JPH0268476A - 凝縮蒸発器及びその運転方法 - 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を熱
交換させ、液媒を蒸発気化させるとともにガス流体を凝
縮液化さける凝縮蒸発器及びその運転方法に関し、特に
空気液化分ｌｌｌ１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
液化酸素を少ない量で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
発器及びその運転方法に関する。

（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号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二流体室である窒素室の工学
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。

第９図及び第１０図は、従来のこの種のプレートフィン
式の凝縮蒸発器を示すもので、第９図は凝縮蒸発器の酸
素室を示し、第１０図は同じく窒素室を示している。尚
、以下の各図において、実線矢印は液の流れ方向を、ま
た鎖線矢印はガ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３，３を多数形成するとともに、
該蒸発流路３の上下両端部を開口させて下端部を液化酸
素１０の導入口４とし、上端部を酸素ガスＧＯと液化酸
素り、　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ＬＯ中に浸漬されることにより液化酸素１０で満た
されており、酸素室２内の液化酸素［−〇は、隣接する
窒素室７の窒素ガスＧＮと熱交換を行い、その−部が蒸
発して酸素ガスＧｏの気泡となり蒸発流路３を上昇する
。液化酸素１０は、この酸素ガスＧＯの上昇ツノ及び気
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ＬＯ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８，８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」−下に設けられ
たヘッダー９，１０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上部の窒素ガス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ＬＮを下
部のヘッダー１０及び配管１２から導出している。また
窒素ガスＧＮ中の非凝縮ガスＧＸは、下部のヘッダー１
０の上部に設けられたパージノズル１０ａから導出され
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は、その全体を上部
塔６の底部空間の液化酸素Ｌ　Ｏ内に浸漬して使用する
ため、該空間に多量の液化酸素ＬＯを貯液保有させなけ
れば凝縮蒸発器１を機能させることができなかった。そ
のために装置の起動時間が長く掛ったり、停止時に放出
する酸素量が多くなり、動力費等の損失となっていた。

また万一の場合に備えるための保安上の問題も大きい。

さらに液化酸素ＬＯの液深により上部塔６の底部空間下
部の液化酸素Ｌ　Ｏに沸点上昇を生じるため、酸素室２
の下部から蒸発流路３に流入する液化酸素ＬＯが適冷状
態となっている。そのため、酸素室２の下部では、蒸発
流路３を上昇する液化酸素ＬＯを沸騰開始温度まで伝熱
効率の低い対流伝熱により加温しなければならず、該流
路３の伝熱効率を低下させていた。

この液化酸素の液深の影響を低減するために、特開昭６
０−１７６０１号公報等に酸素室内の液化酸素を流下さ
せながら蒸発さＶる液媒流下式の凝縮蒸発器も提案され
ているが、流下後の液化酸素を凝縮蒸発器の上部に循環
させるための液化酸素ポンプ等の付帯設備を必要として
いる。また特開昭６２−２１３６９８号公報等に伝熱面
の特性を上下方向で変化さゼたり、液化酸素の液圧を制
御したり覆る等の手段も提案されており、従来から、こ
の種の凝縮蒸発器の熱交換効率の向上が望まれていた。

さらに凝縮側の窒素室７は、その凝縮流路８が垂直り向
に形成されており、窒素ガスＧＮが凝縮しながら流下す
るため、該流路８の下部では液化窒素量が増加し、厚い
液膜と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。

そこで本発明は、酸素室（第一流体室）側の液化酸素（
液媒）の必要量を低減し、窒素Ｖ（第二流体室）の窒素
ガス（ガス流体）の凝縮液による伝熱性能の低下を無く
づとともに、液化酸素の伝熱領域を二分して液深による
影響を低減させた凝縮蒸発器及びその運転方法を提供す
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、本発明の凝縮蒸発器は
、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、該凝縮蒸発器の上部に液媒溜を設けるとともに
、前記第一流体室に、液媒をその沸点近くまで加温しな
がら第一流体室の下部に導入する下降流伝熱領域と、液
媒をその沸点以上に加温して液媒の一部を蒸発させる上
昇流伝熱領域とを設けて、該下降流伝熱領域と上昇流伝
熱領域とを第一流体室下部で連通さＵるとともに、両路
の上部を前記液媒溜に連通させ、前記第二流体室は、少
なくとも一側端部を開口させてガス流体を導入するガス
導入口を形成するとともに、該ガス導入口から凝縮液導
出口に向かう水平方向に対して下り勾配を右する凝縮流
路を形成したことを特徴とするもので、これに前記第一
流体室の下降流伝熱領域の伝熱面積は、該領域を流下す
る液媒が該領域の下端部で飽和温度となるように設定さ
れていること、前記複数の第一流体室は、その一部の室
を下降流伝熱領域となる液媒加温室とし、残りの室を上
昇流伝熱領域となる液媒蒸発室とするとともに、両室の
下端部を連通路によりそれぞれ連通させたこと、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、前記第二流体室は、上端部を閉塞すると
ともに両側端部及び下端部を開口させ、一方の側端部の
開口をガス導入口とし、他方の側端部及び下端部の開口
を凝縮液導出口としたこと、前記第一流体室を、室内の
上端部から下端部近傍に亘って配設した２本の仕切棒に
より幅方向を３つの流路に区画形成し、中央部の流路を
下降流伝熱領域とし、両側部の２つの流路を上昇流伝熱
領域とするとともに、前記第二流体室は、幅方向両側端
部を開口させてそれぞれガス導入口とし、第二流体室の
幅方向中央部に前記第一流体室の下降流伝熱領域に対応
させて下端部が開口した凝縮液流下路を設け、該凝縮液
流下路に前記凝縮流路の凝縮液導出口を開口させたこと
を特徴とするもの、さらに前記第一流体室の内部に、コ
ルゲーションフィン等の伝熱体を配設すること、前記第
一流体室の上昇流伝熱領域の表面を沸騰促進核伝熱面で
形成すること、前記第一流体室を室内の上端部から下端
部近傍に亘って配設した仕切棒により２つの流路に区画
形成し、一方の流路を下降流伝熱領域とし、他方の流路
を上昇流伝熱領域とすること、前記第一流体室の下降流
伝熱領域を前記第二流体室の凝縮液導出口近傍に対応さ
せて配設すること、前記第二流体室の凝縮流路をコルゲ
ーションフィンで形成することを含むものである。

