蒸発器

蒸発器は、伝導熱伝達と対流熱伝達を利用して蒸発を促進する熱交換器の一種で、液体から蒸気への相転移に必要な熱エネルギーを提供します。蒸発器内では、循環する液体が大気圧または減圧環境にさらされ、通常の大気圧での沸騰よりも低い温度で沸騰します。

蒸発器アセンブリ の 4 つの主要コンポーネントは次のとおりです。

熱は伝導によってチューブ壁内の液体に伝達され、蒸発に必要な熱エネルギーを提供します。内部の対流も熱伝達効率に貢献します。

さまざまな用途に適した蒸発器設計があり、シェルアンドチューブ、プレート、フラッデッド蒸発器などがあり、淡水化、発電、空調などの産業プロセスでよく使用されます。プレート型蒸発器はコンパクトで、多段設計により低い熱負荷で蒸発率を高めることができます。蒸発器の全体的な性能は、熱伝達係数、チューブ/プレート材料の特性、流れの状態、達成される蒸気品質などの要因によって決まります。

オンライン汚れ検出などの高度な制御技術は、蒸発器の熱性能を長期にわたって維持するのに役立ちます。さらに、数値流体力学 (CFD) モデリングと表面コーティング技術の進歩により、熱および質量移動機能が強化され、よりエネルギー効率の高い蒸気生成が実現しています。蒸発器は、制御された相変化プロセスを通じて相を分離できるため、多くの産業にとって不可欠です。

一部のエアコンや冷蔵庫は、システム内で蒸発して冷却し、その熱エネルギーを周囲に放出する低沸点の圧縮液体を使用しています。^{[1] [2]}

蒸発器は溶液を濃縮するためによく使用されます。一例としては、練乳を作るために使用される昇降膜式/流下膜式プレート蒸発器があります。

同様に、還元（調理）は、溶液から液体を蒸発させて、ワインの還元などの「還元された」食品を製造するプロセスです。

蒸留の主なプロセスは蒸発であり、アルコールを濃縮したり、液体化学製品を分離したり、化学反応で溶媒を回収したりするために使用されます。香料およびエッセンシャルオイル業界では、蒸留を使用して化合物を精製します。各アプリケーションでは、専用の装置が使用されます。

海水の淡水化やゼロ液体排出プラントの場合、逆の目的が適用されます。蒸発により、望ましくない溶質/生成物である塩から望ましい飲料水が除去されます。 ^[3]

化学工学では多くのプロセスで蒸発を利用しています。例えば、多重効用蒸発器はクラフトパルプ製造^[4]、つまり木材から木材パルプを製造するプロセスで使用されています。

大型船は通常、真水を生成するための蒸発装置を搭載しており、陸上からの供給への依存度を減らしています。蒸気船はボイラーの水位を維持するために高品質の蒸留物を生成しなければなりません。ディーゼルエンジン船は、真水を生成するためのエネルギー源として廃熱を利用することがよくあります。このシステムでは、エンジン冷却水が熱交換器を通過し、濃縮海水によって冷却されます。化学的に処理された真水である冷却水の温度は 70～80 °C (158～176 °F) であるため、熱交換器容器内の圧力を下げない限り、水蒸気を蒸発させることはできません。

次に、塩水-空気エジェクターベンチュリ ポンプを使用して容器内に真空を作り、部分的な蒸発を実現します。次に、蒸気はデミスターを通過してから凝縮器セクションに到達します。海水が凝縮器セクションにポンプで送られ、蒸気が凝縮するのに十分な温度に冷却されます。蒸留物はトレイに集まり、そこから貯蔵タンクにポンプで送られます。塩分計が塩分濃度を監視し、塩分濃度が警報限度を超えると、蒸留物の流れを貯蔵タンクから迂回させます。蒸発器の後で滅菌が行われます。

