JPH0579775A - 熱交換による液体の気化法と、その機構からなる熱交換器、及び空気をその構成成分に分離する方法 - Google Patents

熱交換による液体の気化法と、その機構からなる熱交換器、及び空気をその構成成分に分離する方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダウンフロー熱交換器における煮沸方法と、
性能を向上させ、安全かつ有効な作業ができる配液強化
特徴を有する熱交換器自体に関するもので、煮沸流体の
コアーへの配液を入口だけで試みることなく排出口まで
試みることで異常配流を避け、それにより乾燥斑点を形
成させることなく煮沸全面の十分な浸潤を維持してほぼ
完全に蒸発させることにある。 【構成】 性能向上特性には、約０．２５以上の液体体
積分率を有する部分溢水障碍型配液域を備えることと、
熱伝導表面面積を調節して、リボイラー表面の少くとも
７５％に対し、液体被膜レイノルズ数を２０以上、しか
も１，０００以下に維持する。又、任意的に、熱交換器
の全長に沿って、様々な間隔をとって液体を中間供給し
て液体被膜レイノルズ数と中間再配液のさらに均一した
数値を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス混合物、詳しくは
空気の極低温蒸留プロセスに用いその構成成分に分離す
るダウンフローリボイラー（熱交換器）に関する。本発
明はさらに、前記ダウンフローリボイラーを用いる煮沸
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】空気分離工場設備の熱結合塔のリボイラ
ーは、一般に熱サイホン型のものである。多くの事例で
は、熱交換をする流体は高温側では相対的に純粋の窒素
で、一方低温側では酸素でその純、不純を問わない。窒
素はダウンフローで凝縮して、高圧塔の還流として役立
つ一方、前記酸素はアップフローで沸騰して、低圧塔の
煮沸に役立つ。高圧塔の圧力が窒素の流れを熱交換器の
凝縮側を通るよう流し、その後、凝縮窒素は定常水頭を
その圧力低下に相当する分を強めて、高圧塔に帰流させ
る。これに反し酸素側の流れは、本質的に全流体である
交換器の外側と、部分蒸気と部分流体である交換器の内
側との間の密度差により流される。熱交換器は通常、そ
の全部もしくは１部をそれが沸騰させる酸素に冠水させ
る。結果として出る冷却曲線は平行ではなく、この特色
が前記２流の導入温度を制限する。低圧塔の所定圧力に
とって、これは高圧塔を作動させる圧力と、それによっ
て主空気圧縮器の電力消費を増加させる。前記２流の温
度をもっと接近した平行の仕方で近づけられるような新
機軸があれば有利なものとなろう。上述の問題を、空気
分離塔の主リボイラー・凝縮器に関して記述したが、非
平行冷却曲線が他の空気分離工場設備もしくは、熱交換
器工業にも起こり得る。すべてのこのような状態にある
熱動力学的効率を、若干の技術上の修正により冷却曲線
を平行にさせて改良する可能性がある。
【０００３】特に大型の、さらにエネルギー効率のよい
空気分離工場設備に対する意欲が、伝統的な場たとえば
蒸留塔、圧縮器、ポンプ及び膨脹器で多数の進歩をもた
らした。熱交換器、詳しくはリボイラー・凝縮器も有意
の効率増大の場である。食品工業に通常用いられる流下
薄膜型蒸発缶が実証したのと全く同様に、ダウンフロー
煮沸の利点は、極低温空気分離工業にも価値あるものと
なり得る。数件の特許がこの概念を引用し又、次掲の詳
論はそれらの重要な特徴と、本発明が改善しようとする
試みを開示する欠点とを強調するものである。
【０００４】ヨーロッパ特許第０，３０３，４９２Ａ２
号は、煮沸の熱伝達係数を、金属及びプラスチック粒子
からなる伝熱コーチングで表面を噴霧することで増大さ
せる方法を開示する。説明では、プール型煮沸において
噴霧面が未噴霧面以上に利点がある一方、煮沸をダウン
フローで行うと、噴霧面が上記の双方に優る利点を示す
実験結果を引用している。又説明は特に、煮沸をダウン
フローで行う空気分離塔で用いるリボイラー・凝縮器を
引用している。煮沸液の配液は、単一段通路内配液の上
部からオリフィスを用いて行う。説明は、典型的な交換
器には、約１００ｍｍの面間隔に６ｍｍ高さのひれが付
属し、ひれとひれの間隔が２．５ｍｍである。
【０００５】米国特許第Ｒｅ３３，０２６号は、リボイ
ルの煮沸液、たとえば液体酸素を孔と、充填による微細
配液により連続走行液体膜を形成する前配液を組み込ん
だダウンフロー熱交換器を教示している。この原理は特
に、空気分離工場設備に適応している。前配液をオリフ
ィスで達成するのに対し、微細配液は、のこ歯状障碍型
（ｈａｒｄｗａｙ）ひれ板によるか、あるいは、主要面
に噴霧した液体又は、仕切り板により達成できる。水平
方向肋材による配液の強化についても述べている。
【０００６】オーストラリア国特許第２８５０９／７１
号では、煮沸液体供給から蒸気を形成するフラッシング
