(57)【要約】      （修正有）【課題】プレート熱交換器・凝縮気化器における分離を簡単かつ効果的に阻止する手段を提供する。【解決手段】本発明では、流体供給管路４０が、第１外面１１に配置され、第１熱交換プレート２０の流体ガイド構造体２１の第１開口部２１１が、流体供給管路４０によって覆われていない、第１外面１１の領域に配置されているか、又は、それぞれ、第３外面１３の第１領域と、第４外面１４の第１領域とに配置する。【選択図】図３
2017090035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換ブロック（１０）を備えたプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）であって、
前記熱交換ブロック（１０）は、流体ガイド構造体（２１、３１）を備えた所定の個数の熱交換プレート（２０、３０）を有しており、
前記熱交換ブロック（１０）は、第１外面（１１）と、当該第１外面（１１）とは反対側にある第２外面（１２）と、第３外面（１３）と、当該第３外面（１３）とは反対側にある第４外面（１４）とを有しており、
第１熱交換プレート（２０）の前記流体ガイド構造体（２１）は、流体供給管路によっても流体収集管路によっても覆われていない第１及び第２開口部（２１１、２１２）を前記熱交換ブロック（１０）に有しており、
第２熱交換プレート（３０）の前記流体ガイド構造体（３１）は、前記熱交換ブロック（１０）に配置された流体供給管路（４０）と、前記熱交換ブロック（１０）に配置された流体収集管路（５０）との間に延在している、プレート熱交換器・凝縮気化器（１００）において、
前記流体供給管路（４０）は、第１外面（１１）に配置されており、
前記第１熱交換プレート（２０）の前記流体ガイド構造体（２１）の第１開口部（２１１）は、前記流体供給管路（４０）によって覆われていない、前記第１外面（１１）の領域に配置されているか、又は、それぞれ前記第３外面（１３）の第１領域と、前記第４外面（１４）の第１領域とに配置されている、
ことを特徴とする、プレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項２】
前記第１熱交換プレート（２０）の前記流体ガイド構造体（２１）の前記第１開口部（２１１）は、複数の流体収集構造体（２１３）によって構成されており、
当該流体収集構造体（２１３）は、前記流体ガイド構造体（２１）の中央領域の熱交換フィン（２１５）に接続されている、
請求項１に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項３】
前記流体供給管路（４０）は、前記第１外面（１１）の中央領域において、前記熱交換プレート（２０、３０）に対して直角に延在している、
請求項２に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項４】
前記第１熱交換プレート（２０）の前記流体収集構造体（２１３）は、２重出口分配器として形成されている、
請求項２又は３に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項５】
前記第２熱交換プレート（３０）の前記流体ガイド構造体（３１）は、前記第１外面（１１）に複数の開口部（３１１）を有しており、
複数の当該開口部（３１１）は、前記流体供給管路（４０）に合流しておりかつ流体分配構造体（３１３）よって構成されており、
当該流体分配構造体（３１３）は、前記流体ガイド構造体（３１）の中央領域の熱交換フィン（３１５）に接続されている、
請求項１から４までのいずれか１項に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項６】
前記第２熱交換プレート（３０）の前記流体分配構造体（３１３）は、中央の分配器として形成されている、
請求項５に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項７】
前記流体収集管路（５０）が、前記第２外面（１２）に配置されている、
請求項１から６までのいずれか1項に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項８】
前記第１熱交換プレート（２０）の前記流体ガイド構造体（２１）の前記第２開口部（２１２）は、流体分配構造体（２１４）によって構成されており、
当該流体分配構造体（２１４）は、前記流体ガイド構造体（２１）の前記中央領域の前記熱交換フィン（２１５）に接続されており、
前記流体分配構造体（２１４）によって構成される前記第２開口部（２１２）は、前記流体収集管路（５０）によって覆われていない、前記第２外面（１２）の領域に配置されているか、又は、それぞれ前記第３外面（１３）の第２領域及び前記第４外面（１４）の第２領域に配置されている、
請求項７に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項９】
前記流体収集管路（５０）は、前記第２外面（１２）の中央領域において、前記熱交換プレート（２０、３０）に対して直角に延在している、
請求項８に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項１０】
前記第１熱交換プレート（２０）の前記流体分配構造体（２１４）は、２重入口分配器として形成されている、
請求項８又は９に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項１１】
