JP4189075B2 - Distillation equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸留カラムの頂部に設けられた凝縮管を冷媒液槽内の冷媒液に浸漬して、蒸留カラムから上昇した凝縮性ガスを凝縮すると共に生成した凝縮液を自然流下で蒸留カラムに環流させるようにした蒸留装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
蒸留カラムを多数集合させた構成の蒸留装置では、各蒸留カラムの頂部に設けられた凝縮管を冷媒液槽内の冷媒液に浸漬し、蒸留カラムから上昇した凝縮性ガスを凝縮すると共に生成した凝縮液を自然流下で蒸留カラムに環流させるようにした構成のコンデンサが採用されることがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成のコンデンサでは、冷媒液槽内での冷媒液の自然対流と凝縮管の円筒壁での熱交換に依存した単純な構成となっており、伝熱性能が高いとは言い難い。特に、凝縮性ガスとの温度差が小さい冷媒液では、凝縮に必要な伝熱性能が得られ難い。これに対して、コンデンサの容量増大により所要の伝熱性能を得ることも可能であるが、この場合、設備の大型化すなわちコスト上昇が避けられない。
【0004】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、冷媒と凝縮性ガスとの温度差が僅かでも、充分な伝熱性能を確保し得るように構成された蒸留装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、上下方向に延在し且つ横に複数並べて設けられた蒸留カラムと、この蒸留カラムの上部に設けられたコンデンサと、前記蒸留カラムの下部に設けられたリボイラとを1つの断熱容器内に収容してなり、前記コンデンサにおいて、複数の前記蒸留カラムの頂部にそれぞれ設けられた凝縮管を冷媒液槽内の冷媒液に浸漬して、蒸留カラムから上昇した凝縮性ガスを凝縮すると共に生成した凝縮液を自然流下で蒸留カラムに環流させるようにした蒸留装置において、上下方向に延在する前記凝縮管にそれを同軸的に拡径した態様の拡径部を設けると共に、該拡径部に冷媒液が流通可能な上下方向の内管を複数設けた。
【0006】
これによると、内管内の冷媒液にサーモサイホン作用により上向流が発生し、内管が伝熱管として機能する。これによりコンデンサの容量をさほど増大することなく大きな伝熱面積を確保することができ、極低温で蒸留操作を行う場合のように冷媒と凝縮性ガスとの温度差を大きくとることが困難な場合にも、充分な伝熱性能を確保することができる。
【0007】
特に、前記冷媒液が、凝縮性ガスの凝縮点以下の沸点を有し、凝縮性ガスとの熱交換により沸騰を起こすものであると良く、これによると、冷媒液の沸騰により発生する気泡の上昇により、内管内の冷媒液を上向きに押し上げるガスリフト効果が生じ、内管内の冷媒液流通量が増大すると共に、核沸騰側の熱伝達率が大幅に向上するため、高い伝熱性能を得ることができる。
【0008】
その上、前記冷媒液槽内の冷媒液面から前記拡径部を一部露出させ、該拡径部の露出面における前記内管の開口部分から冷媒液面に至る範囲に濡れ壁を形成し、前記冷媒液の液位を調整して前記濡れ壁の面積を増減することで伝熱量を制御するようにしたものとすると良く、これによると、伝熱量を大幅に増大することができる上に、冷媒液の液位を調整して濡れ壁の面積を増減することで伝熱量の制御が可能となる。なお、冷媒液面から拡径部を一部露出させて内管の上部開口を気相中に開放させても、冷媒液の沸騰によるガスリフト効果により内管の上部開口から冷媒液が溢れ出し、この冷媒液が拡径部の外面を伝って流下することにより拡径部の外面に濡れ壁が形成される。
【0009】
これに加えて、前記内管は、外周面にフィンを有するものであると好ましく、これによると、伝熱面積の増大により伝熱性能をより一層高めることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成について詳細に説明する。
【0011】
図1は、本発明による蒸留装置の概略構成を示している。この蒸留装置は、常温以下の温度条件で蒸留操作を行うものであり、コンデンサ1と、充填材が充填された複数の蒸留カラム2と、凝縮液を加熱蒸発させるリボイラ3とを1つの断熱容器4内に収容してなっている。これらコンデンサ1、蒸留カラム2並びにリボイラ3は図示しない支持部材を介して断熱容器4に支持される。
【0012】
