(57)【要約】【課題】蒸発側通路からのガス排出流量を増大させることによって蒸発側通路における処理量を向上させることができる熱交換型蒸留装置を提供する。【解決手段】蒸発側通路（第１の通路）１４及び凝縮側通路（第２の通路）１５の上部を第２仕切板１１ｂ及び第３仕切板１１ｃにて区画し、第２仕切板１１ｂと第３仕切板１１ｃとの間に、蒸発側通路１４の厚み以上の厚みを有するガス排出部１８を設ける。ガス排出部１８の両側には、液上昇流路２１と液下降流路２３とを設け、ガス排出部１８の上部には越流路２２を設ける。液下降流路２３の下部には、液流体ＬＡを均一に蒸発側通路に流下させるとともに、蒸発したガスをガス導出流路２５からガス排出部１８に上昇させる気液精密分配促進部２４を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向の仕切板により区画されて互いに熱的結合された少なくとも第１の通路と第２の通路とを有するプレートフィン熱交換器を使用し、前記第１の通路を、該第１の通路の上方に設けた液導入部から導入した第１の液流体の少なくとも一部を蒸発させ、蒸発した第１のガス流体を該第１の通路の上方に設けたガス導出部から導出する蒸発側通路とした熱交換型蒸留装置において、
前記蒸発側通路に対して第１仕切板で区画された前記第２の通路の上部に第１スペーサーバーを配置して該第１スペーサーバーの上部に前記第１の液流体を導入する液導入部を設け、
前記液導入部の上方に鉛直方向の第２仕切板を設けるとともに該第２仕切板の下端部と前記第１仕切板の上端部との間に第２スペーサーバーを設けて第２仕切板の反第１仕切板側に下部が前記液導入部に連通する鉛直方向の液上昇流路を設け、
前記蒸発側通路の上部に第３仕切板を設けるとともに該第３仕切板の上端部と前記第２仕切板の上端部との間に第３スペーサーバーを設けて該第３スペーサーバーの下部で第２仕切板と第３仕切板との間に前記蒸発側通路で蒸発した前記第１のガス流体を排出するガス排出部を設け、
前記第３仕切板の下端部と前記第１仕切板の上端部との間に前記蒸発側通路で蒸発した第１のガス流体を前記ガス排出部に導出するガス導出流路を設け、
前記第３仕切板の反ガス排出部側に下部が前記蒸発側通路に連通する液下降流路を設け、
前記第３スペーサーバーの上部に前記液上昇流路を上昇した第１の液流体を前記液下降流路に越流させる越流路を設け、
前記液下降流路の下端部と前記蒸発側通路の上端部との間に、液下降流路から流下する第１の液流体を精密分配して蒸発側通路に流下させるとともに、蒸発側通路から上昇する第１のガス流体を前記ガス導出流路を介して前記ガス排出部に上昇させる気液精密分配促進部を設け、
前記第２仕切板及び前記第３仕切板を介して前記液上昇流路と前記液下降流路との間に配置される前記ガス排出部の厚みを前記蒸発側通路の厚み以上に形成したことを特徴とする熱交換型蒸留装置。
【請求項２】
前記第３仕切板は、前記蒸発側通路の厚み方向に対して中央に配設されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項３】
前記気液精密分配促進部は、軸線を鉛直方向から通路幅方向に傾斜させた有孔フィンを配列して形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項４】
前記ガス導出流路となる前記第３仕切板の下端部と前記第１仕切板の上端部との間隔は、前記蒸発側通路の厚み以上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項５】
前記液上昇流路は、前記液導入部の圧力損失に比べて圧力損失が大きく設定された偏流抑制部を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項６】
前記液上昇流路は、該液上昇流路の幅方向に連通した幅方向連通部を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱交換型蒸留装置。
【請求項７】
