JPH09206588A - 液体−蒸気接触装置 - Google Patents

液体−蒸気接触装置

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JPH09206588A
JPH09206588A JP8199013A JP19901396A JPH09206588A JP H09206588 A JPH09206588 A JP H09206588A JP 8199013 A JP8199013 A JP 8199013A JP 19901396 A JP19901396 A JP 19901396A JP H09206588 A JPH09206588 A JP H09206588A
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contactor
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JP8199013A
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William H Aitken
ウィリアム・ハロルド・エイトケン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 質量伝達及び熱伝達を組み合わせ、又はそれ
を同時に行うことによりエネルギを節約する、分別蒸留
による分離技術を使用して、空気の分離を行う液体−蒸
気接触装置を提供する。 【解決手段】 液体−蒸気接触装置は立方体の垂直面の
如く配置された対の縦外壁６２、６４を備える。この装
置は平行に離間した複数の縦板６８を備え、隣接する板
６８の各対間には、積層充填材で使用される型式の波状
液体−蒸気接触要素５２、５６を縦列に配置して形成さ
れた充填材が設けられている。要素５２の波状部分は隣
接する要素５６の波状部分が傾斜する方向と反対方向に
頂部から底部に傾斜している。最外側の二つの板６８は
装置の壁６４を形成する。壁６６は対向した板６８及び
隔離バー７０のエッジ部分を備える。板６８はそれぞれ
第一の組みの通路５８及び第二の組みの通路６０を形成
する。一組の通路が第一の分留機能を果たす一方、もう
一方の組みの通路がもう一方の分留機能を果たす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、接触する流体に対
して熱を伝達すると同時に、質量伝達を行う流体−蒸気
の接触装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】質量伝達及び熱伝達を組み合わせ、又は
それを同時に行うことにより、エネルギが節約される場
合として、分留による分離技術がある。今日迄、こうし
た技術は、適度に容易に製造される装置が利用し得なか
ったため、有意義な程度に応用されているものはない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】必要なエネルギ量を少
なくするため、熱伝達と質量伝達とを組み合わせる技術
を使用する主たる分野としては、空気の分離により酸素
を製造する場合がある。通常の分離方法は、高圧の分留
塔及び低圧の分留塔から成る二重の分留塔にて行われ
る。高圧の分留塔に入る空気は分留塔を上昇し、空気が
その頂部に達するとき迄に、略純粋な窒素となる。この
窒素は、通常、高圧の分留塔の頂部における単一の凝縮
器−リボイラー内で行われる熱交換により凝縮され、低
圧の分留塔は、凝縮する窒素との熱交換により、その一
部分、又は全部が、上述の凝縮器−リボイラー内で蒸発
される。
【０００４】本発明は、従来からの技術により製造する
ことのできる熱伝達及び質量伝達を同時に行う装置に特
に関するものである。
【０００５】英国特許第７５９，１７６号には、高圧の
分留塔と低圧の分留塔との間における熱交換の一部が、
一方で高圧の分留塔の空気入口から窒素出口まで連続す
る一方、他方でリボイラーから低圧の分留塔に沿った途