そして、本発明の凝縮蒸発器の運転方法は、第１には、
−Ｆ記のごとく構成された凝縮蒸発器を運転するにあた
り、前記液媒面から導入されて第一流体室の下降流伝熱
領域を流下中の液媒を、隣接する第二流体室のガス流体
で該液媒の沸点以下の沸点付近温度にまで加温し、次い
で上昇流伝熱領域に導入して前記ガス流体で液媒の沸点
以上に加温して液媒の一部を蒸発させ、未蒸発の液媒を
前記液媒面から前記下降流伝熱領域に循環導入すること
を特徴とするもので、特に前記第一流体室の下降流伝熱
領域を流下中の液媒が該領域の下端部で飽和温度となる
ように液媒供給量を調節することを特徴とするものであ
る。さらに運転方法の第２として、凝縮蒸発器の運転に
際して該凝縮蒸発器の凝縮蒸発能力を制ｍするにあたり
、該凝縮蒸発器の下方に、前記第二流体室で凝縮して流
下する凝縮液を溜める凝縮液溜を設け、該凝縮液溜から
導出する凝縮液の量を調節して第二流体室の下部が凝縮
液中に浸漬する量を変化させること、あるいは前記凝縮
液溜に代えて、凝縮蒸発器の下部に前記第二流体室で凝
縮して流下する凝縮液を集合するヘッダーを連設し、該
ヘッダーから導出する凝縮液の量を調節して第二流体室
内の凝縮液量を変化させることを特徴としている。

〔作　用〕

凝縮蒸発器を上記のごとく構成することにより、凝縮蒸
発器を液媒中に浸漬することなく、上部の液媒面に液媒
を溜めて、該液媒面から第一流体室に液媒を導入するだ
けで運転することができるから、従来より少ない液媒量
で凝縮蒸発器の運転を行うことができる。さらに第二流
体室の凝縮流路を一側端部に形成したガス導入口から凝
縮液導出口に向かう下り勾配に形成したから、第二流体
室の上下方向略均等にガス流体を導入でき、第一流体室
内の液媒を効率よく加温することができる。

また本発明の最も重要な作用として、下降流伝熱領域で
液媒を加温して上昇流伝熱領域に導入するので、液深の
影響を低減し、低効率の対流伝熱領域を少なくし、Ｆ昇
流伝熱領域で直ちに沸騰蒸発を開始させることができる
。さらに本発明の運転方法に示づように、第二流体室内
の凝縮液量を調節することにより、第二流体室内のガス
流体と接触する伝熱面の面積を調節することができるか
ら、ガス流体の凝縮量とともに、該ガス流体により加温
される液媒の蒸発量も制御することができる。従って、
」７記作用が正確に得られるように制御することが可能
となる。

〔実施例〕

以下、本発明を、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、凝縮するガス流体を窒
素とした例につぎ、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付
して訂細な説明を省略する。

まず第１図及び第２図は、本発明の凝縮蒸発器の第１実
施例を示すもので、第１図は凝縮蒸発器の酸素室部分を
、第２図は同じく窒素室部分を示している。

この凝縮蒸発器２０は、複精留塔の上部塔６と下部塔１
３との間に形成した空間部２１内に配設したもので、酸
素室２２は、垂直方向の仕切板により仕切られた各室の
左右両端部及び下端部をサイドパー２３．２３により閉
塞し、上端部の略仝面を開口させており、該開口の上部
には、−［部名６底部に形成された液媒溜２４が連設さ
れている。

