JP2024013252A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】低圧塔と高圧塔及び混合塔を有する空気分離装置において用いられ、設備コスト増大を抑制できる熱交換器を提供する。【解決手段】本発明に係る熱交換器１１０は、低圧塔６００、高圧塔５００及び混合塔４００を有する空気分離装置１１００において用いられるものであって、プレートとフィンから構成され、少なくとも一部の原料空気である温流ガス(W1,W2,W3の少なくとも一つ)と混合塔４００から取り出される少なくとも１つの温流液(W4,W5の少なくとも一つ)を、低圧塔６００から取り出される少なくとも１つの冷流ガス(C2,C3の少なくとも一つ)と混合塔４００から取り出される冷流ガス(C1)とにより冷却するとともに、低圧塔６００から昇圧ポンプ８００を介して取り出されて混合塔４００に供給される冷流液(C6)を加熱することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、低圧塔と高圧塔及び混合塔を有する空気分離装置において用いられ、原料空気を冷却するとともに、低圧塔から混合塔に供給する液体を加熱するための熱交換器に関するものである。
空気分離装置には、低圧塔と高圧塔に加えて混合塔が用いられるものがあり、一般的に混合塔が用いられるものにおいては、酸素濃度約97％以下の低純度の酸素が製品酸素ガスとして製造される。混合塔では塔頂からの液体酸素と塔底からのガス空気との直接接触により液体酸素を低純度の酸素ガスとし、この低純度の酸素ガスが塔頂から製品酸素ガスとして取り出される。
塔頂に供給される液体酸素は低圧塔塔底の液体酸素をポンプで昇圧したものであり、その温度は昇圧圧力での沸点よりも低い。そのため、この状態で低圧塔に供給すると、混合塔塔頂からの製品酸素ガスの流量を低下させるとともに、塔底からの液体空気流量を増加させ、空気分離装置の酸素収率を低下させる要因となる。
そこで、ポンプで昇圧された液体酸素を加熱するための加熱器において、混合塔から排出されるサイドカット液体及び缶出液と熱交換させ、さらに補助熱交換器において、ガス空気と熱交換させることで加熱し、飽和温度に近づけて混合塔に供給するプロセスが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４－２８５７２号公報
しかしながら、ポンプで昇圧された液体酸素の加熱には加熱器や補助熱交換器の設置、またこれらの機器への配管の取り回しが必要となる。さらに、これらの機器や配管を格納するためにコールドボックスが大きくなるため、設備コストが増大することが問題となっていた。
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、低圧塔と高圧塔及び混合塔を有する空気分離装置において用いられ、設備コスト増大を抑制できる熱交換器を提供することを目的としている。
（１）本発明に係る熱交換器は、低圧塔、高圧塔及び混合塔を有する空気分離装置において用いられるものであって、
プレートとフィンから構成され、少なくとも一部の原料空気である温流ガスと前記混合塔から取り出される少なくとも１つの温流液を、前記低圧塔から取り出される少なくとも１つの冷流ガスと前記混合塔から取り出される冷流ガスとにより冷却するとともに、前記低圧塔から昇圧ポンプを介して取り出されて前記混合塔に供給される冷流液を加熱することを特徴とするものである。
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記高圧塔から取り出される少なくとも１つの温流液を冷却することを特徴するものである。
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記冷流液が流れる冷流液通路と、前記冷流ガスが流れる冷流ガス通路と、前記温流液が流れる温流液通路と、温流ガスが流れる温流ガス通路を備え、前記温流ガス通路は前記温流ガスが前記冷流液と前記冷流ガスに対して向流で流れるように配されており、前記温流液通路は前記温流液が前記冷流液と前記冷流ガスに対して十字流で流れるように配されていることを特徴とするものである。
