JPH0268474A - 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ガス流体と
を熱交換させ、液媒を蒸発気化さゼるとともにガス流体
を凝縮液化させる凝縮蒸発器に関し、特に空気液化分離
装置に用いられる凝縮蒸発器であって、第一流体室に導
入する液媒、即ち酸素室に導入する液化酸素を効率良く
沸騰蒸発させるとともに、第二流体室に導入するガス流
体、即ち窒素室に導入する窒素ガスを効率良く凝縮液化
させるのに適した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等に用いられている凝縮蒸
発器は、特開昭５６−５６５９２＠公報等に示されるよ
うに、垂直方向を多数の平行な仕切板により仕切り、第
一流体室で′ある酸素室と第一流体室である窒素室の二
基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−Ｃいるものが多く用いられている
。

第５図は従来のプレートフィン式の凝縮蒸発器の酸素室
を示し、第６図は同じく窒素室を示している。尚、以上
の各図において、実線矢印は液の流れ方向を、また鎖線
矢印はカスの流れ方向を示している。

上記凝縮蒸発器１の酸素室２は、内部に伝熱板を配設し
て上下方向の蒸発流路３を多数形成するととしに、該蒸
発流路３の上下両端部を開口さ氾て下端部を液化酸素Ｌ
　Ｏの導入口４とし、上端部を酸素カスＧＯと液化酸素
Ｌ　Ｏの混合流の導出口５としている。この酸素室２は
、凝縮蒸発器１が上部塔６の底部空間に溜まる液化酸素
１−○中に浸漬されることにより液化酸素Ｌ　Ｏで満た
されており、酸素室２内の液化酸素し一部は、隣接（る
窒素室７の窒素ガスＧＮと熱交換を行い、その一部が蒸
発して酸素ガスＧｏの気泡となり蒸発流路３を十臂（る
。液化？！ｉ累１−０は、この酸素ガスＧｏの上昇力及
び気液混合による密度差により、凝縮蒸発器１の内外に
循環流を形成している。また液化酸素Ｌ　Ｏ及び酸素ガ
スＧＯの一部は、製品等として外部に導出されている。

一方窒素室７は、四周各端部が密閉された室内に上下方
向の凝縮流路８が多数形成されており、該凝縮流路８の
上下両端部が窒素室７の一側端の上下に設りられたヘッ
ダー９，１ｏ及び配管１１゜１２を介して下部塔１３と
接続されている。この窒素室７は、配管１１及び上部の
ヘッダー９を介して下部塔１３上部の窒素カスＧＮを凝
縮流路８に下降流として導入し、凝縮流路８で凝縮した
液化窒素Ｌ　Ｎを下部のヘッダー１０及び配管１２がら
導出している。また窒素ガスＧＮに含まれる非凝縮ガス
ＧＸは、下部のヘッダー１０の上部に設（ブられたパー
ジノズル１０ａがら導出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の凝縮蒸発器１の窒素室７は、その
凝縮流路８が垂直方向に形成されており、窒素ガスＧ　
Ｎ　ｈ＜凝縮しながら流下するため、該凝縮流路８の下
部では液化窒素量が増加し、厚い液膜どなって伝熱面の
表面を覆うので、これが熱抵抗層となり伝熱性能を低下
させていた。そのため、酸素室２の蒸発流路３の下部を
上昇する液化酸素１−Ｏを、十分に加温することができ
ず、凝縮蒸発器１の伝熱効率を低下させてぃた。

そこで本発明は、窒素室（第二流体室）の窒素ガス（ガ
ス流体）が凝縮した凝縮液による伝熱性能の低下を低減
し、酸素室（第一流体室）側の液化酸素（液９！、）を
効率よく加温するこのできる凝縮蒸発器を提供すること
を目的とする。

