JPH10259991A - Heat exchanger for air separation device and air separation device - Google Patents

Heat exchanger for air separation device and air separation device

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Publication number
JPH10259991A
JPH10259991A JP11407597A JP11407597A JPH10259991A JP H10259991 A JPH10259991 A JP H10259991A JP 11407597 A JP11407597 A JP 11407597A JP 11407597 A JP11407597 A JP 11407597A JP H10259991 A JPH10259991 A JP H10259991A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heat exchanger
fin
temperature side
separation device
air separation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP11407597A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshihiro Wakai
稔弘 若井
Masayuki Tanaka
正幸 田中
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the power efficiency of an entire device by arranging a fin that forms a channel with a large heat transfer area and/or a channel for increasing Reynolds number at a low-temperature side and a fin while conflicting with a low- temperature side at a high-temperature side in a heat exchanger. SOLUTION: In a coil gate fin-type heat exchanger being used for an air separation device, an entrance-side distributor D1 and an exit-side distributor D2 are arranged at both edge sides in a heat exchanger unit U of one unit constituting a main heat exchanger, at the same time, a corrugate fin F is divided into a low-temperature side and a high-temperature side, a fin F1 with a small corrugation pitch for increasing a heat exchange efficiency is arranged at the low-temperature side, and a fin F2 with a large corrugation pitch for reducing a pressure loss is arranged at the high- temperature side. More specifically, at the low-temperature side, a fin that forms a channel with a small channel section area, a channel with a large heat transfer area, or a channel indicating a high Reynolds number and has a relatively high heat exchange efficiency is arranged. On the other hand, at the hightemperature side, a fin that conflicts with that of the low-temperature side is arranged.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、空気分離装置用の
熱交換器および該熱交換器を主熱交換器として用いた空
気分離装置に関し、特にコルゲートフィン型熱交換器に
おける熱交換効率を高めると共に圧力損失を可及的に抑
え、空気分離装置全体としての分離効率や操業安定性の
向上およびランニングコストの低減を図ることのできる
技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat exchanger for an air separation device and an air separation device using the heat exchanger as a main heat exchanger, and more particularly to an improvement in heat exchange efficiency in a corrugated fin type heat exchanger. Also, the present invention relates to a technique capable of suppressing pressure loss as much as possible and improving the separation efficiency and operation stability of the air separation apparatus as a whole and reducing the running cost.

【0002】[0002]

【従来の技術】空気を窒素ガスと酸素ガスに分離する空
気分離装置は、製鉄、化学、電子工業等の広範な分野で
使用されている。この様な空気分離装置については、分
離効率の向上、ランニングコストの低下、操業安定性の
向上等を目的として様々の研究が進められている。
2. Description of the Related Art Air separation apparatuses for separating air into nitrogen gas and oxygen gas are used in a wide range of fields such as steelmaking, chemicals, and electronics. Various studies have been conducted on such an air separation device with the aim of improving the separation efficiency, lowering the running cost, and improving the operation stability.

【0003】図6は、その様な状況の下で開発されたモ
レキュラシーブ型の空気分離装置を示すフロー図であ
る。原料空気は、エアフィルタ1、原料空気圧縮機2、
冷却器3等を経て所望の圧力、温度、湿度の空気(以
下、圧縮空気ということがある)とされ、モレキュラシ
ーブ吸着器6へ導かれる。図のモレキュラシーブ吸着器
6は2基1対の切換え方式であり、該吸着器6内では、
ゼオライト等の吸着作用によって上記圧縮空気中の水
分、炭酸ガス、炭化水素ガス等がほゞ完全に除去され
る。上記吸着器6から管路6aを通して導出された圧縮
空気は、主熱交換器7へ導かれ、後述する戻りガスとの
熱交換によって液化点付近まで冷却され、精留塔8の下
塔8a下部へ導入される。
FIG. 6 is a flow chart showing a molecular sieve type air separation device developed under such a situation. The raw air is supplied by an air filter 1, a raw air compressor 2,
Air having a desired pressure, temperature, and humidity (hereinafter, sometimes referred to as compressed air) is passed through the cooler 3 and the like, and is guided to the molecular sieve adsorber 6. The molecular sieve adsorber 6 shown in the figure is a two-pair, one-switch system, and in the adsorber 6,
Moisture, carbon dioxide gas, hydrocarbon gas and the like in the compressed air are almost completely removed by the adsorption action of zeolite and the like. The compressed air led out of the adsorber 6 through the pipe 6a is led to the main heat exchanger 7 where it is cooled to near the liquefaction point by heat exchange with return gas to be described later. Is introduced to

【0004】上記下塔8aに導入された圧縮空気は、下
塔8a内を上昇していく過程で冷却されつつ蒸留分離が
進行していき、下塔8a上部からは低沸点の窒素リッチ
液(液体窒素)9として取り出され、一方下部において
は高沸点の酸素リッチ液10が貯留される(以下粗留工
程ということがある)。上部窒素リッチガスは管路13
によって主凝縮器8bへ導かれ、ここで液化され管路1
4を下降して下塔8a上部に戻る。下塔8a上部の窒素
リッチ液は、管路15により過冷却器12を経て上塔8
cの頂部へ導かれる。
[0004] The compressed air introduced into the lower column 8a is cooled and distilled while proceeding ascending in the lower column 8a. From the upper portion of the lower column 8a, a low-boiling nitrogen-rich liquid ( Liquid nitrogen 9 is taken out, while a high boiling point oxygen-rich liquid 10 is stored in the lower part (hereinafter sometimes referred to as a coarse distillation step). Upper nitrogen rich gas is supplied via line 13
To the main condenser 8b, where it is liquefied and
4 to return to the upper part of the lower tower 8a. The nitrogen-rich liquid in the upper part of the lower tower 8 a passes through the supercooler 12 through the pipe 15 and
led to the top of c.

【0005】一方上記酸素リッチ液10は、管路25に
よって過冷却器12を経て上塔8cの中段へ導かれる。
また下塔8aの中段からは、粗留工程中期の液体窒素が
管路11により過冷却器12を経て上塔8cの上段へ導
かれる。この様に上塔8cの中段、上段及び頂部から導
入されて上塔8c内を降下する低温の液体窒素及び酸素
リッチ液10は、上塔8c内を上昇するガスとの間で物
質移動が行なわれることによって精留が進行する。
On the other hand, the oxygen-rich liquid 10 is led to the middle stage of the upper tower 8c via the subcooler 12 by the pipe 25.
From the middle stage of the lower tower 8a, liquid nitrogen in the middle stage of the rough distillation process is led to the upper stage of the upper tower 8c via the supercooler 12 by the pipe line 11. As described above, the low-temperature liquid nitrogen and oxygen-rich liquid 10 introduced from the middle, upper, and top portions of the upper tower 8c and descending in the upper tower 8c undergo mass transfer with the gas rising in the upper tower 8c. The rectification proceeds by being performed.

【0006】こうした各工程が繰り返されることによっ
て、上塔8cの頂部には高純度窒素ガスが集められ、一
方上塔8cの下部には高純度液体酸素が貯留され、これ
らは、管路16及び17を経由し前記戻りガスとなって
主熱交換器7へ導かれ、モレキュラシーブ吸着器6から
導出される圧縮空気との間で熱交換を行なって寒冷を利
用した後、高純度窒素及び高純度酸素として製品化され
る。
By repeating these steps, high-purity nitrogen gas is collected at the top of the upper tower 8c, and high-purity liquid oxygen is stored at the lower part of the upper tower 8c. 17, and is returned to the main heat exchanger 7 as the return gas, and heat exchange is performed between the compressed air extracted from the molecular sieve adsorber 6 to utilize the cold. Commercialized as oxygen.

