(57)【要約】  本発明の目的は、窒素を製造するための動力を増加させることなく、２種類の組成の異なるガスを製造できるコンパクトな多段液溜式凝縮蒸発器、及び前記多段液溜式凝縮蒸発器を用いた窒素製造装置を提供することであって、本発明は、下段の蒸発通路に供給される液体を循環させることなく溜める最下段液溜部と、最下段の蒸発通路から流出する流体を収集して前記最下段液溜部に戻すことなく外部に排出させる流体収集部とをさらに具備することを特徴とする多段液溜式凝縮蒸発器を提供する。
2020158734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが通流して凝縮する上下に連通した凝縮通路と、
前記ガスと熱交換して蒸発する液体が通流する上下に複数段に仕切られた蒸発通路と、
最下段を除く各段の蒸発通路に対応して設けられ、前記蒸発通路に液体を供給及び前記蒸発通路から流出する液体を溜めて各段の蒸発通路で前記液体を循環させるための循環液溜部と、  
前記循環液溜部の液体を上段の循環液溜部から下段の循環液溜部に流すための連通通路と、
最下部の循環液溜部の液体を最下段液溜部に流すための最下段連通通路とを備え、
前記凝縮通路と前記蒸発通路とが積み重ねられて熱交換部を構成し、
前記熱交換部によって熱交換器コアが形成され、
前記循環液溜部が、前記積み重ね方向と直交する前記熱交換器コアの幅方向の少なくとも片側の側面に前記蒸発通路の段数に対応して形成されていることを特徴とする多段液溜式凝縮蒸発器において、
最下段の蒸発通路に供給される液体を循環させることなく溜める最下段液溜部と、
最下段の蒸発通路から流出する流体を収集して前記最下段液溜部に戻すことなく外部に排出させる流体収集部とをさらに具備することを特徴とする多段液溜式凝縮蒸発器。
【請求項２】
前記循環液溜部に流入した蒸発ガスを取り出すための蒸発ガス取出口と、最上段の循環液溜部に外部から液体を導入するための液体導入口と、前記最下段液溜部に流入した液体を取り出すための液体取出口とを備えたことを特徴する請求項１記載の多段液溜式凝縮蒸発器。
【請求項３】
前記循環液溜部に流入したガスを集めると共に前記最下段液溜部を兼ねる気液捕集容器を備え、前記気液捕集容器が、最上段の前記循環液溜部に外部から液体を導入する液体導入口と、集められた蒸発ガスを取り出すための蒸発ガス取出口と、溜められた液体を取り出すための液体取出口とを具備することを特徴とする請求項１記載の多段液溜式凝縮蒸発器。
【請求項４】
前記液体取出口を経て取り出された液体を最下段の蒸発通路に供給する導管と、前記導管に設けられた減圧器とをさらに有することを特徴とする請求項２又は３に記載の多段液溜式凝縮蒸発器。
【請求項５】
熱交換器コアは熱交換部と液体連通部から形成され、前記液体連通部は、前記連通通路と、前記最下段連通通路とを具備し、前記熱交換部をなす、前記凝縮通路と、前記蒸発通路との積み重ね方向において、熱交換部の少なくとも片側に設けられることを特徴とする前記請求項２〜４のいずれかに記載の多段液溜式凝縮蒸発器。
【請求項６】
多段液溜式凝縮蒸発器と、酸素、窒素及びアルゴンの混合流体を低温蒸留によって分離する第一の蒸留塔および第二の蒸留塔と、膨張タービンとを具備する窒素製造装置であって、
上記多段液溜式凝縮蒸発器が、前記請求項２〜前記請求項５のいずれかに記載の多段液溜式凝縮蒸発器であり、
第一の蒸留塔の上部からの窒素ガスの少なくとも一部を、前記多段液溜式凝縮蒸発器の窒素ガス導入管に導入するための導管と、
前記多段液溜式凝縮蒸発器の凝縮通路からの液体窒素を、前記第一の蒸留塔の上部に還流液として導入する導管と、
前記第一の蒸留塔の下部からの酸素富化液体空気の少なくとも一部を、前記多段液溜式凝縮蒸発器の液体導入口に導入するための導管と、
前記流体収集部を経て取り出したガスの少なくとも一部を寒冷発生源として膨張タービンに導入する導管と、
前記蒸発ガス取出口を経て取り出したガスの一部を第２の蒸留塔の原料として導入する導管とをさらに具備することを特徴とする窒素製造装置。
【請求項７】
多段液溜式凝縮蒸発器と、酸素、窒素及びアルゴンの混合流体を低温蒸留によって分離する蒸留塔と、膨張タービンとを具備する窒素製造装置であって、
前記多段液溜式凝縮蒸発器が前記請求項２〜前記請求項５のいずれかに記載の多段液溜式凝縮蒸発器であり、
前記蒸留塔の上部からの窒素ガスの少なくとも一部を前記多段液溜式凝縮蒸発器の窒素ガス導入管に導入するための導管と、
前記多段液溜式凝縮蒸発器の凝縮通路からの液体窒素を、前記第一の蒸留塔の上部に還流液として導入するための導管と、
前記蒸留塔の下部からの酸素富化液体空気を前記多段液溜式凝縮蒸発器の液体導入口に導入するための導管と、
前記流体収集部を経て取り出したガスの少なくとも一部を、寒冷発生源として膨張タービンに導入するための導管と、
前記蒸発ガス取出口を経て取り出したガスの一部を、原料空気の一部として前記蒸留塔に導入するための導管とをさらに具備することを特徴とする窒素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの蒸発区域に設けられた液溜部内の液体を蒸発通路に導入し、前記液体と、凝縮流路を流れる気体との熱交換によるサーモサイフォン作用を利用して前記液体を蒸発させると共に、前記気体を凝縮させる多段液溜式凝縮蒸発器、及び前記多段液溜式凝縮蒸発器を用いた窒素製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