前記第２熱交換プレート（３０）の前記流体ガイド構造体（３１）は、前記第２外面（１２）に複数の開口部（３１２）を有しており、
複数の当該開口部（３１２）は、前記流体収集管路（５０）に合流し、かつ、流体収集構造体（３１４）によって構成されており、
当該流体収集構造体（３１４）は、前記流体ガイド構造体（３１）の中央領域の前記熱交換フィン（３１５）に接続されている、
請求項８から１０までのいずれか１項に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項１２】
前記第２熱交換プレート（３０）の前記流体収集構造体（３１４）は、中央の分配器として形成されている、
請求項１１に記載のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）。
【請求項１３】
空気を低温分離する方法であって、
濃縮しかつ冷却した入力空気を使用し、第１蒸留塔において、酸素に富む塔底生成物及び窒素に富む塔頂生成物を製造し、
前記第１蒸留塔の前記酸素に富む塔底生成物を使用し、第２蒸留塔において、酸素に富む塔底生成物及び窒素に富む塔頂生成物を製造する、空気を低温分離する方法において、
請求項１から１２までのいずれか１項に記載の１つ以上のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）を使用する、ことを特徴とする
空気を低温分離する方法。
【請求項１４】
前記プレート熱交換器・凝縮気化器（１００）又は複数の前記プレート熱交換器・凝縮気化器（１００）のうちの１つを用いて、前記第２蒸留塔の前記酸素に富む塔底生成物を、前記第１熱交換プレートの流体ガイド構造体において部分的に気化させ、かつ、前記第１蒸留塔の前記窒素に富む塔頂生成物を、前記第２熱交換プレートの前記流体ガイド構造体において部分的に液化させる、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２蒸留塔から流体を取り出して第３蒸留塔に供給し、
当該第３蒸留塔は、塔頂凝縮器を有しており、
当該塔頂凝縮器において、前記プレート熱交換器・凝縮気化器（１００）又は複数のプレート熱交換器・凝縮気化器（１００）のうちの１つを用いて、前記第１蒸留塔の酸素に富む塔底生成物の一部分を、前記第１熱交換プレートの流体ガイド構造体において部分的に気化させ、
前記塔頂凝縮器において、前記第３蒸留塔のアルゴンに富む塔頂生成物を、前記第２熱交換プレートの流体ガイド構造体において部分的に液化させる、
請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念に記載したプレート熱交換器・凝縮気化器及び空気の低温分離方法に関する。
【０００２】
従来の技術
空気分離装置では、種々異なる目的に対し、特に（粗）アルゴン塔の主凝縮器として又は塔頂凝縮器として、組み合わせ式の気化ユニット及び凝縮ユニットを使用することができる。
【０００３】
H.-W. Haering（編者）、Industrial Gases Processing、Wiley-VCH、Weinheim: 2006年の段落２．２．５．６、"Apparatus"ないしは第５２及び５３頁の下位区分"Combined Evaporator/Condenser - Heat Transfer Units"に説明されているように、これは一般的にはプレート熱交換器（英語Plate Fin Heat Exchanger）の特殊形態である。したがって以下では、上記のようなユニットにプレート熱交換器・凝縮気化器という用語を使用する。
【０００４】
以下で説明する複数の要素に対する名称の当業者の理解については特に、刊行物"The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers’ Association"、第２版、２０００年の、特に段落１．２．１の"Components of an Exchanger"（以下では略して「ALPEMA規格」と称する）を参照されたい。
【０００５】
本発明のベースにあるプレート熱交換器・凝縮気化器は、重なり合って配置された所定数の熱交換プレートを有しており、これらの熱交換プレートは一般的に平行六面体状の熱交換ブロック（英語Block、Core：ブロック、コア）を構成する。各熱交換プレートはその中央領域に一般的に、熱交換フィン（英語Heat Transfer Fin：熱伝達フィン）を備えかつ型押しされた板を有する。これらの熱交換フィンは、例えば、直線的に（英語Plain Fin：平坦フィン）及び場合によっては穿孔して（英語Plain-perforated Fin：平坦穿孔フィン）、又は間欠的かつ互いにずらして（英語Serrated Fin：鋸状フィン)、波状に（英語Herringbone Fin：ヘリンボーンフィン）又は他の仕方で形成することが可能である。
【０００６】
型押しされた板は、側方エレメント（英語Side Bar：サイドバー）からなる縁部によって包囲されている。個々の熱交換プレートのこの型押しされた板及び側方エレメントは、平坦な板（英語Parting Sheet：分割シート）によって互いに分離されている。最上部及び最下部の熱交換プレートはそれぞれカバー板（英語Cap Sheet：蓋シート）を有する。上記の熱交換フィンと、各熱交換プレートの場合によっては設けられている流体分配構造体及び流体収集構造体（下記を参照されたい）とにより、ここで使用される慣用語「流体ガイド構造体」が定義される。
【０００７】