本発明によれば、機器数を減らすとともにコールドボックスをコンパクトにすることができ、これによって設備コストを削減することができる。
実施の形態１に係る熱交換器を備えた空気分離装置の説明図である。 実施の形態１に係る熱交換器の内部構造の説明図である。 実施の形態２に係る熱交換器を備えた空気分離装置の説明図である。
［実施の形態１］
図１は、本実施の形態に係る熱交換器を用いた空気分離装置の一例を示したものである。
本実施の形態に係る熱交換器１１０は、図１に示すように、低圧塔６００、高圧塔５００及び混合塔４００を有する空気分離装置１１００において用いられるものであって、プレートとフィンから構成され、少なくとも一部の原料空気である温流ガス(W1,W2,W3の少なくとも一つ)と混合塔４００から取り出される少なくとも１つの温流液(W4,W5の少なくとも一つ)を、低圧塔６００から取り出される少なくとも１つの冷流ガス(C2,C3の少なくとも一つ)と混合塔４００から取り出される冷流ガス(C1)とにより冷却するとともに、低圧塔６００から昇圧ポンプ８００を介して取り出されて混合塔４００に供給される冷流液(C6)を加熱することを特徴とするものである。
まず、図１に基づいて熱交換器を含む空気分離装置の全体構成を説明し、その後、熱交換器の内部構造について説明する。
なお、本明細書において、流体を示す記号として「C」（coldの頭文字）を付したものは当該流体が冷流体であることを示し、「W」(warmの頭文字)を付したものは当該流体が温流体であることを示している。
＜空気分離装置の構成の説明＞
空気分離装置１１００は、高圧塔５００、低圧塔６００、混合塔４００と過冷器１９０および熱交換器１１０を備えている。
圧縮機９０で圧縮され、精製器９１で精製された原料空気(W1,W2,W3)は、その一部(W2)が管路２１により熱交換器１１０に供給され、混合塔４００の塔頂から管路１で供給される製品酸素ガス（C1）と低圧塔６００の塔頂から過冷却１９０を経て管路２で供給される窒素ガス（C2）、高圧塔５００塔頂から管路３で供給される中圧窒素ガス（C3）及び低圧塔６００塔底から昇圧ポンプ８００で昇圧された液体酸素（C6）との熱交換により冷却され、管路２２により高圧塔５００の底部に供給される。
また、原料空気の一部(W1)は、再圧縮機９２で昇圧された後、管路１１により熱交換器１１０に供給され、冷流体である製品酸素ガス（C1）、窒素ガス（C2）、中圧窒素ガス（C3）及び液体酸素（C6）との熱交換により冷却された後、管路１３により混合塔４００の塔底に供給される。
さらに、原料空気の一部(W3)は、再圧縮機９３で昇圧された後、管路３１により熱交換器１１０に供給されて冷流体である製品酸素ガス（C1）、窒素ガス（C2）及び中圧窒素ガス（C3）との熱交換により冷却され、さらに膨張タービン９４によって膨張した後、管路３２により低圧塔６００に供給される。
高圧塔５００の塔底に管路２２で供給された空気は、塔内を流下する還流液との気液接触により、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。
また、高圧塔５００の塔底には高沸点成分である酸素が富化した酸素富化液体空気が生成し、管路５３によって引抜かれる。
高圧塔で生成した窒素ガスは、主凝縮器３００にて液化され、その一部は、管路５１により過冷器１９０に供給されて冷却され、管路５２を経て減圧された後に還流液として低圧塔６００の塔頂に供給される。
また、高圧塔５００の塔底から管路５３で引抜かれた液体空気は、混合塔４００から管路４１、熱交換器１１０を経て、管路４２で取り出された液体空気とともに管路４３により過冷器１９０に供給され、冷却され、管路４４を経て減圧された後に、低圧塔６００に供給される。
なお、過冷器１９０におけるこれら液体の冷却源は、低圧塔６００の塔頂から管路６０を経て供給される窒素ガスである。
低圧塔６００に供給された還流液は、塔内の上昇ガスとの気液接触により流下しながら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。また、上昇ガスは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。