コンデンサ1では、各蒸留カラム2の上端に設けられた凝縮管5が冷媒液槽としてのコンデンサ容器6内の冷媒液に浸漬され、蒸留カラム2から上昇した凝縮性ガスを凝縮するようになっている。凝縮管5内で生成した凝縮液は自然流下して蒸留カラム2に環流される。またここでは、リボイラ3において、リボイラ容器7に滞留する液が電源9により動作される電熱ヒータ8で加熱されるようになっている。被蒸留物は、蒸留カラム2の中段に送入され、凝縮管5の頂部から低沸点成分が、リボイラ容器7から高沸点成分がそれぞれ引き抜かれる。
【0013】
コンデンサ1の凝縮管5には、拡径部10が設けられている。この拡径部10は、蒸留カラム2の組み付け作業等の関係から所定間隔を保持して配置される凝縮管5の間隙内で形成すれば、コンデンサ1に実質的な容積の増大はない。
【0014】
凝縮管5の拡径部10には、図2に詳しく示すように、コンデンサ容器6内の冷媒液が流通可能な上下方向の内管11が複数設けられている。拡径部10は、凝縮管5と同軸的な筒状部12と、その端部開口を閉鎖する上下の端板13・14とからなっており、この上下の端板13・14間に架設された態様で内管11が設けられ、内管11の内部が上下の開口から液相中に開放されている。ここでは、内管11が、図3に示すように、凝縮管5の軸線を中心にして周方向に複数本配設されている。内管11には、図4に示すように、外周面から径方向に突出したフィン15を設けると良い。
【0015】
このように構成されたコンデンサ1においては、図2中に矢印で示すように、内管11内の冷媒液にサーモサイホン作用により上向流が発生し、内管11が伝熱管として機能し、この内管11の外面並びに拡径部10の内面から凝縮性ガスに冷熱を伝達する。
【0016】
さらに、冷媒液に、凝縮性ガスの凝縮点よりも低い沸点を有するもの、例えば凝縮性ガスがメタンである場合に冷媒に液化窒素や液化メタンを使用すると、凝縮性ガスとの熱交換により冷媒液が沸騰を起こし、この冷媒液の沸騰により発生する気泡の上昇により、内管11内の冷媒液を上向きに押し上げるガスリフト効果が生じ、内管11内の冷媒液流通量が増大する。
【0017】
図2に示すように、拡径部10が完全に浸漬されていると、伝熱量が内管11内の気泡の上昇速度に支配される関係上、伝熱量の制御が困難である。これに対して、図5に示すように、コンデンサ容器6内の冷媒液面Aから拡径部10を一部露出させ、この拡径部10の露出面における内管11の開口部分から冷媒液面Aに至る範囲に濡れ壁Bを形成すると、伝熱量を大幅に増大することができる上に、冷媒液面Aの調整により濡れ壁Bの面積を増減することで伝熱量の制御が可能となる。なお、冷媒液面Aから拡径部10を一部露出させて内管11の上部開口を気相中に開放させても、冷媒液の沸騰によるガスリフト効果により内管11の上部開口から冷媒液が溢れ出し、この冷媒液が拡径部10の外面を伝って流下することによりここに濡れ壁Bが形成される。
【0018】
【発明の効果】
このように本発明によれば、コンデンサの容量をさほど増大することなく大きな伝熱面積を確保することができ、極低温で蒸留操作を行う場合のように冷媒と凝縮性ガスとの温度差を大きくとることが困難な場合にも、充分な伝熱性能を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による蒸留装置の概略構成を示す縦断面図。
【図2】図1に示したコンデンサの拡大縦断面図。
【図3】図1に示したコンデンサの拡大横断面図。
【図4】コンデンサにおける内管にフィンを設けた例を示す横断面図。
【図5】図1に示したコンデンサに濡れ壁を形成した状態を示す図2と同様の断面図。
【符号の説明】
1 コンデンサ
2 蒸留カラム
3 リボイラ
4 断熱容器
5 凝縮管
6 コンデンサ容器
7 リボイラ容器
8 電熱ヒータ
9 電源
10 拡径部
11 内管
12 筒状部
13・14 端板
15 フィン
A 冷媒液面
B 濡れ壁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, a condensing tube provided at the top of a distillation column is immersed in a refrigerant liquid in a refrigerant liquid tank to condense the condensable gas that has risen from the distillation column, and the produced condensate is naturally distilled into the distillation column. The present invention relates to a distillation apparatus to be refluxed .
