JP6871962B2 - 縦積型凝縮蒸発器、及び空気分離装置 - Google Patents
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Description
本発明は、縦積型凝縮蒸発器、及び空気分離装置に関する。
空気分離装置は、一般的に、高圧蒸留塔、低圧蒸留塔及び凝縮蒸発器を備えている。特許文献１及び２には、空気分離装置で用いる縦積型の凝縮蒸発器（以下、「縦積型凝縮蒸発器」という）の構成が開示されている。縦積型凝縮蒸発器は、柱状の容器の内側の空間を鉛直方向上下に仕切る１以上の仕切板を有し、この仕切板によって区画された鉛直方向上下に並ぶ複数の室に、それぞれ熱交換ブロックを配置したものである。
図６は、従来の縦積型凝縮蒸発器を用いた空気分離装置の構成を模式的に示す系統図である。図６に示すように、空気分離装置１０１は、高圧蒸留塔５００、低圧蒸留塔６００及び縦積型凝縮蒸発器４００を備えている。空気分離装置１０１では、圧縮、精製された原料空気が、高圧蒸留塔５００の底部に供給されて塔内を上昇する。原料空気が塔内を上昇する際、塔内を流下する還流液との気液接触により低沸点成分である窒素が濃縮し、塔頂にて窒素ガスが生成する。一方、塔内を流下する還流液は、下降しながら高沸点成分である酸素が富化し、塔底にて酸素富化液体空気が生成する。生成した酸素富化液体空気は、原料として低圧蒸留塔６００の中央部に供給されて塔内を流下する。酸素富化液体空気が塔内を流下する際、上昇ガスとの気液接触により高沸点成分である酸素が濃縮し、塔底にて液体酸素が生成する。一方、上昇ガスは、塔内を上昇しながら低沸点成分である窒素が濃縮し、塔頂にて窒素ガスが生成する。
高圧蒸留塔５００の塔頂に生成した窒素ガスは、管路６１を経て仕切板１４，２４により区画された室１１０，１２０，１３０に設けられた熱交換ブロック１００，２００，３００にそれぞれに供給される。一方、低圧蒸留塔６００の塔底に生成した液体酸素は、仕切板により区画されて鉛直方向上下に多段に並ぶ室のうち、最上段の室１１０に液体酸素供給管３１を経て供給される。室１１０に供給された液体酸素は、熱交換ブロック１００を流れる窒素ガスとの熱交換によって、サーモサイフォン効果により、熱交換ブロック１００に導入され、その一部が蒸発する。蒸発しなかった液体酸素は、仕切板１４により区画された室１１０と室１２０とを連通する管（連通管）５１を経て、下方の室１２０に供給される。供給された液体酸素は、設置された熱交換ブロック２００にて窒素ガスとの熱交換によりその一部が蒸発し、蒸発されなかった液体酸素は、さらに下方の室１３０に連通管５２を介して供給される。最下段の室１３０に供給された液体酸素は、熱交換ブロック３００にてその一部が蒸発するとともに、蒸発しなかった液体酸素は、縦積型凝縮蒸発器４００を構成する容器４１の低部より抜き出される。また、各室の熱交換ブロックで蒸発した酸素ガスは、低圧蒸留塔６００に上昇ガスとして供給される。また、液体酸素との熱交換により凝縮した液体窒素は、高圧蒸留塔５００及び低圧蒸留塔６００に還流液として戻される。
従来の縦積型凝縮蒸発器４００は、円柱状の容器４１の内側の空間を鉛直方向上下に仕切る仕切板１４，２４を有し、この仕切板１４，２４によって区画された鉛直方向上下に並ぶ複数の室１１０，１２０，１３０に、それぞれ熱交換ブロック１００，２００，３００を配置したものである。なお、仕切板１４，２４は、それぞれ容器４１の胴部の断面形状に対応する形状と所定の厚さとを有する平板であり、当該仕切板によって区画された上方の室にとって床板となり、下方の室にとって天板となる。また、容器４１と仕切板１４，２４とは、容器４１の胴部の内周面に設けられたリング状の接合部材１３，２３を介して接合されている。
しかしながら、従来の縦積型凝縮蒸発器４００では、鉛直方向上下に多段に設けられた各室１１０，１２０，１３０に液体酸素を貯留する際、各室の床板となる仕切板１４，２４には熱交換ブロックの高さに相当する液ヘッドがかかるため、それに応じた板厚での設計が必要となり、設備コストが高くなるという課題があった。
また、従来の縦積型凝縮蒸発器４００を常温状態から起動する場合、先ず、高圧蒸留塔５００の塔頂からの低温空気ガスによって熱交換ブロック１００，２００，３００を冷却するとともに、低圧蒸留塔６００の塔底からの低温空気ガスによって各室１１０，１２０，１３０を構成する容器４１の胴部、仕切板１４，２４、連通管５１，５２を冷却する。次に、冷却を加速するために、液体窒素あるいは液体酸素を液体酸素供給管３１から最上段の室１１０へ供給する。その際、液体酸素供給管３１から流出した液体が仕切板１４に放散されるため、仕切板１４が急速に冷却され、仕切板１４とこれに接合されている容器４１の胴部との間に温度差が生じ、熱応力によって仕切板１４と容器４１との接合部が破損するおそれがあった。そのため、供給する液体の流量を極力減少させる必要や、低温空気ガスによる冷却到達温度を液体温度付近まで低下させる必要があり、冷却時間の短縮が困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、設備コストを過剰に上昇させることなく、起動時間の短縮が可能な縦積型凝縮蒸発器、及びこれを備えた空気分離装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 円筒状の胴部を有する容器と、前記胴部の内側の空間を鉛直方向上下に区画する１以上の仕切板と、複数の熱交換ブロックとを備え、前記空間が前記仕切板によって区画された、鉛直方向上下に並ぶ複数の室に、前記熱交換ブロックをそれぞれ配置した縦積型凝縮蒸発器であって、