を発生させ、それにより、配液層に２相混合物を供給す
る制限、換言すればオリフィスを通す２段もしくは１段
配液を組み込んだリボイラー・凝縮器を開示している。
【０００７】米国特許第３，９９２，１６８号は、１つ
のコアーに凝縮器と整流器を入れた交換器を開示してい
る。本特許で開示されたコアーには、蒸気相と液相を煮
沸流れで蒸気がヘッダーから直接前記ひれ板に供給する
一方、前記液体が穿孔を通過してからそれが蒸気と再結
合を強いられるように分離させる装置がついている。こ
れらの穿孔のこのバックアップ上流は、米国再発行特許
第Ｒｅ３３，０２６号に類似する概略配液である。本発
明に述べられた別の特性は、煮沸側に沿ったひれ密度を
減らして、圧力低下を少なくし、それによって増大する
蒸気量に対応する。
【０００８】米国特許第４，６４６，８２２号は、２相
混合物を熱交換器通路への均等配液に用いられる混合装
置を開示している。前記混合装置は熱流と常温流の両流
に、そのおのおのが２相からなる時に適応させることが
可能である。アプローチは１相、好ましくは蒸気をコア
ーの一端において、ヘッダーからおのおのの通路に、他
方の相、好ましくは液体をヘッダーから、オリフィスの
有無に関係なく、後者の相が前者の相と混合するおのお
のの通路に導入することである。混合装置の下流のひれ
における圧力低下は、流体の均一配流を確実にすること
を示している。数件の実施例は、機械的細部の相違を示
しているが、目的は同じである。前記熱流と常温流を向
流の仕方で流れているものとして示している。コアーの
配向は、煮沸がアップフローもしくはダウンフローで起
こるかどうかの確認については明白に述べられていな
い。
【０００９】本発明は、それを、スロットを経由しヘッ
ダを通して分配された相が液相である場合のダウンフロ
ー煮沸の限られた事例で考察する時に限って適切であ
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上掲の従来技術のどれ
にも共通である欠点は、煮沸流体のコアーへの配流を入
口だけで試み、煮沸液体が、それがダウンフローで蒸発
するに従って、異常配流し、又乾燥斑点を形成する本来
的傾向がある。乾燥斑点が伝熱に有害であり、全煮沸面
の十分な浸潤を維持して、特にほぼ完全に蒸発させる必
要のあることは周知である。
【００１１】本発明の目的は、液体を第２流体の間の小
さい温度差以下に維持するよう設計された熱交換器で気
化させる方法の改良である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の目的はさらに、
液体を第２流体との熱交換で気化させる一方、液体と第
２流体の間の小温度差だけに維持する機構からなる熱交
換器の改良である。
【００１３】まず、本発明の方法で用いられる熱交換器
は、平行して垂直に伸びる通路でその中に全体的に垂直
波形のひれが備わる集成部品で形成された平行管状体か
らなる。液体を管の第１群に導入し、又第２流体を残り
の通路を構成する通路の第２群に導入する。前記液体を
前記通路の第１群の上部で、又その水平方向全長に亘っ
て配液する。本方法の性能を向上させる改良は次の３工
程からなる。第１工程においては、固定量配液域を設定
して、前記通路の第１群にある垂直波形ひれの上に保持
する。この配液域には障碍型ひれ板が備わる。第２工程
には、液体を下方方向に、又前記障碍型ひれ板の上を、
前記配液の利用できる量の少くとも２５％が液相になる
速度で通す。第３で最終工程では、液体を通路の第１群
にある概ね垂直の波形ひれの上を下方方向に薄膜として
通し、又、液体流量を局部液体膜が、前記全体に垂直の
波形ひれの７５％も上の方をレイノズル数で２０以上
１，０００以下を維持する速度で調節する。
【００１４】次に本発明における交換器には平行板の集
成体からなる平行管状体が備わり、それには複数の壁が
備わり、それにより、その間に、全体的に垂直波形のひ
れをその中に備える多数の平形垂直通路が画定される。
前記平形通路は、通路の第１群と通路の残りを構成する
通路の第２群からなる。交換器には、液体を通路の第１
群の上部で、又それの水平方向全長に亘る配液を掌る機
構が備わる。熱交換器の性能を向上させる改良は２つの
機構からなる。第１の機構は、液体の本質的に均一の膜
を前記通路の第１群にある全体的に垂直波形のひれの上
に形成させる機構である。第２機構は、前記通路の第１
群にある全体に垂直波形のひれの少くとも７５％の上の
部分の浸潤を向上させる機構である。
【００１５】改良された煮沸方法と熱交換器は特に空気
分離工程には有用である。このような方法において、煮
沸法は、高液体酸素流れの高液体窒素流体流れとの熱交
換による少くとも部分気化に用いられる。
【００１６】
【作用】ダウンフローの仕方で液体の煮沸には、通常の
熱サイホン方法を上回る利点が多数備わるが、それでも
熱伝達には害のある乾燥斑点の形成に繋がる不安定性が
ある。この有害性は、煮沸側液体の完全煮沸を試みる
