JP4592125B2 - 流下液膜式凝縮蒸発器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流下液膜式凝縮蒸発器に関し、詳しくは、仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接して設けたプレートフィン型熱交換器コアの蒸発通路に、蒸発流体を均一に分配して導入するための液分配手段を備えた流下液膜式凝縮蒸発器であって、特に、空気液化分離装置の蒸留塔に好適に用いられるプレートフィン式の流下液膜式凝縮蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気液化分離装置の複式蒸留塔では、低圧蒸留塔（以下、低圧塔と称す）の底部、あるいは、低圧塔に連通する容器内の液化酸素と、高圧蒸留塔（以下、高圧塔と称す）の頂部の窒素ガスとを、複式蒸留塔の中間部に設けられた熱交換器で間接熱交換させることにより、液化酸素の一部を蒸発気化して低圧塔の上昇ガスを生成するとともに、窒素ガスを凝縮液化して両蒸留塔の還流液を生成している。このような熱交換器は、一般に凝縮蒸発器と呼ばれている。
【０００３】
凝縮蒸発器としては、プレートフィン型の熱交換器コアを使用したものが通常用いられている。このプレートフィン型の熱交換器コアは、仕切板を介して隣接した凝縮通路と蒸発通路とからなる熱交換通路を多数有するものであって、気体で導入される凝縮流体（窒素ガス）と液体で導入される蒸発流体（液化酸素）とを間接熱交換させることにより、凝縮流体を凝縮液化して熱交換器の下方へ導出するとともに、蒸発流体の一部を蒸発気化させて熱交換器の下方又は下方及び上方へ導出するように形成されている。
【０００４】
図６は、サーモサイフォン効果を利用した液浸漬式のプレートフィン型熱交換器コアを用いた凝縮蒸発器（液浸漬式凝縮蒸発器）を示すものである。この凝縮蒸発器１は、低圧塔２の底部の液溜２ａに溜まる蒸発流体である液化酸素ＬＯ内に浸漬して用いられるもので、蒸発流体（液化酸素ＬＯ）側の熱交換通路（蒸発通路）の出入口両端（上端、下端）は開放されており、高圧塔３の頂部の窒素ガスＧＮは、上部ヘッダー１ａを介して凝縮通路内に導入され、凝縮通路で凝縮液化した液化窒素は、下部ヘッダー１ｂから導出される。
【０００５】
蒸発通路内の液化酸素は、隣接する凝縮通路の凝縮流体である窒素ガスと間接熱交換を行うことにより、その一部が蒸発気化して酸素ガスの気泡となり、蒸発通路を上昇する。この酸素ガスの上昇力及び気液混合の密度差により、凝縮蒸発器１の内外の液化酸素ＬＯにサーモサイフォン効果による循環流が形成される。蒸発通路を上昇流として導出した気液混合状態の酸素の内、蒸発気化しなかった液化酸素は、再び液溜２ａに戻り、蒸発気化した酸素ガスは、低圧塔２の上昇ガスとなり、その一部が製品として経路４から抜き出される。
【０００６】
一方、凝縮通路に導入された窒素ガスは、前記液化酸素との間接熱交換により凝縮液化して液化窒素となり、凝縮蒸発器１の下部から排出される。排出された液化窒素は、還流液として両蒸留塔に導入される他、一部を液化製品として抜き出すこともある。
【０００７】
このように、サーモサイフォン効果を利用した液浸漬型の凝縮蒸発器１は、凝縮流体が下降流，蒸発流体が上昇流の向流型の熱交換器である。そして、凝縮蒸発器１の全体を液化酸素に浸漬して用いるため、液化酸素の液ヘッドによって凝縮蒸発器１の下部から蒸発通路に流入する液化酸素が過冷却状態となる。
【０００８】
このため、液化酸素の沸騰が開始するまで、すなわち、凝縮側の窒素との間接熱交換によって液化酸素の温度が飽和温度に達するまでに、ある程度の距離を必要とし、この距離は、熱交換器高さの２０〜３０％を占める場合がある。すなわち、液浸漬式の凝縮蒸発器１は、熱交換器の全高にわたっての伝熱面積を十分に生かしきれていない。
【０００９】
また、蒸発流体である液化酸素の液ヘッドにより沸点の上昇を来し、図７に示すように、酸素と窒素との温度差ΔＴが小さくなり（温度ピンチ）、設定された伝熱面積では交換熱量が低下してしまう。そこで交換熱量を維持するために、温度差ΔＴを一定に保持する必要が生じるが、この操作方法として、通常、液化酸素の沸点上昇に見合う分、凝縮側窒素ガスの圧力、即ち高圧塔の運転圧力を上昇させており、この場合、動力費の増大を招くことになる。
【００１０】
さらに、凝縮蒸発器１を機能させるためには、多量の液化酸素を貯溜しなければならず、装置の起動時間が長くかかったり、停止時に放出する液化酸素量が多くなり、動力費や人件費の損失となっていた。
【００１１】
上述のようなサーモサイフォン効果を利用した液浸漬型の不都合を回避するため、蒸発流体を、熱交換器の蒸発通路にその上部から流下させながら蒸発気化させる、並流型熱交換器を用いた凝縮蒸発器が提案されている。これらのものは、通常、流下液膜式凝縮蒸発器と呼ばれている。
【００１２】
図８は、プレートフィン型熱交換器を用いた流下液膜式凝縮蒸発器５を示すものである。低圧塔２の蒸留部２ｂから流下する液化酸素ＬＯは、低圧塔底部の液溜２ａからポンプ６により供給される液化酸素とともに、凝縮蒸発器５の上部から蒸発通路に流下し、隣接する凝縮通路を並流する窒素ガスと間接熱交換してその一部が蒸発気化する。気化した酸素ガスは、蒸発通路の下部又は下部及び上部から低圧塔２内に導出し、気化しなかった液化酸素は、蒸発通路の下部から導出して低圧塔底部の液溜２ａに溜り、再びポンプ６で凝縮蒸発器５の上部に戻されて循環する。なお、窒素側は、前記同様に形成されているため、同一符号を付して説明は省略する。
【００１３】
このように、流下液膜式凝縮蒸発器５は、蒸発側の液化酸素に液ヘッドが生じないため、図９に示すように、温度差ΔＴが熱交換器の全高さにわたって略均一となり、熱交換器全体で液化酸素の蒸発が起こっている。したがって、熱交換効率が向上し、熱交換器の小型化や低コスト化が図れるとともに、動力費の低減や起動時間の短縮等も図れる。
【００１４】
上記流下液膜式凝縮蒸発器に関しては、従来から種々の構造，構成のものが提案されており、例えば、特公平５−３１０４２号公報，特公平７−３１０１５号公報，特開平８−６１８６８号公報等に記載されている。これらに記載された流下液膜式凝縮蒸発器においては、液状の蒸発流体を各蒸発通路に均等供給するための液分配構造として、液分配を段階的に行うための液分配手段が提案されている。
【００１５】
例えば、特公平５−３１０４２号公報に示されているものは、液分配を段階的に行う液分配手段を、オリフィスによる予備分配部と、ハードウェイフィン（セレーテッドフィン）の分配作用を利用した精密分配部とで形成している。また、特公平７−３１０１５号公報では、パイプオリフィスによる予備分配部と、ハードウェイフィン（セレーテッドフィン）の分配作用を利用した精密分配部とで形成している。また、特開平８−６１８６８号公報に示されているものは、ハードウェイフィンとして使用するパーフォレイテッドフィンの孔の開口率を段階的に変化させている。そして、これらの各特許に示されている液分配手段は、いずれも、ブレージング加工により熱交換器コアと一体構造に製作されて凝縮蒸発器を形成している。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来の流下液膜式凝縮蒸発器におけるプレートフィン式熱交換器の上部に内蔵された液分配手段は、予備分配部と精密分配部とから構成され、更に精密分配部から導出する液状の蒸発流体を、凝縮通路の上部に設けられたサイドバー等の案内板を介して隣接した蒸発通路へ流下させるような複雑な構造を有しているため、熱交換器の製作コストが高騰するという問題があった。
【００１７】