〔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は、多数の垂直な
仕切板ににり複数の第一流体室と第二流体室とを交互に
形成し、前記第一流体室の液媒と、前記第二流体室のガ
ス流体とで熱交換を行なう凝縮蒸発器において、前記第
二流体室の両側端部の略全面を開口させて、一方の間口
をガス流体を導入するガス導入口とし、他方の開口を凝
縮液を導出する凝縮液導出口とするとともに、該ガス導
入口から凝縮液導出口に向（プて水平方向に対して下り
勾配を有づる凝縮流路を形成したことを特徴とする凝縮
蒸発器を提供するもので、さらに、前記第二流体室は、
両側端部のガス導入口及び凝縮液導出口をそれぞれ入口
及び出口ヘッダーで覆い圧力的に密閉して両ヘッダーを
ガス流体及び凝縮液側にそれぞれ接続するとともに、前
記第一流体室の上下両端部を開口させ、凝縮蒸発器自体
を蒸発側の液媒中に浸漬して配置したこと、及び前記第
一流体室は、上下両端部をそれぞれ出口及び入［１ヘツ
ダーで覆い圧力的に密閉して両ヘッダーを蒸発ガス及び
液媒側にそれぞれ接続するどともに、前記第二流体室の
両側端部を開口させ、凝縮蒸発器自体を凝縮側のガス流
体雰囲気中に配置したことを特徴どじでいる。またこの
ＪＪうに構成した第一、流体室の凝縮液導出口の一部に
液切り部を突設したことも含むものである。

〔作　用〕

上記のごとく、第二流体室の凝縮流路を一側端部のガス
導入口から他側端部の凝縮液導出口に向かう下り勾配に
形成することにより、第二流体室の下部にもガス流体を
略均等に導入できるので、第一流体室下部の液媒を効率
ｊ；＜加温することができる。特に大型の空気液化分離
装置に用いられる背の高い凝縮蒸発器においては、凝縮
流路を短くできるので、各凝縮流路内の凝縮液の量が少
なくなり、発生する液膜を薄くすることができ、伝熱効
率の向トを図れる。また第二流体室の両側開口にヘッダ
ーを設りてガス流体側に接続することにより、従来の凝
縮蒸発器と同様に液媒中に浸漬して配置Ｊ−ることがで
きる。一方第一流体室をヘッダーにより液媒側に接続し
、凝縮蒸発器自体をカス流体雰囲気中に配置することに
より、凝縮蒸発器を液媒中に浸漬して配置づるのに比べ
て少ない液媒量で運転づることができる。また第二流体
室の凝縮液導出口に液切り部を設りることににす、第二
流体室上部の凝縮流路から流下する凝縮液が下部の凝縮
流路の凝縮液導出口を閉塞するのを防止づ−ることがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の凝縮蒸発器を複精留塔に用い、第一流体
室を酸素室、第二流体室を窒素室とし、蒸発する液媒を
酸素、凝縮づるガス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。尚、前記従来例と同一
要素のものには同一符号を（］シて詳細な説明を省略づ
る。

まず第１図及び第２図は、凝縮蒸発器を複精留塔の上部
塔底部空間内に配置した一実施例を示づもので、第１図
は窒素室を、第２図は酸素室を示している。

凝縮蒸発器２０の窒素室２１は、垂直方向の仕切板によ
り仕切られた各室の上端部及び下端部をそれぞれザイド
バ−２２，２２により閉塞するとともに、両側端部の略
全面を開口させて、一方の間口を窒素ガスＧＮ（ガス流
体）のガス導入口２３とし、他方の開口を液化窒素１−
Ｎ（凝縮液）の凝縮液導出口２４としている。窒素室２
１の内部には、両端を前記カス導入口２３及び凝縮液導
出口２４に連通させた多数の凝縮流路２５がコルゲショ
ンフィン等の伝熱板により形成されている。

