JP3223323B2 - 凝縮蒸発器及びその系統 - Google Patents

凝縮蒸発器及びその系統

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、凝縮蒸発器及びその系
統に関し、詳しくは不凝縮ガスを含む多成分ガスで構成
された凝縮側流体と、単一成分又は多成分系の液からな
る蒸発側流体とを熱交換させる凝縮蒸発器における凝縮
側の系統に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】例え
ば、空気液化分離装置の粗アルゴン塔において、液化空
気を冷媒として多成分ガスからなる粗アルゴンを凝縮液
化させる粗アルゴン凝縮器では、該凝縮器における不凝
縮ガスである窒素ガスの処理が重要な課題となってい
る。
【0003】図6は、従来の一般的な空気液化分離装置
の系統の一例を示すものである。この空気液化分離装置
は、周知のように、圧縮,精製して主熱交換器1で冷却
した原料空気を複精留塔2の下部塔3に導入し、液化精
留して窒素ガスと酸素成分に富んだ液化空気とに分離
し、さらに上部塔4で液化精留して上部塔頂部の窒素ガ
スと上部塔底部の液化酸素とに分離するとともに、粗ア
ルゴン塔5で上部塔4中段から導出したガスを液化精留
して粗アルゴンを製造するものである。
【0004】上記粗アルゴン塔は、上部塔4中段に接続
する原料ガス導入管6と液化ガス戻し管7とにより上部
塔4中段のガスを塔内に導入し、塔上部の粗アルゴン導
出管8から粗アルゴンを導出するもので、該塔頂部に
は、塔上部の粗アルゴンガスを液化させるための粗アル
ゴン凝縮器9が設けられている。
【0005】この粗アルゴン凝縮器9は、粗アルゴン塔
5の頂部の粗アルゴン、即ちアルゴン90%以上、残り
酸素,窒素に濃縮したガスを凝縮させるもので、胴側に
は、前記下部塔3の底部から管10に導出され、過冷器
11,弁12を経た液化空気が寒冷源として導入され、
管側には、粗アルゴン塔5上部から管13を介して前記
粗アルゴンが導入される。凝縮液化した液化粗アルゴン
は、管14から粗アルゴン塔5上部に戻されて該塔の還
流液となる。
【0006】また、粗アルゴン凝縮器9の蒸発側流体で
ある液化空気は、一部が蒸発ガス化して管15から抜き
出され、液化状態の液化空気は管16から導出されて、
共に上部塔4の中段上部に導入される。
【0007】ここで、上記粗アルゴン凝縮器9の管側
は、図から明らかなように閉サイクルを形成しているた
め、不凝縮ガスである窒素ガスを排出しないと凝縮器内
の凝縮流路が窒素ガスで満たされて、ついには正常な作
動が継続できなくなる虞がある。
【0008】そのため、ブロー管17から適当量の窒素
ガスを排出する必要があるが、該窒素ガスの流量を増加
させれば、管側流体の流入,流出量が増加して伝熱が促
進されるが、液面が脈動して液化粗アルゴンがこのブロ
ー管17から排出されてしまい、アルゴンの回収率が低
下し、窒素ガスの排出量を絞ると、凝縮器内に窒素ガス
が濃縮され、伝熱性能の低下と凝縮伝熱量変化に伴う不
安定現象を生じてしまう。
【0009】一般に、アルゴン生産量の増大を図るため
には、原料空気に対するアルゴン収率を高める必要があ
るが、アルゴン収率を高めるために、粗アルゴン塔5の
下部に導入する原料ガス中アルゴン濃度を高めると、
窒素ガスの濃度も増加してしまい、粗アルゴン凝縮器9
に多量の不凝縮ガスが流入することになる。
【0010】即ち、粗アルゴン凝縮器9の不凝縮ガスで
ある窒素ガスの排出量は、原料ガス中の窒素含有量に応
じて最適な量とする必要があるが、従来の装置では、原
料ガス中のアルゴン濃度を増しても不凝縮ガスの排出量
を増加させなければならないため、前述のようにブロー
管17から排出する不凝縮ガスにアルゴンが同伴されて
しまい、アルゴンの増産を行うことができなかった。
【0011】そこで本発明は、上記粗アルゴン凝縮器の
ように凝縮側に不凝縮ガスを含む凝縮側流体が導入され
る凝縮蒸発器において、不凝縮ガスを確実に処理できる
とともに所望成分を無駄なく回収でき、かつ安定運転を
図れる凝縮蒸発器及びその系統を提供することを目的と
している。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、不凝縮ガスを含む多成分ガスで構成された凝縮側
流体と、単一成分又は多成分系の液からなる蒸発側流体
とを熱交換させる凝縮蒸発器及びその系統において、
発明は、第1の構成として、前記凝縮側流体の出口側に
気液分離装置を設けるとともに、該気液分離装置で分離
したガス相の不凝縮ガスを含む未凝縮ガスを抜き出す
出管を設け、該導出管を製品ガス系統に接続したことを