主に窒素を製造する窒素製造装置の凝縮蒸発器は、空気から窒素を濃縮する蒸留塔の塔頂からの窒素ガスと、蒸留塔塔底からの酸素富化液体空気とを熱交換させることにより、窒素ガスを凝縮させて、蒸留塔の還流液を生成する。
窒素ガスの凝縮に伴い、冷媒である酸素富化液体空気は蒸発し、一部は窒素製造装置の寒冷を発生するために用いられる。また、一部は窒素の回収率を改善するために原料空気の一部として、または第２の蒸留塔の原料として用いられる。【０００３】
このような凝縮蒸発器としては、プレートフィン型の熱交換器コアを使用した凝縮蒸発器が通常用いられている。この種の凝縮蒸発器には、液溜内に熱交換器コアが浸漬された形態（液溜式）、または浸漬されない形態（ドライ式）がある。
ドライ式では、酸素富化液体空気は、ヘッダーを介して熱交換コア内に供給され、窒素ガスとの熱交換により完全にガス化して取り出される。そのため、取り出されたガスの窒素濃度は供給された酸素富化液体空気の窒素濃度に等しい。【０００４】
一方、液溜式では、容器内に溜められた酸素富化液体空気が、サーモサイフォン効果により浸漬された熱交換コアの底部より流入し、一部が蒸発し、気液二相状態でコア上部から流出する。蒸発したガスは容器から取り出され、蒸発しなかった液体は容器に戻される。これにより、容器底部から取り出される酸素富化液体空気の窒素濃度は、供給される酸素富化液体空気より小さくなり、容器から取り出される蒸発ガスの窒素濃度は増加する。このように液溜式では供給された酸素富化液体空気を成分分離することが可能である。【０００５】
しかし、液溜式では容器内の酸素富化液体空気を取り出すため、蒸発ガスの窒素量は、ドライ式に比べて、少なくなる。この蒸発ガスを原料空気の一部として、または第２の蒸留塔の原料として用いても窒素の回収率を改善することはできない。
このような問題を解決するためには多段液溜式凝縮蒸発器の利用が考えられる。例えば特許文献１は、複数段に仕切られた蒸発通路と、その通路に供給及び流出する液体を溜める液溜部とを具備する多段液溜式凝縮蒸発器を開示する。【０００６】
この特許文献１が開示する多段液溜式凝縮蒸発器の作用は以下の通りである。
段数が２の蒸発区域を有する多段液溜式凝縮蒸発器の最上段の液溜部に酸素富化液体空気を供給すると、液溜部に貯留された酸素富化液体空気は下方にある蒸発導入流路から蒸発通路に流入し、液溜部内と蒸発通路内とで液面が同一高さになる。
この状態で凝縮通路に窒素ガスが通過すると、熱交換が行われ、酸素富化液体空気の一部が蒸発して気液二相となり、サーモサイフォン効果によって上昇流が生じ、上方にある蒸発流出流路から気液二相で導出される。導出されたガスは液溜部の蒸発ガス取出口から取り出される。一方、蒸発しなかった液体は液溜部にもどり、液溜部と蒸発通路との間で循環流が形成される。この際の蒸発と循環とにより、蒸発したガスの窒素濃度は増加し、液溜部に貯留される酸素富化液体空気の窒素濃度は減少する。【０００７】
液溜部の液面が、連通導入流路の液面の高さ以上になると、窒素濃度が減少した酸素富化液体空気は連通導入流路から連通流路に流入して連通流出流路から導出されて、一つ下段の液溜部に貯留される。この段でも同様に酸素富化液体空気の蒸発と循環とが行われ、上段よりも窒素濃度が低いガスが取り出される。このように窒素濃度が異なる２種類のガスが製造できる。窒素濃度が高い蒸発ガスを原料空気の一部として、または第２の蒸留塔の原料として用いることで窒素の回収率を高めることができる。【０００８】
しかしながら、最下段の液溜部に貯留される酸素富化液体空気の窒素濃度は約３０％以下となる。この窒素濃度の低下は酸素富化液体空気の沸点を上昇させる。このため、最下段の蒸発通路を流れる流体と、凝縮通路を流れる窒素との温度差が小さくなる。そのため、最下段での前記温度差を大きくすることが望まれる。
また、多段液溜式凝縮蒸発器をコンパクトにするために、最上段の液溜部に供給する酸素富化液体空気の圧力を下げると、窒素を製造するための動力が増加するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第６０８７３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、動力を増加させることなく、２種類の組成の異なるガスを製造できるコンパクトな多段液溜式凝縮蒸発器、及び前記多段液溜式凝縮蒸発器を用いた、窒素を製造するための動力を増加させることない、窒素製造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】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するために、以下の多段液溜式凝縮蒸発器および多段液溜式凝縮蒸発器を用いた窒素製造装置を提供する。
（１）ガスが通流して凝縮する上下に連通した凝縮通路と、
前記ガスと熱交換して蒸発する液体が通流する上下に複数段に仕切られた蒸発通路と、