中迄、連続するようにした、酸素の製造方法が記載され
ている。かかる配置の結果、高圧の分留塔に入る空気は
従来の方法におけるよりも低圧であり、よって、空気の
圧縮力が節約される。上記の原理を適用するときの問題
点は、熱伝達と質量伝達とを同時に行う、容易に製造可
能な装置が実現し得ない点である。特に、質量伝達過程
に関連する十分な熱伝達面を提供し得ないことが問題で
ある。当該出願人による係属中の欧州特許出願第９６３
０４３２５．２号には、プレート・フィン又は、マトリ
ックス交換器の方法で製造される液体−蒸気接触装置が
記載されている。これらのフィンは、積層した充填要素
の形態で構成されている。
【０００６】特に、欧州特許第９６３０４３２５．２号
には、立方体の縦外壁の方法で配置された、縦外壁を有
する液体−蒸気接触装置が記載されている。該装置は、
離間した平行な垂直板を複数枚、備えており、その隣接
する各対の板の間には、所定の液体及び蒸気の流れ特性
を有する波状の充填材が配置されて、その最外側の板
は、装置の対向した一対の縦外壁を提供する一方、その
外壁のもう一方の対は、反対に配置された板エッジ部分
と、縦スペーサ部材とを備えている。この装置の特徴
は、充填材の各々が、一方が他方の上になるように配置
された縦列の波状の液体−蒸気の接触要素を備え、各液
体−蒸気接触要素における波状部分が充填材の一側部に
向けて頂部から底部に一方向に傾斜し、また、該要素に
隣接する液体−蒸気の接触要素が充填材の反対側部に向
けて別の方向に頂部から底部に傾斜している点である。
【０００７】一方の分離システムと他方の分離システム
との間の熱伝達が必要とされる場合、上記装置の各通路
が同一流体の略同一の流れを運ぶことに代えて、異なる
分離機能のために、異なる通路が使用されるならば、こ
れにより、質量伝達と熱伝達を同時に行うときの条件が
充足される。かかる装置は、プレート・フィン交換器の
熱伝達の特性と、積層した充填材の質量伝達の特性とを
備えることになる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】従って、本発明は、プレ
ートが二組の通路を規定し、その一方の組みの通路が分
留すべき第一の流体の入口と関係付けられ、そのもう一
方の組みの通路が第二の流体に対する入口と関係付けら
れる、欧州特許出願第９６３０４３２５．２号による装
置を提供するものである。一般に、第二の流体も分留さ
れる。
【０００９】空気分離の場合、一方の組みの通路は高圧
の分留塔に割り当てられる一方、もう一方の組みの通路
は、低圧の分留塔に割り当てられる。縦型通路の理想的
な配置位置は、高圧の塔システムに対するものと、低圧
の塔システムに対するものとを反対方向に配置するもの
であるが、これは必ずしもそうする必要はない。個々の
通路の内部の形態及び通路の割り当ては、分離される液
体、及び空気の流動及び物理的性質により決まる。
【００１０】例えば、熱伝達と質量伝達とを同時に行う
ことが低圧の分留塔の一部にしか該当せず、その低圧の
分留塔の残りの部分はシステム外部から熱交換を行わず
に、分留を行う場合、そのシステムの部分は、任意の従
来型式の蒸気−液体接触装置としてよいが、欧州特許出
願第９６３０４３２５．２号に記載されたプレート・フ
ィン装置として形成することが便宜である。この装置
は、本明細書の主題である同時的な熱伝達及び質量伝達
を使用して、当該部分との単一の構造体として形成する
ことも更に可能である。必要とされる従来の凝縮器−蒸
発器は、プレート・フィン型の構造とし、同時的な熱伝
達及び質量伝達装置と、欧州特許出願第９６３０４３２
５．２号に従って形成された従来の液体蒸気接触装置と
の任意の組合せ体を備える単一の構造体とすることも可
能である。
【００１１】同時的な熱伝達及び質量伝達のもう一つの
実施の形態は、還流型凝縮器、又は分留器である。この
場合、通常、一定の温度にある冷却液を使用して、分離
される多数成分の混合体を凝縮させる。一方の組みの通
