(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に延在し且つ横に複数並べて設けられた蒸留カラムと、この蒸留カラムの上部に設けられたコンデンサと、前記蒸留カラムの下部に設けられたリボイラとを１つの断熱容器内に収容してなり、前記コンデンサにおいて、複数の前記蒸留カラムの頂部にそれぞれ設けられた凝縮管を冷媒液槽内の冷媒液に浸漬して、蒸留カラムから上昇した凝縮性ガスを凝縮すると共に生成した凝縮液を自然流下で蒸留カラムに環流させるようにした蒸留装置であって、
上下方向に延在する前記凝縮管にそれを同軸的に拡径した態様の拡径部を設けると共に、該拡径部に前記冷媒液槽内の冷媒液が流通可能な上下方向の内管を複数設けたことを特徴とする蒸留装置。
【請求項２】
前記冷媒液が、凝縮性ガスの凝縮点以下の沸点を有し、凝縮性ガスとの熱交換により沸騰を起こすものであることを特徴とする請求項１に記載の蒸留装置。
【請求項３】
前記冷媒液槽内の冷媒液面から前記拡径部を一部露出させ、該拡径部の露出面における前記内管の開口部分から冷媒液面に至る範囲に濡れ壁を形成し、
前記冷媒液の液位を調整して前記濡れ壁の面積を増減することで伝熱量を制御するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の蒸留装置。
【請求項４】
前記内管の外周面にフィンを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸留カラムの頂部に設けられた凝縮管を冷媒液槽内の冷媒液に浸漬して、蒸留カラムから上昇した凝縮性ガスを凝縮すると共に生成した凝縮液を自然流下で蒸留カラムに環流させるようにした蒸留装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蒸留カラムを多数集合させた構成の蒸留装置では、各蒸留カラムの頂部に設けられた凝縮管を冷媒液槽内の冷媒液に浸漬し、蒸留カラムから上昇した凝縮性ガスを凝縮すると共に生成した凝縮液を自然流下で蒸留カラムに環流させるようにした構成のコンデンサが採用されることがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成のコンデンサでは、冷媒液槽内での冷媒液の自然対流と凝縮管の円筒壁での熱交換に依存した単純な構成となっており、伝熱性能が高いとは言い難い。特に、凝縮性ガスとの温度差が小さい冷媒液では、凝縮に必要な伝熱性能が得られ難い。これに対して、コンデンサの容量増大により所要の伝熱性能を得ることも可能であるが、この場合、設備の大型化すなわちコスト上昇が避けられない。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、冷媒と凝縮性ガスとの温度差が僅かでも、充分な伝熱性能を確保し得るように構成された蒸留装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明においては、上下方向に延在し且つ横に複数並べて設けられた蒸留カラムと、この蒸留カラムの上部に設けられたコンデンサと、前記蒸留カラムの下部に設けられたリボイラとを１つの断熱容器内に収容してなり、前記コンデンサにおいて、複数の前記蒸留カラムの頂部にそれぞれ設けられた凝縮管を冷媒液槽内の冷媒液に浸漬して、蒸留カラムから上昇した凝縮性ガスを凝縮すると共に生成した凝縮液を自然流下で蒸留カラムに環流させるようにした蒸留装置において、上下方向に延在する前記凝縮管にそれを同軸的に拡径した態様の拡径部を設けると共に、該拡径部に冷媒液が流通可能な上下方向の内管を複数設けた。
【０００６】
これによると、内管内の冷媒液にサーモサイホン作用により上向流が発生し、内管が伝熱管として機能する。これによりコンデンサの容量をさほど増大することなく大きな伝熱面積を確保することができ、極低温で蒸留操作を行う場合のように冷媒と凝縮性ガスとの温度差を大きくとることが困難な場合にも、充分な伝熱性能を確保することができる。
【０００７】
特に、前記冷媒液が、凝縮性ガスの凝縮点以下の沸点を有し、凝縮性ガスとの熱交換により沸騰を起こすものであると良く、これによると、冷媒液の沸騰により発生する気泡の上昇により、内管内の冷媒液を上向きに押し上げるガスリフト効果が生じ、内管内の冷媒液流通量が増大すると共に、核沸騰側の熱伝達率が大幅に向上するため、高い伝熱性能を得ることができる。
【０００８】
その上、前記冷媒液槽内の冷媒液面から前記拡径部を一部露出させ、該拡径部の露出面における前記内管の開口部分から冷媒液面に至る範囲に濡れ壁を形成し、前記冷媒液の液位を調整して前記濡れ壁の面積を増減することで伝熱量を制御するようにしたものとすると良く、これによると、伝熱量を大幅に増大することができる上に、冷媒液の液位を調整して濡れ壁の面積を増減することで伝熱量の制御が可能となる。なお、冷媒液面から拡径部を一部露出させて内管の上部開口を気相中に開放させても、冷媒液の沸騰によるガスリフト効果により内管の上部開口から冷媒液が溢れ出し、この冷媒液が拡径部の外面を伝って流下することにより拡径部の外面に濡れ壁が形成される。
