JPS63267877A - 蒸発器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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流体とで熱交
換を行なう凝縮蒸発器に関する。

〔従来の技術〕

従来、空気液化分離装置の複精留塔の上部塔等に用いら
れる凝縮蒸発器は、多数の垂直方向平行な仕切板により
仕切られ、第一流体室、（ｉ！素室）と第二流体室（窒
素室）の二重を交互に隣接して積層され、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用いられて
おり、酸素室は上下端部で解放され、上部塔の底部空間
に溜まる液媒（液体酸素）中に浸漬されることにより液
体酸素で満たされる。そして、下部塔から窒素室に導入
される窒素ガスと熱交換を行ない、窒素ガスは凝縮して
液体窒素となり、液体酸素は蒸発して酸素ガスとなるよ
うに構成されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の凝縮蒸発器の酸素室は、液体酸素
に浸漬されて用いるため、液深の液圧による液温や沸点
上昇（約１℃／ｍ）を生じ、凝縮蒸発器の下部は上部よ
りも温度が高く、その分窒素の凝縮温度との温度差を縮
めている。

凝縮蒸発器の窒素側と酸素側の温度差は通常１〜２℃と
なっているので、上記液体酸素の温度上昇は凝縮蒸発器
の性能上大きな問題となっている。

即ち、下部塔を５幻ｆ／１−ｊＧで運転するためには、
凝縮蒸発器高さを約２ｍ迄にしないと適正な能力を発揮
できず、能力を上げるために凝縮蒸発器高さを高くとる
と、液体酸糸の液深を増加して液温が上昇するので下部
塔運転圧力を高めなければならないから、塔の径を太く
して配置基数を増さねばならず、塔の製作を面倒にして
いた。

また液体酸素の液深による温度上昇は、下部塔運転圧力
に影響を与えている。即ち下部塔運転圧力は、下部塔頂
部の飽和窒素ガスの凝縮温度を決定しており、この凝縮
温度を下げるために゛は、液体酸素の温度を下げる必要
がある。

一方空気分離装置の動力は原料空気の圧縮、即ち下８１
Ｉ塔圧力までの昇圧にほとんど消費されているので下部
塔をより低圧で運転することが出来れば動力費が削減で
きる。しかし、凝縮蒸発器を液体酸素中に浸漬する従来
の構造では、必ず液ヘッドによる液体酸素の温度上昇効
果弁は下部塔圧力の低下が制限されてしまうと言う欠点
がある。

さらに、凝縮蒸発器を設置している上部塔底部の空間に
液体酸素を溜めなければ凝縮蒸発器の能力を十分に発揮
できないため、凝縮蒸発器が液体酸素中に浸漬するまで
は下部塔還流液となる液体窒素の凝縮液も、また液体酸
素の蒸発による上部塔上昇ガスも発生しないから精留作
用が開始されず、無駄な持ち時間（起動時間）となり、
この間は動力費の損失となる。

本発明は、高さ方向の形状的制限を無くして大型空気分
離装置用精留塔の上下部基の一体構造化を可能とし、液
体酸素中に浸漬せずに熱交換でき、液深による液圧を減
少して液温や沸点の上昇を無くし、原料空気圧縮圧を低
下させて動力費を削減し、かつ起動時間を短縮できる凝
縮蒸発器を提供することを目的とする。

〔問題点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、前記第二流体室の流体とで
熱交換を行なう凝縮蒸発器において、前記第一流体室に
上下多段に複数の伝熱板を配置して液媒の流路を形成し
、該流路の一端は開放とし、他端側に該流路と連通し、
上部を開放した複数の液溜を上下多段に設けるとともに
、液媒を各段の液溜に供給させながら前記流路に導入し
て熱交換させるように構成したことを特徴としている。

〔作　用〕

従って液深による液温や沸点上昇を大幅に低減し得、ま
た凝縮蒸発器の高さを高くして伝熱面積の増加を図れる
ため、高さ方向の形状的−制限が無くなり、さらに起動
時間も短縮できる。

〔実施例） 以下、本発明を、蒸発する液媒を酸素、凝縮する流体を
窒素とした胸につき、第１図乃至第７図に基づいて説明
する。

まず、第１図は本発明の凝縮蒸発器の全体斜視図であり
、一部切欠いて第一流体室である酸素室の内部構造を図
示しである。第２図は酸素室を示す断面図であり、液の
流れ方向を実線矢印、ガスの流れ方向を破線矢印で示す
。

