JP4174109B2 - 流下液膜式凝縮蒸発器及びその使用方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流下液膜式凝縮蒸発器及びその使用方法に関し、詳しくは、仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接して設けたプレートフィン型熱交換器コアの蒸発通路に、上方から流下する蒸発流体を均一に分配して導入するための液分配手段を備えた流下液膜式凝縮蒸発器であって、特に、空気液化分離装置の蒸留塔に好適に用いられるプレートフィン式の流下液膜式凝縮蒸発器構造及び使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気液化分離装置の複式蒸留塔では、低圧蒸留塔（以下、低圧塔と称す）の底部、あるいは、低圧塔に連通する容器内の液化酸素と、高圧蒸留塔（以下、高圧塔と称す）の頂部の窒素ガスとを、複式蒸留塔の中間部に設けられた熱交換器で間接熱交換させることにより、液化酸素の一部を蒸発気化して低圧塔の上昇ガスを生成するとともに、窒素ガスを凝縮液化して両蒸留塔の還流液を生成している。このような熱交換器は、一般に凝縮蒸発器と呼ばれている。
【０００３】
凝縮蒸発器としては、プレートフィン型の熱交換器コアを使用したものが通常用いられている。このプレートフィン型の熱交換器コアは、仕切板を介して隣接した凝縮通路と蒸発通路とからなる熱交換通路を多数有するものであって、気体で導入される凝縮流体（窒素ガス）と液体で導入される蒸発流体（液化酸素）とを間接熱交換させることにより、凝縮流体を凝縮液化して熱交換器の下方へ導出するとともに、蒸発流体の一部を蒸発気化させて熱交換器の下方又は下方及び上方へ導出するように形成されている。
【０００４】
図６は、サーモサイフォン効果を利用した液浸漬式のプレートフィン型熱交換器コアを用いた凝縮蒸発器（液浸漬式凝縮蒸発器）を示すものである。この凝縮蒸発器１は、低圧塔２の底部の液溜２ａに溜まる蒸発流体である液化酸素ＬＯ内に浸漬して用いられるもので、蒸発流体（液化酸素ＬＯ）側の熱交換通路（蒸発通路）の出入口両端（上端、下端）は開放されており、高圧塔３の頂部の窒素ガスＧＮは、上部ヘッダー１ａを介して凝縮通路内に導入され、凝縮通路で凝縮液化した液化窒素は、下部ヘッダー１ｂから導出される。
【０００５】
蒸発通路内の液化酸素は、隣接する凝縮通路の凝縮流体である窒素ガスと間接熱交換を行うことにより、その一部が蒸発気化して酸素ガスの気泡となり、蒸発通路を上昇する。この酸素ガスの上昇力及び気液混合の密度差により、凝縮蒸発器１の内外の液化酸素ＬＯにサーモサイフォン効果による循環流が形成される。蒸発通路を上昇流として導出した気液混合状態の酸素の内、蒸発気化しなかった液化酸素は、再び液溜２ａに戻り、蒸発気化した酸素ガスは、低圧塔２の上昇ガスとなり、その一部が製品として経路４から抜き出される。
【０００６】
一方、凝縮通路に導入された窒素ガスは、前記液化酸素との間接熱交換により凝縮液化して液化窒素となり、凝縮蒸発器１の下部から排出される。排出された液化窒素は、還流液として両蒸留塔に導入される他、一部を液化製品として抜き出すこともある。
【０００７】
このように、サーモサイフォン効果を利用した液浸漬型の凝縮蒸発器１は、凝縮流体が下降流，蒸発流体が上昇流の向流型の熱交換器である。そして、凝縮蒸発器１の全体を液化酸素に浸漬して用いるため、液化酸素の液ヘッドによって凝縮蒸発器１の下部から蒸発通路に流入する液化酸素が過冷却状態となる。
【０００８】
このため、液化酸素の沸騰が開始するまで、すなわち、凝縮側の窒素との間接熱交換によって液化酸素の温度が飽和温度に達するまでに、ある程度の距離を必要とし、この距離は、熱交換器高さの２０〜３０％を占める場合がある。すなわち、液浸漬式の凝縮蒸発器１は、熱交換器の全高にわたっての伝熱面積を十分に生かしきれていない。
【０００９】
また、蒸発流体である液化酸素の液ヘッドにより沸点の上昇を来し、図７に示すように、酸素と窒素との温度差ΔＴが小さくなり（温度ピンチ）、設定された伝熱面積では交換熱量が低下してしまう。そこで交換熱量を維持するために、温度差ΔＴを一定に保持する必要が生じるが、この操作方法として、通常、液化酸素の沸点上昇に見合う分、凝縮側窒素ガスの圧力、即ち高圧塔の運転圧力を上昇させており、この場合、動力費の増大を招くことになる。
【００１０】
さらに、凝縮蒸発器１を機能させるためには、多量の液化酸素を貯溜しなければならず、装置の起動時間が長くかかったり、停止時に放出する液化酸素量が多くなり、動力費や人件費の損失となっていた。
【００１１】
上述のようなサーモサイフォン効果を利用した液浸漬型の不都合を回避するため、蒸発流体を、熱交換器の蒸発通路にその上部から流下させながら蒸発気化させる、並流型熱交換器を用いた凝縮蒸発器が提案されている。これらのものは、通常、流下液膜式凝縮蒸発器と呼ばれている。
【００１２】
図８は、プレートフィン型熱交換器を用いた流下液膜式凝縮蒸発器５を示すものである。低圧塔２の蒸留部２ｂから流下する液化酸素ＬＯは、低圧塔底部の液溜２ａからポンプ６により供給される液化酸素とともに、凝縮蒸発器５の上部から蒸発通路に流下し、隣接する凝縮通路を並流する窒素ガスと間接熱交換してその一部が蒸発気化する。気化した酸素ガスは、蒸発通路の下部又は下部及び上部から低圧塔２内に導出し、気化しなかった液化酸素は、蒸発通路の下部から導出して低圧塔底部の液溜２ａに溜り、再びポンプ６で凝縮蒸発器５の上部に戻されて循環する。なお、窒素側は、前記同様に形成されているため、同一符号を付して説明は省略する。
【００１３】
このように、流下液膜式凝縮蒸発器５は、蒸発側の液化酸素に液ヘッドが生じないため、図８に示すように、温度差ΔＴが熱交換器の全高さにわたって略均一となり、熱交換器全体で液化酸素の蒸発が起こっている。したがって、熱交換効率が向上し、熱交換器の小型化や低コスト化が図れるとともに、動力費の低減や起動時間の短縮等も図れる。
【００１４】
上記流下液膜式凝縮蒸発器に関しては、従来から種々の構造，構成のものが提案されており、例えば、特公平５−３１０４２号公報，特公平７−３１０１５号公報，特開平８−６１８６８号公報等に記載されている。これらに記載された流下液膜式凝縮蒸発器においては、液状の蒸発流体を各蒸発通路に均等供給するための液分配構造として、液分配を段階的に行うための液分配手段が提案されている。
【００１５】
例えば、特公平５−３１０４２号公報に示されているものは、液分配を段階的に行う液分配手段を、オリフィスによる予備分配部と、ハードウェイフィン（セレーテッドフィン）の分配作用を利用した精密分配部とで形成している。また、特公平７−３１０１５号公報では、パイプオリフィスによる予備分配部と、ハードウェイフィン（セレーテッドフィン）の分配作用を利用した精密分配部とで形成している。また、特開平８−６１８６８号公報に示されているものは、ハードウェイフィンとして使用するパーフォレイテッドフィンの孔の開口率を段階的に変化させている。そして、これらの各特許に示されている液分配手段は、いずれも、ブレージング加工により熱交換器コアと一体構造に製作されて凝縮蒸発器を形成している。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の流下液膜式凝縮蒸発器の蒸発流体の液分配手段は、プレートフィン熱交換器内に全て内蔵されており、液分配手段と熱交換器コアとは、ブレージング加工による一体の構造のものであった。このように、液分配手段を全て熱交換器コアの中に内蔵することにより熱交換器の構造は複雑となり、製作上の制約が発生し、製作コストが高騰するという問題があった。
