JP5592188B2

JP5592188B2 - 熱交換型蒸留装置

Info

Publication number: JP5592188B2
Application number: JP2010174108A
Authority: JP
Inventors: 均木原
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-08-03
Also published as: JP2012032126A

Description

本発明は、熱交換型蒸留装置に関し、詳しくは、プレートフィン熱交換器に蒸留機能を持たせた熱交換型蒸留装置に関する。

デフレグメータ（分縮器）とも呼ばれる熱交換型蒸留装置は、多数枚のプレート（仕切板）間にコルゲート状の伝熱フィンを挟んで積層状態としたプレートフィン熱交換器に蒸留機能（気液向流接触による物質移動機能）を付加した装置であって、空気を分離して酸素や窒素を製造する空気液化分離装置の蒸留塔などとして用いられている。この熱交換型蒸留装置は、一般に、前記プレートの両側に第１流体通路と第２流体通路とを交互に配置して互いに熱的結合させ、第１流体通路を流れる流体と第２流体通路を流れる流体とを熱交換させ、各通路内で下降液と上昇ガスとを気液接触させることにより、各流体中の低沸点成分を通路上部に濃縮し、高沸点成分を通路下部に濃縮するように形成されている。

このような熱交換型蒸留装置では、通路上方から供給される液流体を通路内に均一に分配することが、装置の蒸留性能を高めるために重要なものとなる。このため、通路内に液流体を均一に分配するための液分配器として種々の構造が提案されており、例えば、通路の上部に、液体流路と気体流路とを仕切板を介して隣接配置するとともに、前記液体流路に導入された液体を該液体流路内で均一に分配するようにした液体分配流路で構成されている気液分配構造体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、供給される液の流量が低下した場合でも、流路の幅方向で液の流量に偏りが生じることを防止して蒸留効率が低下することを抑制するため、流下する液体と上昇する気体が接触するための気液接触流路と、前記気液接触流路に液体を溢流により供給する液体流路と、前記気液接触流路からの気体を排出する気体排出流路とを設けたものも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−８９８３５号公報特開２００６−１５２７７号公報

両特許文献に記載された構造は、気液接触流路の上部を厚み方向（プレートを水平に横切る方向）に複数に仕切って液流路と気体排出流路とを隣接させた状態で形成しているため、気体排出流路を広く取ることができず、蒸発側通路となる気液接触流路の処理量は気体排出流路からのガス排出流量によって律速されてしまう。

そこで本発明は、蒸発側通路からのガス排出流量を増大させることによって蒸発側通路における処理量を向上させることができる熱交換型蒸留装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の熱交換型蒸留装置は、鉛直方向の複数の仕切板により区画されて互いに熱的結合された第１流体通路と第２流体通路とを有するプレートフィン式の熱交換器本体部を備え、該熱交換器本体部の上部に設けた第１液流体導入部から前記第１流体通路に下降流として導入した第１液流体を、前記第２流体通路を流れる第２流体で加温して該第１液流体の少なくとも一部を蒸発させて第１ガス流体とし、蒸発して前記第１流体通路を上昇する第１ガス流体を前記熱交換器本体部の上部に設けた第１ガス流体導出部から導出する熱交換型蒸留装置において、前記第１流体通路の鉛直方向上方に設けられた前記第１液流体導入部と、前記第１流体通路に隣接する前記第２流体通路の上端部を閉塞する閉塞部材と、該閉塞部材の鉛直方向上方に設けられた前記第１ガス流体導出部と、前記第１液流体導入部と前記第１ガス流体導出部とを鉛直方向に仕切る上部仕切板と、該上部仕切板の下方に設けられて前記第１液流体導入部の下部と前記第１ガス流体導出部の下部とを連通させた第１ガス流体分離部と、前記第１流体通路を上昇して前記第１ガス流体分離部から前記第１ガス流体導出部に流入した前記第１ガス流体を導出する第１ガス流体導出流路と、前記第１液流体導入部に前記第１液流体を導入する第１液流体導入流路と、前記閉塞部材の下方に設けられて前記第２流体通路の上部に連通した第２流体流路とを備えていることを特徴としている。

