JP4704928B2 - 熱交換型蒸留装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換型蒸留装置に関し、詳しくは、プレートフィン熱交換器に蒸留機能（気液接触機能）を持たせた熱交換型蒸留装置に関する。
デフレグメータ（分縮器）とも呼ばれる熱交換型蒸留装置は、多数枚のプレート間にコルゲート状の伝熱フィンを挟んで積層状態としたプレートフィン熱交換器に蒸留機能を付加した装置であって、空気を分離して酸素や窒素を製造する空気液化分離装置の蒸留塔等として用いられている。この熱交換型蒸留装置は、一般に、前記プレートの両側に第１通路と第２通路とを交互に配置して互いに熱的結合させ、第１通路を流れる流体と第２通路を流れる流体とを熱交換させ、各通路内で下降液と上昇ガスとを気液接触させることにより、各流体中の低沸点成分を通路上部に濃縮し、高沸点成分を通路下部に濃縮するように形成されている。
このような熱交換型蒸留装置では、通路上方から供給される液流体を通路内に均一に分配することが、装置の蒸留性能を高めるために重要なものとなる。このため、通路内に液流体を均一に分配するための液分配器として種々の構造が提案されており、例えば、通路の上部に、液体流路と気体流路とを仕切板を介して隣接配置するとともに、前記液体流路に導入された液流体を均一に分配して流下させるための気液分配構造体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−８９８３５号公報
しかし、上述の気液分配構造体では、液体流路における通路厚み方向（プレートを横切る方向）に関しての検討が十分ではなく、また、気体流路を上昇するガスに液体の飛沫が同伴されることに関しても十分な検討がなされていない。
そこで本発明は、液流体を均一に分配して流下させることができ、フラッディング限界も高く、上昇するガスへの液体の同伴も抑えることができる気液分配構造を備えた熱交換型蒸留装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明の熱交換型蒸留装置の第１の構成は、互いに熱的結合された少なくとも二組の通路を有するプレートフィン熱交換器を使用し、少なくとも一方の通路の上方に設けた液導入部から導入した液流体の少なくとも一部を気化させ、気化したガス流体を前記一方の通路の上方に設けたガス導出路から導出する熱交換型蒸留装置において、前記液導入部に導入された液流体を粗分配する粗分配部を備えた液流入路と前記ガス導出路とが鉛直方向の仕切板を介して設けられた第１領域を設けるとともに、該第１領域の下方に、前記粗分配部から流下する液流体を下方の通路に向けて精密分配して流下させるとともに、前記下方の通路から上昇するガス流体を前記ガス導出路に上昇させる精密分配部からなる第２領域を設け、前記精密分配部は、前記一方の通路と同じ厚みで形成されていることを特徴としている。
また、本発明の熱交換型蒸留装置の第２の構成は、互いに熱的結合された少なくとも二組の通路を有するプレートフィン熱交換器における第１通路の下部に導入された原料空気を、該第１通路上部の窒素富化ガスと第１通路下部の液化酸素富化流体とに分離する第１気液接触部と、第２通路の上部に導入された粗液化酸素を、該第２通路上部の窒素富化酸素ガスと第２通路下部の液化酸素とに分離する第２気液接触部とを備えた熱交換型蒸留装置において、前記第２通路は、前記第２気液接触部の上部に、外部から前記粗液化酸素が導入される液導入部、及び、該液導入部から流下する粗液化酸素を粗分配する粗分配部とを備えた液流入路と、第２通路内から前記窒素富化酸素ガスを外部に導出するガス導出路とが鉛直方向の仕切板を介して設けられた第１領域を備えるとともに、該第１領域の下方に設けられ、前記粗分配部から流下する粗液化酸素を下方の第２気液接触部に精密分配して流下させるとともに、前記第２気液接触部から上昇する窒素富化酸素ガスを前記ガス導出路に上昇させる精密分配部からなる第２領域とを備え、前記精密分配部は、前記第２通路と同じ厚みで形成されていることを特徴としている。