【００１７】
また、装置を一時停止したとき、低圧塔の保有液が落下して底部に溜り、熱交換器が浸漬されて熱交換器の下端が液封されてしまう。したがって、上述のハードウェイフィンを蒸発通路の上部に設けた構造のものは、蒸発通路で蒸発した酸素ガスは、上方がハードウェイフィンで、下方が液封で閉ざされて流出できないので、熱交換器としての機能が果たせず運転できなくなる。このような場合、低圧塔下部に溜まった液を放出するか、あるいは、サーモサイフォン効果を有する熱交換器を、流下液膜式熱交換器とは別に設ける必要があった。液を放出する場合は、装置寒冷のロスを伴い、再起動時間が長くなって動力の冗費につながり、また、サーモサイフォン式と流下液膜式とを組み合わせて用いる場合は、流下液膜式の小温度差，伝熱面積の有効利用という特徴が十分に生かされないという問題があった。
【００１８】
そこで本発明は、製作コストの低減が図れるとともに、サーモサイフォン効果を利用した熱交換も可能な流下液膜式凝縮蒸発器及びその使用方法を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、鉛直方向の仕切板を介して、上下両端がサイドバーで密閉された凝縮通路と上下両端が開放された蒸発通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、上部サイドバーの上側に、上方から流下する蒸発流体を貯留し、かつ、貯留された蒸発流体を均一に整流させた流下液膜として前記蒸発通路に流下させるための溢流堰を有する液溜部と、前記蒸発通路の上部開口の上方を覆うように斜め上方に延びる斜辺部を有し、蒸発通路で蒸発気化した蒸発流体を斜め上方に案内するとともに、上方から流下する蒸発流体を捕捉して前記液溜部に導く液捕集板とを備えた液分配手段を設けたことを特徴としている。
【００２０】
また、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、前記液分配手段が、前記液捕集板に捕集される以外の上方から流下する蒸発流体を捕集する液受手段を有するとともに、該液受手段に捕集した蒸発流体を前記液溜部に流入させる流入部を備えていることを特徴としている。
【００２１】
さらに、前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板のいずれか一方を上方に延長して前記溢流堰を形成するとともに、他方の仕切板を上方に延長して前記液捕集板を形成したこと、また、前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板を上方に延長して前記溢流堰を液溜部両側にそれぞれ形成するとともに、前記液捕集板は、所定形状の板材を前記仕切板と平行な方向に設置して形成したこと、さらに、前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板を上方に延長して前記溢流堰を液溜部両側にそれぞれ形成するとともに、前記液捕集板は、所定形状の板材を前記仕切板と直交する方向に設置して形成したこと、また、前記液捕集板の下端が前記サイドバーの上面に接して設けられるとともに、その下端部に液溜部に貯留される蒸発流体の流通を自在にする開口を設けたこと、さらに、前記凝縮流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の高圧蒸留塔上部の窒素ガスであり、前記蒸発流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の低圧蒸留塔下部の液化酸素であることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の使用方法は、上述の流下液膜式凝縮蒸発器の使用方法であって、蒸留装置における充填物又は多孔板を用いた気液接触手段、あるいは、焼結体，充填物，多孔板，ハードウェイフィンのいずれか又はこれらの内２以上を組み合わせて構成された液分配手段、あるいは、蒸発流体が下方から導出する熱交換器のいずれか１つの下方に前記流下液膜式凝縮蒸発器を設置することを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を空気液化分離装置の複式蒸留塔に適用した一例を示す系統図である。流下液膜式凝縮蒸発器（以下、凝縮蒸発器という）１１は、複式蒸留塔の高圧塔１２と低圧塔１３との中間部分に設けられている。原料ガスとなる空気は、圧縮された後、不純物である二酸化炭素や水分等を除去されて精製され、主熱交換器を経て高圧塔１２の下部に経路１４から導入される。高圧塔１２に導入された原料空気は、高圧塔１２での周知の低温蒸留操作により、塔上部の窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離される。
【００２４】
高圧塔１２の頂部の窒素ガスは、経路１５に抜き出されて凝縮蒸発器１１の上部ヘッダー１１ａから凝縮通路の上部側方に導入され、隣接する蒸発通路を並流する液化酸素と間接熱交換を行い、凝縮液化されて下部ヘッダー１１ｂから経路１６に導出し、その一部は高圧塔１２の上部に、残部は経路１７，弁１８を通って低圧塔１３の上部に、それぞれ還流液として導入される。
【００２５】
一方、凝縮蒸発器１１を構成する熱交換器コア２０の上部には、液受手段２１を備えた液分配手段２２が設けられており、低圧塔１３の蒸留部を流下する液化酸素は、液受手段２１及び液分配手段２２の部分に落下し、低圧塔１３の底部から抜き出されてポンプ２３により液受手段２１に送られる液化酸素とともに、液分配手段２２の液溜部に集められ、ここで均一な液分配が行われて熱交換器コア２０の蒸発通路に流下する。
【００２６】
蒸発通路を流下する液化酸素は、隣接する凝縮通路を並流する窒素ガスとの間接熱交換によってその一部が蒸発気化し、凝縮蒸発器１１の下方又は下方及び上方から導出する。また、蒸発気化しなかった液化酸素は、凝縮蒸発器１１の下方から導出する。蒸発気化して導出した酸素ガスは、低圧塔１３の上昇ガスとなり、その一部は製品酸素ガスとして低圧塔１３の下部の経路２４から抜き出される。また、蒸発気化せずに導出した液化酸素は、低圧塔１３の底部に集められた後、ポンプ２３により液受手段２１に再導入されて循環する。
【００２７】
図２は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第１形態例を示す要部の一部断面斜視図である。この凝縮蒸発器３０は、複数枚の仕切板３１を介して凝縮通路３２と蒸発通路３３とを交互に隣接して多数積層して形成したプレートフィン型の熱交換器コア３４の上部に、液溜部３５と、溢流堰３６と、液捕集板３７とからなる液分配手段３８を設けたものである。
