JP2001355976A - リボイラ／凝縮器の熱交換器、リボイラ／凝縮器の浴型熱交換器を用いて第１流体を蒸発させる方法、及び熱交換器の適用 - Google Patents

リボイラ／凝縮器の熱交換器、リボイラ／凝縮器の浴型熱交換器を用いて第１流体を蒸発させる方法、及び熱交換器の適用

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱交換領域の高さを高くすることができ、及
び/又は２つの流体間の温度差を小さくすることができ
るリボイラ／凝縮器の熱交換器を提供する。 【解決手段】 リボイラ／凝縮器の熱交換器は外容器２
０を含み、この容器には第１流体Ｆ１が含まれている。
この容器の中には熱交換モジュール２４があり、これは
第２流体Ｆ２用の通路２６を画定している。これらの通
路は第２流体用の回路を画定するチューブ又は平行板か
ら構成されうる。熱交換モジュール２４はまた、第１流
体Ｆ１、即ち酸素が流れる垂直の通路を画定している。
蒸発させる流体Ｆ１は熱サイフォン効果により流れ、垂
直の熱交換通路を通る。第２流体は管３０を介して入
り、交換モジュールから液状で出る。第１流体の出口圧
力を増加させることにより、交換の高さｈを高くする、
及び/又は２つの流体間の温度差を小さくすることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明の主題は、浴型のリボ
イラ／凝縮器の熱交換器と、浴型の熱交換器における熱
交換方法である。
【０００２】より具体的には、本発明は、蒸発させる第
１の流体と凝縮させる第２の流体との間で熱交換を行う
浴型のリボイラ／凝縮器の熱交換器と、この種の熱交換
器の使用に関する。「蒸発」という用語は部分的又は完
全な蒸発を意味すると理解され、「凝縮」という用語は
部分的又は完全な凝縮を意味すると理解される。
【０００３】この構造は、例えば、低圧塔の底部にある
液状酸素が、中圧塔の頂部から除去される気状窒素との
熱交換によって浴リボイラ内で蒸発する２段塔タイプの
空気蒸留プラントにおいて特に使用されるが、これに限
られるものではない。
【０００４】
【従来の技術】浴型熱交換器は、その本質的な特性のた
めに、操作によって、第１流体と第２流体との間の交換
の高さや、第１流体と第２流体との間の温度差の点で制
限されてしまう。
【０００５】この問題は、添付の図１及び図２を参照す
るとより明白に理解されるであろう。図１は、浴型熱交
換器の動作を示す機能図の一例であり、図２は第１流体
と第２流体との間の熱交換を示す機能図の一例である。
【０００６】図１は、浴型熱交換器の外容器１０を簡略
的に示している。この容器の内部には、「暖かい」第２
流体Ｆ２用の多数の通路１２が含まれており、第２流体
はこれらの通路の上部１４からこの容器に入り、下部１
６で容器から出る。蒸発させる「冷たい」第１流体Ｆ１
に関しては、これは外容器１０に含まれており、熱サイ
フォン効果によって第２流体Ｆ２用通路の下端部１２ａ
からその上端部１２ｂへ流れる。この熱交換領域の高さ
はｈに等しい。
【０００７】図２によってより明確に示されるように、
交換領域の入口にある第１流体Ｆ１の温度はＴ1-1であ
り、圧力はＰ1-1である。この温度Ｔ1-1とこの圧力Ｐ
1-1は過冷却状態に相当し、即ち、圧力がＰ1-1である流
体Ｆ１の気泡温度Ｔb1を下回る温度に相当する。これ
は、液体流体Ｆ１の水頭による静水圧のためである。こ
のことは上記の図に示されており、この図において、Ｔ
bは（Ｐ1-1とＰ1-2との間の中間圧での）熱交換の際に
気泡が初めて流体Ｆ１に現れる温度（気泡温度）を示し
ている。第１流体を気泡温度Ｔbまで上昇させるのに使
用されるエネルギーは、第１流体を蒸発させるために
「失われた」エネルギーであることが理解されるであろ
う。また、この図２には第２流体Ｆ２が示されており、
この流体は、交換領域１２に入る際の入口温度はＴ2-1
であり、出口温度はＴ2-2である。過冷却現象により、
これら２つの流体間の熱交換に「ピンチング作用」が生
じることがわかる。
【０００８】更に、第１流体Ｆ１の流れを可能にする熱
サイフォン効果は、第１流体に気泡を形成することによ
って可能になる。「脱過冷却」段階に対応する熱交換器