最下段を除く各段の蒸発通路に対応して設けられ、前記蒸発通路に液体を供給及び前記蒸発通路から流出する液体を溜めて各段の蒸発通路で前記液体を循環させるための循環液溜部と、  
前記循環液溜部の液体を上段の循環液溜部から下段の循環液溜部に流すための連通通路と、
最下部の循環液溜部の液体を最下段液溜部に流すための最下段連通通路とを備え、
前記凝縮通路と前記蒸発通路とが積み重ねられて熱交換部を構成し、
前記熱交換部によって熱交換器コアが形成され、
前記循環液溜部が、前記積み重ね方向と直交する前記熱交換器コアの幅方向の少なくとも片側の側面に前記蒸発通路の段数に対応して形成されていることを特徴とする多段液溜式凝縮蒸発器において、
最下段の蒸発通路に供給される液体を循環させることなく溜める最下段液溜部と、
最下段の蒸発通路から流出する流体を収集して前記最下段液溜部に戻すことなく外部に排出させる流体収集部とをさらに具備することを特徴とする多段液溜式凝縮蒸発器。【００１２】
（２）前記（１）に記載の多段液溜式凝縮蒸発器であって、
前記循環液溜部に流入した蒸発ガスを取り出すための蒸発ガス取出口と、
最上段の循環液溜部に外部から液体を導入するための液体導入口と、
前記最下段液溜部に流入した液体を取り出すための液体取出口とをさらに備えたことを特徴する多段液溜式凝縮蒸発器。【００１３】
（３）前記（１）に記載の多段液溜式凝縮蒸発器であって、
前記循環液溜部に流入したガスを集めると共に前記最下段液溜部を兼ねる気液捕集容器を備え、前記気液捕集容器が、最上段の前記循環液溜部に外部から液体を導入する液体導入口と、集められた蒸発ガスを取り出すための蒸発ガス取出口と、溜められた液体を取り出すための液体取出口とを具備することを特徴とする請求項１記載の多段液溜式凝縮蒸発器。【００１４】
（４）前記（２）又は（３）に記載の多段液溜式凝縮蒸発器であって、
前記液体取出口を経て取り出された液体を最下段の蒸発通路に供給する導管と、前記導管に設けられた減圧器とをさらに有することを特徴とする多段液溜式凝縮蒸発器。【００１５】
（５）前記（２）〜（４）記載の多段液溜式凝縮蒸発器であって、
熱交換器コアは熱交換部と液体連通部から形成され、前記液体連通部は、前記連通通路と、前記最下段連通通路とを具備し、前記熱交換部をなす、前記凝縮通路と、前記蒸発通路との積み重ね方向において、熱交換部の少なくとも片側に設けられることを特徴とする多段液溜式凝縮蒸発器。
（６）多段液溜式凝縮蒸発器と、酸素、窒素及びアルゴンの混合流体を低温蒸留によって分離する第一の蒸留塔および第二の蒸留塔と、膨張タービンとを具備する窒素製造装置であって、
上記多段液溜式凝縮蒸発器が、前記（２）〜（５）のいずれかに記載の多段液溜式凝縮蒸発器であり、
第一の蒸留塔の上部からの窒素ガスの少なくとも一部を、前記多段液溜式凝縮蒸発器の窒素ガス導入管に導入するための導管と、
前記多段液溜式凝縮蒸発器の凝縮通路からの液体窒素を、前記第一の蒸留塔の上部に還流液として導入する導管と、
前記第一の蒸留塔の下部からの酸素富化液体空気の少なくとも一部を、前記多段液溜式凝縮蒸発器の液体導入口に導入するための導管と、
前記流体収集部を経て取り出したガスの少なくとも一部を寒冷発生源として膨張タービンに導入する導管と、
前記蒸発ガス取出口を経て取り出したガスの一部を第２の蒸留塔の原料として導入する導管とをさらに具備することを特徴とする窒素製造装置。【００１６】
（７）多段液溜式凝縮蒸発器と、酸素、窒素及びアルゴンの混合流体を低温蒸留によって分離する蒸留塔と、膨張タービンとを具備する窒素製造装置であって、
前記多段液溜式凝縮蒸発器が前記（２）乃至（５）のいずれかに記載の多段液溜式凝縮蒸発器であり、
前記蒸留塔の上部からの窒素ガスの少なくとも一部を前記多段液溜式凝縮蒸発器の窒素ガス導入管に導入するための導管と、
前記多段液溜式凝縮蒸発器の凝縮通路からの液体窒素を、前記蒸留塔の上部に還流液として導入するための導管と、
前記蒸留塔の下部からの酸素富化液体空気を前記多段液溜式凝縮蒸発器の液体導入口に導入するための導管と、
前記流体収集部を経て取り出したガスの少なくとも一部を、寒冷発生源として膨張タービンに導入するための導管と、
前記蒸発ガス取出口を経て取り出したガスの一部を、原料空気の一部として前記蒸留塔に導入するための導管とをさらに具備することを特徴とする窒素製造装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る多段液溜式凝縮蒸発器は、最下段の蒸発通路に供給される液体を循環させることなく溜める最下段液溜部と、最下段の蒸発通路から流出する流体を収集して前記最下段液溜部に戻すことなく外部に排出させる流体収集部とを具備する。このため、最下段液溜部では、液体が循環しないので、従来例のように液体中の窒素濃度が低下することがない。液体が循環する場合と比較して、最下段の蒸発領域における流体の温度と、凝縮通路を流れる窒素と、の温度差を大きくすることができる。これにより、２種類の組成の異なるガスを製造する多段液溜式凝縮蒸発器のコンパクト化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る多段液溜式凝縮蒸発器の一部を透視して示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る熱交換器コアを構成する各通路の説明図である。