そこで本発明は、熱交換器コアの蒸発通路の上部に液分配手段を設置することにより、蒸発流体を確実に均等に分配して蒸発通路に導入できるとともに、構造の簡略化を図り、製作コストの低減を図ることができる流下液膜式凝縮蒸発器を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、鉛直方向の仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接させて多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、前記蒸発通路の上下両端を開口して形成し、前記熱交換器コアの上方に蒸発通路の上端開口に連通する液溜部を設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記液溜部に貯留した蒸発流体を前記蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、該液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴としている。さらに、前記上部の液分配部のハードウェイフィンは、セレーテッドフィンにより形成されており、そのセレーション長は前記蒸発通路に設けられているフィンのフィンピッチ以下であること、または、前記液分配手段は、イージーウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていること、あるいは、前記蒸発通路の上端開口には、前記液溜部に代えて蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、下端開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ備えたことを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、前記蒸発通路の上端部側方と下端とを開口して形成し、上端部側方の開口の位置に液受手段を設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記液受手段から前記開口を通して導入する蒸発流体を蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、該液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴としている。あるいは、前記上端部側方の開口には、前記液受手段に代えて蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、前記下端開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ備えたことを特徴としている。
【００２０】
さらに、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、前記蒸発通路の上下両端部側方に開口を設けて形成し、上端部側方の開口には蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、下端部側方の開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記上部側方の開口を通して導入する蒸発流体を蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、前記液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、前記ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と中間部の液分配部とは、１種類のフィンで一体的に構成されていることを特徴としている。
【００２２】
さらに、前記ハードウェイフィンが、セレーテッドフィンにより形成されていること、前記液案内部のイージーウェイフィンは、セレーテッドフィンにより形成されていること、前記液案内部のイージーウェイフィンのフィンピッチが、前記液分配部のハードウェイフィンのセレーション長以下であること、前記液案内部のイージーウェイフィンのフィンピッチが、前記蒸発通路に設けられているフィンのピッチと同一、あるいは、蒸発通路に設けられているフィンのピッチの１／２であることを特徴としている。
【００２３】
特に、本発明では、前記凝縮流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の高圧蒸留塔上部の窒素ガスであり、前記蒸発流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の低圧蒸留塔下部の液化酸素であることを特徴としている。
【００２４】
また、前記液分配手段と隣接する凝縮通路の上端部や、蒸発流体導出側のヘッダーが熱交換器コアの下部側方に設けられる場合の凝縮流体導出側ヘッダーより下方の凝縮通路が、流体の流れないダミー通路として形成されていること、さらに、前記ダミー通路に、フィンを配設したことを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を空気液化分離装置の複式蒸留塔に適用した一例を示す系統図である。流下液膜式凝縮蒸発器（以下、凝縮蒸発器という）１１は、複式蒸留塔の高圧塔１２と低圧塔１３との中間部分に設けられている。原料ガスとなる空気は、圧縮された後、不純物である二酸化炭素や水分等を除去されて精製され、主熱交換器を経て高圧塔１２の下部に経路１４から導入される。高圧塔１２に導入された原料空気は、高圧塔１２での周知の低温蒸留操作により、塔上部の窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離される。
【００２６】
高圧塔１２の頂部の窒素ガスは、経路１５に抜き出されて凝縮蒸発器１１の上部ヘッダー１１ａから凝縮通路の上部に導入され、隣接する蒸発通路を並流する液化酸素と間接熱交換を行い、凝縮液化されて下部ヘッダー１１ｂから経路１６に導出し、その一部は高圧塔１２の上部に、残部は経路１７，弁１８を通って低圧塔１３の上部に、それぞれ還流液として導入される。
【００２７】
一方、低圧塔１３の蒸留部を流下する液化酸素は、低圧塔１３の底部から抜き出され、ポンプ１９により送られる液化酸素とともに、凝縮蒸発器１１を構成する熱交換器コア２０の上方に設けられた液溜部２１に集められた後、熱交換器コア２０の蒸発通路の上部に設けられた液分配手段２２に導かれ、該液分配手段２２で均一に液分配されて熱交換器コア２０の各蒸発通路にそれぞれ流下する。
【００２８】
蒸発通路を流下する液化酸素は、隣接する凝縮通路を並流する窒素ガスとの間接熱交換によってその一部が蒸発気化し、蒸発気化した酸素ガスは、蒸発通路の下端から導出して低圧塔１３の上昇ガスとなり、その一部は製品酸素ガスとして低圧塔１３の下部の経路２３から抜き出される。また、蒸発気化しなかった液化酸素は、蒸発通路の下端から導出して低圧塔１３の底部に集められた後、ポンプ１９により液溜部２１に再導入されて循環する。
【００２９】
図２は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第１形態例を示す要部の断面斜視図である。この凝縮蒸発器３０は、複数枚の仕切板３１を介して凝縮通路３２と蒸発通路３３とを交互に隣接して多数積層して形成したプレートフィン型の熱交換器コア３４の上部に、周囲が堰板３５で囲まれた液溜部３６を設けるとともに、前記蒸発通路３３の上部に、液溜部３６に貯留した蒸発流体を各蒸発通路３３に分配する液分配手段３７を設けたものである。
【００３０】
