JP2020165563A - 縦積型凝縮蒸発器、及び空気分離装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] 円筒状の胴部を有する容器と、前記胴部の内側の空間を鉛直方向上下に区画する1以上の仕切板と、複数の熱交換ブロックとを備え、前記空間が前記仕切板によって区画された、鉛直方向上下に並ぶ複数の室に、前記熱交換ブロックをそれぞれ配置した縦積型凝縮蒸発器であって、
前記胴部の内周面と、前記仕切板の周端部とが、前記胴部の中心軸に垂直な第1平面と交差する前記内周面にわたって接合され、
少なくとも1以上の前記仕切板が、前記第1平面に対して湾曲している、縦積型凝縮蒸発器。
[2] 前記仕切板が、前記第1平面に対して上方に凸である、[1]に記載の縦積型凝縮蒸発器。
[3] 前記中心軸を含む第2平面で切断した、前記胴部と前記仕切板とを断面視した際、前記内周面の直径をDとし、前記第1平面と前記仕切板との最大距離をHとすると、
H/D2の値が、0.014〜0.061(1/m)である、[1]又は[2]に記載の縦積型凝縮蒸発器。
[4] 前記仕切板が、欠球形状である、[1]乃至[3]のいずれかに記載の縦積型凝縮蒸発器。
[5] 高圧蒸留塔と、低圧蒸留塔と、[1]乃至[4]のいずれかに記載の縦積型凝縮蒸発器と、を備える、空気分離装置。
仕切板が湾曲しているとは、仕切板の周端部と、仕切板の周端部よりも内側のいずれかの部分とが、同一平面上に位置しないことをいう。これに対して、仕切板が平板(平坦)であるとは、仕切板の周端部と、仕切板の周端部の内側の全ての部分とが、同一平面上に位置することをいう。
「欠球形状」とは、球体をある平面で切り欠いた際に得られる球面体であって、所定の厚さを有する形状を意味する。なお、欠球形状を断面視した際、高さ=H、中央部の内半径(クラウンR)=R、厚さ(呼び厚さ)=t、内径=Dと示す。
先ず、本発明を適用した一実施形態である空気分離装置の構成について、説明する。図1は、本発明を適用した一実施形態である空気分離装置の構成の一例を示す系統図である。
図1に示すように、本実施形態の空気分離装置1は、高圧蒸留塔50、低圧蒸留塔60及び縦積型凝縮蒸発器40を備えて概略構成されている。空気分離装置1では、高圧蒸留塔50と低圧蒸留塔60とが、縦積型凝縮蒸発器40によって熱的に統合されている。
図2は、本発明を適用した一実施形態である縦積型凝縮蒸発器の構成の一例を示す断面模式図である。
図2に示すように、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器40は、円筒状の胴部41Aを有する容器41と、胴部41Aの内側の空間を鉛直方向上下に区画する1以上の仕切板と、複数の熱交換ブロックとを備え、上記空間が仕切板によって区画された、鉛直方向上下に並ぶ複数の室に熱交換ブロックがそれぞれ配置されている。
なお、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器40では、湾曲した2つの仕切板114,124によって、容器41の内側の空間が3つの室110,120,130に区画され、それぞれの室に熱交換ブロック100,200,300が配置された場合を一例として説明する。
胴部41Aの中心軸Cと垂直な平面で切断した、胴部41Aを断面視した際、胴部41Aの内周面41aの形状は円形である。後述するように、内周面41aの直径は、Dと示すことができる。
胴部41Aの中心軸Cを含む平面(第2平面)で切断した、胴部41Aを断面視した際、胴部41Aの内周面41aの形状は、平行な直線となる。
床板41Bを、胴部41Aの中心軸Cと垂直な方向に断面視すると、床板41Bの形状は、円(円形)である。また、床板41Bを、胴部41Aの中心軸Cと平行な方向に断面視すると、床板41Bの断面形状は、厚さを有する直線である。すなわち、床板41Bの三次元の形状は、円形の平板(円板)形状である。
図3に示すように、胴部41Aの中心軸Cを含む平面で切断した、仕切板114を断面視した際、仕切板114の断面形状は、円の一部(切り欠いた円)である。また、仕切板114の形状(円の一部)は、胴部41Aの中心軸Cに垂直な平面(第1平面)Sに対して上方に凸となるように、湾曲している。また、胴部41Aの中心軸Cと垂直な平面で切断した、仕切板114を断面視した際、仕切板114の形状は、胴部41Aの内周面41aの断面形状に対応した円形である(図示せず)。すなわち、仕切板114の三次元の形状は、欠球形状となっている。
また、図2に示すように、仕切板114の鉛直方向下方に設けられた仕切板124の三次元の形状も、仕切板114と同様に欠球形状となっている。
具体的には、胴部41Aの内周面41aには、胴部41Aの軸方向上下に所定の間隔をあけて、リング状の接合部材13,23が設けられている。接合部材13,23は、容器41の胴部41Aの中心軸Cに垂直な平面Sと交差する内周面41aの周方向全体に亘ってそれぞれ設けられている。そして、容器41の胴部41Aの内周面41aと、欠球形状の仕切板114とは、接合部材13を介して液密に接合されている。また、容器41の胴部41Aの内周面41aと、欠球形状の仕切板124とは、接合部材23を介して液密に接合されている。