この凝縮流路２５は、凝縮流路２５内で凝縮した液化窒
素ＬＮを凝縮液導出口２４から導出流下させるために、
ガス導入口２３から凝縮液導出口２４に向Ｅって水平方
向に対して適宜な下り勾配が設りられている。また凝縮
流路２５の凝縮液導出口２４には、上下方向の一部に液
切り部２６を形成している。この液切り部２６は、上方
の凝縮流路２５の凝縮液導出口２４から流下する液化窒
素Ｌ　Ｎを案内するもので、上方から流下する液化窒素
ＬＮが凝縮液導出口２４に沿って流下し、下方の凝縮流
路２５の凝縮液導出口２４を液膜で塞ぐことを防止して
いる。

また窒素室２１の両側端部には、入口ヘッダー２７と出
口ヘッダ−２８とが連設されており、外部と圧力的に密
閉されている。入口ヘッダ−２７は、下部塔１３に接続
されており、下部塔１３上部に精留分離された窒素ガス
ＧＮを窒素室２１に導入する。一方の出口ヘッダ−２８
は、凝縮した液化窒素ＬＮを上部塔６及び下部塔１３の
還流液として、あるいは製品として導出するための適宜
な配管２９に接続されている。

この窒素室２１と仕切板を介して隣接する酸素室２は、
前記第５図に示した従来例と同様に形成されており、上
下端部を開口させて導入口４と導出口５とを形成した室
内に伝熱板を配設して上下方向の蒸発流路３を多数形成
している。

この凝縮蒸発器２０に導入される窒素ガスＧＮは、下部
塔１３上部から入口ヘッダ−２７を経て各凝縮流路２５
に略均等に導入される。各凝縮流路２５内の窒素ガスＧ
Ｎは、隣接する酸素室２の液化酸素ＬＯと熱交換を行っ
て凝縮しながら、凝縮流路２５の下り勾配により凝縮液
導出口２４に向かって流れ、凝縮液導出口２４から流下
して出ロヘッダ−２８から導出される。この時、窒素ガ
スＧＮに含まれる非凝縮ガスＧＸは、入口ヘッダ２７の
」二部（こ設【プられＩごパージノズル２７ａから導出
される。

一方、上部塔６から流下した液化酸素１０は、従来と同
様に凝縮蒸発器２０の内外を循環しながら、その一部が
蒸発して酸素ガスＧｏどなる。この酸素ガスＧｏは、一
部が製品としで導出され、残部が上部塔６の上昇ガスと
なる。また液化酸素１−Ｏの一部は、製品として、ある
いは保安液酸としてその一部が導出されている。

この凝縮蒸発器２０は、上記のごとく、窒素ガスＧＮを
窒素室２１の一側端部のガス導入口２３から各凝縮流路
２５に導入し、他側端部の凝縮液導出口２４から導出す
るので、窒素室２１上下方向の境膜伝熱係数を路間−と
することができる。

従って、酸素室２下部の液化酸素ＬＯども十分な熱交換
を行わぜることができるので、凝縮蒸発による伝熱性能
を最大限に発揮させることができる。

特に大型の背の高い凝縮蒸発器では、従来に比べて凝縮
流路２５の長さを短くすることができるので、各凝縮流
路２５の凝縮液導出口２／ｌ近傍に形成される液膜を薄
くすることができ、伝熱性能の低下を最小限とすること
ができる。さらに凝縮流路２５の断面積が増大し、ガス
導入口２３及び凝縮液導出口２４の開口面積も増大する
ため、凝縮流路２５断面積当たりの凝縮量や流ｆＪＩ抵
抗が減少し、熱交換効率をさらに向上さゼることができ
る。

また凝縮液導出口２４の上下方向の一部に庇状の液切り
部２６を設けることにより、凝縮した液化窒素Ｌ　Ｎの
導出も円滑に行うことができる。

次に、第３図及び第４図は、本発明の凝縮蒸発器を複精
留塔の下部塔上部空間内に配置した一実施例を示すもの
で、第３図は窒素室を、第４図は酸素室を示している。

まず上記実施例と同様に形成された窒素室２１は、下部
塔１３上部空間の窒素ガスＧＮが窒素室２１内に自由に
流入、流出することができるように、両側端部のガス導
入口２３及び凝縮液導出口２４を下部塔１３の上部空間
に略完全に開放させている。窒素室２１内に流入した窒
素ガスＧＮは、上記実施例と同様にその一部が凝縮流路
２５で凝縮して液化窒素ＬＮとなり、凝縮流路２５の下
り勾配を流下して凝縮液導出口２４から下方に流下する
。そして凝縮蒸発器２０の下方には、その上端間口縁３
０ａが凝縮蒸発器２０の適宜な位置にまで達づる液化窒
素溜３０が設りられており、液化窒素Ｌ　Ｎは、この液
化窒素溜３０内に流下して前記実施例と同様の配管２９
から導出される。