【0007】このとき、前記モレキュラシーブ吸着器6
から導出される圧縮空気の一部は、主熱交換器7へ導入
される前で分岐され、膨張タービン5の入側の加圧器5
aで加圧されてから主熱交換器7へ導入され、主熱交換
器7の高温側で冷却された後その途中から抜き出して膨
張タービン5へ返送され、ここで断熱膨張されることに
より更に冷却されてから上塔8cの中段へ導入される。
また上塔8cの上段部よりやや下側の位置からは、管路
20を経て粗窒素ガス(引き抜きガス)が抜き出され、
過冷却器12から主熱交換器7を経て戻りガスとして熱
交換により寒冷を利用した後、熱交換後の引き抜きガス
は再生ガス加熱器29を経てモレキュラシーブ吸着器6
へ供給され、モレキュラシーブ吸着器6の再生に利用さ
れ、余剰の引き抜きガスは管路21から蒸発クーラー4
へ供給し、冷却器3の冷却に利用される冷却水の冷却に
利用された後放出される。上記モレキュラシーブ吸着器
6の再生加熱後は、バルブV1 ,V2 の切り替えによっ
て前記引き抜きガスを該再生加熱後のモレキュラシーブ
吸着器6へ供給してこれを冷却し、吸着工程への切り替
え準備を終える。尚、モレキュラシーブ吸着器6の再生
に利用された引き抜きガスは逐次系外へ放出される。
At this time, the molecular sieve adsorber 6
Is branched before being introduced into the main heat exchanger 7, and is compressed by the pressurizer 5 on the inlet side of the expansion turbine 5.
After being pressurized by a, it is introduced into the main heat exchanger 7, is cooled on the high temperature side of the main heat exchanger 7, is extracted from the middle thereof, is returned to the expansion turbine 5, and is adiabatically expanded. After being cooled, it is introduced into the middle stage of the upper tower 8c.
Further, from a position slightly below the upper part of the upper tower 8c, crude nitrogen gas (extracted gas) is extracted through the pipe line 20,
After utilizing the cold by heat exchange from the subcooler 12 through the main heat exchanger 7 as a return gas, the extracted gas after the heat exchange is passed through the regeneration gas heater 29 to the molecular sieve adsorber 6.
The gas is supplied to the molecular sieve adsorber 6 and is used for regeneration.
After being used for cooling the cooling water used for cooling the cooler 3. After the regenerative heating of the molecular sieve adsorber 6, the extracted gas is supplied to the molecular sieve adsorber 6 after the regenerative heating by switching the valves V 1 and V 2 to cool the same, thereby completing the preparation for switching to the adsorption step. . In addition, the extraction gas used for the regeneration of the molecular sieve adsorber 6 is sequentially released to the outside of the system.

【0008】ところでこの様な空気分離装置において
は、空気圧縮機の動力が即当該装置の動力性能となる
が、該空気圧縮機の出口圧力が低ければ低いほど空気圧
縮機の動力は小さくなり、空気分離装置全体としての性
能は高くなることが知られており、性能向上手段として
空気圧縮機の出口圧力を下げる方向で種々検討が進めら
れている。
In such an air separation device, the power of the air compressor immediately becomes the power performance of the device. However, the lower the outlet pressure of the air compressor, the lower the power of the air compressor. It is known that the performance of the air separation device as a whole is improved, and various studies are being made as a means for improving the performance in the direction of reducing the outlet pressure of the air compressor.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の様な
事情に着目してなされたものであって、その目的は、空
気分離装置における主熱交換器に注目し、該熱交換器に
おける圧力損失をより効果的に低減することによって、
装置全体としての動力効率を高め得る様な空気分離装置
用の熱交換器を提供し、併せて、該熱交換器を主熱交換
器として用いることによって、動力効率の高められた空
気分離装置を提供しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above situation, and has as its object to focus on a main heat exchanger in an air separation device. By reducing pressure loss more effectively,
By providing a heat exchanger for an air separation device that can increase the power efficiency of the entire device, and by using the heat exchanger as a main heat exchanger, an air separation device with increased power efficiency can be provided. It is something to offer.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る熱交換器は、空気分離装置に用い
られるコルゲートフィン型熱交換器において、該熱交換
器における低温側には、伝熱面積の大きい流路及び/又
はレイノルズ数を高くする流路を形成するフィンが配置
され、高温側には、伝熱面積の小さい流路及び/又はレ
イノルズ数を低くする流路を形成するフィンが配置さ
れ、あるいは上記熱交換器における低温側には、流路断
面積の小さい流路及び/又はレイノルズ数を高くする流
路を形成するフィンが配置され、高温側には、流路断面
積の大きい流路及び/又はレイノルズ数を低くする流路
を形成するフィンが配置されているところに要旨が存在
する。
Means for Solving the Problems A heat exchanger according to the present invention which can solve the above-mentioned problems is a corrugated fin type heat exchanger used for an air separation device. Fins forming a flow path having a large heat transfer area and / or a flow path for increasing the Reynolds number are arranged, and a flow path having a small heat transfer area and / or a flow path for decreasing the Reynolds number are formed on the high temperature side. Fins are arranged, or fins for forming a flow path having a small flow path cross-sectional area and / or a flow path for increasing the Reynolds number are disposed on the low temperature side of the heat exchanger, and the flow path is cut off on the high temperature side. The gist exists where fins forming a flow path having a large area and / or a flow path for reducing the Reynolds number are arranged.

【0011】前記熱交換器の低温側に配置されるフィン
は、熱交換効率を高める意味からルーバー型フィンもし
くはセレート型フィンが好ましく、また前記熱交換器の
高温側に配置されるフィンとしては、圧損低減効果を高
める意味からプレーン型フィン、ヘリンボーン型フィン
もしくはパーフォレイト型フィンが好ましい。
The fins arranged on the low temperature side of the heat exchanger are preferably louver type fins or serrated fins from the viewpoint of increasing the heat exchange efficiency. The fins arranged on the high temperature side of the heat exchanger include: Plain type fins, herringbone type fins or perforate type fins are preferred from the viewpoint of enhancing the pressure loss reducing effect.

【0012】また本発明に係る空気分離装置は、上記熱
交換器を、製品窒素、製品酸素および粗窒素ガスと原料
空気との主熱交換用として配置することにより、戻りガ
スの寒冷をより効率よく原料空気の冷却に活用すると共
に、当該設備全体としての圧力損失を低減し、動力効率
を高めたところに特徴を有している。
In the air separation apparatus according to the present invention, the heat exchanger is disposed for main heat exchange between product nitrogen, product oxygen and crude nitrogen gas and raw material air, so that the return gas can be cooled more efficiently. It is characterized by the fact that it is often used for cooling the raw material air, the pressure loss of the entire facility is reduced, and the power efficiency is increased.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】前述の如く空気分離装置において
は、空気圧縮機の動力が即当該装置の動力性能となり、
該空気圧縮機の出口圧力が低ければ低いほど空気圧縮機
の動力は小さくなって空気分離装置全体としての性能は
向上する。そして空気圧縮機の出口圧力を低下させるた
めの手段として最も有効なのは、空気分離装置における
低圧系統、即ち前記図6に示した精留塔上塔8cから過
冷却器12、主熱交換器7、モレキュラシーブ吸着器6
を経て大気へ放出される排出側ラインの圧力損失をでき
るだけ小さくすることである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, in an air separation device, the power of an air compressor immediately becomes the power performance of the device.
The lower the outlet pressure of the air compressor, the lower the power of the air compressor and the better the performance of the air separation device as a whole. The most effective means for lowering the outlet pressure of the air compressor is the low-pressure system in the air separation device, that is, the supercooler 12, the main heat exchanger 7, Molecular sieve adsorber 6
To reduce the pressure loss of the discharge line discharged to the atmosphere through the above process as much as possible.

【0014】そして本発明者らが確認したところによる
と、該排出側ラインの圧力を例えば0.1kg/cm2G 低減
することは、空気圧縮器の出口圧力を約0.3kg/cm2G
低下させることにつながる。これは、空気分離装置内に
主凝縮器8bが設けられており、ここで精留塔上塔底部
の酸素と下塔頂部の窒素との間で熱交換が行なわれ、こ
こで酸素−窒素の各圧力下の沸点により、低圧系統の差
圧が高圧系統の差圧に関係してくるからである。
The present inventors have confirmed that reducing the pressure of the discharge line by, for example, 0.1 kg / cm 2 G reduces the outlet pressure of the air compressor by about 0.3 kg / cm 2 G.
Leads to lowering. In this, a main condenser 8b is provided in an air separation device, in which heat exchange is performed between oxygen at the bottom of the rectification column and nitrogen at the top of the bottom column, where oxygen-nitrogen is exchanged. This is because the differential pressure in the low-pressure system is related to the differential pressure in the high-pressure system due to the boiling point under each pressure.

【0015】たとえば精留塔上塔底部の酸素の沸点は、
約1.4kg/cm2A で−180℃であり、この酸素は、下
塔頂部における5.4kg/cm2A で−178.2℃の窒素
によって蒸発する(即ち、酸素は窒素によって蒸発し、
窒素は凝縮する)が、精留塔上塔底部の酸素の圧力が
0.1kg/cm2A 下がって約1.3kg/cm2A になると温度
は−180.7℃となり、下塔頂部における5.05kg
/cm2A で−179℃の窒素によって蒸発する。即ち、低
圧系統すなわち上塔からの出側圧力を0.1kg/cm2A 下
げれば、高圧系統すなわち下塔への入側圧力は0.35
kg/cm2A (5.4−5.05kg/cm2A )下がることにな
る。
For example, the boiling point of oxygen at the top of the rectification column is
At about 1.4 kg / cm 2 A and at -180 ° C., this oxygen evaporates with nitrogen at 5.4 kg / cm 2 A at the bottom of the column at 178.2 ° C. (ie oxygen evaporates with nitrogen ,
Nitrogen condenses), but when the pressure of oxygen at the bottom of the rectification column drops by 0.1 kg / cm 2 A to about 1.3 kg / cm 2 A, the temperature becomes −180.7 ° C. 5.05 kg
Evaporate with nitrogen at -179 ° C at / cm 2 A. That is, if the outlet pressure from the low-pressure system, that is, the upper tower, is reduced by 0.1 kg / cm 2 A, the inlet pressure to the high-pressure system, that is, the lower tower, is reduced by 0.35 / cm 2.
kg / cm 2 A (5.4-5.05kg / cm 2 A) will decrease it.

