JPH0668434B2 - 蒸発器 - Google Patents

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
換を行ない、第一流体室の液媒を蒸発させる蒸発器に関
する。

〔従来の技術〕

従来の蒸発器の代表例として、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について説明す
ると、該凝縮蒸発器は、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され、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用いられて
おり、酸素室は上下端部で開放され、上部塔の底部空間
に溜まる液媒（液体酸素）中に浸漬されることにより液
体酸素で満たされる。そして、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、窒素ガスは凝縮して
液体窒素となり、液体酸素は蒸発して酸素ガスとなるよ
うに構成されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の凝縮蒸発器の酸素室は、液体酸素
に浸漬されて用いるため、液深の液圧による液体酸素の
沸点上昇（約１℃／ｍ）を生じ、凝縮蒸発器の下部は上
部よりも沸点が高く、その分窒素の凝縮温度と液体酸素
の沸点との温度差を縮めている。

凝縮蒸発器の窒素側と酸素側の温度差は通常１〜２℃と
なっているので、上記液体酸素の沸騰温度上昇は凝縮蒸
発器の性能上大きな問題となっている。

即ち、下部塔を5kgf／cm²Gで運転するためには、凝縮蒸
発器高さを約2m迄にしないと適正な能力を発揮できず、
能力を上げるために凝縮蒸発器高さを高くとると、液体
酸素の液深を増加させ、沸点が上昇するので、下部塔運
転圧力を高め窒素ガスの凝縮濃度を高めることにより、
液体酸素の沸点との温度差を保たねばならなくなるか
ら、これを避けるため、塔の径を太くして配置基数を増
さねばならず、塔の製作が面倒になるとともに、塔の製
作コストを上昇させていた。

上述した如く、液体酸素の液深による沸点上昇は、下部
塔運転圧力に影響を与えている。即ち下部塔運転圧力
は、下部塔頂部の飽和窒素ガスの凝縮温度を決定してお
り、この凝縮温度を下げるためには、液体酸素の温度を
下げる必要がある。

一方、空気分離装置の動力は原料空気の圧縮、即ち下部
塔圧力までの昇圧にほとんど消費されているので下部塔
をより低圧で運転することが出来れば動力書が削減でき
る。しかし、凝縮蒸発器の蒸発側を液体酸素中に浸漬す
る従来の構造では、必ず液ヘッドによる液体酸素の沸点
上昇効果分は下部塔圧力の低下が制限されてしまうと言
う欠点がある。

さらに、凝縮蒸発器を設置している上部塔底部の空間に
液体酸素を溜めなければ凝縮蒸発器の能力を十分に発揮
できないため、凝縮蒸発器が液体酸素中に浸漬するまで
は下部塔還流液となる液体窒素の凝縮液も、また液体酸
素の蒸発による上部塔上昇ガスも発生しないから精留作
用が開始されず、無駄な待ち時間（起動時間）となり、
この間は動力費の損失となる。

本発明は、第一流体室と第二流体室との温度差を極小と
した場合でも、十分な蒸発性能を発揮できる蒸発器の構
造改良に関するものであり、空気分離装置について言え
ば、高さ方向の形状的制限を無くして大型空気分離装置
用精留塔の上下部塔の一体構造化を可能とし、液体酸素
中に浸漬せずに熱交換でき、液深による液圧を減少して
液体酸素の沸点の上昇を著しく低減することにより、原
料空気の圧縮圧力を低下させて動力費を削減し、かつ起
動時間を短縮できる凝縮蒸発器を提供することを目的と
する。

〔課題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
仕切板により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、前記第二流体室の流体と
で熱交換を行なう蒸発器において、前記第一流体室に上
下多段に複数の伝熱板を配置して液媒の流路を形成し、
該流路の一端は開放とし、他端側に該流路と連通し、上
部を開放した複数の液溜を上下多段に設けるとともに、
液媒を各段の液溜に供給させながら前記流路に導入して
熱交換させるように構成したことを特徴としている。

〔作 用〕

したがって、液深による沸点上昇を大幅に低減し得、ま
た蒸発器の高さを高くして伝熱面積の増加を図れるた
め、高さ方向の形状的制限が無くなり、さらに起動時間
も短縮できる。