また、容器41の胴部41Aの中心軸Cを含む平面で切断した、胴部41A及び仕切板114を断面視した際、仕切板114の周端部と胴部41Aの内周面41aとの接合部がなす円を含む平面Sと、仕切板114との最大距離は、Hで示される。
なお、詳細については、後述する検証例で説明する。
図1に示すように、空気分離装置1では、圧縮、精製された原料空気が、高圧蒸留塔50の底部に供給されて塔内を上昇する。原料空気が塔内を上昇する際、塔内を流下する還流液との気液接触により低沸点成分である窒素が濃縮し、塔頂にて窒素ガスが生成する。一方、塔内を流下する還流液は、下降しながら高沸点成分である酸素が富化し、塔底にて酸素富化液体空気が生成する。生成した酸素富化液体空気は、原料として低圧蒸留塔60の中央部に供給されて塔内を流下する。酸素富化液体空気が塔内を流下する際、上昇ガスとの気液接触により高沸点成分である酸素が濃縮し、塔底にて液体酸素が生成する。一方、上昇ガスは、塔内を上昇しながら低沸点成分である窒素が濃縮し、塔頂にて窒素ガスが生成する。
図2に示すように、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器40の起動は、先ず、低温ガスをガスヘッダー11から熱交換コア10に流入させ、液ヘッダー12から排出することで各室110,120,130の熱交換ブロック100,200,300をそれぞれ冷却する。
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板によって区画された室に貯留された液体酸素の液ヘッドに対して、仕切板が欠球形状の場合(例1)、及び平板形状の場合(例2)のそれぞれの最小板厚dをシミュレーションによって求めた。結果を表1に示す。
なお、シミュレーションは、構造解析の計算ソフトを用い、仕切板の内径(容器の直径)Dが4050mm、液ヘッドが19kPa、許容応力125MPaの条件を用いて行った。
図3に示すような、欠球形状に湾曲した仕切板を用いた。仕切板の欠球高さH、H/D2は、表1に示す。
平坦な仕切板を用いた。
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板によって区画された室に液体窒素を流入し、仕切板の温度が瞬時に液体窒素の沸点まで低下すると仮定し、発生する最大熱応力が許容応力を超えないようにするための温度差(容器の胴部の温度−仕切板温度)をシミュレーションにより求めた。結果を表2に示す。
なお、シミュレーションは、構造解析の計算ソフトを用い、内径(容器の直径)Dが4050mm、許容応力125MPaの条件を用いて行った。
図3に示すような、欠球形状に湾曲した仕切板を用いた。それぞれの仕切板の欠球高さH、H/D2は、表2に示す。
平坦な仕切板を用いた。
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板の欠球形状(欠球高さH)と仕切板の最小板厚dとの関係について検証した。具体的には、3つの容器径(容器の直径=仕切板の内径)D:1.5m、2.9m、4.0について、シミュレーションを実施した。
すなわち、複数の仕切板のうち、少なくとも1以上の仕切板が、上記平面Sに対して湾曲していればよい。この場合、容器41の胴部41Aに設けられる仕切板のうち、上方の仕切板から湾曲形状とすることが好ましい。
14,114…仕切板
24,124…仕切板
40,400…縦積型凝縮蒸発器
41…容器
50,500…高圧蒸留塔
60,600…低圧蒸留塔
110,120,130…室
100,200,300…熱交換ブロック
C…容器の胴部の中心軸
D…容器径、容器の直径(胴部の内周面の直径)、仕切板の内径
H…平面Sと仕切板との最大距離、欠球高さ
S…容器の胴部の中心軸に垂直な平面(第1平面)
Claims (5)
- 円筒状の胴部を有する容器と、前記胴部の内側の空間を鉛直方向上下に区画する1以上の仕切板と、複数の熱交換ブロックとを備え、前記空間が前記仕切板によって区画された、鉛直方向上下に並ぶ複数の室に、前記熱交換ブロックをそれぞれ配置した縦積型凝縮蒸発器であって、
前記胴部の内周面と、前記仕切板の周端部とが、前記胴部の中心軸に垂直な第1平面と交差する前記内周面にわたって接合され、
少なくとも1以上の前記仕切板が、前記第1平面に対して湾曲している、縦積型凝縮蒸発器。 - 前記仕切板が、前記第1平面に対して上方に凸である、請求項1に記載の縦積型凝縮蒸発器。
- 前記中心軸を含む第2平面で切断した、前記胴部と前記仕切板とを断面視した際、前記内周面の直径をDとし、前記第1平面と前記仕切板との最大距離をHとすると、
H/D2の値が、0.014〜0.061(1/m)である、請求項1又は2に記載の縦積型凝縮蒸発器。 - 前記仕切板が、欠球形状である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の縦積型凝縮蒸発器。
- 高圧蒸留塔と、低圧蒸留塔と、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の縦積型凝縮蒸発器と、を備える、空気分離装置。
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