【００２８】
前記凝縮通路３２は、その上下端がサイドバー３９で密閉されており、蒸発通路３３の上下端は開放されている。なお、側面は、ヘッダー取付部等の必要箇所を除いて全て密閉されている。
【００２９】
前記液溜部３５は、前記サイドバー３９の上面部分に形成されるもので、サイドバー３９の上面形状に対応した矩形状の空間として形成される。液溜部３５の長手方向両側部分は、サイドバー３９の両側の前記仕切板３１の上部を上方に延長して形成され、液溜部３５の両端部は液止板４０で塞がれている。なお、液止板４０は、サイドバー３９とは別の部材を取り付けるようにしてもよく、サイドバー３９の両端部を上方に立ち上げて液止板としてもよい。
【００３０】
上方に延長した前記仕切板３１の一方は、前記液止板４０の高さより低く設定されて前記溢流堰３６を形成し、他方の仕切板３１は、液溜部３５より高く立ち上がった後、蒸発通路３３の上方を覆うように斜めに伸びて前記液捕集板３７を形成している。
【００３１】
液捕集板３７は、凝縮蒸発器３０の上方から落下する蒸発流体（液化酸素）が、蒸発通路３３内に直接流入しないように、その上部の斜辺部３７ａで受け止めて液溜部３５に導く機能とともに、蒸発通路３３内で蒸発した蒸発流体（酸素ガス）を斜め上方に案内する機能も有している。したがって、熱交換器コア３４の水平方向の断面積に等しい面積範囲内に上方から落下する蒸発流体は、液捕集板３７の斜辺部３７ａに捕集されて、あるいは、液溜部３５に直接落下して液溜部３５に貯留される状態となる。なお、斜辺部３７ａを更に延長することにより、上方から落下する蒸発流体の全てが斜辺部３７ａで捕集される状態となる。
【００３２】
上方から落下して液溜部３５に集められた蒸発流体は、溢流堰３６を乗り越えることによって分配され、均一な液膜流となって熱交換器コア３４の上方から蒸発通路３３の片面側に流下する。蒸発通路３３を流下する蒸発流体は、隣接する凝縮通路３２を並流する凝縮流体と間接熱交換を行うことにより一部が蒸発気化し、蒸発気化した蒸発ガスの一部は、蒸発通路３３の上部から導出し、液捕集板３７の斜辺部３７ａの下面に案内されて上昇し、残部は、蒸発気化しなかった蒸発流体とともに蒸発通路３３の下部から導出する。
【００３３】
このように、液分配手段３８を、熱交換器コア３４の内部に形成せず、その上部に設けることにより、熱交換器コア３４の構成が簡単となり、凝縮蒸発器３０全体の製作コストを低減することができる。
【００３４】
また、液分配手段３８にハードウェイフィン構造を有していないため、蒸発通路３３で蒸発気化したガスを、液分配手段３８を通して上方に導出することができる。したがって、熱交換器コア３４が液で浸漬された場合でも、サーモサイフォン効果を利用して運転が可能となり、容易に再起動ができ、再起動用の熱交換器を別途に設ける必要がない。
【００３５】
図３は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第２形態例を示す要部の斜視図であって、前記図１に示した空気液化分離装置の複式蒸留塔の凝縮蒸発器として好適な構成例を示すものである。なお、以下の説明において、前記図２に示した第１形態例における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
この凝縮蒸発器は、前記同様に形成した熱交換器コア３４の上部外周に円形状の液受手段４１を設けたものである。液受手段４１は、円盤状の底板４２と、該底板４２の外周に立設した周壁４３とからなるものであって、前記液捕集板３７で捕集される以外、すなわち、熱交換器コア３４の周囲に落下する蒸発流体を捕集して前記液溜部３５に流入させる機能を有している。
【００３７】
したがって、前記液溜部３５の両端部には、前述の液止板を設けずに、液捕集板３７で捕集した蒸発流体を液溜部３５に流入させるための流入部４４を形成している。すなわち、液溜部３５は、底面となるサイドバー３９の上面と、サイドバー３９の両側の仕切板３１が上方に延長された溢流堰３６及び液捕集板３７との三面からなり、上部と長手方向両端とが開放された矩形状の空間として形成されている。なお、液受手段４１の平面形状は、円形状の他、角形等の任意の形状に形成することができる。
【００３８】
このように形成した凝縮蒸発器を、前記図１に示したような複式蒸留塔の凝縮蒸発器として用いると、低圧塔の蒸留部から落下する液化酸素を、液捕集板３７及び液受手段４１で捕捉することができる。さらに、この液受手段４１には、低圧塔の底部からポンプで汲み上げた液化酸素を導管４４を通して導入することができる。
【００３９】
そして、液受手段４１に溜まった液化酸素は、両端の流入部４４から液溜部３５内に流入した後、前記同様に、溢流堰３６を乗り越えて均一に分配された液膜流となり、熱交換器コア３４の蒸発通路３３に流下する。
【００４０】
図４は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第３形態例を示す一部断面斜視図であって、液捕集板３７及び溢流堰３６の変形例を示している。すなわち、液捕集板３７は、熱交換器コア３４の仕切板３１とは別の板材により所定形状に形成されており、その下端が、サイドバー３９の上面に接した状態で、仕切板３１と平行な方向に設けられている。この液捕集板３７は、その下端をサイドバー３９に溶接して設置することもできるが、図４に示すような接続板４５により各液捕集板３７を接続して一体化することにより、液捕集板ブロックを形成し、このブロックの適宜な箇所、例えば接続板４５と、熱交換器コア３４の適宜な箇所、例えばサイドバー３９とを直接あるいは連結金具を介して接続するようにしてもよい。
【００４１】
また、溢流堰３６は、サイドバー３９の両側、すなわち、液溜部３５の長手方向両側に位置する仕切板３１を上方に延長して形成されている。したがって、液溜部３５の蒸発流体は、一つの液溜部３５から両側の溢流堰３６を乗り越え、隣り合う二つの蒸発通路３３に流下する。これにより、各蒸発通路３３には、通路両側から液膜流が供されることになる。
【００４２】
このように、液分配手段３８の液捕集板３７を、熱交換器コア３４とは別個に製作することにより、熱交換器コア３４として、従来の低コストの熱交換器コアを用いることができるので、凝縮蒸発器全体のコスト低減が図れる。また、蒸発通路３３の両側に液膜流を形成して流下させるので、液分配精度が向上する。
【００４３】
さらに、液捕集板３７の下部に、液溜部３５内の蒸発流体の流通を自在にする開口４６を設けておくことにより、液溜部３５内の蒸発流体が流通自在となり、液溜部３５の液面を一定にすることができ、溢流堰３６から蒸発流路３３に流下する液膜流を均等化することができる。この開口４６の形状や位置は任意であり、図４に示す三角ノッチの他、四角ノッチ等の切り欠きや、角型や丸型の通孔等により形成することができる。
【００４４】
