共沸混合物

共沸 混合物、または非共沸混合物は、異なる沸点を持つ液体成分の混合物です。^[1]たとえば、窒素、メタン、エタン、プロパン、イソブタンは共沸混合物です。^[2]混合物内の個々の物質は、1 つの物質と同じ温度で蒸発または凝縮しません。 ^[3]言い換えると、混合物には温度すべりがあり、相変化は一定の温度ではなく、約 4 ～ 7 ℃ の温度範囲で発生します。^{[3]温度-組成グラフでは、この温度すべりは、}泡立ち点と露点の温度差として見ることができます。^[4]共沸混合物の場合、泡 (沸騰) 曲線上の温度は、個々の成分の沸点の間になります。^[5]共沸混合物が沸騰または凝縮すると、液体と蒸気の組成は混合物の温度-組成図に従って変化します。^[5]

共沸混合物は、核沸騰と対流沸騰、および有機ランキンサイクルにおいて異なる特性を持っています。共沸混合物は純粋な流体や共沸混合物とは異なる特性を持っているため、蒸留、冷凍、洗浄プロセスなど、産業界で多くの独自の用途があります。

物質の混合物では、泡点は飽和液体の温度であり、飽和蒸気の温度は露点と呼ばれます。共沸混合物の温度-組成図の泡線と露点線は交差しないため、液相の共沸混合物は、混合物の気相とは異なる成分の割合を持ちます。^[4]温度-組成図では、液相の混合物が泡（沸騰）曲線の温度まで加熱された後、混合物が沸騰するにつれて、混合物中の成分の割合は露曲線と沸騰曲線を結ぶ等温線に沿って変化します。^[4]任意の温度で、液体の組成は泡点の組成であり、蒸気の組成は露点の組成です。^[5]共沸混合物とは異なり、図上で泡線と露点線が交差するどの温度にも共沸点は存在しません。^[4]このように、混合物の組成は、液体から気体に沸騰する際に、成分の質量分率が1に達するまで（つまり、非共沸混合物が純粋な成分に完全に分離されるまで）、常に泡点成分分率と露点成分分率の間で変化します。図1に示すように、液体混合物が気相に沸騰すると、成分1のモル分率は0.4から約0.15に減少します。

異なる共沸混合物は異なる温度すべりを持っています。例えば、共沸混合物 R152a/R245fa は R21/R245fa よりも高い温度すべりを持っています。^[7]沸点間のギャップが大きいほど、特定の質量分率での沸騰曲線と露点曲線の間の温度すべりが大きくなります。^[4]しかし、どの共沸混合物でも、成分の質量分率が 1 または 0 に近づくと (つまり、混合物が純粋な成分にほぼ分離すると)、沸騰曲線と露点曲線がこれらの質量分率の近くで近づくため、温度すべりは減少します。^[4]

物質間の沸点の差が大きいと、グラフの露点曲線と泡曲線にも影響します。 [ ^4]沸点の差が大きいと、混合物が特定の温度で沸騰したときに質量分率のシフトが大きくなります。^[4]

共沸混合物と非共沸混合物は、温度-組成グラフにおいて、異なる露点曲線と気泡曲線特性を示します。^[4]つまり、共沸混合物は交差する露点曲線と気泡曲線を持ちますが、非共沸混合物は交差しません。 ^[4]言い換えれば、非共沸混合物には共沸点がありません。^[4]共沸点に近い共沸混合物は、非共沸挙動が無視でき、非共沸ではなく近共沸です。^[5]

共沸混合物と非共沸混合物の違いは、共沸混合物の気相と液相の成分が同じ割合である点です。^[9]これは共沸混合物の沸点が一定であるためです。^[9]

物質を過熱する場合、液体を加熱するために使用される表面の温度が壁の過熱によって液体の沸点よりも高くなると、核プール沸騰と対流沸騰が発生します。 ^[10]

