JPH02233985A - 凝縮蒸発器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、第一流体室の液媒と第二流体室の流体とで熱
交換を行なう凝縮蒸発器に関する。

〔従来の技術〕

空気液化分離装置の複精留塔の上部塔等に用いられる凝
縮蒸発器は、多数の垂直方向平行な仕切板により仕切ら
れ、第一流体室（酸素室）と第二流体室（窒素室）の二
室を交互に隣接して積層した、いわゆるプレートフィン
式熱交換器と呼ばれているものが多く用いられている。

従来の凝縮蒸発器の酸素室は、上下両端部が開放され、
上部塔の底部空間に溜まる液媒（液化酸素）中に浸漬さ
れることにより液化酸素で満たされており、下部塔から
窒素室に導入される窒素ガスと熱交換を行ない、窒素ガ
スを凝縮させて液化窒素とするとともに、液化酸素を蒸
発させて酸素ガスとするように構成されている。

このように上部塔底部の液化酸素中に浸漬されて用いら
れるものでは、液化酸素の液深により凝縮蒸発器の下部
の液化酸素の圧力が上昇するため、その分液化酸素の蒸
発の妨げとなり、熱交換効率を低下させるとともに、下
部塔圧を上昇させて原料空気の圧縮に要する動力を増加
させていた。また上部塔底部に溜まる液化酸素の量は大
型装置程大量となり起動に長時間を要する原因となって
いた。

そのため、特開昭６３−２６７８７７号公報には、上記
液化酸素の液圧の影響を低減することのできる凝縮蒸発
器が提案されている。

第５図に示すように、上記公報に記載された凝縮蒸発器
１は、酸素室２の上下方向を複数の伝熱板３，３・・；
で区切って出口４ａ側に向かう登り勾配を有する液媒流
路４，４・・・を上下多段に形成するとともに、該液媒
流路４の人口４ｂ側に液化酸素ＬＯを溜める液溜５．５
・・・を上下多段に配設し、該液溜５に液分配手段６か
ら液化酸素ＬＯを供給して、該液溜５から各液媒流路４
内に液化酸素ＬＯを導入するように構成している。

上記液媒流路４内に導入された液化酸素ＬＯは、隣接す
る窒素室（図示せず）に導入される窒素ガスと熱交換を
行い、その一部が蒸発して酸素ガスＧＯの気泡となる。

この酸素ガスＧＯは、液化酸素ＬＯを同伴して液媒流路
４を上昇し、出口４ａ端で液化酸，！ｌ！’ＬＯと分離
して上方に向って上昇する。一方蒸発しなかった液化酸
素ＬＯは、液媒流路４の出口４ａから凝縮蒸発器１の下
方に流下して液化酸素ポンプあるいはサーモサイフォン
リボイラー等によって凝縮蒸発器１の上方にまで揚上さ
れ、再び前記液分配手段６を経て前記液溜５に循環する
。この時の液化酸素ＬＯの液深は、液溜５内の深さに相
当するので、前記液化酸素中に浸漬して用いる凝縮蒸発
器に比べて液圧の影響を低減させることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記凝縮蒸発器１ては、・液化酸素ＬＯ
が酸素室２内で完全に蒸発して液媒流路４にアセチレン
等の炭化水素が析出しないように、例えば蒸発量の６倍
以上の過剰の液化酸素ＬＯを各液媒流路４に導入する必
要がある。従って、各液媒流路４から流下する液化酸素
量が多く、これに相当する大容量の液化酸素ボンブある
いはサモサイフォンリボイラー等を設置して液化酸素Ｌ
Ｏを鏑環させなければならなかった。そのため、これら
の設備費や液化酸素ボンブの動力費がコストアップの要
因となっていた。

