瞬間蒸発

フラッシュ蒸発（または部分蒸発）とは、飽和液体の流れが絞り弁またはその他の絞り装置を通過することによって圧力が低下するときに発生する部分的な蒸気のことです。このプロセスは最も単純な単位操作の 1 つです。絞り弁または装置が圧力容器の入口に配置され、フラッシュ蒸発が容器内で発生する場合、その容器はフラッシュドラムと呼ばれることがよくあります。^{[ 1 ] [ 2 ]}

飽和液が単一成分液体（例えば、 プロパンや液体アンモニア）の場合、液体の一部は瞬時に蒸発します。蒸気と残留液はともに、減圧状態における液体の飽和温度まで冷却されます。これはしばしば「自己冷凍」と呼ばれ、従来の蒸気圧縮式冷凍システムのほとんどの基本原理となっています。

飽和液が多成分液体（例えば、プロパン、イソブタン、ノルマルブタンの混合物）である場合、フラッシュ蒸発した蒸気は、残存する液体よりも揮発性の高い成分を多く含んでいる。

制御されない瞬間蒸発は、沸騰液体膨張蒸気爆発（BLEVE）を引き起こす可能性がある。

単成分液体の瞬間蒸発は等エンタルピー過程であり、断熱フラッシュと呼ばれることが多い。絞り弁または装置周辺の単純な熱収支から導き出される以下の式は、単成分液体の蒸発量を予測するために使用される。

${\displaystyle X={\frac {H_{u}^{L}-H_{d}^{L}}{H_{d}^{V}-H_{d}^{L}}}}$^{[ 3 ]}

上記の式に必要なエンタルピーデータが入手できない場合は、次の式を使用できます。

${\displaystyle X={\frac {c_{p}(T_{u}-T_{d})}{H_{v}}}}$

ここでいう「上流」と「下流」とは、液体が絞り弁または絞り装置を通過する前と後を指します。

このタイプのフラッシュ蒸発は、「多段フラッシュ蒸留」による汽水や海水の淡水化に用いられます。水は加熱され、減圧フラッシュ蒸発「ステージ」に送られ、そこで水の一部が蒸気に変化します。この蒸気はその後凝縮され、塩分を含まない水になります。最初のステージで残った塩分を含む液体は、最初のステージよりも低い圧力で2番目のフラッシュ蒸発ステージに導入されます。さらに水が蒸気に変化し、これもその後凝縮されてさらに塩分を含まない水になります。このように複数のフラッシュ蒸発ステージを連続的に使用することで、システムの設計目標が達成されるまで処理が続けられます。世界の淡水化設備の大部分は、多段フラッシュ蒸留を採用しています。通常、このようなプラントは24段以上の連続したフラッシュ蒸発ステージを備えています。

多成分液体の平衡フラッシュは、単一の平衡段を使用した単純な蒸留プロセスとして視覚化できます。これは、単成分液体のフラッシュ蒸発とは大きく異なり、より複雑です。多成分液体の場合、特定の温度と圧力で互いに平衡状態にあるフラッシュ蒸気と残留液体の量を計算するには、試行錯誤による反復解法が必要です。このような計算は、一般に平衡フラッシュ計算と呼ばれます。これには、 Rachford-Rice 方程式を解くことが含まれます。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

${\displaystyle \sum _{i}{\frac {z_{i}\,(K_{i}-1)}{1+\beta \,(K_{i}-1)}}=0}$

どこ：

• z _iは供給液中の成分iのモル分率（既知であると仮定）である。
• βは、供給原料のうち気化する割合である。
• K _iは成分iの平衡定数です。

平衡定数K _iは一般に多くのパラメータの関数であるが、最も重要なのはおそらく温度である。それらは次のように定義される。

${\displaystyle y_{i}=K_{i}\,x_{i}}$

どこ：

• x _iは液相中の成分iのモル分率である。
• y _iは気相中の成分iのモル分率である。

ラチフォード・ライス方程式をβについて解くと、組成x _iとy _iは直ちに次のように計算できます。

${\displaystyle {\begin{aligned}x_{i}&={\frac {z_{i}}{1+\beta (K_{i}-1)}}\\y_{i}&=K_{i}\,x_{i}.\end{aligned}}}$

ラチフォード・ライス方程式はβに対して複数の解を持つ可能性があり、そのうち最大で1つだけがすべてのx _iとy _iが正であることを保証します。特に、以下の条件を満たすβが1つだけ存在する場合：

${\displaystyle {\frac {1}{1-K_{\text{max}}}}=\beta _{\text{min}}<\beta <\beta _{\text{max}}={\frac {1}{1-K_{\text{min}}}}}$

この場合、βが解となります。そのようなβが複数ある場合は、K _max <1またはK _min >1のいずれかを意味し、それぞれ気相が維持できない（したがってβ =0）か、逆に液相が存在しない（したがってβ =1）ことを示しています。

上記の水方程式を解くためにニュートン法を使用することは可能ですが、 βの値が間違って収束するリスクがあります。ソルバーを ( β _max + β _min )/2 のような適切な初期値で初期化することが重要です (ただし、これだけでは十分ではありません。ニュートン法は安定性を保証しません)。あるいは、収束が保証されているものの、処理速度が遅くなる可能性がある、二分法やブレント法などのブラケットソルバーを使用することもできます。

多成分液体の平衡フラッシュは、石油精製所、石油化学プラント、化学プラント、天然ガス処理プラントなどで非常に広く利用されている。

噴霧乾燥は、瞬間蒸発の一種と見なされることがある。しかし、液体蒸発の一種ではあるものの、瞬間蒸発とは全く異なるものである。

噴霧乾燥では、非常に微細な固体のスラリーを高温ガス中に懸濁させ、急速に乾燥させます。まず、スラリーを微細な液滴に霧化し、それを高温乾燥空気の流れの中に噴霧します。液体は急速に蒸発し、乾燥粉末または乾燥固体顆粒が残ります。この乾燥粉末または固体顆粒は、サイクロン、バグフィルター、または電気集塵機を用いて排気から回収されます。

地震時には、過飽和溶液中に含まれる鉱物が沈殿する自然現象として、瞬間蒸発または瞬間沈殿が起こることがあります。金を含む水の場合は、貴重な鉱石が沈殿することもあります。これは、断層によって岩塊が急速に引き離されたり押し離されたりすることによって起こります。^{[ 8 ]}

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