凝縮蒸発器１は、上下あるいは両側のサイドパー２．３
により接合された多数の垂直方向平行な仕切板４により
第一流体室５（以下酸素室という）と第二流体室６（以
下窒素室という）とを交互に多数Ｉａ層して形成されて
おり、酸素室５の液媒（以下液体酸素ＬＯという）と窒
素室６を流れる流体（以下窒素ガスＧＮという）とで熱
交換を行なうものであり、−側部には複数の液？１ｆ７
が上下多段に配設されている。

窒素室６は、従来の装置と略同様に構成されるもので、
仕切板４．４と仕切板両側のサイドパー３．３とによっ
て構成され、上部には窒素ガスＧＮを導入するための入
口ヘッダ−８と入口配管９を設け、下部には凝縮した液
体窒素ＬＮを集合するための出口ヘッダ−１０と出口配
管１１、及び窒素ガスＧＮ中に含まれるヘリウムガス等
の不凝縮ガスＧＸの排出管１２を設けている。

入口ヘッダ−８から各窒素室６に分配された窒素ガスＧ
Ｎは、窒素室６内に垂直に配設された有孔波形伝熱フィ
ンからなる伝熱板１３内を、隣接する酸素室５の液体酸
素［０と熱交換しながら凝縮液化して流下し、出口ヘッ
ダ−１０に集合する。

一方、窒素室６と気密に仕切られる酸素室５は、仕切板
４．４と上下のサイドパー２．２とにより形成され、そ
の内部に流路１４を形成する複数の伝熱板１５を上下多
段に配置しているもので、流路１４の一端は前記液溜７
と連通しており、他端１４ａを開放して酸素ガスＧｏの
ガス出口としている。

上記伝熱板１５は、前記仕切板４．４の間を区切るもの
で、各段につき１枚づつ用いても良いが通常は波形伝熱
フィンを用いる。本実施例ではこの伝熱板１５は波形伝
熱フィンを用い、その折り曲げ線を液溜７側から流路１
４の他端１４ａに向けて病り勾配を有するように傾斜さ
せて垂直方向に多段に配置し、上下の伝熱板１５の傾斜
面間を液体酸素ＬＯ及び酸素ガスＧＯの流路１４として
おり、一つの液１ｆｉｆ７に対し上下複数の流路１４が
連通している。

上下多段に配設された液１７は、上部を開放した箱状に
形成されており、その−側を酸素室５側に開放して前記
流路１４と連通させ、最下段の液ｆｆ１ｆ！７ａを除い
てオーバーフロー管１６を設けて液体酸ＩＩＬＯを順次
下段の液Ｍ７に流下させているもので、上下の隣接する
液溜７間は間隔１７を開けて配設される。

この液溜７ｆｔ！ｆｌの間隔１７により、液体酸素ＬＯ
は各液溜７で酸素室５の気体側に圧力を開放されて液体
酸素ＬＯの雰囲気圧力は全段同一となり、液深が小さく
なって液圧による波瀾の上昇がほとんど無くなり、凝縮
蒸発器１を高くすることが可能となる。

最上部の液溜７に導入された液体酸素１０の一部は、前
記流路１４に流入し、伝熱板１５及び仕切板４を介して
隣室の窒素室６を流れる窒素ガスＧＮと熱交換し、その
一部が蒸発して酸素ガスＧＯの気泡となり、液体酸素１
０と共に流路１４を上界後、端部１４ａで液体酸素ＬＯ
と分離して上昇し、蒸発しなかった液体酸素ＬＯは下方
に流下する。

また、残部の液体酸素ＬＯは、オーバーフロー管１６に
より順次下段の液溜７に流下して各流路１４に流入し、
各流路１４に流入する以上の液体酸素ＬＯは最下段の液
溜７ａの側壁からオーバーフローして流下する。

各流路１４の傾斜角度は接続する液溜７の深さや流路１
４の長さ等により選定される。流路１４は水平に設ける
ことも可能であるが、水平よりも昇り勾配に設けた方が
蒸発生成した酸素ガスＧ。

の気泡がその浮上刃で流路１４から流出し易いとともに
、液体酸素ＬＯの流動を促進し、熱伝達率を高める。

上記実施例では流路１４を昇り勾配に形成したので、蒸
発した酸素ガスＧｏの気泡がその浮上刃で液体酸素ＬＯ
の流動を促進して他端１４ａ側から流出する。そのため
、液体酸素１０の蒸発が効果的に行われ無駄に流下する
のを防止でき、蒸発した酸素ガスＧｏの滞留も生じない
ので凝縮蒸発器１の効率を向上させる。