【0016】このことからも明らかである様に、空気分
離装置の動力性能を高めるには、高圧系統(即ち、精留
塔までの入側ライン)の圧力損失を抑えるよりも、低圧
系統(即ち、精留塔上塔からの抜き出しライン)の圧力
損失を抑える方が極めて効果的となる。
As is apparent from this, to improve the power performance of the air separation device, it is more preferable to suppress the pressure loss in the high pressure system (ie, the inlet line to the rectification column) than to reduce the pressure loss in the low pressure system (ie, the line). It is extremely effective to suppress the pressure loss in the line from the upper column of the rectification column.

【0017】本発明は上記の様な確認結果を基に、特に
低圧系統、即ち精留塔上塔からの抜き出しラインにおけ
る圧力損失の大きな要因となる主熱交換器に注目し、本
来の熱交換効率を下げることなく圧力損失を可及的に低
減できる様な熱交換器の開発を期して研究を進めてき
た。そして空気分離装置用の主熱交換器においては、寒
冷状態で抜き出される製品窒素、製品酸素および粗窒素
ガスと原料空気との間で熱交換が行なわれるため、主熱
交換器における原料空気の入側(図6の上方側)は相対
的に高温となり、原料空気の出側(図6の下側)は寒冷
状態に近い低温となる。その結果、前述の如く該主熱交
換器における低温側に、高温側に較べて熱交換効率の高
いフィン(即ち、伝熱面積の大きい流路もしくはレイノ
ルズ数を高め乱流形成能の高い流路を形成するフィン)
を配置し、一方高温側には、低温側に較べて圧力損失の
小さいフィン(即ち、流路断面積の大きい流路もしくは
レイノルズ数を低くし層流形成能の高い流路を形成する
フィン)を配置してやれば、その目的が見事に達成され
ることを知った。
The present invention focuses on the main heat exchanger, which is a major factor of pressure loss in the low pressure system, that is, in the line drawn from the upper tower of the rectification column, based on the above confirmation results. Research has been conducted with the aim of developing a heat exchanger that can reduce pressure loss as much as possible without reducing efficiency. In the main heat exchanger for the air separation device, heat is exchanged between the product nitrogen, product oxygen and crude nitrogen gas extracted in the cold state and the raw air, so that the raw air in the main heat exchanger is The inlet side (upper side in FIG. 6) has a relatively high temperature, and the outlet side (lower side in FIG. 6) of the raw material air has a low temperature close to a cold state. As a result, as described above, a fin having a higher heat exchange efficiency than the high temperature side (ie, a channel having a large heat transfer area or a channel having a high Reynolds number and a high turbulence forming ability) is provided on the low temperature side of the main heat exchanger as described above. Forming fins)
On the other hand, on the high-temperature side, fins having a smaller pressure loss than the low-temperature side (that is, fins having a large channel cross-sectional area or a channel having a low Reynolds number and a high laminar flow forming ability) are provided. I knew that the purpose would be achieved brilliantly if I placed it.

【0018】[0018]

【実施例】以下、本発明に係る熱交換器についてその構
成及び作用効果を図示例に基づいて具体的に説明する
が、本発明はもとより下記実施例によって制限を受ける
ものではなく、前後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に
変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらは
何れも本発明の技術的範囲に包含される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the structure and operation and effect of the heat exchanger according to the present invention will be specifically described with reference to the illustrated examples. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and It is of course possible to implement the present invention with appropriate changes within a range that can be adapted to the purpose, and all of them are included in the technical scope of the present invention.

【0019】まず、空気分離装置用の従来の主熱交換器
においては、伝熱有効面積を拡大するためコルゲートタ
イプのフィンが用いられており、例えば図7に示す如く
コルゲートフィンFの両端に入側デストリビュータD1
と出側デストリビュータD2を接合した構造のものを1
単位の熱交換ユニットUとし、これを複数重ね合わせる
ことによって構成されている。そして該熱交換ユニット
UのコルゲートフィンFとしては、求められる熱交換効
率と許容される圧力損失に応じて、高い熱交換効率が求
められる場合は波形ピッチの小さなフィンFを選択し、
圧力損失が重視される場合は波形ピッチの大きなフィン
Fが用いられている。
First, in a conventional main heat exchanger for an air separation device, corrugated fins are used in order to enlarge the effective heat transfer area. For example, as shown in FIG. Side Distributor D 1
And the outlet distributor D 2
The unit is a heat exchange unit U, and is configured by stacking a plurality of units. And, as the corrugated fin F of the heat exchange unit U, according to the required heat exchange efficiency and the allowable pressure loss, when high heat exchange efficiency is required, select a fin F having a small waveform pitch,
When pressure loss is important, a fin F having a large waveform pitch is used.

【0020】ところが空気分離装置用の主熱交換器にお
いては、寒冷状態で抜き出される製品窒素、製品酸素お
よび粗窒素ガスと原料空気との間で熱交換が行なわれる
ため、主熱交換器における原料空気の入側(図6の上方
側)は相対的に高温となり、原料空気の出側(図6の下
側)は寒冷付近にまで冷却される。そして低温側では、
低温での熱交換による寒冷回収が行なわれるため、寒冷
回収率を高めるには、熱交換効率の高いフィン(即ち、
伝熱面積の大きい流路もしくはレイノルズ数を高めて乱
流形成能の高い流路を形成するフィン)を使用するのが
有利であり、他方、上方の高温側に行くにつれて流通ガ
スの温度は上昇し体積膨張により圧力損失は大きくなる
ので、圧力損失を抑えるためには、圧力損失の小さいフ
ィン(即ち、流路断面積の大きい流路もしくはレイノル
ズ数を抑えて乱流形成能の小さい流路を形成するフィ
ン)を使用することが望ましい。
However, in the main heat exchanger for the air separation unit, heat is exchanged between the product nitrogen, product oxygen and crude nitrogen gas extracted in the cold state and the raw material air, so that the main heat exchanger is not used. The inlet side of the raw air (upper side in FIG. 6) has a relatively high temperature, and the outlet side of the raw air (lower side in FIG. 6) is cooled to near cold. And on the low temperature side,
Since cold recovery is performed by heat exchange at a low temperature, a fin having a high heat exchange efficiency (ie,
It is advantageous to use a fin that has a large heat transfer area or a fin that forms a high turbulence-forming ability by increasing the Reynolds number, while the temperature of the flowing gas rises toward the higher temperature side. Since the pressure loss increases due to the volume expansion, in order to suppress the pressure loss, a fin having a small pressure loss (that is, a channel having a large channel cross-sectional area or a channel having a small turbulence forming ability by suppressing the Reynolds number) is used. It is desirable to use a forming fin).

【0021】本発明はこうした知見を活かし、1単位の
熱交換ユニットを構成するフィンを高温側と低温側の少
なくとも2つに分割し、低温側には熱交換効率の高いフ
ィンを配置することによって寒冷回収率を高め、流通ガ
スの膨張により圧力損失が高まる高温側には低圧損のフ
ィンを配置することによって、流通ガスの膨張による圧
力損失の増大を抑え、1単位の熱交換ユニットとしては
高レベルの寒冷回収率を確保しつつ、圧力損失を効果的
に抑え得る様にしたものである。
The present invention makes use of such knowledge by dividing a fin constituting one heat exchange unit into at least two of a high temperature side and a low temperature side, and disposing a fin having a high heat exchange efficiency on the low temperature side. By increasing the cold recovery rate and fins with low pressure loss on the high temperature side where the pressure loss increases due to the expansion of the flowing gas, the increase in the pressure loss due to the expansion of the flowing gas is suppressed. The pressure loss can be effectively suppressed while ensuring a low level of cold recovery.

【0022】図1は、本発明の主熱交換器を構成する1
単位の熱交換ユニットUを例示する説明図であり、両端
部に入側デストリビュータD1 と出側デストリビュータ
2を配置すると共に、コルゲートフィンFを低温側と
高温側に2分割し、低温側には熱交換効率を高めるため
波形ピッチの小さなフィンF1 を配置する一方、高温側
のフィンF2 は波形ピッチを大きくして圧力損失の低減
を図っている。
FIG. 1 shows a main heat exchanger 1 of the present invention.
It is an explanatory view illustrating a heat exchange unit U of the unit, as well as placing the inlet side distributor D 1 and the exit-side distributor D 2 at both ends, divided into two corrugated fins F on the low temperature side and high temperature side, the low-temperature while on the side of placing the small fins F 1 of the waveform pitch to increase the heat exchange efficiency, the fins F 2 on the high temperature side is thereby reducing pressure loss by increasing the waveform pitch.