液分配手段３７は、上部の液分配部３８と、下部の液案内部３９とで形成されており、液分配部３８は、主流れ方向に対して流れ抵抗を最大限に課すように配置されたフィン形状を有するハードウェイフィンにより形成され、フィンとしてはセレーテッドフィンを用いてハードウェイフィン形状に形成している。また、液案内部３９は、主流れ方向に対して流れ抵抗が最小になるように配置されたフィン形状を有するイージーフィンにより形成され、フィンとしてはセレーテッドフィンを用いてイージーフィン形状に形成している。
【００３１】
一方、前記凝縮通路３２の上部には、隣接する蒸発通路３３の液分配手段３７に対応した位置に上下２個のサイドバー４０ａ．４０ｂが設けられ、サイドバー４０ａ．４０ｂ間には、流体の流れないダミー通路４１が形成されている。
【００３２】
このように形成した凝縮蒸発器３０を、前記図１に示した空気液化分離装置の凝縮蒸発器１１として用いた場合、凝縮流体である窒素ガスは、熱交換器伝熱部の凝縮通路３２の上部側面から導入され、隣接する蒸発通路３３を並流する液化酸素と間接熱交換することにより凝縮液化し、凝縮通路３２の下部側面から導出される。
【００３３】
一方、液溜部３６に導入された蒸発流体としての液化酸素は、液分配手段３７の液分配部３８と液案内部３９とを通って熱交換器伝熱部の蒸発通路３３の上端に直接流下し、隣接する凝縮通路３２を並流する窒素ガスと間接熱交換することによってその一部が蒸発気化し、蒸発気化した酸素ガス及び蒸発気化しなかった液化酸素は、蒸発通路３３の底部から導出する。
【００３４】
このように、蒸発通路３３に導入する液化酸素を、液溜部３６に適当な深さで一時貯留し、液分配促進機能を有するハードウェイフィンからなる液分配部３８を通して均一に分配した後、蒸発通路３３への案内機能を持ったイージーウェイフィンからなる液案内部３９を介して各蒸発通路３３に導入することにより、液化酸素を蒸発通路３３へ確実に均等に導入することができる。
【００３５】
また、熱交換器コア３４の外板部から上方に延出した堰板３５によって液溜部３６を形成し、液分配手段３７の流れ抵抗に応じた深さで液化酸素を貯留するようにしたので、各蒸発通路３３の上部に設けた各液分配手段３７に液化酸素を均等に導入することができ、各蒸発通路３３への液化酸素の均一分配をより良好に行うことができる。
【００３６】
さらに、液分配手段３７に仕切板３１を介して隣接する凝縮通路３２の上部を、流体の流れないダミー通路４１とし、液分配手段３７の液分配部３８及び液案内部３９を流下する液化酸素が、隣接する凝縮通路３２を流れる窒素ガスから熱を受けて蒸発気化することがないようにしている。これにより、液分配手段３７部分で液化酸素が蒸発気化し、蒸発気化したガスが液の流れを阻害することがなくなり、均一な液分配を安定した状態で行うことができる。なお、ダミー通路４１内には、構造強度を考慮して適当なフィンを設けることができる。
【００３７】
本形態例の変形例として、図示は省略するが、液溜部３６を設ける代わりに、熱交換器コア３４の上端に、蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、また、熱交換器コア３４の下端に、蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーを、それぞれ設けることができる。この場合、蒸発流体を、前記各ヘッダーにそれぞれ接続した配管によって蒸発通路３３に導入・導出することができるから、凝縮蒸発器３０を低圧塔等の容器外の任意の位置に設置することができ、装置における機器レイアウトが容易となり、製作コストを低減することができる。
【００３８】
図３は、液溜部３６から蒸発通路３３に流下するまでの液状蒸発流体の流れを模式的に示したものである。液分配部３８のハードウェイフィンによる流れ抵抗によって形成された液ヘッドを有する液溜部３６内の蒸発流体（液化酸素）は、液分配部３８のハードウェイフィンにおいて、鉛直方向の主流れ方向に対してこれと直角な水平方向のジグザグな流れを繰り返し形成しながら流下することにより均一に分配される。液分配部３８のハードウェイフィンは、流れ抵抗が大きいため、液シール部が形成されるので、液化酸素は、ハードウェイフィン内を移動しながら流下することができるが、蒸発通路３３で蒸発気化した酸素ガスは、通過して上昇することができない。すなわち、ハードウェイフィン部分には上昇ガスの流れがないので、液分配がガスの流れによって阻害されることがなく、したがって、均一な液分配が達成できる。
【００３９】
上記液分配部３８で均一に分配されて下方に導出する液化酸素は、イージーウェイフィンにより形成された液案内機能を有する液案内部３９に導かれ、熱交換器伝熱部の各蒸発通路３３に確実に分配導入される。このとき、ハードウェイフィンのセレーション長Ｓは、蒸発通路３３のフィンのフィンピッチＰ２以下であることが好ましく、また、液案内部３９のイージーウェイフィンのフィンピッチＰ１は、液分配部３８のハードウェイフィンのセレーション長Ｓ以下であることが好ましく、さらに、蒸発通路３３のフィンのピッチＰ２と同一あるいは１／２であることが好ましい。これにより、各部の液渡しを、より効果的に行うことができる。
【００４０】
なお、本形態例は、好ましい例として、液分配手段３７を、液分配部３８と液案内部３９とで形成した場合を示したが、液分配部３８のみで液分配手段３７を形成しても十分な作用効果を得ることができる。
【００４１】
図４は、本発明の凝縮蒸発器の第２形態例を示すものである。なお、前記第１形態例における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。本形態例に示す凝縮蒸発器は、液分配手段３７において、前記同様にハードウェイフィンで形成した液分配部３８の上流側、即ち上方に、液溜部３６から液分配部３８のハードウェイフィンに導入される液化酸素を案内する機能を有するパーフォレイテッドフィンやセレーテッドフィン等で形成した液導入部４２を設けたものである。このように、熱交換器コア３４の上端にパーフォレイテッドフィンやセレーテッドフィン等からなる液導入部４２を設けることにより、熱交換器コア３４の上端のブレージング加工を確実に行うことができ、その製作を容易にかつ確実に行うことができる。
【００４２】
図５は、本発明の凝縮蒸発器の第３形態例を示すものである。なお、前記第１形態例における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。本形態例に示す凝縮蒸発器は、蒸発通路の上端部側方に開口を設けるとともに、該上端部側方の開口の位置に液受手段を設け、蒸発流体を液受手段から開口を経て蒸発通路に導くように構成したものである。
【００４３】
すなわち、蒸発通路３３の上端は、水平方向のサイドバー４３ａにより密閉されており、該サイドバー４３ａと、蒸発通路３３の両側の鉛直方向のサイドバー４３ｂとを適当な隙間を設けて配置することにより開口４４を形成するとともに、該開口４４の位置には、熱交換器コア３４の周囲を囲む底板４５と、底板４５の外周に立設した周壁４６とからなる液受手段４７を設け、さらに、蒸発通路３３の上部に、ハードウェイフィンからなる上部の液導入部４８と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部４９と、イージーフィンからなる下部の液案内部５０とで構成された液分配手段５１を設けたものである。また、蒸発通路３３の下端（底部）は、前記同様に開口されている。
【００４４】
このように構成することによっても、前記形態例と同様な効果を奏することができる。なお、開口４４は、蒸発通路３３の側方の一方又は双方に設けることができる。また、上部の液導入部４８は、その上端を上端部側方の開口４４の上端又は下端と一致させて設けることができる。さらに、上部の液導入部４８と中間部の液分配部４９は、１種のハードウェイフィンで一体的に構成することができる。