前記胴部の内周面と、前記仕切板の周端部とが、前記胴部の中心軸に垂直な第１平面と交差する前記内周面にわたって接合され、
少なくとも１以上の前記仕切板が、前記第１平面に対して湾曲している、縦積型凝縮蒸発器。
［２］ 前記仕切板が、前記第１平面に対して上方に凸である、［１］に記載の縦積型凝縮蒸発器。
［３］ 前記中心軸を含む第２平面で切断した、前記胴部と前記仕切板とを断面視した際、前記内周面の直径をＤとし、前記第１平面と前記仕切板との最大距離をＨとすると、
Ｈ／Ｄ２の値が、０．０１４〜０．０６１（１／ｍ）である、［１］又は［２］に記載の縦積型凝縮蒸発器。
［４］ 前記仕切板が、欠球形状である、［１］乃至［３］のいずれかに記載の縦積型凝縮蒸発器。
［５］ 高圧蒸留塔と、低圧蒸留塔と、［１］乃至［４］のいずれかに記載の縦積型凝縮蒸発器と、を備える、空気分離装置。
［１］ 円筒状の胴部を有する容器と、前記胴部の内側の空間を鉛直方向上下に区画する１以上の仕切板と、複数の熱交換ブロックとを備え、前記空間が前記仕切板によって区画された、鉛直方向上下に並ぶ複数の室に、前記熱交換ブロックをそれぞれ配置した縦積型凝縮蒸発器であって、
前記胴部の内周面と、前記仕切板の周端部とが、前記胴部の中心軸に垂直な第１平面と交差する前記内周面にわたって接合され、
少なくとも１以上の前記仕切板が、前記第１平面に対して湾曲している、縦積型凝縮蒸発器。
［２］ 前記仕切板が、前記第１平面に対して上方に凸である、［１］に記載の縦積型凝縮蒸発器。
［３］ 前記中心軸を含む第２平面で切断した、前記胴部と前記仕切板とを断面視した際、前記内周面の直径をＤとし、前記第１平面と前記仕切板との最大距離をＨとすると、
Ｈ／Ｄ２の値が、０．０１４〜０．０６１（１／ｍ）である、［１］又は［２］に記載の縦積型凝縮蒸発器。
［４］ 前記仕切板が、欠球形状である、［１］乃至［３］のいずれかに記載の縦積型凝縮蒸発器。
［５］ 高圧蒸留塔と、低圧蒸留塔と、［１］乃至［４］のいずれかに記載の縦積型凝縮蒸発器と、を備える、空気分離装置。
本発明の縦積型凝縮蒸発器、及びこれを備えた空気分離装置は、設備コストを過剰に上昇させることなく、起動時間の短縮が可能である。
以下、本発明を適用した一実施形態である縦積型凝縮蒸発器及びこれを備える空気分離装置の構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
なお、本明細書において、数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。
仕切板が湾曲しているとは、仕切板の周端部と、仕切板の周端部よりも内側のいずれかの部分とが、同一平面上に位置しないことをいう。これに対して、仕切板が平板（平坦）であるとは、仕切板の周端部と、仕切板の周端部の内側の全ての部分とが、同一平面上に位置することをいう。
「欠球形状」とは、球体をある平面で切り欠いた際に得られる球面体であって、所定の厚さを有する形状を意味する。なお、欠球形状を断面視した際、高さ＝Ｈ、中央部の内半径（クラウンＲ）＝Ｒ、厚さ（呼び厚さ）＝ｔ、内径＝Ｄと示す。
仕切板が湾曲しているとは、仕切板の周端部と、仕切板の周端部よりも内側のいずれかの部分とが、同一平面上に位置しないことをいう。これに対して、仕切板が平板（平坦）であるとは、仕切板の周端部と、仕切板の周端部の内側の全ての部分とが、同一平面上に位置することをいう。
「欠球形状」とは、球体をある平面で切り欠いた際に得られる球面体であって、所定の厚さを有する形状を意味する。なお、欠球形状を断面視した際、高さ＝Ｈ、中央部の内半径（クラウンＲ）＝Ｒ、厚さ（呼び厚さ）＝ｔ、内径＝Ｄと示す。
＜空気分離装置＞
先ず、本発明を適用した一実施形態である空気分離装置の構成について、説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である空気分離装置の構成の一例を示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態の空気分離装置１は、高圧蒸留塔５０、低圧蒸留塔６０及び縦積型凝縮蒸発器４０を備えて概略構成されている。空気分離装置１では、高圧蒸留塔５０と低圧蒸留塔６０とが、縦積型凝縮蒸発器４０によって熱的に統合されている。
