JP4740519B2 - 改良型アンモニア水吸収システム用の多重カラム発生器 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
アンモニア水吸収システムは主要な構成要素として吸収器、発生器、凝縮器、蒸発器を組み込む。上記システムは従来技術で良く知られており、例えば、米国特許第５，３６７，８８４号、第５，５４８，９７１号および第５，４９０，３９３号に開示されている。これらのアンモニア水吸収システムはヒートポンプ、冷却装置、チラー、加熱器具、チラーヒーターとして設計し運転することができる。
【０００２】
アンモニア水吸収システムの発生器は蒸留カラムとして動作し、構成要素としてボイラー、分離（ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ）セクションまたは分離器、および精留セクションを含む。システムの吸収器からの、アンモニアに富む液体を含む発生器への供給組成物は、１つまたは複数の供給点または入り口点で発生器に導入される。ボイラーは熱を投入して液体および蒸気の向流を製造するように設計される。主要な熱はボイラーの有限の長さと高さにわたって導入され、熱の投入領域ではアンモニアの濃度が大きく変化する。あるシステムではボイラーはリボイラーと置き換えられ、熱は主エネルギー源から投入されるが、カラムの底に近い液体から平衡して分離する蒸気からのもの以外大きなアンモニアの分離はない。したがってリボイラーは単に蒸気を発生器カラムへ送り返す。
【０００３】
分離セクションは最も高い（最も冷たい）供給点より下方にある発生器カラムの全てのセクションを含む。分離セクションでは、熱は蒸留カラムの底を出る溶液から回収され、回収された熱はボイラーの上方のカラム部分に戻される。分離セクションは３つの部分を含む。即ち、加熱溶液脱着器（ＳＨＤ:solution-heated desorber）、断熱脱着器または発生器−吸収器熱交換（ＧＡＸ：generator-absorber heat exchange）脱着器のいずれか、およびボイラーである。ＳＨＤは低濃度溶液、即ち発生器カラムの底からの溶液から、低濃度溶液が吸収器に向かう前に熱を抽出する分離セクションの部分である。分離セクションの断熱脱着器は熱の投入がなく、通常、最も冷たい供給点とＳＨＤの間に位置する。ＧＡＸ脱着器は、発生器カラムの底からの低濃度液体または第２の流体伝熱によって吸収器から熱を受け取る。通常、ＧＡＸアンモニア水吸収システムの発生器はＧＡＸ脱着器または断熱脱着器のいずれかを有するが、両方ともではない。システムが高濃度液体ＧＡＸを用いる場合には断熱セクションが使用され、一方、低濃度液体ＧＡＸまたは第２流体ＧＡＸにはＧＡＸ脱着器が使用される。発生器の追加の構成要素は、最も高い（最も冷たい）供給点の上方の発生器のセクションになる精留器である。上述した上記発生器は図に示されており、以下でさらに詳細に説明する。
【０００４】
システム吸収器から発生器カラムへの供給物は比較的アンモニア含有量の高い溶液を含む濃厚液体である。上記濃厚液体は通常４０％から５０％のアンモニアを有するが、ある運転条件下では２０％程度まで低くなることもある。上記濃厚液体は、発生器から吸収器に向かう低濃度液体と対照的であり、これは定格条件で約１％〜約１５％、通常約３％〜約５％のアンモニアを有する水に富んだ組成物を含む。従来の高濃度液体ＧＡＸ吸収サイクルでは、熱は高濃度液体の一部をＧＡＸ吸収器の熱交換器を通過させ、溶液をそれが２相の混合物になるようにその沸点以上に加熱することによって回収される。ＧＡＸ熱交換器を通過しない高濃度液体の部分は、精留器の底部またはその近くで、沸点温度またはそれ以下の温度で単相液体として発生器内に導入される。発生器への第２の供給流はＧＡＸ吸収器を通過した高濃度液体の部分である。液体と蒸気を含む第２の供給流は、第１の単相液体供給よりも低い位置で発生器中に導入される。前述のアンモニア水吸収システムに使用される従来の発生器は、１セクションから次のセクションへ重力で駆動される液体の流れによってそれらが動作するように、精留器の下方の発生器の全てのセクションを単一シェル内もしくは１つずつ上方に重ねた多重シェル内に配置していた。或る場合には精留器もまた残る発生器の上方（別のシェルまたは同じシェル内に）に配置される。精留器が残る発生器よりも完全に高く配置されない従来のシステムでは、蒸気ポンプとしても知られるバブルポンプが液体を精留器の底から残る発生器の上端にポンプ移送するために使用されていた。
【０００５】
（発明の概要）
本発明の改良された発生器は、低温のカラムの底が高温のカラムの上端よりも低くなるように配置された複数のカラムに分割される。供給流によって駆動されるエダクターが液体を１カラムの底から次のカラムの上端にポンプ移送するために使用される。本発明の他の実施形態では、精留器からの液体を吸収システム溶液ポンプの入り口に導き、溶液ポンプによって分離セクションカラムの上端にポンプ移送して、分離した精留器セクションカラムが使用される。