【００４５】
また、本形態例の変形例として、前記第１形態例の変形例と同様に、液受手段４７を設ける代わりに、上端部側方の開口に蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、下端開口に蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ設けることができる。さらに、蒸発通路３３の下端部を上端部と上下対称の形状に形成することができる。すなわち、蒸発通路３３の下端を開口する代わりに、下端を水平方向のサイドバーで密閉して下端部側方に開口を設け、この開口に同様にしてヘッダーを設けることができる。この場合、前記第１形態例の変形例と同様に、凝縮流体の導出側ヘッダー（図１の符号１１ｂ）より下方の凝縮通路（図２の符号３２）を、流体の流れないダミー通路として形成することができる。
【００４６】
このように、流下液膜式凝縮蒸発器において、熱交換器コアの蒸発通路の上部に、通常の熱交換器の構成部品であるフィンを用い、該フィンの流れ抵抗を利用して液を均等に分配させる機能を有する液分配手段を設けたことにより、隣接する凝縮通路を利用することなく、単一の通路のみで均等な液分配を達成することができ、蒸発通路ヘの蒸発流体の導入を均等にかつ確実に行えるので、熱交換器の伝熱性能を向上することができるとともに、熱交換器の構造が簡単になり、製作コストを低減することができる。また、蒸発通路側の開口部に蒸発流体を導入・導出する経路を有するヘッダーを設けることにより、凝縮蒸発器を容器の外部に設置することができ、機器のレイアウトが容易となる。
【００４７】
なお、上記各形態例においては、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を、空気液化分離装置の複蒸留塔の中間部に設けられる凝縮蒸発器に用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単式蒸留塔の上部に設けられる凝縮蒸発器や、その他、凝縮流体と蒸発流体とを間接熱交換させる種々の凝縮蒸発器にも用いることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器によれば、簡単な構成で均等な液分配を確実に行うことができるので、製作コストの低減が図れるとともに、熱交換効率の向上も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を空気液化分離装置の複式蒸留塔に適用した一例を示す系統図である。
【図２】本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第１形態例を示す要部の断面斜視図である。
【図３】本発明の流下液膜式凝縮器における液溜部から蒸発通路に流下するまでの液状蒸発流体の流れを模式的に示した図である。
【図４】本発明の第２形態例を示す要部の断面斜視図である。
【図５】本発明の第３形態例を示す要部の断面者視図である。
【図６】液浸漬式凝縮蒸発器の一例を示す系統図である。
【図７】液浸漬式凝縮蒸発器内の温度分布の概略を示す図である。
【図８】流下液膜式凝縮蒸発器の一例を示す系統図である。
【図９】流下液膜式凝縮蒸発器内の温度分布の概略を示す図である。
【符号の説明】
１１…凝縮蒸発器、１２…高圧塔、１３…低圧塔、２０…熱交換器コア、２１…液溜部、２２…液分配手段、３０…凝縮蒸発器、３１…仕切板、３２…凝縮通路、３３…蒸発通路、３４…熱交換器コア、３５…堰板、３６…液溜部、３７…液分配手段、３８…液分配部、３９…液案内部、４０ａ．４０ｂ…サイドバー、４１…ダミー通路、４２…液導入部、４３ａ，４３ｂ…サイドバー、４４…開口、４５…底板、４６…周壁、４７…液受手段、４８…液導入部、４９…液分配部、５０…液案内部、５１…液分配手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、流下液膜式凝縮蒸発器に関し、詳しくは、仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接して設けたプレートフィン型熱交換器コアの蒸発通路に、蒸発流体を均一に分配して導入するための液分配手段を備えた流下液膜式凝縮蒸発器であって、特に、空気液化分離装置の蒸留塔に好適に用いられるプレートフィン式の流下液膜式凝縮蒸発器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気液化分離装置の複式蒸留塔では、低圧蒸留塔（以下、低圧塔と称す）の底部、あるいは、低圧塔に連通する容器内の液化酸素と、高圧蒸留塔（以下、高圧塔と称す）の頂部の窒素ガスとを、複式蒸留塔の中間部に設けられた熱交換器で間接熱交換させることにより、液化酸素の一部を蒸発気化して低圧塔の上昇ガスを生成するとともに、窒素ガスを凝縮液化して両蒸留塔の還流液を生成している。このような熱交換器は、一般に凝縮蒸発器と呼ばれている。
【０００３】
凝縮蒸発器としては、プレートフィン型の熱交換器コアを使用したものが通常用いられている。このプレートフィン型の熱交換器コアは、仕切板を介して隣接した凝縮通路と蒸発通路とからなる熱交換通路を多数有するものであって、気体で導入される凝縮流体（窒素ガス）と液体で導入される蒸発流体（液化酸素）とを間接熱交換させることにより、凝縮流体を凝縮液化して熱交換器の下方へ導出するとともに、蒸発流体の一部を蒸発気化させて熱交換器の下方又は下方及び上方へ導出するように形成されている。
【０００４】
図６は、サーモサイフォン効果を利用した液浸漬式のプレートフィン型熱交換器コアを用いた凝縮蒸発器（液浸漬式凝縮蒸発器）を示すものである。この凝縮蒸発器１は、低圧塔２の底部の液溜２ａに溜まる蒸発流体である液化酸素ＬＯ内に浸漬して用いられるもので、蒸発流体（液化酸素ＬＯ）側の熱交換通路（蒸発通路）の出入口両端（上端、下端）は開放されており、高圧塔３の頂部の窒素ガスＧＮは、上部ヘッダー１ａを介して凝縮通路内に導入され、凝縮通路で凝縮液化した液化窒素は、下部ヘッダー１ｂから導出される。
【０００５】
蒸発通路内の液化酸素は、隣接する凝縮通路の凝縮流体である窒素ガスと間接熱交換を行うことにより、その一部が蒸発気化して酸素ガスの気泡となり、蒸発通路を上昇する。この酸素ガスの上昇力及び気液混合の密度差により、凝縮蒸発器１の内外の液化酸素ＬＯにサーモサイフォン効果による循環流が形成される。蒸発通路を上昇流として導出した気液混合状態の酸素の内、蒸発気化しなかった液化酸素は、再び液溜２ａに戻り、蒸発気化した酸素ガスは、低圧塔２の上昇ガスとなり、その一部が製品として経路４から抜き出される。
【０００６】
一方、凝縮通路に導入された窒素ガスは、前記液化酸素との間接熱交換により凝縮液化して液化窒素となり、凝縮蒸発器１の下部から排出される。排出された液化窒素は、還流液として両蒸留塔に導入される他、一部を液化製品として抜き出すこともある。
【０００７】
このように、サーモサイフォン効果を利用した液浸漬型の凝縮蒸発器１は、凝縮流体が下降流，蒸発流体が上昇流の向流型の熱交換器である。そして、凝縮蒸発器１の全体を液化酸素に浸漬して用いるため、液化酸素の液ヘッドによって凝縮蒸発器１の下部から蒸発通路に流入する液化酸素が過冷却状態となる。
【０００８】
このため、液化酸素の沸騰が開始するまで、すなわち、凝縮側の窒素との間接熱交換によって液化酸素の温度が飽和温度に達するまでに、ある程度の距離を必要とし、この距離は、熱交換器高さの２０〜３０％を占める場合がある。すなわち、液浸漬式の凝縮蒸発器１は、熱交換器の全高にわたっての伝熱面積を十分に生かしきれていない。