先ず、本発明を適用した一実施形態である空気分離装置の構成について、説明する。図１は、本発明を適用した一実施形態である空気分離装置の構成の一例を示す系統図である。
図１に示すように、本実施形態の空気分離装置１は、高圧蒸留塔５０、低圧蒸留塔６０及び縦積型凝縮蒸発器４０を備えて概略構成されている。空気分離装置１では、高圧蒸留塔５０と低圧蒸留塔６０とが、縦積型凝縮蒸発器４０によって熱的に統合されている。
高圧蒸留塔５０、及び低圧蒸留塔６０は、特に限定されるものではなく、従来から一般的に用いられている構成のものを適用することができる。
（縦積型凝縮蒸発器）
図２は、本発明を適用した一実施形態である縦積型凝縮蒸発器の構成の一例を示す断面模式図である。
図２に示すように、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０は、円筒状の胴部４１Ａを有する容器４１と、胴部４１Ａの内側の空間を鉛直方向上下に区画する１以上の仕切板と、複数の熱交換ブロックとを備え、上記空間が仕切板によって区画された、鉛直方向上下に並ぶ複数の室に熱交換ブロックがそれぞれ配置されている。
なお、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０では、湾曲した２つの仕切板１１４，１２４によって、容器４１の内側の空間が３つの室１１０，１２０，１３０に区画され、それぞれの室に熱交換ブロック１００，２００，３００が配置された場合を一例として説明する。
図２は、本発明を適用した一実施形態である縦積型凝縮蒸発器の構成の一例を示す断面模式図である。
図２に示すように、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０は、円筒状の胴部４１Ａを有する容器４１と、胴部４１Ａの内側の空間を鉛直方向上下に区画する１以上の仕切板と、複数の熱交換ブロックとを備え、上記空間が仕切板によって区画された、鉛直方向上下に並ぶ複数の室に熱交換ブロックがそれぞれ配置されている。
なお、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０では、湾曲した２つの仕切板１１４，１２４によって、容器４１の内側の空間が３つの室１１０，１２０，１３０に区画され、それぞれの室に熱交換ブロック１００，２００，３００が配置された場合を一例として説明する。
容器４１は、縦積型凝縮蒸発器４０の本体（筐体）である。容器４１は、円柱状である。容器４１は、円筒状の胴部４１Ａと、平板状の床板４１Ｂと、を有する。
胴部４１Ａは円筒状であり、胴部４１Ａの内側には空間が存在する。
胴部４１Ａの中心軸Ｃと垂直な平面で切断した、胴部４１Ａを断面視した際、胴部４１Ａの内周面４１ａの形状は円形である。後述するように、内周面４１ａの直径は、Ｄと示すことができる。
胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面（第２平面）で切断した、胴部４１Ａを断面視した際、胴部４１Ａの内周面４１ａの形状は、平行な直線となる。
胴部４１Ａの中心軸Ｃと垂直な平面で切断した、胴部４１Ａを断面視した際、胴部４１Ａの内周面４１ａの形状は円形である。後述するように、内周面４１ａの直径は、Ｄと示すことができる。
胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面（第２平面）で切断した、胴部４１Ａを断面視した際、胴部４１Ａの内周面４１ａの形状は、平行な直線となる。
胴部４１Ａの材質は、液体が透過せず、低温で脆化性のないものであれば、特に限定されない。胴部４１Ａの材質としては、アルミニウム合金等が挙げられる。
胴部４１Ａの厚さは、容器４１の許容応力に応じて、適宜選択できる。胴部４１Ａの厚さとしては、５〜５０（ｍｍ）とすることができ、５〜３０（ｍｍ）とすることが好ましく、５〜２０（ｍｍ）とすることがより好ましい。
胴部４１Ａの周方向（あるいは半径方向）における線膨張係数としては、１８〜２６（×１０−６／℃）とすることができ、１８〜２０（×１０−６／℃）とすることが好ましい。
床板４１Ｂは、容器４１の底部分に位置する。したがって、床板４１Ｂは、仕切板には該当しない。
床板４１Ｂを、胴部４１Ａの中心軸Ｃと垂直な方向に断面視すると、床板４１Ｂの形状は、円（円形）である。また、床板４１Ｂを、胴部４１Ａの中心軸Ｃと平行な方向に断面視すると、床板４１Ｂの断面形状は、厚さを有する直線である。すなわち、床板４１Ｂの三次元の形状は、円形の平板（円板）形状である。
床板４１Ｂを、胴部４１Ａの中心軸Ｃと垂直な方向に断面視すると、床板４１Ｂの形状は、円（円形）である。また、床板４１Ｂを、胴部４１Ａの中心軸Ｃと平行な方向に断面視すると、床板４１Ｂの断面形状は、厚さを有する直線である。すなわち、床板４１Ｂの三次元の形状は、円形の平板（円板）形状である。
床板４１Ｂの材質は、液体が透過せず、低温で脆化性のないものであれば、特に限定されない。床板４１Ｂの材質としては、アルミニウム合金等が挙げられる。
