JP7356334B2 - 多段液溜式凝縮蒸発器、該多段液溜式凝縮蒸発器を備えた空気分離装置 - Google Patents
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Description
このような多段液溜式凝縮蒸発器においては、複数仕切られた蒸発区域には液体酸素を溜める液溜めが多段に設けられており、各液溜めから蒸発通路に流入する液体酸素の液ヘッドが小さいので、沸点上昇が抑制され、液体酸素を効率的に蒸発させることができる。
よって、窒素ガスとの温度差を小さくでき、高圧塔の圧力が低くなり、運転コストを削減できるという利点がある。
一方、窒素ガスと熱交換する液体酸素は、熱交換ブロック110の最上段の液溜部6に供給され、凝縮通路10を流れる窒素ガスとの熱交換により、蒸発区域E1の下部にある蒸発導入口21から蒸発通路2に流入し、蒸発しながら上昇し、気液二相で蒸発区域上部にある蒸発導出口22から液溜部に流出する。
しかしながら、蒸発区域の数を増やすと、熱交換効率が悪くなるという問題がある。この点を、蒸発区域数を4、5、6とした多段液溜式凝縮蒸発器A、B、Cを例に挙げて説明する。
凝縮通路では、頂部から流入した窒素ガスが底部でその全量が液化するので、液化した液流量を100とした場合、各多段液溜式凝縮蒸発器A、B、Cにおける凝縮通路の各蒸発区域での液流量分布は表1に示す通りになる。
なお、表1では、多段液溜式凝縮蒸発器を単に凝縮蒸発器と表記している。
表1から明らかなように蒸発区域数を増やすことは、凝縮通路にとっては液流量が多い伝熱面積を増加させることになる。その結果、液流量が多い蒸発区域の通路内では液膜厚さが大きくなるため、凝縮の効率が低下する。そのため、蒸発区域の数を増やして伝熱面積を増加させても、酸素ガスと窒素ガスとの温度差が相応して小さくならず、多段液溜式凝縮蒸発器のサイズが非効率に大きくなり、さらには、多段液溜式凝縮蒸発器を含む低温機器を収容するためのコールドボックスも大きくなり、設備コストが増大するという問題がある。
プレートとフィンからなる前記蒸発通路と前記凝縮通路を隣接して積層して形成される熱交換部からなる熱交換器コアと、該熱交換器コアの幅方向の少なくとも片側の側面に前記蒸発通路の段数に対応して形成された液溜部と、を有し、
前記凝縮通路は、少なくとも2段に仕切られており、
該凝縮通路の各段の上部にそれぞれ設けられて各段の凝縮通路にガスを供給するガスヘッダーと、前記ガスヘッダーに供給されたガスを凝縮通路に導入させるための凝縮導入流路と、前記凝縮通路の各段の下部にそれぞれ設けられて前記ガスが凝縮して生成された液を収集する液ヘッダーと、凝縮によって生成した液体を前記液ヘッダーに流出させるための凝縮流出流路とを備えたことを特徴とするものである。
本発明の一実施の形態に係る多段液溜式凝縮蒸発器の熱交換ブロック11は、図1に示すように、蒸発する液体酸素が通流する6段(E1~E6)に仕切られた蒸発通路2と、蒸発通路2に供給及び流出する液体を溜める液溜部6と、液溜部6の液体を上側の液溜部6から下側の液溜部6に流すための液体連通通路を形成する液体連通部5と、液体酸素と熱交換して凝縮する窒素ガスが通流する凝縮通路1とを備えている。
そして、液溜部6は、熱交換器コア7を挟んで両側に蒸発通路2の各段に対応して設けられている。
また、凝縮通路1は、上段凝縮区域(C1)と下段凝縮区域(C2)の2段に仕切られており、上段凝縮区域(C1)及び下段凝縮区域(C2)の上部には、上段凝縮区域(C1)及び下段凝縮区域(C2)のそれぞれに凝縮導入流路111を経て窒素ガスを供給するガスヘッダー8がそれぞれ設けられている。
また、上段凝縮区域(C1)及び下段凝縮区域(C2)の下部には、上段凝縮区域(C1)及び下段凝縮区域(C2)で液化した液化窒素を凝縮流出流路112を経て収集する液ヘッダー9がそれぞれ設けられている。
また、本実施の形態では液体連通部5は、熱交換コア7の積み高さ方向の両側に設けた例を示したが、本発明の液体連通部5は、片側に設けるものであってもよい。