液体酸素ＬＯの各流路１４への流入量は、液溜７の液深
を調節すること、あるいは流路１４の流路長や傾斜ある
いは開口断面積を調節することにより行う。

尚、最上部の流路１４ｂ及び最下部の流路１４Ｃは一端
が閉じているのでこの部分の伝熱板１５としては流路１
４間が連通している有孔板等を用いて酸素ガスＧＯの滞
留を防止することが好ましい。

第３図及び第４図（第４図は第３図のｒＶ−ＩＶ矢視図
である）に示す酸素室１８は、前記の最上部の流路１４
ｂ及び最下部の流路１４ｃを閉じるスラントバー１９を
配置して窒素室６と連通させ、酸素ガスＧＯの滞留部を
無くす例を示している。

また第３図及び第４図に示す液溜２０は、上部に１１１
２１を有する側壁２０ａを斜辺と七だ逆台形状に形成さ
れ、該層２１から順次下段の液溜２０に液体酸素ＬＯを
流下させるもので、斜辺部の側壁２０ａで流下する液体
酸素し０を受けるとともに気体側に圧力を開放し、前述
のオーバーフロー管１６と同一のｉ能を有する。尚、第
３図に示すように酸素室にスラントバー１９を配置した
場合、液溜２０のオーバーフロ一手段を堰２１に限定す
るものではなく他の方法によっても良い。

第５図に示す酸素室２２は、液溜への液体酸素しＯの供
給方法の他の実施例を示している。酸素室２２の液体酸
素ＬＯの入口側端部に前述の液溜と同様に気体側に圧力
を開放された液″１ｌｌｆｆ２３を上下多段に設けてい
る。更に液溜２３の各々は連通管２５を介してマニホー
ルド管２４と連結されており、マニホールド管２４の上
端には液受け２６を設けている。６液１２３に供給する
液体酸素ＬＯを、液受け２６に供給することにより、マ
ニホールド管２４．３１通管２５を介して全ての液溜２
３に配分供給することができる。マニホールド管２４内
の液ヘッドによって、各液溜２３への供給量が異なるの
を防止し、均等邑を配分供給するために、連通管２５の
流路断面積を液ヘッドの高低相当分だけ増減させている
。上記手段によって液ヘッドによる沸点上昇の少ない液
体酸素ＬＯを酸素室２２に均等に供給することができる
。

勿論、液溜２３への液媒供給手段を、液溜２３のオーバ
ーフローと連通管２５とを組合せて構成してもよい。

第６図及び第７図は、前記の凝縮蒸発器１を複精留塔に
設置した例を示すもので、第６図左側の凝縮蒸発器は酸
素室部分を、右側は窒素室部分を示しており、第７図は
第６図のＶｌ　−ｖｔ断面を示している。　　・ 凝縮蒸発器１は、複精留塔３０の上部塔３１と下部塔３
２を仕切る隔板３３上の窒素ガス主管３４を中心とした
円周上に４基並列に収納！ｉＱ置されており、酸素室５
及び液溜７は上部塔３１の気体空間３５に開放されてい
る。

各凝縮蒸発器１と窒素ガス主管３４０間には各段一体に
連通する液溜７．７が配設され、最上部の液溜７には液
体酸素の導入管３６が挿入されている。

窒素ガスＧＮは下部塔３２頂部から窒素ガス主管３４を
玉貸して各入口ヘッダ−８から窒素室６に導入され、酸
素室５の液体酸素ＬＯと熱交換して凝縮液化し、出口ヘ
ッダ−１０に集められて下部配管３７から導出される。

一方、上部塔３１の精留板３８最下段から導入管３６を
通って、凝縮蒸発器１の最上段の液溜７に流入した液体
酸素ＬＯは、前述のごとく一部が酸素室５の流路１４に
流入し、窒素室６の窒素ガスＧＮと熱交換して蒸発し、
酸素ガスＧＯとなり流路１４を流れて端部１４ａから流
出し、上部塔３１の上昇ガスとなるとともに、一部は製
品酸素ガスＧｏとして配管３８から採取される。