床板４１Ｂの厚さは、容器４１の許容応力に応じて、適宜選択できる。床板４１Ｂの厚さとしては、５０〜３００（ｍｍ）とすることができ、１００〜２００（ｍｍ）とすることが好ましい。
仕切板１１４，１２４は、所定の厚さを有する板状の部材である。仕切板１１４，１２４は、胴部４１Ａの内側の空間を鉛直方向上下に区画する。
図３は、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器に適用する仕切板の構成の一例を示す拡大断面図である。具体的には、図３は、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面で切断した、胴部４１Ａの拡大断面図である。
図３に示すように、胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面で切断した、仕切板１１４を断面視した際、仕切板１１４の断面形状は、円の一部（切り欠いた円）である。また、仕切板１１４の形状（円の一部）は、胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面（第１平面）Ｓに対して上方に凸となるように、湾曲している。また、胴部４１Ａの中心軸Ｃと垂直な平面で切断した、仕切板１１４を断面視した際、仕切板１１４の形状は、胴部４１Ａの内周面４１ａの断面形状に対応した円形である（図示せず）。すなわち、仕切板１１４の三次元の形状は、欠球形状となっている。
また、図２に示すように、仕切板１１４の鉛直方向下方に設けられた仕切板１２４の三次元の形状も、仕切板１１４と同様に欠球形状となっている。
図３に示すように、胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面で切断した、仕切板１１４を断面視した際、仕切板１１４の断面形状は、円の一部（切り欠いた円）である。また、仕切板１１４の形状（円の一部）は、胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面（第１平面）Ｓに対して上方に凸となるように、湾曲している。また、胴部４１Ａの中心軸Ｃと垂直な平面で切断した、仕切板１１４を断面視した際、仕切板１１４の形状は、胴部４１Ａの内周面４１ａの断面形状に対応した円形である（図示せず）。すなわち、仕切板１１４の三次元の形状は、欠球形状となっている。
また、図２に示すように、仕切板１１４の鉛直方向下方に設けられた仕切板１２４の三次元の形状も、仕切板１１４と同様に欠球形状となっている。
仕切板１１４、１２４の材質は、液体が透過せず、低温で脆化性のないものであれば、特に限定されない。仕切板１１４、１２４の材質としては、アルミニウム合金等が挙げられる。
仕切板１１４，１２４の厚さｄは、容器４１の許容応力に応じて、適宜選択できる。仕切板１１４，１２４の厚さｄとしては、後述するように、５〜５０（ｍｍ）とすることができ、５〜３０（ｍｍ）とすることが好ましく、５〜２０（ｍｍ）とすることがより好ましい。
仕切板１１４，１２４の周方向（あるいは半径方向）における線膨張係数としては、１８〜２６（×１０−６／℃）とすることができ、１８〜２０（×１０−６／℃）とすることが好ましい。
図２及び図３に示すように、容器４１の胴部４１Ａの内周面４１ａと、仕切板１１４，１２４の周端部とは、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面Ｓと交差する内周面４１ａの周方向にわたって、それぞれ液密に接合されている。
具体的には、胴部４１Ａの内周面４１ａには、胴部４１Ａの軸方向上下に所定の間隔をあけて、リング状の接合部材１３，２３が設けられている。接合部材１３，２３は、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面Ｓと交差する内周面４１ａの周方向全体に亘ってそれぞれ設けられている。そして、容器４１の胴部４１Ａの内周面４１ａと、欠球形状の仕切板１１４とは、接合部材１３を介して液密に接合されている。また、容器４１の胴部４１Ａの内周面４１ａと、欠球形状の仕切板１２４とは、接合部材２３を介して液密に接合されている。
具体的には、胴部４１Ａの内周面４１ａには、胴部４１Ａの軸方向上下に所定の間隔をあけて、リング状の接合部材１３，２３が設けられている。接合部材１３，２３は、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面Ｓと交差する内周面４１ａの周方向全体に亘ってそれぞれ設けられている。そして、容器４１の胴部４１Ａの内周面４１ａと、欠球形状の仕切板１１４とは、接合部材１３を介して液密に接合されている。また、容器４１の胴部４１Ａの内周面４１ａと、欠球形状の仕切板１２４とは、接合部材２３を介して液密に接合されている。
図３に示すように、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面で切断した、胴部４１Ａ及び仕切板１１４を断面視した際、胴部４１Ａの内周面４１ａの直径、及び仕切板１１４の内径は、いずれもＤで示される。仕切板１１４の板厚（厚さ）は、ｄで示される。