【0023】図2は他の実施例を示すもので、コルゲー
トフィンFを熱交換流体の流れ方向に3分割し、低温側
は波形ピッチの小さなフィンF1 、高温側は波形ピッチ
の大きなフィンF3 、中間部には両者の中間程度の波形
ピッチを有するフィンF2 を夫々配置し、低温側になる
ほどフィンピッチが小さくて熱交換効率が高められ、高
温側になるほどフィンピッチが大きくなって圧力損失が
抑えられる構造としている。
FIG. 2 shows another embodiment, in which the corrugated fin F is divided into three in the flow direction of the heat exchange fluid, and the fin F 1 having a small waveform pitch on the low temperature side and the fin F having a large waveform pitch on the high temperature side. 3.In the middle part, fins F2 each having a waveform pitch intermediate between the two are arranged. The lower the temperature, the smaller the fin pitch and the higher the heat exchange efficiency. The structure is such that loss can be suppressed.

【0024】この様にフィンFを3分割し、或は更に4
以上に分割して低温側になるほどフィンピッチを段階的
(もしくは連続的)に小さくして熱交換効率を高め、ま
た流通ガスの体積膨張により圧力損失が高まる高温側に
なるにつれてフィンピッチを段階的(もしくは連続的)
大きくして圧損抑制を図ることにより、低圧損で且つ優
れた寒冷回収率を示す熱交換器を得ることが可能となる
のである。
In this manner, the fin F is divided into three parts, or
By dividing the above, the heat exchange efficiency is increased by decreasing the fin pitch stepwise (or continuously) as the temperature becomes lower, and the fin pitch is increased stepwise as the pressure loss increases due to the volume expansion of the flowing gas. (Or continuous)
By increasing the pressure and suppressing the pressure loss, it is possible to obtain a heat exchanger having a low pressure loss and an excellent cold recovery rate.

【0025】なお上記図1,2の例では、コルゲートフ
ィンとしてプレーン型のフィンを用いたものを代表例と
して示したが、コルゲートフィンにはプレーン型のほ
か、例えば図3に示す如く乱流形成能を高めることによ
って熱交換効率の高められたルーバー型フィン(図3
A)もしくはセレート型フィン(図3B)、あるいは層
流形成能を有し低圧損が得られ易いヘリンボーン型フィ
ン(図3C)もしくはパーフォレイト型フィン(図3
D)などが知られており、これらの中から同一タイプで
フィンピッチの異なるものを組合わせたり、あるいは異
なるタイプのフィンを、その流路断面積の大小、伝熱面
積の大小、レイノルズ数の大小(即ち、乱流形成能の程
度)等により変わってくる熱交換効率や圧力損失に応じ
て適宜組み合わせて使用することも勿論可能であり、要
は低温側には、流路断面積の小さい流路、伝熱面積の大
きい流路もしくは高いレイノルズ数を示す流路を形成す
る、相対的に熱交換効率の高いフィンを配置し、高温側
には、流路断面積の大きい流路、伝熱面積の小さい流路
もしくは低いレイノルズ数を示す流路を形成する、低圧
損のフィンを配置することによって、本発明の目的を同
様に達成することができる。
In the examples shown in FIGS. 1 and 2, a corrugated fin using a plain type fin is shown as a typical example. However, the corrugated fin is not only a plain type but also a turbulent flow fin as shown in FIG. Louver-type fins (Fig. 3)
A) or a serrated fin (FIG. 3B), or a herringbone fin (FIG. 3C) or a perforated fin (FIG. 3C) having a laminar flow forming ability and easily obtaining a low pressure drop.
D) and the like are known. Of these, fins of the same type having different fin pitches are combined, or fins of different types are combined with each other in terms of the cross-sectional area of the flow path, the size of the heat transfer area, and the Reynolds number. Of course, it is also possible to use them in combination as appropriate according to the heat exchange efficiency and pressure loss that vary depending on the size (that is, the degree of turbulence forming ability). A fin having a relatively high heat exchange efficiency is arranged to form a flow passage, a flow passage having a large heat transfer area or a flow passage exhibiting a high Reynolds number. The object of the present invention can be similarly achieved by arranging fins having a low pressure loss that form a flow path having a small thermal area or a flow path exhibiting a low Reynolds number.

【0026】また、本発明で用いられる熱交換ユニット
Uの全体構造も図1,2の例に限定されるわけではな
く、必要に応じて任意に変更することができ、例えば図
4A,Cに示す如く、デストリビュータD1 ,D2 によ
る導入・排出方向を変更したり、あるいは図4Bに示す
如く熱交換ユニット内におけるフィンの配列方向を変え
て流体の滞留時間を延長するなど、任意の変更が可能で
あり、また熱交換ユニットUの組付け構造も、図5A〜
Cに示す如く任意に変更することが可能であり、それら
は何れも本発明の技術的範囲に包含される。
The overall structure of the heat exchange unit U used in the present invention is not limited to the examples shown in FIGS. 1 and 2, but can be arbitrarily changed as needed. As shown in the figure, arbitrary changes such as changing the introduction and discharge directions by the distributors D 1 and D 2 or extending the residence time of the fluid by changing the arrangement direction of the fins in the heat exchange unit as shown in FIG. 4B. Is also possible, and the assembly structure of the heat exchange unit U is also shown in FIGS.
It can be arbitrarily changed as shown in C, and all of them are included in the technical scope of the present invention.

【0027】熱交換器における圧力損失を低減する為の
更に他の有効な手段として、該主熱交換器に設けられる
デストリビュータの構造を改善することが挙げられる。
以下この点に付いて説明を加える。
Still another effective means for reducing the pressure loss in the heat exchanger is to improve the structure of a distributor provided in the main heat exchanger.
Hereinafter, this point will be described.

【0028】通常のデストリビュータは、入口部から入
った流体を、各ユニットにおける広幅で微細ピッチのコ
ルゲートフィンFからなる熱交換部(HE)へ均等に分
配させるために設けられるもので、通常のデストリビュ
ータは、例えば図7等にも示した様にピッチの粗いコル
ゲート板によって、流体を熱交換部の幅方向に分配して
導入し、或は熱交換部の幅方向から流体を集めて排出で
きる様に構成されている。
The ordinary distributor is provided for uniformly distributing the fluid entering from the inlet to the heat exchange section (HE) including the wide and fine pitch corrugated fins F in each unit. The distributor distributes and introduces fluid in the width direction of the heat exchange section by using a corrugated plate having a coarse pitch as shown in FIG. 7 or the like, or collects and discharges fluid from the width direction of the heat exchange section. It is configured to be able to.

【0029】ところがこの様な従来の熱交換器では、各
熱交換ユニットの特に出口側デストリビュータ部分で流
体の流れ方向が変更されると共に、熱交換部(HE)よ
りも流路を狭められた状態で各流体が流れるため圧力損
失の発生が避けられず、こうした圧力損失の問題は、本
発明で用いられる前記図1,2等として示した様な熱交
換器のデストリビュータ部分でも同様に生じてくる。
However, in such a conventional heat exchanger, the flow direction of the fluid is changed at each of the heat exchange units, particularly at the outlet side distributor, and the flow path is narrower than the heat exchange section (HE). Since each fluid flows in a state, the occurrence of pressure loss is inevitable, and such a problem of pressure loss similarly occurs in the distributor portion of the heat exchanger as shown in FIGS. Come.

【0030】そこで、この様なコルゲートフィン型熱交
換器のデストリビュータ部分で生じる圧力損失も可及的
に低減すべく更に研究を行なったところ、該デストリビ
ュータとして、各プレートの間に、流体の通過空間を残
して複数本の支柱を適宜間隔で組み付けた構造のものを
使用すれば、該デストリビュータ部での圧力損失をより
効果的に低減し得ることが確認された。
Therefore, further research was conducted to reduce the pressure loss generated at the distributor portion of such a corrugated fin type heat exchanger as much as possible. It has been confirmed that the pressure loss in the distributor portion can be more effectively reduced by using a structure in which a plurality of columns are assembled at appropriate intervals while leaving a passage space.

【0031】即ち、コルゲートフィン型熱交換器内に設
けられる通常のデストリビュータは、前述の如く熱交換
器の入口部から入った流体を、各ユニットにおける広幅
で微細ピッチのコルゲートフィンFからなる熱交換部
(HE)へ均等に分配させるために必須と考えられてい
る。そしてその構成としては、例えば前記図7等にも示
す如くプレートの間にピッチの粗いコルゲート板を挟み
込んで組み付けた構造のものが用いられており、このタ
イプのデストリビュータでは、前述の如くこの部分で大
きな圧力損失を生じる。
That is, the ordinary distributor provided in the corrugated fin type heat exchanger, as described above, converts the fluid entering from the inlet of the heat exchanger into the heat formed by the wide and fine pitch corrugated fins F in each unit. It is considered essential to evenly distribute the data to the exchange (HE). For example, as shown in FIG. 7 and the like, a structure in which a corrugated plate having a coarse pitch is sandwiched between plates and assembled is used. Causes large pressure loss.