内の水頭が高すぎると、熱サイフォン効果は不十分にな
る。
【０００９】熱交換領域の高さｈが高いほど、交換領域
の入口において第１流体にかかる静水圧は大きくなり、
従って過冷却領域も大きくなる。よって、第１流体の流
れを確実にする熱サイフォン効果を維持するには、「ピ
ンチング」現象を制限しなくてはならない。従って、浴
型の熱交換プラントでは、この高さは２.５メートルに
制限されている。
【００１０】この種の浴型熱交換器に存在するもう一つ
の欠点は、「ピンチング作用」があるため熱サイフォン
効果で熱交換器を動作可能にするために、上記の「ピン
チング現象」は、蒸発させる冷たい流体Ｆ１の入口温度
Ｔ1-1と暖かい流体Ｆ２の温度Ｔ2-2との間の温度差を約
１.２℃よりも大きくすることを必要とする、というこ
とである。しかしながら、この温度差を大きくすると熱
力学的な不可逆性が増し、結果としてプラント全体のエ
ネルギー効率が減少してしまう。例えば、２段塔を用い
て空気に含まれる気体を蒸留する場合、中間圧塔と呼ば
れる塔内の圧力と、結果として供給空気圧縮機内の圧力
とを増加せねばならず、これによってプラント全体のエ
ネルギー消費量が増加してしまう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従って、プラントの床
スペースを減少させるために垂直の熱交換高さを増加さ
せることができ、第１流体と第２流体との間の温度差を
減少させることができ、又はリボイラ／凝縮器の熱交換
器のこれらの２つの特徴の組み合わせを可能にすること
ができる、浴型のリボイラ／凝縮器の熱交換器、又は浴
型プラントでの熱交換方法がまさに必要である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明によると、この目
的を達成するために、蒸発させるための第１流体（Ｆ
１）と凝縮させるための第２流体（Ｆ２）との間で熱交
換を行う浴型のリボイラ／凝縮器の熱交換器であり、交
換器が取り付けられたプラントを操作可能にするために
第１流体が最小の出口圧力Ｐm,exを有する前記熱交換器
であって、前記第２流体の流れを生じるために、前記２
つの流体間の熱交換のために多数の通路（２６）を画定
する手段（２４）を含み、前記第２流体の温度は前記通
路の出口においてＴ2-2であり、熱サイフォン効果によ
って、前記第１流体の流れを、前記通路間で底部から高
さｈをわたって上方向に生じるための前記通路形成手段
（２４）を備えた容器形成手段（２０）を含み、前記第
１流体の入口温度はＴ1-1（Ｔ1-1<Ｔ2-2）であり、前記
蒸発した第１流体の出口圧力はＰ1-2であり、前記第１
流体の入口圧力Ｐ1-1を、前記圧力Ｐ1-2が前記最小圧力
Ｐm,exよりも大きくなるような値にする手段と、前記熱
交換通路の高さｈが少なくとも２.５ｍに等しく、前記
第２流体の温度Ｔ2-2がＴ1-1＋１.２℃未満である、と
いった２つの条件の少なくとも１つを確実にする手段と
を含む。
【００１３】第１流体の出口圧力が増加するとピンチン
グ作用が変わり、これによって熱交換高さｈが高くなる
か、又は２つの流体間の温度差が小さくなりうること
が、実際に確認されている。
【００１４】本発明の他の態様によると、リボイラ／凝
縮器の浴型熱交換器を用いて第１流体（Ｆ１）を蒸発さ
せる方法であって、第２流体（Ｆ２）を垂直の交換通路
に流すステップを含み、前記第２流体の出口温度はＴ
2-2であり、熱サイフォン効果により、前記第１流体
を、前記熱交換通路間で底部から高さｈをわたって流す
ステップを含み、前記第１流体の入口温度はＴ1-1（こ
こでＴ1-1<Ｔ2-2）であり、前記第１流体の蒸発部分の
出口圧力はＰ1-2であり、前記圧力Ｐ1-2を、前記熱交換
器が取り付けられたプラントを操作可能にするために必
要である前記第１流体の蒸発部分の最小出口圧力よりも
大きな値とするステップを含み、前記熱交換通路の高さ
ｈが少なくとも２.５ｍに等しく、前記第２流体の温度
Ｔ2-2がＴ1-1＋１.２℃未満である、といった２つの条
件の少なくとも１つを実現するように、前記熱交換通路
の高さｈ及び前記第２流体の温度Ｔ2-2を選択するステ
ップを含む。
【００１５】この方法により、本発明の浴型熱交換器の