〔実施例〕

以下、本発明を、第一流体室の蒸発する液媒を酸素、第
二流体室の流体を凝縮する窒素とした例につき、第１図
乃至第７図に基づいて説明する。

まず、第１図は蒸発器の１種である凝縮蒸発器の全体斜
視図であり、一部切欠いて第一流体室である酸素室の内
部構造を図示してある。第２図は酸素室を示す断面図で
あり、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１は、上下あるいは両側のサイドバー2,3に
より接合された多数の垂直方向平行な仕切板４により第
一流体室５（以下酸素室という）と第二流体室６（以下
窒素室という）とを交互に多数積層して形成されてお
り、該酸素室５の液媒（以下液体酸素LOという）と窒素
室６を流れる流体（以下窒素ガスGNという）とで熱交換
を行なうものであり、一側部には複数の液溜７が上下多
段に配設されている。

窒素室６は、従来の装置と略同様に構成されるもので、
仕切板4,4と仕切板両側のサイドバー3,3とによって構成
され、上部には窒素ガスGNを導入するための入口ヘッダ
ー８と入口配管９を設け、下部には凝縮した液体窒素LN
を集合するための出口ヘッダー10と出口配管11、及び窒
素ガスGN中に含まれるヘリウムガス等の不凝縮ガスGXの
排出管12を設けている。

入口ヘッダー８から各窒素室６に分配された窒素ガスGN
は、窒素室６内に垂直に配設された有孔波形伝熱フィン
からなる伝熱板13内を、隣接する酸素室５の液体酸素LO
と熱交換しながら凝縮液化して流化し、出口ヘッダー10
に集合する。

一方、窒素室６と気密に仕切られる酸素室５は、仕切板
4,4と上下のサイドバー2,2とにより形成され、その内部
に流路14を形成する複数の伝熱板15を上下多段に配置し
ているもので、流路14の一端は前記液溜７と連通してお
り、他端14aを開放して酸素ガスGOのガス出口としてい
る。

上記伝熱板15は、前記仕切板4,4の間を区切るもので、
各段につき１枚づつ用いても良いが通常は波形伝熱フィ
ンを用いる。本実施例ではこの伝熱板15は波形伝熱フィ
ンを用い、その折り曲げ線を液溜７側から流路14の他端
14aに向けて昇り勾配を有するように傾斜させて垂直方
向に多段に配置し、上下の伝熱板15の傾斜面間を液体酸
素LO及び酸素ガスGOの流路14としており、一つの液溜７
に対し上下複数の流路14が連通している。

上下多段に配設された液溜７は、上部を開放した箱状に
形成されており、その一側を酸素室５側に開放して前記
流路14と連通させ、最下段の液溜7aを除いてオーバーフ
ロー管16を設けて液体酸素LOを順次下段の液溜７に流下
させているもので、上下の隣接する液溜７間は間隔17を
開けて配設される。

この液溜７間の間隔17により、液体酸素LOは各液溜７で
酸素室５の気体側に圧力を開放されて液体酸素LOの雰囲
気圧力は全段同一となり、液深が小さくなって液圧によ
る沸点の上昇がほとんど無くなり、凝縮蒸発器１を高く
することが可能となる。

最上部の液溜７に導入された液体酸素LOの一部は、前記
流路14に流入し、伝熱板15及び仕切板４を介して隣室の
窒素室６を流れる窒素ガスGNと熱交換し、その一部が蒸
発して酸素ガスGOの気泡となり、液体酸素LOと共に流路
14を上昇後、端部14aで液体酸素LOと分離して上昇し、
蒸発しなかった液体酸素LOは下方に流下する。

また、残部の液体酸素LOは、オーバーフロー管16により
順次下段の液溜７に流下して各流路14に流入し、各流路
14に流入する以上の液体酸素LOは最下段の液溜7aの側壁
からオーバーフローして流下する。

各流路14の傾斜角度は接続する液溜７の深さや流路14の
長さ等により選定される。流路14は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流路14から流出
し易いとともに、狭い流路14内の気泡が、気泡間に液体
酸素LOを同伴して流動を促進し、熱伝達率を高める。

上記実施例では流路14を昇り勾配に形成したので、蒸発
した酸素ガスGOの気泡がその浮上力で液体酸素LOの流動
を促進して他端14a側から流出する。そのため、液体酸
素LOの蒸発が効果的に行われ無駄に流下するのを防止で
き、蒸発した酸素ガスGOの滞留も生じないので凝縮蒸発
器１の効率を向上させる。