蒸発器は通常、シェルアンドチューブ型（アトラスプラントとして知られる）またはプレート型（アルファ・ラバルが設計したタイプなど）です。温度、生産量、真空は、システムバルブを調整することで制御されます。海水温は、エンジン負荷の変動と同様に、生産量に影響する可能性があります。このため、蒸発器は海水温の変化に応じて調整され、船舶の操縦時には完全に停止します。海軍艦艇や客船などの一部の船舶では、蒸発器を使用する代わりに、逆浸透原理を使用して淡水を生成します。

蒸発、または気化は、熱力学の分野で完全に理解されている吸熱相 転移プロセスです。蒸発エンタルピーに加えて、液体の蒸気圧と周囲の圧力に密接に関係しています。

蒸発器は、同じ原理設計で動作します。熱源が液体と接触して蒸発させます。蒸気は完全に除去されるか（調理の場合など）、再利用のために保管されるか（冷蔵庫など）、分離用の製品（エッセンシャル オイル）として保管されます。

ロータリーエバポレーターは真空ポンプを使用して溶媒に低圧をかけ、同時に液体フラスコを回転させて表面積を増やし、気泡のサイズを小さくします。通常、蒸気は冷たいフィンガーまたはコイルに通されるので、蒸発した物質がポンプを損傷することはありません。ロータリーエバポレーターは、動作圧力では蒸発しない目的の製品を含む溶液から溶媒を除去し、混合物の揮発性成分を非揮発性物質から分離するのに最適です。

自然循環蒸発器は、加熱によって生じる密度差（対流）によって生じる製品の自然循環に基づいています。溶液が入っているチャンバーを加熱し、蒸発した液体を受容器に集めます。

このタイプの蒸発器は、通常、蒸気ジャケットで囲まれた 4～8 m (13～26 フィート) のチューブで作られています。このタイプの蒸発器を使用する場合、溶液の均一な分布が重要です。溶液は蒸発器に入り、下向きに流れるにつれて速度が増します。この速度の増加は、同じく下向きに流れる加熱媒体に対して蒸気が発生することに起因します。この蒸発器は通常、高粘性溶液に適用されるため、化学、砂糖、食品、発酵業界で頻繁に使用されます。

このタイプの蒸発器は溶液を濃縮するのに有用である。^{[5]その動作は}カランドリアの動作と非常によく似ており、垂直の管の外側に熱を加えることで、管内の液体を沸騰させる。生成された溶媒蒸気は液体を管の壁に押し付け、蒸気とともに上昇する薄い膜を形成する。蒸気はシステムから放出される一方、液体は蒸発器内を循環して溶質をさらに濃縮することができる。多くの場合、上昇膜蒸発器の管の高さは通常3～10メートル（9.8～32.8フィート）、直径は25～50ミリメートル（0.98～1.97インチ）である。このタイプの蒸発器のサイズを決めるには、管内の液体の実際のレベルと、蒸気と膜の流量を正確に評価する必要がある。

登り膜式および流下膜式のプレート式蒸発器は、比較的大きな表面積を持っています。プレートは通常波形で、フレームで支えられています。蒸発中、蒸気はプレート間の自由空間によって形成されたチャネルを流れます。蒸気は、濃縮された液体と平行に上昇と下降を交互に繰り返します。蒸気は液体と並流、向流の経路をたどります。濃縮物と蒸気は分離段階に送られ、蒸気は凝縮器に送られます。このタイプのプレート式蒸発器は、空間的な柔軟性があるため、乳製品や発酵産業でよく使用されます。このタイプの蒸発器の欠点は、粘性または固体を含む製品の処理能力が限られていることです。登り膜式のみで動作する他のタイプのプレート式蒸発器もあります。

シングル ステージ エバポレーターとは異なり、これらのエバポレーターは最大 7 つのエバポレーター ステージ (エフェクト) で構成できます。シングル エフェクト エバポレーターのエネルギー消費量は非常に高く、エバポレーション システムのコストの大部分を占めます。エバポレーターをまとめると熱が節約されるため、必要なエネルギーが少なくなります。元のエバポレーターに 1 つのエバポレーターを追加すると、エネルギー消費量が 50% 減少します。エフェクトをもう 1 つ追加すると、33% に減少します。熱節約率の式を使用すると、特定の数のエフェクトを追加することで節約できる量を見積もることができます。

