TW422732B - Method of and apparatus for air separation - Google Patents

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TW422732B
TW422732B TW087105988A TW87105988A TW422732B TW 422732 B TW422732 B TW 422732B TW 087105988 A TW087105988 A TW 087105988A TW 87105988 A TW87105988 A TW 87105988A TW 422732 B TW422732 B TW 422732B
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heat exchanger
main heat
column
air separation
air
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TW087105988A
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English (en)
Inventor
Masahiro Goto
Shuhei Natani
Masayuki Tanaka
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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Description

422732 A7 B7 五、發明説明（I ) 發明背景 1. 發明領域 本發明關於空氣分離的方法及裝置，且尤其關於一種 空離分離的方法及裝置’其中原料空氣經過熱交換器被配 置於空氣分離裝置中的主熱交換器之回氣所冷卻，其中.儘 可能多地減少回氣管線中的壓力損失，因此改善空氣分離 工作的效率及穩定性及達成運轉成本的降低。 2. 相關技藝之說明 將空氣分離成氮氣和氧氣的空氣分離方法係使用於各 種不同領域中’如製鋼、化學及電子工業。關於此種空氣 分離方法’研究正進行中以便能改善分離效率 '降低運轉 成本、改善操作穩定性等等。 經洧部中夾捃準局員工消费合作社印奴
It --' ^^1 ^^1 I 1— 0 - -I 1^1 士^- 1- - * ----. 丁* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 給予it些目標’圖1係一流程圖，說明一發展出的分 子篩型空氣分離方法之實例及一執行此方法的裝置。原料 空氣經由生氣過濾、器1、原料空氣壓縮機2、冷卻器3等輸 送而轉變成適宜的壓力、溫度和濕度的空氣（以下稱作”壓 縮空氣’之後通往分子篩吸附器6。在所示的實例中，設 有一對分子篩吸附器6 ’可選擇使用它們。在吸附器6內 ，藉沸石或同型物之吸附作用幾乎完全移除壓縮空氣中的 任何水 '二氧化碳、烴類等。壓縮空氣然後通往吸附器6 及經由一導管6a輸送至主熱交換器7，於其中它經過熱交 器被以下所述的回氣冷卻至溫度在液化點左右，之後它通 往精餾塔8的下塔8a之下段。 進入下塔8a的壓縮空氣當在下塔8a之內上升時則經 3 本紙乐尺度適用中國因家標準（CNS ) Λ4^格U10X 297公t ) A7 422T3 2 五、發明説明（> ) 歷精餾分離。結果，由下塔8a之上段抽出低沸點富氮的液 體(液態氮)9，同時一高沸點富氧的液體10係儲存在下塔 8a之下段中（此方法有時稱作”粗精餾法”）。下塔上段中之 富氮的氣體係經由一導管13通往主冷凝器8b，於其中被 液化，之後下降經過一導管14而回到下塔8a之上段。下 塔8a上段中之富氮的液體經由導管15輸送及途經超冷卻 器12通往上塔8c之頂段。 另一方面，上述富氧的液體1〇途經導管25及超冷卻 器通往上塔8C之中段。再者，粗精餾法之中間階段的液態 氮係途經導管11及超冷卻器I2通往上塔以之上段◊這樣 子，較低溫的液態氮及富氧的液體係由上塔8c之中、 上及頂段帶出，而在上塔8c內下降。質量傳遞係在上塔Sc .內的上升氣體與較低溫的液態氮和富氧的液體10之間達成 ，藉以進行精餾。 重複這些程序，氮氣在上塔8c之頂段分離’而液態 氧儲存於上塔8c之下段，氧氣由稍高於此液態氧的表面之 位置被抽出。這些氣體經由導管16和17通往主熱交換器 7，而熱交換係在由分子篩吸附器6所帶出壓縮空氣與這些 氣體之間達成，因此藉冷卻這些氣體而獲得氮產品及氧產 品。 通往主熱交換器7之前’由分子篩6所帶出的部分壓 縮空氣係分歧開。其被位於膨脹渦輪機5之輸入側上的加 壓器5a所加壓，然後在主熱交換器7之高溫側上被冷卻； 然後’其在半路上被抽出及回到膨脹渦輪機5 ’其在該處 IL. --I —I: n · jlcL : «- n - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印$ί 本紙張尺度適圯中1IS家標準（CNS )六4规格（210X 297公f ) 422T32 經满部中央摞隼局兵工消費合作社印梨 A7 B7 五、發明説明（h ) 經歷絕熱膨脹而更進一步冷卻’之後通往上塔8c的中段。 