時、特に本質的である。従って、伝熱面で十分な液体配
液を達成することと、交換器の全長に亘って細流を形成
する液体膜の傾向を最小限に止めることが必要である。
【００１７】本発明は、ダウンフロー煮沸熱交換器であ
ってそれに備わる特徴が、空気をその構成成分に分離し
ながら先行技術で周知の害の克服に用いられるような工
場設備の効率増進にダウンフロー煮沸の利点を十分に利
用できる設計に基因していることである。本発明の熱交
換器の主特徴は、液体の本質的に均一の膜を熱交換器の
煮沸通路にある伝熱面（ひれ）の上に形成する機構と、
前記熱交換器の煮沸通路にある伝熱面の少くとも７５％
の上の部分の浸潤の向上させる機構とにある。本発明は
さらに煮沸方法である。上述の諸目的を達成する本発明
の重要な機械的かつ方法の特徴は、数件の特定実施例を
参照して記述することが一番である。本発明にはまだま
だ多くの一般の利用性があるが、これらの実施例の詳論
を容易にするために、流体の煮沸と凝縮は定型的にはそ
れぞれ酸素と窒素を称していることである。
【００１８】
【実施例】
実施例１ 図１は本発明の熱交換器の第１の実施例の等距離図であ
る。図１を参照して、本発明は、液体を第２流体と熱交
換することで気化させる機構（交換器）２０からなる。
交換器２０は本質的に全体に垂直波形のひれ１７が備わ
る多数の平形、垂直通路を複数の壁が備わりその間に画
定される平行板２１の集成体からなる平行管状体であ
る。これらの通路は、通路の第１群１８と、通路の第２
群１９とからなる。
【００１９】交換器２０には、前記液体を前記通路の第
１群１８の上部で、それの水平方向全長に亘って配液す
る機構が備わる。液体を前記通路の第１群の上部で、又
それの水平方向全長に亘って配液するこれらの機構は、
前記通路の第１群１８の水平方向全長に沿って取り付け
られた複数の穿孔液体注入管７からなり、その場合、前
記穿孔は、その配向性、大きさ及び立地性とも前記液体
の本質的均一な配液に有効なものであることを特徴とす
る。液体は、ヘッダー６ａと６ｂによって液体注入管７
に供給される。
【００２０】交換器にはさらに、液体の本質的に均一の
被膜を通路の第１群１８にある概ね垂直波形のひれ１７
上に設ける機構１０である。機構１０は好ましくは障碍
型ひれ板である。これらの障碍型ひれ板であること。こ
れらの障碍型ひれ板１０は、垂直方向への流れに対する
有効な抵抗性があり、水平方向への流れに変えて交換器
の作動中の前記障碍型ひれ板上の液体膜が、前記障碍ひ
れ板の気孔空隙の少くとも２５％、好ましくは５０％を
占めるよう設計されている。この液体滞留の達成には、
好ましい障碍ひれ板は穿孔波形ひれ板である。
【００２１】交換器２０の上部角の拡大部分図を図１に
添付し注入管７と機構１０をさらに詳細に示した。
【００２２】通路の第１群１８の概ね垂直波形ひれ１７
はのこ歯状の流れ方向（ｅａｓｙｗａｙ）ひれ板であ
る。こののこ状流れ方向ひれ板を図１の下部拡大部分図
に示す。
【００２３】交換器２０には、前記通路の第１群１８に
ある全体に垂直波形のひれ１７の少くとも７５％の上位
部分の浸潤を向上させる機構である。好ましくは、前記
通路の第１群１８にある概ね垂直波形のひれ１７の少く
とも７５％の上位の部分の浸潤を向上させる機構は、次
掲の１つもしくは双方からなる。第１は、表面積の減少
してゆく複数の連続する全体的に垂直波形のひれ部１１
ａ、１１ｂ及び１１ｃは、熱交換器の作動中にレイノル
ズ数が２０以上、好ましくは５０、しかし１，０００以
下、好ましくは３００を、おのおのの部における液体膜
で維持できるよう設計されている。局部液体膜のレイノ
ルズ数を次掲のように定義する。すなわち： ［式中、Γは所定の高さにおける液体質量流量を浸潤に
利用できる周長で割ったものである。μは液体の動力学
粘度である］ 第２は、通路の第１群１８の前記通路の水平方向全長に
亘る垂直方向中間位置に付加液体を供給する機構１３で
ある。液体を前記機構１３にヘッダー１２ａと１２ｂを
通して供給する。付加液体導入の機構１３の位置を選択
して、熱伝導全長に亘りより均一な膜を定着させて十分
な性能を出す。
【００２４】交換器にはさらに、付加液体もしくは蒸気
の前記通路の第１群１８の上部への導入に利用できる機
構１５が備わる。
【００２５】交換器２０、特にこの交換器２０を用いる
方法による作動は、図２ａと２ｂの略図を使用してさら
に説明できる。図２ａと２ｂは、熱交換器コアーにある
典型的な酸素（１８）と窒素（１９）の通路である。
【００２６】図２を参照して、窒素蒸気をヘッダー１を
経由して入口配液ひれ２に供給し、そこからそれが熱伝
導ひれ３に沿って流れてから、排出配液ひれ４とヘッダ
ー５を経由して交換器を離れる。熱伝導ひれ３は全体的
に垂直波形のひれからなる。これらのひれを穿孔もしく
は、のこ歯形にしてもよい。
【００２７】液体酸素をヘッダー６ａと６ｂを経由し
て、受けひれ８の間に取り付けられた注入管７に供給す