そこで本発明は、上記公報に示された液循環式の凝縮蒸
発器の長所を生かし、さらに設備費や運転費等のコスト
を低減させることのできる凝縮蒸発器を提供することを
目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記した目的を達成するために、本発明の凝縮蒸発器は
、多数の垂直な仕切板により第一流体室と第二流体室と
を交互に形成するとともに、該第−流体室に上下多段に
伝熱板を配置して複数の液媒流路を形成し、該液媒流路
の一端側に該流路と連通した複数の液溜を上下多段に設
け、液媒を各段の液溜に供給しながら前記液媒流路に導
入して前記第二流体室の流体と熱交換させる凝縮蒸発器
ブロックを複数列配設し、前記液媒流路の他端側に該流
路と連通し、該流路の端部から流下する液媒を受ける複
数の液受を上下多段に設け、さらに液媒を該液受から他
の凝縮蒸発器ブロックの液溜に流入させる液供給流路を
設けたことを特徴としている。さらに本発明の凝縮蒸発
器は、前記液供給流路が、“前記液受と液溜との間に設
けられた樋，または管であること、及び前記凝縮蒸発器
ブロックが、同一円周上に配列されていることを特徴と
している。

〔作　用〕

上記のごとく構成することにより、凝縮蒸発器ブロック
の各液媒流路内で蒸発せずに液媒流路の端部から流下す
る液媒を液受で受けて他の凝縮蒸発器ブロックの液溜に
流入させることができ、蒸発せずにそのまま凝縮蒸発器
の下方に流下する液媒量を低減することができる。

また液供給流路は樋または管で容易に形成することがで
き、離間して配列された凝縮蒸発器ブロック間も容晶に
接続することができる。さらに、凝縮蒸発器ブロックを
同一円周上に配列することにより、液媒を各ブロック間
に容易に循環させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を、蒸発する液媒を酸素、凝縮する流体を
窒素とした例につき、図面に基づいてさらに詳細に説明
する。

まず第１図及び第２図において、第１図は凝縮蒸発器の
第一流体室である酸素室を示す断面正面図、第２図は凝
縮蒸発器ブロックの側面図である。

尚、液の流れ方向を実線矢印、ガスの流れ方向を破線矢
印で示す。

凝縮蒸発器１０を構成する各凝縮蒸発器プロ・ソク１１
，１１・・・には、多数の仕切板１２．１２・・・が垂
直方向平行に設けられており、該仕切板１２，１２・・
・により、多数の酸素室１３．１３・・・と窒素室１４
．１４・・・とが交互に形成されている。

上記酸素室１３には、上下多段に伝熱板１５，１５・・
・が配置されており、上下方向に多数の液媒流路１６．
１６・・・が形成されている。この液媒流路１６は、酸
素室１３の一端から他端に向かう昇り勾配が設けられて
おり、通常は波形伝熱フィンを傾斜させて配設すること
により形成される。

さらに各凝縮蒸発器ブロック１１．１１・・・の間には
、複数の液溜１７，１７・・・が上下多段に設られてい
る。この液溜１７は、一側の開口が前記液媒流路１６の
勾配の下端に連通し、各液溜１７に供給される液化酸素
ＬＯを各液媒流路１６に供給するとともに、上部の開口
が液媒流路１６の勾配の上端から流下する液化酸素ＬＯ
を受け、該液化酸素ＬＯを次段の凝縮蒸発器ブロックｌ
１に供給するもので、第１図において、液溜１７の左側
に位置する凝縮蒸発器ブロック１１に対しては液供給用
の液溜となり、右側に位置する凝縮蒸発器ブロック１１
に対しては液受としての作用を有するとともに、液供給
流路の作用を有している。これらの各液溜１７には、そ
れぞれ連選管１８．１８・・・を介してマニホールド管
ｌ９が連設されており、凝縮蒸発器１０の上方に設けら
れた液化酸素受２０に溜まる液化酸素ＬＯが各液溜１７
に共給される。また、各液溜１７は、上部が開放されて
いるために酸素室１３の気体側に圧力が開放されており
、各液溜１７内の液深が小さくなり、液化酸素ＬＯの液
圧の影響を低減している。