また、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面で切断した、胴部４１Ａ及び仕切板１１４を断面視した際、仕切板１１４の周端部と胴部４１Ａの内周面４１ａとの接合部がなす円を含む平面Ｓと、仕切板１１４との最大距離は、Ｈで示される。
また、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面で切断した、胴部４１Ａ及び仕切板１１４を断面視した際、仕切板１１４の周端部と胴部４１Ａの内周面４１ａとの接合部がなす円を含む平面Ｓと、仕切板１１４との最大距離は、Ｈで示される。
ところで、従来の縦積型凝縮蒸発器によれば、仕切板が円形かつ平坦（平板形状）であるため、容器の胴部の中心軸を含む平面で切断した、胴部及び仕切板を断面視した際、仕切板の周端部と胴部の内周面との接合部がなす円を含む平面Ｓと、仕切板とが一致することになる。すなわち、平面Ｓと仕切板１１４との最大距離（最大高さ）Ｈは、０である。
これに対して、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０では、仕切板１１４が欠球形状、かつ上方に凸となるように湾曲しているため、平面Ｓと仕切板１１４との最大距離Ｈは、仕切板１１４の平面Ｓからの最大高さとなる。また、最大距離（最大高さ）Ｈは、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃ上に位置することになる。なお、平面Ｓと仕切板１１４との最大距離Ｈは、仕切板１１４の欠球高さＨと示す場合もある。
ここで、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０によれば、上述した最大距離Ｈと内周面４１ａの直径Ｄからなる「Ｈ／Ｄ２」の値が、０．０１４〜０．０６１（１／ｍ）であることが好ましい。「Ｈ／Ｄ２」の値が上記範囲内となる形状の仕切板を選択することにより、仕切板の板厚（厚さｄ）を薄くして設備コストを低減する効果と、起動時間の短縮する効果との両方が得られる。
なお、詳細については、後述する検証例で説明する。
なお、詳細については、後述する検証例で説明する。
図２及び図３に示すように、胴部４１Ａの内側の空間は、２つの湾曲した仕切板１１４，１２４によって、３つの室１１０，１２０，１３０に区画される。具体的には、室１１０は、区画された室のうち、最上段に位置し、仕切板１１４を床板とする空間である。室１２０は、区画された室のうち、中段に位置し、仕切板１１４を天板、仕切板１２４を床板とする空間である。室１３０は区画された室のうち、最下段に位置し、仕切板１２４を天板とする空間である。これらの室１１０，１２０，１３０には、それぞれ液体酸素が貯液される。
図２に示すように、仕切板１１４には、当該仕切板１１４を貫通する連通管５１が設けられている。連通管５１により、上方の室１１０に貯留した液体酸素を下方の室１２０に供給できる。また、仕切板１２４には、当該仕切板１２４を貫通する連通管５２が設けられている。連通管５２により、上方の室１２０に貯留した液体酸素を下方の室１３０に供給できる。
熱交換ブロック１００，２００，３００は、プレートとフィンからなるプレートフィン型熱交換器であり、熱交換器コア１０には、ガスを流入するためのガスヘッダー１１と凝縮液を取り出すための液ヘッダー１２とがそれぞれ設けられている。熱交換ブロック１００は、上段の室１１０内に配置されている。熱交換ブロック２００は、中段の室１２０内に配置されている。熱交換ブロック３００は、下段の室１３０内に配置されている。
＜空気分離装置の運転方法＞
図１に示すように、空気分離装置１では、圧縮、精製された原料空気が、高圧蒸留塔５０の底部に供給されて塔内を上昇する。原料空気が塔内を上昇する際、塔内を流下する還流液との気液接触により低沸点成分である窒素が濃縮し、塔頂にて窒素ガスが生成する。一方、塔内を流下する還流液は、下降しながら高沸点成分である酸素が富化し、塔底にて酸素富化液体空気が生成する。生成した酸素富化液体空気は、原料として低圧蒸留塔６０の中央部に供給されて塔内を流下する。酸素富化液体空気が塔内を流下する際、上昇ガスとの気液接触により高沸点成分である酸素が濃縮し、塔底にて液体酸素が生成する。一方、上昇ガスは、塔内を上昇しながら低沸点成分である窒素が濃縮し、塔頂にて窒素ガスが生成する。
図１に示すように、空気分離装置１では、圧縮、精製された原料空気が、高圧蒸留塔５０の底部に供給されて塔内を上昇する。原料空気が塔内を上昇する際、塔内を流下する還流液との気液接触により低沸点成分である窒素が濃縮し、塔頂にて窒素ガスが生成する。一方、塔内を流下する還流液は、下降しながら高沸点成分である酸素が富化し、塔底にて酸素富化液体空気が生成する。生成した酸素富化液体空気は、原料として低圧蒸留塔６０の中央部に供給されて塔内を流下する。酸素富化液体空気が塔内を流下する際、上昇ガスとの気液接触により高沸点成分である酸素が濃縮し、塔底にて液体酸素が生成する。一方、上昇ガスは、塔内を上昇しながら低沸点成分である窒素が濃縮し、塔頂にて窒素ガスが生成する。
