＤＥＳ Ｇ ＥＯＲＧＥＳ ＣＬＡＵＤＥ フランス国 75321 パリ セデ 07 ケ ドルセー 75 75 Ｑｕａｉ ｄ’Ｏｒｓａｙ 75321 Ｐａｒｉｓ Ｃｅｄｅｘ 07 Ｆｒａｎｃ ｅ (72)発明者 ベルナール ダルドー フランス国 78500 サルトルヴィル リ ュ デ パヴィヨン 14 (72)発明者 フランソワ フュエンテ フランス国 78110 ル ヴェジネ アベ ニュ モーリス ベルトー 21 (72)発明者 ジャン−イヴ レマン フランス国 94700 メゾン アルフォル ドメン シャトー ガヤール 27 (72)発明者 マルク ヴァグナー フランス国 94100 サン モル デ フ ォーセ リュ ルイ デュプレ 19

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下端から供給される蒸発されるべき流体
    のための第１の一連の流路（７）と、少なくとも１つの
    加熱流体のための第２の一連の流路（８）とを画成す
    る、積み重ねた平行なプレート（３）、閉鎖バー（４、
    ４ＢＣ、４ＣＤ）、及びスペーサウエーブ（１２〜２
    ２）を含むタイプの熱サイホン蒸発凝縮器（１）におい
    て、 前記第１の一連の流路（７）の流路は、変化するセクシ
    ョンと、長さ全体にわたり下部から上部にかけて拡大す
    るフローセクションとを有することを特徴とする、熱サ
    イホン蒸発凝縮器。
  2. 【請求項２】 各変化するセクション流路（７）の、そ
    の領域内では流体が実質上液体であるような第１の領域
    （１３〜１５）においては、流路の長さ方向に対し全体
    的に横方向のパスに沿って流体が導かれ、 その領域内では流体が二相であるような流路の第２の領
    域においては、流路の長さ方向に対し長手方向のパス
    （１２）に沿って流体が導かれ、 前記長手方向のパスは、前記全体的に横方向のパスのフ
    ローセクションよりも大きいフローセクションを有する
    ことを特徴とする請求項１記載の熱サイホン蒸発凝縮
    器。
  3. 【請求項３】 前記流体は、前記第１領域においてジグ
    ザグのパス（１３〜１５）に沿って導かれることを特徴
    とする請求項２記載の蒸発凝縮器。
  4. 【請求項４】 前記ジグザグのパスは、ジグザグの直前
    のセクションの幅よりも大きい幅を有する少なくとも１
    つのセクションを含むことを特徴とする請求項３記載の
    蒸発凝縮器。
  5. 【請求項５】 前記第１領域（１３〜１５）と対向し
    て、前記第２の一連の流路の前記流路（８）は、加熱流
    体のために全体的に横方向のパス（２２）を更に画成す
    ることを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか１項に
    記載の蒸発凝縮器。
  6. 【請求項６】 前記各変化するセクション流路（７、
    ８）は、ウエーブを含み、 その領域内では流体が実質上液体であるような領域（２
    ８）からの流路の１つのセクション（２８、２７、２
    ６）からより高位置のセクション（２７、２６、２５）
    にかけて、該ウエーブのプレート厚さが減少し、及び/
    又は、該ウエーブのピッチが増大することを特徴とする
    請求項１記載の蒸発凝縮器。
  7. 【請求項７】 前記各変化するセクション流路は、長さ
    全体にわたり均一のウエーブ（１２）を含み、 各ウエーブ波形により画定される空間は、前記流路の底
    端部セクション（２５）では解放されており、前記流路
    の上端部セクション（２８）にかけては、拡大セクショ
    ン部材（２９、３０、３１）によって部分的に奪われて
    いることを特徴とする請求項１記載の蒸発凝縮器。
  8. 【請求項８】 前記加熱流体の気相は、前記第２の一連
    の流路の底部から上部に向かって循環し、 蒸発凝縮器の底端部から上端部までの最初の流体には多
    数の流路が割り当てられることを特徴とする、前記加熱
    流体を凝縮する、請求項１記載の蒸発凝縮器。
  9. 【請求項９】 前記加熱流体の気相は、第２の一連の流
    路において底部から上部に向けて流れ、 少なくとも数枚のプレート（３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ）は、蒸
    発凝縮器の長さ方向に関して部分的にしか延びておら
    ず、相互に対して横方向に順次オフセットしており、蒸
    発されるべき流体のために底部から上部にかけて漸次厚
    さが増大する流路を画成し且つ加熱流体のために底部か
    ら上部にかけて漸次厚さが減少する流路を画成すること
    を特徴とする、前記加熱流体を凝縮する、請求項１記載
    の蒸発凝縮器。
  10. 【請求項１０】 各流体に割り当てられたフローセクシ
    ョンの変化に対応する各移行領域には、２つの離間され
    た閉鎖バーが設けられ、 ２つのバー間の空間（３５）は、２つの流体の各々の圧
    力よりも低い圧力下にあることを特徴とする請求項８又
    は９記載の蒸発凝縮器。
  11. 【請求項１１】 重ね合わされた複数の交換体（２Ａ、
    ２Ｂ、２Ｃ）を含み、 各流体に割り当てられるフローセクションは、各交換体
    に沿っては一定であるが、隣り合う交換体については異
    なることを特徴とする請求項８又は９記載の蒸発凝縮
    器。
  12. 【請求項１２】 蒸発凝縮器（１）が請求項１乃至１１
    のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする、
    窒素を中圧で凝縮することにより液体酸素を低圧で蒸発
    させるための蒸発凝縮器を有する空気蒸留設備を含むタ
    イプの空気蒸留装置。
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