【０００９】
また、蒸発流体である液化酸素の液ヘッドにより沸点の上昇を来し、図７に示すように、酸素と窒素との温度差ΔＴが小さくなり（温度ピンチ）、設定された伝熱面積では交換熱量が低下してしまう。そこで交換熱量を維持するために、温度差ΔＴを一定に保持する必要が生じるが、この操作方法として、通常、液化酸素の沸点上昇に見合う分、凝縮側窒素ガスの圧力、即ち高圧塔の運転圧力を上昇させており、この場合、動力費の増大を招くことになる。
【００１０】
さらに、凝縮蒸発器１を機能させるためには、多量の液化酸素を貯溜しなければならず、装置の起動時間が長くかかったり、停止時に放出する液化酸素量が多くなり、動力費や人件費の損失となっていた。
【００１１】
上述のようなサーモサイフォン効果を利用した液浸漬型の不都合を回避するため、蒸発流体を、熱交換器の蒸発通路にその上部から流下させながら蒸発気化させる、並流型熱交換器を用いた凝縮蒸発器が提案されている。これらのものは、通常、流下液膜式凝縮蒸発器と呼ばれている。
【００１２】
図８は、プレートフィン型熱交換器を用いた流下液膜式凝縮蒸発器５を示すものである。低圧塔２の蒸留部２ｂから流下する液化酸素ＬＯは、低圧塔底部の液溜２ａからポンプ６により供給される液化酸素とともに、凝縮蒸発器５の上部から蒸発通路に流下し、隣接する凝縮通路を並流する窒素ガスと間接熱交換してその一部が蒸発気化する。気化した酸素ガスは、蒸発通路の下部又は下部及び上部から低圧塔２内に導出し、気化しなかった液化酸素は、蒸発通路の下部から導出して低圧塔底部の液溜２ａに溜り、再びポンプ６で凝縮蒸発器５の上部に戻されて循環する。なお、窒素側は、前記同様に形成されているため、同一符号を付して説明は省略する。
【００１３】
このように、流下液膜式凝縮蒸発器５は、蒸発側の液化酸素に液ヘッドが生じないため、図９に示すように、温度差ΔＴが熱交換器の全高さにわたって略均一となり、熱交換器全体で液化酸素の蒸発が起こっている。したがって、熱交換効率が向上し、熱交換器の小型化や低コスト化が図れるとともに、動力費の低減や起動時間の短縮等も図れる。
【００１４】
上記流下液膜式凝縮蒸発器に関しては、従来から種々の構造，構成のものが提案されており、例えば、特公平５−３１０４２号公報，特公平７−３１０１５号公報，特開平８−６１８６８号公報等に記載されている。これらに記載された流下液膜式凝縮蒸発器においては、液状の蒸発流体を各蒸発通路に均等供給するための液分配構造として、液分配を段階的に行うための液分配手段が提案されている。
【００１５】
例えば、特公平５−３１０４２号公報に示されているものは、液分配を段階的に行う液分配手段を、オリフィスによる予備分配部と、ハードウェイフィン（セレーテッドフィン）の分配作用を利用した精密分配部とで形成している。また、特公平７−３１０１５号公報では、パイプオリフィスによる予備分配部と、ハードウェイフィン（セレーテッドフィン）の分配作用を利用した精密分配部とで形成している。また、特開平８−６１８６８号公報に示されているものは、ハードウェイフィンとして使用するパーフォレイテッドフィンの孔の開口率を段階的に変化させている。そして、これらの各特許に示されている液分配手段は、いずれも、ブレージング加工により熱交換器コアと一体構造に製作されて凝縮蒸発器を形成している。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来の流下液膜式凝縮蒸発器におけるプレートフィン式熱交換器の上部に内蔵された液分配手段は、予備分配部と精密分配部とから構成され、更に精密分配部から導出する液状の蒸発流体を、凝縮通路の上部に設けられたサイドバー等の案内板を介して隣接した蒸発通路へ流下させるような複雑な構造を有しているため、熱交換器の製作コストが高騰するという問題があった。
【００１７】
そこで本発明は、熱交換器コアの蒸発通路の上部に液分配手段を設置することにより、蒸発流体を確実に均等に分配して蒸発通路に導入できるとともに、構造の簡略化を図り、製作コストの低減を図ることができる流下液膜式凝縮蒸発器を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、鉛直方向の仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接させて多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、前記蒸発通路の上下両端を開口して形成し、前記熱交換器コアの上方に蒸発通路の上端開口に連通する液溜部を設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記液溜部に貯留した蒸発流体を前記蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、該液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴としている。さらに、前記上部の液分配部のハードウェイフィンは、セレーテッドフィンにより形成されており、そのセレーション長は前記蒸発通路に設けられているフィンのフィンピッチ以下であること、または、前記液分配手段は、イージーウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていること、あるいは、前記蒸発通路の上端開口には、前記液溜部に代えて蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、下端開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ備えたことを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、前記蒸発通路の上端部側方と下端とを開口して形成し、上端部側方の開口の位置に液受手段を設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記液受手段から前記開口を通して導入する蒸発流体を蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、該液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴としている。あるいは、前記上端部側方の開口には、前記液受手段に代えて蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、前記下端開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ備えたことを特徴としている。
【００２０】
さらに、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、前記蒸発通路の上下両端部側方に開口を設けて形成し、上端部側方の開口には蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、下端部側方の開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記上部側方の開口を通して導入する蒸発流体を蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、前記液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、前記ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と中間部の液分配部とは、１種類のフィンで一体的に構成されていることを特徴としている。
