JP3240519B2 - 空気液化分離装置の凝縮蒸発器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プレートフィン型熱交
換器を使用した空気液化分離装置の凝縮蒸発器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】プレー
トフィン型熱交換器は、周知の如く、例えば、特開昭５
６−５６５９２号公報等に示されるように、多数の仕切
板により複数の流体室を画成し、仕切板両側の流体室に
それぞれ加熱流体と冷却流体とを流通させ、両流体間で
熱交換させるものである。

【０００３】このようなプレートフィン型熱交換器は、
空気液化分離装置等の各種ガス分離装置に多く用いられ
ている。例えば、図７及び図８は、空気液化分離装置の
凝縮蒸発器にプレートフィン型熱交換器を使用した例を
示すものである。

【０００４】この凝縮蒸発器は、精留塔１の上部に連設
されたもので、精留塔１上部の凝縮ガスを、凝縮ガス導
管２から凝縮ガス導入管３，凝縮ガス入口ヘッダー４を
介して熱交換器５の凝縮ガス流路（凝縮側流体室）に導
入し、上下が開放されて開放室となっている蒸発側流体
室に流入する蒸発流体容器６内の流体を冷媒にして熱交
換させることにより凝縮させ、凝縮液として下部の凝縮
液出口ヘッダー７から凝縮液導出管８，凝縮液導管９に
導出するものである。

【０００５】上記凝縮蒸発器は、熱交換器５として、同
一仕様で形成された二つの熱交換器ユニット５ａ，５ｂ
を蒸発流体容器６内に配設したものであって、両熱交換
器ユニット５ａ，５ｂは、それぞれ本体部に前記凝縮ガ
ス導入管３，凝縮ガス入口ヘッダー４，凝縮液出口ヘッ
ダー７，凝縮液導出管８及び設置用の脚部１０を溶接し
て一体化した状態で製造され、別に製造された精留塔１
及び蒸発流体容器６内に組み込まれている。

【０００６】上記のように熱交換器ユニット複数基を蒸
発流体容器６内に配設する場合、蒸発流体容器６の径を
できるだけ小さくするため、図８に示すように、対向す
る部分の設置用の脚部１０の取付位置をずらすなど、従
来から様々な工夫がなされてきている。

【０００７】しかしながら、熱交換器ユニット１基ごと
に、それぞれ凝縮ガス導入管３，凝縮ガス入口ヘッダー
４，凝縮液出口ヘッダー７，凝縮液導出管８及び設置用
の脚部１０等が装備されているとともに、蒸発流体容器
６側の凝縮ガス導管２や凝縮液導管９、及び脚部１０を
支持する部材や不凝縮ガス出口管１１等が、熱交換器ユ
ニットの数だけ必要であり、取付け溶接の工数が多大で
あるだけでなく、蒸発流体容器６の小径化を阻む要因と
なっていた。

【０００８】そこで本発明は、プレートフィン型熱交換
器ユニットを複数組合わせて用いる場合の熱交換器まわ
りの配管の単純化や溶接工数の削減が図れ、これを蒸発
流体容器内に収納して凝縮蒸発器として用いる場合の蒸
発流体容器の小型化や、熱交換器まわりの配管を含めた
据付面積の減少、及び製作コストの低減、製作期間の短
縮を図ることができる空気液化分離装置の凝縮蒸発器を
提供することを目的としている。

【０００９】

【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、本発明は、多数の仕切板により複数の流体室を画
成した複数のプレートフィン型熱交換器ユニットの端部
仕切板同士を裏当金を介して溶接して一体化し、この一
体化されたプレートフィン型熱交換器ユニットを蒸発流
体容器内に収納し、前記流体室の一つを該蒸発流体容器
内に連通する開放室とするとともに、前記端部仕切板間
の間隙を蒸発流体流路とし、前記開放室以外の流体室内
に流体を流入，流出させるヘッダーを複数のプレートフ
ィン型熱交換器ユニットで共用させたことを特徴として
いる。

【００１０】また、本発明の凝縮蒸発器は、上記構成の
凝縮蒸発器において、前記端部仕切板間の間隙が、開放
室の仕切板間隔以上で３０ｍｍ以下であること。さら
に、前記一体化されたプレートフィン型熱交換器ユニッ
トを、上下多段に積層したことにある。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を、図面に示す実施例に基づい
て、さらに詳細に説明する。

【００１２】まず、図１乃至図４は、本発明のプレート
フィン型熱交換器を使用した凝縮蒸発器の一実施例を示
すものであり、前記図７及び図８に示したものと同様の
機能を有するものである。