路を上述の装置を使用して分離する混合体に割り当て、
また、もう一方の組みの通路を従来のプレート・フィン
型熱交換面とすることにより、この効果が達成される。
この原理のもう一つの形態は、熱交換通路内に加熱流体
が存在するようにするものである。
【００１２】上述したような本発明による装置における
エネルギの節約は、最低温度にて最小量の凝縮蒸気を凝
縮し、また、二組みの通路間の温度差を小さくすること
により達成される。このため、本発明による装置は、空
気分離以外の熱調和の分野でも使用することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】次に、熱伝達及び質量伝達を組み
合わせた装置の一実施例を添付図面に基づいて説明す
る。
【００１４】図１において、圧縮され、その水分及び二
酸化炭素が除去されて、低圧の分留塔８から戻る低温の
生成物４、６との熱交換により冷却された空気流２は、
典型的に、約５バールの圧力で且つその露点付近にて高
圧の分留塔１０に入る。この空気は、高圧の分留塔１０
内で分離されて、その基部における酸素濃度の濃い液
体、その頂部における略純粋な窒素となる。この酸素濃
度の濃い液体は、導管１２を介して低圧の分留塔８への
供給流となる。窒素蒸気は、高圧の分留塔１０の頂部に
設けられた凝縮器内で凝縮され、この凝縮器は低圧の分
留塔８の底部に溜まる沸騰する液体酸素によって冷却さ
れる。この凝縮器は図示されていないが、高圧の分留塔
１０と低圧の分留塔８との間の境界面における矢印は、
これら二つの塔の間における熱交換の方向を示す。高圧
の分留塔１０の頂部における凝縮により発生された液体
窒素の一部は、還流として下方に流れる一方、他の部分
は、導管１４を介して低圧の分留塔８の頂部に導入さ
れ、ここで、この窒素は、低圧の分留塔８に対する還流
として使用される。低圧の分留塔８内で分離が行われ、
酸素生成物に分離され、この酸素は、導管４を介して、
通常、気体として塔から出るが、液体とすることもで
き、また、略純粋な気体状の窒素としてもよい。この窒
素は、導管６を介して塔から出る。かかるプラントは、
通常、図示しない熱交換器を備えており、典型的に、導
管６を使用して、液体流１２、１４を冷却させる。
【００１５】図２には、組み合わせた熱伝達及び質量伝
達の原理を使用して、図１におけると同一の生成物を略
製造し得るように設計された空気分離装置の一つの形態
が示してある。この型式のプラントの運転原理は新規な
ものではなく、例えば、英国特許第７５９，１７６号に
記載されている。この明細書の目的は、熱伝達及び質量
の伝達を同時に行う新規な型式の装置について説明する
ことである。図２の分留塔１８は、図１の分留塔８と同
等の低圧の分留塔であり、分留塔１６は、高圧の分留塔
１０と同等物である。水及び二酸化炭素が除去され、ま
た、排出される低温の生成物２２、２４に対して、熱交
換によりその露点付近まで冷却された空気流２０は、主
空気流２６と、二次的空気流２８という二つの空気流に
分離される。二次的空気流２８は、凝縮器−蒸発器３２
内で低圧の分留塔１８の底部に溜まる液体酸素の一部を
蒸発させるために使用される。導管３０が低圧の分留塔
１８の底部を凝縮器−蒸発器３２に接続する。導管２８
を介して凝縮器−蒸発器３２に入る空気は、液体空気と
して導管３４を介して排出され、低圧の分留塔１８に対
する供給流の一つとなる。蒸発された液体酸素２２は、
流入する空気により加熱された後、プラントからの気体
状酸素生成物となる。
【００１６】圧縮され且つ冷却された空気２６の大部分
は、高圧の分留塔１６の底部付近に入り、この高圧の分
留塔内で底部における酸素濃度の濃い液体と、頂部にお
ける略純粋な窒素蒸気とに分離される。酸素濃度の濃い
液体は、導管３６を介して低圧の分留塔１８への供給流
となる。一つの配置において、窒素蒸気は高圧の分留塔
１６の頂部に配置されることが好ましい凝縮器−蒸発器
３８内で凝縮される。窒素蒸気は、導管４０を通って凝
縮器−蒸発器３８に入る。凝縮器−蒸発器３８から出る