前記液下降流路は、液ヘッドを生じない液流下抵抗に設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の熱交換型蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換型蒸留装置に関し、詳しくは、プレートフィン熱交換器に蒸留機能を持たせた熱交換型蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デフレグメータ（分縮器）とも呼ばれる熱交換型蒸留装置は、多数枚のプレート（仕切板）間にコルゲート状の伝熱フィンを挟んで積層状態としたプレートフィン熱交換器に蒸留機能（気液向流接触による物質移動機能）を付加した装置であって、空気を分離して酸素や窒素を製造する空気液化分離装置の蒸留塔などとして用いられている。この熱交換型蒸留装置は、一般に、前記プレートの両側に第１通路と第２通路とを交互に配置して互いに熱的結合させ、第１通路を流れる流体と第２通路を流れる流体とを熱交換させ、各通路内で下降液と上昇ガスとを気液接触させることにより、各流体中の低沸点成分を通路上部に濃縮し、高沸点成分を通路下部に濃縮するように形成されている。
【０００３】
このような熱交換型蒸留装置では、通路上方から供給される液流体を通路内に均一に分配することが、装置の蒸留性能を高めるために重要なものとなる。このため、通路内に液流体を均一に分配するための液分配器として種々の構造が提案されており、例えば、通路の上部に、液体流路と気体流路とを仕切板を介して隣接配置するとともに、前記液体流路に導入された液体を該液体流路内で均一に分配するようにした液体分配流路で構成されている気液分配構造体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
さらに、供給される液の流量が低下した場合でも、流路の幅方向で液の流量に偏りが生じることを防止して蒸留効率が低下することを抑制するため、流下する液体と上昇する気体が接触するための気液接触流路と、前記気液接触流路に液体を溢流により供給する液体流路と、前記気液接触流路からの気体を排出する気体排出流路とを設けたものも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−８９８３５号公報
【特許文献２】特開２００６−１５２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２では、液の偏りは防止できるものの、気液接触流路の上部を厚み方向（プレートを水平に横切る方向）に複数に仕切って液流路と気体排出流路とを隣接させた状態で形成しているため、気体排出流路を広く取ることができず、蒸発側通路となる気液接触流路の処理量は気体排出流路からのガス排出流量によって律速されてしまう。
【０００７】
そこで本発明は、蒸発側通路からのガス排出流量を増大させることによって蒸発側通路における処理量を向上させることができる熱交換型蒸留装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の熱交換型蒸留装置は、鉛直方向の仕切板により区画されて互いに熱的結合された少なくとも第１の通路と第２の通路とを有するプレートフィン熱交換器を使用し、前記第１の通路を、該第１の通路の上方に設けた液導入部から導入した第１の液流体の少なくとも一部を蒸発させ、蒸発した第１のガス流体を該第１の通路の上方に設けたガス導出部から導出する蒸発側通路とした熱交換型蒸留装置において、前記蒸発側通路に対して第１仕切板で区画された前記第２の通路の上部に第１スペーサーバーを配置して該第１スペーサーバーの上部に前記第１の液流体を導入する液導入部を設け、前記液導入部の上方に鉛直方向の第２仕切板を設けるとともに該第２仕切板の下端部と前記第１仕切板の上端部との間に第２スペーサーバーを設けて第２仕切板の反第１仕切板側に下部が前記液導入部に連通する鉛直方向の液上昇流路を設け、前記蒸発側通路の上部に第３仕切板を設けるとともに該第３仕切板の上端部と前記第２仕切板の上端部との間に第３スペーサーバーを設けて該第３スペーサーバーの下部で第２仕切板と第３仕切板との間に前記蒸発側通路で蒸発した前記第１のガス流体を排出するガス排出部を設け、前記第３仕切板の下端部と前記第１仕切板の上端部との間に前記蒸発側通路で蒸発した第１のガス流体を前記ガス排出部に導出するガス導出流路を設け、前記第３仕切板の反ガス排出部側に下部が前記蒸発側通路に連通する液下降流路を設け、前記第３スペーサーバーの上部に前記液上昇流路を上昇した第１の液流体を前記液下降流路に越流させる越流路を設け、前記液下降流路の下端部と前記蒸発側通路の上端部との間に、液下降流路から流下する第１の液流体を精密分配して蒸発側通路に流下させるとともに、蒸発側通路から上昇する第１のガス流体を前記ガス導出流路を介して前記ガス排出部に上昇させる気液精密分配促進部を設け、前記第２仕切板及び前記第３仕切板を介して前記液上昇流路と前記液下降流路との間に配置される前記ガス排出部の厚みを前記蒸発側通路の厚み以上に形成したことを特徴としている。