蒸発しない過剰の液体酸素ＬＯは流路１４の端部１４ａ
から流下し、隔板３３上に溜まり配管３９から導出され
、その一部は製品として採取され、他は液体酸素ポンプ
、あるいはサーモサイフオンリボイラー等によって揚上
され、上部の配管４０から再び液Ｍ７に循環される。

前述のごとく液体酸素ＬＯは各液溜７から各流路１４に
流入して熱交換を行ない、それ以上の液体酸素ＬＯがオ
ーバーフロー管１６により順次下段の液溜７に流下する
もので、最下段の液溜７ａからは隔板３３上に流下する
。

また、液体酸素ＬＯが酸素室５内で完全に蒸発して、流
路１４にアチセレンが析出しないように、過剰な液体酸
素ＬＯを流して常時流路１４を液体酸素ＬＯで洗うこと
が好ましく、過剰の液体酸素ＬＯが流下していることを
知るために、隔板３３上に溜まっている液体酸素１０の
量を液面計４１により計測する。

このように、液体酸素を流下させるので、液圧による液
温上昇がなく、窒素ガスの凝縮温度を低下させて下部塔
の運転圧力を低減でき、原料空気圧縮機の動力費を低減
する。

また凝縮蒸発器の高さを高くし、伝熱面積を大ぎくでき
るので、より能力の高いものを精留塔の径内に納めるこ
とができ、複精留塔の製作を容易にする。

さらにまた起動時上部塔を流下してきた液化ガスを流入
させると同時に凝縮と蒸発を生じるので、起動時間が大
幅に短縮され、この間の動力費を削減できる。

尚、空気液化分離における液体酸素と窒素ガスとの熱交
換による蒸発と凝縮以外の、他の液媒と流体を用いた場
合も同様の作用効果を得られるものである。

〔充用の効果〕

本発明は以上説明したように第一流体室の液媒と第二流
体室の流体とで熱交換を行なう凝縮蒸発器の第一流体室
に、上下多段に流路を設け、該流路の一端側に前記流路
と連通する液溜を上下多段に設けるとともに、液媒を各
段の液溜に供給させながら前記流路に導入して熱交換さ
せるので、液媒の液深が僅少となり液圧による温度上昇
がなくなり、凝縮蒸発器の効率を向上させ、第二流体室
側の流体の凝縮温度を低下させて運転圧力を低減するこ
とにより、動力費を削減できる。

また凝縮蒸発器の高さ方向の形状的制限が無くなり長尺
にすることで処理能力増加が可能になつた。その結果凝
縮蒸発器を収納する容器径を精留塔と同一とすることが
可能となり大型空気分離装置用精留塔でも上下部塔を上
下一体構造で製作することが可能となった。

さらに、液媒中に浸漬する必要がないため、起動時間を
短縮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実滴例を示すもので、第
１図は凝縮蒸発器の一部を切欠いて示す斜視図、第２図
は第一流体室である酸素室の断面図、第３図及び第４図
は本発明の他の実施例を示すもので、第３図は酸素室の
断面図、第４図は第３図の■−ＩＶ矢視図、第５図は本
発明の更に他の実施例を示す酸素室の断面図、第６図及
び第７図は本発明の凝縮蒸発器を複精留塔に用いた例を
示すもので、第６図は精留塔の要部断面図、第７図は第
６図のＶｌ　−Ｖｌ断面図である。 １・・・凝縮蒸発器　　４・・・仕切板　　５・・・酸
素室（第一流体室）　　６・・・窒素室（第二流体室）
７・・・液溜　　　１４・・・流路　　１５・・・伝熱
板１６・・・オーバーフロー管　　２４・・・マニホー
ルド管　　ＧＮ・・・窒素ガス　　Ｇｏ・・・酸素ガス
ＬＮ・・・液体窒素　　ＬＯ・・・液体酸素特　許　出
　願　人　日本酸素株式会社溌１園 第６区 憩 秀７因 並

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、前記第二
   流体室の流体とで熱交換を行なう凝縮蒸発器において、
   前記第一流体室に上下多段に複数の伝熱板を配置して液
   媒の流路を形成し、該流路の一端は開放とし、他端側に
   該流路と連通し、上部を開放した複数の液溜を上下多段
   に設けるとともに、液媒を各段の液溜に供給させながら
   前記流路に導入して熱交換させるように構成したことを
   特徴とする凝縮蒸発器。 ２、前記液媒の流路は、液溜側の一端から他端先端に向
   って昇り勾配を有していることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の凝縮蒸発器。