前述の定義に関連して既に説明された浴型熱交換器の特
徴を改善できることが理解されるであろう。
【００１６】好適な実施の形態によると、第１流体の出
口圧力Ｐ1-2は、絶対圧で約４バール以上である。
【００１７】他の特徴によると、２つの流体間の熱交換
用の通路の高さは少なくとも３ｍに等しいことが好まし
い。
【００１８】２つの流体間の熱交換用通路は、ろう付け
フィンを有するタイプであることがある平行板によって
境界付けられていることが好ましい。
【００１９】変形された実施の形態によると、通路はチ
ューブで構成されている。
【００２０】第１の実施の形態によると、容器形成手段
は熱交換通路を含む単一の容器を含み、第１流体は熱サ
イフォン効果によりこの熱交換通路を介して流れる。
【００２１】第２の実施の形態によると、容器形成手段
は、第１流体が入るための下部容量及び第１流体が出る
ための上部容量を定める第１の容器と、上部容量及び下
部容量にそれぞれ接続された第２の容器とを含み、この
第２の容器のサイズを減少して管にすることもできる。
【００２２】本発明の更なる特徴及び利点は、限定する
ことのない例による、後述の本発明のいくつかの実施の
形態の説明を読むにつれて、より明らかになるであろ
う。この説明は、添付の図面を参照している。
【００２３】
【発明の実施の形態】まず、図３及び図４を参照して、
本発明による浴型熱交換器の第１の実施の形態を説明す
る。後述する説明では、蒸発させる冷たい流体が液状酸
素、暖かい流体が気体窒素である場合を特に考慮してお
り、これは、例えば２段塔タイプの構造を用いた空気中
の気体の低温蒸留にあてはまる。しかしながら、他の２
つの流体間の熱交換、例えばメタン、一酸化炭素、水素
などの合成気体の低温分離に本発明を適用することがで
きることは言うまでもない。
【００２４】初めに、図３及び図４を参照して浴型熱交
換器の第１の実施の形態を説明する。この例では純酸素
である第１流体Ｆ１を含む外容器２０が示されている。
容器２０の上部には、液状の第１流体Ｆ１と、容器の上
部から回収される蒸気状の流体Ｆ１との間の界面２２が
ある。この容器の中には熱交換モジュール２４があり、
この熱交換モジュールは、この例では純窒素である「暖
かい」第２流体Ｆ２用の通路２６を本質的に既知の態様
で画定している。これらの通路は、入口管３０に接続さ
れた入口ボックス２８と、出口管３４に接続された出口
ボックス３２との間に位置する。既知のように、これら
の通路は第２流体用の回路を画定するチューブ又は平行
板から構成されうる。これらの通路は、図３に示される
ように垂直であってもよいし、水平又は斜めであっても
よい。熱交換モジュール２４はまた、第１流体Ｆ１、即
ち酸素が流れる垂直の通路を画定している。
【００２５】既に示したように、このタイプの浴型熱交
換器では、蒸発させる流体Ｆ１は熱サイフォン効果によ
り流れ、垂直の熱交換通路を通る。流体Ｆ１は、入口、
即ち交換モジュールの下端部２４ａにおいて温度がＴ
1-1、圧力がＰ1-1であり、交換モジュールの上端部２４
ｂにおいて温度がＴ1-2、圧力がＰ1-2である。交換モジ
ュールの全体的な高さ、即ち入口端部２４ａと出口端部
２４ｂとの間の第１流体の流れの長さは、ｈと呼ばれ
る。
【００２６】この例では気体窒素である第２流体は、管
３０を介してＴ2-1の温度で入り、温度Ｔ2-2の液状で交
換モジュールから出る。
【００２７】図４は、流体Ｆ１（純酸素）と流体Ｆ２
（純窒素）との間の熱交換を示している。流体Ｆ２が純
窒素のためほぼ垂直である曲線Ａは、交換モジュールに
入ってから出るまでの流体Ｆ２の変化を示している。曲
線Ｂは、第１流体（純酸素）の変化を示している。この
曲線は、酸素の「脱過冷却」に相当する第１の部分Ｂ１
と、酸素の気泡温度Ｔb以上での酸素の部分的な蒸発を
示す部分Ｂ２とを有する。
【００２８】既に説明したように、第１流体の出口での
圧力Ｐ1-2を増加させることによって「ピンチング作
用」を小さくすることができ、これにより、交換の高さ
ｈを高くする、及び/又は温度差Ｔ2-2−Ｔ1-1を小さく
することができる。
【００２９】２段塔タイプの構造を用いて空気中の気体
の低温蒸留を行う場合、第１流体（酸素）の出口圧力Ｐ
1-2は、装置によって生じる熱交換器の出口と全プラン