液体酸素は、最上段の液溜部6に供給され、凝縮通路1を流れる窒素ガスとの熱交換により、蒸発区域E1の下部にある蒸発導入口21から蒸発通路2に流入し、蒸発しながら上昇し、気液二相で蒸発区域E1の上部にある蒸発導出口22から液溜部6に流出する。
液溜部6に流出した酸素ガスは、液溜部6の上部から排出され、蒸発しなかった液体酸素は再び液溜部6に戻される。液溜部6の液面が液体連通部5の連通導入口51より高くなると、液体酸素はその連通導入口51より液体連通部5を経て、蒸発区域E2の連通導出口52から下段の液溜部6に供給される。
なお、液流量は、従来の多段液溜式凝縮蒸発器の底部での液流量を100としたものである。
具体的には、発明例と従来例の総凝縮量は100で同一であるが、区域4、5、6において、従来の多段液溜式凝縮蒸発器での平均液流量は58、75、92であるのに対し、発明例の多段液溜式凝縮蒸発器では8、25、42と少なく、下段凝縮区域(C2)での伝熱性能低下が抑制されることが分かる。
上記のように構成された本実施の形態では、多段液溜式凝縮蒸発器が従来例のものよりも約15%コンパクト化されることを確認している。
空気分離装置13は、主な構成として、コールドボックス800内に収容された高圧塔14、低圧塔15と1つ熱交換器ブロック11が容器16に収容されてなる多段液溜式凝縮蒸発器17を備えている。
原料空気は、空気圧縮機18で圧縮され、空気予冷器19で予冷され、空気精製器20で精製され、高圧塔14の底部に供給され、塔内を流下する還流液との気液接触により、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。
一方、液体酸素供給管141を経て供給された液体酸素は蒸発し、その一部が製品GO2として採取されるとともに、低圧塔15の上昇ガスとなる。
また、小型化を実現しつつ伝熱性能低下が抑制されることで、凝縮通路1に流入する窒素ガス圧力、つまり高圧塔14の圧力上昇を抑えることができ、運転コストの増加を抑制することができる。
111 凝縮導入流路
112 凝縮流出流路
2 蒸発通路
21 蒸発導入口
22 蒸発導出口
3 熱交換部
5 液体連通部
51 連通導入口
52 連通導出口
6 液溜部
7 熱交換コア
8、80 ガスヘッダー
9、90 液ヘッダー
11、110 熱交換ブロック
13 空気分離装置
14 高圧塔
140、142 管路
141 液体酸素供給管
15 低圧塔
16 容器
17 多段液溜式凝縮蒸発器
18 空気圧縮機
19 空気予冷器
20 空気精製器
800 コールドボックス
C1 上段凝縮区域
C2 下段凝縮区域
E1~E6 蒸発区域
Claims (3)
- 蒸発する液体が通流する複数段に仕切られた蒸発通路と、該蒸発通路に供給及び流出する液体を溜める液溜部と、該液溜部の液体を上側の液溜部から下側の液溜部に流すための液体連通通路と、前記液体と熱交換して凝縮するガスが通流する凝縮通路とを備えた多段液溜式凝縮蒸発器であって、
プレートとフィンからなる前記蒸発通路と前記凝縮通路を隣接して積層して形成される熱交換部からなる熱交換器コアと、該熱交換器コアの幅方向の少なくとも片側の側面に前記蒸発通路の段数に対応して形成された液溜部と、を有し、
前記凝縮通路は、少なくとも2段に仕切られており、
該凝縮通路の各段の上部にそれぞれ設けられて各段の凝縮通路にガスを供給するガスヘッダーと、前記ガスヘッダーに供給されたガスを凝縮通路に導入させるための凝縮導入流路と、前記凝縮通路の各段の下部にそれぞれ設けられて前記ガスが凝縮して生成された液を収集する液ヘッダーと、凝縮によって生成した液体を前記液ヘッダーに流出させるための凝縮流出流路とを備えたことを特徴とする多段液溜式凝縮蒸発器。 - 前記熱交換器コアが、前記熱交換部と該熱交換部の積み高さ方向の少なくとも片側に前記液体連通通路を形成する液体連通部を備えていることを特徴とする請求項1記載の多段液溜式凝縮蒸発器。
- 空気から酸素と窒素を採取する複式精留システムからなる空気分離装置であって、
請求項1又は2に記載の多段液溜式凝縮蒸発器を主凝縮器として備えることを特徴とする空気分離装置。
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