【０００９】
さらに、本発明の熱交換型蒸留装置は、前記第３仕切板が前記蒸発側通路の厚み方向に対して中央に配設されていること、前記気液精密分配促進部は、軸線を鉛直方向から通路幅方向に傾斜させた有孔フィンを配列して形成されていること、前記ガス導出流路となる前記第３仕切板の下端部と前記第１仕切板の上端部との間隔は、前記蒸発側通路の厚み以上に形成されていることを特徴としている。
【００１０】
また、前記液上昇流路は、前記液導入部の圧力損失に比べて圧力損失が大きく設定された偏流抑制部を有していること、前記液上昇流路は、該液上昇流路の幅方向に連通した幅方向連通部を有していること、前記液下降流路は、液ヘッドを生じない液流下抵抗に設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱交換型蒸留装置によれば、第１仕切板及び第２仕切板を介して液上昇流路と液下降流路との間にガス排出部を配置するとともに、このガス排出部の厚みを蒸発側通路の厚み以上に形成したことにより、蒸発側通路を上昇してガス排出部から外部に排出するガスの流量を増大することができる。これにより、蒸発側通路における処理量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の熱交換型蒸留装置の一形態例を示す要部断面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】図１のIV−IV断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本形態例に示す熱交換型蒸留装置は、鉛直方向に設けられる複数の仕切板１１の間にコルゲート状のフィン１２を挟んで積層した状態で一体化したプレートフィン熱交換器を基本とするものであって、各仕切板１１と四周に設けられたスペーサーバー１３とにより、第１の通路である蒸発側通路１４と、第２の通路である凝縮側通路１５とが交互に隣接して互いに熱的結合された状態で区画形成されている。
【００１４】
図１は、隣接した一組の蒸発側通路１４及び凝縮側通路１５の上部を示すもので、図１において第１仕切板１１ａの左側に位置する蒸発側通路１４と、同じく右側に位置する凝縮側通路１５とに区画されている。凝縮側通路１５の高さは、蒸発側通路１４の高さに比べて低く形成されるとともに、第１仕切板１１ａの高さは、両側の仕切板１１の高さよりも低く形成されている。各通路１４，１５内には、軸線（折曲線）を鉛直方向に向けた有孔フィン１４ａ，１５ａがそれぞれ設けられている。
【００１５】
蒸発側通路１４の上部及び凝縮側通路１５の上部には、第２仕切板１１ｂ及び第３仕切板１１ｃと、第１スペーサーバー１３ａ、第２スペーサーバー１３ｂ及び第３スペーサーバー１３ｃとにより、液導入部１６から導入した液流体（第１の液流体）ＬＡを蒸発側通路１４に越流によって均一に分配するための液流路１７と、蒸発側通路１４内で蒸発したガス流体（第１のガス流体）ＧＡを排出するためのガス排出部１８とが区画されている。
【００１６】
前記液流路１７には、液導入部１６から蒸発側通路１４に向かって順に、液上昇流路２１、越流路２２及び液下降流路２３が設けられ、液下降流路２３と蒸発側通路１４との間に気液精密分配促進部２４が設けられている。また、ガス排出部１８の下部には、気液精密分配促進部２４を介して蒸発側通路１４に連通するガス導出流路２５が設けられている。
【００１７】
液導入部１６は、凝縮側通路１５の上部に配置されて凝縮側通路１５の上端部を閉塞する前記第１スペーサーバー１３ａの上部に設けられており、側方に開口した液入口部１６ａと、液入口部１６ａから流入する液流体ＬＡを液導入部１６の内部にガイドするために軸線を水平方向とした第１ストレートフィン１６ｂと、該第１ストレートフィン１６ｂからの液流体ＬＡを液導入部１６の上方に配置された液上昇流路２１にガイドする方向に軸線を傾斜させた第２ストレートフィン１６ｃとを有している。