さらに、本発明の熱交換型蒸留装置は、前記上部仕切板が前記仕切板の鉛直方向上方に設けられ、上部仕切板の下端と仕切板の上端との間に前記第１ガス流体分離部が設けられていることを特徴とし、また、前記第１流体通路の上部と前記第１液流体導入部の下部とにわたって、軸線を鉛直方向に向けた伝熱フィンが設けられていることを特徴としている。

本発明の熱交換型蒸留装置によれば、閉塞部材で閉塞した第２流体通路の上方部分を第１ガス流体導出部として利用しているので、第１ガス流体導出部の厚みを第２流体通路の厚みと同じ厚みにすることができ、蒸発側流路となる第１流体通路を上昇して第１ガス流体分離部から第１ガス流体導出部に流入し、第１ガス流体導出流路から外部に導出する第１ガス流体の流量増大を図ることができ、第１流体通路の処理量を向上させることができる。

本発明の熱交換型蒸留装置の一形態例を示す要部の断面正面図である。図１のII−II断面図である。図１のIII−III断面図である。図２のIV−IV断面図である。

本形態例に示す熱交換型蒸留装置は、鉛直方向に設けられる複数の仕切板１１とコルゲート状の伝熱フィン１２とを交互に積層した状態で一体化したプレートフィン熱交換器を基本構造とするものであって、該プレートフィン熱交換器からなる熱交換器本体部１３には、各仕切板１１と所定位置にそれぞれ設けられたスペーサーバー１４とにより、蒸発側通路となる第１流体通路１５と、通常は凝縮側通路となる第２流体通路１６とが交互に隣接して互いに熱的結合された状態で区画形成されている。なお、図においては、伝熱フィンを配置している部分は、縦縞模様や網目模様などでそれぞれ表示することにより、他の部材の断面部分や空間部分との識別を容易に行えるようにしている。

この熱交換型蒸留装置は、前記熱交換器本体部１３の第１流体通路１５を下降流として流れる相対的に温度が低い第１液流体（冷流体）と、第２流体通路１６を流れる相対的に温度が高い第２流体（温流体）とを仕切板１１を介して間接熱交換させ、第２流体で第１液流体を加温して第１液流体の少なくとも一部を蒸発させることにより、第１液流体の蒸留操作を行うようにしている。すなわち、第１液流体は、第１流体通路１５内を伝熱フィン１２に沿って液膜状に流下し、第１液流体から蒸発した第１ガス流体は、伝熱フィン１２の隙間を上昇しながら液膜と気液接触することにより、第１液流体と第１ガス流体との間の蒸留操作が連続して行われる。

熱交換器本体部１３の上部には、蒸発側通路となる第１流体通路１５に第１液流体を下降流として導入するための第１液流体導入部１７と、第１流体通路１５で蒸発して第１流体通路１５内を上昇した第１ガス流体を導出するための第１ガス流体導出部１８とが設けられている。第１液流体導入部１７と第１ガス流体導出部１８とは、前記仕切板１１の鉛直線上に設けられた複数の上部仕切板１９を介して隣接配置されており、第１液流体導入部１７は、第１流体通路１５の鉛直方向上方に設けられ、第１ガス流体導出部１８は、第２流体通路１６の上端部を閉塞する閉塞部材２０を挟んで第２流体通路１６の鉛直方向上方に設けられている。

第１液流体導入部１７の上部側方には、第１液流体導入部１７内に第１液流体を導入するための第１液流体導入流路となる第１液流体導入ヘッダ２１が設けられ、第１ガス流体導出部１８の上方には、第１ガス流体導出部１８内から前記第１ガス流体を導出するための第１ガス流体導出流路となる第１ガス流体導出ヘッダ２２が設けられている。第１液流体導入部１７の上半部には、第１液流体導入ヘッダ２１から導入される第１液流体を第１液流体導入部１７の全体に均一に分配するため、鉛直線に対して軸線（折曲線）を傾斜させた伝熱フィン１２ａを配置した液分配部１７ａが設けられており、第１液流体導入部１７の下半部には、液分配部１７ａで分配された第１液流体を下方の第１流体通路１５に流下させるため、軸線を鉛直方向に向けた伝熱フィン１２ｂを下方の第１流体通路１５に連続する状態で設けた液流下部１７ｂが設けられている。また、第１ガス流体導出部１８には、補強用のフィン１２ｃが必要に応じて設けられている。