なお、流路14の昇り勾配の形成方法としては、流路14を
水平に配置した蒸発器全体を傾けて設置してもよい。

液体酸素LOの各流路14への流入量は、液溜７の液深を調
節すること、あるいは流路14の流路長や傾斜あるいは開
口断面積を調節することにより行う。

尚、最上部の流路14b及び最下部の流路14cは一端が閉じ
ているのでこの部分の伝熱板15としては流路14間が連通
している有孔板等を用いて酸素ガスGOの滞留を防止する
ことが好ましい。

第３図及び第４図（第４図は第３図のIV−IV矢視図であ
る）に示す酸素室18は、前記の最上部の流路14b及び最
下部の流路14cを閉じるスラントバー19を配置して窒素
室６と連通させ、酸素ガスGOの滞留部を無くす例を示し
ている。

また第３図及び第４図に示す液溜20は、上部に堰21を有
する側壁20aを斜辺とした逆台形状に形成され、該堰21
から順次下段の液溜20に液体酸素LOを流下させるもの
で、斜辺部の側壁20aで流化する液体酸素LOを受けると
ともに気体側に圧力を開放し、前述のオーバーフロー管
16と同一の機能を有する。尚、第３図に示すように酸素
室にスラントバー19を配置した場合、液溜20のオーバー
フロー手段を堰21に限定するものではなく他の方法によ
っても良い。

第５図に示す酸素室22は、液溜への液体酸素LOの供給方
法の他の実施例を示している。酸素室22の液体酸素LOの
入口側端部に前述の液溜と同様に気体側に圧力を開放さ
れた液溜23を上下多段に設けている。更に液溜23の各々
は連通管25を介してマニホールド管24と連結されてお
り、マニホールド管24の上端には液受け26を設けてい
る。各液溜23に供給する液体酸素LOを、液受け26に供給
することにより、マニホールド管24,連通管25を介して
全ての液溜23に配分供給することができる。マニホール
ド管24内の液ヘッドによって、各液溜23への供給量が異
なるのを防止し、均等量を配分供給するために、連通管
25の流路断面積を液ヘッドの高低相当分だけ増減させて
いる。上記手段によって液ヘッドによる沸点上昇の少な
い液体酸素LOを酸素室22に均等に供給することができ
る。

勿論、液溜23への液媒供給手段を、液溜23のオーバーフ
ローと連通管25とを組合わて構成してもよい。

第６図及び第７図は、前記の凝縮蒸発器１を複精留塔に
設置した例を示すもので、第６図左側の凝縮蒸発器は酸
素室部分を、右側は窒素室部分を示しており、第７図は
第６図のVI−IV断面を示している。

凝縮蒸発器１は、複精留塔30の上部塔31と下部塔32を仕
切る隔板33上の窒素ガス主管34を中心とした円周上に４
基並列に収納設置されており、酸素室５及び液溜７は上
部塔31の気体空間35に開放されている。

各凝縮蒸発器１と窒素ガス主管34の間には各段一体に連
通する液溜7,7が配設され、最上部の液溜７には液体酸
素の導入管36が挿入されている。

窒素ガスGNは下部塔32頂部から窒素ガス主管34を上昇し
て各入口ヘッダー８から窒素室６に導入され、酸素室５
の液体酸素LOと熱交換して凝縮液化し、出口ヘッダー10
に集められて下部配管32から導出される。

一方、上部塔31の精留板38最下段から導入管36を通っ
て、凝縮蒸発器１の最上段の液溜７に流入した液体酸素
LOは、前述のごとく一部が酸素室５の流路14に流入し、
窒素室６の窒素ガスGNと熱交換して蒸発し、酸素ガスGO
となり流路14を流れて端部14aから流出し、上部塔31の
上昇ガスとなるとともに、一部は製品酸素ガスGOとして
配管38から採取される。

蒸発しない過剰の液体酸素LOは流路14の端部14aから流
下し、隔板33上に溜まり配管39から導出され、その一部
は製品として採取され、他は液体酸素ポンプ、あるいは
サーモサイフォンリボイラー等によって揚上され、上部
の配管40から再び液溜７に循環される。