由位置稍高於上塔8c之上段處經由導管20抽出粗分離狀 態的廢(exhaust)氮氣，及由超冷卻器12當作回氣輸送’途 經主熱交換器7以便利用冷度作熱交換。之後’將已經經 過熱交換的廢氮氣經由蓄熱式加熱器29送到吸附器6及供 利用於將吸附器6內的分子篩再生。在排放之前’經由導 管21將過剩的廢氮氣送到蒸發式冷卻器4，以便用於將水 冷卻，該水用於冷卻冷卻器3。在將分子篩吸附器6再生/ 加熱後，將上述廢氮氣送至吸附器6,於閥Vi和Vz之間 切換以冷卻它而完成切換至吸附程序的準備。分子篩吸附 器6之再生所利用的廢氮氣係隨後排放至系統外。 在配置於該空氣分離裝置中的主熱交換器內，一些使 用波形散熱片（平面形散熱片、人字形散熱片、多孔形散熱 片、百葉窗形散熱片、鋸齒形散熱片等等）的單元互相重疊 及安裝當作主熱交換構件，以提供高的熱交換效率，及使 要受到熱交換的流體以相反的流向流經相鄰的單元，藉以 達成熱交換。 如由先前技藝所知的，在如此的空氣分離裝置中，空 氣壓縮機的功率表示裝置的動力性能β空氣壓縮機出□的 壓力愈低，則裝置之整體性能愈強。鑒於此，各種試驗正 在進行中以便爲了降低空氣壓縮機出口的壓力而增強裝置 的性能。 在所用的主熱交換器中當執行習用的空氣分離方法日寺 ，熱交換係在回氣(其主要由氧氣產品、氣氣產品及廢氮氣( 本纸张尺度適用中國1¾家樣準（CNS ) Λ4规格（210X 297公梵） —1 I - In - I -- ί-ί ' 分^--- »-1- I I 1-1--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 »2273 2 五、發明説明（4) 所構成）與壓縮空氣(原料空氣）之間達成，及利用回氣的冷 度來冷卻壓縮空氣，其意味在主熱交換器中，四種流體流 經過熱交換器所界定的流路β因此’爲了能有效率地在這 四種流體之間達成熱交換，採用一種結構，如圖6 (槪括立 體圖）、圖7(部分剖開的立體圖，拿開頭部)及圖8(前視圖 ，顯示一種具有分配器用於分開流體的熱交換單元）中所示 ，當作主熱交換器。 在這個主熱交換器（由符號Α所槪括指出）中，一些熱 交換器單元堆積成一起，其中一些波形散熱片互相重疊穿 過構成導熱壁的隔板。流體的流徑被設在熱交換段之輸入 和輸出側上的分配器所分開。即是，如圖8(A)至8(D)中所 示，使用四型熱交換單元Α!至Α4，根據四種流體之間所 要達成的熱交換，藉分配器來改變輸入和輸出側的流徑， 且這些單元係一個重疊在另一個之上以便互相相鄰而因此 構成主熱交換器A。圖8中，符號HE表示熱交換段；而 符號Da、Db、Dc及Dd及數字D!、D2、D3及D4表示分配 器 <=這些分配器中’出口及入口段係不同的。例如，熱交 換單元Ai、A2及A4用當作氮氣 '氧氣及廢氮氣的通道， 而熱交換單元As用當作壓縮空氣的通道，熱交換單元Al ' As及A4係堆成一起，以熱交換單元A3(其構成壓縮空氣 的遇道）置於其間’藉以獲得一種如圖6和7中所示的總成 而成形主熱交換器A ’具有頭部Η固定在各流體的入口和 出口。 然而在此習用的主熱交換器中，流體的流肉係在各熱 ..... KH ^^^1 ^^^1 —fn ^^^1 « 士^. ^^^1 ^^^1 H ^—^^1 ^^^1τ* 0¾ .\晏 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經漓部中央標準局貝工消費合作社印^ 本紙張尺度適中國囤本標隼（CNS ) Λ‘!規格（2丨0x297公釐） 經濟部中夾掠革局爲工消费合作社印^ 42273 2 A7 ______B7_ 五、發明説明（< ) 交換器之輸出側分配器部分中改變，且各流體之流動狀態 爲其中分配器部分內的通道係窄於熱交換段HE的，因此 無可避免地產生大的壓力損失。當該壓力損失在回氣的通 道內產生時，尤其是在廢氮氣或氮氣（其具有較大的流速） 的通道內產生時，由於下述原因而以明顯程度不利影響空 氣分離裝置的操作壓力，且必須可觀程度地增加原料空氣 壓縮機的功率。 發明槪述 鑒於先前技藝的上述問題已經完成本發明。本發明之 —目的在於建立一種技術’當執行空氣分離時其能儘可能 多地抑制主熱交換器內所發生的壓力損失，尤其是回氣的 壓力損失’及儘可能地減少原料空氣壓縮機的功率^ 爲了以上目的，茲根據本發明提供一種空氣分離方法 ’其中將經由主熱交換器所冷卻的壓縮空氣供應給精鶴塔 的下塔，該精餾塔裝設有上塔和下塔，及其中使精餾塔之 上塔出來的回氣通經主熱交換器以利用它來冷卻壓縮空氣 ’其中一開口端通道設於主熱交換器內，且其中使回氣全 部或部分流經過開口端通道’藉以減少回氣的壓力損失。 在上述的本發明中，適宜選擇由精餾塔之上塔的頂段 或其附近所大量抽出的氣體，即是氮氣或廢氮氣，當作上 述流經開口端通道的回氣’這樣子能更增強本發明之減少 壓力損失的效果。再者，當執行本發明時，由精餾塔之上 塔底部抽出液態氧及使通往蒸發器，及將送至精餾塔之下 --· ^^1 n ί —II *^^1 - I » 士^—In _ —1 - - TV. ,yfl (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 本紙張尺度適用十國If家標準（CNS ) Λ4規格（2Ι0Χ 297公超） 42273 2 . A7 —B7_ 五、發明說明（（） 塔的部分原料空氣利用當作蒸發器的加熱源，通 之下塔的壓縮空氣之壓力係降低了，而且可有利 產品的壓力。 