る。注入管には前記酸素を通路に噴霧する穿孔が備わ
る。注入管による流れに対する抵抗は、液体酸素を頭部
タンク９に後退させて、酸素の均一通路／通路配液を確
実にする。これは、注入管の数、その内径、それに注入
管にある孔の配向、直径、ピッチと位置の適当な選択に
より達成される。
【００２８】これらの孔を経て供給される酸素はそこで
「障碍」の方向に配向されたひれ１０にふりかかる。障
碍は、ひれ板の方向が流体の流れに垂直である場合を意
味する。障碍型ひれ板での流れに対する抵抗は、酸素を
おのおのの個別通路の幅を横切って撒布させる。障碍型
ひれ板は、普通の作業条件のもとで、液体全量の少くと
も２５％、好ましくは５０％以上になるように選ぶ。こ
のような障碍形ひれ板は穿孔もしくはのこ歯形のもので
よいが、前者の方がその機械的単純さの点で好ましい。
【００２９】注意すべきことは、上述の２域が断熱され
ていることで、換言すれば、それらが窒素入口配液ひれ
２に対してさらに下がるまで、窒素に接触して熱交換を
開始しない。
【００３０】十分に配液された酸素がその後、熱伝導部
１１ａ、１１ｂと１１ｃ（そのおのおのが複式ひれかご
からなる）の上を大部分が膜のような流れで通過して煮
沸し始める。蒸発速度が膜厚さに敏感であるので、液体
酸素導入の補助機構を、中間注入ヘッダー１２ａと１２
ｂ、そして管１３によって設ける。このようにして、ひ
れ１１ａと注入管１３からの液体酸素は結合してひれ１
１ｂの上を流れる。上部と中間注入管７と１３に供給さ
れる酸素の速度を弁１４ａと１４ｂにより調節する。極
限の場合、均一の厚さの達成が重要でない時は、すべの
流れを上部管だけにより供給する。酸素通路の浸潤を向
上させるさらなる機構として、１１ａと１１ｂの連続か
ごに入れた熱伝導ひれを浸潤させる表面が少なければ少
いほど、ますます煮沸が行われるように選ぶことであ
る。これは、上部から下部に移動するに従い密度のどん
どんと低下するひれの使用、すなわち、熱伝導面積を縮
小して液体局部膜レイノルズ数を２０以上、好ましくは
５０以上、それでも１，０００以下、好ましくは３００
をリボイラー面の少くとも７５％に対して維持すること
で達成できる。液体膜レイノルズ数は典型的には２５０
以下である方がよい。この方法は十分に作動して、流れ
面積を増大して、蒸気流量の累進的増加に適応させる同
時必要性を満足させるが、熱伝導の表面積を最大化する
必要性に対しては平衡させる必要がある。 実施例２ 図３は図２ｂに示された実施例の窒素通路１９の変形で
ある。この実施例における窒素入口配液装置２５と２６
を交換器２０の上部に取り付けて、注入管７と障碍型ひ
れ板１０（図２ａ）が備わる酸素通路１８の部が断熱に
ならない、すなわち熱交換が行われるようにする。補助
熱交換は、飽和液体の障碍型ひれ１０への供給の調節気
化が通路内液体配液に有利である時、あるいは障碍型ひ
れ１０への供給が過冷液体である時に利用する必要があ
る。 実施例３と４ 実施例１と２の変形であって、中間注入管１３を除去し
て、機械的構造を単純化し、交換器の原価を低減させ
る。明らかに、これは液体配液のこのような２次機構が
重要でない状況に適応する。 実施例５ 実施例１乃至４の変形であって交換器の外側に酸素蒸気
を入口１５（図２ａ）を経由して調節の仕方で付加して
通路内側の液体配液を向上させる。
【００３１】実施例６ 実施例１乃至４の変形であって、交換器の内部で発生し
た酸素蒸気は、入口１５を経由して交換器の上部からだ
けでなく、交換器の下部からも逃散させ、それによる酸
素通路１８の圧力低下を最小限に止めることができる。 実施例７ 実施例１乃至４の変形では、又図２ａを参照して、上部
タンク９からの液体酸素は、入口１５を経由、ヘッダー
６ａと６ｂ及び注入管７を迂回して直接酸素通路に充満
できる。この迂回は、液体酸素が管路１６を経て充満す
るだけの高さの量に達する時に限り起こる。 実施例８ 実施例１乃至５の変形では、又図４を参照して、液体酸
素を交換器に沿って、それをその幅を横切って均一に再
分散させる１つ以上の装置３１により再配液する。蒸気
は再配液装置３１を通って流れる。これらの再配液器は
前記流れに垂直に配向された部分障碍である。再配液装
置１基当りの圧力低下は、０．００５乃至０．２ｐｓｉ
の範囲、好ましくは０．０１乃至０．０５ｐｓｉの範囲
である。実施例には、適切に選ばれた障碍型ひれが含ま
れている。
【００３２】上記の８実施例は、空気分離法の変形には
特に有用である。これらの実施例の用途は非常に広範で
ある。本質において、本発明の方法（と熱交換器）は、
少くとも１塔が備わり、液体高酸素流れを高窒素液体に
接触させる熱交換により部分的に凝縮させる極低温蒸留
塔装置を用いるいずれの空気分離法に使用できる。説明
を明確にするため、用語「高（ｒｉｃｈ）」を成分の修
飾に用いる場合（すなわち、高窒素）、それは、指定の
成分が主題の流れの主要（５０％以上）成分であること
を意味し、又、用語「濃縮（ｅｎｒｉｃｈｅｄ）」を成