特徴とし、第2の構成として、前記凝縮側流体の入口側
に凝縮側流体の一部を製品ガスとして抜き出す分岐管を
設けるとともに、該分岐管に減圧弁又はエジェクターを
設け、凝縮側流体の出口側に不凝縮ガスを含む未凝縮ガ
スを抜き出すベント管を設け、該ベント管を減圧弁の下
流側又はエジェクターに接続したことを特徴としてい
る。
【0013】
【作 用】上記構成としたことにより、不凝縮ガスが凝
縮流路に滞留することを防止するとともに、目的成分を
無駄無く回収することができ、凝縮蒸発器の性能向上を
図ることができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明を粗アルゴン凝縮器に適用した
実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。
【0015】まず、図1及び図2は、本発明の第1実施
例を示すもので、図1は要部の系統図、図2は具体的構
造の一例を示す説明図である。
【0016】図1において、従来と同様に構成される空
気液化分離装置の粗アルゴン塔5は、塔下部に、上部塔
中段に接続される原料ガス導入管6と、液化ガス戻し管
7とが設けられ、塔上部には、液化空気を寒冷源とする
粗アルゴン凝縮器20が設けられている。
【0017】この粗アルゴン凝縮器20には、従来と同
様に蒸発側流体として下部塔底部の液化空気が管10,
弁12を介して導入され、一部が蒸発ガス化して管15
及び管16から導出されている。
【0018】一方の凝縮側流体である粗アルゴンは、粗
アルゴン塔5の頂部から管13を介して導出後、二分し
て一部は分岐管41,減圧弁43を介して製品粗アルゴ
ン採取系統の管44へ導出し、残部は粗アルゴン凝縮器
20の熱交換器20aの凝縮側に導入される。そして、
この凝縮側流体の出口側には、気液分離器21が設けら
れており、該気液分離器21で分離した液相は、前記同
様に管22から粗アルゴン塔5の頂部に還流液として導
入される。この気液分離器21は、前記粗アルゴン凝縮
器20の内部に設けても、また、外部に設けても良い。
【0019】また、上記気液分離器21で分離したガス
は、管23から導出される。この管23から導出され
るガスは、粗アルゴンとして抜き出されるもので、粗ア
ルゴン凝縮器20の熱交換器20aで凝縮しない不凝縮
ガスと共に未凝縮のアルゴン及び数%の酸素を含むもの
であり、前記製品粗アルゴン採取系統の管44へ合流す
る。
【0020】即ち、上記のように粗アルゴン凝縮器20
の凝縮側流体の出口側に気液分離器21を設けて、従
来、粗アルゴン塔5の頂部から管8で導出するのに代え
て、該気液分離器21で分離したガスを粗アルゴンと
して導出することにより、常に凝縮側出口まで不凝縮ガ
スを含んだ粗アルゴンガスを強制的に流すことができる
ため、確実に不凝縮ガスを凝縮系外に取り除くことを可
能にし、凝縮伝熱量を一定に維持することができ、粗ア
ルゴン凝縮器20を安定した状態で運転することができ
る。
【0021】さらに、粗アルゴンガスを強制的に凝縮側
出口まで流すことにより、凝縮側伝面表面の凝縮液膜厚
さを減少させることができ、凝縮伝熱が促進されるの
で、粗アルゴン凝縮器20の小型化を図ることもでき
る。
【0022】図2は、上記構成を大型の装置に適用する
場合の一例を示すもので、粗アルゴン塔頂部に設けた凝
縮蒸発器31の、粗アルゴン塔5の頂部に立設した芯塔
30の外周に複数の熱交換器31aを配設するととも
に、各熱交換器31aの凝縮側出口管32を芯塔30の
内周に設けた密閉された凝縮液溜33に接続し、該凝縮
液溜33下部の管34から液化粗アルゴンを取り出し、
凝縮液溜33上部の管35から粗アルゴンガスを抜き出
し、これを製品粗アルゴン採取系統に接続し、該粗アル
ゴンガスを製品粗アルゴンガスとして回収するようにし
たものである。
【0023】図3乃至図5は、本発明の第2実施例を示
すもので、図3は要部の系統図、図4及び図5は具体的
構造例を示す説明図である。
【0024】図3に示すように、本実施例に示す祖アル
ゴン塔凝縮器40は、凝縮側流体である粗アルゴンガス
を熱交換器40aに導入する管13に、粗アルゴンを導
出する分岐管41を設けるとともに、凝縮側流体の出口
側にベント管42を設け、該ベント管42を、前記分岐
管41に設けた減圧弁43の下流側、あるいは分岐管4
1に設けたエジェクター53(図5参照)に接続したも
のである。なお、他の構成は前記従来装置と同様である
ので、同一要素のものには同一符号を付して詳細な説明
は省略する。
【0025】このように構成することによっても、従来
ブロー管17から排出される窒素ガスに同伴されて排出