再者，本發明提供一種適合執行上述方法的裝置，此 型裝置包括一裝設有上塔和下塔的精餾塔及一主熱交換器 ，且其中壓縮空氣係途經主熱交換器供應給精飽塔的下塔 ，精餾塔之上塔出來的回氣被利用於冷卻經過主熱交換器 的壓縮空氣，其中主熱交換器裝設有一開口端通道，而回 氣之全部或部分經過該開口端通道。 在本發明所用的主熱交換器中，熱交換係於輸入側管 線之原料空氣（壓縮空氣）與輸出側之廢氮氣、氮氣產品和 氧氣產品之間達成，即是在四種液體之間達成。爲該目的 ，四種流體必須分開流經主熱交換器。當一條通道形成上 述的開口端通道時，用單一分配器將所有的通道固定以便 固定住其餘三條通道係可能變成不可行的。因此，在此情 況中，有效的爲在熱交換流體之輸入及輸出側提供兩個分 配器以使四種流體能分開流動。 在此熱交換裝置中，亦可以利用由精餾塔之上塔頂段 或其附近所大量抽出的氣體，即是氮氣或廢氮氣’當作上 述流經開口端通道的回氣，而更有效地增強本發明之減少 壓力損失的效果。再者，此空氣分離裝置中設有一蒸發器 用於接收上塔之底部的液態氧，及設有一條支管由壓縮空 氣供應管分歧出到精餾塔的下塔’其供應壓縮空氣當作蒸 發器的加熱源’因此如上述可以降低通往精餾塔之下塔的 8 本紙張尺度適用+國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — 1!, — !裝 illif 訂----11線 (請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 42273 2 五、發明説明（/| ) 壓縮空氣壓力（即是，更進一步減少原料空氣壓縮機的功率 )及增加氧氣產品。再者，選擇波狀散熱片型熱交換器當作 主熱交換器配置於本發明的空氣分離設備中，及採用一種 分配器結構配置在主熱交換器中的流體出口或入口處，其 中數支撐物在板間以適當間隔固定而留下流體的通道空間 圖式之簡單說明 圖1係一示意流程圖，顯示本發明可用的空氣分離方 法和裝置之實例； 圖2(A)至2(D)係示意前視圖，顯示構成本發明中所用 的主熱交換器之熱交換單元的實例； 圖3係一部分剖開立體圖，顯示組合後狀態的圖2之 熱交換單元； 圖4係一立體圖，顯示一主熱交換器，其中頭部係固 定於熱交換器單元總成中的各通道之入口和出口： 圖5係一示意縱向剖視圖，顯示本發明中所用的開頭 型熱交換單元之另一實例； 圖6係立體圖，顯示設於空氣分離裝置中的主熱 交換器； 圖7係一部分剖開立體圖，顯示組合後狀態的構成習 用熱交換器的熱交換單元； i 圖SA至8D係示意前視圖，顯示構成習用主熱交換器 的熱交換單元之實例； 9 1 n . 1^1 —-I- m - . 士 - - 1— «11 ^^1 ，1' (#先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中次標準局負工消资合作社印试 本紙张尺政適用中國阀家標準（CNS ) Λ4规格（210X 297公釐） 經滴部中失標莩局穷工消贽合作社印^ 422732 五、發明説明（？） 圖9係一部分立體圖，顯示本發明中所較佳使用的主 熱交換器分配器之實例； 圖10係一部分立體圖，顯示本發明中所較佳使用的主 熱交換器分配器之另一實例； 圖11係一部分立體圖，顯示本發明中所較佳使用的 主熱交換器分配器之猶另一實例； 圖12係一部分立體圖，顯示本發明中所較佳使用的 主熱交換器分配器之又一實例；及 圖13係一必要部分流程圖，示意說明本發明中所較 佳採用的空氣分離方法和裝置之特徵。 較佳實施例之詳細說明 如上述，根據本發明，使用圖1中所示的方法和裝置 ，及當以主熱交換器利用回氣的冷度來冷卻壓縮空氣時， 抑制主熱交換器中的回氣之壓力損失，尤其是由上塔之頂 段或其附近所抽出的廢氮氣或氮氣者，及更抑制原料空氣 壓縮機的功率增加，藉以增強空氣分離裝置之整體操作效 率。 具體言之，例如，當執行圖1中所示的空氣分離方法 時，所用的主熱交換器係一種例如由圖2至4中所示構成 者。圖2(A)至2(D)係示意前視圖，顯示構成本發明中所用 的主熱交換器之熱交換單元的實例。如參照圖8之所述的 實例中’用四型熱交換單元對應通往主熱交換器的四種流 體(原料壓縮空氣及由氣氣、氧氣和廢氮j氣所構成的回氣） ____ 10____ 紙乐尺度適州中國因家標净（（:NS ) Λ4现格（2丨0X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂·· 42273 2 A7 _______B7_____ 五、發明说明（？） ，在此實施例中，至少一型熱交換單元A5具有如圖2(A)中 所示的開口端結構；其餘中的兩型熱交換單元A6及At之 構造係使得流體藉分配器Df及Dg由一側流入及由另一側 流出(此構造以下將稱作”側進側出型”）；而在剩餘的一型熱 交換單元A8中，分配器的設匱位置係比熱交換單元A6 及Μ之分配器的裝設位置更靠近熱交換段HE。即是，當 四型熱交換單元中的一型形成開口端結構時，其餘中的兩 型熱交換單元形成側進側出結構以便通道分開，且剩餘一 型熱交換單元必須爲抽出位置向下移的側進側出結構。、 這些熱交換單元係如圖3及4中所示堆成一起及組裝 ，而頭部Η係裝設在流體之輸入及輸出側以便形成一種主 熱交換器。