また、図４に示した態様において、液捕集板３７の方向を、図４とは９０°回転した方向、すなわち、多数積層して設けられた凝縮通路３２と蒸発通路３３とに対して直交する方向に設けることもできる。このとき、各液捕集板３７は、その下端をそれぞれサイドバー３９の上面や溢流堰３６に固接して設置してもよく、前記接続板４５等を用いてブロック化したり、通しボルト等により一体化したりするなどの適宜な手段を用いて設置することができる。
【００４５】
図５は、本発明の凝縮蒸発器の使用方法の一例を示す系統図であって、空気液化分離装置の複蒸留塔の中間に用いられる凝縮蒸発器として、ハードウェイフィン構造の液分配手段５１を有する凝縮蒸発器５２の下方に、本発明の凝縮蒸発器１１を使用した二段式凝縮蒸発器を用いたものである。なお、前記図１に示した複式蒸留塔における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４６】
このように、本発明の凝縮蒸発器１１を下段に設置して二段式凝縮蒸発器を形成することにより、例えば、装置が一時停止した場合、低圧塔１３の蒸留部の保有液が落下して低圧塔１３の底部に溜り、図に示すように、凝縮蒸発器５１，１１は、液化酸素中に浸漬された状態となる。
【００４７】
そして、装置を再起動するために高圧塔１２に原料空気を導入すると、下段に設けられた本発明の凝縮蒸発器１１は、前述のように、サーモサイフォン効果により凝縮蒸発器としての機能を有するので、高圧塔１２の頂部の窒素ガスが、経路１５を通って凝縮蒸発器１１の凝縮通路に流入すると、隣接する蒸発通路の液化酸素と間接熱交換を行って凝縮液化するとともに、低圧塔１３の下部の液化酸素は、凝縮蒸発器１１の蒸発通路で蒸発気化し、該通路の上部から上方に導出されるので、次第に液化酸素量が減少して規定値となり再起動が完了する。
【００４８】
このように、従来のハードウェイフィン構造の液分配手段５１を有する凝縮蒸発器５２と、本発明の凝縮蒸発器１１の少なくとも１基とを組み合わせて使用することにより、ハードウェイフィン構造の液分配手段５１を有する凝縮蒸発器５２を用いた場合でも、装置の再起動が可能となる。
【００４９】
さらに、通常運転時には、凝縮蒸発器５２の下部から落下する液化酸素を、凝縮蒸発器１１の蒸発通路に均等に分配して導入できるので、凝縮蒸発器１１の熱交換効率も優れたものとなる。
【００５０】
また、本発明の凝縮蒸発器は、上述のように、蒸発流体が下方から導出される熱交換器（凝縮蒸発器）の下部に使用した例の他、蒸留装置における低圧塔の蒸留部がトレイ式の場合の液化酸素や、低圧塔と高圧塔とが分割して設置され、ポンプによって低圧塔底部の液化酸素を循環導入する場合等にも、効果的に使用することができる。
【００５１】
すなわち、上述のような場合、液化酸素を均一な状態で導入することが難しいが、このような場合でも、本発明の凝縮蒸発器の上方に、焼結体，充填物，多孔板，ハードウェイフィンのいずれか又はこれらの組み合わせで構成された液分配手段を設けることにより、蒸留塔の設置レイアウトや蒸留塔の種類に関係なく、本発明の凝縮蒸発器を用いることができる。また、蒸留装置が充填塔式である場合においても、前記液分配手段を本発明の凝縮蒸発器の上方に設けることにより、蒸発流体を、さらに精密に液分配した状態で凝縮蒸発器に導入できるので、より効率的に機能させることができる。
【００５２】
なお、上記各形態例においては、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を、空気液化分離装置の複蒸留塔の中間部に設けられる凝縮蒸発器に用いる場合について説明したが、本発明の凝縮蒸発器はこれに限定されるものではなく、単式蒸留塔の上部に設けられる凝縮蒸発器や、その他、凝縮流体と蒸発流体とを間接熱交換させる種々の凝縮蒸発器にも用いることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蒸発流体の蒸発通路への均一な分配を、熱交換器コアの上方に設けた液捕集板と液溜部と溢流堰とからなる液分配手段により行うことができるので、熱交換器コアとして簡単な構造のものを使用することができ、熱交換器コア等の製作コストを低減できる。さらに、サーモサイフォン効果を利用した熱交換も可能であるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を空気液化分離装置の複式蒸留塔に適用した一例を示す系統図である。
【図２】 本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第１形態例を示す要部の一部断面斜視図である。
【図３】 本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第２形態例を示す要部の斜視図である。
【図４】 本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第３形態例を示す一部断面斜視図である。
【図５】 本発明の凝縮蒸発器の使用方法の一例を示す系統図である。
【図６】 液浸漬式凝縮蒸発器の一例を示す系統図である。
【図７】 液浸漬式凝縮蒸発器内の温度分布の概略を示す図である。
【図８】 流下液膜式凝縮蒸発器の一例を示す系統図である。
【図９】 流下液膜式凝縮蒸発器内の温度分布の概略を示す図である。
【符号の説明】
１１…凝縮蒸発器、１２…高圧塔、１３…低圧塔、２０…熱交換器コア、２１…液受手段、２２…液分配手段、３０…凝縮蒸発器、３１…仕切板、３２…凝縮通路、３３…蒸発通路、３４…熱交換器コア、３５…液溜部、３６…溢流堰、３７…液捕集板、３７ａ…斜辺部、３８…液分配手段、３９…サイドバー、４０…液止板、４１…液受手段、４２…底板、４３…周壁、４４…流入部、４５…接続板、４６…開口
【発明の属する技術分野】
本発明は、流下液膜式凝縮蒸発器及びその使用方法に関し、詳しくは、仕切板を介して凝縮通路と蒸発通路とを交互に隣接して設けたプレートフィン型熱交換器コアの蒸発通路に、上方から流下する蒸発流体を均一に分配して導入するための液分配手段を備えた流下液膜式凝縮蒸発器であって、特に、空気液化分離装置の蒸留塔に好適に用いられるプレートフィン式の流下液膜式凝縮蒸発器構造及び使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気液化分離装置の複式蒸留塔では、低圧蒸留塔（以下、低圧塔と称す）の底部、あるいは、低圧塔に連通する容器内の液化酸素と、高圧蒸留塔（以下、高圧塔と称す）の頂部の窒素ガスとを、複式蒸留塔の中間部に設けられた熱交換器で間接熱交換させることにより、液化酸素の一部を蒸発気化して低圧塔の上昇ガスを生成するとともに、窒素ガスを凝縮液化して両蒸留塔の還流液を生成している。このような熱交換器は、一般に凝縮蒸発器と呼ばれている。
【０００３】
凝縮蒸発器としては、プレートフィン型の熱交換器コアを使用したものが通常用いられている。このプレートフィン型の熱交換器コアは、仕切板を介して隣接した凝縮通路と蒸発通路とからなる熱交換通路を多数有するものであって、気体で導入される凝縮流体（窒素ガス）と液体で導入される蒸発流体（液化酸素）とを間接熱交換させることにより、凝縮流体を凝縮液化して熱交換器の下方へ導出するとともに、蒸発流体の一部を蒸発気化させて熱交換器の下方又は下方及び上方へ導出するように形成されている。