このように形成された酸素室１３に導入される液化酸素
ＬＯは、マニホールド管１９から各液溜１７に供給され
て前記液媒流路１６に流入する。

各液媒流路１６内の液化酸素ＬＯは、伝熱板１５及び仕
切板１２を介して隣接する窒素室１４を流れる窒素ガス
と熱交換し、その一部が蒸発して酸素ガスＧＯの気泡と
なる。この酸素ガスＧＯの気泡は、液媒流路１６内の液
化酸素ＬＯと共に液媒流路１６を上昇後、出口端で液化
酸素ＬＯと分離して上下の゜液溜１７間の隙間から上昇
する。一方液媒流路１６内で蒸発しなかった液化酸素Ｌ
Ｏは、前記酸素ガスＧＯに同伴されて出口端から流出し
て隣接する次段の凝縮蒸発器ブロック１１との間に設け
られた液溜１７に流下する。この液溜１７に流下した液
化酸素ＬＯは、一部オーバーフローして凝縮蒸発器１０
の下方に流下するが、大部分は前記マニホールド管１９
から共給される液化酸素ＬＯと共に、次段の凝縮蒸発器
ブロック１１の液媒流路１６に流入する。

このように、液化酸素ＬＯは、各凝縮蒸発器ブロック１
１の液媒流路１６内で、その一部が蒸発しながら順次液
溜ｌ７を経て次段の凝縮蒸発器ブロック１１の各液媒流
路１６に流入する。そして、各凝縮蒸発器ブロック１１
を直線状に配列した場合には、最終段の凝縮蒸発器ブロ
ック１１の各液媒流路１６の出口端に上部が開口した箱
状の液受を設けるとともに、該液受と第１段目の凝縮蒸
発器ブロック１１の液溜との間に樋あるいは管を設ける
ことにより、最終段の凝縮蒸発器ブロック１１の液媒流
路１６から流出する液化酸素ＬＯを第１段目の凝縮蒸発
器ブロック１１に戻して循環させることができる。

従って、前述のごとく各液媒流路１６に過剰に供給され
て液媒流路１６出目端から流下する液化酸素ＬＯは、順
次次段の凝縮蒸発器ブロック１１の液媒流路１６に供給
されるので、凝縮蒸発器１０の下方に流下する液化酸素
量を大幅に低減させることができる。即ち、凝縮蒸発器
１０の各液溜１７よりオーバーフローして下方に流下す
る液化酸素量は、凝縮蒸発器１０内の液化酸素中にアセ
チレン等の炭化水素が濃縮されるのを防止できる程度と
すればよいため、凝縮蒸発器１０内で蒸発する液化酸素
量よりも僅かに多くするだけで十分であり、液媒流路１
６に供給し、ここを流れる液化酸素量を従来と同程度に
保持してアセチレンの析出を防いで、しかも凝縮蒸発器
１ｏの下方に流下する液化酸素量を低減することができ
る。これにより、液化酸素ボンブあるいはサーモサイフ
ォンリボイラー等によって揚上すべき液化酸素量が大幅
に低減できるから、これらの装置を小型化でき、設備費
に加えてその動力費等も低減することができる。尚、上
記揚上手段により揚液される液化酸素は、途中の吸着器
（図示せず）によってアセチレンが除去される。

尚、上記各液媒流路１６の傾斜角度は、接続する液溜１
７の深さや液媒流路１６の長さ等により適宜に選定され
るもので、液媒流路１６を水平に設けることも可能であ
るが、水平よりも昇り勾配に設けた方が蒸発生成した酸
素ガスＧｏの気泡がその浮上力で液媒流路１６から流出
し易いとともに、液化酸素ＬＯの流動を促進して熱伝達
率を高めることができる。即ち、上記実施例のように、
液媒流路１６を昇り勾配に形成することにより、蒸発し
た酸素ガスＧＯの気泡がその浮上力で液化酸素ＬＯの流
動を促進して液媒流路１６の出口端から流出させるため
、液化酸素ＬＯの蒸発が効果的に行われ、蒸発した酸素
ガスＧｏの滞留も生じないので凝縮蒸発器１０の熱交換
効率を向上させることができる。さらに、凝縮蒸発器１
０を複数の凝縮蒸発器ブロック１１に分割して、それぞ
れの液媒流路１６を短く形成することにより、蒸発した
酸素ガスＧＯと液化酸素ＬＯとの分離を効率良く行うこ
とができるので、熱交換効率を向上させることができる
。