プール沸騰の特性は、ゼオトロピック混合物の場合と純粋混合物の場合とで異なります。^[11]たとえば、この沸騰を達成するために必要な最小過熱は、ゼオトロピック混合物の液相と気相の個々の物質の割合が異なるため、純粋液体よりもゼオトロピック混合物の方が大きくなります。^[11] ゼオトロピック混合物と純粋液体は、臨界熱流束も異なります。^[11]さらに、ゼオトロピック混合物の熱伝達係数は、純粋液体の係数を使用して予測される理想値よりも低くなります。^[11]この熱伝達の低下は、ゼオトロピック混合物の熱伝達係数が混合物の成分の質量分率に比例して増加しないという事実によるものです。^[11]

非共沸混合物は、対流沸騰において、純物質や共沸混合物とは異なる特性を示します。^[11]全体的に、非共沸混合物は流体の底部でより効率的に熱を伝達しますが、純物質と共沸物質は上部でより効率的に熱を伝達します。 ^{[11 ]}対流沸騰中、液膜の厚さは、重力のため、膜の上部の方が底部よりも薄くなります。 [11]純液体と共沸混合物の場合、この厚さの減少により、熱伝達に対する抵抗が減少します。 ^[11]したがって、膜の上部では熱伝達が多くなり、熱伝達係数が高くなります。^[11]非共沸混合物の場合はその逆が起こります。^[11]上部近くの膜厚が減少すると、混合物内の沸点が高い成分の質量分率が減少します。^[11]したがって、液体の上部近くで質量伝達に対する抵抗が増加します。^[11]熱伝達が少なくなり、熱伝達係数は液膜の底部よりも低くなります。^[11]液体の底部は熱伝導率が高いため、非共沸混合物を沸騰させるには、底部近くの壁温度を上部よりも低くする必要があります。^[11]

極低温から室温まで、非共沸混合物の熱伝達係数は、混合物の組成、沸騰管の直径、熱流束と質量流束、表面の粗さに敏感です。^[2]さらに、非共沸混合物を希釈すると、熱伝達係数が低下します。^[2]混合物を沸騰させるときに圧力を下げると、係数はわずかに増加するだけです。^[2]滑らかな沸騰管ではなく溝付きの沸騰管を使用すると、熱伝達係数が増加します。^[12]

蒸留の理想的なケースでは、共沸混合物が使用されます。^[14]共沸流体と気体混合物は、成分混合物間の沸点の差により蒸留によって分離できます。 ^{[14] [15]このプロセスでは、垂直に配置された}蒸留塔が使用されます（図2を参照）。^[15]

3つ以上の液体成分を含む共沸混合物を分離する場合、各蒸留塔は最も沸点の低い成分と最も沸点の高い成分のみを除去します。^[15]言い換えれば、各塔は2つの成分を純粋に分離します。^[14] 3つの物質を1つの塔で分離すると、中間の沸点を持つ物質は純粋に分離されず、^[14] 2番目の塔が必要になります。^[14]複数の物質からなる混合物を分離するには、一連の蒸留塔を使用する必要があります。^[15]この多段階の蒸留プロセスは精留とも呼ばれます。^[15]

各蒸留塔では、出発液体（供給成分と呼ばれる）が塔の中央で放出されると、塔の上部（精留部）と下部（ストリッピング部）に純粋な成分が形成されます。^{[15]これは}図2に示されています。特定の温度では、最も沸点の低い成分（留出物またはオーバーヘッドフラクションと呼ばれる）が蒸発して塔の上部に集まり、最も沸点の高い成分（ボトムまたはボトムフラクションと呼ばれる）は塔の下部に集まります。^[15 ]複数の成分が存在する非共沸混合物では、蒸気が上昇し液体が下降するにつれて、個々の成分が互いに相対的に動きます。^[15]

混合物の分離は濃度プロファイルで確認できます。濃度プロファイルでは、蒸留塔内の蒸気の位置が蒸気の濃度に対してプロットされます。^[15]最も沸点の高い成分は塔の底で最大濃度になり、最も沸点の低い成分は塔の上部で最大濃度になります。^[15]中間の沸点を持つ成分は蒸留塔の中央で最大濃度になります。 [15]これらの混合物の分離方法のため、3 つ以上の物質を含む混合物では、成分を分離するために複数の蒸留塔が必要になります。^{[15 ]}