【００２２】
さらに、前記ハードウェイフィンが、セレーテッドフィンにより形成されていること、前記液案内部のイージーウェイフィンは、セレーテッドフィンにより形成されていること、前記液案内部のイージーウェイフィンのフィンピッチが、前記液分配部のハードウェイフィンのセレーション長以下であること、前記液案内部のイージーウェイフィンのフィンピッチが、前記蒸発通路に設けられているフィンのピッチと同一、あるいは、蒸発通路に設けられているフィンのピッチの１／２であることを特徴としている。
【００２３】
特に、本発明では、前記凝縮流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の高圧蒸留塔上部の窒素ガスであり、前記蒸発流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の低圧蒸留塔下部の液化酸素であることを特徴としている。
【００２４】
また、前記液分配手段と隣接する凝縮通路の上端部や、蒸発流体導出側のヘッダーが熱交換器コアの下部側方に設けられる場合の凝縮流体導出側ヘッダーより下方の凝縮通路が、流体の流れないダミー通路として形成されていること、さらに、前記ダミー通路に、フィンを配設したことを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を空気液化分離装置の複式蒸留塔に適用した一例を示す系統図である。流下液膜式凝縮蒸発器（以下、凝縮蒸発器という）１１は、複式蒸留塔の高圧塔１２と低圧塔１３との中間部分に設けられている。原料ガスとなる空気は、圧縮された後、不純物である二酸化炭素や水分等を除去されて精製され、主熱交換器を経て高圧塔１２の下部に経路１４から導入される。高圧塔１２に導入された原料空気は、高圧塔１２での周知の低温蒸留操作により、塔上部の窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離される。
【００２６】
高圧塔１２の頂部の窒素ガスは、経路１５に抜き出されて凝縮蒸発器１１の上部ヘッダー１１ａから凝縮通路の上部に導入され、隣接する蒸発通路を並流する液化酸素と間接熱交換を行い、凝縮液化されて下部ヘッダー１１ｂから経路１６に導出し、その一部は高圧塔１２の上部に、残部は経路１７，弁１８を通って低圧塔１３の上部に、それぞれ還流液として導入される。
【００２７】
一方、低圧塔１３の蒸留部を流下する液化酸素は、低圧塔１３の底部から抜き出され、ポンプ１９により送られる液化酸素とともに、凝縮蒸発器１１を構成する熱交換器コア２０の上方に設けられた液溜部２１に集められた後、熱交換器コア２０の蒸発通路の上部に設けられた液分配手段２２に導かれ、該液分配手段２２で均一に液分配されて熱交換器コア２０の各蒸発通路にそれぞれ流下する。
【００２８】
蒸発通路を流下する液化酸素は、隣接する凝縮通路を並流する窒素ガスとの間接熱交換によってその一部が蒸発気化し、蒸発気化した酸素ガスは、蒸発通路の下端から導出して低圧塔１３の上昇ガスとなり、その一部は製品酸素ガスとして低圧塔１３の下部の経路２３から抜き出される。また、蒸発気化しなかった液化酸素は、蒸発通路の下端から導出して低圧塔１３の底部に集められた後、ポンプ１９により液溜部２１に再導入されて循環する。
【００２９】
図２は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第１形態例を示す要部の断面斜視図である。この凝縮蒸発器３０は、複数枚の仕切板３１を介して凝縮通路３２と蒸発通路３３とを交互に隣接して多数積層して形成したプレートフィン型の熱交換器コア３４の上部に、周囲が堰板３５で囲まれた液溜部３６を設けるとともに、前記蒸発通路３３の上部に、液溜部３６に貯留した蒸発流体を各蒸発通路３３に分配する液分配手段３７を設けたものである。
【００３０】
液分配手段３７は、上部の液分配部３８と、下部の液案内部３９とで形成されており、液分配部３８は、主流れ方向に対して流れ抵抗を最大限に課すように配置されたフィン形状を有するハードウェイフィンにより形成され、フィンとしてはセレーテッドフィンを用いてハードウェイフィン形状に形成している。また、液案内部３９は、主流れ方向に対して流れ抵抗が最小になるように配置されたフィン形状を有するイージーフィンにより形成され、フィンとしてはセレーテッドフィンを用いてイージーフィン形状に形成している。
【００３１】
一方、前記凝縮通路３２の上部には、隣接する蒸発通路３３の液分配手段３７に対応した位置に上下２個のサイドバー４０ａ．４０ｂが設けられ、サイドバー４０ａ．４０ｂ間には、流体の流れないダミー通路４１が形成されている。
【００３２】
このように形成した凝縮蒸発器３０を、前記図１に示した空気液化分離装置の凝縮蒸発器１１として用いた場合、凝縮流体である窒素ガスは、熱交換器伝熱部の凝縮通路３２の上部側面から導入され、隣接する蒸発通路３３を並流する液化酸素と間接熱交換することにより凝縮液化し、凝縮通路３２の下部側面から導出される。
【００３３】
一方、液溜部３６に導入された蒸発流体としての液化酸素は、液分配手段３７の液分配部３８と液案内部３９とを通って熱交換器伝熱部の蒸発通路３３の上端に直接流下し、隣接する凝縮通路３２を並流する窒素ガスと間接熱交換することによってその一部が蒸発気化し、蒸発気化した酸素ガス及び蒸発気化しなかった液化酸素は、蒸発通路３３の底部から導出する。
【００３４】
このように、蒸発通路３３に導入する液化酸素を、液溜部３６に適当な深さで一時貯留し、液分配促進機能を有するハードウェイフィンからなる液分配部３８を通して均一に分配した後、蒸発通路３３への案内機能を持ったイージーウェイフィンからなる液案内部３９を介して各蒸発通路３３に導入することにより、液化酸素を蒸発通路３３へ確実に均等に導入することができる。
【００３５】
また、熱交換器コア３４の外板部から上方に延出した堰板３５によって液溜部３６を形成し、液分配手段３７の流れ抵抗に応じた深さで液化酸素を貯留するようにしたので、各蒸発通路３３の上部に設けた各液分配手段３７に液化酸素を均等に導入することができ、各蒸発通路３３への液化酸素の均一分配をより良好に行うことができる。
【００３６】
さらに、液分配手段３７に仕切板３１を介して隣接する凝縮通路３２の上部を、流体の流れないダミー通路４１とし、液分配手段３７の液分配部３８及び液案内部３９を流下する液化酸素が、隣接する凝縮通路３２を流れる窒素ガスから熱を受けて蒸発気化することがないようにしている。これにより、液分配手段３７部分で液化酸素が蒸発気化し、蒸発気化したガスが液の流れを阻害することがなくなり、均一な液分配を安定した状態で行うことができる。なお、ダミー通路４１内には、構造強度を考慮して適当なフィンを設けることができる。
【００３７】
本形態例の変形例として、図示は省略するが、液溜部３６を設ける代わりに、熱交換器コア３４の上端に、蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、また、熱交換器コア３４の下端に、蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーを、それぞれ設けることができる。この場合、蒸発流体を、前記各ヘッダーにそれぞれ接続した配管によって蒸発通路３３に導入・導出することができるから、凝縮蒸発器３０を低圧塔等の容器外の任意の位置に設置することができ、装置における機器レイアウトが容易となり、製作コストを低減することができる。
【００３８】