また本実施例では、各凝縮蒸発器ブロック１１の各液溜
１７を同一レベルで同じ大きさとして順次次段の凝縮蒸
発器ブロック１１に送給しているが、各液溜１７のレベ
ルを上下方向で変えたり、大きさを変えたりするこきも
できる。さらに前記各凝縮蒸発器ブロック１１の両側に
それぞれ液溜と液受とを配設し、両者を液供給流路とな
る樋あるいは管により接続しても良い。

また各液溜１７への液化酸素ＬＯの共給は、上方の液溜
１７から下方の液溜１７に液化酸素ＬＯを流下させるオ
ーバーフロー管あるいはオーバーフロー堰とすることも
でき、マニホールド管１９と液溜１７とを一体的に形成
してマニホールド管１９の内部と液溜１７内とを所定の
口径の通孔により連通させ、該通孔から各液溜１７に液
化酸素ＬＯを供給させることもできる。また各液溜１７
に所定量の液化酸素ＬＯを供給するためには、マニホー
ルド管１９の上部に流量調節機構を設けたり、連通管１
８や通孔あるいはオーバーフロー管の口径，取付位置，
オーバーフロー管あるいはオーバーフロー堰の高さ等を
調整することにより行うことができる。

この酸素室１３と対応する窒素室１４の構成は、従来か
らこの種のプレートフィン型の凝縮蒸発器に採用されて
いるものと同様に形成することができる。例えば、窒素
室１４内に上下方向の流路を形成するとともに、窒素室
の上下にヘッダーを連設し、上部のヘツダーから窒素ガ
スを導入して、凝縮した液化窒素を下部のへ・イダーか
ら導出することができる（図示省略）。

また本発明の凝縮蒸発器は、液化酸素中に浸漬して用い
る凝縮蒸発器に比べて、液化酸素の液深による圧力上昇
がなくなるため、凝縮蒸発器の熱交換効率が向上すると
ともに、窒素室の窒素ガスの凝縮温度を低下させて運転
圧力を低減させることもできるので、装置全体の動カ費
も削減できる。

また液圧の影響が無いので凝縮蒸発器の高さ方向の形状
的制限が無くなり、処理能力を大幅に増加させることが
可能になり、大型空気分離装置用精留塔に組込むことが
容易にでき、精留塔を上下一体構造で製作することが可
能となる。ざらに液媒中に浸漬する必要がないため、少
ない液媒量で運転することができ、起動時間を短縮でき
る。

次に第３図及び第４図は、本発明の凝縮蒸発器を円筒形
の容器、例えば精留塔の内部に組込んだ−実施例を示す
ものである。

この凝縮蒸発器２１は、上記実施例と略同様に形成した
凝縮蒸発器ブロック２２を容器２３内の同一円周上に４
基配列し、各凝縮蒸発器ブロック２２間を液供給流路と
なる幅広の樋２４により接続したものである。即ち、マ
ニホールド管２５から各液溜２６に供給された液化酸素
ＬＯは、該液溜２６から酸素室２７の各液媒流路２８に
導入され、一部が蒸発して気液混合流となり、液媒流路
２８を上昇して出口端から流出する。この液媒流路２８
の出口端から流出した液化酸素ＬＯは、液受２９に受け
られた後、樋２４により案内されて次段の凝縮蒸発器ブ
ロック２２の液溜２６に供給される。また液溜２６の側
壁にはオーバーフロー堰３０が切欠形成されており、液
溜２６に供給される余剰の液化酸素ＬＯを、このオーバ
ーフロー堰３０から順次下段の液溜２６に流下する。従
って、凝縮蒸発器２１に共給される液化酸素ＬＯは、各
凝縮蒸発器ブロック２２で一部が蒸発しながら、第３図
において反時計方向に流れ、さらにその一部が炭化水素
濃縮防止用の液化酸素として順次下段の液溜２６を経て
凝縮蒸発器２１の下方に流下する。