この酸素室２２の内部は、その上端部から下端部近傍に
亘って設けられた２本の仕切棒２５，２５により幅方向
を３つの流路に区画形成しており、中央部の流路を下降
流伝熱領域２６とし、両側部の２つの流路を上昇流伝熱
領域２７．２７としている。この下降流伝熱領域２６と
上昇流伝熱領域２７とは、酸素室２２の下部の前記仕切
棒２５の下端部とサイドパ−２３との間に形成された連
通路２８．２８でそれぞれ連通している。これらの下降
流伝熱領域２６．上昇流伝熱領１４２７及び連通路２８
には、それぞれコルゲーションフィン等の伝熱体２９が
配設されている。

上部塔６で精留された液化酸素１０は、液化酸素導入管
３０により液媒溜２４に導入され、酸素室２２内の下降
流伝熱領域２６を流下しながら、後述の窒素室３１の窒
素ガスＧＮあるいは液化窒素ＩＮにより加温され、連通
路２８を経て上臂流伝熱領域２７に導入される。液化酸
素Ｌ　Ｏは、この上昇流伝熱領域２７ぐ窒素室３１の窒
素ガスＯＮにより加温され、その一部が蒸発して酸素ガ
スＧｏとなり、気液混合流となって上昇する。」二昇流
伝熱領［２７から液媒溜２４に上昇した液化酸素１０と
酸素ガスＧｏの気液混合流は液媒溜２４で分離し、酸素
ガスＧｏは一部が製品として導出され、残部が上部塔６
の上昇ガスとなる。また液化酸素［Ｏは、一部が製品と
して導出され、大部分が再び下降流伝熱領域２６に流入
して酸素室２２内を循環量る。また生部の液化酸素１０
が、酸素室２２内でのア廿ブレンの濃縮を防止するため
に酸素室２２下部に連設されたヘッダー３２から導出さ
れる。

このように液化酸素１−Ｏを酸素室２２内に循環させな
がら、イの一部を蒸発させるように形成することにより
、この凝縮蒸発器２０を機能させるのに必要な液化酸素
Ｌ　Ｏは、酸素室２２内を満たす聞及び液媒溜２４に溜
める所定量でよいため、従来のごとく、凝縮蒸発器２０
全体を浸漬する量に比べてはるかに少ない陽で凝縮蒸発
器２０の運転を行うことができる。これにより、空気分
館装置の起動時間の短縮や、装置の停止時の冷媒放出量
の低減を図ることができ、保安上の問題も容易に解決す
ることができる。また液化酸素り、　Ｏは、自身の密度
差で酸素室２２内を循環するので、ポンプやザーモサイ
ホンリボイラー等の揚液設備や他の付帯設備等を必要と
せず、新たな設備費や動力費が掛ることもない。

前記酸素室２２内の液化酸素ＬＯの循環は、下降流伝熱
領域２６内の液化酸素ＬＯの密度に対する上昇流伝熱領
域２７内の液化酸素１０と酸素ガスＧｏからなる気液混
合相の見］１）り密度の差により生じるもので、液化酸
素ＬＯの循環量は、［下降流伝熱領域２６と上臂流伝熱
領域２７とのヘッド差−下降流伝熱領域２６と上昇流伝
熱領域２７内の液相流れ圧損−上昇流伝熱領域２７内の
気液２相流れ圧損］の値が大きい稈、大となる。従って
、液化酸素１−　ｏの循環量を増づためには、両流れ圧
損を小さくする必要がある。特に上昇流伝熱領域２７内
の気液２相流れ圧損の影響が大きいため、上昇流伝熱領
域２７内に配設する伝熱体２９は、その圧損係数が小さ
いものを選定する必要がある。このことから、上昇流伝
熱領域２７内にコルゲーションフィン等の伝熱体を配設
せず、上昇流伝熱領域２７の１次伝面（仕切板表面）に
沸騰促進核を形成することによって、液化酸素ＬＯの沸
騰蒸発を促進するとともに、流れ圧損を小さくすること
もできる。この沸騰促進核は、粉末金属の焼結や溶射、
リエントラン１〜キャビティーの機械加工等により行う
ことができる。

また前記下降流伝熱領域２６の伝熱面積は、該領域２６
を流下する液化酸素１−０が該領域２６の下部で飽和温
度あるいは沸騰開始温度よりもやや低い温度にまで加温
できるように設定することが好ましい。この設定は、下
降流伝熱領域２６と上昇流伝熱領域２７の比率、液化酸
素Ｌ　Ｏの流量、隣室の窒素ガスＧＮとの温度差、伝熱
効率等の諸条件により適宜に設定されるもので、伝熱面
積の調節は、伝熱体２９の配置幅を変更する等により容
易に行うことができる。また運転中は、液化酸素１０の
流量を調節し、下降流伝熱領域２６内の滞留時間を変え
て温度調節することもできる。

このように、液化酸素１０を下降流伝熱領域２６で飽和
温度近くまで加温して上昇流伝熱領域２７に導入するこ
とにより、凝縮蒸発器２ｏ内の温度分布を大幅に改善す
ることができ、凝縮蒸発器能力の向上を図ることができ
る。