混合物を同じ製品に分離するために多くの構成を使用できますが、いくつかのスキームの方が効率的であり、さまざまなニーズを満たすために異なるカラムシーケンスが使用されます。 [ ^{14 ]}たとえば、非共沸混合物 ABC は、最初に A と BC に分離してから、BC を B と C に分離できます。 [14] 一方、混合物 ABC は最初に AB と C に分離し、最後に AB を A と B に分離できます。 ^[14]これら 2 つの構成は、中間沸点物質が各分離ステップを汚染しないシャープスプリット構成です。^[14]一方、混合物 ABC は最初に AB と BC に分離し、最後に同じカラムで A、B、C に分割できます。 [14]これは、中間沸点を持つ物質が分離ステップ後に異なる混合物に存在する非シャープスプリット構成です。 [ ^{14 ]}

非共役混合物の分離のための蒸留プロセスを設計する場合、蒸留塔の順序付けはエネルギーとコストの節約に不可欠です。^[16]さらに、非共役混合物の蒸留に必要なエネルギーまたは設備コストを下げるために他の方法を使用することもできます。^[16]これには、蒸留塔の結合、副塔の使用、主塔と副塔の結合、およびシステムの廃熱の再利用が含まれます。 ^[16]蒸留塔を結合した後、使用されるエネルギー量は、両方の塔を合わせたものではなく、分離された1つの塔の量だけです。^[16]さらに、副塔を使用すると、異なる塔が同じ混合物の分離を実行するのを防ぐことでエネルギーを節約できます。^[16]主塔と副塔を組み合わせると、システム内の熱交換器の数を減らすことで設備コストを節約できます。^[16]廃熱を再利用するには、廃熱の量と温度レベルを必要な熱の量と一致させる必要があります。^[16]したがって、廃熱を使用するには、必要な温度を制御するために、蒸留システムの蒸発器と凝縮器内の圧力を変更する必要があります。 ^[16]ピンチテクノロジーでは、システムの一部の温度レベルを制御することができます。^[17]これらの省エネ技術は、非共沸混合物の工業蒸留に広く応用されています。サイドカラムは原油精製に使用されており、メインカラムとサイドカラムの組み合わせがますます使用されています。^[16]

非共沸混合物の蒸留の例は産業界で見受けられます。原油の精製は、75年以上にわたって使用されてきた産業界における多成分蒸留の一例です。^[14]原油は、シャープスプリット構成のメインカラムとサイドカラムで5つの成分に分離されます。 [14]さらに、多成分蒸留を使用して、メタンとエタンからエチレンが産業目的で分離されます。^[14]

芳香族物質を分離するには、例えばベンゼン、トルエン、p-キシレンの共沸混合物の蒸留などの抽出蒸留が必要である。^[14]

冷凍で使用される非共沸混合物には、命名法の一部としてその成分とその割合を識別するために、400 番台の番号が割り当てられています。一方、共沸混合物には 500 番台の番号が割り当てられています。ASHRAEによると、冷媒の名前は「R」で始まり、その後に一連の数字が続きます。非共沸の場合は 400 番台、共沸の場合は 500 番台で、その後に組成を表す大文字が続きます。^[18]

研究では、ハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）とクロロフルオロカーボン（CFC）がオゾン層と地球温暖化に及ぼす有害な影響のため、ハロゲン化冷媒の代替として非共沸混合物を使用することが提案されている。^{[3]研究者らは、}モントリオール議定書と京都議定書に従って、有害なハロゲン化物質を段階的に廃止するために、過去の冷媒と同じ特性を持つ新しい混合物を使用することに焦点を当ててきた。^[3]たとえば、研究者らは、家庭用冷蔵庫でCFCであるR-12を非共沸混合物R-404Aで置き換えることができることを発見した。^[19]しかし、非共沸混合物の使用にはいくつかの技術的な困難がある。^[3]これには、異なる沸点の物質に関連する高温グライドだけでなく、漏れが含まれるが、^[3]熱交換時に2つの冷媒間の温度差に温度グライドを一致させて効率を高めることはできる。^[5] 純粋な冷媒を混合物に置き換えるには、環境への影響、冷媒混合物の可燃性、安全性に関するさらなる研究が必要である。^[3]