トの出口との間の水頭損失を考慮して、浴型熱交換器を
含む全プラントの出口圧力に依存する。プラントの出口
が大気圧である場合、浴型熱交換器の出口での圧力は絶
対圧で約１.３バールである。
【００３０】第１流体の出口圧力Ｐ1-2を増加させるに
は、暖かい流体Ｆ２の圧力を増加させ、結果的にプラン
トの入口における気体（例えば空気）の圧力を増加させ
ることが必要であることは言うまでもない。
【００３１】圧力Ｐ1-2を絶対圧で４バールにすること
ができれば、交換モジュールの高さｈが３又は４ｍに等
しく、温度差を約１.２℃に維持する浴型熱交換器を構
築することができる。
【００３２】出口圧力を同じく絶対圧で４バールにし、
高さｈを２ｍに維持すると、温度差を０.４又は０.５℃
に減少させることができる。
【００３３】図５は、浴型熱交換器の他の実施の形態を
示している。
【００３４】熱交換器は主容器４０を含み、この中には
交換モジュール４２が取り付けられている。容器４０は
また、第１流体が入るための下部チャンバ４４と、第１
流体が出るための上部チャンバ４６とを画定しており、
上部チャンバ４６には蒸発した第１流体用の取出口４８
が備えられている。また、熱交換器は、本質的に液状の
第１流体を再循環させるための容器５０を含み、この容
器５０は管５２及び５４を介して上部チャンバ及び下部
チャンバに接続されている。この容器は単に管であって
もよい。
【００３５】図６は、１ｍの有効吸込ヘッドによって生
じる過冷却の、純酸素（曲線Ｉ）及び純メタン（曲線Ｉ
Ｉ）の圧力Ｐの関数としての変化量ΔＴbを示してい
る。圧力（Ｐ）が高いほど、過冷却作用が小さいことが
わかる。第１流体の圧力の増加による「ピンチング作
用」に対する好都合な影響を、これらの曲線によってよ
り明白に理解することができる。これは、出口圧力Ｐ
1-2が高いほど交換の高さｈが高くなるためである。即
ち、過冷却の変化量ΔＴbを同一に保ちながら静水圧
（Ｐ1-2−Ｐ1-1）を増加させることができるからであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】既知の浴型熱交換器の簡略図である。
【図２】図１の浴型熱交換器の熱交換図である。
【図３】空気の蒸留に使用される、本発明の浴型熱交換
器の第１の実施の形態を示す図である。
【図４】図３の浴型熱交換器の動作を示す熱交換図であ
る。
【図５】本発明の浴型熱交換器の変形された実施の形態
を示す図である。
【図６】１ｍの有効吸込ヘッドに対する、液体の圧力の
関数としての過冷却変化量の曲線を示す図である。
【符号の説明】
２０ 外容器 ２２ 界面 ２４、４２ 熱交換モジュール ２４ａ 下端部 ２４ｂ 上端部 ２６ 通路 ２８ 入口ボックス ３０ 入口管 ３２ 出口ボックス ３４ 出口管 ４０ 主容器 ４４ 下部チャンバ ４６ 上部チャンバ ４８ 取出口 ５０ 容器 ５２、５４ 管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２８Ｆ 3/06 Ｆ２８Ｆ 3/06 Ｚ (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 ブノワ ダヴィディアン フランス国 94100 サン モール リュ ルドル−ローラン 51 Ｆターム(参考） 3L103 AA05 AA35 BB29 BB30 CC12 CC30 DD03 DD15 DD53 DD63 4D047 AA08 AA09 DA03 DA14 DA17

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蒸発させる第１流体（Ｆ１）と凝縮させ
    る第２流体（Ｆ２）との間の熱交換を行う浴型のリボイ
    ラ／凝縮器の熱交換器であり、該熱交換器が取り付けら
    れたプラントを操作可能にするために前記第１流体が最
    小の出口圧力Ｐm,exを有する前記熱交換器であって、 前記第２流体の流れを生じるために、前記２つの流体間
    の熱交換のために多数の通路（２６）を画定する手段
    （２４）を含み、前記第２流体の温度は前記通路の出口
    においてＴ2-2であり、 熱サイフォン効果によって、前記第１流体の流れを、前