【図３】本発明の効果を説明するための説明図であって、本発明の多段液溜式凝縮蒸発器が２段である場合の酸素富化液体空気の温度変化を示すグラフである。
【図４】従来の２段液溜式凝縮蒸発器における酸素富化液体空気の温度変化を示すグラフである。
【図５】循環液溜部に蒸発ガスを取り出すための蒸発ガス取出口と、外部から液体を導入するための液体導入口と、最下段液溜部の液体を取り出すための液体取出口とを備えた多段液溜式凝縮蒸発器での流体の出入りを示す図である。
【図６】気液捕集容器を備えた多段液溜式凝縮蒸発器での流体の出入りを示す図である。
【図７】図５に示した多段液溜式凝縮蒸発器において、最下段液溜部の液体を減圧する構成を説明するための図である。
【図８】図６に示した多段液溜式凝縮蒸発器において、最下段液溜部の液体を減圧する構成を説明するための図である。
【図９】本発明の多段液溜式凝縮蒸発器が４段である場合の熱交換器コアを構成する各通路の説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態である、多段液溜式凝縮蒸発器を用いた窒素製造装置を示す概略図である。
【図１１】本発明の他の実施形態である、多段液溜式凝縮蒸発器を用いた窒素製造装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（多段液溜式凝集蒸発器）
本実施形態の多段液溜式凝縮蒸発器１は、図１に示すように、熱交換部３と、熱交換部３の積み重ね方向の両側面に設けられた２つの液体連通部５とを備えた熱交換器コア７と、熱交換部３の積み重ね方向と直行する熱交換器コア７の幅方向（以下単に「熱交換器コアの幅方向」とする）の片側に形成された複数段の循環液溜部９と、熱交換器コア７の下端部に設けられた最下段液溜部１１と、最下段の蒸発通路１７から流出する流体を収集して最下段液溜部１１に戻すことなく外部に排出させる流体収集部１３とを備えている。
なお、熱交換部３の積み重ね方向とは、熱交換部３をなす、凝縮通路１５と、前期蒸発通路１７とを積み重ねた方向を意味し、一方の液体連通部５と、前記熱交換部３と、他方の液体連通部５とを積み重ねた方向でもある。
また、上記熱交換器コアの幅方向とは、前記積み重ね方向と直交する方向であり、かつ積み重ね方向と、コアの幅方向とがなす平面は、多段液溜式凝縮蒸発器の垂直方向に対して水平な面を形成する。
以下、各構成を詳細に説明する。なお、以下の説明では、多段液溜式凝縮蒸発器１が、窒素ガスと、酸素富化液体空気とを熱交換させて、窒素ガスを凝縮するとともに酸素富化液体空気を蒸発させる窒素製造装置の凝縮蒸発器として用いられる場合を例に挙げて説明する。
【００２０】
＜熱交換部＞
熱交換部３は、酸素富化液体空気と、窒素ガスとをその内部に流通させ、互いに熱交換させて、窒素ガスを凝縮させるとともに酸素富化液体空気を蒸発させる。熱交換部３は、凝縮通路１５と、蒸発通路１７とが隣接して積層されることで形成されている。本実施形態における熱交換部３は、図１に示すように、３層の凝縮通路１５と、４層の蒸発通路１７とを積層して形成されている。
【００２１】
凝縮通路１５と、蒸発通路１７とは、特許文献１に開示された多段液溜式凝縮蒸発器と同様に、プレート（チューブプレート）と、フィン（コルゲートフィン）と、サイドバー等を積層して形成される、いわゆるプレートフィン型のものである。
凝縮通路１５は、縦向きのフィンを用いて形成されており、図１、図２に示すように、流路が熱交換器コア７の上端面から下端面に亘って連通するように形成されている。窒素ガスは、凝縮通路１５の上端から流入して、凝縮通路１５内部を通過する間に冷却されて、下端から液体窒素として取り出される。熱交換器コア７の下端には、凝縮通路１５で凝縮された液体窒素を取り出すための液体窒素取出管（図示なし）が設けられている。
【００２２】
蒸発通路１７は、図１及び図２に示すように、第１蒸発区域〜第３蒸発区域の３つの蒸発区域ごとに独立して設けられており、熱交換器コア７の幅方向に沿って配置されたフィン（横向きのフィン）と、横向きのフィンに連通するように縦向きのフィンとを配置することで形成されている。
循環液溜部９に貯留された酸素富化液体空気は、図２に示すように、下部の横向きフィンである蒸発導入流路１７ａから流入し、縦向のフィンに沿って蒸発しながら上昇し、気液２相流体の状態で上部の横向きフィンである蒸発流出流路１７ｂを通って循環液溜部９に戻される。
また、最下段液溜部１１に貯留されている酸素富化液体空気は、最下段の蒸発通路１７を蒸発しながら上昇し、ほぼ全部が蒸発して蒸発ガスとなって流体収集部１３に収集されて、外部に取り出される。
【００２３】
なお、熱交換器コア７の上端には、図１に示すように、複数の凝縮通路１５に窒素ガスを分配して供給するための窒素ガスヘッダ１９が設けられており、窒素ガスヘッダ１９には窒素ガス導入管１９ａが設けられている。
【００２４】
＜液体連通部＞