此實施例中，使廢氣氣(其具有回氣之最大的流 速)流經上述四型熱交換單元之開口端型熱交換單元Ai。就 其它型熱交換單元而言，使氮氣流經(例如)熱交換單元A6 ’使壓縮空氣流經熱交換單元A7，及使氧氣(其具有流體的 最低流速)流經熱交換單元AS，藉以達成熱交換。 經濟部中央標卑局貝工消费合作社印5木 -^^^1 1 士^, —^1 ^^^1 ^IJ ，-'β {諳先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 如由所示的實例中明顯得知，在上述開口端型熱交換 單元A5中，分配器部之輸入及輸出側的流向係未改變的； 流徑亦未變窄，因此這些部分中實質上沒有產生壓力損失 。所以當使廢氮氣（其具有回氣之最大的流速）流經上述四 型熱交換單元之開口端型熱交換單元A5時，可以有效抑制 回氣管線之主熱交換器部中的壓力損失，及因以下所解釋 的埋由更可以有效地降低空氣壓縮機的功率。 即是，已經確定的是，在執行圖1中所示的空氣分離 11 本紙張疋度適用屮國國家墦準（（，>^八4规格（210><：29*?公漦） A7 42273 2 五、發明説明（/) -----I----裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 方法時，空氣壓縮機的功率係爲裝置本身的動力性能，空 氣壓縮機的出口壓力愈低則空氣壓縮機的功率愈低，而整 體改善空氣分離裝置的性能。降低空氣壓縮機之出口壓力 的最有效措施係使空氣分離裝置中的低壓系統之壓力損失 儘可能地小，尤其是圖1中所示排放側氣管線中的壓力損 失，其中氣體由精餾塔之上塔8c經過超冷卻器12、主熱 交換器7及分子篩吸附器6而排放至大氣。 本案發明人已經確定降低排放側管的壓力，例如 0.1kg/cm2G，會導致空氣壓縮機之出口壓力減少約 0.35kg/cm2G。此係因爲主冷凝器8b設於空氣分離裝置中 ’其中熱交換係於精餾塔之上塔底部的氧氣與下塔頂段中 的氮氣之間達成’低壓系統的差壓係與高壓系統的差壓有 關，視氧和氮氣之壓力下的沸點而定 經濟部中夾標準局男4消贽合作社印？水 假定’例如，精餾塔之上塔底部的氧之沸點爲_180t( 在約l.4kg/cm2A)時’此氧被下塔之頂段中的氮（其是在_ m.2°C反5.4kg/cm2A)所蒸發(即是氧因爲氮而蒸發，而氮 凝縮）。當精黯塔之上塔底部的氧壓力降低〇.lkg/cm2A至約 1.3kg/cm2A時，溫度變成-18〇/rc ’因爲下塔之頂段中的氮 (其是在5.05kg/Cm2A及-179°c)而發生蒸發。換言之，降低 低壓系統之出口壓力’即是降低上塔〇.lkg/cm2A，則高懕 系統的入口壓力’即是下塔，係降低Ojsicg/crr^Ap.A-S.OSkg/crr^A) ° 由此明顯得知’當執行空氣分離方法時，降低空氣壓 縮機之出口壓力’則抑制低壓系統之壓力（即是由精餾塔之 _ ___ 12 本紙張尺度適用中S围家標準（公^ ) 42273 2 A7 B7 五、發明説明（U ) 上塔的抽出管)係更有效於抑制高壓系統之壓力（即是通往 精餾塔的輸入側管線）。即是，當執行空氣分離方法時，儘 可能地使低壓系統之壓力損失達到最小將大大有助於減少 功率。當配置於低壓系統之抽出管中的主熱交換器具有如 圖8中所示的構造時，其中熱交換單元係互相組合一起， 則壓力損失的增加係無可避免的，因爲各單元之分配器部 中所產生的通道改變及通道收縮，如上所述。 然而，如參照圖2至4所說明的，當使用開口端型熱 交換器單元〜當作構成主熱交換器的單元之一者時，及使 廢氮氣（其具有回氣之最大的流速）流經其中，則可以儘可 能多地抑制廢氣之熱交換時所產生的壓力損失，且更可以 有效地減輕低壓系統之壓力損失。再者，此有助於降低空 氣空縮機的功率。 經满部中央標隼局貞工消贤合作社印^ ul ^^^1 In a l ^^^1 T·— 0¾-6 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在上述實例中，僅廢氮氣流經過的熱交換單元係開口 端型，而其它回氣係流經過側入側出型熱交換單元。然而 ，當氮氣產品之濃度或許相當低時，則氮氣之流速可能是 回氣的最大者。在這樣的情形中，氮氣係通經開口端型熱 交換單元。當廢氮氣之流速與氮氣之流速沒有多大差異時 ，則準備兩組如圖2至4中所示的組合結構之主熱交換器 ;使廢氮氣流經一個主熱交換器的開口端型熱交換單元， 及使氮氣流經另一個主熱交換器的開口端型熱交換單元， 藉以有效地降低兩種流體的壓力損失。同樣地，例如如圖 5中所示’可縱向將開口端型熱交換器分成兩部分（較佳以 對應於廢氮氣和氮氣之流速比例作比例，及由二組頭部Η __ 13 本紙張只「度適川中國囤家標卒（CNS) Λ4规格（210X297公苑) ——— 五、發明説明（ ·,> Α7 Β7 經滴部中央標华局眞工消贽合作社印絮 將通道分成雨通道，使廢氮氣和氮氣分別流經這些通道’ 因此可以有效地減少兩種流體的壓力損失ύ 因此，依照本發明，設於空氣分離裝置中的主熱交換 器係具有如上所述的構造，因此可有效地抑制回氣管線的 熱交換段中所產生的壓力損失及減少低壓管線的壓力損失 Ο 一般而言，在熱交換器中，降低流體的流速會減少壓 力損失。