一方、この酸素室２２に仕切板を介して隣接配置される
窒素室３１は、第２図に示Ｊように、前記液媒溜２４に
対向する上端部の全面をサイドパー３３により閉塞する
とともに、前記酸素室２２の上昇流伝熱領域２７に隣接
する部分に両端が開口したコルゲーションフィン等の伝
熱体３４．３４を配設して多数の凝縮流路３５．３５を
、また下降流伝熱領域２６に隣接する部分には凝縮液流
下路３６をそれぞれ形成している。

前記凝縮流路３５は、該凝縮流路３５内で凝縮した液化
窒素ＩＮを凝縮流路３５から導出流下させるために、窒
素室３１の側端部に開口したガス導入口３７から、凝縮
液流下路３６に開目した凝縮液導出口３８に向かう水平
方向に対して適宜な下り勾配が設けられている。また凝
縮液流下路３６に開口する凝縮液導出口３８は、その開
口端を階段状に形成して一部を凝縮液流下路３６に突出
させ、段部上面を液切り部３９．３９としている。

この液切り部３９は、上方の凝縮流路３５の凝縮液導出
口３８から流下する液化窒素Ｌ　Ｎを凝縮液流下路３６
に案内するもので、上方から流下する液化窒素Ｌ　Ｎが
凝縮液導出口３８に沿って流下し、下方の凝縮流路３５
の凝縮液導出口３８を液膜て塞ぐことを防止している。

この窒素室３１は、両側端部のガス導入口３７゜３７に
ガス入口ヘッダ−４０，４０をそれぞれ連設して下部塔
１３の上部に接続するとともに、下端部の両側にサイド
パ−４１，４１を設けて中央部の凝縮液流下路３６の開
口に凝縮液出口ヘッダ−４２を連設している。

下部塔１３で精留された窒素ガスＧＮは、ガス上昇用の
配管４３からガス入口ヘッダ−４０を経て窒素室３１の
凝縮流路３５に導入される。この配管４３の入口ヘッダ
−４０への接続位置は、図示のごとく入口ヘッダ−４０
の下部とする以外に、該入口ヘッダ−４０の上部または
中部としてもよく、各種条件により適宜設定することが
できる。

上記凝縮流路３５に導入された窒素ガスＧＮは、隣接す
る酸素室２２の上昇流伝熱領域２７内の液化酸素ＬＯと
熱交換を行って凝縮し、凝縮流路３５の下り勾配により
凝縮液導出口３８に向かって流れ、凝縮液導出口３８か
ら凝縮液流下路３６に流下し、凝縮液出口ヘッダ−４２
から液化窒素ＬＮとして導出される。この液化窒素ＩＮ
は従来と同様に上部塔６及び下部塔１３の還流液として
用いられ、あるいは製品として採取される。また窒素ガ
スＧＮ中の非凝縮ガスＧＸは、ガス入口ヘッダ−４０の
上部に設けられたパージノズル４０ａから導出される。

このように、窒素ガスＧＮを窒素室３１の両側端部のガ
ス導入口３７から下り勾配を有する各凝縮流路３５に導
入し、中央部の凝縮液導出口３８から導出することによ
り、窒素室３１上下方向各凝縮流路３５に導入する窒素
ガスＧＮｆｆｉ、及び該流路３５内で凝縮する液化窒素
ＬＮＩを路間−とできるので、境膜伝熱係数を上下り内
絡間−とすることができる。

従って、酸素室２２の上昇流伝熱領域２６下部の液化酸
素ＬＯとも十分な熱交換を行うことができるので、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、凝縮流路３５の
長さを大幅に短く覆ることができるので、各凝縮流路３
５の凝縮液導出口３８近傍に形成される液化窒素１−Ｎ
の液膜の厚さ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３５の断面積が増大し、ガス導入口３７
及び凝縮液導出口３８の開口面積も増大させることがで
きるため、凝縮流踏所面積当たりの凝縮量や流動抵抗が
減少し、熱交換効率をさらに向上させることができる。

また凝縮液導出口３８の上下方向の一部に庇状の液切り
部３９を設けたことにより、凝縮した液化窒素ＬＮの導
出も円滑に行うことができる。この液切り部３９は、凝
縮流路３５の凝縮液導出口３８を階段状とせずに、上下
方向に一直線状に設けた場合には、適所に庇状の液切り
板を設けることにより、同様の液切り効果を得ることが
できる。

このように、酸素室２２の中央部に下降流伝熱領域２６
を配置し、これと対応させて窒素室３１の中央部に凝縮
液流下路３６を配置することにより、窒素室３１の凝縮
流路３５を大幅に短縮することができるが、酸素室２２
の一側に下降流伝熱領域２６を配置し、これと対応させ
て窒素室３１の一側を凝縮液流下路３６とすることもで
きる。