高圧蒸留塔５０の塔頂に生成した窒素ガスは、管路６１を経て仕切板１１４，１２４により区画された室１１０，１２０，１３０に設けられた熱交換ブロック１００，２００，３００にそれぞれに供給される。一方、低圧蒸留塔６０の塔底に生成した液体酸素は、仕切板により区画されて鉛直方向上下に多段に並ぶ室のうち、最上段の室１１０に液体酸素供給管３１を経て供給される。室１１０に供給された液体酸素は、熱交換ブロック１００を流れる窒素ガスとの熱交換によって、サーモサイフォン効果により、熱交換ブロック１００に導入され、その一部が蒸発する。蒸発しなかった液体酸素は、仕切板１１４により区画された室１１０と室１２０とを連通する連通管５１を経て、下方の室１２０に供給される。供給された液体酸素は、設置された熱交換ブロック２００にて窒素ガスとの熱交換によりその一部が蒸発し、蒸発されなかった液体酸素は、さらに下方の室１３０に連通管５２を介して供給される。最下段の室１３０に供給された液体酸素は、熱交換ブロック３００にてその一部が蒸発するとともに、蒸発しなかった液体酸素は、縦積型凝縮蒸発器４０を構成する容器４１の低部より抜き出される。また、各室の熱交換ブロックで蒸発した酸素ガスは、低圧蒸留塔６０に上昇ガスとして供給される。また、液体酸素との熱交換により凝縮した液体窒素は、高圧蒸留塔５０及び低圧蒸留塔６０に還流液として戻される。
（縦積型凝縮蒸発器の起動方法）
図２に示すように、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０の起動は、先ず、低温ガスをガスヘッダー１１から熱交換コア１０に流入させ、液ヘッダー１２から排出することで各室１１０，１２０，１３０の熱交換ブロック１００，２００，３００をそれぞれ冷却する。
図２に示すように、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０の起動は、先ず、低温ガスをガスヘッダー１１から熱交換コア１０に流入させ、液ヘッダー１２から排出することで各室１１０，１２０，１３０の熱交換ブロック１００，２００，３００をそれぞれ冷却する。
次いで、低温ガスを最上段に位置する室１１０に流入させた後、液体酸素取出管３２から排出することで、室１１０に対応する容器４１の胴部４１Ａ、仕切板１１４、連通管５１、室１２０に対応する容器４１の胴部４１Ａ、仕切板１２４、連通管５２、室１３０に対応する容器４１の胴部４１Ａ、の順番に冷却する。
次に、液体窒素を最上段に位置する室１１０に液体酸素供給管３１を介して流入する。その際、液体酸素供給管３１から流出した液体は室１１０の床板となる仕切板１１４に放散され、仕切板１１４は蒸発潜熱により急速に温度が低下する。
ここで、仕切板１１４と、これに接合されている容器４１の胴部４１Ａとの間に温度差が生じるが、仕切板１１４が欠球形状に湾曲した形状であり、熱応力が緩和されるため、仕切板１１４と容器４１の胴部４１Ａとの接合部が破損しない。したがって、供給する液体の流量を極力減少させる必要や、低温空気ガスによる冷却到達温度を液体温度付近まで低下させる必要がなく、冷却時間の短縮が可能である。
本発明の効果を確認するために、以下の検証試験を行った。なお、本発明は、以下の検証試験の内容に限定されない。
＜検証試験１＞
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板によって区画された室に貯留された液体酸素の液ヘッドに対して、仕切板が欠球形状の場合（例１）、及び平板形状の場合（例２）のそれぞれの最小板厚ｄをシミュレーションによって求めた。結果を表１に示す。
なお、シミュレーションは、構造解析の計算ソフトを用い、仕切板の内径（容器の直径）Ｄが４０５０ｍｍ、液ヘッドが１９ｋＰａ、許容応力１２５ＭＰａの条件を用いて行った。
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板によって区画された室に貯留された液体酸素の液ヘッドに対して、仕切板が欠球形状の場合（例１）、及び平板形状の場合（例２）のそれぞれの最小板厚ｄをシミュレーションによって求めた。結果を表１に示す。
なお、シミュレーションは、構造解析の計算ソフトを用い、仕切板の内径（容器の直径）Ｄが４０５０ｍｍ、液ヘッドが１９ｋＰａ、許容応力１２５ＭＰａの条件を用いて行った。
（例１）
図３に示すような、欠球形状に湾曲した仕切板を用いた。仕切板の欠球高さＨ、Ｈ／Ｄ２は、表１に示す。
図３に示すような、欠球形状に湾曲した仕切板を用いた。仕切板の欠球高さＨ、Ｈ／Ｄ２は、表１に示す。
（例２）
平坦な仕切板を用いた。
平坦な仕切板を用いた。
表１に示すように、欠球形状に湾曲した仕切板を用いることで、最小板厚ｄの値を５０％以上薄くできることを確認した。これにより、設備コストの低減が可能であることが示唆された。