【0032】ところが本発明者等が種々検討を重ねたと
ころによると、該デストリビュータでは、その流体流れ
方向にある程度の長さを確保してやれば、内部にコルゲ
ート板を配置せずともプレートの間を単に中空状態にし
ておくだけで流体は十分に分配することが確認された。
但し、デストリビュータを取り付けた熱交換ユニットを
多数重ね合わせ熱交換器として組付ける際には、該デス
トリビュータを構成するプレート間に大きな締め付け力
が作用するので、該締め付け力に耐え得るだけの耐圧強
度を確保することが必須となる。
However, according to the present inventors' various studies, it has been found that in the distributor, if a certain length is secured in the fluid flow direction, the gap between the plates can be maintained without disposing a corrugated plate inside. It was confirmed that the fluid was sufficiently distributed only by keeping the hollow state.
However, when assembling a heat exchanger with a large number of heat exchange units to which the distributor is attached, a large clamping force acts between the plates constituting the distributor, so that a pressure resistance sufficient to withstand the clamping force is applied. It is essential to ensure strength.

【0033】即ちデストリビュータは、流体の通過空間
を十分に確保するという前提のもとでは、流体分配機能
よりもむしろ耐圧強度に主眼をおいて設計するのが有効
と考えられる。ところが、従来のコルゲート板をプレー
トに挟み込んだタイプのデストリビュータでは、該コル
ゲート板の耐圧強度が十分でないため、そのピッチを大
きめにして通過抵抗を下げるにしても自ずと限界があ
り、その結果として、該コルゲート板の部分でかなりの
圧力損失を生じていたのである。
That is, it is considered effective to design the distributor focusing on the pressure resistance rather than the fluid distribution function, on the premise that a sufficient space for passing the fluid is secured. However, in a conventional distributor in which a corrugated plate is sandwiched between plates, the pressure resistance of the corrugated plate is not sufficient. A considerable pressure loss occurred in the corrugated plate.

【0034】しかしながら、デストリビュータの構造
を、特に組付け時に必要となるプレート間の耐圧強度向
上に主眼をおいて考えると、例えば図8に示す如くプレ
ートP,P間に任意の間隔で支柱Sを組み付け、該支柱
Sによって組付け時の拘束力に十分耐え得る耐圧強度を
確保するだけで十分であることが分かった。即ちこの支
柱Sは、その両端に配置されるプレートP,Pの間で梁
としての機能を果たし、図面の上下方向からかかる拘束
力を十分に支持し得るのである。そしてこの様な支柱
は、従来のコルゲート板に比べると優れた耐圧強度を有
しているので、その取付け間隔を十分に広く取ることが
でき、即ち流体の通過空間を十分に広く取ることがで
き、その結果として、デストリビュータ部分での圧力損
失を可及的に抑えることができるのである。
However, considering the structure of the distributor with a particular focus on the improvement of the pressure resistance between the plates, which is necessary at the time of assembly, for example, as shown in FIG. It was found that it was sufficient to secure the pressure resistance sufficient to withstand the restraining force at the time of assembly by the support posts S. That is, the support S functions as a beam between the plates P disposed at both ends thereof, and can sufficiently support the restraining force applied in the vertical direction of the drawing. And since such a pillar has a superior pressure resistance compared with the conventional corrugated plate, it is possible to take a sufficiently large mounting interval, that is, it is possible to take a sufficiently large fluid passage space. As a result, the pressure loss at the distributor portion can be suppressed as much as possible.

【0035】ここで用いられる支柱Sは、要するにプレ
ートP,Pの間に適宜間隔で組み付けて耐圧強度を与え
るものであり、該支柱Sの形状や構造はどの様なもので
あってもよく、流体の通過空間を確保するという意味か
らすると断面が丸棒状や矩形状等の棒状の支柱として組
み付けることが有効であるが、その様な支柱ではその両
端をプレートP,P間にロウ付けなどによって接合する
作業が極めて煩雑となり、製作費用が嵩むばかりでなく
大量生産も困難となる。従って製作コストや生産性など
を考慮すると、例えば図8に示した様な板状の支柱Sを
使用し、これをプレートP,Pの間にロウ付けなど公知
の手段で組み付けるのが有利である。このとき、図9に
示す如く一方のプレートPと板状の支柱Sを引抜き成形
法等によって一体成形する方法を採用し、該支柱Sの他
端側に他のプレートPを接合する方法を採用すれば、支
柱Sを組み付ける際の位置決めや位置固定等も極めて簡
単に行なうことができるので、この様な構造のものは製
作の容易性なども踏まえて最も実用性の高いものといえ
る。
The strut S used here is, in short, assembled at an appropriate interval between the plates P, P to provide pressure resistance. The strut S may have any shape and structure. In terms of securing the passage space for fluid, it is effective to assemble it as a rod-shaped support with a cross section of a round bar or a rectangular shape. However, in such a support, both ends of the support are brazed between the plates P and P. The joining operation becomes extremely complicated, which not only increases the production cost but also makes mass production difficult. Therefore, in consideration of manufacturing cost, productivity, and the like, it is advantageous to use a plate-shaped support S as shown in FIG. 8, for example, and to assemble it between the plates P, P by known means such as brazing. . At this time, as shown in FIG. 9, a method is employed in which one plate P and a plate-shaped support S are integrally formed by a drawing method or the like, and another plate P is joined to the other end of the support S. Then, the positioning and fixing of the column S can be performed very easily, so that such a structure can be said to be the most practical one in view of the easiness of manufacture.

【0036】但しこれらの例では、前述の如く支柱によ
ってプレート間の耐圧強度を高めるところに特徴を有す
るものであるから、支柱の具体的な形状や構造は制限的
でなく、棒状など他の形状・構造の支柱を用いることも
勿論可能である。また板状の支柱を用いる場合、該板状
支柱は直線状の他、例えば図10に示す如く流体流れ方
向に湾曲させて流れ抵抗を小さくしたり、あるいは図1
1に示す様に任意形状、任意サイズ、任意数の穴Wを明
け、該穴Wを通して流体が相互に分流できる様にするこ
とも可能である。
However, in these examples, as described above, the columns are characterized by increasing the pressure resistance between the plates, so that the specific shapes and structures of the columns are not limited, and other shapes such as rods may be used. -Of course, it is also possible to use a structural support. When a plate-shaped support is used, the plate-shaped support is not only linear but also curved in the fluid flow direction as shown in FIG.
As shown in FIG. 1, an arbitrary shape, an arbitrary size, and an arbitrary number of holes W can be formed so that fluids can be diverted from each other through the holes W.

【0037】またこれら支柱Sの取り付け間隔は、求め
られる耐圧強度を確保できる限度でできるだけ広くする
方が圧損低減に有利であるが、本発明者等が確認したと
ころによると、圧損低減効果を有効に発揮させるには、
適用される熱交換ユニットにおける熱交換部(たとえば
図7における符号HE)を構成するコルゲートフィンの
フィンピッチに対して3〜15倍程度の間隔で板状支柱
を組み付ければ、当該熱交換ユニットにおける圧力損失
を十分に低減できることが分かった。しかして、該組付
け間隔が15倍を超えて過度に広くなると、耐圧強度が
不足気味になったり或は支柱を過度に太くしなければな
らなくなり、一方支柱の取付け間隔が3倍未満では、耐
圧強度は十分に高められる反面、満足のいく圧損低減効
果が得られ難くなるからである。
It is advantageous to reduce the pressure loss by setting the interval between the columns S as wide as possible as long as the required pressure-resistant strength can be ensured. However, the present inventors have confirmed that the effect of reducing the pressure loss is effective. In order to demonstrate
If the plate-like columns are assembled at intervals of about 3 to 15 times the fin pitch of the corrugated fins constituting the heat exchange section (for example, the symbol HE in FIG. 7) of the applied heat exchange unit, It has been found that the pressure loss can be sufficiently reduced. Thus, if the installation interval is excessively wide exceeding 15 times, the pressure resistance strength tends to be insufficient or the support must be excessively thick. On the other hand, if the support installation interval is less than 3 times, This is because the pressure resistance can be sufficiently increased, but it is difficult to obtain a satisfactory pressure loss reduction effect.