この凝縮蒸発器２０の運転制御は、液面計り等を設りて
液化酸素ＬＯの導出量の調整や熱負荷の調整により従来
と同様に行われるが、本発明では、これに加えて凝縮液
出口ヘッダ−４２から導出する液化窒素ＬＮの但を調節
して窒素室３１内の液化窒素Ｌ　Ｎの液面高さを調整し
、窒素室３１内の伝熱体３４ど窒素ガスＧＮとの接触面
積を増減させることにより、窒素室３１に隣接する酸素
室２２内の液化酸素１０の加温能力を変化させることが
できる。これにより、液化酸素Ｌ　Ｏの蒸発量とともに
窒素ガスＧＮの凝縮量を調整！ＩＩ　ｍすることができ
、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。

尚、本実施例の凝縮蒸発器２０は、側壁の開口部２１ａ
によりコールドボックス内に圧力が開放された空間部２
１内に配置されているが、この空間部２１内に断熱材等
を充填してもよい。

第３図は、凝縮蒸発器における温度分布図を示すもので
、本発明の凝縮蒸発器の作用を説明するものである。

まず第３図（イ）は、前記第９図及び第１０図に示した
従来の凝縮蒸発器における温度分布を示すもので、凝縮
魚介器高さＨの凝縮蒸発器１に、液深り、飽和温度ＴＳ
の液化酸素１−０と飽和温度Ｔｃの窒素ガスとを導入し
て熱交換させる際の温度分布を示している。液化酸素［
Ｏは、凝縮蒸発器１の外周を循環して下端の導入口４か
ら酸素室２に導入されるが、この間は、熱の授受が無い
ため、この液化酸素の温度Ｔｓｂは、液面近傍の飽和温
度ＴＳと略等しい。しかしながら、この酸素室２におけ
る液化酸素Ｌ　Ｏは、液化酸素自身の液深による圧力に
より飽和温度が上昇し、図に鎖線で示す飽和温度Ｔｄを
有している。従って、酸素室２下部に流入する液化酸素
しＯは、飽和温度Ｔｄに対して、温度Ｔｓｂの適冷状態
となっている。そのため、液化酸素ＬＯは、酸素室２を
上昇しながら対流伝熱により昇温され、Ａ点で飽和温度
Ｔｄに達する。流体が沸騰するためには、その飽和温度
に対してある程度の過熱度が必要なので、液化酸素ＬＯ
はさらに加温されてＢ点で沸騰核形成に十分な過熱度を
有する沸騰開始温度Ｔｓｐに達する。

このＢ点から上方の液化酸素ＬＯは、伝熱面から酸素ガ
スＧｏの気泡を沸騰生成しながら気液混合流となって、
その高さ（液深）における飽和温度Ｔｄを示しながら上
昇し、酸素室２上部の導出［１５から流出する。このよ
うに、酸素室２内には下方から加湿部Ｚ＋、過熱部Ｚ２
．沸騰部７３の３つの領域に分けられる。そして液化酸
素１−０の蒸発に関与しない部分、即ち、加湿部７］と
過熱部Ｚ２の和は、従来のものでは凝縮蒸発器高さ１」
に対して２０〜４０％に達し、伝熱性能を大幅に低下さ
せる原因となっていた。また沸騰開始前の液化酸素［−
〇の加温は、伝熱性能の低い対流伝熱で行われるため効
率が悪く、凝縮蒸発器全体の効率を悪化させていた。

第３図（１］）は、本発明の凝縮蒸発器における温度分
布を示すもので、液媒溝２４から酸素室２２の下降流伝
熱領域２６を流下する液化酸素ＬＯは、隣接する窒素室
の窒素ガスあるいは液化窒素により加温されるため、酸
素室２２下端部の連通路２８から１−昇流伝熱領域２７
に流入する際の液化酸素の瀉度丁ｓｂは、液深による飽
和温度Ｔｄ近くまで上昇する。従って、液化酸素［−〇
は、上昇流伝熱領域２７に流入した直後のＡ点で飽和温
度Ｔｄに達し、Ａ点から僅かにに背したＢ点で沸騰開始
温度Ｔｓｐとなり、沸騰蒸発を開始する。以後は、上記
同様にその高さにおける飽和温度Ｔｄで上昇していく。

このように、下降流伝熱領域２６で液化酸素［Ｏを加温
し、上昇流伝熱領域２７に流入する位Ｕでの飽和温度Ｔ
ｄあるいは沸騰開始温Ｉｆ　Ｔ　Ｓ１１近くとすること
により、上昇流伝熱領域２７′ｃの加温部Ｚ１さらには
過熱部Ｚ２の長さを大幅に短縮Ｊることができる。さら
に前述のごとく、窒素室下部の伝熱効率が向上している
ため、液化酸素り、　０を短時間で沸騰開始温度Ｔｓｐ
に４温させることができ、これによっても上記加温部Ｚ
＋及び過熱部Ｚ２を短縮させることができる。

これにより、凝縮蒸発器２０の高さの略全艮を沸騰部Ｚ
３として使用することができるため、伝熱効率の向上を
図れるとともに、液単一相である下降流伝熱領域２６と
、気液混相流である上昇流伝熱領域２７との液ヘツド差
が大きくなり、液化酸素ＬＯの循環量を増大Ｊせること
ができる。従って、沸騰部Ｚ３でのアセチレン等が濃縮
する虞のある乾き領域の形成を防止することかできる。