前記熱交換器本体部１３の上端と第１液流体導入部１７及び第１ガス流体導出部１８の下端との間、すなわち、前記仕切板１１の上端と上部仕切板１９の下端との間には、第１液流体導入部１７及び第１ガス流体導出部１８の下部同士を連通させて第１液流体と第１ガス流体とを分離するための第１ガス流体分離部２３が設けられている。この第１ガス流体分離部２３は、前記液流下部１７ｂから連続する伝熱フィン１２ｂの上下方向中間部と、隣接する伝熱フィン１２ｂ同士の間に形成される空間部２３ａとからなるもので、第１液流体は、第１液流体導入部１７から下方の第１流体通路１５に向かって伝熱フィン１２ｂに沿って液膜状に流下するのに対し、第１流体通路１５内で蒸発し、液流下部１７ｂに向って伝熱フィン１２ｂの隙間を上昇してきた第１ガス流体は、伝熱フィン１２ｂの上下方向中間部から空間部２３ａ内に分離し、第１ガス流体分離部２３から第１ガス流体導出部１８に向かって上昇する。

一方、第２流体通路１６の上部で、前記閉塞部材２０の下部には、軸線を傾斜させた伝熱フィン１２ｄを配置した第２流体ガイド部２４が設けられるとともに、熱交換器本体部１３の上部側方には、第２流体ガイド部２４に連通し、第２流体通路１６を流れる第２流体を導入又は導出するための第２流体流路となる第２流体用ヘッダ２５が設けられている。

このように形成した熱交換型蒸留装置は、例えば、空気を原料として深冷分離法により酸素を製造する装置に使用する場合、第１液流体導入ヘッダ２１から蒸発側の冷流体である酸素富化液体空気を導入するとともに、第２流体通路１６の下方から温流体である原料空気を導入する。第１液流体導入ヘッダ２１から導入された酸素富化液体空気は、第１液流体導入部１７の液分配部１７ａで分配された後、液流下部１７ｂに配置された伝熱フィン１２ｂに沿って液膜状に流下し、下降流となって第１流体通路１５内に導入される。第１流体通路１５内に導入された酸素富化液体空気は、仕切板１１を介して隣接する第２流体通路１６内を流れる原料空気と熱交換を行って加温され、酸素富化液体空気中の低沸点成分である窒素が主に蒸発して窒素成分が多い第１ガス流体が発生する。

この第１ガス流体は、流下する酸素富化液体空気と気液接触しながら上昇し、第１流体通路１５の上端まで上昇すると、伝熱フィン１２ｂに沿って流下する酸素富化液体空気から第１ガス流体分離部２３の空間内に分離し、第１ガス流体導出部１８に向かって上昇し、第１ガス流体導出部１８から第１ガス流体導出ヘッダ２２を通って熱交換型蒸留装置の外部に抜き出される。また、第１流体通路１５内を下降する酸素富化液体空気は、窒素成分が蒸発することによって酸素成分が次第に濃縮される蒸留操作が行われ、液体酸素となって熱交換型蒸留装置の下部から抜き出される。

一方、第２流体通路１６内に上昇流として導入された原料空気は、第１流体通路１５内の酸素富化液体空気により冷却され、原料空気中の高沸点成分である酸素が主に凝縮して酸素成分が多い液体空気となる。この液体空気は、第２流体通路１６内を上昇する原料ガスと気液接触しながら流下し、熱交換型蒸留装置の下部から抜き出される。また、第２流体通路１６内を上昇する原料空気は、酸素成分が凝縮することによって窒素成分が次第に濃縮される蒸留操作が行われ、窒素ガスとなって第２流体ガイド部２４から第２流体用ヘッダ２５を経て熱交換型蒸留装置から抜き出される。

このような蒸留操作を行う際に、蒸発側通路となる第１流体通路１５で蒸発した窒素成分が多い第１ガス流体を熱交換型蒸留装置の外部に導出する第１ガス流体導出部１８を、第１流体通路１５に隣接する第２流体通路１６の上方に設けているので、第１ガス流体導出部１８の厚みを第２流体通路１６の厚みと同じ厚みにすることができる。これにより、第１流体通路１５を上昇して第１ガス流体分離部２３から第１ガス流体導出部１８を通って外部に導出する第１ガス流体の圧力損失を低減して流量を増大することができる。