前述のごとく液体酸素LOは各液溜７から各流路14に流入
して熱交換を行ない、それ以上の液体酸素LOがオーバー
フロー管16により順次下段の液溜７に流下するもので、
最下段の液溜7aからは隔板33上に流下する。

また、液体酸素LOが酸素室５内で完全に蒸発して、流路
14にアチセレンが析出しないように、過剰な液体酸素LO
を流して常時流路14を液体酸素LOで洗うことが好まし
く、過剰の液体酸素LOが流下していることを知るため
に、隔板33上に溜まっている液体酸素LOの量を液面計41
により計測する。

このように、液体酸素を流下させるので、液圧による沸
点上昇がなくなるため、流体室間の温度差を極小とする
ことが可能となり、窒素ガスのように凝縮する流体では
その凝縮温度を低下させて下部塔の運転圧力を低減で
き、原料空気圧縮機の動力費を低減する。

また、凝縮蒸発器の高さを高くし、伝熱面積を大きくで
きるので、より能力の大きいものを精留塔の径内に納め
ることができ、複精留塔の製作を容易にする。

さらにまた、起動時上部塔を流下してきた液化ガスを流
入させると同時に凝縮と蒸発を生じるので、起動時間が
大幅に短縮され、この間の動力費を削減できる。

尚、本発明の蒸発器は、第一流体室と第二流体室間の温
度差が極度に小さい状態でも、第一流体室の液媒を十分
に蒸発させることができる効果があり、代表例として、
空気液化分離における液体酸素と窒素ガスとの熱交換に
よる蒸発と凝縮について述べたが、これ以外の他の液媒
と流体（凝縮流体に限定されない）を用いた場合も同様
の作用効果を得られるものであり、空気分離装置以外の
プロセスにおける小温度差蒸発器にも応用可能であるこ
とは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように、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蒸発器の第一流体室
に、上下多段に流路を設け、該流路の一端側に前記流路
と連通する液溜を上下多段に設けるとともに、液媒を各
段の液溜に供給させながら前記流路に導入して熱交換さ
せるので、液媒の液深が僅少となり液圧による沸点上昇
がなくなり、蒸発器の効率を向上、即ち流体室間の小温
度差での蒸発を可能とし、第二流体室側の流体が凝縮す
る流体の場合は、その凝縮温度を低下させて運転圧力を
低減することにより、動力費を削減できる。

また、蒸発器の高さ方向の形状的制限が無くなり長尺に
することで処理能力増加が可能になった。その結果凝縮
蒸発器を収納する容器径を精留塔と同一とすることが可
能となり大型空気分離装置用精留塔でも上下部塔を上下
一体構造で製作することが可能となった。

さらに、液媒中に浸漬する必要がないため、起動時間を
短縮できる。

【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図は蒸発器の１種である凝縮蒸発器の一部を切欠いて
示す斜視図、第２図は第一流体室である酸素室の断面
図、第３図及び第４図は本発明の他の実施例を示すもの
で、第３図は酸素室の断面図、第４図は第３図のIV−IV
矢視図、第５図は本発明の更に他の実施例を示す酸素室
の断面図、第６図及び第７図は本発明に係わる凝縮蒸発
器を複精留塔に用いた例を示すもので、第６図は精留塔
の要部断面図、第７図は第６図のVI−VI断面図である。 １……凝縮蒸発器、４……仕切板、５……酸素室（第一
流体室）、６……窒素室（第二流体室）、７……液溜、
14……流路、15……伝熱板、16……オーバーフロー管、
24……マニホールド管、GN……窒素ガス、GO……酸素ガ
ス、LN……液体窒素、LO……液体酸素

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−130201（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−3393（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−43983（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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し、前記第一流体室の液媒と、
   前記第二流体室の流体とで熱交換を行なう蒸発器におい
   て、前記第一流体室に上下多段に複数の伝熱板を配置し
   て液媒の流路を形成し、該流路の一端は開放とし、他端
   側に該流路と連通し、上部を開放した複数の液溜を上下
   多段に設けるとともに、液媒を各段の液溜に供給させな
   がら前記流路に導入して熱交換させるように構成したこ
   とを特徴とする蒸発器。
2. 【請求項２】前記液媒の流路は、液溜側の一端から他端
   先端に向って昇り勾配を有していることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の蒸発器。