従来タイプのプレート熱交換器・凝縮気化器において、熱交換プレートの第１グループの流体ガイド手段は、互いに対向しかつ互いに平行に配置されている、熱交換ブロックの第１及び第２外面で終端している。それらの機能に応じて、第１外面は流体に対する「流出面」と、また第２外面は「吸入面」とも称される。第１熱交換プレート群の流体ガイドはそれぞれ、流出面及び吸入面に、覆われていない開口部を有している。ここで「覆われていない」開口部とは、熱交換ブロックに形成された流体供給管路にも、対応する流体収集管路（英語Header：ヘッダ）にも合流しない開口部のことであると理解される。すなわち第１熱交換プレート群の流体ガイド手段は動作時に、熱交換ブロックを取り囲む流体空間に向かって開いている。特にプレート熱交換器・凝縮気化器における第１熱交換プレート群の流体チャネルは、熱交換ブロック全体を通って平行に延在することが可能であり、流体分配構造体及び流体収集構造体（英語Distributor Fin：分配フィン）は設けられていないか又はこれらが開放端部で形成されている（英語Open End Distributor：開放端分配器）。
【０００８】
これに対してプレート熱交換器・凝縮気化器では、熱交換プレートの第２群の流体ガイドが、通常のプレート熱交換器と同様に、流体供給管路と流体収集管路との間に延在している。この流体供給管路は、熱交換プレート内に形成された流体分配構造体に接続されており、この流体分配構造体により、流体供給管路を介して供給される流体が、熱交換フィンの幅全体に分配される。これに相応して、流体収集管路は、熱交換プレートに形成された流体収集構造体に接続されている。この流体収集構造体によって流体は、熱交換フィンの幅全体にわたって収集されて流体収集管路に供給される。対応する流体分配構造及び流体収集構造は、種々異なる複数の形態で、特に前述のALPEMA規格から公知である。
【０００９】
プレート熱交換器・凝縮気化器は動作時に上記の吸入面が、凝縮されておりかつ気化すべき流体の液浴内の流体に浸され、例えば空気分離装置の低圧塔の塔底部にある、酸素に富む流体に浸される。上記の流体供給管路には、凝縮させるべき気体の流体、例えば高圧塔の窒素に富む塔頂生成物が供給される。第１熱交換プレート群の複数の流体ガイドは、垂直方向に配向することが可能であるが、少なくとも、流出面におけるその開口部は、吸入面におけるその開口部の上方に配置されており、これによっていわゆる熱サイフォン作用が生じるようになっている。
【００１０】
凝縮されておりかつ気化させるべき流体は、吸入面の開口部から、第１熱交換プレート群の流体ガイドに流入し、ここで、第２熱交換プレート群の流体ガイドにおける気体の、凝縮させるべき流体と、ないしはここで形成されるこの流体の（部分）凝縮液と熱交換させられる。これにより、凝縮されかつ気化させるべき流体において、部分的な気化が行われることになる。この際に発生する２相混合物は全体として、これを形成した凝縮されかつ気化させるべき流体よりも密度が低い。したがって第１熱交換プレート群の流体ガイドにおいてこの２相混合物は上昇し、流出面の開口部を介して流出する。これによって、第１熱交換プレート群の流体ガイドにおいて、連続した流れが発生する。第１熱交換プレート群の流体ガイドにおいて気化した流体は、流出面の上方のガスチャンバに移り、気化しなかった流体は、熱交換ブロックの外面において上記の液浴に戻る。
【００１１】
同時に第２熱交換プレート群の流体チャネルにおける熱交換により、上述のように、（部分）凝縮が行われる。これにより、この第２熱交換プレート群の流体収集管路から、流体供給管路を介して供給される流体の（部分）凝縮液を、すなわち流体の流れ又は２相の流れを取り去ることができる。
【００１２】
プレート熱交換器・凝縮気化器では、第２熱交換プレート群の流体供給管路に混合気体が供給される場合、熱交換プレートの流体分配構造体において、選択的な凝縮及び別の作用により、分離（凝離）が行われる。すなわち所定の複数の領域において気体混合物の一気体成分が濃縮されるのである。これは、複数の気体成分のうちの１つが不活性気体である場合には特に不利である。これらのような領域では、流体の通過が妨げられ、かつ／又は、効率的な熱交換が阻まれる。このことは作用において、全体として利用可能な熱交換面積が減少してしまうことに結び付く。
【００１３】
本発明の課題は、上記の欠点を解消し、特にプレート熱交換器・凝縮気化器における分離を簡単かつ効果的に阻止する手段を提供することである。
【００１４】
発明の開示
上記の課題は、独立請求項の特徴的構成を有するプレート熱交換器・凝縮気化器と、空気の低温分離方法とによって解決される。実施形態は、従属請求項及び以下の説明に記載されている。
【００１５】
発明の利点
本発明によって提案されるのは、熱交換ブロックを備えたプレート熱交換器・凝縮気化器であり、この熱交換ブロックは、複数の流体ガイド構造体を備えた所定数の熱交換プレートを有する。この熱交換ブロックは、複数の外面を有する。この熱交換ブロックが平行六面体状に構成される場合、全体で６つの外面が存在する。以下では熱交換ブロックの第１外面、第２外面、第３外面及び第４外面を考察する。第１外面は、第２外面の反対側にあり、第３外面は第４外面の反対側にある。第１外面と第２外面とは特に互いに平行であり、同様に第３外面と第４外面とが平行である。第１外面と第２外面との間の距離は、熱交換ブロックの高さに等しい。プレート熱交換器・凝縮気化器の動作時に第１外面は、熱交換ブロックの上面にあり、第２外面は、その下面にある。第２外面と、第３外面及び第４外面のそれぞれの一部分とは、プレート熱交換器・凝縮気化器の動作時に、凝縮される流体の液浴に浸される。熱交換プレートには、複数の第１熱交換プレート及び複数の第２熱交換プレートが含まれており、これらの熱交換プレートは基本的に異なる機能を有しており、かつ、構成が異なっている。