【0038】ちなみに、コルゲートフィン型熱交換器に
おける設計圧力とピッチと板厚の関係は下記式で表わす
ことができ、 tp =Pt √(P/200σa) tp :セパレートシートの板厚、Pt :ピッチ、P:圧
力、σa:材料の許容応力(通常のAl合金は2.3) 熱交換器用コルゲートフィンに用いられるシートの板厚
は通常1mm、σaは2.3であるから、例えば設計圧
力を1.0kg/cm2 GとしたときのピッチP t を上
記式から求めると Pt =tp /√(P/200σa)=1.0/√(1.
0/200・2.3)=21.4mm となる。
By the way, the corrugated fin type heat exchanger
The relationship between design pressure, pitch and plate thickness in the following equation
Can be tp = Pt √ (P / 200σa) tp : Separate sheet thickness, Pt : Pitch, P: Pressure
Force, σa: allowable stress of material (normal Al alloy is 2.3) Sheet thickness used for corrugated fin for heat exchanger
Is usually 1 mm and σa is 2.3.
Force 1.0kg / cmTwo Pitch P when G t On
From the notation, Pt = Tp /√(P/200σa)=1.0/√(1.
0/200 · 2.3) = 21.4 mm.

【0039】一方、熱交換ユニットをロウ付けで組み付
ける時の荷重に耐える強度を確保するには、下記式によ
って算出される耐座屈強度(Pcr)を満たすものでなけ
ればならない。 座屈強度(Pcr)=4π2 EI/l2 、 I=tl3 /12 (式中、E:弾性係数、I:断面2次モーメント、l:
フィン高さt:フィン板厚をそれぞれ表わす) いま、同一素材からなり、同一フィン高さで板厚の異な
る2種のコルゲートフィン(従ってEとlは同一)につ
いて、夫々の座屈強度PCr1 ,PCr2 の計算式を求める
と、下記式の様になり、 フィン板厚がt1 のとき:PCr1 =[4π2・E・(t1・l3/1
2)/l3)] フィン板厚がt2 のとき:PCr2 =[4π2・E・(t2・l3/1
2)/l3)] 上記式より、 PCr1 /PCr2 =t1 /t2 が導かれる。また、同一の座屈強度を確保するという条
件の下では、フィンピッチ(P)とフィン板厚(t)の
間にはほぼ比例関係があるので、 t1 /t2 =Pt1/Pt2 の式が成立する。
On the other hand, in order to ensure the strength to withstand the load when the heat exchange unit is assembled by brazing, it must satisfy the buckling resistance (P cr ) calculated by the following equation. During buckling strength (P cr) = 4π 2 EI / l 2, I = tl 3/12 ( wherein, E: elastic modulus, I: sectional secondary moment, l:
Fin height t: Represents the fin plate thickness) Now, for two kinds of corrugated fins of the same material but of the same fin height and different plate thicknesses (therefore, E and l are the same), the respective buckling strengths P Cr1 when determining the calculation formula P Cr2, it becomes as the following equation, when the fin thickness is t 1: P Cr1 = [4π 2 · E · (t 1 · l 3/1
2) / l 3)] When the fin thickness is t 2: P Cr2 = [4π 2 · E · (t 2 · l 3/1
Than 2) / l 3)] the above equation, P Cr1 / P Cr2 = t 1 / t 2 is derived. Further, under the condition that the same buckling strength is ensured, there is a substantially proportional relationship between the fin pitch (P) and the fin plate thickness (t), so that t 1 / t 2 = P t1 / P t2 Holds.

【0040】そして、たとえば空気分離器用主熱交換器
のコルゲートフィンとして一般的に用いられる4.2m
mピッチのフィンの板厚は0.4mmであり、前述の如
く板厚が1mmの場合の設計フィンピッチは21.4m
mであるから、これらの値を前記式に代入し、組み付け
時の負荷に耐える座屈強度を得る為のフィン板厚さを求
めると、 4.2/0.4=21.4/t、即ち、t≒2mm が導かれる。その結果、21.4ピッチでフィン厚さは
2mmとなるが、これは、4.2ピッチでフィン厚さが
0.4mmであるものよりも流路面積を大きく確保する
ことが可能となる。
For example, 4.2 m generally used as a corrugated fin of a main heat exchanger for an air separator is used.
The thickness of the m-pitch fin is 0.4 mm, and the design fin pitch is 21.4 m when the thickness is 1 mm as described above.
m, these values are substituted into the above equation to determine the fin plate thickness for obtaining the buckling strength that can withstand the load at the time of assembling: 4.2 / 0.4 = 21.4 / t, That is, t ≒ 2 mm is derived. As a result, the fin thickness is 2 mm at the 21.4 pitch, but it is possible to secure a larger flow path area than that of the fin thickness of 0.4 mm at the 4.2 pitch.

【0041】一方、熱交換器用として用いられる通常の
コルゲートフィンのフィンピッチはMax:4.2m
m,Min:1.4mmであるから、これらの値を考慮
してロウ付け時の荷重に耐える座屈強度を、デストリビ
ュータに設けられる補強用支柱によって確保するため
の、該補強用支柱の好適取付け間隔を求めると、最小値
は上記フィンピッチのMax/min比、即ち4.2/
1.4(=3倍)となり、最大値は、上記コルゲートフ
ィンピッチのMin値(1.4)に対する前記設定フィ
ンピッチ(即ち21.4)に対する比(即ち、21.4
/1.4=15倍)となり、 補強用支柱の好ましい最小ピッチ間隔=4.2/1.4
=3倍、 補強用支柱の好ましい最大ピッチ間隔=21.4/1.
4=15倍、 が導かれる。即ち、デストリビュータ部分における補強
用支柱の取付け間隔は、熱交換部におけるフィンピッチ
に対し3〜15倍の間隔とすることにより、流体の流れ
を疎外することなく十分な座屈強度を確保し得ることに
なる。
On the other hand, the fin pitch of a normal corrugated fin used for a heat exchanger is Max: 4.2 m.
Since m and Min are 1.4 mm, considering these values, it is preferable to use the reinforcing column for securing the buckling strength against the load at the time of brazing by the reinforcing column provided in the distributor. When the mounting interval is determined, the minimum value is the Max / min ratio of the fin pitch, that is, 4.2 /
1.4 (= 3 times), and the maximum value is the ratio (ie, 21.4) of the corrugated fin pitch to the set fin pitch (ie, 21.4) with respect to the Min value (1.4).
/1.4=15 times), and the preferable minimum pitch interval of the reinforcing columns = 4.2 / 1.4.
= 3 times, preferred maximum pitch spacing of reinforcement columns = 21.4 / 1.
4 = 15 times. That is, by setting the mounting interval of the reinforcing columns in the distributor portion to be 3 to 15 times the fin pitch in the heat exchange section, sufficient buckling strength can be secured without alienating the fluid flow. Will be.

【0042】本発明では、前述の如く熱交換器の構造を
工夫し、あるいは更に、該熱交換器を構成するデストリ
ビュータの構造を改善することによって低圧ラインの圧
損低減を図り、それにより空気圧縮機の動力を低減する
ところに特徴があり、こうした特徴は、図6に示した様
な従来タイプの空気分離装置に対しても有効に発揮させ
ることができるが、空気分離装置に以下に示す様な構成
を付加し、それにより圧損低減を更に増進したり、或は
更に他の効果を得ることも可能である。
In the present invention, the pressure loss of the low-pressure line is reduced by devising the structure of the heat exchanger as described above, or by further improving the structure of the distributor constituting the heat exchanger. The feature is that the power of the machine is reduced, and such a feature can be effectively exerted on the conventional type air separation device as shown in FIG. 6, but the air separation device has the following features. It is possible to further enhance the pressure drop reduction or to obtain other effects by adding a special structure.

【0043】例えば図12は、上記主熱交換器が設けら
れる空気分離装置の他の例を示す一部説明図であり、精
留塔上塔と下塔の周辺のみを示しており、その他の部分
は前記図6の例と同様と考えればよい。
For example, FIG. 12 is a partial explanatory view showing another example of the air separation device provided with the main heat exchanger, and shows only the vicinity of the upper and lower columns of the rectification column. The portion may be considered to be the same as in the example of FIG.

【0044】前記図6の例では、精留塔上塔8c底部の
液体酸素の加熱に、下塔8a頂部に粗分離される窒素ガ
スを利用し、該液体酸素の液面の上部側壁から抜き出さ
れる酸素リッチガスをライン17から製品酸素ガスとし
て取り出している。
In the example shown in FIG. 6, nitrogen gas roughly separated at the top of the lower column 8a is used to heat the liquid oxygen at the bottom of the upper column 8c of the rectification column, and the liquid oxygen is extracted from the upper side wall of the liquid level. The outputted oxygen-rich gas is taken out from the line 17 as product oxygen gas.