一方酸素室２上下両端部の導出口５及び導入口４には、
それぞれ酸素ヘッダー３１．３２が設けられでおり、接
続管３３．３４を介して上部塔６底部の液化酸素溜６ａ
に接続されている。上部塔６から液化酸素溜６ａに流下
した液化酸素１−○は、液化酸素溜６ａから流下側の接
続管３４を流下して酸素室２下部の酸素ヘッダー３２を
経て蒸発流路３に流入する。この液化酸素ＬＯは、前記
実施例と同様に蒸発流路３でその一部が蒸発して気液混
合流となり、上部の酸素ヘッダー３１及び接続管３３を
経て液化酸素溜６ａに上昇する。そして酸素ガスＧｏは
、液化酸素ＬＯと分離して上貸し、液化酸素ＬＯは再び
流下側の接続管３４から酸素室２に循環する。

本実施例においても、上記実施例と同様に、窒素室２１
上下方向の境膜伝熱係数を路間−とすることができるの
で、酸素室２下部の液化酸素ＬＯとも」−分な熱交換を
行うことがで′き、凝縮蒸発による伝熱性能を最大限に
発揮させることができるなどの効果を有する。さらに、
本実施例における凝縮蒸発器２０の運転制御は、従来の
制御方法に加えて、液化窒素溜３０から導出する液化窒
素１−Ｎｆｆｌを制御して、即ち液化窒素溜３０内の液
化窒素ＬＮの液面高さを制御して凝縮蒸発器２０の下部
が液化窒素Ｌ　Ｎ中に浸漬する量を制御し、窒素室２１
内の実質的な窒素ガスＧＮ量を増減させることによって
も行うことかできる。これにより、空気液化分離装置の
運転状態に対応した幅広い制御が可能となる。

また本実施例のごとく、凝縮蒸発器２０を下部塔１３の
上部空間内、即ち窒素ガスＧＮ雰囲気内に配設し、酸素
室２と上部塔６底部の液化酸素溜６ａとを酸素ヘッダー
３１．３２を介して接続することにより、凝縮蒸発器２
０を液化酸素１０中に浸漬して配置で−るのに比べ、少
ない液化酸素量で凝縮蒸発器２０の運転を行うことがで
きる。従って、上部塔６底部に多量の液化酸素ＬＯを溜
める必要が無いため、装置の起動時間を短縮することが
でき、また装置停止時の放出液化酸素量も少なくなるの
で、動力費や冷媒等の損失を低減することができ、運転
コス１〜を低減することができる。

さらに、液化酸素量が少ないため、万一の場合の保安上
の問題にも容易に対応することができる。

尚、本発明の凝縮蒸発器は、空気液化分離にお（）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、
他の液媒とガス流体との間の熱交換の場合にも同様の作
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、ガス流体を凝縮させる
凝縮流路を水平に対し下り勾配に形成したから、第二流
体室の下部にもガス流体を均等に導入できるので、第一
流体室下部の液媒を効率よく加温することができる。特
に大型の凝縮蒸発器においては、凝縮流路を大幅に短く
できるので、各凝縮流路内の凝縮液による液膜を薄く覆
ることができ、伝熱効率の向上を図れる。また凝縮流路
の断面積が従来に比べて増大するとともに、ガス導入口
及び凝縮液導出口の間口面積−し増大づるため、蒸発流
踏所面積当たりの凝縮量や流動抵抗が減少し、熱交換効
率を向上させることができる。