【００１６】
第１熱交換プレートの流体ガイド構造体、ひいては第１熱交換プレート全体は、凝縮させた流体を部分的又は完全に気化させて、この流体が、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体において上昇するように構成されており、このために上で説明した熱サイフォン作用が使用される。第１熱交換プレートの流体ガイド構造体は、流体供給管路によっても、流体収集管路によっても覆われていない複数の開口部を有しているため、凝縮させた流体の直接の流入及び部分的又は完全に気化した流体の直接流出を保証することが可能である。
【００１７】
上記の開口部を以下では、「第１」開口部及び「第２」開口部とも称し、凝縮させた流体は、第２開口部を介して、吸入され、第１開口部を介して部分的又は完全に気化された形態で排出される。凝縮させた流体を液浴から吸入できるようにするため、これに使用される第２開口部は、この液浴の流体面以下に配置されるかないしはこの液浴の流体面が、対応する高さにまで移動される。これに対し、部分的又は完全に気化させた流体の、第１開口部を介する流出は、液浴の流体面の完全に上方において、部分的に上方において、部分的に下方において行うことが可能であり、又は完全に下方において行うことも可能である。最後に挙げた２つのケースにおいても、気化によって各開口部間で静水圧力降下に打ち勝つ十分な圧力差を形成できる場合には、熱サイフォン作用による流体の循環を生じさせることができる。
【００１８】
これに対し、流体の（部分的な）凝縮のために設けられている第２熱交換プレートの流体ガイド構造体は、熱交換ブロックに配置された流体供給管路と、熱交換ブロックに配置された流体収集管路との間に延在しているため、凝縮させるべき流体は、流体供給管路を介して供給され、流体収集管路を介して（部分的に）凝縮された形態で取り出すことが可能である。
【００１９】
本発明では、流体供給管路が、第１外面に、すなわち動作時にはプレート熱交換器・凝縮気化器の上面に配置されるようにする。第２熱交換プレートの流体ガイド構造体において流体供給管路を配置し、また対応する流体分配構造体を特別に形成することにより、本発明は、対応して混合される流体の部分的な分離の冒頭に述べた不利な作用を回避することができる。本発明を使用することにより、対応して供給される流体の均一な分配が改善され、ひいては対応するプレート熱交換器・凝縮気化器の熱交換効率が全体として高まる。本発明の枠内において識別されたのは、従来、熱交換ブロックの第１外面に配置されていた、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体の開口部（上述のように本発明ではこれを「第１」開口部と称する）を、流体供給管路によって覆われている領域から移動しなくてはならないとしても、上記のような流体分配によって複数の明らかな利点が得られることである。ここでは、対応する移動のコスト及び気化区間の影響に起因して考えられ得る複数の欠点に対して、第２熱交換プレートにおける改善された流体分配が勝ることが認識された。全体的には格段に改善された熱交換効率が得られる。
【００２０】
本発明では、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体の第１開口部は、第１外面上で流体供給管路によって覆われていない領域に配置されるか、又は、それぞれ第３及び第４外面の第１領域に配置される。すなわち第１開口部は、第１外面上で、流体供給管路によって覆われている領域から移動可能であるか又は第３及び第４外面に移動可能である。第３及び第４外面の「第１領域」はそれぞれ、プレート熱交換器・凝縮気化器によって気化させるべき流体の液面の上方にある。
【００２１】
ここでは有利には、第１外面上で、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体の第１開口部を流体収集構造体によって構成し、かつこの流体収集構造体により、この第１開口部を、上で示したように流体供給管路が設けられている領域から移動する。流体収集構造体は、流体ガイド構造体の中央領域にある熱交換フィンに接続されている。これによって可能になるのは、第１熱交換プレートないしはその流体ガイド構造体において、対応する流体の（部分的な）気化を損なうことなく、第１外面に流体供給管路を配置することである。
【００２２】
特別な複数の利点が得られるのは、流体供給管路が、第１外面の中央領域において、熱交換プレートに対して直角に延在している場合、すなわち第２流体ガイド構造体への流体の中央の供給が行われる場合である。これにより、対応する流体の特に均一な分配を行うことができ、水平方向の流体供給ないしは対応する流体分配構造体を完全に省略することが可能である。
【００２３】
本発明で行われているように、流体収集構造体によって構成される、第１熱交換プレートの第１開口部が、第１外面上で、流体供給管路によって覆われていない領域に設けられるか又はそれぞれ第３及び第４外面の第１領域に設けられる場合、熱交換器技術の分野から基本的に公知でありかつ冒頭に述べたALPEMA規格に記載されているように、いわゆる２重出口分配器としてこの第１開口部を形成することができる。しかしながらこの第１開口部は、上述したように従来の２重出口分配器とは異なり、流体分配管路ないしは流体収集管路に合流してはいない。
【００２４】