さらに、本発明の熱交換型蒸留装置は、前記第１領域が、鉛直方向の２枚の仕切板により厚み方向に３つに区画されており、中央の区画に前記ガス導出路が、両側の区画に前記液流入路がそれぞれ配置されていること、前記仕切板の下端に突起部が設けられていること、前記粗分配部は、液流下抵抗が大きなフィンを配列した上部分配部と、この上部分配部に比べて液流下抵抗が小さなフィンを配列した下部分配部との二段で形成されていることを特徴としている。
また、前記精密分配部は、前記通路と同じ厚みで形成されていること、前記精密分配部及び前記通路は、前記仕切板と異なる鉛直方向の第２の仕切板によって通路厚み方向に分割されていること、前記精密分配部は、軸線を鉛直方向から通路幅方向に傾斜させたフィンを配列して形成されていること、この精密分配部のフィンは、フィン軸線方向から見た断面形状が三角形状であることを特徴としている。
本発明の熱交換型蒸留装置によれば、通路上部に導入される液流体を通路内に均一に分配して流下させることができ、プレートを介して隣接する通路間の熱交換を効率よく行うことができる。
図１は本発明の一形態例を示す熱交換型蒸留装置の要部の厚み方向断面正面図、図２は液流入路部分を示す要部の幅方向断面側面図、図３はガス導出路部分を示す要部の幅方向断面側面図、図４は熱交換型蒸留装置における各流体の導入、導出状態の一例を示す説明図、図５は各流体の導入、導出状態の他の例を示す説明図、図６は各流体の導入、導出状態の更に他の例を示す説明図である。
まず、図４に示すように、本形態例に示す熱交換型蒸留装置１１は、原料空気経路１２から導入される原料空気（ガス状温流体）Ａと、粗液化酸素経路１３から導入される粗液化酸素（液状冷流体）ＲＬＯとを熱交換させて蒸留することにより、原料空気を上部の窒素富化ガスＧＮと下部の液化酸素富化流体ＬＡとに分離し、これらを上部の窒素富化ガス経路１４及び下部の液化酸素富化流体経路１５からそれぞれ導出し、粗液化酸素を上部の窒素富化酸素ガスＲＧＯと下部の液化酸素ＬＯとに分離し、これらを上部の窒素富化酸素ガス経路１６及び下部の液化酸素経路１７からそれぞれ導出するように形成されている。
図１に示すように、熱交換型蒸留装置１１は、鉛直方向に設けられる複数のプレート２１の間にコルゲート状のフィン２２を挟んで積層した状態で一体化したものであって、各プレート２１により、前記原料空気が導入される第１通路２３と、前記粗液化酸素が導入される第２通路２４とが交互に隣接して互いに熱的結合された状態で区画形成されている。
第２通路２４には、有孔伝熱フィンの軸線（屈曲線）を鉛直方向に向けた第２気液接触部２５の上部に、第２通路２４に導入される粗液化酸素を第２気液接触部２５に均一に分配するとともに、窒素富化酸素ガスを導出するための気液分配手段２６が設けられている。この気液分配手段２６は、２枚の鉛直方向の仕切板２７により厚さ方向（プレートを水平に横切る方向）３分割され、両側の液流入路２８の間にガス導出路２９を挟んだ状態に形成された第１領域３０と、該第１領域３０と第２気液接触部２５との間に配置された第２領域３１とを備えている。
第１領域３０における前記液流入路２８は、外部から前記粗液化酸素経路１３を介して供給される粗液化酸素が導入される液導入部３２と、該液導入部３２から流下する粗液化酸素を粗分配する粗分配部３３とを備えており、粗分配部３３は、軸線を水平方向として比較的高密度なフィン、例えば幅方向のピッチ（ランス）の大きなセレートフィンあるいはギャップの小さなセレートフィンや開孔率の小さなパーフォレートフィン等を配列した液流下抵抗が大きな上部分配部３４と、軸線を水平方向として比較的低密度なフィン、例えばランスの小さなセレートフィンやギャップの大きなセレートフィン等を配列した液流下抵抗が小さな下部分配部３５との二段構成で形成されている。なお、上部分配部３４及び下部分配部３５の二段構成にせずに、下部分配部３５を省略して上部分配部３４の構造のみにすることもできる。また、第１領域３０のガス導出路２９には、軸線を鉛直方向に向けたフィンが設けられている。