また、第１ガス流体分離部２３を第１流体通路１５の厚みより大きく開口させることができるので、酸素富化液体空気（第１液流体）と第１ガス流体との分離を効果的に行うことができ、第１ガス流体導出部１８に酸素富化液体空気の飛沫が同伴されることもなくなる。特に、第１ガス流体導出部１８の上方から第１ガス流体を導出することにより、第１ガス流体導出部１８の側方から導出する場合に比べて圧力損失を更に小さくすることができる。したがって、蒸発側通路である第１流体通路１５の処理量を向上させることができ、熱交換型蒸留装置における蒸留操作を効率よく行うことができる。

さらに、熱交換器本体部１３の上部に、複数の上部仕切板１９と伝熱フィンとからなる第１液流体導入部１７と第１ガス流体導出部１８とを配置しているので、第１液流体導入部１７及び第１ガス流体導出部１８を熱交換器本体部１３と略同じ構造とすることができる。これにより、従来のものに比べて構造を簡略化できるとともに、これらを一体的に製造することが可能となり、製造コストの低減を図ることができる。また、第１液流体導入部１７における液分配部１７ａの厚みを第１流体通路１５と同じ厚みにすることができるので、従来のものに比べ厚みを大きくでき、液分配部１７ａの構造を容易に最適化でき、均一な液分配を行うことができる。

なお、前記説明では、第２流体通路を凝縮側通路としたが、この第２流体通路は、蒸発側通路となる第１流体通路内を流下する液流体を蒸発させる能力を有する任意の流体を使用することが可能である。また、各フィンには、要求される機能に応じてセレートフィンやパーフォレートフィンなどの任意の形状、構造のものを用いることができる。さらに、第１流体通路及び第２流体通路に加えて、他の流体を加熱又は冷却するための通路を適宜な位置に併設することも可能である。また、各流体を導入、導出するヘッダの位置も任意に設定することができる。

１１…仕切板、１２…伝熱フィン、１３…熱交換器本体部、１４…スペーサーバー、１５…第１流体通路、１６…第２流体通路、１７…第１液流体導入部、１７ａ…液分配部、１７ｂ…液流下部、１８…第１ガス流体導出部、１９…上部仕切板、２０…閉塞部材、２１…第１液流体導入ヘッダ、２２…第１ガス流体導出ヘッダ、２３…第１ガス流体分離部、２３ａ…空間部、２４…第２流体ガイド部、２５…第２流体用ヘッダ

Claims

鉛直方向の複数の仕切板により区画されて互いに熱的結合された第１流体通路と第２流体通路とを有するプレートフィン式の熱交換器本体部を備え、該熱交換器本体部の上部に設けた第１液流体導入部から前記第１流体通路に下降流として導入した第１液流体を、前記第２流体通路を流れる第２流体で加温して該第１液流体の少なくとも一部を蒸発させて第１ガス流体とし、蒸発して前記第１流体通路を上昇する第１ガス流体を前記熱交換器本体部の上部に設けた第１ガス流体導出部から導出する熱交換型蒸留装置において、前記第１流体通路の鉛直方向上方に設けられた前記第１液流体導入部と、前記第１流体通路に隣接する前記第２流体通路の上端部を閉塞する閉塞部材と、該閉塞部材の鉛直方向上方に設けられた前記第１ガス流体導出部と、前記第１液流体導入部と前記第１ガス流体導出部とを鉛直方向に仕切る上部仕切板と、該上部仕切板の下方に設けられて前記第１液流体導入部の下部と前記第１ガス流体導出部の下部とを連通させた第１ガス流体分離部と、前記第１流体通路を上昇して前記第１ガス流体分離部から前記第１ガス流体導出部に流入した前記第１ガス流体を導出する第１ガス流体導出流路と、前記第１液流体導入部に前記第１液流体を導入する第１液流体導入流路と、前記閉塞部材の下方に設けられて前記第２流体通路の上部に連通した第２流体流路とを備えていることを特徴とする熱交換型蒸留装置。
前記上部仕切板は、前記仕切板の鉛直方向上方に設けられ、上部仕切板の下端と前記仕切板の上端との間に前記第１ガス流体分離部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱交換型蒸留装置。
前記第１流体通路の上部と前記第１液流体導入部の下部とにわたって、軸線を鉛直方向に向けた伝熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換型蒸留装置。