低圧塔６００の塔底に生成した液体酸素（C6）は、管路６１により取り出され、昇圧ポンプ８００で昇圧された後、管路６２で熱交換器１１０に導かれ、混合塔４００から管路４５でサイドカットされた液体（以下、「サイドカット液」という）（W5）及び管路４１の缶出液（W4）と原料空気の一部（W1、W2）と熱交換し、加熱された後、管路６４で取り出され、混合塔４００の塔頂に供給される。
混合塔４００では供給された液体酸素と管路１３で導入されたガス空気が直接接触し、塔頂から管路１で低純度の製品酸素ガス(C1)が製造される。
＜熱交換器の説明＞
熱交換器１１０には、プレートとフィンからなる各層が積層されたプレートフィン型熱交換器が適用され、図２は、熱交換器１１０の各層を流路毎に分離して示したものである。
熱交換器１１０は、図２に示すように、３つの温流体通路Ａ１～Ａ３と３つの冷流体通路Ｂ１～Ｂ３を有している。
そして、温流体通路Ａ１は、温端側と冷端側との間で、温流ガスW1が流れる温流ガス通路ａ１を有する。
また、温流体通路Ａ２は、温端側と冷端側との間で２つの流域に区画されており、温端側の区画には温流ガスW2が流れる温流ガス通路ａ２を有し、冷端側の区画には温流液W4が流れる温流液通路ａ４を有する。
また、温流体通路Ａ３は、温端側と冷端側との間で２つの流域に区画されており、温端側の区画には温流ガスW3が流れる温流ガス通路ａ３を有し、冷端側の区画には温流液W5が流れる温流液通路ａ５を有する。
また、冷流体通路Ｂ１は、温端側と冷端側との間で２つの流域に区画されており、温端側の区画には冷流ガスC1が流れる冷流ガス通路ｂ１を有し、冷端側の区画には冷流液C6が流れる冷流液通路ｂ６を有する。
また、冷流体通路Ｂ２は、温端側と冷端側との間で、冷流ガスC2が流れる冷流ガス通路ｂ２を有する。
また、冷流体通路Ｂ３は、温端側と冷端側との間で、冷流ガスC3が流れる冷流ガス通路ｂ３を有する。
そして、温流ガスである原料空気（W1、W2、W3）が流れる温流ガス通路ａ１、ａ２、ａ３（図２（ａ）（ｂ）（ｃ）参照）は、冷流ガスである製品酸素ガス(C1）、窒素ガス(C2)、中圧窒素ガス(C3)が流れる冷流ガス通路ｂ１、ｂ２、ｂ３（図２（ｄ）（ｅ）（ｆ）参照）及び冷流液である液体酸素(C6）が流れる冷流液通路ｂ６通路（図２（ｄ）参照）に対して向流で流れるように配置されている。
また、混合塔４００から管路４１、４５により引抜かれた温流液である缶出液(W4)及びサイドカット液(W5)が流れる温流液通路ａ４、ａ５（図２（ｂ）（ｃ）参照）は、冷流ガスである窒素ガス(C2)、中圧窒素ガス(C3)の流れる冷流ガス通路ｂ２、ｂ３（図２（ｅ）（ｆ）参照）及び冷流液である液体酸素(C6)が流れる冷流液通路ｂ６（図２（ｄ）参照）に対して十字流で流れるように配置されている。
缶出液(W4)の通路（図２（ｂ）参照）は５つのパス、サイドカット液(W5)の通路（図２（ｃ）参照）は7つのパスから構成されている。
管路４１により抜き出された混合塔４００の缶出液(W4)は、図２（ｂ）に示すように、通路の導入口(in)に流入し、窒素ガス(C2)、中圧窒素ガス(C3)及び液体酸素(C6）に対して十字方向に流れ、つづく冷端側に配したパスを逆向きに流れ、計５つのパスを経て導出口(out)から排出される。
管路４５により抜き出された混合塔４００のサイドカット液(W5)は、図２（ｃ）に示すように、導入口(in)から流入し、窒素ガス(C2)、中圧窒素ガス(C3)及び液体酸素(C6）に対して十字方向に流れ、つづく冷端側に配したパスを逆向きに流れ、計７つのパスを経て導出口(out)から排出される。これら缶出液(W4)及びサイドカット液(W5)の導入口(in)は、それぞれの導出口(out)に対して温端側に設けられており、管路４１、４５により混合塔４００と接続されている。
なお、本実施形態では、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、缶出液(W4)及びサイドカット液(W5)の通路は、それぞれ原料空気(W2、W3)の通路の下方に仕切られて配されているが、原料空気(W1)、製品酸素ガス(C1)の通路の下方に配してもよい。