【０００４】
図６は、サーモサイフォン効果を利用した液浸漬式のプレートフィン型熱交換器コアを用いた凝縮蒸発器（液浸漬式凝縮蒸発器）を示すものである。この凝縮蒸発器１は、低圧塔２の底部の液溜２ａに溜まる蒸発流体である液化酸素ＬＯ内に浸漬して用いられるもので、蒸発流体（液化酸素ＬＯ）側の熱交換通路（蒸発通路）の出入口両端（上端、下端）は開放されており、高圧塔３の頂部の窒素ガスＧＮは、上部ヘッダー１ａを介して凝縮通路内に導入され、凝縮通路で凝縮液化した液化窒素は、下部ヘッダー１ｂから導出される。
【０００５】
蒸発通路内の液化酸素は、隣接する凝縮通路の凝縮流体である窒素ガスと間接熱交換を行うことにより、その一部が蒸発気化して酸素ガスの気泡となり、蒸発通路を上昇する。この酸素ガスの上昇力及び気液混合の密度差により、凝縮蒸発器１の内外の液化酸素ＬＯにサーモサイフォン効果による循環流が形成される。蒸発通路を上昇流として導出した気液混合状態の酸素の内、蒸発気化しなかった液化酸素は、再び液溜２ａに戻り、蒸発気化した酸素ガスは、低圧塔２の上昇ガスとなり、その一部が製品として経路４から抜き出される。
【０００６】
一方、凝縮通路に導入された窒素ガスは、前記液化酸素との間接熱交換により凝縮液化して液化窒素となり、凝縮蒸発器１の下部から排出される。排出された液化窒素は、還流液として両蒸留塔に導入される他、一部を液化製品として抜き出すこともある。
【０００７】
このように、サーモサイフォン効果を利用した液浸漬型の凝縮蒸発器１は、凝縮流体が下降流，蒸発流体が上昇流の向流型の熱交換器である。そして、凝縮蒸発器１の全体を液化酸素に浸漬して用いるため、液化酸素の液ヘッドによって凝縮蒸発器１の下部から蒸発通路に流入する液化酸素が過冷却状態となる。
【０００８】
このため、液化酸素の沸騰が開始するまで、すなわち、凝縮側の窒素との間接熱交換によって液化酸素の温度が飽和温度に達するまでに、ある程度の距離を必要とし、この距離は、熱交換器高さの２０〜３０％を占める場合がある。すなわち、液浸漬式の凝縮蒸発器１は、熱交換器の全高にわたっての伝熱面積を十分に生かしきれていない。
【０００９】
また、蒸発流体である液化酸素の液ヘッドにより沸点の上昇を来し、図７に示すように、酸素と窒素との温度差ΔＴが小さくなり（温度ピンチ）、設定された伝熱面積では交換熱量が低下してしまう。そこで交換熱量を維持するために、温度差ΔＴを一定に保持する必要が生じるが、この操作方法として、通常、液化酸素の沸点上昇に見合う分、凝縮側窒素ガスの圧力、即ち高圧塔の運転圧力を上昇させており、この場合、動力費の増大を招くことになる。
【００１０】
さらに、凝縮蒸発器１を機能させるためには、多量の液化酸素を貯溜しなければならず、装置の起動時間が長くかかったり、停止時に放出する液化酸素量が多くなり、動力費や人件費の損失となっていた。
【００１１】
上述のようなサーモサイフォン効果を利用した液浸漬型の不都合を回避するため、蒸発流体を、熱交換器の蒸発通路にその上部から流下させながら蒸発気化させる、並流型熱交換器を用いた凝縮蒸発器が提案されている。これらのものは、通常、流下液膜式凝縮蒸発器と呼ばれている。
【００１２】
図８は、プレートフィン型熱交換器を用いた流下液膜式凝縮蒸発器５を示すものである。低圧塔２の蒸留部２ｂから流下する液化酸素ＬＯは、低圧塔底部の液溜２ａからポンプ６により供給される液化酸素とともに、凝縮蒸発器５の上部から蒸発通路に流下し、隣接する凝縮通路を並流する窒素ガスと間接熱交換してその一部が蒸発気化する。気化した酸素ガスは、蒸発通路の下部又は下部及び上部から低圧塔２内に導出し、気化しなかった液化酸素は、蒸発通路の下部から導出して低圧塔底部の液溜２ａに溜り、再びポンプ６で凝縮蒸発器５の上部に戻されて循環する。なお、窒素側は、前記同様に形成されているため、同一符号を付して説明は省略する。
【００１３】
このように、流下液膜式凝縮蒸発器５は、蒸発側の液化酸素に液ヘッドが生じないため、図８に示すように、温度差ΔＴが熱交換器の全高さにわたって略均一となり、熱交換器全体で液化酸素の蒸発が起こっている。したがって、熱交換効率が向上し、熱交換器の小型化や低コスト化が図れるとともに、動力費の低減や起動時間の短縮等も図れる。
【００１４】
上記流下液膜式凝縮蒸発器に関しては、従来から種々の構造，構成のものが提案されており、例えば、特公平５−３１０４２号公報，特公平７−３１０１５号公報，特開平８−６１８６８号公報等に記載されている。これらに記載された流下液膜式凝縮蒸発器においては、液状の蒸発流体を各蒸発通路に均等供給するための液分配構造として、液分配を段階的に行うための液分配手段が提案されている。
【００１５】
例えば、特公平５−３１０４２号公報に示されているものは、液分配を段階的に行う液分配手段を、オリフィスによる予備分配部と、ハードウェイフィン（セレーテッドフィン）の分配作用を利用した精密分配部とで形成している。また、特公平７−３１０１５号公報では、パイプオリフィスによる予備分配部と、ハードウェイフィン（セレーテッドフィン）の分配作用を利用した精密分配部とで形成している。また、特開平８−６１８６８号公報に示されているものは、ハードウェイフィンとして使用するパーフォレイテッドフィンの孔の開口率を段階的に変化させている。そして、これらの各特許に示されている液分配手段は、いずれも、ブレージング加工により熱交換器コアと一体構造に製作されて凝縮蒸発器を形成している。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の流下液膜式凝縮蒸発器の蒸発流体の液分配手段は、プレートフィン熱交換器内に全て内蔵されており、液分配手段と熱交換器コアとは、ブレージング加工による一体の構造のものであった。このように、液分配手段を全て熱交換器コアの中に内蔵することにより熱交換器の構造は複雑となり、製作上の制約が発生し、製作コストが高騰するという問題があった。
【００１７】
また、装置を一時停止したとき、低圧塔の保有液が落下して底部に溜り、熱交換器が浸漬されて熱交換器の下端が液封されてしまう。したがって、上述のハードウェイフィンを蒸発通路の上部に設けた構造のものは、蒸発通路で蒸発した酸素ガスは、上方がハードウェイフィンで、下方が液封で閉ざされて流出できないので、熱交換器としての機能が果たせず運転できなくなる。このような場合、低圧塔下部に溜まった液を放出するか、あるいは、サーモサイフォン効果を有する熱交換器を、流下液膜式熱交換器とは別に設ける必要があった。液を放出する場合は、装置寒冷のロスを伴い、再起動時間が長くなって動力の冗費につながり、また、サーモサイフォン式と流下液膜式とを組み合わせて用いる場合は、流下液膜式の小温度差，伝熱面積の有効利用という特徴が十分に生かされないという問題があった。
【００１８】