有利には第２熱交換プレートの流体ガイド構造体には、第１外面上に複数の開口部が取り付けられており、これらの開口部は、流体供給管路に合流しかつ複数の流体分配構造体によって構成され、これらの流体分配構造体は、流体ガイド構造体の中央領域の熱交換フィンに接続されている。対応する流体分配構造体を適切に構成することにより、対応する熱交換フィンへの流体の特に均一な分配が保証される。ここでは有利には、第２熱交換プレートの流体分配構造体を、同様に基本的には上述の専門文献から公知の中央の分配器として形成する。これによって上で述べた複数の利点が得られる。
【００２５】
本発明の特に有利な実施形態によれば、流体収集管路の位置も、従来のプレート熱交換器・凝縮気化器における配置とは変更されている。すなわち流体収集管路は、熱交換ブロックの第２外面に配置されている。この場合に、従来のプレート熱交換器・凝縮気化器では第２外面に設けられていた、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体の開口部（上述のようにここでは「第２」開口部と称される）は、流体収集管路によって覆われていない領域に配置されるため、凝縮された流体を吸入することが可能になる。
【００２６】
本発明の上述の特に有利な実施形態において、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体の第２開口部は、第２外面上で、流体収集管路によって覆われていない領域において、かつ／又は、それぞれ第３及び第４外面の第２領域おいて流体分配構造体によって構成されており、これらの流体分配構造体は、流体ガイド構造体の中央領域の熱交換フィンに接続されている。これにより、対応する開口部を介して吸入される流体の部分的な気化は、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体の開口部を、対応して移動させた場合であっても損なわれることはない。
【００２７】
この場合、有利には流体収集管路を、第２外面の中央領域にかつ熱交換プレートに対して直角に配置し、これによって流体を中央に集めることができ、したがってここでも分離作用が発生することはない。前に第１熱交換プレートの流体収集構造体について説明したように、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体の開口部が、第２外面に配置される場合、有利には第１熱交換プレートの流体分配構造体を、上で説明した規格文献に記載されているように、いわゆる２重入口分配器として形成する。
【００２８】
第２外面の中央領域にかつ熱交換プレートに直角に流体収集管路が配置されるここで説明しているケースにおいて、第２熱交換プレートの流体ガイド構造体は、第２外面上に複数の開口部を構成し、これらの開口部は、流体収集管路に合流しかつ複数の流体収集構造体によって構成され、これらの流体収集構造体は、流体ガイド構造体の中央領域の熱交換フィンに接続されている。上述のように有利には、第２熱交換プレートの流体収集構造体を、中央の分配器として形成することが可能であり、これによって分離が確実に阻止される。
【００２９】
第３及び第４外面の上述の第１領域は、第１外面に隣接しており、第３及び第４外面の第２領域は、第２外面に隣接している。第３及び第４外面の第１及び第２領域にはそれぞれ最大で各外面の面積の５０％が含まれており、特に最大で４０％、３０％、２０％又は１０％が含まれている。第３及び第４外面の第１領域は、プレート熱交換器・凝縮気化器の動作時には、気化させるべき流体の面の完全に上方に、部分的に上方に、部分的に下方に、又は完全に下方にあり、第２領域は完全にその下にある。詳細はすでに説明した。
【００３０】
本発明は、基本的には冒頭に挙げた専門文献に記載されているように空気を低温分離する方法も対象としている。このような方法では、第１蒸留塔において、濃縮して冷却した投入空気を使用して、酸素富化した塔底生成物及び窒素富化した塔頂生成物を形成する。第２蒸留塔では、第１蒸留塔からの酸素富化した塔底生成物を使用して、酸素富化した塔底生成物及び窒素富化した塔頂生成物を形成する。
【００３１】
本発明による方法の特徴は、１つ以上のプレート熱交換器・凝縮気化器が、上述の複数の実施形態の１つ以上に使用されることにより、上記のような方法により、特に良好な熱交換効率が得られることである。上記の複数の実施形態のそれぞれの利点については、その箇所をよく参照されたい。本発明による空気の低温分離方法もこれらの恩恵を受けている。
【００３２】
上記の方法の特に有利な実施形態によれば、本発明は、上記のプレート熱交換器・凝縮気化器又は上記の複数のプレート熱交換器・凝縮気化器のうちの１つをいわゆる主凝縮器として使用すること、すなわち第１蒸留塔と第２蒸留塔とを熱交換的に接続する凝縮器として使用することを想定している。この場合、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体において、第２蒸留塔の酸素に富む塔底生成物を部分的に気化させ、かつ、第２熱交換プレートの流体ガイド構造体において、第１蒸留塔の窒素富化した塔頂生成物を部分的に液化させる。このプレート熱交換器・凝縮気化器はこのために、第２蒸留塔の酸素に富む塔底生成物から構成される液浴に浸される。熱サイフォン作用により、この塔底生成物は、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体において上昇し、ここで部分的に気化される。同時に第１蒸留塔の窒素富化した塔頂生成物がここで部分的に液化される。