分の修飾に用いる場合（すなわち、酸素濃縮）は、主題
の流れ中の指定成分に、空気中のその濃縮よりも大きい
濃縮を有することを意味する（たとえば、酸素濃縮の意
味は、酸素の濃度が容量比で２１％等値以上ということ
である。）これらの実施例の使用については、異なる圧
力で作動する少くとも２塔からなり、その２塔を熱統合
した極低温蒸留装置を使用する気体酸素生成物を主とし
て生産する空気分離法を詳論する方が十分に説明でき
る。図５は、本発明を用いるこのような空気分離法の部
分の略図を示す。図５を参照して、圧縮して冷却した供
給空気を高圧塔４０（塔の１部しか図示していない）で
精留して高圧窒素オーバーヘッドと粗液体酸素残液を生
産する。前記高圧窒素オーバーヘッドを塔４０から管路
４１を経由して除去して、低圧塔５０の下部に取り付け
られたリボイラー・凝縮器２０にヘッダー１に供給す
る。リボイラー・凝縮器で前記高圧窒素オーバーヘッド
を塔４０からの煮沸液体酸素に接触させる熱交換により
凝縮する。前記凝縮窒素をヘッダー５を経由して管路４
２に除去し、その後、２部分に分離する。第１部分は管
路４３にあって、それを塔４０に戻して還流させる。第
２部分は管路４４にあって、それを工程から液体窒素生
成物として除去できる。
【００３３】リボイラー・凝縮器２０で煮沸される液体
酸素を塔４０の下部トレーから上部タンク９に収集す
る。液体酸素を上部タンク９から管路５１を除去して、
ヘッダー６ａと６ｂに、又、任意にヘッダー１２ａと１
２ｂに供給する。使用する場合は、ヘッダー１２ａと１
２ｂへの流れを弁１４ａと１４ｂで調節することにな
る。リボイラー・凝縮器２０で、大量の液体酸素が沸騰
し、その気体酸素と、僅かな未気化液体酸素も下部から
除去する。気体酸素は塔を上昇し、蒸気煮沸を発生させ
る。未煮沸液体を塔４０の下部で溜めに収集する。この
液体酸素はパージ又は生成物流れとして管路５２を経由
して除去できる。
【００３４】上記の詳論は、液体及び蒸気酸素が、液体
酸素どころかむしろ主として気体酸素を生産する空気分
離工場設備の交換器に配液する方法を説明する。しか
し、液体酸素を生産するか、あるいはそれにもかかわら
ずポンピングした液体酸素サイクルを用いる空気分離設
備を用いると、ポンプの有用性が未気化液体酸素の若干
量を上部タンクに再循環して戻す可能性を生じさせる。
これが、図６に示された補助的方法のもとになってい
る。熱交換器コアーを出る液体酸素の部分は、ポンプ５
３により、弁５５、５６、５７及び５８のいずれかもし
くは全部を経由して再循環させ、それにより最上の浸潤
及び熱伝導性能を達成できる。
【００３５】
【発明の効果】本発明は、熱交換器たとえば空気分離工
場設備で用いられるものでの煮沸及び凝縮流れが、ダウ
ンフローにおける低温流れを煮沸することで普通の熱サ
イホンにおけるよりも平行により近い、従ってより接近
した仕方で温度接近を達成させる。このより近い温度接
近は工場の電力消費を低減させる。本発明はさらに、煮
沸流れの流量を調節して熱交換器の能力を最適条件にさ
せる機械的及び方法の特徴を記述する。それは、煮沸液
体を均一の被膜流れにして交換器の熱伝導部全部に亘っ
て配液ならびに保持することで動作する。上部タンクか
らの液体酸素を注入管の制御抵抗を用いて全煮沸通路に
均一に供給する。通路の内側に入ると直ちに、全体的も
しくは部分的に溢水した障碍型ひれを用いて液体酸素を
おのおのの通路の幅を横切って配液する。熱伝導部にお
ける下降被膜が、それが沸騰して徐々に薄くなるに従っ
て、ひれの密度を累進的に低下させて、設計条件に従っ
て、被膜のどの部分にも臨界液体被膜レイノルズ数以下
にならないようにする。誤った、不定常かもしくはなに
か他の設計にない作業条件で起った被膜破壊の原因に対
しては、作業中の流量の調整や、浸潤を十分に回復させ
るなどいくつかの対策を行う。これらの対策には、コア
ーの上部での蒸気導入と、コアーの全長に沿うちがった
位置で液体酸素供給を導入することも含まれている。本
発明は又、コアーの上部から気体酸素を除去して圧力低
下を減らすか、あるいは電力消費を最小限に止めること
ができる。さらに、実施例２は、障碍型ひれ部における
蒸気発生を凝縮窒素に接触させる交換により調節して通
路内部の配液を向上させる。さらに、実施例８は、熱交
換器の全長に沿って液体再配液装置は頻繁に用いてい
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器の好ましい実施例の等距離図
である。
【図１ａ】穿孔液体注入管部分の斜視図である。
【図１ｂ】垂直波形ひれ部分の斜視図である。
【図２ａ】図１に示された熱交換器の液体通路の略図で
ある。
【図２ｂ】図１に示された熱交換器の第２流体通路の略
図である。
【図３】本発明の第２流体通路の代案実施例の略図であ
る。
【図４】本発明の液体通路の代案実施例の略図である。
【図５】本発明を空気分離方法に組み込んだ一実施例の
略図である。