また酸素室２２の下降流伝熱領域２６と、凝縮液が集合
して流下するため比較的伝熱性能の低い、前記窒素室３
１の凝縮液流下路３６とを隣接して配路することにより
、下降流伝熱領域２６内で液化酸素Ｌ　Ｏを沸騰開始編
度王ｓｐ以１に加温し、液化酸素［−〇が蒸発して循環
の妨げとなることを防止することができる。

次に第４図及び第５図は、本発明の凝縮蒸発器の第２実
施例を示づもので、第４図は酸素室部分、第５図は窒素
室部分をそれぞれ示している。尚、酸素室内及び窒素室
内等の構成は、前記第１実施例と同様に形成されている
ＩＪめ、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この凝縮蒸発器５０は、下部塔１３の上部の窒素ガス雰
囲気中に配設されており、酸素室２２部分が完全に密閉
されるとともに、窒素室３１部分が窒素ガス雰囲気に開
放されている。また凝縮蒸発器５０の下方には、その上
端開口縁５１ａが凝縮蒸発器５０の適宜な位置にまで形
成された凝縮液溜５１が設けられている。

酸素室２２の上部は、上方に離間して設けられた液媒溜
２４と酸素ヘッダー５２及び接続管５３を介して接続さ
れている。この酸素ヘッダー５２及び接続管５３は、二
重構造に形成されており、内部側を液化酸素ＬＯの流下
部５４、外部側を酸素ガスＧｏと液化酸素ＬＯの気液混
合流の十讐部５５としている。従って、液化酸素［Ｏは
、液媒溜２４から接続管５３及び酸素ヘッダー５２の流
下部５４を流下して下降流伝熱領域２６に導入され、連
通路２８．２８を経て上昇流伝熱領域２７゜２７に流入
し、その一部が蒸発して気液混合流となり、酸素ヘッダ
ー５２及び接続管５３の十昇部５５を経て液媒溜２４に
上翼循環する。

一方の窒素室３１は、同様に上端部をサイドパー３３に
より閉塞されている以外は下部塔１３の窒素ガス雰囲気
に開放されている。従って、窒素ガスＧＮは、窒素室３
１内に自由に流入、流出４ることができ、その一部が凝
縮流路３５．３５で凝縮して液化窒素Ｌ　Ｎとなり、凝
縮流路３５の下り勾配を決手して凝縮液流下路３６に集
合し、窒素室３１の下端から下方の凝縮液溜５１に流下
する。この窒素室３１は、下部塔１３Ｆ部の窒素ガス雰
囲気中に開放させているので、窒素室３１内に非凝縮ガ
スＧＸが濃縮して凝縮能力を低下させることもない。

さらに、この凝縮蒸発器５０の運転υ」御は、前記従来
の制御手段に加えて、凝縮液溜５１から導出する液化窒
素Ｌ　Ｎの量を制御して凝縮蒸発器５０の下部が液化窒
素り、　Ｎに浸漬する損を調節し、前記第１実施例と同
様に窒素室３１内の伝熱体３４と窒素ガスＧＮとの接触
面積を増減させることによっても行うことができる。

第６図乃至第８図は、本発明の凝縮蒸発器の第３実施例
を示すものである。

本実施例の凝縮蒸発器６０は、多数の酸素室の内の一部
を、下降流伝熱領域となる液媒加温室６１．６１とし、
他の酸素室を−１−４流伝熱！ｉ域となる液媒蒸発室６
２．６２としたものである。この液媒加温室６１と液媒
蒸発室６２どは、凝縮蒸発器６０の両側下部に設けられ
た連通管６３．６３により連通しており、液媒加温室６
１を流下した液化酸素Ｌ　Ｏは、この連通管６３を経て
液Ｗ、蒸発室６２に流入する。また両室６１．６２の内
部には、］ルゲーションフィン等の伝熱体６４を適宜配
設する。但し、液媒蒸発室６２の内部には、伝熱体６４
を配設することなく、前述のごとく沸騰促進核伝熱面を
形成して流動抵抗の低減を図ることができる。

また液媒溝６５内には、前記液媒加温室６１に液化酸素
ＬＯを導入するための導入液溜６６及び導入流路６７が
形成されており、液化酸素導入管３０により液媒溝６５
に導入された液化酸素ＬＯは、導入液溜６６及び導入流
路６７を介して液媒加温室６１に導入されて流下し、連
通管６３を通過して液媒蒸発室６２の下部に流入する。

そして前記各実施例と同様に、液化酸素［−〇と酸素ガ
スＧＯとの気液混合流となって液媒溝６５に上部して循
環する。この液媒加温室６１と液媒蒸発室６２は、その
厚さを変えることにより、温度や流量のバランスを取る
こともできる。

