粗アルゴン塔

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粗アルゴン凝縮器の動作原理分析と操作方法　粗アルゴン凝縮器はアルゴン抽出装置における重要な部品の一つであり、その操作が適切かどうかは、粗アルゴンの生産量と品質に直接的な影響を与えます。重症の場合、空気分離装置の精留動作の安定性にまで影響を及ぼすことがある。 実際の運用において、粗アルゴン凝縮器の熱負荷を高めるため、つまり粗アルゴン塔の抵抗を高めるために、液空液面を上昇させる方法がよく用いられる。この方法は、粗アルゴン凝縮器の液空液面が低い場合には有効だが、ある程度の高さまで上昇した後にさらに液面を高くしても、粗アルゴン塔の抵抗は増加せず、むしろ低下する。なぜこのような現象が起こるのでしょうか？実際、業氩冷凝器の動作原理と構造的特徴を分析すれば、この現象がなぜ起こるのかを理解するのは難しくありません。 一、粗アルゴン凝縮器の動作原理　業用アルゴン凝縮器は、主凝縮蒸発器と比較して、構造上類似点がある。単に、粗アルゴン凝縮器側の媒体は液体窒素で、凝縮側の媒体は粗アルゴン1です。粗アルゴンが得た冷却量によって凝縮され、同時に液体窒素が蒸発する。蒸発側の液体空気は、一定の循環倍率でその流路内を流動しており、つまり流路内には大量の液体空気が循環していて、加熱されて気化するのはそのごく一部に過ぎない。図の通りです。通常、液体の循環量と気化量は7～10倍の関係にある。循環倍率が大きくなるほど、熱伝達強度も大きくなり、粗アルゴン凝縮器の熱負荷も増加する。これは粗アルゴン塔に影響を及ぼし、塔の抵抗を高めることになる。コンデンサの構造が一定の場合、循環倍率は主に粗アルゴンコンデンサの温度差と液体空気の液面高さという2つの要因によって影響を受ける。 二、粗アルゴン凝縮器の温度差が循環倍率に与える影響　液体酸素は蒸発チャネル内で凝縮側の粗アルゴンガスによって加熱され、熱を得て温度が上昇し、一部が気化することで比重が小さくなる。このように、チャネル内の圧力は入口部の圧力よりも低くなるため、液体と空気がチャネル内を上向きに流れる。したがって、業アルゴン凝縮器の温度差は循環倍率を生み出す前提であり、温度差がなければ液体酸素は自動的に循環しない。一方、粗アルゴン凝縮器の温度差は、主に液体窒素の組成や蒸発器内の圧力によって決まりますが、もちろん液体窒素の液面レベルの影響もあり、これについては後ほど説明します。 粗アルゴン凝縮器の蒸発側における液体空気成分は、O2含有率が60～70％の範囲で、一定の圧力下では酸素含有量に応じて異なる蒸発温度となる。液化空気の酸素含有量に影響を与える主な要因は2つある。1つは下塔の液化空気の酸素含有量で、下塔の液化空気の酸素含有量が高いほど、蒸発側の液化空気の酸素含有量も高くなり、その結果凝縮器の蒸発温度が上昇し、平均温度差が小さくなる；もう一つは液化空気のリターン量で、製品設計時には通常、液化空気の総量の2～10％をリターン用の液化空気量として考慮しています。一般的に、このパーセンテージが1ポイント増加するごとに、液体中の酸素含有量は0.3～0.4％減少し、それに伴って蒸発側の温度も下がる。これにより凝縮器の温度差を広げることができる。 液体空気の蒸発側圧力が凝縮器の蒸発温度に与える影響として、一般的には蒸発側の圧力が低いほど、凝縮器の温度差を大きくするのに有利となる。しかし、蒸発側の圧力は任意に下げることができず、粗アルゴン凝縮器から戻ってくる液体窒素の蒸気が上部塔の対応する断面で持つ圧力によって制約され、つまり一対一で対応しているのである。しかし、限られた範囲内で蒸発側の圧力を適切に上げることは可能である。つまり、一部のユーザーは、工芸品の製造時に負荷を大幅に削減するために、凝縮器の温度差を小さくし、負荷低減を図る目的で、粗アルゴン塔の設計時に液空蒸発側の圧力を適切に上げることを求めているのである。この場合、大液空蒸気が上塔に戻る配管に制御弁を取り付けることでのみ実現可能となる。 三、液空の液面高さが循環倍率に与える影響
板翅式熱交換器の液空流路内で液空が一定の倍率で循環流動するためには、凝縮器の凝縮側との間に一定の温度差を保つと同時に、適切な液空の液面高さも維持しなければならない。この液面の存在により、蒸発側の底部には一定の圧力P2が生じ、板状フィン内を流れる液体と空気の間の抵抗を克服するのである。一般的に、液体空気の液面が上昇するにつれて、液面下部の圧力P2も徐々に上昇し、液体空気の流速が速くなることで循環倍率が高まり、凝縮器の熱伝達を強化することができる。これは、粗アルゴン凝縮器の熱負荷を増加させるのに有利である。しかし、液面がある高さまで上昇すると、P2圧力の上昇により液空底部の飽和温度が上がり、蒸発側の平均温度も上昇するため、粗アルゴン凝縮器の平均温度差が狭まる。このようにして、粗アルゴン凝縮器の熱負荷が増加するどころか、むしろ減少し、深刻な場合には粗アルゴン塔の運転状態が破壊されることもある。 粗アルゴン凝縮器の動作原理や、液空の液面レベル、リフラックスされる液空の量、下塔内の液空の酸素含有量といった要因が与える影響を理解した上で、実際の運用においては、粗アルゴン凝縮器および粗アルゴン塔の運転状態を柔軟に調整することが容易になります。 まず、粗アルゴン凝縮器の蒸発側と凝縮側との間に一定の温度差が保たれていることが必要です。以下の対策を講じることができる：1. 上塔の状態をできるだけ安定させ、粗アルゴンガス中の窒素量を少なく保つ。一般的にはN2濃度を1.5％未満に抑える。 2. 下塔の運転条件を調整し、下塔の液体空気中の酸素含有量を35.5～37.5％O2の範囲に制御する。 3. 粗アルゴン凝縮器の液体窒素定流量弁を開くか閉じることにより、液体窒素蒸発側の液体窒素中の酸素含有量を調整する。 次に、調整時には、調整液の液面高さを調整する試験を行うことができます。つまり、他の運転条件が正常であることを保証した上で、液空液面を低い位置から高い位置へゆっくりと上昇させる。最初は液面が上昇するにつれて粗アルゴン塔の抵抗も同時に上昇するが、ある一定の高さに達すると、さらに液面を上げ続けると粗アルゴン塔の抵抗が低下する。この場合、粗アルゴン塔の抵抗を引き続き調整したいのであれば、前述の第1～3の方法を用いるしかない。この転換点を理解すれば、誤った操作を避けることができます。