多重効用蒸発器の効用数は通常 7 に制限されます。それを超えると、設備コストがエネルギー要件の低下によるコスト削減に近づくためです。

多重効用蒸発器を扱う場合、2 種類の供給方法を使用できます。

• 前方供給:これは、製品が最高温度の第一効果部からシステムに入るときに発生します。一部の水が蒸気に変換されて運び去られるため、製品は部分的に濃縮されます。次に、温度がわずかに低い第二効果部に供給されます。第二効果部では、第一段階で生成された加熱蒸気を熱源として使用します (そのため、エネルギー消費が節約されます)。後続の効果部での温度低下と粘度上昇の組み合わせにより、酵素やタンパク質などの熱に敏感な製品の処理に適した条件が整います。このシステムでは、後続の効果部の加熱表面積を増やす必要があります。
• 逆方向供給:このプロセスでは、希釈された製品は、温度が最も低い最後の効果に供給され、温度が上昇するにつれて効果から効果へと移されます。最終濃縮物は最も熱い効果で収集されます。これにより、最終段階で製品の粘性が高くなり、熱伝達が向上するという利点があります。

近年、多重効用真空蒸発器（ヒートポンプ付き）システムが使用されるようになりました。これらは、機械的蒸気再圧縮（MVR）システムよりもエネルギー的にも技術的にも効率的であることがよく知られています。沸点が低いため、腐食性の高い液体や付着物を形成しやすい液体を扱うことができます。^[6]

撹拌薄膜蒸発法は、取り扱いが難しい製品に非常に効果的です。簡単に言えば、この方法は、間接的な熱伝達と制御された条件下で流れる製品フィルムの機械的撹拌を使用して、揮発性の成分を低揮発性の成分から素早く分離します。分離は通常、真空条件下で行われ、最も好ましい製品温度を維持しながら ∆T を最大化するため、蒸発器内では製品が平衡状態のみになり、揮発性の剥離と回収を最大化できます。^[7]

蒸発中に技術的な問題が発生することがあります。特に食品業界でプロセスが使用される場合はそうです。蒸発器の中には、希釈溶液の粘度と濃度の違いに敏感なものがあります。これらの蒸発器は、循環が失われるため、効率的に動作しない可能性があります。蒸発器を使用して高粘度の溶液を濃縮する必要がある場合は、蒸発器のポンプを交換する必要があるかもしれません。

汚れは、蒸発器内の加熱媒体の表面に固い堆積物が形成される場合にも発生します。食品では、タンパク質や多糖類がそのような堆積物を形成し、熱伝達の効率を低下させることがあります。泡立ちも問題を引き起こす可能性があります。過剰な泡の処理には時間と効率の面でコストがかかるからです。消泡剤が使用されますが、食品の加工時に使用できるのはごくわずかです。

柑橘類のジュースなどの酸性溶液が濃縮されると、腐食が発生することもあります。表面が損傷すると、蒸発器の寿命が短くなることがあります。蒸発中に食品の品質と風味が損なわれることもあります。全体として、蒸発器を選択するときは、製品溶液の品質を慎重に考慮する必要があります。

• フラッシュ蒸発
• 真空蒸発
• 遠心蒸発器
• ロータリーエバポレーター^[8]
• 蒸気圧縮蒸発器
• 蒸発冷却器
• ポンプ式氷技術
• 循環蒸発器

ウィキメディア・コモンズには、蒸発器に関連するメディアがあります。

• Fennema, Owen R.、Marcus Karel、Daryl B. Lund。食品保存の物理的原理。Marcel Deker, Inc. ニューヨークおよびバーゼル、1975 年。
• Krijgsman, Ir J.、主任科学者兼研究プロジェクト マネージャー、Gist-brocades、デルフトおよびデルフト工科大学、デルフト、オランダ。バイオプロセス技術における製品回収。Butterworth-Heinemann、1992 年。