また第二流体室の両側開口にヘッダーを設けてガス流体
側に接続することにより、従来の凝縮蒸発器と同様に液
媒中に浸漬して配置することができる。

一方第一流体室をヘッダーにより液媒側に接続し、凝縮
蒸発器自体をガス流体雰囲気中に配置することにより、
少ない液ａｍで運転することができ、装置の起動時間が
短縮する等、動力費の低減、その他の効果を得ることが
できる。

また第二流体室の凝縮液導出口に液切り部を設けること
により、第二流体室上部の蒸発流路から流下する凝縮液
が下部の蒸発流路の凝縮液導出口を閉塞するのを防止づ
−ることができる。

従って、本発明の凝縮蒸発器は、処理量の多い大型の空
気液化分離装置の凝縮蒸発器として特に好適なもので、
装置全体の小型化や運転動力費の低減が図れ、製品の動
力原中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図は凝縮蒸発器を複精留塔の上部塔底部
空間内に配置した一実施例を示ずもので、第１図は凝縮
蒸発器の窒素室部分を示づ縦断面図、第２図は同じく酸
素室部分を示す縦断面図、第３図及び第４図は凝縮蒸発
器を複精留塔の下部塔上部空間内に配置した一実施例を
示すもので、第３図は凝縮蒸発器の窒素室部分を示す縦
断面図、第４図は同じく酸素室部分を示す縦断面図、第
５図及び第６図は従来の凝縮蒸発器を複精留塔の上部塔
底部空間内に配置した例を示すもので、第５図は凝縮蒸
発器の酸素室部分を示づ縦断面図、第６図は同じく窒素
室部分を示す縦断面図である。 ２・・・酸素室　　３・・・蒸発流路　　６・・・上部
塔１３・・・下部塔　　２０・・・凝縮蒸発器　　２１
・・・窒素室　　２２・・・サイドパー　　２３・・・
ガス導入口２４・・・凝縮液導出口　　２５・・・凝縮
流路　　２６・・・液切り部　　２７・・・入口ヘッダ
−２８・・・出口ヘッダ−３０・・・液化窒素溜　　Ｇ
Ｎ・・・窒素ガス　　Ｇｏ・・・酸素ガス　　ＬＮ・・
・液化窒素ＬＯ・・・液化酸素

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数の垂直な仕切板により複数の第一流体室と第二
   流体室とを交互に形成し、前記第一流体室の液媒と、前
   記第二流体室のガス流体とで熱交換を行なう凝縮蒸発器
   において、前記第二流体室の両側端部の略全面を開口さ
   せて、一方の開口をガス流体を導入するガス導入口とし
   、他方の開口を凝縮液を導出する凝縮液導出口とすると
   ともに、該ガス導入口から凝縮液導出口に向けて水平方
   向に対して下り勾配を有する凝縮流路を形成したことを
   特徴とする凝縮蒸発器。 ２、前記第二流体室は、両側端部のガス導入口及び凝縮
   液導出口をそれぞれ入口及び出口ヘッダーで覆い圧力的
   に密閉して両ヘッダーをガス流体及び凝縮液側にそれぞ
   れ接続するとともに、前記第一流体室の上下両端部を開
   口させ、凝縮蒸発器自体を蒸発側の液媒中に浸漬して配
   置したことを特徴とする請求項１記載の凝縮蒸発器。 ３、前記第一流体室は、上下両端部をそれぞれ出口及び
   入口ヘッダーで覆い圧力的に密閉して両ヘッダーを蒸発
   ガス及び液媒側にそれぞれ接続するとともに、前記第二
   流体室の両側端部を開口させ、凝縮蒸発器自体を凝縮側
   のガス流体雰囲気中に配置したことを特徴とする請求項
   １記載の凝縮蒸発器。 ４、前記第二流体室の凝縮流路の凝縮液導出口の一部に
   液切り部を突設したことを特徴とする請求項１、２また
   は３記載の凝縮蒸発器。