＜検証試験２＞
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板によって区画された室に液体窒素を流入し、仕切板の温度が瞬時に液体窒素の沸点まで低下すると仮定し、発生する最大熱応力が許容応力を超えないようにするための温度差（容器の胴部の温度−仕切板温度）をシミュレーションにより求めた。結果を表２に示す。
なお、シミュレーションは、構造解析の計算ソフトを用い、内径（容器の直径）Ｄが４０５０ｍｍ、許容応力１２５ＭＰａの条件を用いて行った。
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板によって区画された室に液体窒素を流入し、仕切板の温度が瞬時に液体窒素の沸点まで低下すると仮定し、発生する最大熱応力が許容応力を超えないようにするための温度差（容器の胴部の温度−仕切板温度）をシミュレーションにより求めた。結果を表２に示す。
なお、シミュレーションは、構造解析の計算ソフトを用い、内径（容器の直径）Ｄが４０５０ｍｍ、許容応力１２５ＭＰａの条件を用いて行った。
（例３，４）
図３に示すような、欠球形状に湾曲した仕切板を用いた。それぞれの仕切板の欠球高さＨ、Ｈ／Ｄ２は、表２に示す。
図３に示すような、欠球形状に湾曲した仕切板を用いた。それぞれの仕切板の欠球高さＨ、Ｈ／Ｄ２は、表２に示す。
（例５）
平坦な仕切板を用いた。
平坦な仕切板を用いた。
表２に示すように、欠球形状（例３及び例４）では、平板形状（例５）に比べて温度差が大きく、低温ガスによる冷却到達温度を高くできることがわかった。これにより、欠球形状に湾曲した仕切板を用いることで、縦積型凝縮蒸発器の冷却が迅速にでき、起動時間の短縮、及び起動の際の運転コストを低減できることが示唆された。
なお、表２に示すように、欠球高さＨが異なる例３及び例４では、求めた温度差はほぼ同じであった。さらに、欠球高さＨを低くすると平坦（平板形状）に近づくため、温度差は小さくなると考えられる。
＜検証試験３＞
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板の欠球形状（欠球高さＨ）と仕切板の最小板厚ｄとの関係について検証した。具体的には、３つの容器径（容器の直径＝仕切板の内径）Ｄ：１．５ｍ、２．９ｍ、４．０について、シミュレーションを実施した。
本発明の縦積型凝縮蒸発器において、仕切板の欠球形状（欠球高さＨ）と仕切板の最小板厚ｄとの関係について検証した。具体的には、３つの容器径（容器の直径＝仕切板の内径）Ｄ：１．５ｍ、２．９ｍ、４．０について、シミュレーションを実施した。
図４は、本発明の縦積型凝縮蒸発器における、仕切板の欠球形状（欠球高さＨ）と仕切板の最小板厚ｄとの関係を示す図である。図４中、縦軸は、欠球形状の仕切板の最小板厚（平板形状の最小板厚に対する比）である。また、横軸は、容器径Ｄの２乗に対する欠球高さＨの比（Ｈ／Ｄ２［１／ｍ］）であって、欠球の形状を示すものである。
図４に示すように、仕切板の欠球形状（欠球高さＨ）と仕切板の最小板厚ｄとの関係は、容器径（容器の直径＝仕切板の内径）Ｄ：１．５ｍ、２．９ｍ、４．０ｍによらず、一つの関係で表されることがわかった。
また、同じ容器径において、欠球高さＨを大きくすると最小板厚ｄを薄くできるが、横軸（Ｈ／Ｄ２［１／ｍ］）が０．０６０を超えると板厚を減少させる効果はほとんどないことを確認した。また、横軸（Ｈ／Ｄ２［１／ｍ］）が０．０１４未満では、前述したように平板形状に近づくため、起動時の熱応力に対する有効性が小さくなる。したがって、容器径の２乗に対する欠球高さの比横軸（Ｈ／Ｄ２［１／ｍ］）が、０．０１４〜０．０６０［１／ｍ］である欠球形状に湾曲した仕切板を用いることが好ましいことを確認した。
以上説明したように、本実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０、及びこれを備える空気分離装置１によれば、仕切板１１４，１２４が、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面Ｓに対して上方に凸となるように、それぞれ欠球形状に湾曲したものである。これにより、同じ液ヘッドが仕切板１１４，１２４にかかる場合、平坦（平板形状）な仕切板をも通るよりも最小板厚ｄを薄くすることができる。したがって、設備コストを低減できる。また、欠球形状に湾曲した仕切板１１４，１２４を用いることで、低温ガスによる冷却到達温度を高くできるため、縦積型凝縮蒸発器４０の冷却が迅速にでき、起動時間の短縮、及び起動の際の運転コストを低減できる。
また、仕切板１１４，１２４としては、容器径の２乗に対する欠球高さの比横軸（Ｈ／Ｄ２［１／ｍ］）が、０．０１４〜０．０６０［１／ｍ］であるものを適用することが好ましい。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図５に示すように、縦積型凝縮蒸発器において、仕切板１１４を貫通するガス導管７１、仕切板１２４を貫通するガス導管７２を有する構成としてもよい。ガス導管７１を設けることにより、下方の室１２０にて蒸発したガスを上方の室１１０に導くことができる。また、下方の室１３０にて蒸発したガスを上方の室１２０に導くことができる。