一方の窒素室６８．６８は、土肥各実施例で示した窒素
室と同様の構成で形成することができるので、詳ｍな説
明は省略する。

尚、以上の説明では、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を基にして説明し
たが、これ以外の他の液媒とガス流体を用いた場合も同
様の作用効果を得ることができる。また酸素室の液媒導
入部分と液媒蒸発部分の面積等の関係、及び窒素室の凝
縮流路の勾配の角度、その他の各部の形状等は、液媒と
ガス流体の種類や流量等により適宜選定することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の凝縮蒸発器は、凝縮蒸発
器の上部に液媒溝を設【プ、第一流体室に、液媒を沸点
近くまで加温する下降流伝熱領域と、液媒を沸点以上に
加温する上昇流伝熱領域とを設けて、液媒を液媒溝と第
一流体室内に循環させながら蒸発させるように構成した
から、少ない液媒量で凝縮蒸発器を運転することができ
、起動時間の短縮、停止時の冷媒損失の低減、保安上の
問題の解決等を図れるとともに、特に下降流伝熱領域で
液媒を飽和温度まで加温Ｊることにより上昇流伝熱領域
で直ちに沸騰蒸発させることができるので、液深の影響
を低減して沸騰側伝熱効率の向上と、液化酸素の循環に
必要なヘッド差を増大させることができる。また第二流
体室に、ガス導入［■から凝縮液導出口に向かう水平方
向に対して下り勾配を有する凝縮流路を形成し、−側端
部からガス流体を導入して他側方向に流下させるから、
第二流体室の上下方向に略均等にガス流体を導入するこ
とができ、第一流体室下Ｎｓの液媒ち効率よく加温する
ことができる。また凝縮流路を短く形成することかでき
るので、凝縮液の液膜を薄くすることができ、凝縮側の
境膜伝熱係数を白土させることができる。

そして前記第一流体室の上昇流伝熱領域にコルゲーショ
ンフィンを配設することにより、伝熱係数を向上させて
効率のよい沸騰蒸発を図ることができ、該上昇流伝熱領
域の表面を沸騰促進核伝熱面で形成することにより、沸
騰蒸発を促進させるとともに流動抵抗の低減を図ること
ができる。

また前記両流路ば、前記第一流体室内を仕切棒により２
つの流路に区画形成することにより、容易に形成するこ
とができ、あるいは複数の第一流体室の一部を液媒加温
室とし、他を液媒蒸発室として両室の下端部を連通させ
ることによっても容易に形成することかできる。

さらに第一流体室の下降流伝熱領域を、第二流体室の凝
縮液導出口近傍に対応させて配設することにより、下降
流伝熱領域内で液媒が蒸発して循環の妨げとなるのを防
止することができる。

一方前記第二流体室の凝縮流路は、コルゲーションフィ
ンにより容易に形成することができ、凝縮液導出口の一
部に液切り部を突設することにより、下方の凝縮液導出
口が流下する凝縮液で閉塞されるのを防止することがで
きる。この第二流体室は、上端部を閉塞して両側端部及
び下端部を開口させ、一方の側端部の聞１］をガス導入
口とし、他の開口を凝縮液導出口とすることで容易に形
成することができる。

特に第一流体室を２本の仕切棒により区画して中央部を
下降流伝熱領域とし、両側部を上背部伝熱領域とすると
ともに、これに対応させて第二流体室の中央部に凝縮液
流下路を設【プ、該凝縮液流下路に凝縮流路の凝縮液導
出口を開口させることにより、凝縮流路をより短く形成
覆ることができ、凝縮液の液膜による影響を大幅に低減
させることができる。

また、本発明の凝縮蒸発器の運転方法は、前記第一流体
室の下降流伝熱領域を流下中の液媒を、その流量等を調
節することにより該液媒の沸点以下の温度にまで加温し
てから上昇流伝熱領域に導入するので、上昇流伝熱領域
で直ちに沸騰蒸発さぜることができるので、沸騰側伝熱
効率の向上と、液化酸素の循環に必要なヘッド差を増大
さけることができ、液化酸素循環ｍが増すため蒸発部分
での乾き領域の形成を防止して有効な保安対策を図るこ
とができる。

さらに運転能力の！、（Ｉ　ｉｌｌは、凝縮蒸発器の下
りに設けた凝縮液溜あるいは凝縮蒸発器の下部に連設し
たヘッダーから導出する凝縮液の石を調節して第二流体
室内の凝縮液量を変化させることにより、伝熱面積を制
御して蒸発凝縮能力を調節することがＣき、従来の制御
手段に木り法を加えることで幅広い制御を行うことが可
能となる。

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９ｆ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、製品の動力源中位を低減さＵること
ができる。７