一方、液化酸素ＬＯと熱交換を行う窒素ガスＧ・Ｎは、
容器２３の中央部に配設した窒素ガス上昇管３１及び分
配管３２から、各凝縮蒸発器ブロック２２の上部に設け
たヘッダ−３３を経て窒素室３４に導入され、凝縮して
下部のヘッダ−（図示せず）から導出される。

このように、各凝縮蒸発器ブロック２２を同一円周上に
配列することにより、液化酸素ＬＯを容易に循環させる
ことができ、さらに同一構造の凝縮蒸発器ブロック２２
を配列することができるので、製造組立ても容易に行う
ことができる。

尚、本発明の凝縮蒸発器は、空気液化分離における液化
酸素と窒素ガスとの熱交換による蒸発と凝縮以外の、他
の液媒と流体を用いた場合にも同様の作用効果を得るこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように、上下多段に形成された
液媒流路に、上下多段に設けた液溜から液媒を供給させ
なから液媒流路に導入して熱交換させるとともに、該液
媒流路で蒸発しなかった液媒を液受で受けて順次次段の
凝縮蒸発器ブロックの液溜に導入して循環させるように
構成したから、従来、液媒流路出口端から凝縮蒸発器の
下方に流下して他の揚上手段により循環されていた液媒
を、凝縮蒸発器内で循環させることができ、蒸発させる
液媒と流体とを効率良く熱交換させることができる。即
ち、凝縮蒸発器から下方に流下する液媒量が減少す゛る
ので、前記他の損上手段を小型化することができ、設備
費や運転動力費を大幅に削減することができる。

さらに、液供給流路は、樋あるいは管で形成することに
より容易に製作できる。また各凝縮蒸発器ブロックを同
一円周上に配列することにより、同一措造の凝縮蒸発器
ブロックを配列することができるので、製造組立ても容
易に行うことができ、コストダウンを図ることができる
。

従って、処理量の多い大型の空気液化分離装置の・凝縮
蒸発器に特に好適なもので、装置全体の小，型化や運転
動力費の低減が図れ、製品の動力源単位を低減させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は凝縮蒸発器の酸素室部分の断面図、第２図は同じ
く凝縮蒸発器ブロックの側面図、第３図及び第４図は本
発明の凝縮蒸発器を精留塔に組込んだ一実施例を示すも
ので、第３図は断面平面図、第４図は要部の斜視図、第
５図は従来のプレートフィン式熱交換器の酸素室部分を
示す断面図である。 １０．２１・・・凝縮蒸発器　　１１．２２・・・凝縮
蒸発器ブロック　　１２・・・仕切板　　１３．２７・
・・酸素室　　１４・・・窒素室　　１５・・・伝熱板
１６．２７・・・液媒流路　　１７．２６・・・液溜１
゛８・・・連通管　　２４・・・樋　　２８・・・液受
Ｇｏ・・・酸素ガス　　ＬＯ・・・液化酸素特　許　出
　願　人　日本酸素株式会社１ナ 旧 叢１［ｆｆｌ 第４円

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数の垂直な仕切板により第一流体室と第二流体室
   とを交互に形成するとともに、該第一流体室に上下多段
   に伝熱板を配置して複数の液媒流路を形成し、該液媒流
   路の一端側に該流路と連通した複数の液溜を上下多段に
   設け、液媒を各段の液溜に供給しながら前記液媒流路に
   導入して前記第二流体室の流体と熱交換させる凝縮蒸発
   器ブロックを複数列配設し、前記液媒流路の他端側に該
   流路と連通し、該流路の端部から流下する液媒を受ける
   複数の液受を上下多段に設け、さらに液媒を該液受から
   他の凝縮蒸発器ブロックの液溜に流入させる液供給流路
   を設けたことを特徴とする凝縮蒸発器。 ２、前記液供給流路は、前記液受と液溜との間に設けら
   れた樋または管であることを特徴とする請求項１記載の
   凝縮蒸発器。 ３、前記凝縮蒸発器ブロックは、同一円周上に配列され
   ていることを特徴とする請求項１記載の凝縮蒸発器。