【０００６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明において、改良したアンモニア水吸収システムは、複数のカラムを使用し、各カラムは１つ以上の発生器セクションからなり、複数のカラムは１カラムの最低端が他のカラムの上端よりも低くなるように、一般に同じ高さに配置される。
【０００７】
図１に示したアンモニア水吸収システムでは、吸収器１０が冷却溶液吸収器（ＳＣＡ:solution-cooled absorber）熱交換セクション１１および発生器吸収器熱交換（ＧＡＸ）セクション１４を含む。吸収器から発生器に流れる濃厚液体は分割され、流れの一部のみがＧＡＸ吸収器セクション内の熱交換器を通過する。図１では流れがＳＣＡの前の流れ分割器１５で分割されているが、流れは図２に示すようにＳＣＡの後で分割してもよい。溶液ポンプ１２からの濃厚液体はＳＣＡに向かう前に冷却溶液精留器の熱交換コイルを通過することもできる。ＧＡＸ熱交換器を通過しない溶液は管２１を通ってエダクター２７へ、次いで断熱発生器セクション２６に導かれる。ＧＡＸ熱交換器１４を通過する液体部分は管１３によってエダクター２５へ、次いで発生器の過熱溶液脱着器セクション２４に導かれる。示した実施形態では、精留器２８および断熱セクション２６は分離したカラム内にあり、一方、ボイラー２２およびＳＨＤセクション２４は第３のカラム２０内に位置する。３つのカラムは、最低温度のカラム２８の底がより熱い次のカラム２６の上端よりも低く、カラム２６の底が最も熱いカラム２０よりも低くなるように配置される。したがって、液体が最も冷たいセクションから最も熱いセクションへ流れ続けるように、液体をより冷たいカラムの底から次のより暖かいカラムの上端へポンプ移送することが必要である。また、異なるカラムの組み合わせを使用してもよい。例えば、２つの発生器カラムを、断熱脱着器と精留器セクションを１つのカラム内、ボイラーとＳＨＤを別のカラム内として使用することができる。他の別法では、分離したカラムをボイラーとＳＨＤセクション用に、第２のカラムを断熱セクションまたはＧＡＸ脱着セクション用に使用することができる。図示した実施形態において、第２のカラム２６は装置の所望する機能によって断熱セクションまたはＧＡＸ脱着セクションのどちらであってもよい。図示したように、いくつかのカラムはほぼ同じ高さ、即ち一般に互いに水平に都合よく据付けあるいは配置することができる。カラムは供給点、即ち、供給流を導入することになる発生器の長さに沿った点で分割あるいは分離されることになる。カラムは、１つの区切りで得られる短い方のカラムの必要がなければ、両方の供給点で区切る必要はない。
【０００８】
液体が最も冷たいセクションから最も熱いセクションへカラムを流れ「落ち」続けるように、液体を各カラムの底から次のカラムの上端へポンプ移送することが必要である。過去に作られたいくつかの居住型および市場のアンモニア水器具は、そのポンプ移送をバブルポンプ（蒸気ポンプ（ｖａｐｏｒ−ｌｉｆｔ ｐｕｍｐｓ）とも呼ばれる）で達成した。しかし本発明によれば、ときにはジェットポンプ、エゼクター、または吸引器と呼ばれるエダクターが、駆動力として供給液体を使用して、液体を１カラムから次の上端へポンプ移送するのに使用される。ＧＡＸ高濃度液体法は発生器への２つの供給流をもち、３つのカラムを使用して発生器内に２つのエダクターと２つの区切点を可能にする。ＧＡＸを使用しないアンモニア水システムと同様に、低濃度液体および二次流体伝熱などの他のＧＡＸ法は、発生器への１つの供給流をもち、２つのカラムを使用して発生器内に１つのエダクターと１つの区切点を可能にする。どちらの場合も、供給流そのものが液体のポンプ移送の駆動力を提供する。各エダクターを駆動する供給流は、発生器が分割されるカラムの端またはその近くに導入される。
【０００９】
エダクターを使用するには、供給がカラムに導入される点でそれぞれのカラムが分割される必要がある。したがって各カラムの長さと端は、それぞれのカラムセクションの所望する供給点によって決められる。加えて、各エダクターは、カラムセクションからの液体が重力でエダクターに流入し、液体供給流とともに供給されるように、カラムセクションの下方に配置される。図示したように、ＧＡＸされない供給がエダクター２７を駆動し、吸収器１０からの供給流を精留器２８の底からの液体とともに断熱またはＧＡＸカラムセクション２６の上端へ導く。エダクター２５は吸収器１０のＧＡＸセクションからのＧＡＸされた溶液供給流によって駆動され、この溶液はセクション２６の底からの液体供給とともに管１７を経由してカラム２０の上端のＳＨＤセクション上端へ導かれる。
【００１０】
図２に示した本発明の実施形態では、精留器は分離したセクションであり、精留器の底からの液体はシステム溶液ポンプ１２へ供給され、そこから次のカラムの上端へポンプ移送される。図２に示したように、精留器カラム２８の底からの液体は、溶液ポンプ１２の入り口へ供給され、吸収器からの溶液とともに流れ分割器１５および配管２３を経由してカラム３０の上端へポンプ移送される。再び、残る発生器セクションは１つ以上のカラムとすることができる。