【図６】他の実施例の図５相当図である。
【符号の説明】
１ ヘッダー ２ 流入配液ひれ ３ 熱伝導ひれ ４ 排出配液ひれ ５ ヘッダー ６ａ ヘッダー ６ｂ ヘッダー ７ 穿孔液体注入管 ８ 受けひれ ９ 頭部タンク １０ 機構（均一被膜付与） １１ａ 垂直波形ひれ部（小かご） １１ｂ 垂直波形ひれ部 １１ｃ 垂直波形ひれ部 １２ａ ヘッダー（中間注入ヘッダー） １２ｂ ヘッダー １３ 機構（付加液体導入） １４ａ 弁 １４ｂ 弁 １５ 機構（入口） １６ 管路（あふれ） １７ 垂直波形ひれ １８ 通路の第１群 １９ 通路の第２群 ２０ 交換器（リボイラー・凝縮器） ２１ 平行板 ２５ 窒素入口通路 ２６ 窒素入口通路 ３１ 再配液装置 ４０ 高圧塔 ４１ 管路（高圧窒素オーバーヘッド） ４２ 管路（凝縮窒素） ４３ 管路（第１部分） ４４ 管路（第２部分） ５０ 低圧塔 ５１ 管路（液体酸素） ５２ 管路（パージ又は生成物流れ） ５３ ポンプ ５５ 弁 ５６ 弁 ５７ 弁 ５８ 弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダグラス．レスリー．ベネツト アメリカ合衆国．18103．ペンシルバニア 州．アレンタウン．メープルウツド．サー クル．1956 (72)発明者 ダン．マイケル．ヘロン アメリカ合衆国．18051．ペンシルバニア 州．フオーゲルスヴイレ．ピーチ．レー ン．8228 (72)発明者 ケイス．アラン．ルードウヴイツク アメリカ合衆国．18049．ペンシルバニア 州．エマウス．ミリアム．ドライブ．1029 (72)発明者 エドウイン．チヤールズ．ログスキー アメリカ合衆国．18032．ペンシルバニア 州．カタサウクア．ウオルナツト．ストリ ート．639 (72)発明者 スワミナサン．サンダー アメリカ合衆国．18104．ペンシルバニア 州．アレンタウン．スプリングウツド．エ ステイツ．ヘレン．ドライブ．6009

Claims (34)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第２流体と熱交換器を用いる熱交換によ
    る液体の気化法であって、前記交換器が、前記液体と第
    ２流体の間の小温度差だけに維持するよう設計されてお
    り、又全体的に垂直波形ひれが中に備わる平行垂直に伸
    びる通路の集成体により形成される平行管状体からなる
    ことと、前記液体を通路の第１群に導入し、前記第２流
    体を残りの通路を構成する通路の第２群に導入すること
    と、 前記液体を前記通路の第１群の上部で、それの水平全長
    に亘って配液する液体の気化法において、その性能を向
    上させるため、 (a) 前記通路の第１群にある垂直波形ひれの上に配置さ
    れた障碍型ひれ板を包含する固定容積配液域を設定、保
    持する工程と、 (b) 前記液体を下方方向に、かつ前記障碍型ひれ板を越
    えて、前記配液域の利用できる容積の少くとも２５％が
    液相になるような速度で通過させる工程と、 (c) 前記液体を前記通路の第１群にある全体的に垂直波
    形のひれを下方方向に越え薄膜として通過させ、前記液
    体流量を、前記全体的に垂直波形のひれの７５％の上位
    の部分に亘って２０以上、１，０００以下の局部液体膜
    レイノルズ数を維持する速度に調節する工程と、 からなる液体の気化法。
  2. 【請求項２】 前記液体流量を調節して、前記液体を通
    路の第１群にある全体的に垂直波形のひれを越えて通過
    させることにより局部レイノルズ数を維持することと、
    前記全体的に垂直波形ひれが、表面面積が減少してゆく
    複数の連続全体的に垂直波形のひれ部からなることを特
    徴とする請求項１の気化法。
  3. 【請求項３】 前記気化法が、前記通路の第１群の通路
    の上部の水平方向全長に沿って取り付けられた複数の穿
    孔液体注入管により導入することからさらになり、前記
    穿孔が、有効な配向、大きさ、そして取り付け位置のも
    のとし、それによって前記液体を前記通路の第１群の水
    平方向長さに沿って本質的に均一に配液させることを特
    徴とする請求項１の気化法。
  4. 【請求項４】 前記気化法が、有効量の付加液体を、前
    記通路の第１群の通路の水平方向全長に亘り、通路の垂
    直方向長さに沿う中間位置で導入し、それによって液体
    膜が不均一にならないようにすることからさらになるこ
    とを特徴とする請求項１の気化法。
  5. 【請求項５】 前記気化法が、付加液体を前記通路の第
    １群の通路の上部に導入することからさらになることを
    特徴とする請求項１の気化法。
  6. 【請求項６】 前記液体を前記障碍型ひれ板を下方方向
    に越して、前記配液域の利用できる容積の少くとも５０
    ％が液相になるような速度で通過させることを特徴とす