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の凝縮蒸発器の第１実施例を
承りもので、第１図は複精留塔に組込んだ凝縮蒸発器の
酸素室部分を示ず断面図、第２図は同じく窒素室部分を
示す断面図、第３図は凝縮蒸発器におＧ−Ｊる温度分布
の説明図、第４図及び第５図は本発明の凝縮蒸発器の第
２実施例を示Ｊもので、第４図は酸素室部分を示す断面
図、第５図は窒素室部分を示づ断面図、第６図乃蓋第８
図は本発明の凝縮蒸発器の第３実施例を示すもので、第
６図は凝縮蒸発器の断面側面図、第７図は液媒加温室を
示す断面正面図、第８図は液媒蒸発室を示す断面正面図
、第９図及び第１０図は従来例を示すもので、第９図は
複精留塔に組込んだ凝縮蒸発器の酸素室部分を示す断面
図、第１０図は同じく窒素室部分を示す断面図である。 ６・・・上部塔　　１３・・・下部塔　　２０．５０゜
６０・・・凝縮蒸発器　　２２・・・酸素室　　２４，
６５・・・液媒溜　　２５・・・仕切棒　　２６・・・
下降流伝熱領域　　２７・・・上昇流伝熱領域　　２８
・・・連通路　　２９，３４．６４・・・伝熱体　　３
１．６８・・・窒素室　　３５・・・凝縮流路　　３６
・・・凝縮液流下路　　３７・・・ガス導入口　　３８
・・・凝縮液導出口　　３９・・・液切り部　　４２・
・・凝縮液出口ヘッダ−５１・・・凝縮液溜　　６１・
・・液媒加温室６２・・・液媒蒸発室　　６３・・・連
通管　　ＧＮ・・・窒素ガス　　Ｇｏ・・・酸素ガス　
　ＬＮ・・・液化窒素１０・・・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、該凝縮蒸発器の上部に液媒溜を設けるととも
   に、前記第一流体室に、液媒をその沸点近くまで加温し
   ながら第一流体室の下部に導入する下降流伝熱領域と、
   液媒をその沸点以上に加温して液媒の一部を蒸発させる
   上昇流伝熱領域とを設けて、該下降流伝熱領域と上昇流
   伝熱領域とを第一流体室下部で連通させるとともに、両
   路の上部を前記液媒溜に連通させ、前記第二流体室は、
   少なくとも一側端部を開口させてガス流体を導入するガ
   ス導入口を形成するとともに、該ガス導入口から凝縮液
   導出口に向かう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、前記第一流体室の下降流伝熱領域の伝熱面積は、該
   領域を流下する液媒が該領域の下端部で飽和温度となる
   ように設定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。 ３、前記複数の第一流体室は、その一部の室を下降流伝
   熱領域となる液媒加温室とし、残りの室を上昇流伝熱領
   域となる液媒蒸発室とするとともに、両室の下端部を連
   通路によりそれぞれ連通させ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記載の凝
   縮蒸発器。 ５、前記第二流体室は、上端部を閉塞するとともに両側
   端部及び下端部を開口させ、一方の側端部の開口をガス
   導入口とし、他方の側端部及び下端部の開口を凝縮液導
   出口としたことを特徴とする請求項１記載の凝縮蒸発器
   。 ６、前記第一流体室を、室内の上端部から下端部近傍に
   亘つて配設した２本の仕切棒により幅方向を３つの流路
   に区画形成し、中央部の流路を下降流伝熱領域とし、両
   側部の２つの流路を上昇流伝熱領域とするとともに、前
   記第二流体室は、幅方向両側端部を開口させてそれぞれ
   ガス導入口とし、第二流体室の幅方向中央部に前記第一
   流体室の下降流伝熱領域に対応させて下端部が開口した
   凝縮液流下路を設け、該凝縮液流下路に前記凝縮流路の
   凝縮液導出口を開口させたことを特徴とする請求項１記
   載の凝縮蒸発器。 ７、請求項１記載の凝縮蒸発器を運転するにあたり、前
   記液媒溜から導入されて第一流体室の下降流伝熱領域を
   流下中の液媒を、隣接する第二流体室のガス流体で該液
   媒の沸点以下の沸点付近温度にまで加温し、次いで上昇
   流伝熱領域に導入して前記ガス流体で液媒の沸点以上に
   加温して液媒の一部を蒸発させ、未蒸発の液媒を前記液
   媒溜から前記下降流伝熱領域に循環導入することを特徴
   とする凝縮蒸発器の運転方法。 ８、前記第一流体室の下降流伝熱領域を流下中の液媒が
   該領域の下端部で飽和温度となるように液媒供給量を調
   節することを特徴とする請求項７記載の凝縮蒸発器の運
   転方法。 ９、請求項１記載の凝縮蒸発器の運転に際して該凝縮蒸
   発器の凝縮蒸発能力を制御するにあたり、該凝縮蒸発器
   の下方に、前記第二流体室で凝縮して流下する凝縮液を
   溜める凝縮液溜を設け、該凝縮液溜から導出する凝縮液
   の量を調節して第二流体室の下部が凝縮液中に浸漬する
   量を変化させることを特徴とする凝縮蒸発器の運転方法
   。 １０、請求項９記載の凝縮液溜に代えて、凝縮蒸発器の
   下部に前記第二流体室で凝縮して流下する凝縮液を集合
   するヘッダーを連設し、該ヘッダーから導出する凝縮液
   の量を調節して第二流体室内の凝縮液量を変化させるこ
   とを特徴とする凝縮蒸発器の運転方法。