然而，當流速降低時，熱傳遞係數亦降低，導致 熱交換性能變差，再者，爲了降低流速，則必需增加熱交 換段的剖面面積，導致熱交換器的尺寸變成相當大。因此 ，爲了保持高水準的熱傳遞性能同時減少壓力損失’理想 上的流速，即是雷諾數係不少於600。假定，例如，廢氮 氣通道的雷諾是800,則可達成與100kcal/m2heC同樣高的 熱傳遞係數，藉以能獲得令人滿意的熱傳遞係數。 爲了降低主熱交換器的壓力損失所採取的另一有效措 施係改善設有主熱交換器中的分配器之構造^此將會於以 下詳細說明》 爲了均勻分配流體，通常設有分配器，該流體係由熱 交換段HE之入口流經各由大寬度、微小間距的波形散熱 片所構成單元中。如圖7及8中所示，在一普通的分配器 中，藉粗間距的波形板將導入的流體依熱交換段之寬度方 向作分配，或是液體在排出之前由熱交換段的寬度方向被 收集。 然而，在這樣的習用熱交器中，液體之流向係改變的 14 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂 本紙張尺度適川中國阀家標卑（CNS ) Λ4现格（210X 297公後） A7 422732 五、發明説明（.、' ) ，尤其是在各熱交換單元之出口側分配器部分’且流體之 流動狀態爲其中分配器部分內的通道係窄於熱交換段HE 的，因此無可避免地於其間產生大的壓力損失。如上所述 ，廢氮氣之通道採用開口端型結構可以抑制此壓力損失’ 該廢氮氣以如上述的高流速流動β然而’剩餘的回氣(氮氣 、氧氣等等)所流經過的熱交換單元係屬側進側出結構，因 此流體的流向係在熱交換單元的輸出側分配器部分中改變 ，且流體流動狀態爲其中通道係窄於熱交換段he，結果在 其間產生不可忽視的壓力損失。結果，已經確定利用一種 分配器結構其中數支撐物在板間以適當間隔固定而留下流 體的通行空間，則可更有效地隆低分配器段的壓力損去。 即是，如上所述，波形散熱片型熱交換器中所設的分 配器係被視爲絕對必要的，爲了均勻分配由熱交換段HE 之入口流經各由大寬度、微小間距的波形散熱片所構成單 元中的流體。所採用的構造係一種例如爲圖6及7中所示 者’其中板之間裝設有粗間距的波形板。如上所述，這型 的分配器中，在此部分產生大的壓力損失係無可避免的。' 然而，由本案發明人所進行的各種硏究結果，已經確 認的是在分配器中，若於流體之流向獲得一段長度，保持 板空間的中空，則完全足夠分配流體。然而，當一些具有 分配器的熱交換單元堆成一起且安裝成爲熱交換器時，大 的夾力作用於構成分配器的扳間，因此必需獲得受壓堅固 性以容忍此夾力。 艮口是’爲了獲得流體的足夠通道空間，當設計分配器 _______ 15 本紙巧度適川中1¾¾ (一 Λ4规格 (210X297公漦） 義 - - —1 ^^^1 ^^^1 士iy*. - -I 1^1 ^^^1 t^n - J ，T (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局兵-τ-消贽合作社印^ 422732 A7 B7 ____ 五、發明説明（A ) 時，令人滿意的受壓堅固性係比令人滿意的流體分配功能 更重要。然而，在波形板配置於板間形式的習用分配器中 ，波形板的受壓堅固性係不足夠的，且對於藉放大間距來 降低通道阻力係有所限制的，結果在波形板部分中產生可 觀的壓力損失。 然而，當安裝時特別需要針對分配器之板間受壓堅固 性作改良時，茲發現如圖9中所示以介於板P間的任意間 隔安裝支撐物S係足以獲得受壓堅固性，其高度足於忍受 安裝時的夾力。即是，這些支撐物S具有當作板間P之樑 的功能，且可足以忍受圖式上方和下方所施予的夾力。與 習用的波形板比較下，這些支撐物提供極佳的受壓堅固性 ，因此它們能獲得足夠大的安裝間隔。即是，流體可以獲 得足夠大的通道空間，俾可以儘可能多地抑制分配器部分 的壓力損失。 經溁部中央標準局負工消贤合作社印5衣 - II .1 ί - ^^^1 ^^1 士.¢/ ^^1 ^^1---I I 丁 V U3 ，-° (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 對於支撐物的形狀和結構並沒有作特別限制，該支撐 物在板P間以適當間隔安裝以提供必需的受壓堅固性。爲 了給流體獲得通道空間，採用剖面形狀爲圓形、矩形等的 支撐物可能是有效的。然而，當採用這樣ft支撐物時，粑 支撐物端焊接於扳P的工作將是非常複雜的，導致高的製 造成本。再者，大量製造將是困難的。因此，由製造成本 及生產力的觀點看'，有利上採用板似的支撐S，例如如圖 9所示者，其係藉熟知的方式安裝固定，如硬焊。如圖1〇 中所示，若板似的支撐物S與板P中的一片係如圖示或同 樣地一體成形，且另一板P係接合在支撐物S的另一端， 16 本紙張尺度國囚'家標導（CNsThX格（2丨(以297公你_ ) 422732 A7 B7 五、發明説明（β) 則在安裝支撐物s的時候可非常容易地完成定位及位置固 定等。因此，由實用的觀點看’此結構係最有利的’因爲 可容易地製造它a 然而，如上所述，本發明的特徵在於藉支撐物來增強 板間的受壓堅固性。因此’對於支撐物的彤狀或結構沒有 特別限制，且自然地亦可以使用一些其它形狀及結構的支 撐物，例如桿形者。再者。當使用板形支撐物時，它們係 不限制於直線形者；例如，它們可如圖η中所示的依流體 流向彎曲，藉以減少流動阻力，或是它們可如圖12中所示 具有任意形狀及大小的任意個孔W，藉以使流體能分開流 經這些孔W。 