また、混合塔４００の塔頂に接続される液体酸素(C6)の導出口(out)、混合塔４００のサイドカットに接続されるサイドカット液(W5)の導入口(in)は、原料空気(W1、W2)の導出口(out)の温端側に設けられている。これは、流体それぞれの温度を考慮して、熱交換の効率が高くなるように配置されたものである。このような配置は、一体化された熱交換器１１０であるが故に可能となるものであり、この意味で、熱交換器１１０は、従来例において別途設けられていた加熱器、補助熱交換器を主熱交換器に単純に並べて結合したものでない。もっとも、混合塔４００の圧力に応じて、冷端側に配してもよい。
以上のように、熱交換器１１０が上記の機能を有することにより、従来例において別途設けられていた加熱器、補助熱交換器を設置しなくてもよく、さらには、これら機器を格納するためのコールドボックス空間を削減でき設備コストが低減できる。
［実施の形態２］
図３は、実施の形態２に係る熱交換器１２０を用いた空気分離装置１２００を示したものであり、空気分離装置１２００は、高圧塔５００、低圧塔６００、混合塔４００および熱交換器１２０を備えている。なお、図３において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
熱交換器１２０は、図１、図２に示した熱交換器１１０に対して、管路４３で導入される高圧塔５００の塔底からの酸素富化液体空気を含む液体（以下、単に「酸素富化液体空気」）を冷却するための通路、また管路５１で導入される主凝縮器３００からの液体窒素(W7)を冷却するための通路が加えられたものである。
これら酸素富化液体空気(W6)及び液体窒素(W7)の冷却源は、低圧塔６００の塔頂から管路６０を経て熱交換器１２に導入される窒素ガス(C2)と、高圧塔５００の塔頂から管路３を経て熱交換器１２０に導入される中圧窒素ガス(C3)である。
熱交換器１２０で冷却された酸素富化液体空気(W6)及び液体窒素(W7)は、それぞれ管路４４、５２で取り出され、減圧された後に低圧塔６００に供給される。
このように熱交換器１２０により、従来の加熱器、補助熱交換器および実施の形態１において設置していた過冷器１９０を設置しなくてもよく、さらには、これら機器を格納するためのコールドボックス空間を削減でき設備コストが低減できる。
１１００、１２００ 空気分離装置
８００ 昇圧ポンプ
５００ 高圧塔
６００ 低圧塔
４００ 混合塔
３００ 主凝縮器
１９０ 過冷器
１１０、１２０ 熱交換器
９０ 圧縮機
９１ 精製器
９２、９３ 再圧縮機
９４ 膨張タービン
１、２、３、１１、１３、２１、２２、３１、３２、４１、４２、４３、４４、４５、５１、５２、５３、６０、６１、６２、６４、管路
Ａ１～Ａ３ 温流体通路
Ｂ１～Ｂ３ 冷流体通路
ａ１、ａ２、ａ３ 温流ガス通路
ａ４、ａ５ 温流液通路
ｂ１～ｂ３ 冷流ガス通路
ｂ６ 冷流液通路
C1 製品酸素ガス
C2 窒素ガス
C3 中圧窒素ガス
C6 液体酸素
W1、W2、W3 原料空気
W4 缶出液
W5 サイドカット液
W6 酸素富化液体空気
W7 液体窒素

Claims (3)

  1. 低圧塔、高圧塔及び混合塔を有する空気分離装置において用いられる熱交換器であって、
    プレートとフィンから構成され、少なくとも一部の原料空気である温流ガスと前記混合塔から取り出される少なくとも１つの温流液を、前記低圧塔から取り出される少なくとも１つの冷流ガスと前記混合塔から取り出される冷流ガスとにより冷却するとともに、前記低圧塔から昇圧ポンプを介して取り出されて前記混合塔に供給される冷流液を加熱することを特徴とする熱交換器。
  2. 前記高圧塔から取り出される少なくとも１つの温流液を冷却することを特徴する請求項１記載の熱交換器。
  3. 前記冷流液が流れる冷流液通路と、前記冷流ガスが流れる冷流ガス通路と、前記温流液が流れる温流液通路と、温流ガスが流れる温流ガス通路を備え、前記温流ガス通路は前記温流ガスが前記冷流液と前記冷流ガスに対して向流で流れるように配されており、前記温流液通路は前記温流液が前記冷流液と前記冷流ガスに対して十字流で流れるように配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
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