【００１１】
カラムの分割は、図示したように、断熱またはＧＡＸセクション３６、ＳＨＤセクション３１、およびボイラーセクション３２の発生器セクションの残りを第２カラム３０に含ませて、精留器と断熱またはＧＡＸセクションの間にあることができ、あるいは図１に示したように断熱とＳＨＤセクションの間の分割とすることもできる。いずれの形態でも、現存するシステムの溶液ポンプは精留器液体および吸収器溶液を次のより熱いセクションの上端へポンプ移送するために使用される。上述し、また図１に示すように、第３のカラムを使用する場合、ＧＡＸ熱交換器を通過した２相の供給流によって駆動されるエダクター２５は、第２カラム即ち断熱またはＧＡＸセクションからの液体を、第３カラム即ちＳＨＤセクションの上端へポンプ移送する。図２はまた、精留器２８から溶液ポンプ１２への配管３５中にある減圧装置３３を示している。上記の減圧装置はより高い精留器圧力を溶液ポンプ入り口の圧力に下げるためにライン中に必要である。適切な減圧装置は、オリフィス、キャピラリ管、バルブなどであってよい。
【００１２】
多重カラムの使用は、発生器全体の高さを低くし、それによってパッケージが改良され、空間（高さ）的に有利な多様なシステム設計を提供する。さらに、バブルポンプの替わりに液体供給によって駆動するエダクターを使用することにより、バブルポンプを駆動するのに必要な蒸気を発生するために要求されるエネルギー科料が省かれる。本発明の他の利点と同様、これらは当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 複数のカラムと供給流駆動エダクターを含む本発明の発生器アセンブリーの概略図である。
【図２】 精留器が分離したカラム内にあり、液体を精留器セクションの底から他の発生器セクションへポンプ移送するためのシステム溶液ポンプを使用する他の実施形態を示す図である。

Claims (10)

1. 吸収器アセンブリー（１０）、発生器アセンブリー、凝縮器および蒸発器を含むアンモニア水吸収装置であって、
   前記発生器アセンブリーがボイラーセクション（２２）、加熱溶液脱着器セクション（２４）、断熱脱着器またはＧＡＸ脱着器セクション、および精留器セクションを含み、
   前記発生器アセンブリーが複数のカラム（２０、２６、２８、３０）を含み、各カラムが１つ以上の前記セクションを含み、前記カラムが、第１カラム（２８）の最低端が第２カラム（２６）の上端よりも低くなるように配置され、ポンプ移送手段が、液体溶液をポンプ移送するための溶液ポンプ（１２）と、第１カラムの底から第２カラムの上端へ液体を導く配管（１９、２３）とを含む装置。
2. 前記ボイラー（２２）、加熱溶液脱着器セクション（２４）および断熱またはＧＡＸ脱着器セクションを含む第２カラム（３０）と、前記精留器セクションを含む第１カラム（２８）とを含む請求項１に記載の装置。
3. 前記ボイラー（２２）および加熱溶液脱着器（２４）セクションを含む第２カラム（２０）と、前記断熱またはＧＡＸ脱着器および精留器セクションを含む第１カラムとを含む請求項１に記載の装置。
4. 前記ボイラー（２２）および加熱溶液脱着器（２４）セクションを含む第３カラム（２０）と、前記断熱またはＧＡＸ脱着器セクションを含む第２カラム（２６）と、および前記精留器セクションを含む第１カラム（２８）とを含む請求項１に記載の装置。
5. 前記ポンプ移送手段が、前記溶液ポンプ（１２）と協働する１つ以上のエダクターを含み、前記溶液ポンプ（１２）は、吸収器アセンブリー（１０）からの液体供給流を前記１つ以上のエダクターへポンプ移送する請求項１に記載の装置。
6. 前記吸収器アセンブリー（１０）が吸収器およびＧＡＸ吸収器熱交換器（１４）を含み、前記装置が溶液ポンプからの液体溶液をＧＡＸ吸収器熱交換器へ、およびそこから加熱溶液脱着器へ導く第３の配管を含む請求項１に記載の装置。
7. 前記第２と前記第３配管の間の前記溶液ポンプからポンプ移送される液体を分割するための、前記第２および第３の配管と連携する流れ分割器（１５）を含む請求項６に記載の装置。
8. 前記第１配管（３５）と連携する、前記精留器（２８）と前記溶液ポンプ（１２）の間でその中の圧力を下げる減圧装置（３３）を含む請求項６または７に記載の装置。
9. 前記ポンプ移送手段が、精留器からの液体冷媒および吸収器溶液を第２カラム（２６）の上端へポンプ移送するための溶液ポンプと、第２カラム（２６）からの液体冷媒を第３カラム（２０）の上端へポンプ移送するエダクター（２５）とを含む請求項４に記載の装置。
10. 前記配管は、前記第１カラムの底から前記溶液ポンプの入口へ液体を導く第１配管（３５）と、前記溶液ポンプから前記第２カラムの上端へ液体を導く第２配管（１３）とを備える請求項１に記載の装置。

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