關於這些支撐物S的安裝間隔，從減少壓力損失的觀 .點看，有利上使間隔儘可能地大以便獲得必需的受壓堅固 .性。本案發明人已經確定的是，爲了有效獲得減少壓力損 失的效果，以波形散熱片之散熱片間距的三至十五倍大的 間隔來安裝板似支撐物可以充分地減少熱交換單元的壓力 損失，該波形散熱片係在所用的熱交換單元中用於構成熱 交換段(例如圖2中符號HE所指出者）。當安裝間隔大到超 過散熱片間距的十五倍時，受壓堅固性傾向於不足或是必 須使支撐物過度地厚。在另一方面，當支撐物之安裝間隔 小於散熱片間距的三倍時，雖然將受壓堅固性增強至足夠 的程度’但是難以麗掙令人滿意的減少壓力損失之效果。 胃®以下公式來表示波形散熱片型熱交換器的設計壓 力、間距及板厚度之間的關係： ___一 17 本紙張尺度通用中國因孓標準（CNS ) Λ4规格（2丨0X297公垃） i - -I-I i n-- J- 士IT- ί t—^ ^^^1 ^^^1 —l·— m -a (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經满部中夾梂準局賀工消资合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（/A ) λ! tp = Pt 17 (P/200aa) tp .隔片的厚度’ pt :間距 P :壓力，aa :材料的容許應力 (在普通的錫合金場合其是2.3) 因爲熱交換器波形散熱片中所用的片之厚度通常爲1 毫米，及aa是2.3 ’當設計歷力例如是i.0kg/cm2G時’可 如下由上式獲得間距Pt : λ!
Pt = tp/ υ (P/200aa)
V = 1.0/ (1.0/200 · 2.3) = 21_4 毫米 爲了獲得必需的強度以忍受當用硬焊來安裝熱交換單 元時的負荷，必須滿足以下計算所獲得的彎曲強度(Pcr): 彎曲強度(Per) = 4π2ΕΙ/13 I = tl^/12 (其中，E :彈性模數，I :幾何慣性矩’ 1 ·散熱片 高度，t:散熱片板厚度） 可如下計算相同材料製的且具有相同散熱片闻度及不 同板厚度(其S味E及L係刪的)的二瓣形散熱片之彎 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --- t請先閲讀背面之涑意事項存填寫本頁) 訂· -線， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 422T32 A7 __B7____ 五、發明說明（/^ ) 曲強度： 當散熱片板厚度爲t1時：
Perl = [4π2 · Ε · (ti · 13/12)/13)] 當散熱片板厚度爲t2時：
Pcr2 = [4π2 · Ε · (t2 · 13/12)/13)] 根據以上方程式，
Pcrl/Pcr2 = tl/t2 再者，於欲獲得相同的彎曲強度之條件下，散熱片間 距(P)與散熱片板厚度⑴係實質上成比例的關係，俾以下方 程式適用： tl/t2=Ptl/Pt2 4.2毫米間距的散熱片，通用爲空氣分離裝置之主熱 交換器的波形散熱片，其之板厚度例如爲〇·4毫米》如上 述，當板厚度爲1毫米時，設計的散熱片間距爲21.4毫米 。將這些値代入以上公式中以獲得散熱片板厚度，其提供 之彎曲強度能忍受安裝時的負荷，而獲得以下結果： 4.2/0.4 = 21.4/t，即是，t 是約 2 毫米。 因此，在間距爲21.4時，散熱片厚度是2毫米。與間 距爲4·2而散熱片厚度爲〇·4毫米的結構比較下，此使得 能獲得較大的通道面積。 熱交換器中所用的普通波形散熱片之散熱片間距最大 爲4.2毫米，最小爲I.4毫米。將這些値列入考慮，如下 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------I----装--I 1 I I I l· 訂-Γ--------, ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,42273 2 A7 __B7___ 五、發明說明（/i ) 獲得加強支撐物的適宜安裝間隔，以便獲得能忍受焊接時 負荷的彎曲強度，該加強支撐物係設於分配器中：最小値 係上述散熱片間距的最大/最小比例，即是4.2/1.4(其意味 三倍），而最大値係上述設定的散熱片間距(即，21.4)對上 述波形散熱片間距的最小値（1.4)之比値(即是，21.4/1.4=15 倍）。 因此，加強支撐物的適宜最小間距間隔=4.2/1.4=3倍 ，而加強支撐物的適宜最大間距間隔=21.4/1.4=15倍。即 是，當分配器段中的加強支撐物之安裝間隔爲3至15倍於 熱交換段中的散熱片間距時’則可以獲得足夠的彎曲強度 不會干擾流體的流動。 根擄本發明，主熱交換器的結構係如上述設計，且再 者，改善構成熱交換器之分配器的結構以減少低壓管線的 壓力損失，藉以降低空氣壓縮機的功率。此特徵證明亦有 效於如圖1中所示的習用空氣分離裝置。然而，將以下特 徵加到空氣分離裝置中，則可以更進一步增強壓力損失的 減少效果或達成其它優點。 例如，圖13係一種空氣分離裝置的部分示意圖，其中 設有上述主熱交換器。此圖僅顯示精餾塔之上塔和下塔及 其周邊。至於其它部分，可視爲與圖1中所示的實例者相 同。 