そこで本発明は、製作コストの低減が図れるとともに、サーモサイフォン効果を利用した熱交換も可能な流下液膜式凝縮蒸発器及びその使用方法を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、鉛直方向の仕切板を介して、上下両端がサイドバーで密閉された凝縮通路と上下両端が開放された蒸発通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、上部サイドバーの上側に、上方から流下する蒸発流体を貯留し、かつ、貯留された蒸発流体を均一に整流させた流下液膜として前記蒸発通路に流下させるための溢流堰を有する液溜部と、前記蒸発通路の上部開口の上方を覆うように斜め上方に延びる斜辺部を有し、蒸発通路で蒸発気化した蒸発流体を斜め上方に案内するとともに、上方から流下する蒸発流体を捕捉して前記液溜部に導く液捕集板とを備えた液分配手段を設けたことを特徴としている。
【００２０】
また、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器は、前記液分配手段が、前記液捕集板に捕集される以外の上方から流下する蒸発流体を捕集する液受手段を有するとともに、該液受手段に捕集した蒸発流体を前記液溜部に流入させる流入部を備えていることを特徴としている。
【００２１】
さらに、前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板のいずれか一方を上方に延長して前記溢流堰を形成するとともに、他方の仕切板を上方に延長して前記液捕集板を形成したこと、また、前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板を上方に延長して前記溢流堰を液溜部両側にそれぞれ形成するとともに、前記液捕集板は、所定形状の板材を前記仕切板と平行な方向に設置して形成したこと、さらに、前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板を上方に延長して前記溢流堰を液溜部両側にそれぞれ形成するとともに、前記液捕集板は、所定形状の板材を前記仕切板と直交する方向に設置して形成したこと、また、前記液捕集板の下端が前記サイドバーの上面に接して設けられるとともに、その下端部に液溜部に貯留される蒸発流体の流通を自在にする開口を設けたこと、さらに、前記凝縮流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の高圧蒸留塔上部の窒素ガスであり、前記蒸発流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の低圧蒸留塔下部の液化酸素であることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の使用方法は、上述の流下液膜式凝縮蒸発器の使用方法であって、蒸留装置における充填物又は多孔板を用いた気液接触手段、あるいは、焼結体，充填物，多孔板，ハードウェイフィンのいずれか又はこれらの内２以上を組み合わせて構成された液分配手段、あるいは、蒸発流体が下方から導出する熱交換器のいずれか１つの下方に前記流下液膜式凝縮蒸発器を設置することを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を空気液化分離装置の複式蒸留塔に適用した一例を示す系統図である。流下液膜式凝縮蒸発器（以下、凝縮蒸発器という）１１は、複式蒸留塔の高圧塔１２と低圧塔１３との中間部分に設けられている。原料ガスとなる空気は、圧縮された後、不純物である二酸化炭素や水分等を除去されて精製され、主熱交換器を経て高圧塔１２の下部に経路１４から導入される。高圧塔１２に導入された原料空気は、高圧塔１２での周知の低温蒸留操作により、塔上部の窒素ガスと塔下部の酸素富化液化空気とに分離される。
【００２４】
高圧塔１２の頂部の窒素ガスは、経路１５に抜き出されて凝縮蒸発器１１の上部ヘッダー１１ａから凝縮通路の上部側方に導入され、隣接する蒸発通路を並流する液化酸素と間接熱交換を行い、凝縮液化されて下部ヘッダー１１ｂから経路１６に導出し、その一部は高圧塔１２の上部に、残部は経路１７，弁１８を通って低圧塔１３の上部に、それぞれ還流液として導入される。
【００２５】
一方、凝縮蒸発器１１を構成する熱交換器コア２０の上部には、液受手段２１を備えた液分配手段２２が設けられており、低圧塔１３の蒸留部を流下する液化酸素は、液受手段２１及び液分配手段２２の部分に落下し、低圧塔１３の底部から抜き出されてポンプ２３により液受手段２１に送られる液化酸素とともに、液分配手段２２の液溜部に集められ、ここで均一な液分配が行われて熱交換器コア２０の蒸発通路に流下する。
【００２６】
蒸発通路を流下する液化酸素は、隣接する凝縮通路を並流する窒素ガスとの間接熱交換によってその一部が蒸発気化し、凝縮蒸発器１１の下方又は下方及び上方から導出する。また、蒸発気化しなかった液化酸素は、凝縮蒸発器１１の下方から導出する。蒸発気化して導出した酸素ガスは、低圧塔１３の上昇ガスとなり、その一部は製品酸素ガスとして低圧塔１３の下部の経路２４から抜き出される。また、蒸発気化せずに導出した液化酸素は、低圧塔１３の底部に集められた後、ポンプ２３により液受手段２１に再導入されて循環する。
【００２７】
図２は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第１形態例を示す要部の一部断面斜視図である。この凝縮蒸発器３０は、複数枚の仕切板３１を介して凝縮通路３２と蒸発通路３３とを交互に隣接して多数積層して形成したプレートフィン型の熱交換器コア３４の上部に、液溜部３５と、溢流堰３６と、液捕集板３７とからなる液分配手段３８を設けたものである。
【００２８】
前記凝縮通路３２は、その上下端がサイドバー３９で密閉されており、蒸発通路３３の上下端は開放されている。なお、側面は、ヘッダー取付部等の必要箇所を除いて全て密閉されている。
【００２９】
前記液溜部３５は、前記サイドバー３９の上面部分に形成されるもので、サイドバー３９の上面形状に対応した矩形状の空間として形成される。液溜部３５の長手方向両側部分は、サイドバー３９の両側の前記仕切板３１の上部を上方に延長して形成され、液溜部３５の両端部は液止板４０で塞がれている。なお、液止板４０は、サイドバー３９とは別の部材を取り付けるようにしてもよく、サイドバー３９の両端部を上方に立ち上げて液止板としてもよい。
【００３０】
上方に延長した前記仕切板３１の一方は、前記液止板４０の高さより低く設定されて前記溢流堰３６を形成し、他方の仕切板３１は、液溜部３５より高く立ち上がった後、蒸発通路３３の上方を覆うように斜めに伸びて前記液捕集板３７を形成している。
【００３１】
液捕集板３７は、凝縮蒸発器３０の上方から落下する蒸発流体（液化酸素）が、蒸発通路３３内に直接流入しないように、その上部の斜辺部３７ａで受け止めて液溜部３５に導く機能とともに、蒸発通路３３内で蒸発した蒸発流体（酸素ガス）を斜め上方に案内する機能も有している。したがって、熱交換器コア３４の水平方向の断面積に等しい面積範囲内に上方から落下する蒸発流体は、液捕集板３７の斜辺部３７ａに捕集されて、あるいは、液溜部３５に直接落下して液溜部３５に貯留される状態となる。なお、斜辺部３７ａを更に延長することにより、上方から落下する蒸発流体の全てが斜辺部３７ａで捕集される状態となる。
【００３２】