[0002]
[Prior art]
In a distillation apparatus having a structure in which a large number of distillation columns are assembled, a condensing tube provided at the top of each distillation column is immersed in the refrigerant liquid in the refrigerant liquid tank to condense and generate the condensable gas rising from the distillation column. A condenser having a configuration in which the condensate is refluxed to the distillation column under a natural flow may be employed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The capacitor having such a configuration has a simple configuration depending on natural convection of the refrigerant liquid in the refrigerant liquid tank and heat exchange in the cylindrical wall of the condenser tube, and it is difficult to say that the heat transfer performance is high. In particular, with a refrigerant liquid having a small temperature difference from the condensable gas, it is difficult to obtain heat transfer performance necessary for condensation. On the other hand, it is possible to obtain the required heat transfer performance by increasing the capacity of the capacitor, but in this case, an increase in the size of the equipment, that is, an increase in cost is inevitable.
[0004]
The present invention has been devised to solve such problems of the prior art, and its main purpose is to ensure sufficient heat transfer performance even if the temperature difference between the refrigerant and the condensable gas is slight. Another object of the present invention is to provide a distillation apparatus configured to be able to do this.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, in the present invention, a distillation column extending in the vertical direction and provided side by side, a condenser provided at the upper portion of the distillation column, and a lower portion of the distillation column are provided. The reboiler provided is housed in one heat insulating container, and in the condenser, a condenser tube provided at the top of each of the plurality of distillation columns is immersed in a refrigerant liquid in a refrigerant liquid tank, and the distillation column In a distillation apparatus that condenses the condensable gas that has risen from above and recirculates the generated condensate to the distillation column under natural flow, the condensate tube that extends in the vertical direction is coaxially expanded in diameter. In addition to providing the enlarged diameter portion, a plurality of upper and lower inner pipes through which the refrigerant liquid can flow are provided in the enlarged diameter portion.
[0006]
According to this, an upward flow is generated in the refrigerant liquid in the inner tube by the thermosiphon action, and the inner tube functions as a heat transfer tube. This makes it possible to secure a large heat transfer area without increasing the capacity of the capacitor, and when it is difficult to obtain a large temperature difference between the refrigerant and the condensable gas, such as when performing distillation operations at extremely low temperatures. In addition, sufficient heat transfer performance can be ensured.
[0007]
In particular, the refrigerant liquid should have a boiling point below the condensing point of the condensable gas and should boil by heat exchange with the condensable gas. According to this, bubbles generated by the boiling of the refrigerant liquid The rise causes a gas lift effect that pushes up the refrigerant liquid in the inner pipe, increasing the refrigerant liquid flow rate in the inner pipe and greatly improving the heat transfer coefficient on the nucleate boiling side, thereby obtaining high heat transfer performance. Can do.