液体窒素３８は、導管４２を介して蒸発塔１８の頂部に
導入され、この場所で、低圧の分留塔１８に対する還流
となる。凝縮器−蒸発器３８内の凝縮分は、導管４４を
通じて低圧の分留塔１８から液体を吸引し、その液体を
導管４６を通じて低圧の分留塔１８に蒸気として戻すこ
とにより提供される。凝縮器−蒸発器３２、３８は、線
図でのみ示してある。実際の形態を変更することは、従
来技術で可能である。
【００１７】凝縮器−蒸発器３２、３８は、分留塔１
６、１８間の熱交換機能の一部のみを行うに過ぎない。
高圧の分留塔１６内の分留は、低圧の分留塔１８の一部
に熱を伝達すると同時に行われる。同時的な熱伝達及び
質量伝達が行われる低圧の分留塔の部分は、分留塔１
６、１８内の流体間における確実で且つ僅かな温度差に
より決まる。
【００１８】図１において、窒素蒸気と液体酸素との間
で熱交換が行われ、これにより、凝縮圧力、従って空気
の圧力が決まる。図２の回路の性質により、液体酸素と
熱交換を行うのはこの露点温度にある空気であり、これ
により空気の圧力が決まる。窒素及び空気の物理的性質
に従って、これにより空気を凝縮させるための低圧が得
られる。図２に示したプラントに対する空気の圧力は約
４バールである。
【００１９】図３には、上記の組み合わせた熱伝達及び
質量伝達を行う装置５０が示してある。該装置５０は、
全体として立方体の形態をしており、対向した第一の対
の縦外壁６４と、対向した第二の対の縦外壁６６とを備
えている。該装置５０は、互いに等間隔で離間され且つ
互いに平行に伸長する、熱伝導性金属で出来た無孔の縦
板６８を複数枚、備えている。該縦板６８の端部は、装
置５０の頂部から底部に伸長する縦隔離バー又は部材７
０により密封されている。縦板６８の最外側の両端は、
装置２の壁６５を形成する。縦外壁６６は、縦板６８の
エッジ部分と、及び縦隔離バー又は部材７０とで形成さ
れている。隣接する縦板６８の各対は、縦分留通路を規
定する。一組の通路が図３に参照符号５８で示してあ
り、もう一方の組みは参照符号６０で示してある。縦通
路の各々が、典型的に、波状薄板金属部分の形態をした
要素５２から成る充填材を備えている。該波状部分は、
典型的に、孔５４を有する。これらの孔は一つの層にし
か示してないが、その他の層にも形成されている。各部
分の波状部分は、水平線に対して角度を成して伸長して
いる。その典型的な角度は、水平線に対して４５°であ
る。垂直方向に対向するように配置された部分は、要素
５２、５６で示した反対方向に傾斜する波状部分を有し
ており、この場合、要素５２は右方向に傾斜する一方、
要素５６は左方向に傾斜している（図示するように）。
反対方向に傾斜する要素は、通常、装置の頂部から底部
に達している。個々の要素の各々は、例えば、米国特許
第４，２９６，０５０号に図示するように、積み重ねた
充填材の一つの要素と同一の形態とすることができる。
図３は概略図であり、実際には、この装置は、かかる縦
通路から成る多数の層で形成される。装置はプレート・
フィン交換器の方法で便宜に製造される。欧州特許出願
第９６３０４３２５．２号に示した装置において、全て
の通路は、基本的に、同一の液体−蒸気流及び組成分を
有し、単一の液体−蒸気接触システムを形成する一方、
本出願において、反対方向への縦通路は、異なる液体−
蒸気接触システムを形成し、一方の接触システムともう
一方のシステムとの間に熱交換が行われる。波状部分
は、熱伝達面積を増大させるフィンとして機能する。
【００２０】高圧の分留塔１６及び低圧の分留塔１８は
図２に図示されており、これらの高圧の分留塔１６及び
低圧の分留塔１８に関係付けられることにより、この装
置がその機能を発揮する状態が明らかであろう。通路５
８は、例えば、高圧の分留塔１６の液体−蒸気接触機能
を果たす管を形成する一方、通路６０は、高圧の分留塔
との熱交換が必要とされる、低圧の分留塔１８の部分の
液体−蒸気接触機能を果たす管を形成する。同様の全て
の縦通路５８は、同様の全ての通路６０と同様に、頂部