    る請求項１の気化法。
  7. 【請求項７】 前記気化法が、前記液体を前記通路の第
    １群の複数の通路の垂直方向長さに沿う少くとも１つの
    個所に、おのおのの通路にある再配液器で、それが０．
    ００５乃至０．２ｐｓｉの範囲の１再配液器当りの圧力
    低下を有する液体の流れに垂直に配向された部分障碍物
    からなる再配液器により再配液することからさらになる
    ことを特徴とする請求項１の気化法。
  8. 【請求項８】 前記再配液器が障碍型ひれ板からなるこ
    とを特徴とする請求項７の気化法。
  9. 【請求項９】 前記第２流体から熱を前記配液域にある
    液体に伝導させることを特徴とする請求項１の気化法。
  10. 【請求項１０】 液体を第２流体で熱交換しながら、前
    記液体と流体間の小温度差に止めておいて気化する方法
    からなる熱交換器であって、前記熱交換器には、複数の
    平行板の集成体からなる平行管状体を備え、それには複
    数の壁を備えてその間に、全体的に垂直波形のひれをそ
    の中に備える多数の垂直通路が画定され、前記平板通路
    が通路の第１群と、通路の残りを構成する通路の第２群
    からなり、前記交換器には、前記液体を前記通路の第１
    群の上部において、かつそれの水平方向長さ全体に配液
    する熱交換器においてその性能を向上させるため、 (a) 前記通路の第１群にある全体的に垂直波形のひれの
    上に液体の本質的均一の膜を形成させる機構と、 (b) 前記通路の第１群にある全体的に垂直波形のひれの
    少くとも７５％の上位の浸潤を向上させる機構と、 からなる熱交換器。
  11. 【請求項１１】 前記通路の第１群の上部でそれの水平
    方向全長に亘って液体を導入する機構が、前記通路の第
    １群の水平方向長さに沿って取り付けられた複数の穿
    孔、液体注入管からなり、前記穿孔を有効な配向、大き
    さ、そして取り付け位置のものとし、それによって前記
    液体を本質的に均一に配液させることを特徴とする請求
    項１０の熱交換器。
  12. 【請求項１２】 前記通路の第１群にある前記全体的に
    垂直波形のひれに本質的に均一の液体膜を形成させる前
    記機構が、障碍型ひれ板からなることを特徴とする請求
    項１０の熱交換器。
  13. 【請求項１３】 前記障碍型ひれ板には垂直方向の流れ
    に対する有効な抵抗が備わり、流れを水平方向に流して
    交換器の作動中に前記障碍型ひれ板上の液体膜が、前記
    障碍型ひれ板の気孔空隙の少くとも２５％を占めるよう
    にすることを特徴とする請求項１２の熱交換器。
  14. 【請求項１４】 前記障碍型ひれ板は穿孔波形ひれ板で
    あることを特徴とする請求項１２の熱交換器。
  15. 【請求項１５】 前記通路の第１群にある全体的に垂直
    波形のひれの少くとも７５％の上位の部分の浸潤を向上
    させる機構が、表面面積が減少してゆく複数の連続全体
    的に垂直波形のひれ部からなることを特徴とする請求項
    １０の熱交換器。
  16. 【請求項１６】 おのおのの部の表面面積が減少してゆ
    く前記複数のひれ部には有効表面面積を備え、それによ
    って熱交換器の作動中、２０以上、１，０００以下の局
    部液体膜レイノルズ数をおのおのの部の液体膜に対して
    維持させることを特徴とする請求項１５の熱交換器。
  17. 【請求項１７】 前記全体的に垂直波形のひれがのこ歯
    状流れ方向ひれ板からなる請求項１５の熱交換器。
  18. 【請求項１８】 前記熱交換器が、付加液体を前記通路
    の第１群の垂直方向中間個所で、前記通路の水平方向全
    長に亘って導入する機構からさらになることを特徴とす
    る請求項１０の熱交換器。
  19. 【請求項１９】 付加液体導入の機構の取り付け位置を
    選んで、熱伝導面全面に亘る膜の厚さの均一性を改良す
    ることを特徴とする請求項１８の熱交換器。
  20. 【請求項２０】 前記熱交換器が、前記通路の第１群の
    通路の上部に付加液体を導入する機構からなることを特
    徴とする請求項１０の熱交換器。
  21. 【請求項２１】 前記熱交換器が、前記通路の第１群の
    垂直方向に沿う少くとも１つの個所に前記液体を再配液
    することからさらになることを特徴とする請求項１０の
    熱交換器。
  22. 【請求項２２】 前記液体を再配液する機構が、０．０
    ０５乃至０．２ｐｓｉの範囲の圧力低下のある液体流路
    に垂直に配向された部分障碍からなることを特徴とする
    請求項２１の熱交換器。
  23. 【請求項２３】 前記液体流れに垂直の部分障碍が、障
    碍型ひれ板からなることを特徴とする請求項２２の熱交
    換器。