上方から落下して液溜部３５に集められた蒸発流体は、溢流堰３６を乗り越えることによって分配され、均一な液膜流となって熱交換器コア３４の上方から蒸発通路３３の片面側に流下する。蒸発通路３３を流下する蒸発流体は、隣接する凝縮通路３２を並流する凝縮流体と間接熱交換を行うことにより一部が蒸発気化し、蒸発気化した蒸発ガスの一部は、蒸発通路３３の上部から導出し、液捕集板３７の斜辺部３７ａの下面に案内されて上昇し、残部は、蒸発気化しなかった蒸発流体とともに蒸発通路３３の下部から導出する。
【００３３】
このように、液分配手段３８を、熱交換器コア３４の内部に形成せず、その上部に設けることにより、熱交換器コア３４の構成が簡単となり、凝縮蒸発器３０全体の製作コストを低減することができる。
【００３４】
また、液分配手段３８にハードウェイフィン構造を有していないため、蒸発通路３３で蒸発気化したガスを、液分配手段３８を通して上方に導出することができる。したがって、熱交換器コア３４が液で浸漬された場合でも、サーモサイフォン効果を利用して運転が可能となり、容易に再起動ができ、再起動用の熱交換器を別途に設ける必要がない。
【００３５】
図３は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第２形態例を示す要部の斜視図であって、前記図１に示した空気液化分離装置の複式蒸留塔の凝縮蒸発器として好適な構成例を示すものである。なお、以下の説明において、前記図２に示した第１形態例における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
この凝縮蒸発器は、前記同様に形成した熱交換器コア３４の上部外周に円形状の液受手段４１を設けたものである。液受手段４１は、円盤状の底板４２と、該底板４２の外周に立設した周壁４３とからなるものであって、前記液捕集板３７で捕集される以外、すなわち、熱交換器コア３４の周囲に落下する蒸発流体を捕集して前記液溜部３５に流入させる機能を有している。
【００３７】
したがって、前記液溜部３５の両端部には、前述の液止板を設けずに、液捕集板３７で捕集した蒸発流体を液溜部３５に流入させるための流入部４４を形成している。すなわち、液溜部３５は、底面となるサイドバー３９の上面と、サイドバー３９の両側の仕切板３１が上方に延長された溢流堰３６及び液捕集板３７との三面からなり、上部と長手方向両端とが開放された矩形状の空間として形成されている。なお、液受手段４１の平面形状は、円形状の他、角形等の任意の形状に形成することができる。
【００３８】
このように形成した凝縮蒸発器を、前記図１に示したような複式蒸留塔の凝縮蒸発器として用いると、低圧塔の蒸留部から落下する液化酸素を、液捕集板３７及び液受手段４１で捕捉することができる。さらに、この液受手段４１には、低圧塔の底部からポンプで汲み上げた液化酸素を導管４４を通して導入することができる。
【００３９】
そして、液受手段４１に溜まった液化酸素は、両端の流入部４４から液溜部３５内に流入した後、前記同様に、溢流堰３６を乗り越えて均一に分配された液膜流となり、熱交換器コア３４の蒸発通路３３に流下する。
【００４０】
図４は、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第３形態例を示す一部断面斜視図であって、液捕集板３７及び溢流堰３６の変形例を示している。すなわち、液捕集板３７は、熱交換器コア３４の仕切板３１とは別の板材により所定形状に形成されており、その下端が、サイドバー３９の上面に接した状態で、仕切板３１と平行な方向に設けられている。この液捕集板３７は、その下端をサイドバー３９に溶接して設置することもできるが、図４に示すような接続板４５により各液捕集板３７を接続して一体化することにより、液捕集板ブロックを形成し、このブロックの適宜な箇所、例えば接続板４５と、熱交換器コア３４の適宜な箇所、例えばサイドバー３９とを直接あるいは連結金具を介して接続するようにしてもよい。
【００４１】
また、溢流堰３６は、サイドバー３９の両側、すなわち、液溜部３５の長手方向両側に位置する仕切板３１を上方に延長して形成されている。したがって、液溜部３５の蒸発流体は、一つの液溜部３５から両側の溢流堰３６を乗り越え、隣り合う二つの蒸発通路３３に流下する。これにより、各蒸発通路３３には、通路両側から液膜流が供されることになる。
【００４２】
このように、液分配手段３８の液捕集板３７を、熱交換器コア３４とは別個に製作することにより、熱交換器コア３４として、従来の低コストの熱交換器コアを用いることができるので、凝縮蒸発器全体のコスト低減が図れる。また、蒸発通路３３の両側に液膜流を形成して流下させるので、液分配精度が向上する。
【００４３】
さらに、液捕集板３７の下部に、液溜部３５内の蒸発流体の流通を自在にする開口４６を設けておくことにより、液溜部３５内の蒸発流体が流通自在となり、液溜部３５の液面を一定にすることができ、溢流堰３６から蒸発流路３３に流下する液膜流を均等化することができる。この開口４６の形状や位置は任意であり、図４に示す三角ノッチの他、四角ノッチ等の切り欠きや、角型や丸型の通孔等により形成することができる。
【００４４】
また、図４に示した態様において、液捕集板３７の方向を、図４とは９０°回転した方向、すなわち、多数積層して設けられた凝縮通路３２と蒸発通路３３とに対して直交する方向に設けることもできる。このとき、各液捕集板３７は、その下端をそれぞれサイドバー３９の上面や溢流堰３６に固接して設置してもよく、前記接続板４５等を用いてブロック化したり、通しボルト等により一体化したりするなどの適宜な手段を用いて設置することができる。
【００４５】
図５は、本発明の凝縮蒸発器の使用方法の一例を示す系統図であって、空気液化分離装置の複蒸留塔の中間に用いられる凝縮蒸発器として、ハードウェイフィン構造の液分配手段５１を有する凝縮蒸発器５２の下方に、本発明の凝縮蒸発器１１を使用した二段式凝縮蒸発器を用いたものである。なお、前記図１に示した複式蒸留塔における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４６】
このように、本発明の凝縮蒸発器１１を下段に設置して二段式凝縮蒸発器を形成することにより、例えば、装置が一時停止した場合、低圧塔１３の蒸留部の保有液が落下して低圧塔１３の底部に溜り、図に示すように、凝縮蒸発器５１，１１は、液化酸素中に浸漬された状態となる。
【００４７】
そして、装置を再起動するために高圧塔１２に原料空気を導入すると、下段に設けられた本発明の凝縮蒸発器１１は、前述のように、サーモサイフォン効果により凝縮蒸発器としての機能を有するので、高圧塔１２の頂部の窒素ガスが、経路１５を通って凝縮蒸発器１１の凝縮通路に流入すると、隣接する蒸発通路の液化酸素と間接熱交換を行って凝縮液化するとともに、低圧塔１３の下部の液化酸素は、凝縮蒸発器１１の蒸発通路で蒸発気化し、該通路の上部から上方に導出されるので、次第に液化酸素量が減少して規定値となり再起動が完了する。
【００４８】
このように、従来のハードウェイフィン構造の液分配手段５１を有する凝縮蒸発器５２と、本発明の凝縮蒸発器１１の少なくとも１基とを組み合わせて使用することにより、ハードウェイフィン構造の液分配手段５１を有する凝縮蒸発器５２を用いた場合でも、装置の再起動が可能となる。