【００１８】
第２仕切板１１ｂは、前記液導入部１６の上方に鉛直方向に設けられるもので、第２仕切板１１ｂの下端部と第１仕切板１１ａの上端部との間には、第２スペーサーバー１３ｂが設けられて閉塞され、第２仕切板１１ｂの上端部と第３仕切板１１ｃの上端部との間には、第３スペーサーバー１３ｃが設けられて閉塞されている。
【００１９】
第２仕切板１１ｂの反第１仕切板側、すなわち、凝縮側通路１５側の仕切板１１と第２仕切板１１ｂとの間には、下部が液導入部１６に連通した前記液上昇流路２１が鉛直方向に設けられている。この液上昇流路２１の下部には、軸線を水平方向に向けた有孔フィン２１ａが設けられ、液上昇流路２１の上部には、軸線を鉛直方向に向けたストレートフィン２１ｂが設けられている。前記有孔フィン２１ａは、液導入部１６に設けた第１ストレートフィン１６ｂ及び第２ストレートフィン１６ｃの圧力損失に比べて圧力損失が大きく設定されており、液導入部１６における液流体ＬＡの幅方向（図２において左右方向）の偏流を抑制し、越流による液上昇流路２１上部における液流体ＬＡの液面高さの均一化を促進するためのものであって、有孔フィン２１ａの軸線を水平方向とすることにより、偏流抑制部及び幅方向連通部としての機能を得ることができる。
【００２０】
越流路２２は、前記第３スペーサーバー１３ｃの上部に設けられるもので、本形態例では、前記第１仕切板１１ａの延長線上に設けられた第４仕切板１１ｄの下端と第３スペーサーバー１３ｃの上面との間に設けた隙間によって形成されている。また、第４仕切板１１ｄの両側には仕切板１１との間に補強用のストレートフィン２２ａがそれぞれ配置されている。なお、液上昇流路２１内で均一高さにされた液流体ＬＡは、越流路２２を経て前記液下降流路２３に均一に流下する。
【００２１】
また、前記第３仕切板１１ｃの反ガス排出部側、すなわち、蒸発側通路１４側の仕切板１１と第３仕切板１１ｃとの間には、下部が気液精密分配促進部２４を介して蒸発側通路１４に連通する前記液下降流路２３が鉛直方向に設けられている。この液下降流路２３には、軸線を鉛直方向としたストレートフィン２３ａを設けているが、液下降流路２３の全部又は下部側の一部は、前記気液精密分配促進部２４の液流下抵抗と同程度の液流下抵抗で、液ヘッドを生じさせない程度の液流下抵抗に設定したフィンとすることが好ましい。なお、液流下抵抗はフィンピッチを調整するなどの方法で行うことができる。
【００２２】
蒸発側通路１４の上端と液下降流路２３の下端との間で、仕切板１１と第１仕切板１１ａの上端部との間には、蒸発側通路１４と同じ厚みの前記気液精密分配促進部２４が設けられている。この気液精密分配促進部２４は、液下降流路２３から流下する液流体ＬＡに適度な抵抗を与えて下方の蒸発側通路１４の厚み方向に精密に分配して均一に流下させるとともに、蒸発側通路１４で蒸発して上昇するガス流体ＧＡを通過させ、前記ガス導出流路２５に向かってガス分配を促進して上昇させる機能が必要となる。したがって、この気液精密分配促進部２４には、ガス通過孔を備えた有孔フィン２４ａを、軸線を鉛直方向から通路幅方向に傾斜させた状態で配置することにより、液流体ＬＡの精密分配促進機能とガス流体ＧＡのガス分配促進機能とを付与している。
【００２３】
有孔フィン２４ａにおける軸線の傾斜角は、気液精密分配促進部２４の寸法及び有孔フィン２４ａの構造に応じて適宜設定することができるが、通常は鉛直線に対して５〜３０度程度の範囲が好ましく、この傾斜角度が５度未満では有孔フィンを傾斜させた効果が十分に得ることが困難であり、３０度を超えて大きく傾斜させると、上昇ガスの抵抗が増加してフラッディング限界が低下することがある。
【００２４】
また、蒸発側通路１４の上方に位置する前記第３仕切板１１ｃは、蒸発側通路１４や気液精密分配促進部２４の厚み方向に対して中央に配置されている。これにより、越流路２２から液下降流路２３に流れ落ちた液流体ＬＡは、第３仕切板１１ｃに沿って流下するが、液流体ＬＡを気液精密分配促進部２４の厚み方向中央に流下させることができるので、気液精密分配促進部２４による液流体ＬＡの精密分配効果を向上させることができ、蒸発側通路１４の全体に液流体ＬＡを均一に流下させることができる。