液体連通部５は、循環液溜部９の液体を上段の循環液溜部９から下段の循環液溜部９に流すための連通通路２１と、最下部の循環液溜部９の液体を最下段液溜部１１に流すための最下段連通通路２３とを具備する。液体連通部５は、プレートとフィンとで形成され、熱交換部３の積み重ね方向における熱交換部３の両側面に設けられている。
連通通路２１は、図１に示すように、熱交換部３の側面に形成され、最下段連通通路２３はさらにその外側に形成されている。
なお、図２中、液体連通部には、合計３か所、二重線が付されている。この二重線は液体がそこを通過しないことを意味する。
また、本実施形態の液体連通部は、熱交換器コア７の積み重ね方向の両側にプレートとフィンによって形成された液体連通部によって構成されているが、本発明における液体連通部は熱交換器コアと一体的に設けることは必須ではない。熱交換器コアとは別に、例えば、各循環液溜部９、最下段液溜部１１を連結するパイプ等によって形成しても良い。
【００２５】
連通通路２１は、最上段の循環液溜部９の液体を第２段目の循環液溜部９に流すための通路である。最下段連通通路２３は、最下部の循環液溜部９、すなわち本例では２段目の循環液溜部９の液体を最下段液溜部１１に流すための通路である。
【００２６】
＜循環液溜部＞
循環液溜部９は、最下段を除く各段の蒸発通路１７に対応して設けられる。循環液溜部９は、蒸発通路１７に液体を供給、及び前記蒸発通路１７から流出する液体を溜めて各段の蒸発通路１７で液体を循環させる。
循環液溜部９は、熱交換器コア７の幅方向の片側又は両側に設けられている。
本実施形態の循環液溜部９には、蒸発ガス取出口９ａが設けられている。
また、最上段の循環液溜部９には、外部から酸素富化液体空気を導入するための液体導入口２５が設けられている。
【００２７】
＜最下段液溜部＞
最下段液溜部１１は、最下段の蒸発通路１７に液体を供給するためのものであり、最下段の蒸発通路１７から最下段液溜部１１には液体は戻らない。最下段液溜部１１は、熱交換器コア７の下端部に設けられている。最下段液溜部１１には、外部に液体を取り出すための液体取出口２７が設けられている。
【００２８】
＜流体収集部＞
流体収集部１３は、最下段の蒸発通路１７から流出する流体（主として蒸発ガス）を収集して最下段液溜部１１に戻すことなく外部に排出させるものであり、流体収集部１３には流体排出口１３ａが設けられている。
特許文献１に開示の多段液溜式凝集蒸発器は、最下段の液溜部を含んで全ての液溜部で液体が循環しており、全ての循環液溜部に蒸発ガス取出口が設けられている。
これに対して、本実施形態においては、最下段液溜部１１は液体を循環させないので、蒸発ガスを収集することができない。このため、第３蒸発区域には、最下段液溜部１１とは別に独立した流体収集部１３を設けている。
【００２９】
〔動作説明〕
前記構成を有する多段液溜式凝縮蒸発器１を用いて窒素ガスと酸素富化液体空気とを熱交換する方法を、多段液溜式凝縮蒸発器１の動作と共に説明する。
外部から酸素富化液体空気が液体導入口２５を介して最上段の循環液溜部９に供給され、貯留される。下段の循環液溜部９には連通通路２１を介して酸素富化液体空気が供給され、貯留される。最下段液溜部１１には最下段連通通路２３を介して酸素富化液体空気が供給されて貯留される。
他方、窒素ガスが窒素ガスヘッダ１９を介して凝縮通路１５に導入される。
【００３０】
循環液溜部９に貯留された酸素富化液体空気は、ヘッド圧によって蒸発通路１７内に流入して、循環液溜部９内と蒸発通路１７内とで液面が同一高さになる。最下段液溜部１１においても、酸素富化液体空気が貯留され、その液面は蒸発通路１７の所定の高さに至る。
この状態で窒素ガスが凝縮通路１５内を通過すると、前記窒素ガスと、蒸発通路１７内の酸素富化液体空気とで熱交換が行われ、酸素富化液体空気の一部が蒸発気化して蒸発ガスとなり、蒸発通路１７内の酸素富化液体空気は気液混合状態（気液２相流体）となる。蒸発通路１７内の気液混合状態の酸素富化液体空気と、循環液溜部９内の酸素富化液体空気との密度に差が生じ、蒸発通路１７内で上昇流が発生し、蒸発流出流路１７ｂから気液２相流体が流出される。流出された蒸発ガスは、循環液溜部９の蒸発ガス取出口９ａから取り出される。蒸発しなかった酸素富化液体空気は循環液溜部９に戻り、循環液溜部９と蒸発通路１７との間で循環流が形成される（サーモサイフォン作用）。その際、取り出される蒸発ガスの窒素濃度は、外部から供給される酸素富化液体空気の窒素濃度よりも高く、蒸発流路に導入される循環流の窒素濃度よりも高い。
【００３１】
最下段液溜部１１では、循環流が生じないので、蒸発通路１７を上昇した流体は流体収集部１３に収集されて、流体排出口１３ａから外部へと排出される。
このように、最下段液溜部１１では液体の循環が生じないので、蒸発通路１７を上昇する流体の窒素濃度が低下することがなく、凝縮通路１５を流れる窒素との温度差を従来例よりも大きくすることができる。
【００３２】
循環液溜部９では、循環液溜部９の液面が、連通通路２１への導入口の高さ以上になると、酸素富化液体空気は連通通路２１に流入して、下段の循環液溜部９に貯留される。
同様に、最下部の循環液溜部９においても、その液面が最下段連通通路２３への導入口の高さ以上になると、酸素富化液体空気は最下段連通通路２３に流入して、最下段液溜部１１に貯留される。