    記通路間で底部から高さｈをわたって上方向に生じるた
    めの前記通路形成手段（２４）を備えた容器形成手段
    （２０）を含み、前記第１流体の入口温度はＴ1-1（Ｔ
    1-1<Ｔ2-2）であり、前記蒸発した第１流体の出口圧力
    はＰ1-2であり、 前記第１流体の入口圧力Ｐ1-1を、前記圧力Ｐ1-2が前記
    最小圧力Ｐm,exよりも大きくなるような値にする手段
    と、 前記熱交換通路の高さｈが少なくとも２.５ｍに等し
    く、前記第２流体の温度Ｔ2-2がＴ1-1＋１.２℃未満で
    ある、といった２つの条件の少なくとも１つを確実にす
    る手段とを含む、 リボイラ／凝縮器の熱交換器。
  2. 【請求項２】 前記最小圧力Ｐm,exが絶対圧で約１.３
    バールである場合、蒸発させる前記第１流体の出口圧力
    Ｐ1-2は絶対圧で約４バール以上である、請求項１に記
    載のリボイラ／凝縮器の熱交換器。
  3. 【請求項３】 前記交換通路（２６）の高さが少なくと
    も３ｍに等しい、請求項１及び２に記載のリボイラ／凝
    縮器の熱交換器。
  4. 【請求項４】 前記第２流体の前記温度Ｔ2-2がＴ1-1＋
    １.２℃とＴ1-1＋０.４℃との間である、請求項１〜３
    のうちいずれか１項記載のリボイラ／凝縮器の熱交換
    器。
  5. 【請求項５】 前記熱交換通路（２６）は平行板によっ
    て境界付けられている、請求項１〜４のうちいずれか１
    項記載のリボイラ／凝縮器の熱交換器。
  6. 【請求項６】 前記平行板はろう付けフィンを有するタ
    イプである、請求項５に記載のリボイラ／凝縮器の熱交
    換器。
  7. 【請求項７】 前記熱交換通路（２６）はチューブであ
    る、請求項１〜４のうちいずれか１項記載のリボイラ／
    凝縮器の熱交換器。
  8. 【請求項８】 前記容器形成手段は前記熱交換通路（２
    ６）を含む単一の容器（２０）を含み、前記第１流体は
    熱サイフォン効果によってこの熱交換通路を介して流れ
    る、請求項１〜７のうちいずれか１項記載のリボイラ／
    凝縮器の熱交換器。
  9. 【請求項９】 前記容器形成手段は、前記第１流体が入
    るための下部容量（４４）及び前記第１流体が出るため
    の上部容量（４６）を定める第１の容器（４０）と、前
    記上部容量及び下部容量にそれぞれ接続された第２の容
    器（５０）とを含む、請求項１〜７のうちいずれか１項
    記載のリボイラ／凝縮器の熱交換器。
  10. 【請求項１０】 リボイラ／凝縮器の浴型熱交換器を用
    いて第１流体（Ｆ１）を蒸発させる方法であって、 第２流体（Ｆ２）を垂直の交換通路に流すステップを含
    み、前記第２流体の出口温度はＴ2-2であり、 熱サイフォン効果により、前記第１流体を、前記熱交換
    通路間で底部から高さｈをわたって流すステップを含
    み、前記第１流体の入口温度はＴ1-1（ここでＴ1 -1<Ｔ
    2-2）であり、前記第１流体の蒸発部分の出口圧力はＰ
    1-2であり、 前記圧力Ｐ1-2を、前記熱交換器が取り付けられたプラ
    ントを操作可能にするために必要である前記第１流体の
    蒸発部分の最小出口圧力よりも大きな値とするステップ
    を含み、 前記熱交換通路の高さｈが少なくとも２.５ｍに等し
    く、前記第２流体の温度Ｔ2-2がＴ1-1＋１.２℃未満で
    ある、といった２つの条件の少なくとも１つを実現する
    ように、前記熱交換通路の高さｈ及び前記第２流体の温
    度Ｔ2-2を選択するステップを含む、前記方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１〜９のうちいずれか１項に記
    載の熱交換器の、空気中の気体の低温分離への適用。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜９のうちいずれか１項に記
    載の熱交換器の、合成気体の低温分離への適用。
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