【００３３】
本発明による方法の別の有利な実施形態には、アルゴン塔の塔頂凝縮器として、対応するプレート熱交換器・凝縮気化器を使用することが含まれており、すなわちこの方法には、第２蒸留塔から流体を取り出して第３蒸留塔に供給することが含まれている。第３蒸留塔は、塔頂凝縮器を有しており、この塔頂凝縮器では、上記のプレート熱交換器・凝縮気化器又は複数のプレート熱交換器・凝縮気化器のうちの１つを用い、第１熱交換プレートの流体ガイド構造体において、第１蒸留塔の酸素富化した塔底生成物の一部を部分的に気化させ、第２熱交換プレートの流体ガイド構造体において、第３蒸留塔のアルゴン富化した塔頂生成物を部分的に液化させる。本発明は、アルゴン富化した生成物が得られるいわゆる粗アルゴン塔に使用するのに適しているが、第１及び／又は第２蒸留塔におけるアルゴン含有量を低減して、この蒸留塔において酸素生成物がより高純度で得られるようにするためだけに設けられるいわゆるアルゴン取出塔に使用するのにも適している。
【００３４】
ここでアルゴン取出塔とは、アルゴン・酸素分離のための分離塔のことを称しており、この分離塔は、純粋なアルゴン生成物を得るためではなく、第１及び第２蒸留塔において分離すべき空気のアルゴンを取り出すために使用される。その接続は、一般的な粗アルゴン塔からわずかにしか異なっていないが、アルゴン取出塔には、格段に少ない理論段、すなわち４０未満、特に１５と３０との間の理論段しか含まれていない。粗アルゴン塔と同様にアルゴン取出塔の塔底領域は、第２蒸留塔の中間箇所に接続されており、このアルゴン取出塔は、塔頂凝縮器によって冷却され、その気化側には減圧された塔底流体が高圧塔から導入される。アルゴン取出塔は塔底気化器を有しない。塔頂凝縮器は、上述のようにプレート熱交換器・凝縮気化器として形成することが可能である。
【００３５】
本発明を以下、複数の添付の図面に基づいて詳しく説明する。これらの図面では、本発明の有利な複数の実施形態が従来技術と比べて示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明によるものではないプレート熱交換器・凝縮気化器の概略図である。
【図２】図１によるプレート熱交換器・凝縮気化器の（第２の）熱交換プレートを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるプレート熱交換器・凝縮気化器の概略図である。
【図４】図３によるプレート熱交換器・凝縮気化器の（第２の）熱交換プレートを示す図である。
【図５】本発明の別の一実施形態によるプレート熱交換器・凝縮気化器の（第２の）熱交換プレートを示す概略図である。
【図６】図３によるプレート熱交換器・凝縮気化器の（第１の）熱交換プレートを示す図である。
【図７】本発明の別の一実施形態によるプレート熱交換器・凝縮気化器の（第１の）熱交換プレートの概略図である。
【図８】本発明のさらに別の一実施形態によるプレート熱交換器・凝縮気化器の（第１の）熱交換プレートの概略図である。
【００３７】
これらの図面において互いに対応する要素は、同じ参照符号で示されており、見通し易くするため、繰り返して説明しない。
【００３８】
図面の詳細な説明
図１には、本発明によるものではないプレート熱交換器・凝縮気化器が、概略的にかつ部分的に切り開かれて図示されている。図１のプレート熱交換器・凝縮気化器全体は、参照符号１１０で示されている。
【００３９】
このプレート熱交換器・凝縮気化器の熱交換ブロック１０は、交互に配置された熱交換プレート２０及び３０から構成されており、熱交換プレート２０を以下では「第１」熱交換プレートと、熱交換プレート３０を以下では「第２」熱交換プレートと称する。以下の図面においても部分的に、対応する熱交換プレートをさらに詳しく説明する。対応する２つの熱交換プレート２０、３０だけに参照符号が付されているが、熱交換ブロック１０全体は全体として、対応する複数の熱交換プレート２０、３０から形成されている。
【００４０】
第１熱交換プレート２０にも第２熱交換プレート３０にもそれぞれ複数の流体ガイド構造体が形成されており、これらの流体ガイド構造体は、第１熱交換プレート２０については参照符号２１で、また第２熱交換プレート３０については参照符号３１で示されている。上述のようにここで使用する用語の「流体ガイド構造体」とは、一般的に、対応する熱交換プレート２０、３０の中央領域に配置される熱交換フィンのことであると共に、端部の流体分配構造体ないしは流体収集構造体（ディストリビュータ）のことでもあると理解される。図１において、上述のように別の形態で設けることも可能な熱交換フィンは、２つの熱交換プレート２０、３０について図示されており、ここではそれぞれ参照符号２１５ないしは３１５で示されている。対応する熱交換フィンは、上述のように、関連する専門文献においてヒートエクスチェンジフィンとも称される。
【００４１】
しかしながら図１では、複数の第２熱交換プレート３０のうちの１つについてのみ、流体分配構造体３１３が示されている。流体分配構造体３１３の役割は、一般的にはヘッダとも称される流体供給管路４０を介して供給されかつ開口部３１１を介して、対応する第２熱交換プレート３０に流入する流体を、第２熱交換プレート３０の幅全体にわたり、熱交換フィン３１５に分配し、これによって効率的な熱交換が確実に行われるようにすることである。しかしながら上述のようにまた以下の図２に関連しても説明するように、ここではこれが、不均等な分配と、対応する不利な作用とになり得るのである。図１には、複数の熱交換フィン３１５から流出する流体を収集して流体収集管路５０に供給する、第２熱交換プレート３０の流体収集構造体は図示されていない。