図３は、液溜部３６から蒸発通路３３に流下するまでの液状蒸発流体の流れを模式的に示したものである。液分配部３８のハードウェイフィンによる流れ抵抗によって形成された液ヘッドを有する液溜部３６内の蒸発流体（液化酸素）は、液分配部３８のハードウェイフィンにおいて、鉛直方向の主流れ方向に対してこれと直角な水平方向のジグザグな流れを繰り返し形成しながら流下することにより均一に分配される。液分配部３８のハードウェイフィンは、流れ抵抗が大きいため、液シール部が形成されるので、液化酸素は、ハードウェイフィン内を移動しながら流下することができるが、蒸発通路３３で蒸発気化した酸素ガスは、通過して上昇することができない。すなわち、ハードウェイフィン部分には上昇ガスの流れがないので、液分配がガスの流れによって阻害されることがなく、したがって、均一な液分配が達成できる。
【００３９】
上記液分配部３８で均一に分配されて下方に導出する液化酸素は、イージーウェイフィンにより形成された液案内機能を有する液案内部３９に導かれ、熱交換器伝熱部の各蒸発通路３３に確実に分配導入される。このとき、ハードウェイフィンのセレーション長Ｓは、蒸発通路３３のフィンのフィンピッチＰ２以下であることが好ましく、また、液案内部３９のイージーウェイフィンのフィンピッチＰ１は、液分配部３８のハードウェイフィンのセレーション長Ｓ以下であることが好ましく、さらに、蒸発通路３３のフィンのピッチＰ２と同一あるいは１／２であることが好ましい。これにより、各部の液渡しを、より効果的に行うことができる。
【００４０】
なお、本形態例は、好ましい例として、液分配手段３７を、液分配部３８と液案内部３９とで形成した場合を示したが、液分配部３８のみで液分配手段３７を形成しても十分な作用効果を得ることができる。
【００４１】
図４は、本発明の凝縮蒸発器の第２形態例を示すものである。なお、前記第１形態例における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。本形態例に示す凝縮蒸発器は、液分配手段３７において、前記同様にハードウェイフィンで形成した液分配部３８の上流側、即ち上方に、液溜部３６から液分配部３８のハードウェイフィンに導入される液化酸素を案内する機能を有するパーフォレイテッドフィンやセレーテッドフィン等で形成した液導入部４２を設けたものである。このように、熱交換器コア３４の上端にパーフォレイテッドフィンやセレーテッドフィン等からなる液導入部４２を設けることにより、熱交換器コア３４の上端のブレージング加工を確実に行うことができ、その製作を容易にかつ確実に行うことができる。
【００４２】
図５は、本発明の凝縮蒸発器の第３形態例を示すものである。なお、前記第１形態例における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。本形態例に示す凝縮蒸発器は、蒸発通路の上端部側方に開口を設けるとともに、該上端部側方の開口の位置に液受手段を設け、蒸発流体を液受手段から開口を経て蒸発通路に導くように構成したものである。
【００４３】
すなわち、蒸発通路３３の上端は、水平方向のサイドバー４３ａにより密閉されており、該サイドバー４３ａと、蒸発通路３３の両側の鉛直方向のサイドバー４３ｂとを適当な隙間を設けて配置することにより開口４４を形成するとともに、該開口４４の位置には、熱交換器コア３４の周囲を囲む底板４５と、底板４５の外周に立設した周壁４６とからなる液受手段４７を設け、さらに、蒸発通路３３の上部に、ハードウェイフィンからなる上部の液導入部４８と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部４９と、イージーフィンからなる下部の液案内部５０とで構成された液分配手段５１を設けたものである。また、蒸発通路３３の下端（底部）は、前記同様に開口されている。
【００４４】
このように構成することによっても、前記形態例と同様な効果を奏することができる。なお、開口４４は、蒸発通路３３の側方の一方又は双方に設けることができる。また、上部の液導入部４８は、その上端を上端部側方の開口４４の上端又は下端と一致させて設けることができる。さらに、上部の液導入部４８と中間部の液分配部４９は、１種のハードウェイフィンで一体的に構成することができる。
【００４５】
また、本形態例の変形例として、前記第１形態例の変形例と同様に、液受手段４７を設ける代わりに、上端部側方の開口に蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、下端開口に蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ設けることができる。さらに、蒸発通路３３の下端部を上端部と上下対称の形状に形成することができる。すなわち、蒸発通路３３の下端を開口する代わりに、下端を水平方向のサイドバーで密閉して下端部側方に開口を設け、この開口に同様にしてヘッダーを設けることができる。この場合、前記第１形態例の変形例と同様に、凝縮流体の導出側ヘッダー（図１の符号１１ｂ）より下方の凝縮通路（図２の符号３２）を、流体の流れないダミー通路として形成することができる。
【００４６】
このように、流下液膜式凝縮蒸発器において、熱交換器コアの蒸発通路の上部に、通常の熱交換器の構成部品であるフィンを用い、該フィンの流れ抵抗を利用して液を均等に分配させる機能を有する液分配手段を設けたことにより、隣接する凝縮通路を利用することなく、単一の通路のみで均等な液分配を達成することができ、蒸発通路ヘの蒸発流体の導入を均等にかつ確実に行えるので、熱交換器の伝熱性能を向上することができるとともに、熱交換器の構造が簡単になり、製作コストを低減することができる。また、蒸発通路側の開口部に蒸発流体を導入・導出する経路を有するヘッダーを設けることにより、凝縮蒸発器を容器の外部に設置することができ、機器のレイアウトが容易となる。
【００４７】
なお、上記各形態例においては、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を、空気液化分離装置の複蒸留塔の中間部に設けられる凝縮蒸発器に用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、単式蒸留塔の上部に設けられる凝縮蒸発器や、その他、凝縮流体と蒸発流体とを間接熱交換させる種々の凝縮蒸発器にも用いることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器によれば、簡単な構成で均等な液分配を確実に行うことができるので、製作コストの低減が図れるとともに、熱交換効率の向上も図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を空気液化分離装置の複式蒸留塔に適用した一例を示す系統図である。
【図２】本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第１形態例を示す要部の断面斜視図である。
【図３】本発明の流下液膜式凝縮器における液溜部から蒸発通路に流下するまでの液状蒸発流体の流れを模式的に示した図である。
【図４】本発明の第２形態例を示す要部の断面斜視図である。
【図５】本発明の第３形態例を示す要部の断面者視図である。
【図６】液浸漬式凝縮蒸発器の一例を示す系統図である。
【図７】液浸漬式凝縮蒸発器内の温度分布の概略を示す図である。
【図８】流下液膜式凝縮蒸発器の一例を示す系統図である。
【図９】流下液膜式凝縮蒸発器内の温度分布の概略を示す図である。
【符号の説明】