されていたアルゴン成分を、分岐管41から導出する粗
アルゴン中に回収できるので、ベント管42から導出す
るガス量を増大させることで凝縮側流体の流量を増加さ
せて伝熱を促進させることができる。
【0026】図4は、上記構成を大型の装置に適用する
場合の一例を示すもので、前記図3のものと同様に、粗
アルゴン塔5の頂部に凝縮蒸発器31を設け、粗アルゴ
ン塔5の頂部に立設した芯塔30の外周に複数の熱交換
器31aを配設し、芯塔30の頂部に分岐管(粗アルゴ
ン導出管)50を接続するとともに、各熱交換器31a
の凝縮側出口管32を芯塔30の内周に設けた凝縮液溜
33に接続し、該凝縮液溜33下部の管34から液化粗
アルゴンを取り出し、さらに凝縮液溜33上部に接続し
たベント管51から不凝縮ガスを含む粗アルゴンガスを
抜き出して、前記分岐管50に設けた減圧弁52の下流
側に接続したものである。
【0027】図5は、上記分岐管50に設けた減圧弁5
2の代わりに、エジェクター53を設けた例である。即
ち、ベント管51から導出される不凝縮ガスを含む粗ア
ルゴンを、エジェクター53により吸引して分岐管50
の粗アルゴンに合流させるものである。
【0028】なお、各実施例において、導出される粗ア
ルゴンには、従来より多量の不凝縮ガスが含まれること
になるが、この不凝縮ガス、主として窒素ガスは、後工
程の高純アルゴン塔における精留操作で分離することが
できるので、ほとんど問題はなく、また、従来より不凝
縮成分の濃度が安定均一化できる点で後工程の安定運転
にも寄与する。
【0029】また、上記実施例では、凝縮器として粗ア
ルゴン凝縮器を例にあげて説明したが、凝縮側流体とし
て、不凝縮ガスを含む多成分ガスを凝縮側流体とする他
の各種の凝縮器にも適用することができ、いずれの場合
でも、凝縮器内への不凝縮ガスの滞留,濃縮を防止して
凝縮器の安定運転を図ることができる。
【0030】さらに、上記実施例ではプレートフィン型
熱交換器を用いた凝縮蒸発器を挙げたが、他の形式、例
えば固定管板式,遊頭型熱交換器を用いた凝縮蒸発器に
も適用することができる。また、図1に示した実施例構
造と図3に示した実施例構造(エジェクターを含む)を
組合わせて用いても良い。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の凝縮蒸発
器によれば、不凝縮ガスが凝縮流路に滞留することを防
止できるので、凝縮伝熱量の安定化及び凝縮伝熱の促進
が図れ、凝縮蒸発器の安定運転とともに小型化が図れ、
製品ガスの収率の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例を示す系統図である。
【図2】 同じく具体的構造の一例を示す説明図であ
る。
【図3】 本発明の第2実施例を示す系統図である。
【図4】 同じく具体的構造の一例を示す説明図であ
る。
【図5】 同じく具体的構造の他の例を示す説明図であ
る。
【図6】 一般的な空気液化分離装置の一例を示す系統
図である。
【符号の説明】
5…粗アルゴン塔 20,40…粗アルゴン凝縮器
21…気液分離器 41…分岐管 42…ベント管 43,52…減圧
弁 53…エジェクター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25J 3/02 F25J 5/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 不凝縮ガスを含む多成分ガスで構成され
    た凝縮側流体と、単一成分又は多成分系の液からなる蒸
    発側流体とを熱交換させる凝縮蒸発器及びその系統にお
    いて、前記凝縮側流体の出口側に気液分離装置を設ける
    とともに、該気液分離装置で分離したガス相の不凝縮ガ
    スを含む未凝縮ガスを抜き出す導出管を設け、該導出管
    を製品ガス系統に接続したことを特徴とする凝縮蒸発器
    及びその系統。
  2. 【請求項2】 不凝縮ガスを含む多成分ガスで構成され
    た凝縮側流体と、単一成分又は多成分系の液からなる蒸
    発側流体とを熱交換させる凝縮蒸発器及びその系統にお
    いて、前記凝縮側流体の入口側に凝縮側流体の一部を
    品ガスとして抜き出す分岐管を設けるとともに、該分岐
    管に減圧弁又はエジェクターを設け、凝縮側流体の出口
    側に不凝縮ガスを含む未凝縮ガスを抜き出すベント管を
    設け、該ベント管を減圧弁の下流側又はエジェクターに
    接続したことを特徴とする凝縮蒸発器及びその系統。
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