【００４２】
第１熱交換プレート２０は、第２熱交換プレート３０とは異なり、流体分配構造体を有しないか又は場合によっては開放端流体分配構造体を有しているが、これらは図1では示されていない。したがって、熱交換フィン２１５と、場合によっては設けられる開放端流体分配構造体とから構成される、熱交換プレート２０の流体ガイド構造体２１は、ここでは参照符号１１によって示されている、熱交換ブロック１０の第１外面と、ここでは参照符号１２によって示されている、熱交換ブロック１０の第２外面との間に延在している。これらの流体ガイド構造体は、上記の外面１１、１２に向かって、流体供給管路によっても流体収集管路によっても覆われていない複数の開口部を有しており、図１に示した図では、第１外面１１（「第１」開口部）を向いた複数の開口部だけが示されており、参照符号２１１で示されている。誤解を避けるために強調しておきたいのは、図１の第１外面１１は、動作時に熱交換ブロック１０の上面にあり、第２外面１２はその下面にあることである。熱交換プレート２０、３０の縁部はさらに、熱交換ブロック１０の第３及び第４外面を構成しており、これらはここでは参照符号１３及び１４で示されている。（第４外面１４は図１では隠れている）。
【００４３】
これに対し、流体供給管路４０及び流体収集管路５０の配置により、第２熱交換プレート３０の流体ガイド構造体３１は、流体供給管路４０と流体収集管路５０との間に延在している。流体供給管路４０を介して気体状の凝縮させるべき流体が、例えば窒素に富む、高圧塔の塔頂生成物が、空気分離装置に供給され、かつ、熱交換ブロック１０が、所定の高さまで、気化させるべき流体の液浴に沈められ、例えば、空気分離装置の低圧塔の塔底部の、例えば酸素に富む流体に沈められる場合、冒頭に述べた熱サイフォン作用が発生する。
【００４４】
図２には、図１に示したプレート熱交換器・凝縮気化器の複数の第２熱交換プレート３０のうちの１つが平面図で示されている。付加的には流体供給管路４０及び流体収集管路５０が略示されているが、これらは、第２熱交換プレート３０それ自体の部分ではなく、複数の第２熱交換プレート３０を使用して構成される熱交換ブロック１０上に載置される。わかり易くするため、熱交換ブロック１０の外面１１〜１４がさらに示されており、これらは、対応する熱交換プレート３０によって定められる。
【００４５】
上述のように動作時には流体が、流体供給管路４０を介して供給され、複数の開口部３１１を介して複数の第２熱交換プレート３０の複数の流体ガイド手段３１に流入する。ここでは上記の流体が、まず流体分配構造体３１３によって熱交換プレート３０の幅全体に分配される。図示した実施例では、流体分配構造体３１３及び以下に説明する流体収集構造体３１４はそれぞれ、Ｂタイプの斜め形分配構造体ないしは収集構造体として示されているが、別の形状の流体分配構造体及び流体収集構造体、例えば冒頭に述べたALPEMA規格において示されている形態を使用することも可能である。流体分配構造体３１３によって熱交換プレート３０の幅全体に分配された流体は理想的には、同じ流速及び組成で、熱交換フィン３１５の領域の幅全体にわたって流入し、理想的には、熱交換フィン３１５の領域全体にわたり、流体収集構造体３１４によって収集される。流体収集構造体３１４によって収集された流体は、開口部３１２を介して第２熱交換プレート３０から流出し、これによって流体収集管路５０に供給される。
【００４６】
しかしながら上述のように、図２に示したような第２熱交換プレート３０では、例えば流体分配構造体３１３の領域において、また流体収集構造体３１４の領域においても、特に不活性気体を含有する気体混合物が流体供給管路４０を介して供給される場合、分離作用が生じ得る。これにより、第２熱交換プレート３０の幅全体に対する所定の複数の領域において、純粋気体ないしは不活性気体ないしは分離した気体成分が濃縮されて、熱交換フィン３１５ないしは流体ガイド装置３１の別の領域を通る流体の通過が阻まれることがある。対応する第２熱交換プレート３０の、ひいては熱交換ブロック１０全体ないしはプレート熱交換器・凝縮気化器１１０の効果的な熱交換効率が大きく低下してしまう。
【００４７】
図３には、本発明の一実施形態によるプレート熱交換器・凝縮気化器が略示されており、全体として参照符号１００で示されている。図１の説明においてすでに述べた要素については、改めて説明しない。
【００４８】
しかしながら図１のプレート熱交換器・凝縮気化器１１０とは異なり、ここでは流体供給管路４０が、第１外面１１上に、すなわち熱交換ブロック１０の上面に配置されている。これにより、以下でも説明するように、複数の第２熱交換プレート３０ないしはそれらの流体ガイド構造体に流体が格段に良好に分配されることになる。なぜならばこれらを特に好適に形成することができるからである。これによって同時に、これらの第２熱交換プレート３０の複数の流体分配構造体３１３の複数の開口部３１１を、図１に示したタイプとは異なって形成する。
【００４９】
熱交換プレート３０の流体収集構造体はさらに、例えば、図２に示したように形成することも可能であるか又はどこに流体収集管路５０が配置されるかに応じて異なる構成を有することができる。図１に示したプレート熱交換器・凝縮気化器のように流体収集管路５０がここでも熱交換ブロック１１０の側方に配置される場合、図４に示したような配置構成が使用される。しかしながら流体収集管路５０を熱交換ブロック１０の第２外面１２に移動することも可能であり、この場合に図５に示した配置構成が使用される。このことから、図６〜図８を参照して説明するように、第１熱交換プレート２０の構成に対して複数の態様も得られる。