【００２５】
前記ガス導出流路２５は、第３仕切板１１ｃの下端部と第１仕切板１１ａの上端部との間に形成されるもので、ガス導出流路２５の開口寸法、すなわち、第３仕切板１１ｃの下端部と第１仕切板１１ａの上端部との間隔は、蒸発側通路１４の厚み以上に形成されている。このようにガス導出流路２５の開口寸法を蒸発側通路１４の厚み以上とすることにより、蒸発側通路１４からガス排出部１８に向かって上昇するガス流体ＧＡの抵抗を小さくすることができ、フラッディング限界を蒸発側通路１４と同程度の値とすることができるとともに、ガス流体ＧＡの流速を低下させることでガス流体ＧＡへの液流体ＬＡの飛沫の同伴も抑えることができる。
【００２６】
第２仕切板１１ｂと第３仕切板１１ｃとの間で、第１仕切板１１ａや第２スペーサーバー１３ｂの上部に形成されるガス排出部１８は、蒸発側通路１４の厚み以上の厚み寸法に形成されており、側方にはガス出口部１８ａが開口している。ガス排出部１８の内部には、ガス導出流路２５からのガス流体ＧＡを上方にガイドするために軸線を鉛直方向とした第１ストレートフィン１８ｂと、該第１ストレートフィン１８ｂからのガス流体ＧＡをガス出口部１８ａに向かってガイドする方向に軸線を傾斜させた第２ストレートフィン１８ｃと、該第２ストレートフィン１８ｃからのガス流体ＧＡをガス出口部１８ａにガイドするために軸線を水平方向とした第３ストレートフィン１８ｄとが設けられている。
【００２７】
このように、第１仕切板１１ａの凝縮側通路１５側の上方に第２スペーサーバー１３ｂを介して第２仕切板１１ｂを配置し、この第２仕切板１１ｂと蒸発側通路１４の厚み方向中央部に配置した前記第３仕切板１１ｃとの間にガス排出部１８を設けることにより、凝縮側通路１５の上方を利用してガス排出部１８の厚みを大きくすることが可能となり、ガス排出部１８の厚みを蒸発側通路１４の厚み以上に形成することができる。これにより、蒸発側通路１４で蒸発したガス流体ＧＡの排出抵抗を小さくすることができ、フラッディング限界を向上させて処理量を大幅に増大させることができる。
【００２８】
一方、前記凝縮側通路１５の上部には、該凝縮側通路１５で凝縮しなかった未凝縮ガスＧＢを排出する未凝縮ガス排出部１９が側方に開口して設けられ、凝縮側通路１５を上昇した未凝縮ガスＧＢは、未凝縮ガス排出部１９から排出される。また、凝縮側通路１５にて液化した液流体は、凝縮側通路１５の下部に設けた凝縮流体排出部（図示せず）から抜き出される。
【００２９】
なお、本形態例では、第２の通路を凝縮側通路としたが、この第２の通路には、蒸発側通路内を流下する液流体を蒸発させる能力を有する任意の流体を使用することが可能である。また、各フィンには、要求される機能に応じてセレートフィンやパーフォレートフィンなどの任意の形状、構造のものを用いることができる。さらに、蒸発側通路である第１の通路及び凝縮側通路である第２の通路に加えて、他の流体を加熱又は冷却するための通路を適宜な位置に併設することも可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１１…仕切板、１１ａ…第１仕切板、１１ｂ…第２仕切板、１１ｃ…第３仕切板、１１ｄ…第４仕切板、１２…フィン、１３…スペーサーバー、１３ａ…第１スペーサーバー、１３ｂ…第２スペーサーバー、１３ｃ…第３スペーサーバー、１４…蒸発側通路、１４ａ…有孔フィン、１５…凝縮側通路、１５ａ…有孔フィン、１６…液導入部、１６ａ…液入口部、１６ｂ…第１ストレートフィン、１６ｃ…第２ストレートフィン、１７…液流路、１８…ガス排出部、１８ａ…ガス出口部、１８ｂ…第１ストレートフィン、１８ｃ…第２ストレートフィン、１８ｄ…第３ストレートフィン、１９…未凝縮ガス排出部、２１…液上昇流路、２１ａ…有孔フィン、２１ｂ…ストレートフィン、２２…越流路、２２ａ…ストレートフィン、２３…液下降流路、２３ａ…ストレートフィン、２４…気液精密分配促進部、２４ａ…有孔フィン、２５…ガス導出流路、ＧＡ…ガス流体、ＧＢ…未凝縮ガス、ＬＡ…液流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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