及び底部にて相互に接続されている。異なる通路５８間
を下方に流れる液体と通路６０に対する液体とを略均一
に分配することを確実にする配置（図示せず）が為され
ている。通路５８の数は、通路６０の数とは異なるもの
とすることができる。通路の割り当ては、異なる流れ、
個々の流れの組成、圧力及び温度に適合するよう配置さ
れている。同一の理由のため、個々のシステム５８、６
０の形態及び要素の寸法も変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の空気分離プラントの一つの形態の線図で
ある。
【図２】組み合わせた熱伝達及び質量伝達装置を使用す
ることのできる一つの型式の空気分離プラントの線図で
ある。
【図３】組み合わせた熱伝達及び質量伝達装置の概略図
的な斜視図である。
【符号の説明】
２ 空気流 ４、６ 導管 ８ 低圧の分留塔 １０ 高圧の分留塔 １２、１４ 導管 １６ 高圧の分留塔 １８ 低圧の分留塔 ２０ 空気流 ２２、２４ 低温の
生成物 ２６ 主空気流 ２８ 二次的空気流 ３０、３４、３６、４０、４４ 導管 ３２、３８ 凝縮器−蒸発器 ５０ 熱伝達及び質量伝達装置 ５２、５６ 波状薄
板要素 ５４ 波形薄板要素の孔 ５８、６０ 通路 ６４、６６ 縦外壁 ６８ 縦板 ７０ 縦隔離バー／部材

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 立方体の縦壁の如く配設された縦外壁を
    有する液体−蒸気接触装置であって、平行に離間配置さ
    れた複数の縦板（６８）を備え、隣接する板（６８）の
    各対の間には、所定の液体及び蒸気の流れ特性を有する
    波状充填物が設けられ、最外側板が装置の対向した一対
    の縦外壁を形成し、もう一方の対の外壁が、反対である
    板（６８）のエッジ部分及び縦隔離部材（７０）を備え
    る液体−蒸気接触装置であって、前記充填物は各々、上
    下方向に積み重ねられた縦列の波状の液体−蒸気接触要
    素（５２、５６）を備え、前記液体−蒸気接触要素（５
    ２）における波状部分が、前記充填物の一側部に向けて
    一方向に頂部から底部に傾斜し、前記波状部分に隣接す
    る液体−蒸気接触要素（５６）の波状部分が前記充填物
    （５２）の反対側に向けて別方向に頂部から底部に傾斜
    し、前記板（６８）が二組の通路を形成し、一方の組み
    の通路が分留すべき第一の液体に対する入口と関係付け
    られ、もう一方の組みの通路が第二の流体に対する入口
    と関係付けられることを特徴とする液体−蒸気接触装
    置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の液体−蒸気接触装置に
    して、前記各波状部分の傾斜角度が水平線に対して４５
    °であることを特徴とする液体−蒸気接触装置。
  3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の液体−蒸
    気接触装置にして、凝縮器−蒸発器を更に備える単一装
    置の一部を形成することを特徴とする液体−蒸気接触装
    置。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３の何れかの項に記
    載の液体−蒸気接触装置にして、前記他方の組みの通路
    が一組の分留通路でもあることが特徴とする液体−蒸気
    接触装置。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の液体−蒸気接触装置に
    して、前記一組の通路が、高圧の空気分離分留塔の機能
    を果たすように配置され、もう一方の組みの通路が、低
    圧の空気分離分留塔の一部の機能を果たすように配置さ
    れることを特徴とする液体−蒸気接触装置。
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