【０００９】
これに加えて、前記内管は、外周面にフィンを有するものであると好ましく、これによると、伝熱面積の増大により伝熱性能をより一層高めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明の構成について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明による蒸留装置の概略構成を示している。この蒸留装置は、常温以下の温度条件で蒸留操作を行うものであり、コンデンサ１と、充填材が充填された複数の蒸留カラム２と、凝縮液を加熱蒸発させるリボイラ３とを１つの断熱容器４内に収容してなっている。これらコンデンサ１、蒸留カラム２並びにリボイラ３は図示しない支持部材を介して断熱容器４に支持される。
【００１２】
コンデンサ１では、各蒸留カラム２の上端に設けられた凝縮管５が冷媒液槽としてのコンデンサ容器６内の冷媒液に浸漬され、蒸留カラム２から上昇した凝縮性ガスを凝縮するようになっている。凝縮管５内で生成した凝縮液は自然流下して蒸留カラム２に環流される。またここでは、リボイラ３において、リボイラ容器７に滞留する液が電源９により動作される電熱ヒータ８で加熱されるようになっている。被蒸留物は、蒸留カラム２の中段に送入され、凝縮管５の頂部から低沸点成分が、リボイラ容器７から高沸点成分がそれぞれ引き抜かれる。
【００１３】
コンデンサ１の凝縮管５には、拡径部１０が設けられている。この拡径部１０は、蒸留カラム２の組み付け作業等の関係から所定間隔を保持して配置される凝縮管５の間隙内で形成すれば、コンデンサ１に実質的な容積の増大はない。
【００１４】
凝縮管５の拡径部１０には、図２に詳しく示すように、コンデンサ容器６内の冷媒液が流通可能な上下方向の内管１１が複数設けられている。拡径部１０は、凝縮管５と同軸的な筒状部１２と、その端部開口を閉鎖する上下の端板１３・１４とからなっており、この上下の端板１３・１４間に架設された態様で内管１１が設けられ、内管１１の内部が上下の開口から液相中に開放されている。ここでは、内管１１が、図３に示すように、凝縮管５の軸線を中心にして周方向に複数本配設されている。内管１１には、図４に示すように、外周面から径方向に突出したフィン１５を設けると良い。
【００１５】
このように構成されたコンデンサ１においては、図２中に矢印で示すように、内管１１内の冷媒液にサーモサイホン作用により上向流が発生し、内管１１が伝熱管として機能し、この内管１１の外面並びに拡径部１０の内面から凝縮性ガスに冷熱を伝達する。
【００１６】
さらに、冷媒液に、凝縮性ガスの凝縮点よりも低い沸点を有するもの、例えば凝縮性ガスがメタンである場合に冷媒に液化窒素や液化メタンを使用すると、凝縮性ガスとの熱交換により冷媒液が沸騰を起こし、この冷媒液の沸騰により発生する気泡の上昇により、内管１１内の冷媒液を上向きに押し上げるガスリフト効果が生じ、内管１１内の冷媒液流通量が増大する。
【００１７】
図２に示すように、拡径部１０が完全に浸漬されていると、伝熱量が内管１１内の気泡の上昇速度に支配される関係上、伝熱量の制御が困難である。これに対して、図５に示すように、コンデンサ容器６内の冷媒液面Ａから拡径部１０を一部露出させ、この拡径部１０の露出面における内管１１の開口部分から冷媒液面Ａに至る範囲に濡れ壁Ｂを形成すると、伝熱量を大幅に増大することができる上に、冷媒液面Ａの調整により濡れ壁Ｂの面積を増減することで伝熱量の制御が可能となる。なお、冷媒液面Ａから拡径部１０を一部露出させて内管１１の上部開口を気相中に開放させても、冷媒液の沸騰によるガスリフト効果により内管１１の上部開口から冷媒液が溢れ出し、この冷媒液が拡径部１０の外面を伝って流下することによりここに濡れ壁Ｂが形成される。
【００１８】
【発明の効果】
このように本発明によれば、コンデンサの容量をさほど増大することなく大きな伝熱面積を確保することができ、極低温で蒸留操作を行う場合のように冷媒と凝縮性ガスとの温度差を大きくとることが困難な場合にも、充分な伝熱性能を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による蒸留装置の概略構成を示す縦断面図。
【図２】図１に示したコンデンサの拡大縦断面図。
【図３】図１に示したコンデンサの拡大横断面図。
【図４】コンデンサにおける内管にフィンを設けた例を示す横断面図。
【図５】図１に示したコンデンサに濡れ壁を形成した状態を示す図２と同様の断面図。
【符号の説明】
１  コンデンサ
２  蒸留カラム
３  リボイラ
４  断熱容器
５  凝縮管
６  コンデンサ容器
７  リボイラ容器
８  電熱ヒータ
９  電源
１０  拡径部
１１  内管
１２  筒状部
１３・１４  端板
１５  フィン
Ａ  冷媒液面
Ｂ  濡れ壁
【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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