【００３３】
一方、窒素ガスは、凝縮通路１５を通過する間、隣接する蒸発通路１７内の酸素富化液体空気と熱交換をし、凝縮（液化）されて凝縮通路１５の下端から流下し、液体窒素取出管を介して取り出される。
【００３４】
特許文献１（特許第６０８７３２６号公報）が開示する多段液溜式凝縮蒸発器では、最下段を含めて全ての液溜部にて液体が、蒸発通路１７の入口と出口との間を循環している。これに対して本実施形態の多段液溜式凝縮蒸発器では、最下段蒸発通路から最下段液溜部１１に液体を流入させない、つまり液体を循環させない。最下段はドライ式と同様の構造になっている。酸素富化液体空気は、最下段連通通路２３を経て最下段液溜部１１に供給され、底部に開口をもつ蒸発通路１７に流入し、完全に蒸発して、流体収集部１３に流出し、抜き出される。
このように、最下段液溜部１１では、酸素富化液体空気が循環することがないので、窒素濃度が低下することがない。このため、循環する場合に比較して凝縮通路を流れる窒素と、酸素富化液体空気との温度差を大きくすることができる。
【００３５】
図３は、２段の蒸発区域を有する多段液溜式凝縮蒸発器のＱＴ線図である。窒素ガスは頂部から露点で流入し、凝縮して底部から沸点で流出する。露点と沸点との差はほとんどないので、温度は一定である。なお、以下の説明では、図１に示した３段の多段液溜式凝縮蒸発器と同一部分には同一の符号を付す。
酸素富化液体空気は、窒素濃度６１％で第１蒸発区域の循環液溜部９に流入し、蒸発通路１７に下部から流入して、蒸発しながら温度がわずかに増加して上昇し、気液二相で循環液溜部９に流入する。流入したガスは蒸発ガス取出口９ａから取り出される。一方、液体は循環液溜部９に戻される。その結果、取り出されたガス（窒素富化ガス）の窒素濃度は６７％に増加し、循環液溜部９の酸素富化液体空気の窒素濃度は４５％に減少する。
【００３６】
循環液溜部９の液体は、最下段連通通路２３を経て最下段液溜部１１に供給される。次いで、第２蒸発区域の底部に開口をもつ蒸発通路１７に流入し、完全に蒸発して流体収集部１３を経て取り出される。よって、取り出されるガス（酸素富化ガス）の窒素濃度は、循環液溜部９の酸素富化液体空気の窒素濃度４５％に等しい。また、第２蒸発区域の蒸発通路１７の温度は、底部では循環液溜部９の酸素富化液体空気温度に等しく、蒸発にともない露点まで上昇する。
【００３７】
一方、従来の凝縮蒸発器では、図４に示すように、第２蒸発区域では蒸発と循環とにより、蒸発通路１７の下部から供給される酸素富化液体空気の窒素濃度は、２４％に減少する。沸点が上昇するために温度が上昇し、凝縮通路を流れる窒素との温度差が小さくなっている。
【００３８】
図５は、循環液溜部９に、蒸発ガス（GAir:窒素富化ガス）を取り出すための蒸発ガス取出口と、外部から液体（LAir:酸素富化液体空気）を導入するための液体導入口と、最下段液溜部１１の液体を取り出す（Purge:パージ）ための液体取出口とを備えた多段液溜式凝縮蒸発器での流体の出入りを示す図である。
また、図６は、循環液溜部９に流入したガスを集めると共に最下段液溜部１１を兼ねる気液捕集容器２９と、気液捕集容器に集められた蒸発ガス（GAir）を取り出すための蒸発ガス取出口と具備し、上記気液捕集容器２９が気液捕集容器に溜められた液体を取り出す（Purge）ための液体取出口と、循環液溜部９に液体（LAir）を導入する液体導入口とを備えた多段液溜式凝縮蒸発器での流体の出入りを示す図である。図６の多段液溜式凝縮蒸発器では、循環液溜部９に蒸発ガス取出し口９aが設けられていない。循環液溜部９をなす側壁の上端は蒸発通路１７に接していない。このため、蒸発通路１７からのガスは、循環液溜部１９の開口上部から直接気液捕集容器２９に導入される。
【００３９】
なお、最下段液溜部の液体取出口を経て取り出された液体を減圧して最下段の蒸発通路１７に供給するようにしてもよい。
図７は、図５に示した多段液溜式凝縮蒸発器において最下段液溜部の液体取出口を経て取り出された液体を減圧して最下段の蒸発通路１７に供給する場合を示す。図７に示すように、液体取出口２７と、最下段の蒸発通路１７入口とを結ぶ配管３１を設け、この配管３１に減圧弁３３を設置する。また、第２蒸発区域の蒸発通路には、第１蒸発区域の蒸発通路と同様に、下部に横向きフィンである蒸発導入流路、縦向きのフィン及び上部に横向きフィンである蒸発流出流路を配置するようにする。
図８は、図６に示した多段液溜式凝縮蒸発器において、気液捕集容器の液体取り出し口を経て取り出された液体を減圧して最下段の蒸発通路１７に供給する場合を示す。図８に示すように、気液集約容器の液体取出口からの配管３１に減圧弁３３を設置している。図８において、図７と同一部分には同一の符号を付してある。
【００４０】
なお、図１および図２に示した蒸発領域は３段で段数が奇数のものであったが、蒸発領域が４段の偶数の場合の熱交換器コア７を構成する各通路を図９に示す。図９において、図２と同一部分には同一の符号が付してある。
【００４１】
次に、前記多段液溜式凝縮蒸発器１を用いた窒素製造装置について説明する。
（窒素製造装置）
＜第一実施形態＞
空気から窒素を製造する窒素製造装置の凝縮蒸発器として、前記多段液溜式凝縮蒸発器１を用いた例を図１０に示す。