【0045】これに対し本例では、図12に示す如く、
精留塔上塔8c底部の液体空気をライン30から液体の
ままで抜き出して蒸発器31へ導入する。該蒸発器31
には加熱用熱交換器32が内装されており、この加熱用
熱交換器32には、主熱交換器7で冷却されてから精留
塔下塔8aへ供給される圧縮空気の一部が分岐して供給
される様に構成されている。そして、精留塔上塔8cか
ら抜き出された液体酸素を蒸発器31で加熱することに
よって蒸発させ、ライン33から前記と同様に主熱交換
器7で寒冷を回収してから製品酸素ガスとして抜き出す
一方、加熱用熱交換器32で蒸発エネルギーを与えて冷
却された圧縮空気は、精留塔下塔8aの下部へ送給され
る。この方法を採用することによってもたらされる利益
としては、下記〜が挙げられる。
On the other hand, in this example, as shown in FIG.
Liquid air at the bottom of the upper rectification tower 8c is withdrawn as liquid from the line 30 and introduced into the evaporator 31. The evaporator 31
Is provided with a heat exchanger 32 for heating. In the heat exchanger 32 for heating, a part of the compressed air which is cooled by the main heat exchanger 7 and then supplied to the lower tower 8a of the rectification tower is branched. It is configured to be supplied as. Then, the liquid oxygen extracted from the upper rectification tower 8c is evaporated by heating it in the evaporator 31, and the cold is recovered from the line 33 in the main heat exchanger 7 in the same manner as described above, and then the product oxygen gas is produced. On the other hand, the compressed air that has been extracted and given cooling energy by the heating heat exchanger 32 is sent to the lower part of the lower tower 8a. Benefits brought by adopting this method include the following.

【0046】製品酸素ガスの圧力を増大できる。即
ち、図示する如く蒸発器31を精留塔上塔8cにおける
液体酸素の液面Lよりも下方に設けた場合、蒸発器31
における液体酸素の液面L1 は上記液面Lよりも下方と
なり、該蒸発器31へ供給される液体酸素の圧力は、上
塔8c内における液体酸素の液面Lと蒸発器31内にお
ける液体酸素の液面L1 との液頭差(ヘッド差)Hdに
相当する分だけ高くなる。そして該圧力上昇分だけ沸点
は上昇するが、該蒸発器31内の加熱用熱交換器32に
は、精留塔上塔8cの主凝縮器8bへ供給される粗窒素
ガスよりも高温の圧縮空気が分岐送給されているので、
該蒸発器31内の液体空気は圧力上昇にも拘らず蒸発に
充分な熱を受けて蒸発する。そして、蒸発する酸素ガス
の圧力は上記液頭差(ヘッド差)Hd分だけ高圧の状態
で抜き出されることになる。一般に製品酸素ガスは圧縮
機で加圧して製品化されるが、抜き出しラインの最終段
階で圧縮機に通して加圧されるため、この部分で酸素ガ
スの圧力が高められることは、該圧縮機び昇圧エネルギ
ーを低減できることにつながり、設備全体としての動力
低減に寄与できる。
The pressure of the product oxygen gas can be increased. That is, as shown, when the evaporator 31 is provided below the liquid oxygen level L in the upper rectification tower 8c, the evaporator 31
Becomes lower than the liquid level L 1 of the liquid oxygen is the liquid surface L in the pressure of the liquid oxygen supplied to the evaporator 31, the liquid in the liquid level L of the liquid oxygen in the upper column 8c evaporator 31 liquid head difference between the liquid level L 1 of oxygen becomes higher by an amount corresponding to a (head difference) Hd. Although the boiling point rises by the pressure rise, the heating heat exchanger 32 in the evaporator 31 is compressed at a higher temperature than the crude nitrogen gas supplied to the main condenser 8b of the upper rectification tower 8c. Since the air is diverted and sent,
The liquid air in the evaporator 31 receives sufficient heat for evaporation and evaporates despite the pressure rise. Then, the pressure of the evaporating oxygen gas is withdrawn at a high pressure corresponding to the liquid head difference (head difference) Hd. In general, product oxygen gas is pressurized by a compressor to produce a product. However, since the product oxygen gas is pressurized through a compressor in the final stage of the extraction line, the pressure of the oxygen gas is increased in this portion. This can contribute to a reduction in power consumption of the equipment as a whole.

【0047】製品酸素ガスの純度アップが図れる。即
ち前記図6に示した如く、精留塔上塔8cにおける液体
酸素の液面よりもやや上方から酸素ガスを抜き出す場
合、上塔8c内での気液平衡から、酸素ガスの純度を液
体酸素の純度以上に高めることは不可能であり、例えば
液体酸素の酸素濃度が90%である場合は、抜き出され
る酸素ガスの純度は87〜88%程度とならざるを得な
い。ところが、本例の様に上塔8c底部の液体酸素を液
体状態のままで蒸発器31に抜き出してから加熱蒸発さ
せる方法を採用し、蒸発器31における圧力と温度を適
正に制御すると、上塔8c底部の液体酸素純度を維持し
た酸素ガスを製品ガスとして抜き出すことが可能とな
る。即ち、蒸発器31内の温度圧力条件を制御し、最初
に揮発する窒素含量の高いガスを放出させることによっ
て気相の酸素濃度が入側(即ち上塔8c内から送られて
くる)液体酸素と同じ濃度となる気液平衡状態(例えば
気相の酸素濃度が90%、液相の酸素濃度が92%)を
確保し、この状態を維持しながら、液体酸素の導入と気
体酸素の抜き出しを連続的に行うと、90%濃度の酸素
ガスを製品ガスとして連続的に得ることが可能となる。
The purity of the product oxygen gas can be increased. That is, as shown in FIG. 6, when the oxygen gas is extracted from a position slightly higher than the liquid oxygen liquid level in the upper rectification tower 8c, the purity of the oxygen gas is determined based on the gas-liquid equilibrium in the upper tower 8c. It is impossible to increase the purity of the oxygen gas to more than 90%. For example, when the oxygen concentration of the liquid oxygen is 90%, the purity of the extracted oxygen gas must be about 87 to 88%. However, as in this example, a method is employed in which liquid oxygen at the bottom of the upper tower 8c is extracted in a liquid state to the evaporator 31 and then heated and evaporated. When the pressure and temperature in the evaporator 31 are properly controlled, It becomes possible to extract the oxygen gas maintaining the liquid oxygen purity at the bottom of 8c as the product gas. That is, the temperature and pressure conditions in the evaporator 31 are controlled, and a gas having a high nitrogen content that is first volatilized is released, so that the oxygen concentration in the gaseous phase becomes higher than that of the liquid oxygen (ie, sent from the upper column 8c). A gas-liquid equilibrium state (for example, a gas phase oxygen concentration of 90% and a liquid phase oxygen concentration of 92%) is obtained, and the liquid oxygen is introduced and the gas oxygen is extracted while maintaining this state. If it is performed continuously, it becomes possible to continuously obtain a 90% concentration oxygen gas as a product gas.

【0048】精留塔下塔8aへの圧縮空気の導入圧力
の低減、即ち原料空気圧縮器の動力低減が可能となる。
即ち上記で説明した様に、蒸発器31を併設した操業
によって製品酸素ガスの純度が高められるということ
は、精留塔上塔8cの底部に溜る液体酸素の純度を相対
的に下げ得ることを意味しており、当該液体酸素の純度
が低くなるとその沸点は低下し、より低温で蒸発可能と
なる。従って、該上塔8c内の液体酸素を蒸発させるた
めの加熱源となる窒素ガス(下塔8aの頂部から主凝縮
器8bへ送り込まれるガス)についても、より低圧(低
圧になると、窒素が凝縮する温度は低くなる)で操業す
ることができるようになる。その結果、下塔8aの圧力
を低めに設定した操業が可能となり、ひいては原料空気
圧縮機の動力低減に寄与できる。
It is possible to reduce the pressure for introducing the compressed air into the lower tower 8a, that is, to reduce the power of the raw material air compressor.
That is, as described above, the fact that the purity of the product oxygen gas is increased by the operation with the evaporator 31 provided means that the purity of the liquid oxygen stored at the bottom of the upper rectification column 8c can be relatively reduced. In other words, the lower the purity of the liquid oxygen is, the lower its boiling point is, and it is possible to evaporate at a lower temperature. Accordingly, the nitrogen gas (gas sent from the top of the lower column 8a to the main condenser 8b) serving as a heating source for evaporating the liquid oxygen in the upper column 8c also has a lower pressure. Operating temperature will be lower). As a result, an operation in which the pressure of the lower tower 8a is set to a low level becomes possible, which can contribute to a reduction in the power of the raw material air compressor.

【0049】尚上記構成は、本発明を実施する際に付随
的に付加することのできる好ましい構成を説明したもの
であるが、前述の様に構成された本発明の熱交換器であ
れば、高レベルの熱交換効率を保証しつつ圧力損失を可
及的に小さく抑えることができるので、これを空気分離
装置の主熱交換器として配置すると、安定して優れた寒
冷回収率を示すと共に、低圧側の抜き出しラインの主熱
交換器に由来する圧力損失を可及的に抑えることがで
き、空気圧縮器の動力低減を図ることができる。
Although the above-described configuration has been described as a preferred configuration that can be additionally provided when the present invention is carried out, if the heat exchanger of the present invention configured as described above is used, Since the pressure loss can be kept as low as possible while guaranteeing a high level of heat exchange efficiency, if this is arranged as the main heat exchanger of the air separation unit, it will exhibit a stable and excellent cold recovery rate, Pressure loss due to the main heat exchanger in the low pressure side extraction line can be suppressed as much as possible, and power of the air compressor can be reduced.