【００１３】本実施例に示す熱交換器５１は、前記図７
及び図８に示したものと同一仕様で 形成された二つの熱
交換器ユニット５１ａ，５１ｂを、その端部仕切板同士
を対向させて溶接し、一体化するとともに、両ユニット
５１ａ，５１ｂ内の流体室の一つを開放室とし、該開放
室以外の流体室を凝縮側流体室とし、該凝縮側流体室に
凝縮流体を導入，導出する凝縮ガス入口ヘッダー５２及
び凝縮液出口ヘッダー５３を、両ユニット５１ａ，５１
ｂで共用させたものである。

【００１４】上記熱交換器ユニット５１ａ，５１ｂ同士
の溶接は、図４に拡大して示すように、両者の端面間に
裏当金５４を設けて、その外周部を溶接５５するように
し、両端面間に適度な間隙を形成するとともに、溶接の
内部たれ込みを防止するようにしている。

【００１５】また、上記間隙は、開放室（蒸発側流体
室）の間隔と同程度以上であって３０ｍｍ程度以下と
し、蒸発側流体の循環が十分行われるようにする。裏当
金５４は、図４に示す平板形状のみならず、裏当金とし
て機能する形状であれば、丸棒や他の形状としても良
い。

【００１６】なお、上記溶接部は、熱交換器ユニット５
１ａ，５１ｂを必要十分な強度で一体化できれば、任意
の位置を溶接すれば良い。但し、少なくとも、両ヘッダ
ー５２，５３に相当する部分には溶接を施して、この部
分から流体が漏洩することを防止する必要があるが、ヘ
ッダー側に漏洩防止対策が施されていればこの限りでは
ない。

【００１７】このように熱交換器５１を形成することに
より、両者の間の設置用の脚部を省略でき、さらに、両
ヘッダー５２，５３を共用化したことにより、集合管や
中間集合管を省略でき、凝縮ガスを導入する凝縮ガス導
入管５６や凝縮液を導出する凝縮液導出管５７も１本で
済み、不凝縮ガス出口管５８も各１本ずつで良いため、
これらの部品の製作が不要になり、また、取り付けのた
めの溶接工数も減少するので、製作工程の大幅な改善が
図れる。

【００１８】また、熱交換器５１の外周には、それぞれ
中央部に上記導入導出管５６，５７や設置用の脚部５９
が位置するので、両者の間の設置用の脚部の省略ととも
に、熱交換器５１を収納する蒸発流体容器６０の内径を
小さくすることができる。

【００１９】これにより、蒸発流体容器６０内に貯留す
る液化ガス量の低減が図れ、該凝縮蒸発器を用いた空気
液化分離装置の起動時間の短縮等も可能にする。

【００２０】ここで、前記図７及び図８に示した従来構
造の熱交換器５を用いた場合の蒸発流体容器６の大きさ
と、上記実施例に示す熱交換器５１を用いた場合の蒸発
流体容器６０の大きさを比較する。熱交換器の主要寸法
は下記の通り同一とする。

【００２１】 熱交換器ユニット 幅：１２００ｍｍ，奥行：８２０ｍｍ

【００２２】上記仕様の熱交換器ユニット２基を収納す
るため、従来構造の場合には蒸発流体容器６の内径が２
３２０ｍｍ必要であるのに対し、本実施例構造のもので
は熱交換器ユニットを１０ｍｍの間隔を設けて一体化し
た場合、蒸発流体容器６０の内径を２１６８ｍｍにで
き、約１０％の小径化が図れる。

【００２３】また、冷媒となる液化ガスの貯液量は、液
面高さ同一として略蒸発流体容器底面積に比例すると考
えると、従来のものの底面積が約４．２ｍ ^２ あるのに
対し、本実施例のものは、約３．７ｍ ^２ となり、約１
２％削減することができる。即ち、起動時間も約１２％
短縮できることになる。

【００２４】図５及び図６は、熱交換装置の他の例とし
て、上記構成の熱交換器を上下に積層した凝縮蒸発器の
一実施例を示すものである。

【００２５】この凝縮蒸発器１０１は、複精留塔の下部
塔１０２と上部塔１０３の間に設けられるもので、上下
両塔を仕切る仕切板１０４及び外筒１０５内を上下に仕
切る仕切板１０６により区画された室（蒸発流体容器）
内にそれぞれ横型の熱交換器 １０７を配設したものであ
る。

【００２６】なお、図５においては、最上段は熱交換器
１０７の正面を、上から２段目は熱交換器１０７の流体
室（酸素室と窒素室）の積層状態を示すために９０度回
転させた断面を、３段目は蒸発室である酸素室の断面
を、最下段は凝縮室である窒素室の断面を、それぞれ示
している。但し、２段目においては熱交換器１０７の一
方のみを示している。

【００２７】まず、下部塔１０２から導入される窒素ガ
スを凝縮液化させる冷媒となる液化酸素は、上部塔１０
３の精留段１０８の最下段から液化酸素降下管１０９に
より最上段の区画室内に流下し、さらにカバー管１１０
に囲まれた流下管１１１を介して順次下段の区画室内に
流下していく。各区画室内の液化酸素は、それぞれ熱交
換器１０７の酸素室内に流入して蒸発し、酸素ガスとな
って酸素ガス上昇管１１２内を上昇し、一部が上部塔１
０３の上昇ガスとなり、一部が製品酸素ガスとして管１
１３から抜き出される。