この実施形態の窒素製造装置３５は、図６に示した気液捕集容器２９を具備する多段液溜式凝縮蒸発器１を具備する。
本実施形態の窒素製造装置３５は、流体収集部１３から流体排出口１３ａを経て取り出したガスの少なくとも一部を寒冷発生源として利用し、循環液溜部９の開口上部を経て蒸発ガス取出口９ａから取り出したガスの一部を第二の蒸留塔４９の原料として利用する。
【００４２】
以下、本実施形態の窒素製造装置３５について、図１０をもとに具体的に説明する。
原料空気圧縮機３７で所定の圧力まで昇圧された原料空気は、前処理設備３９で原料空気中の二酸化炭素、水蒸気及び微量の他の不純物が除去される。
【００４３】
不純物が除去された原料空気は、主熱交換器４１で、後述する低温ガスにより冷却され、第一端（一端）が原料空気圧縮機３７に接続し、第二端部（他端）が蒸留塔４３の下部に接続する導管５７により蒸留塔４３に導入される。前記原料空気は、蒸留塔４３を上昇し、後述する下降液との蒸留により、蒸留塔４３上部では窒素成分が濃縮され、蒸留塔４３下部では酸素成分が濃縮された酸素富化液体空気が採取される。
【００４４】
窒素成分が濃縮された窒素ガスは、蒸留塔４３の上部に第一端が接続する導管５９から抜き出され、その一部は導管６１から主熱交換器４１に導入され、原料空気との熱交換により昇温され導管６３より製品窒素ガスとして採取される。
一方、上記導管５９から抜き出された残りの窒素成分が濃縮された窒素ガスは、第一端が導管５９に接続し、第二端が多段液溜式凝縮蒸発器１の窒素ガスヘッダ１９に設けられた窒素ガス導入管１９ａに接続する導管６５を介して、多段液溜式凝縮蒸発器１の凝縮通路１５に導入され、後述する酸素富化液体空気との熱交換によって凝縮される。次いで、凝縮された液体窒素は、第一端が液体排出口２７に接続し、第二端が蒸留塔４３の上部に接続する導管６７から蒸留塔４３に導入され、蒸留塔４３の下降液となる。
【００４５】
第一の蒸留塔４３下部の酸素富化液体空気の大部分は、第一端が蒸留塔４３の塔底に接続し、第二端が減圧弁４５に接続する導管６９に導出され、減圧弁４５で減圧される。次いで、第一端が減圧弁４５に接続し、第二端が多段液溜式凝縮蒸発器１の液体導入口２５に接続する導管７１から多段液溜式凝縮蒸発器１に導入される。多段液溜式凝縮蒸発器１に導入された酸素富化液体空気は、前述の窒素ガスとの熱交換によって気化する。そして、その一部、すなわち最下段蒸発通路１７から流体収集部１３で収集された窒素濃度が低いガスは、第一端が流体収集部１３の流体排出口１３ａに接続し、第二端が膨張タービン４７に接続する導管７３から、寒冷発生源用の廃ガスとして導出され、主熱交換器４１で昇温された後、膨張タービン４７に導入される。
膨張タービン４７で装置に必要な寒冷を発生させた前記廃ガスは、導管７５により、主熱交換器４１に導入され、原料空気を冷却し、常温となる。
【００４６】
多段液溜式凝縮蒸発器１に導入された酸素富化液体空気の液体以外の成分、すなわち上部が開放された循環液溜部９の開口上部からの蒸発ガスは一旦気液捕集容器２９内に導入され、第一端が気液捕集容器２９の上部に設けられた蒸発ガス取出し口９ａに接続し、第二端が第二の蒸留塔４９の下部に接続する導管７７から、窒素濃度が高い窒素回収率改善用の排ガスとして導出され、原料ガスとして第二の蒸留塔４９の下部に導入される。
第二の蒸留塔４９の下部に導入された前記ガスは、第二の蒸留塔４９を上昇し、後述する下降液との蒸留により、第二の蒸留塔４９上部では窒素成分が濃縮され、第二の蒸留塔４９下部では酸素成分が濃縮された酸素富化液体空気が採取される。
【００４７】
窒素成分が濃縮された窒素ガスは、第一端が第二の蒸留塔４９の上部に接続し、第二端が後述する導管８１に接続する導管７９から抜き出される。次いで、その一部は、導管８１を介して主熱交換器４１に導入される。そこで、原料空気との熱交換により昇温され導管８３より第二の製品窒素ガスとして採取される。
【００４８】
一方、前記導管７９から抜き出された窒素成分が濃縮された残りの窒素ガスは、前記導管７９から分岐した導管８５を介して、凝縮蒸発器５１に導入され、後述する酸素富化液体空気との熱交換によって凝縮される。次いで、第一端が前記凝縮蒸発器５１と接続し、第二端が前記第二の蒸留塔４９の上部に接続する導管８７から第二の蒸留塔４９に導入され、第二の蒸留塔４９の下降液となる。
第二の蒸留塔４９の下部に存在する酸素富化液体空気は、第一端が前記第二の蒸留塔４９の塔底と接続し、第二端が減圧弁５３に接続する導管８９に導出される。減圧弁５３で減圧される。その後、酸素富化液体空気は、第一端が減圧弁５３に接続し、第二端が前記凝縮蒸発器５１に接続する導管９１から凝縮蒸発器５１に導入される。凝縮蒸発器５１に導入された酸素富化液体空気は、前述の窒素ガスとの熱交換によって気化した後、導管９３を介して、前述の膨張タービン４７からの廃ガスに合流する。
第二の蒸留塔４９に必要な寒冷の一部として、第一端が蒸留塔４３の塔底に接続する導管９５を介して導出される酸素富化液体空気の一部が用いられる。
【００４９】
この実施形態では、蒸留塔４３下部の酸素富化液体空気の一部が、多段液溜式凝縮蒸発器１によって、窒素組成が多い排ガスとなり、第二の蒸留塔４９の原料ガスとして供給されるので、第二の蒸留塔４９の窒素回収率が改善される。