【0050】なお本発明の熱交換器が配置される空気分
離装置のその他の機器、例えば空気圧縮器、冷却器、モ
レキュラシーブ吸着器、精留塔上・下塔など、更にはそ
れらの配管・接続構造等は特に制限的でなく、この種の
空気分離装置に適用される機器や配管・接続法などを適
宜に選択して適用することができ、例えば精留塔につい
ては、従来の棚段式精留塔はもとより、ラシヒリング、
ポールリング、バールサドル、インタクロスサドルその
他の構造充填材を充填して圧力損失の低減を図った精留
塔などにも勿論有効に活用することができる。
The other equipment of the air separation apparatus in which the heat exchanger of the present invention is disposed, such as an air compressor, a cooler, a molecular sieve adsorber, an upper and lower tower of a rectification column, and their piping and connection. The structure and the like are not particularly limited, and it is possible to appropriately select and apply equipment, piping, connection methods, and the like applied to this type of air separation device. Rashig ring as well as rectification tower,
Of course, it can also be effectively used for a rectification column or the like in which a pole ring, a crowbar saddle, an intercross saddle, and other structural fillers are filled to reduce pressure loss.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、こ
の熱交換器は、高レベルの熱交換効率を保証しつつ圧力
損失を可及的に小さく抑えられる。従って、この熱交換
器を主熱交換器として用いた空気分離装置は、安定して
優れた寒冷回収率を示すと共に、低圧側の抜き出しライ
ンの主熱交換器に由来する圧力損失を可及的に抑えるこ
とができ、空気圧縮器の動力低減により、空気分離装置
全体としての分離効率や操業安定性の向上およびランニ
ングコストの低減を図ることが可能となる。
The present invention is configured as described above, and this heat exchanger can suppress a pressure loss as small as possible while guaranteeing a high level of heat exchange efficiency. Therefore, the air separation device using this heat exchanger as the main heat exchanger shows a stable and excellent cold recovery rate and reduces the pressure loss derived from the main heat exchanger in the low pressure side extraction line as much as possible. By reducing the power of the air compressor, it becomes possible to improve the separation efficiency and operation stability of the air separation device as a whole, and to reduce the running cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の熱交換器を構成する熱交換ユニットを
例示する説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view illustrating a heat exchange unit constituting a heat exchanger of the present invention.

【図2】本発明の熱交換器を構成する他の熱交換ユニッ
トを例示する説明図である。
FIG. 2 is an explanatory view illustrating another heat exchange unit constituting the heat exchanger of the present invention.

【図3】本発明で用いられるコルゲートフィンの他の例
を示す一部見取り図である。
FIG. 3 is a partial perspective view showing another example of a corrugated fin used in the present invention.

【図4】本発明の熱交換器を構成する他の熱交換ユニッ
トを例示する概略見取り図である。
FIG. 4 is a schematic plan view illustrating another heat exchange unit constituting the heat exchanger of the present invention.

【図5】本発明の熱交換器を構成する熱交換ユニットの
組付け例を示す概略見取り図である。
FIG. 5 is a schematic drawing showing an example of assembling a heat exchange unit constituting the heat exchanger of the present invention.

【図6】本発明の熱交換器が用いられる空気分離装置を
例示する全体フロー図である。
FIG. 6 is an overall flow diagram illustrating an air separation device using the heat exchanger of the present invention.

【図7】空気分離装置に用いられる従来の主熱交換器の
熱交換ユニットを示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a heat exchange unit of a conventional main heat exchanger used for an air separation device.

【図8】本発明の熱交換器を構成する熱交換ユニットに
好ましく設けられるデストリビュータの構造を例示する
一部断面見取り図である。
FIG. 8 is a schematic partial sectional view illustrating the structure of a distributor preferably provided in a heat exchange unit constituting the heat exchanger of the present invention.

【図9】本発明の熱交換器を構成する熱交換ユニットに
好ましく設けられるデストリビュータの他の構造を例示
する一部断面見取り図である。
FIG. 9 is a schematic partial sectional view illustrating another structure of a distributor preferably provided in a heat exchange unit constituting the heat exchanger of the present invention.

【図10】本発明の熱交換器を構成する熱交換ユニット
に好ましく設けられる更に他のデストリビュータの構造
を例示する一部断面見取り図である。
FIG. 10 is a partial cross-sectional view illustrating the structure of still another distributor preferably provided in the heat exchange unit that constitutes the heat exchanger of the present invention.

【図11】本発明の熱交換器を構成する熱交換ユニット
に好ましく設けられる更に他のデストリビュータの構造
を例示する一部断面見取り図である。
FIG. 11 is a partial cross-sectional view illustrating the structure of still another distributor preferably provided in the heat exchange unit that constitutes the heat exchanger of the present invention.

【図12】本発明で好ましく採用される空気分離法と装
置の特徴的部分を抜粋して示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram that extracts and shows characteristic portions of an air separation method and an apparatus preferably employed in the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 エアフィルタ 2 原料空気圧縮機 3 冷却器 4 蒸発クーラ− 5 膨張タービン 6 モレキュラシーブ吸着器 7 主熱交換器 8 精留塔 8a 下塔 8b 主凝縮器 8c 上塔 9 窒素リッチ液 10 酸素リッチ液 29 再生ガス加熱器 31 蒸発器 32 加熱用熱交換器 F コルゲートフィン D1 入側デストリビュータ D2 出側デストリビュータ U 熱交換ユニット P プレート S 支柱 W 穴DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air filter 2 Raw material air compressor 3 Cooler 4 Evaporative cooler 5 Expansion turbine 6 Molecular sieve adsorber 7 Main heat exchanger 8 Rectification tower 8a Lower tower 8b Main condenser 8c Upper tower 9 Nitrogen rich liquid 10 Oxygen rich liquid 29 Regeneration gas heater 31 Evaporator 32 Heat exchanger for heating F Corrugated fin D 1 Inlet distributor D 2 Distributor U Heat exchange unit P plate S Column W Hole

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 空気分離装置に用いられるコルゲートフ
ィン型熱交換器において、該熱交換器における低温側に
は、伝熱面積の大きい流路及び/又はレイノルズ数を高
くする流路を形成するフィンが配置され、高温側には、
伝熱面積の小さい流路及び/又はレイノルズ数を低くす
る流路を形成するフィンが配置されていることを特徴と
する空気分離装置用熱交換器。
1. A corrugated fin heat exchanger used in an air separation device, wherein a fin forming a flow path having a large heat transfer area and / or a flow path increasing a Reynolds number is provided on a low temperature side of the heat exchanger. Is placed, and on the hot side,
A heat exchanger for an air separation device, wherein fins forming a flow path having a small heat transfer area and / or a flow path for lowering the Reynolds number are arranged.
【請求項2】 空気分離装置に用いられるコルゲートフ
ィン型熱交換器において、該熱交換器における低温側に
は、流路断面積の小さい流路及び/又はレイノルズ数を
高くする流路を形成するフィンが配置され、高温側に
は、流路断面積の大きい流路及び/又はレイノルズ数を
低くする流路を形成するフィンが配置されていることを
特徴とする空気分離装置用熱交換器。
2. A corrugated fin type heat exchanger used for an air separation device, wherein a flow path having a small flow path cross-sectional area and / or a flow path having a high Reynolds number is formed on a low temperature side of the heat exchanger. A heat exchanger for an air separation device, wherein fins are arranged, and fins that form a flow path having a large flow path cross-sectional area and / or a flow path that reduces a Reynolds number are disposed on a high temperature side.
【請求項3】 前記熱交換器の低温側に配置されるフィ
ンが、ルーバー型フィンもしくはセレート型フィンであ
る請求項1または2に記載の空気分離装置用熱交換器。
3. The heat exchanger for an air separation device according to claim 1, wherein the fin disposed on the low temperature side of the heat exchanger is a louver fin or a serrate fin.
【請求項4】 前記熱交換器の高温側に配置されるフィ
ンが、プレーン型フィン、ヘリンボーン型フィンもしく
はパーフォレイト型フィンである請求項1〜3のいずれ
かに記載の空気分離装置用熱交換器。
4. The heat exchanger for an air separation device according to claim 1, wherein the fin disposed on the high temperature side of the heat exchanger is a plain fin, a herringbone fin, or a perforate fin. .
【請求項5】 請求項1〜4に記載の熱交換器が、製品
窒素、製品酸素および粗窒素ガスと原料空気との主熱交
換用として配置されたものであることを特徴とする空気
分離装置。
5. The air separator according to claim 1, wherein the heat exchanger is arranged for main heat exchange between product nitrogen, product oxygen and crude nitrogen gas and raw material air. apparatus.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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