在圖1中所示的實例中，利用下塔8a之頂段中所粗略 分離出的氮氣於加熱精餾塔之上塔8c底部的液態氧，及由 管線17抽出富氧的氣體當作氧氣產品，該富氧的氣體係由 20 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) · I I I I I I l· ·ΓΙΙΙΙΙΙ« ί I . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ297公釐） A7 B7 422 了 32 五、發明說明（/?) 液態氧之高度以上的側壁段取出。 如圖π中所示，此實施例中，對照下，由管線30從 精餾塔抽之上塔8c底部抽出液體形式的液態氧及通往蒸發 器31。蒸發器31中設有熱交換器32。部分的壓縮空氣(其 經主熱交換器7所冷卻及送至精餾塔的下塔8a)係分歧及供 應給此熱交換器32。藉加熱蒸發器32而蒸發由精餾塔之 上塔8c抽出的液態氧，如於上述案例中，由管線33藉主 熱交換器7回收冷度。同時，將壓縮空氣(已經由熱交換器 32給予它蒸發能而冷卻它)送至精餾塔之下塔8a的下段。 採用此方法，可以獲得以下利益（1)至(3): (1)可以增加氧氣產品的壓力。 即是，如圖中所示，當蒸發器31之位置低於精餾塔 之上塔8c內的液態氧之液位L時，蒸發器31內的液態氧 之液位係低於上述液位L，而供應至蒸發器31的液態 氧之壓力係較高，高出値係爲上塔8c內的液態氧的液位L 與蒸發器31內的液態氧的液位L!之間液位差(頭部差)Hd 。沸點對應於壓力上升而上升。因爲壓縮空氣(其溫度比送 至精餾塔之上塔8c的主冷凝器8b之粗氮氣高)係分歧及供 應給熱交換器32用於加熱蒸發器31。儘管壓力增加，但 蒸發器31內的液態氧所接受的熱仍足夠供蒸發，因此蒸發 了。所抽出的氧氣之壓力係高於上述液位差（頭部差）Hd 。一般而言，在獲得之前，氧氣係由壓縮機所加壓。因此 其經由抽出管之最後段中的壓縮機所加壓，所以增加此段 21 本紙張尺度適用宁國圉家標準（CNS)A4規格（210 ¥ 297公衮） (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 装·----- -- 訂------— ~線 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 422732 五、發明説明（/) 的的氧氣壓力Ji導致壓縮機之升壓能量的減少，藉以有助 於設備整體動力的減少° (2) 可以改良氧氣產品的純度。 即是，如圖1中所示，當於位置稍高於精餾塔之上塔 8c內的液態氧之液位處抽出氧氣時’則因爲氣-液平衡而不 可能使得氧氣的純度高於液態氧氣的純Ϊ。例如’當液態 氧的氧濃度爲90%時’則所抽出的氧氣之純度不得不爲87 至88%左右。然而’當方法中’如此實施例中，在藉加熱 蒸發之前，將上塔8c之底部的液態氧取出以液體形式置於 蒸發器31中，及適當地控制蒸發器31內的壓力和溫度， 則可以抽取出一種氧氣產品’其保持液態氧的純度等於上 塔8c之底部。即是’當獲得氣-液平衡(其中，例如，氣態 氧的濃度爲90%，及液態氧的濃度爲92%)時’其中氣態氧 之濃度係等於輸入側之液態氧的濃度(即是’由上塔內移送 出氧），此氣-液平衡係藉由適當地控制蒸發器31的溫度/壓 力條件及首先排出具有高氮氣含量的揮發氣體而獲得，及 當維持此條件同時連續地將液態氧引入及抽出氣態氧時， 則可以連續獲得濃度爲90%的氧氣當作氣體產品。 (3) 可以減少壓縮空氣導入精餾塔之下塔內的壓力 ，即是可以減少原料空氣壓縮機的功率。 換言之，如以上(2)中所述’用蒸發器31操作而改良 氧氣純度的事實係意味精餾塔之上塔8c底部所收集的液態 氧之純度可比較低β當液態氧之純度降低時’其沸點亦降 低，因此可在較低的溫度蒸發。因此’與當作加熱源的氧 22 本紙張尺度過州中國1¾家標準（CNS ) Λ4現格（210Χ297公錄） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 訂 經满部中央標準局员工消费合作社印¾ A7 B7 422732 五、發明説明（W ) 氣(其用於蒸發上塔8c之液態氧，其即是由下塔8a之頂段 移送至主冷凝器8b的氣體)亦有關的是，可以在較低的壓 力進行操作（當壓力降低時，氮凝縮的溫度降低時）。結果 ，可以作一種操作，其中下塔8a之壓力係設定在比較低的 程度’其有助於減少原料空氣壓縮機的功率。 郎上述’按照本發明，改良設於空氣分離裝置中的主 熱交換器，及熱交換單元採用開口端型結構，其供具有高 流速且由上塔頂段或其附近抽出的是廢氮氣及/或氮氣流動 ，藉以減少低壓管線的壓力損失，結果可以減少空氣壓縮 機的功率。對於以下茈沒有特別限制：結構特徵，例如構 成主熱交換器所用的熱交換單元之特殊結構及安裝結構， 及其它設備’例如’空氣壓縮機的構造，冷卻器、吸附器 、精餾塔的上塔和下塔等，及配管，其連接構造等；可以 適當地選擇適用於此型空氣壓縮裝置的設備及配管/連接方 法。例如，就吸附器而言，除了採用分子篩吸附器外，亦 可於採用一些其它型的吸附器，只要其可以移除空氣內所 含的雜質（水、二氧化碳、烴氣等等）。就精餾塔而言，本 發明自然地不僅可用習用的板型精餾塔，而且亦可採用一 種精餾塔’其中使用結構性塡充料如拉西環、爪環、伯爾 (Bed)鞍、交叉鞍以達成壓力損失的減少。 