【００５０】
図３によれば、第１熱交換プレート２０の流体ガイド構造体２１の第１開口部２１１は、適切な流体収集構造体により、流体供給管路４０によって覆われている、第１外面１１の領域から移動されているが、依然として第１外面１１に配置されている。しかしながら第１熱交換プレート２０の流体ガイド構造体２１の開口部２１１は、図８に示したように外面１３及び１４上に移動させることも可能である。
【００５１】
図４には、上述のように図３によるプレート熱交換器・凝縮気化器の第２熱交換プレート３０が示されている。ここでも流体供給管路４０及び流体収集管路５０が示されている。
【００５２】
しかしながらここでは上述のように、図２に示した熱交換プレート３０と異なり、流体分配構造体３１３の開口部３１１は、熱交換プレート３０の上面に、ひいては熱交換ブロック１０の第１外面１１に配置されている。ここで補足的に示した流体供給管路４０についても、相応することが当てはまる。流体供給管路４０を介して供給される流体は、流体分配構造体３１３が左右対称に形成されていることにより、熱交換プレート３０ないしは熱交換フィン３１５の領域全体に一層良好に分配されるため、流体分配構造体３１３の領域では、分離作用がもはや発生することはない。しかしながら上述のように、第２熱交換プレート３０の図４に示した実施形態において、流体収集構造体３１４は、図１のプレート熱交換器・凝縮気化器１１０に使用される、従来の第２熱交換プレート３０と同じように形成されている。
【００５３】
しかしながら上述のように、流体収集管路５０を第２外面１２ないしは熱交換ブロック１０の下面に設けることも可能である。このような場合に使用される第２熱交換プレート３０は、図５に示されている。ここでは流体収集構造体３１４により、熱交換フィン３１５から流出する流体が中央領域において１つにまとめられるため、ここでも分離作用は発生し得ないか又は比較的わずかな分離作用しか発生し得ない。
【００５４】
何回も説明したように、前の複数の図面による第２熱交換プレート３０は、流体を部分的又は完全に凝集するように構成されており、これに対して第１熱交換プレート２０は、流体を部分的又は完全に気化するように構成されている。第１熱交換プレート２０は、上記の熱サイフォン作用に基づいて動作する。
【００５５】
以下では、前に説明した複数の実施形態において、すなわち流体供給管路４０が上面に配置されておりかつ流体収集管路５０が熱交換ブロック１１の側面又は下面に配置されている場合に使用することが可能な第１熱交換プレート２０を説明する。２つのケースにおいて、流体供給管路４０及び流体収集管路５０が示されているが、流体ガイド構造体２１は、このような流体供給管路４０ないしは流体収集管路５０に接続されていない。
【００５６】
第１熱交換プレート２０は、上述のように、流体を部分的又は完全に気化させて、熱サイフォン作用を引き起こすように構成されている。このためには、流体ガイド構造体２１は、流体供給管路によっても流体収集管路によっても覆われていない複数の開口部を有しなければならない。流体供給管路４０が、熱交換ブロック１０の第１外面に配置される場合、この領域には、熱交換プレート２０の流体ガイド構造体２１の開口部を（図１に示した第１開口部２１１のように）設けることができない。したがってこれらの第１開口部は、図６に示した例において、流体収集構造体２１３に接続される。流体収集構造体２１３は、いわゆる２重出口分配器形に形成されており、熱交換ブロック１０の第１外面１１上に複数の開口部２１１が備え付けられている。しかしながら別の複数の構成を設けることも可能である。第１開口部２１１を介して、部分気化した流体が、熱交換ブロック１０の上面ないしは第１外面１１において放出される。気化していない流体は、熱交換ブロック１０の外面に流れ出る。これに対して熱交換ブロック１０の下側面ないしは第２外面１２には、流体ガイド構造体２１の複数の開口部２１２（「第２」開口部）が設けられており、これらは、いわゆる開放端流体分配装置２１４だけに接続されるか、又は何ら接続されていない。流体は、これによって妨げられることなく熱交換フィン２１５に流入してこの中で上昇する。
【００５７】
しかしながら、流体収集管路５０が、熱交換ブロック１０の下面ないしは第２外面１２に配置されている装置を選択する場合、流体ガイド構造体２１の第２開口部２１２も、この流体収集管路５０によって覆われていない領域に移動しなければならない。このためには、例えばいわゆる２重入口分配器形に形成される流体分配構造体２１４が使用される。これは図７に示されている。これとは択一的に、すでに何回も述べたように、第１及び／又は第２開口部２１１及び／又は２１２を、熱交換ブロック１０の第３及び第４外面１３、１４に移動させることも可能である。これは、図８において、流体分配管路４０が第１外面１１に配置されており、かつ、流体収集管路５０が第２外面１２に配置されているケースについて示されている。これに対し、流体収集管路５０が、第２外面１２に配置されていない場合には、図６に示したように第２開口部２１２を形成することができる。図７及び図８に示した実施形態を組み合わせることも可能である。すなわち、第１開口部２１１を図６に示したように形成し、第２開口部２１２を図８に示したように形成する、又はこの逆を行うことも可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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