１１…凝縮蒸発器、１２…高圧塔、１３…低圧塔、２０…熱交換器コア、２１…液溜部、２２…液分配手段、３０…凝縮蒸発器、３１…仕切板、３２…凝縮通路、３３…蒸発通路、３４…熱交換器コア、３５…堰板、３６…液溜部、３７…液分配手段、３８…液分配部、３９…液案内部、４０ａ．４０ｂ…サイドバー、４１…ダミー通路、４２…液導入部、４３ａ，４３ｂ…サイドバー、４４…開口、４５…底板、４６…周壁、４７…液受手段、４８…液導入部、４９…液分配部、５０…液案内部、５１…液分配手段
Claims (17)
- 鉛直方向の仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接させて多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、前記蒸発通路の上下両端を開口して形成し、前記熱交換器コアの上方に蒸発通路の上端開口に連通する液溜部を設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記液溜部に貯留した蒸発流体を前記蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、該液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴とする流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記上部の液分配部のハードウェイフィンは、セレーテッドフィンにより形成されており、そのセレーション長は前記蒸発通路に設けられているフィンのフィンピッチ以下であることを特徴とする請求項１記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 鉛直方向の仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接させて多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、前記蒸発通路の上下両端を開口して形成し、前記熱交換器コアの上方に蒸発通路の上端開口に連通する液溜部を設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記液溜部に貯留した蒸発流体を前記蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、該液分配手段は、イージーウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴とする流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記蒸発通路の上端開口には、前記液溜部に代えて蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、下端開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 鉛直方向の仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接させて多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、前記蒸発通路の上端部側方と下端とを開口して形成し、上端部側方の開口の位置に液受手段を設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記液受手段から前記開口を通して導入する蒸発流体を前記蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、該液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴とする流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記上端部側方の開口には、前記液受手段に代えて蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、前記下端開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ備えたことを特徴とする請求項５記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 鉛直方向の仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接させて多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、前記蒸発通路の上下両端部側方に開口を設けて形成し、上端部側方の開口には蒸発流体を導入する経路を有するヘッダーを、下端部側方の開口には蒸発流体を導出する経路を有するヘッダーをそれぞれ設けるとともに、前記蒸発通路の上部に、前記上部側方の開口を通して導入する蒸発流体を前記蒸発通路内に分配する液分配手段を設け、前記液分配手段は、ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と、ハードウェイフィンからなる中間部の液分配部と、イージーウェイフィンからなる下部の液案内部とで形成されていることを特徴とする流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記ハードウェイフィンからなる上部の液導入部と中間部の液分配部とは、１種類のフィンで一体的に構成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記ハードウェイフィンは、セレーテッドフィンにより形成されていることを特徴とする請求項１，３〜８のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液案内部のイージーウェイフィンは、セレーテッドフィンにより形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液案内部のイージーウェイフィンのフィンピッチは、前記液分配部のハードウェイフィンのセレーション長以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液案内部のイージーウェイフィンのフィンピッチは、前記蒸発通路に設けられているフィンのピッチと同一であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液案内部のイージーウェイフィンのフィンピッチは、前記蒸発通路に設けられているフィンのピッチの１／２であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 請求項１〜１３のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器を備え、複式蒸留塔の高圧蒸留塔上部の窒素ガスが前記凝縮流体であり、複式蒸留塔の低圧蒸留塔下部の液化酸素が前記蒸発流体である空気液化分離装置。
- 前記液分配手段と隣接する凝縮通路の上端部は、流体の流れないダミー通路として形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液分配手段と隣接する凝縮通路の上端部及び凝縮流体導出側ヘッダーより下方の凝縮通路は、流体の流れないダミー通路として形成されていることを特徴とする請求項７記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記ダミー通路は、フィンが配設されていることを特徴とする請求項１５又は１６記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
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