依照如上述所構成的本發明，廢氮氣或氮氣產品所流 經的主熱交換器部分係由開口端型熱交換單元所形成，因b 此可以儘可能多地抑制主熱交換器中回氣的壓力損失，結 果爲達成原料空氣壓縮機之功率的減少。再者，可增進= ____ 23 本紙張尺ϋϋ國1¾家標隼「CNS 觇格（2丨0^97公釐) _^--- —· ^^^1 - ^^^1 - -1 _^- I m - - - f許先閲讀背面之注意事項再填寫本頁j 殍濟部中决標準局負工消贽合作社印裝 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 五、發明說明U2) 再者，加入申請專利範圍第4及9項的特徵，則除了 上述利益外尙可達成以下利益：（1)當增加氧氣產品之壓力 以獲得它爲最後產品時，可以減少壓縮機的能量消耗；（2) 增加氧氣產品的純度；及(3)減少導入精餾塔之下塔8a的 壓縮空氣之壓力，即是，更進一步減少原料空氣壓縮機的 功率。 再者，利用一裝設有申請專利範圍第10及11項之分 配器的主熱交換器，則可以更進一步減少主熱交換器中所 產生的壓力損失及更進一步抑制空氣分離設備的運轉成本 〇 圖式主要元件符號說明 I -----------袭--------^訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 空氣過濾器 2 原料空氣壓縮機 3 冷卻器 4 蒸發式冷卻器 5 膨脹渦輪機 5a 加壓器 6a 導管 8 精餾塔 8a 下塔 8b 主冷凝器 8c 上塔 9 富氮的液體 10 富氧的液體 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明) 11 導管 12 超冷卻器 13,14,15,16 導管 17 管線 20,21,25 導管 29 蓄熱式加熱器 30 管線 31 蒸發器 32 熱交換器 33 管線 A 主熱交換器 Ai,A2,A3,A4,A5,A6, 熱交換單元 A7，A8 Di, D2, D3, D4, Da, 分配器 Db，Dd，Df，Dg，Dh P 板 s 支撐物 w 孔 V1} v2 閥 -------------装-------訂-l·-------線' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 六、申請專利範圍 (请先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1.~~種空氣分離方法，其中將經由主熱交換器所冷卻 的壓縮空氣供應給精餾塔的下塔，該精餾塔裝設有上塔和 下塔，及其中使精餾塔之上塔出來的回氣通經主熱交換器 以利用它來冷卻壓縮空氣，其中—開口端通道設於該主熱 交換器內，且其中使堀氣全部或部分流經過該開口端通道 ’藉以達成回氣之壓力損失的減少。 2·如申請專利範圍第1項之空氣分離方法，其中該回 氣係由精餾塔之頂段或其附近抽出。 3. 如申請專利範圍第2項之空氣分離方法，其中該回 氣係廢氮氣或氮氣產品。 4. 如申請專利範圍第1至3項中一項之空氣分離方法 ’其中由精餾塔之下塔底部抽出液態氧及送至蒸發器，且 其中將供應給精餾塔之下塔的部分原料空氣利用作該蒸發 器的加熱源。 5. 如申請專利範圍第1至3項中一項之空氣分離方法 ，其中在該主熱交換器中，熱交換係於原料空氣、廢氮氣 、氮氣產品和氧氣產品之間達成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6. —種空氣分離裝置，其包括一裝設有上塔和下塔的 精餾塔及一主熱交換器，且其中壓縮空氣係途經主熱交換 器供應給精餾塔的下塔’精餾塔之上塔出來的回氣被利用 於冷卻經過主熱交換器的壓縮空氣，其中主熱交換器裝設 有一開口端通道，而回氣之全部或部分經過該開口端通道 〇 7. 如申請專利範圍第6項之空氣分離裝置，其中該回 本紙張尺度適用中圃圃家橾车（CNS ) A4規格< 210X29?公釐） Μ >2_D8_ 六、申請專利範圍 氣係由精餾塔之頂段或其附近抽出。 8. 如申請專利範圍第6或7項之空氣分離裝置，其中 該回氣係廢氮氣或氮氣產品。 9. 如申請專利範圍第6或7項之空氣分難裝置，其中 該空氣分Ιί裝置內裝設有一蒸發器用於接收上塔之底部的 液態氧，及設有一條支管由壓縮空氣供應管分歧出到精餾 '塔的下塔以便利用壓縮空氣當作該蒸發器的加熱源。 10. 如申請專利範圍第6或7項空氣分離裝置，其中該 主熱交換器係屬波形散熱片型，且其中在該主熱交換器之 流體出口或入口處配置有分配器，分配器中安裝有適當間 隔的數支撐物以便留下通行空間供流體於其間流動。 11. 如申請專利範圍第6或7項之空氣分離裝置，其中 在該主熱交換器中，兩組分配器設於熱交換流體之入口側 和出口側，藉以能使四種液體分開流動。 务 t it n ^^^1 ^^^1 _-' υ - - - - - ^^^1 ί^ϋ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙乐尺度逋用t國國家標準（CNS ) A4現格（210X29?公釐）
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