【００５０】
＜第二実施形態＞
以下、本実施形態の窒素製造装置を図１１に基づいて具体的に説明する。なお、図１１において、図１０と同一部分には同一の符号を付してある。
この実施形態の窒素製造装置５６は、図８に示した気液捕集装置２９を具備する多段液溜式凝縮蒸発器を具備する。
本実施形態の窒素製造装置５６は、流体収集部１３から流体排出口１３ａを経て取り出したガスの少なくとも一部を寒冷発生源として利用し、循環液溜部９の開口上部を経て蒸発ガス取出口９ａから取り出したガスの一部を原料空気の一部として利用する。
【００５１】
原料空気圧縮機３７で所定の圧力まで昇圧された原料空気は、前処理設備３９で原料空気中の二酸化炭素、水蒸気及び微量の他の不純物が除去される。
不純物が除去された原料空気は、主熱交換器４１で、後述する低温ガスにより冷却され、第一端が原料空気圧縮機３７に接続し、第二端部（他端）が蒸留塔４３の下部に接続する導管５７より蒸留塔４３に導入される。前記原料空気は、蒸留塔４３を上昇し、後述する下降液との蒸留により、蒸留塔４３上部では窒素成分が濃縮され、蒸留塔４３下部では酸素成分が濃縮された酸素富化液体空気が採取される。
【００５２】
窒素成分が濃縮された窒素ガスは、蒸留塔４３の上部に第一端が接続する導管５９から抜き出され、その一部は導管６１から主熱交換器４１に導入され、原料空気との熱交換により昇温され導管６３より製品窒素ガスとして採取される。
一方、上記導管５９から抜き出された残りの窒素成分が濃縮された窒素ガスは、第一端が導管５９に接続し、第二端が多段液溜式凝縮蒸発器１の窒素ガスヘッダ１９に設けられた窒素ガス導入管１９ａに接続する導管６５を介して、多段液溜式凝縮蒸発器１に導入される。次いで、後述する酸素富化液体空気との熱交換によって凝縮される。凝縮された液体窒素は、第一端が液体排出口２７に接続し、第二端が蒸留塔４３の上部に接続する導管６７から蒸留塔４３に導入され、蒸留塔４３の下降液となる。
【００５３】
蒸留塔４３下部の酸素富化液体空気は、第一端が蒸留塔４３の塔底に接続し、第二端が減圧弁４５に接続する導管６９に導出され、減圧弁４５で減圧される。次いで、第一端が減圧弁４５に接続し、第二端が多段液溜式凝縮蒸発器１の液体導入口２５に接続する導管７１から、循環液溜部９の開口上部を介して、多段液溜式凝縮蒸発器１に導入される。多段液溜式凝縮蒸発器１に導入された酸素富化液体空気は、前述の窒素ガスとの熱交換によって最上段の蒸発通路１７にてその一部が気化する。蒸発しなかった酸素富化液体空気は最下段連通通路２３を経て、最下段液溜部１１を兼ねた気液捕集容器２９に貯留される。貯留された酸素富化液体空気は、気液捕集容器２９の底部に設けられた導管を通過し、減圧弁３３にて減圧されて最下段の蒸発通路１７に供給され、完全に気化する。次いで、流体収集部１３を経て、第一端が流体排出口１３ａに接続し、第二端が膨張タービン４７に接続する導管７３から、窒素濃度が低い寒冷発生源用の廃ガスとして導出される。導出された廃ガスは、主熱交換器４１で昇温された後、膨張タービン４７に導入され、装置に必要な寒冷を発生させた後、導管７５により、主熱交換器４１に導入され、原料空気を冷却し、常温となる。
【００５４】
多段液溜式凝縮蒸発器１に導入された酸素富化液体空気の液体以外の成分、すなわち循環液溜部９の開口上部から取り出されるガスは、第一端が気液捕集容器２９の上部に設けられた蒸発ガス取出し口９ａに接続する導管７７から、窒素組成が多い窒素回収率改善用の排ガスとして導出され、膨張タービンブロワ５５で昇圧された後、原料空気に導入され、蒸留塔４３の原料ガスの一部となる。
【００５５】
この実施形態では、蒸留塔４３下部の酸素富化液体空気の一部が、多段液溜式凝縮蒸発器１によって、窒素組成が多い排ガスとなり、蒸留塔４３の原料ガスとして循環するプロセスである。よって、見かけ上の原料空気が増加するので、蒸留塔４３の窒素回収率が改善される。
【符号の説明】
【００５６】
１  多段液溜式凝縮蒸発器
３  熱交換部
５  液体連通部
７  熱交換器コア
９  循環液溜部
９ａ  蒸発ガス取出口
１１  最下段液溜部
１３  流体収集部
１３ａ  流体排出口
１５  凝縮通路
１７  蒸発通路
１７ａ  蒸発導入流路
１７ｂ  蒸発流出流路
１９  窒素ガスヘッダ
１９ａ  窒素ガス導入管
２１  連通通路
２３  最下段連通通路
２５  液体導入口
２７  液体取出口
２９  気液捕集容器
３１  配管
３３  減圧弁
３５  窒素製造装置
３７  原料空気圧縮機
３９  前処理設備
４１  主熱交換器
４３  蒸留塔
４５  減圧弁
４７  膨張タービン
４９  第二の蒸留塔
５１  凝縮蒸発器
５３  減圧弁
５５  膨張タービンブロワ
５６  窒素製造装置
５７〜９５  導管
【図１】
2020158734.tif 000003
【図２】
2020158734.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2020158734.tif 000015
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