有機ランキンサイクル（ORC）では、非共沸混合物は純粋な流体よりも熱効率が優れています。^{[20] [21]非共沸}作動流体は沸点が高いため、ランキンサイクルの低温では純粋な物質よりも正味のエネルギー出力が高くなります。^{[7] [21]}非共沸作動流体はさまざまな温度範囲で凝縮するため、外部の熱交換器で凝縮熱をランキンサイクルの熱源として回収できます。^[20]非共沸作動流体の温度変化は、混合物の蒸発プロセスが温度すべりで発生するため、加熱または冷却される流体の温度に合わせることができ、廃熱を節約できます^{[20] [21]}（ピンチ分析を参照）。

R21/R245faとR152a/R245faは、沸点が高いため純粋なR245faよりも多くの熱を吸収できる非共沸作動流体の2つの例です。^[7]出力は、R152a/R245fa中のR152aの割合に応じて増加します。^[20] R21/R245faは、R245faよりも熱とエネルギーをあまり使用しません。^[7]全体として、非共沸混合物R21/R245faは、ORCの作動流体として、純粋なR245faやR152a/R245faよりも優れた熱力学的特性を持っています。^[7]

共沸混合物は製造工程の洗浄工程で溶剤として使用することができる。^[22]共沸混合物を使用する洗浄工程には、共溶媒工程と二溶媒工程がある。^[22]

共溶媒システムでは、沸点の異なる2つの混和性流体を混合して、共沸混合物を作ります。^{[22] [23]}最初の流体は、洗浄プロセスで汚れを溶かす溶媒和剤です。^{[22] [23]}この流体は、沸点が低く、引火点がシステムの動作温度よりも高い有機溶媒です。^{[22] [23]}溶媒が油と混ざった後、2番目の流体であるハイドロフルオロエーテルリンス剤（HFE）が溶媒和剤を洗い流します。^{[22] [23]}溶媒和剤は、HFEとの混合物が不燃性であるため、可燃性である可能性があります。^[23]二溶媒洗浄プロセスでは、リンス剤は溶媒和剤から分離されています。^[22]これにより、溶媒和剤とリンス剤は希釈されないため、より効果的になります。^[22]

共溶媒システムは、重油、ワックス、グリース、指紋に使用され、^{[22] [23]}純粋または共沸溶媒を使用するプロセスよりも重い汚れを除去できます。^[23]共溶媒システムは、共沸混合物中の物質の異なる割合を使用してさまざまな洗浄目的を満たすことができるという点で柔軟性があります。^[23]たとえば、混合物中の溶媒和剤とすすぎ剤の割合を増やすと溶解力が高まり、より重い汚れの除去に使用されます。^{[22] [23]}

システムの動作温度は混合物の沸点に依存し、^[23]沸点は、ゼオトロピック混合物中のこれらの薬剤の組成に依存します。ゼオトロピック混合物は沸点が異なるため、洗浄槽とすすぎ槽には洗浄剤と溶媒和剤の比率が異なります。^[23]薬剤間の沸点の差が大きいため、沸点の低い溶媒和剤はすすぎ槽には存在しません。^[23]

HFC-43-10meeを含む混合物は、CFC-113やパーフルオロカーボン（PFC）とは異なり、オゾン層に害を及ぼさないため、洗浄システムの溶剤としてCFC-113やPFCの代わりに使用できます。^[23 ] HFC-43-10meeのさまざまな混合物は、さまざまな洗浄目的で市販されています。^[23]洗浄プロセスにおけるゼオトロピック溶剤の例は次のとおりです。

• HFC-43-10meeとヘキサメチルジシロキサンの共沸混合物はシリコーンを溶解することができ、ポリカーボネートやポリウレタンとの相溶性が高い。^[23]医療機器からシリコーン潤滑剤を除去するために使用できる。^[23]
• HFC-43-10meeとイソプロパノールの共沸混合物は、多孔質表面のない材料からイオンと水を除去することができます。^[23]この共沸混合物は吸収乾燥に役立ちます。^[23]
• HFC-43-10mee、フッ素系界面活性剤、帯電防止剤の共沸混合物は、エネルギー効率が高く、環境に安全な乾燥液であり、シミのない乾燥を実現します。^[23]

• 冷媒一覧
• 共沸混合物