[0008]
In addition, a part of the enlarged diameter portion is exposed from the refrigerant liquid level in the refrigerant liquid tank, and a wetted wall is formed in a range from the opening portion of the inner tube to the refrigerant liquid level on the exposed surface of the enlarged diameter portion. The amount of heat transfer should be controlled by adjusting the liquid level of the refrigerant liquid to increase / decrease the area of the wetted wall , and according to this, the amount of heat transfer can be greatly increased. The amount of heat transfer can be controlled by adjusting the liquid level of the refrigerant liquid to increase or decrease the area of the wet wall. Even if a part of the enlarged diameter part is exposed from the refrigerant liquid surface and the upper opening of the inner pipe is opened in the gas phase, the refrigerant liquid overflows from the upper opening of the inner pipe due to the gas lift effect due to the boiling of the refrigerant liquid, As the refrigerant liquid flows down along the outer surface of the enlarged diameter portion, a wet wall is formed on the outer surface of the enlarged diameter portion.
[0009]
In addition, the inner tube preferably has fins on the outer peripheral surface, and according to this, the heat transfer performance can be further enhanced by increasing the heat transfer area.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0011]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a distillation apparatus according to the present invention. This distillation apparatus performs a distillation operation under a temperature condition of room temperature or lower, and includes a
[0012]
In the
[0013]
The
[0014]
As shown in detail in FIG. 2, a plurality of upper and lower
[0015]
In the
[0016]
Further, when the refrigerant liquid has a boiling point lower than the condensing point of the condensable gas, for example, when the condensable gas is methane, when liquefied nitrogen or liquefied methane is used as the refrigerant, the refrigerant is exchanged by heat exchange with the condensable gas. The liquid is boiled, and the rise of bubbles generated by the boiling of the refrigerant liquid causes a gas lift effect that pushes the refrigerant liquid in the
[0017]
As shown in FIG. 2, when the
[0018]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a large heat transfer area can be ensured without increasing the capacity of the condenser so that the temperature difference between the refrigerant and the condensable gas can be reduced as in the case of performing a distillation operation at a very low temperature. Even when it is difficult to obtain a large size, sufficient heat transfer performance can be ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a distillation apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of the capacitor shown in FIG.
3 is an enlarged cross-sectional view of the capacitor shown in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example in which fins are provided in an inner tube of a capacitor.
5 is a cross-sectional view similar to FIG. 2, showing a state in which a wetting wall is formed on the capacitor shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上下方向に延在する前記凝縮管にそれを同軸的に拡径した態様の拡径部を設けると共に、該拡径部に前記冷媒液槽内の冷媒液が流通可能な上下方向の内管を複数設けたことを特徴とする蒸留装置。 A distillation column extending in the vertical direction and arranged side by side, a condenser provided at the top of the distillation column, and a reboiler provided at the bottom of the distillation column are accommodated in one heat insulating container. Te becomes, in the capacitor, by immersing the plurality of condensing tubes arranged respectively at the top of the distillation column to the refrigerant liquid in the coolant liquid tank, the condensate produced with condensing elevated condensable gases from the distillation column Is a distillation apparatus in which the water is recirculated to the distillation column under natural flow,
The condensing pipe extending in the up-down direction is provided with a diameter-expanding portion having an aspect in which it is coaxially expanded, and an inner pipe in the up-down direction through which the refrigerant liquid in the refrigerant liquid tank can flow is provided in the enlarged-diameter portion. A distillation apparatus characterized in that a plurality of distillation apparatuses are provided.
前記冷媒液の液位を調整して前記濡れ壁の面積を増減することで伝熱量を制御するようにしたことを特徴とする請求項2に記載の蒸留装置。A part of the enlarged diameter portion is exposed from the refrigerant liquid level in the refrigerant liquid tank, and a wetted wall is formed in a range from the opening portion of the inner tube to the refrigerant liquid level in the exposed surface of the enlarged diameter portion ;
Distillation apparatus according to claim 2, characterized in that so as to control the heat transfer by increasing or decreasing the area of the wetted wall by adjusting the liquid level of the refrigerant liquid.
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