これにより、液流下抵抗の大きな上部分配部３４の上に液導入部３２から導入された粗液化酸素が所定の液位で保持され、幅方向（プレートに平行な水平方向）に均一に分配可能な状態となり、上部分配部３４から下部分配部３５の全体に均一に粗液化酸素が分配されて流下する状態となる。このような液流下抵抗の大きな粗分配フィンのみを用いてもある程度は幅方向に均一に分配できるが、粗分配部３３を上下に分割し、下部に液流下抵抗が小さな下部分配部３５を設け、ここで、例えば、有孔フィンの孔ピッチを第２気液接触部２５のフィンの折曲げピッチよりも小さくして液散布密度を大きくしたフィンを用いることにより、幅方向の液分配性能を更に向上させることができる。
前記第２気液接触部２５及び第２領域３１は、第２通路２４の厚さ方向中間に設けられた第２仕切板３６によって厚さ方向に二つに区画されている。第２仕切板３６の上端は、第２気液接触部２５の上端から第２領域３１の中間部まで突出した状態で設けられており、第２領域３１の上部は厚さ方向で連通した状態となっている。なお、第２仕切板３６を設けずに厚み方向全体を第２気液接触部２５及び第２領域３１としてもよい。
第１領域３０の下方に設けられた第２領域３１は、前記粗分配部３３から流下する粗液化酸素に適度な流下抵抗を与えて下方の第２気液接触部２５に精密分配して流下させるとともに、第２気液接触部２５から上昇する窒素富化酸素ガスを前記ガス導出路２９に向けて上昇させる精密分配部３７を有しており、精密分配部３７の上方には、下部分配部３５の下端との間に隙間３８が設けられ、前記仕切板２７の下端には、下部分配部３５の下端よりも隙間３８内に延長した状態の突起部２７ａが設けられている。
精密分配部３７は、第２気液接触部２５と同じ厚みを有する有孔フィンを、その軸線を鉛直方向から第２通路２４の幅方向に傾斜させた状態で配列したものであって、前記有孔フィンには、液の分配性やガスの上昇性を考慮して、フィン軸線方向から見た断面形状が三角形状に近い折曲げ加工を施した板厚の薄いものが好ましい。
精密分配部３７における有孔フィンの軸線の傾斜角度は、精密分配部３７の高さに応じて適宜設定することができるが、通常は鉛直線に対して５〜３０度程度の範囲が好ましく、この傾斜角度が５度未満では有孔フィンを傾斜させた効果が十分に得ることが困難であり、３０度を超えて大きく傾斜させると、上昇ガスの抵抗が増加してフラッディング限界が低下することがある。このように、薄板からなる有孔フィンを適当に傾斜させて設けることにより、フィン厚み方向における流下液の均一性を大幅に向上させることができる。
特に、第１領域３０を２枚の仕切板２７によって３分割し、ガス導出路２９を挟んで両側部分に液流入路２８をそれぞれ配置したことにより、中央に液流入路を設けた場合に比べて液流入路２８の流路断面積を増大できるとともに、厚み方向への液の偏りも抑えることができるので、精密分配部３７に向けて粗液化酸素を幅方向により均一に分配できる。また、粗分配部３３の下部に液流下抵抗が小さな下部分配部３５を設けることにより、幅方向の均一性を更に高めることができる。
そして、第２気液接触部２５と同じ厚みで、断面三角形状の有孔フィンを傾斜させて配列した精密分配部３７により、その下方の第２気液接触部２５へ粗液化酸素を厚み方向に、より均一に分配することができる。したがって、粗液化酸素は、上方の粗分配部３３で幅方向に均一に分配された後、下方の精密分配部３７で厚み方向に均一に分配されることにより、第２気液接触部２５の全体に均一に分配されることになる。
また、精密分配部３７の上部には第２仕切板３６を設けずに連通状態とし、精密分配部３７と下部分配部３５との間に隙間３８を設けたことにより、第２気液接触部２５から精密分配部３７を経て上昇する窒素富化酸素ガスは、両精密分配部３７間の第２仕切板３６の厚みに相当する空間及び前記隙間３８を通って円滑にガス導出路２９に上昇する。さらに、仕切板２７の下端を延長した突起部２７ａを設けておくことにより、下部分配部３５から精密分配部３７に流下する液と、精密分配部３７からガス導出路２９に上昇するガスとを効率よく分離することができ、飛沫がガスに同伴されてガス導出路２９から流出することを効果的に抑制できる。