【００２８】一方、下部塔１０２上部の窒素ガスは、窒
素ガス上昇管１１４を上昇して各熱交換器１０７の凝縮
ガス導入管１１５に分岐し、それぞれの凝縮ガス入口ヘ
ッダー１１６から窒素室内に流入し、前記液化酸素と熱
交換を行い凝縮して液化窒素となる。この液化窒素は、
熱交換器１０７下部の凝縮液出口ヘッダー１１７から凝
縮液導出管１１８を経て外筒１０５外に導出され、液化
窒素管１１９に集合した後、一部が管１２０により下部
塔１０２に還流液として導入され、一部が製品液化窒素
として管１２１から抜き出される。

【００２９】また、窒素ガス上昇管１１４の頂部、及び
凝縮液導出管１１８の上部には、それぞれ不凝縮ガス出
口管１２２が設けられており、各区画室の底部には、液
化酸素抜出し管１２３が設けられている。なお、各配管
の要部には、流量調整やブロー等のための弁が設けられ
ている。

【００３０】このような構成の凝縮蒸発器に用いる熱交
換器に、上記のように複数の熱交換器ユニットを一体化
し、ヘッダーを共用化したものを用いることにより、必
要な配管の数を大幅に低減することができ、図５及び図
６に示したように、外筒１０５内に熱交換器１０７や液
化酸素降下管１０９，流下管１１１，酸素ガス上昇管１
１２，窒素ガス上昇管１１４等を効率よく配設すること
ができるので、処理量を同一とすれば外筒１０５の小径
化を図れ、外筒１０５を同一径とすれば処理能力の増大
を図れる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の空気液化
分離装置の凝縮蒸発器は、熱交換器の小型化とともに、
熱交換器まわりの配管の数を削減でき、部品点数の低減
や取付けのための溶接工数も大幅に低減させることがで
きる。これにより、熱交換器の製作コストを大幅に削減
することができる。さらに、比較的小型のユニットを製
作すればよいので、ユニット製作のための工場設備も小
型化できる。また、熱交換器の小型化により、該熱交換
器を収納する蒸発流体容器を小径化することが可能とな
る。

【００３２】しかも、熱交換器ユニットの端部仕切板間
の間隙を、開放室の間隔と同程度以上であって３０ｍｍ
程度以下とすることにより、この間隙を利用して、蒸発
側流体の循環が十分行われる。さらに、蒸発流体容器の
小径化により必要な液量を低減できるので、装置の起動
時間の短縮や、装置停止時に放出する液化ガス量の低減
を図れ、運転コストも低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のプレートフィン型熱交換器を使用し
た凝縮蒸発器の一実施例を示す縦断面図である。

【図２】 同じく横断面図である。

【図３】 同じく熱交換器の側面図である。

【図４】 同じく溶接部分の拡大図である。

【図５】 本発明のプレートフィン型熱交換器を上下多
段に積層した凝縮蒸発器の一実施例を示す縦断面図であ
る。

【図６】 同じく横断面図である。

【図７】 従来のプレートフィン型熱交換器を使用した
凝縮器の一例を示す縦断面図である。

【図８】 同じく横断面図である。

【符号の説明】

５１…熱交換器 ５１ａ，５１ｂ…熱交換器ユニット
５２…凝縮ガス入口ヘッダー ５３…凝縮液出口
ヘッダー ５４…裏当金 ５５…溶接５６…凝縮ガ
ス導入管 ５７…凝縮液導出管 ６０…蒸発流体容
器

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の仕切板により複数の流体室を画成
   した複数のプレートフィン型熱交換器ユニットの端部仕
   切板同士を裏当金を介して溶接して一体化し、この一体
   化されたプレートフィン型熱交換器ユニットを蒸発流体
   容器内に収納し、前記流体室の一つを該蒸発流体容器内
   に連通する開放室とするとともに、前記端部仕切板間の
   間隙を蒸発流体流路とし、前記開放室以外の流体室内に
   流体を流入，流出させるヘッダーを複数のプレートフィ
   ン型熱交換器ユニットで共用させたことを特徴とする空
   気液化分離装置の凝縮蒸発器。
2. 【請求項２】 前記端部仕切板間の間隙が、開放室の仕
   切板間隔以上で３０ｍｍ以下であることを特徴とする請
   求項１記載の空気液化分離装置の凝縮蒸発器。
3. 【請求項３】 前記一体化されたプレートフィン型熱交
   換器ユニットを、上下多段に積層したことを特徴とする
   請求項１又は２記載の空気液化分離装置の凝縮蒸発器。