また、上述した縦積型凝縮蒸発器４０では、仕切板１１４，１２４が欠球形状となるようにそれぞれ湾曲する構成を一例として説明したが、これに限定されるものではない。
仕切板は、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃを含む平面で切断した際の断面形状が湾曲したものであれば、欠球形状（真円）に限定されない。すなわち、仕切板は、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面Ｓに対して上方に凸となるように湾曲していればよく、楕円球等であってもよい。これにより、上述した実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０と同様の効果が得られる。
また、上述した縦積型凝縮蒸発器４０では、仕切板１１４，１２４のそれぞれが湾曲する構成を一例として説明したが、これに限定されるものではない。
すなわち、複数の仕切板のうち、少なくとも１以上の仕切板が、上記平面Ｓに対して湾曲していればよい。この場合、容器４１の胴部４１Ａに設けられる仕切板のうち、上方の仕切板から湾曲形状とすることが好ましい。
すなわち、複数の仕切板のうち、少なくとも１以上の仕切板が、上記平面Ｓに対して湾曲していればよい。この場合、容器４１の胴部４１Ａに設けられる仕切板のうち、上方の仕切板から湾曲形状とすることが好ましい。
また、上述した縦積型凝縮蒸発器４０では、仕切板１１４，１２４が、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面Ｓに対して上方に凸となるようにそれぞれ湾曲する構成を一例として説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、仕切板は、容器４１の胴部４１Ａの中心軸Ｃに垂直な平面Ｓに対して下方に凸となるように湾曲していてもよい。これにより、上述した実施形態の縦積型凝縮蒸発器４０と同様の効果が得られる。
１，１０１…空気分離装置
１４，１１４…仕切板
２４，１２４…仕切板
４０，４００…縦積型凝縮蒸発器
４１…容器
５０，５００…高圧蒸留塔
６０，６００…低圧蒸留塔
１１０，１２０，１３０…室
１００，２００，３００…熱交換ブロック
Ｃ…容器の胴部の中心軸
Ｄ…容器径、容器の直径（胴部の内周面の直径）、仕切板の内径
Ｈ…平面Ｓと仕切板との最大距離、欠球高さ
Ｓ…容器の胴部の中心軸に垂直な平面（第１平面）
１４，１１４…仕切板
２４，１２４…仕切板
４０，４００…縦積型凝縮蒸発器
４１…容器
５０，５００…高圧蒸留塔
６０，６００…低圧蒸留塔
１１０，１２０，１３０…室
１００，２００，３００…熱交換ブロック
Ｃ…容器の胴部の中心軸
Ｄ…容器径、容器の直径（胴部の内周面の直径）、仕切板の内径
Ｈ…平面Ｓと仕切板との最大距離、欠球高さ
Ｓ…容器の胴部の中心軸に垂直な平面（第１平面）
Claims (5)
- 円筒状の胴部を有する容器と、前記胴部の内側の空間を鉛直方向上下に区画する１以上の仕切板と、複数の熱交換ブロックとを備え、前記空間が前記仕切板によって区画された、鉛直方向上下に並ぶ複数の室に、前記熱交換ブロックをそれぞれ配置した縦積型凝縮蒸発器であって、
前記胴部の内周面と、前記仕切板の周端部とが、前記胴部の中心軸に垂直な第１平面と交差する前記内周面にわたって液密に接合された１以上の接合部と、
前記室のうち、最上段に位置する前記室に液体酸素を供給する液体酸素供給管と、
前記仕切板を貫通し、上方に位置する前記室に貯留する液体酸素を下方に位置する前記室に供給する１以上の連通管と、を備え、
前記室には液体酸素がそれぞれ貯液され、
少なくとも１以上の前記仕切板が、前記第１平面に対して湾曲している、縦積型凝縮蒸発器。 - 前記仕切板が、前記第１平面に対して上方に凸である、請求項１に記載の縦積型凝縮蒸発器。
- 前記中心軸を含む第２平面で切断した、前記胴部と前記仕切板とを断面視した際、前記内周面の直径をＤとし、前記第１平面と前記仕切板との最大距離をＨとすると、
Ｈ／Ｄ２の値が、０．０１４〜０．０６１（１／ｍ）である、請求項１又は２に記載の縦積型凝縮蒸発器。 - 前記仕切板が、欠球形状である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の縦積型凝縮蒸発器。
- 高圧蒸留塔と、低圧蒸留塔と、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の縦積型凝縮蒸発器と、を備える、空気分離装置。
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