加えて、第２気液接触部２５を第２仕切板３６によって２分割することにより、第２仕切板３６の面積分、第２気液接触部２５の気液接触面積が増えるので、第１通路２３との熱交換や第２気液接触部２５内での気液接触を効率よく行うことができる。また、精密分配部３７の厚みを小さくできるので、熱交換型蒸留装置１１の強度も向上させることができる。
図２に示すように、このように形成した熱交換型蒸留装置１１において、熱交換型蒸留装置１１の外部から粗液化酸素経路１３を通り、ヘッダー１３ａを介して導入される粗液化酸素は、液導入部３２の傾斜路に沿って粗分配部３３の上部全体に供給され、液流下抵抗が大きな上部分配部３４によって粗分配部３３の上部で所定の液位に保たれた状態となり、幅方向に均一な流れとなって上部分配部３４から下部分配部３５に流下し、更に、液流下抵抗が小さな下部分配部３５でより均一に幅方向に分配されて精密分配部３７に流下する。
精密分配部３７では、フィンの傾斜や断面形状を選択することによって厚み方向に均一に分配された状態となり、第２通路２４の厚み方向全体に構成されていない粗分配部３３から流下した粗液化酸素は、第２気液接触部２５と同じ厚みの精密分配部３７で再分配されることにより、第２気液接触部２５の幅方向及び厚み方向に均一に分配された状態となって第２気液接触部２５に流下する。
一方、図３に示すように、第２気液接触部２５から上昇する窒素富化酸素ガスは、その大部分が適当に傾斜した精密分配部３７を上昇しながら第２仕切板３６の上端を超えた精密分配部３７の中間部で厚み方向中央部分に合流し、ガス導出路２９に向かって上昇する。また、一部の窒素富化酸素ガスは、精密分配部３７から粗分配部３３に向かって上昇するが、隙間３８によりガス導出路２９に導かれる。したがって、圧力損失も最小限に抑えることができる。このとき、前記突起部２７ａを設けておくことにより、液の流れとガスの流れとを分けて窒素富化酸素ガス中に粗液化酸素の飛沫が同伴されることを抑制でき、粗液化酸素が偏流せずに精密分配部３７に流下することができる。
なお、原料空気が導入される第１通路２３における第１気液接触部等は、従来と同様に形成することができるので、その詳細な説明は省略する。また、各経路の接続状態、各ヘッダーの位置や形状は、気液の流量等の条件に応じて適宜に設定することができる。さらに、熱交換型蒸留装置１１には、第１通路２３及び第２通路２４に加えて、他の流体を加熱又は冷却するための通路を適宜な位置に併設することも可能である。
また、各通路を流れる流体の種類は任意であり、特に限定されるものではない。例えば、第２通路２４側を前記同様の構成とした場合であっても、図５に示すように、第１通路２３を上下方向に分割し、下部通路２３ａに原料空気Ａを導入し、該下部通路２３ａの底部から導出した気液混合状態の空気（ＬＡ＋ＧＡ）を気液分離器４１に導入し、分離した液化空気ＬＡは抜出し、ガス状空気ＧＡは上部通路２３ｂの下部に導入して上部通路２３ｂの上部から窒素富化ガスＧＮを導出するとともに上部通路２３ｂの下部から液化酸素富化流体ＬＡを導出する構成とすることもできる。
さらに、図６に示すように、第１通路２３の上部から導出した窒素富化ガスＧＮの一部を液化器４２で液化して液化窒素ＬＮとし、この液化窒素ＬＮの一部を第１通路２３の上部に導入して第１通路２３内を流下させる構成とすることもできる。この場合、第１通路２３の上部にも、第２通路２４上部と同様の気液分配構造を採用することができる。なお、第１通路２３の上部に導入する液化窒素ＬＮは、他の機器で液化した液化窒素や外部から注入された液化窒素であってもよい。
本発明の一形態例を示す熱交換型蒸留装置の要部の厚み方向断面正面図である。 液流入路部分を示す要部の幅方向断面側面図である。 ガス導出路部分を示す要部の幅方向断面側面図である。 熱交換型蒸留装置における各流体の導入、導出状態の一例を示す説明図である。 熱交換型蒸留装置における各流体の導入、導出状態の他の例を示す説明図である。 熱交換型蒸留装置における各流体の導入、導出状態の更に他の例を示す説明図である。
符号の説明