  24. 【請求項２４】 前記障碍型ひれ板は、穿孔ひれ板であ
    ることを特徴とする請求項２２の熱交換器。
  25. 【請求項２５】 前記障碍型ひれ板上の液体膜は、前記
    障碍型ひれ板の気孔空隙の少くとも５０％を占めること
    を特徴とする請求項１５の熱交換器。
  26. 【請求項２６】 前記液体膜レイノルズ数が５０乃至３
    ００であることを特徴とする請求項１３の熱交換器。
  27. 【請求項２７】 空気をその構成成分に分離する方法で
    あって、前記分離を少くとも１つの蒸留塔からなる極低
    温蒸留塔装置で行うことと、高窒素流体流れを酸素濃縮
    液体流れに接触させて熱交換し、それによって前記酸素
    濃縮流体流れを、前記酸素濃縮流れと高窒素流体流れの
    間の小温度差に止めるよう設計された熱交換器により少
    くとも部分気化させることと、前記熱交換器が、平行垂
    直方向に伸びる通路の集成体により形成され、その中に
    全体的に垂直波形のひれを備える平行管形体からなるこ
    とと、前記酸素濃縮液体流れを通路の第１群に導入し、
    又、前記高窒素流体流れを、残りの通路を構成する通路
    の第２群に導入することと、前記酸素濃縮液体流れを前
    記通路の第１群の上部で、それの水平方向全長に亘って
    配液する空気分離方法において、性能を向上するため、 (a) 前記通路の第１群にある前記垂直波形ひれの上に配
    置された障碍型ひれが入った固定容積配液域を設定、保
    持する工程と、 (b) 前記酸素濃縮液体流れを下方方向前記障碍ひれ板の
    上に、前記配液域の利用できる容積の少くとも２５％が
    液相になるような速度で通過させる工程と、 (c) 前記酸素濃縮液体流れを、前記通路の第１群にある
    全体的に垂直波形のひれの上を薄膜として通過させ、
    又、前記酸素濃縮液体流れの流れを、２０以上、１，０
    ００以下の局部液体膜レイノルズ数を前記全体的に垂直
    波形のひれの７５％の上位の部分に亘る速度に調節する
    工程と、 からなる空気分離法。
  28. 【請求項２８】 前記分離法が、熱交換器の下部をでる
    僅かな未気化酸素濃縮液体も収集することと、前記収集
    液体の少くとも１部分を前記熱交換器に再循環して戻し
    て気化させることを特徴とする請求項２７の空気分離
    法。
  29. 【請求項２９】 前記収集液体の前記部分を用いて付加
    液体を前記通路の第１群の複数の通路の水平方向全長に
    亘り、前記通路の垂直方向に沿う中間個所で供給し、そ
    れによって膜の厚さを熱伝導表面全面に亘って均一性を
    改良することを特徴とする請求項２８の空気分離法。
  30. 【請求項３０】 前記分離を、異なる圧力で動作する少
    くとも２つの蒸留塔からなる極低温蒸留塔装置で行うこ
    とと、空気を圧縮してその露点に冷却し、前記２つの蒸
    留塔の圧力の高い方の塔に供給して、第１の窒素オーバ
    ーヘッドと粗液体酸素残液になるよう精留することと、
    前記粗液体酸素残液を前記２つの蒸留塔の圧力の低い方
    の塔に供給して第２窒素オーバーヘッドと第２液体酸素
    残液に蒸留することと、前記高、低両圧の塔を互いに熱
    連絡させることと、前記高窒素流体流れが前記第１窒素
    オーバーヘッドであり、又前記酸素濃縮液体流れが第２
    液体酸素残液であることとを特徴とする請求項２７の分
    離法。
  31. 【請求項３１】 前記分離を単一極低温蒸留で実施する
    ことと、空気を圧縮し、その露点に冷却して蒸留塔に供
    給して窒素オーバーヘッドと粗液体酸素残液に精留する
    ことと、蒸留塔の還流を、前記窒素オーバーヘッドの少
    くとも１部を前記粗液体酸素残液に接触させて凝縮し
    て、それによって前記粗液体酸素残液の少くとも１部を
    熱交換器で気化することと、前記窒素オーバーヘッドが
    高窒素流体流れであり、又前記粗液体酸素が前記酸素濃
    縮液体流れであることとを特徴とする請求項２７の空気
    分離法。
  32. 【請求項３２】 前記分離法が、有効量の付加酸素濃縮
    液体を前記通路の第１群の水平方向全長に亘って、前記
    通路の垂直方向長さに沿う中間個所で導入して、それに
    より液体膜が不均一にならないようにすることからさら
    になる請求項２７の空気分離法。
  33. 【請求項３３】 前記分離法が蒸気を前記通路の第１群
    の上部に導入して、液体の配液をさらに容易にすること
    からさらになる請求項１の気化法。
  34. 【請求項３４】 前記局部液体膜のレイノルズ数の範囲
    が５０乃至３００であることを特徴とする請求項１の気
    化法。
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