【００４９】
さらに、通常運転時には、凝縮蒸発器５２の下部から落下する液化酸素を、凝縮蒸発器１１の蒸発通路に均等に分配して導入できるので、凝縮蒸発器１１の熱交換効率も優れたものとなる。
【００５０】
また、本発明の凝縮蒸発器は、上述のように、蒸発流体が下方から導出される熱交換器（凝縮蒸発器）の下部に使用した例の他、蒸留装置における低圧塔の蒸留部がトレイ式の場合の液化酸素や、低圧塔と高圧塔とが分割して設置され、ポンプによって低圧塔底部の液化酸素を循環導入する場合等にも、効果的に使用することができる。
【００５１】
すなわち、上述のような場合、液化酸素を均一な状態で導入することが難しいが、このような場合でも、本発明の凝縮蒸発器の上方に、焼結体，充填物，多孔板，ハードウェイフィンのいずれか又はこれらの組み合わせで構成された液分配手段を設けることにより、蒸留塔の設置レイアウトや蒸留塔の種類に関係なく、本発明の凝縮蒸発器を用いることができる。また、蒸留装置が充填塔式である場合においても、前記液分配手段を本発明の凝縮蒸発器の上方に設けることにより、蒸発流体を、さらに精密に液分配した状態で凝縮蒸発器に導入できるので、より効率的に機能させることができる。
【００５２】
なお、上記各形態例においては、本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を、空気液化分離装置の複蒸留塔の中間部に設けられる凝縮蒸発器に用いる場合について説明したが、本発明の凝縮蒸発器はこれに限定されるものではなく、単式蒸留塔の上部に設けられる凝縮蒸発器や、その他、凝縮流体と蒸発流体とを間接熱交換させる種々の凝縮蒸発器にも用いることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蒸発流体の蒸発通路への均一な分配を、熱交換器コアの上方に設けた液捕集板と液溜部と溢流堰とからなる液分配手段により行うことができるので、熱交換器コアとして簡単な構造のものを使用することができ、熱交換器コア等の製作コストを低減できる。さらに、サーモサイフォン効果を利用した熱交換も可能であるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の流下液膜式凝縮蒸発器を空気液化分離装置の複式蒸留塔に適用した一例を示す系統図である。
【図２】 本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第１形態例を示す要部の一部断面斜視図である。
【図３】 本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第２形態例を示す要部の斜視図である。
【図４】 本発明の流下液膜式凝縮蒸発器の第３形態例を示す一部断面斜視図である。
【図５】 本発明の凝縮蒸発器の使用方法の一例を示す系統図である。
【図６】 液浸漬式凝縮蒸発器の一例を示す系統図である。
【図７】 液浸漬式凝縮蒸発器内の温度分布の概略を示す図である。
【図８】 流下液膜式凝縮蒸発器の一例を示す系統図である。
【図９】 流下液膜式凝縮蒸発器内の温度分布の概略を示す図である。
【符号の説明】
１１…凝縮蒸発器、１２…高圧塔、１３…低圧塔、２０…熱交換器コア、２１…液受手段、２２…液分配手段、３０…凝縮蒸発器、３１…仕切板、３２…凝縮通路、３３…蒸発通路、３４…熱交換器コア、３５…液溜部、３６…溢流堰、３７…液捕集板、３７ａ…斜辺部、３８…液分配手段、３９…サイドバー、４０…液止板、４１…液受手段、４２…底板、４３…周壁、４４…流入部、４５…接続板、４６…開口
Claims (8)
- 鉛直方向の仕切板を介して、上下両端がサイドバーで密閉された凝縮通路と上下両端が開放された蒸発通路とを交互に隣接して多数積層したプレートフィン型の熱交換器コアにおける前記凝縮通路の上部側方からガス状の凝縮流体を導入するとともに、前記蒸発通路の上方から液状の蒸発流体を流下させ、両流体を前記仕切板を介して間接熱交換させることにより、前記凝縮流体を凝縮液化し、前記蒸発流体を蒸発気化する流下液膜式凝縮蒸発器において、上部サイドバーの上側に、上方から流下する蒸発流体を貯留し、かつ、貯留された蒸発流体を均一に整流させた流下液膜として前記蒸発通路に流下させるための溢流堰を有する液溜部と、前記蒸発通路の上部開口の上方を覆うように斜め上方に延びる斜辺部を有し、蒸発通路で蒸発気化した蒸発流体を斜め上方に案内するとともに、上方から流下する蒸発流体を捕捉して前記液溜部に導く液捕集板とを備えた液分配手段を設けたことを特徴とする流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液分配手段は、前記液捕集板に捕集される以外の上方から流下する蒸発流体を捕集する液受手段を有するとともに、該液受手段に捕集した蒸発流体を前記液溜部に流入させる流入部を備えていることを特徴とする請求項１記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板のいずれか一方を上方に延長して前記溢流堰を形成するとともに、他方の仕切板を上方に延長して前記液捕集板を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板を上方に延長して前記溢流堰を液溜部両側にそれぞれ形成するとともに、前記液捕集板は、所定形状の板材を前記仕切板と平行な方向に設置して形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液溜部を形成するサイドバーの両側の前記仕切板を上方に延長して前記溢流堰を液溜部両側にそれぞれ形成するとともに、前記液捕集板は、所定形状の板材を前記仕切板と直交する方向に設置して形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記液捕集板の下端が前記サイドバーの上面に接して設けられるとともに、その下端部に液溜部に貯留される蒸発流体の流通を自在にする開口を設けたことを特徴とする請求項４又は５記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 前記凝縮流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の高圧蒸留塔上部の窒素ガスであり、前記蒸発流体が、空気液化分離装置における複式蒸留塔の低圧蒸留塔下部の液化酸素であることを特徴とする請求項１又は２記載の流下液膜式凝縮蒸発器。
- 請求項１又は２記載の流下液膜式凝縮蒸発器の使用方法であって、蒸留装置における充填物又は多孔板を用いた気液接触手段、あるいは、焼結体，充填物，多孔板，ハードウェイフィンのいずれか又はこれらの内２以上を組み合わせて構成された液分配手段、あるいは、蒸発流体が下方から導出する熱交換器のいずれか１つの下方に前記流下液膜式凝縮蒸発器を設置することを特徴とする流下液膜式凝縮蒸発器の使用方法。
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