１１…熱交換型蒸留装置、１２…原料空気経路、１３…粗液化酸素経路、１３ａ…ヘッダー、１４…窒素富化ガス経路、１５…液化酸素富化流体経路、１６…窒素富化酸素ガス経路、１７…液化酸素経路、２１…プレート、２２…フィン、２３…第１通路、２４…第２通路、２５…第２気液接触部、２６…気液分配手段、２７…仕切板、２７ａ…突起部、２８…液流入路、２９…ガス導出路、３０…第１領域、３１…第２領域、３２…液導入部、３３…粗分配部、３４…上部分配部、３５…下部分配部、３６…第２仕切板、３７…精密分配部、３８…隙間、４１…気液分離器、４２…液化器

Claims (8)

  1. 互いに熱的結合された少なくとも二組の通路を有するプレートフィン熱交換器を使用し、少なくとも一方の通路の上方に設けた液導入部から導入した液流体の少なくとも一部を気化させ、気化したガス流体を前記一方の通路の上方に設けたガス導出路から導出する熱交換型蒸留装置において、前記液導入部に導入された液流体を粗分配する粗分配部を備えた液流入路と前記ガス導出路とが鉛直方向の仕切板を介して設けられた第１領域を設けるとともに、該第１領域の下方に、前記粗分配部から流下する液流体を下方の通路に向けて精密分配して流下させるとともに、前記下方の通路から上昇するガス流体を前記ガス導出路に上昇させる精密分配部からなる第２領域を設け、前記精密分配部は、前記一方の通路と同じ厚みで形成されていることを特徴とする熱交換型蒸留装置。
  2. 互いに熱的結合された少なくとも二組の通路を有するプレートフィン熱交換器における第１通路の下部に導入された原料空気を、該第１通路上部の窒素富化ガスと第１通路下部の液化酸素富化流体とに分離する第１気液接触部と、第２通路の上部に導入された粗液化酸素を、該第２通路上部の窒素富化酸素ガスと第２通路下部の液化酸素とに分離する第２気液接触部とを備えた熱交換型蒸留装置において、前記第２通路は、前記第２気液接触部の上部に、外部から前記粗液化酸素が導入される液導入部、及び、該液導入部から流下する粗液化酸素を粗分配する粗分配部とを備えた液流入路と、第２通路内から前記窒素富化酸素ガスを外部に導出するガス導出路とが鉛直方向の仕切板を介して設けられた第１領域を備えるとともに、該第１領域の下方に設けられ、前記粗分配部から流下する粗液化酸素を下方の第２気液接触部に精密分配して流下させるとともに、前記第２気液接触部から上昇する窒素富化酸素ガスを前記ガス導出路に上昇させる精密分配部からなる第２領域とを備え、前記精密分配部は、前記第２通路と同じ厚みで形成されていることを特徴とする熱交換型蒸留装置。
  3. 前記第１領域は、鉛直方向の２枚の仕切板により厚み方向に３つに区画されており、中央の区画に前記ガス導出路が、両側の区画に前記液流入路がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換型蒸留装置。
  4. 前記仕切板は、その下端に突起部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の熱交換型蒸留装置。
  5. 前記粗分配部は、液流下抵抗が大きなフィンを配列した上部分配部と、該上部分配部に比べて液流下抵抗が小さなフィンを配列した下部分配部との二段で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の熱交換型蒸留装置。
  6. 前記精密分配部及び前記通路は、前記仕切板と異なる鉛直方向の第２の仕切板によって通路厚み方向に分割されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の熱交換型蒸留装置。
  7. 前記精密分配部は、軸線を鉛直方向から通路幅方向に傾斜させたフィンを配列して形成されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の熱交換型蒸留装置。
  8. 前記フィンは、フィン軸線方向から見た断面形状が三角形状であることを特徴とする請求項７記載の熱交換型蒸留装置。
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