フラッシュ蒸留と単蒸留とフラッシュ蒸留の違いは?【演習問題】)

フラッシュ蒸留と単蒸留とフラッシュ蒸留の違いは?【演習問題】

 

当サイトのメインテーマであるリチウムイオン電池は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などの採用されています。

 

ただ近年、Galaxy note7などのリチウムイオン電池の発火事故が急増しており、リチウムイオン電池の安全性(危険性)が認識されるようになり、この安全性の向上がリチウムイオン電池普及のための課題の一つであるといえます。

 

IOT化が今後進むにつれ、リチウムイオン電池の重要性がより増してくるため、リチウムイオン電池に関する知識を増やすとより快適な生活が遅れるでしょう。

 

リチウムイオン電池だけでなく、製造業において化学工学の知識は不可欠です。例えば、リチウムイオン電池の製造工程としては、電極スラリーを混練する際の撹拌する力や与えるエネルギーの設計、電極スラリーを混練したあとの電極基材へ塗布した後のコーターでの乾燥条件の設計などに化学工学の知識が必要になる場合があります。

 

ここでは、化学工学における基礎技術である蒸留の中でも「フラッシュ蒸留」について解説していきます。

 

・フラッシュ蒸留とは?

 

・フラッシュ蒸留の式と気液平衡図の読み取り方 フラッシュ蒸留問題の求め方

 

というテーマで解説しています。

 

 

フラッシュ蒸留とは?

フラッシュ蒸留(Flash Distilation)とは、産業的にも使用されている蒸留手法である連続蒸留に分類することができ、連続蒸留の中でも最も単純なものといえます。

 

単蒸留とフラッシュ蒸留の違いとしては、単蒸留が学生実験なものといえのに、対してフラッシュ蒸留はあくまで工業的に採用されている連続蒸留の中の一つであるといえます。

 

そのため、ある液体の低沸点成分の濃度を上げるという精度はフラッシュ蒸留の方が単蒸留よりも精度よく高めることができるといえます。

 

フラッシュ蒸留装置のイメージは以下の通りです。

 

 

 

単蒸留とは異なり、フラッシュ蒸留にかけたい液体の量ではなく、原料供給速度F[mol/h]や留出液の生成速度D[mol/h]、塔底液の生成速度W[mol/h]、のというものを使用することが基本です。単位は[mol/h]でなく、[kg/h]で与えられているケースもありますので、単位変換には気をつけましょう。

 

考え方はフラッシュ蒸留も単蒸留も同じであり、原料供給と出ていく分(留出液と塔底液)の収支と低沸点成分の量の収支を考えていきます

 

F = D + W

 

F xf = D yd + W xw

 

(xf:原料中の低沸点成分組成 、yd:留出液中の低沸点成分組成(蒸気)、 xw:塔底液中の低沸点成分組成)
という式がなりたち、これを元に連立方程式を解いていきます。

 

整理すると -W /D = (yd - xf ) / (xw - xf )という式が成り立ちます。

 

 

 

最後に気液平衡の図と照らし合わせて、以下の手順でyd:留出液中の低沸点成分組成(蒸気)、 xw:塔底液中の低沸点成分組成を求めていきます。

 

単蒸留ではレイリーの式や図積分を用いて問題を解きましたが、フラッシュ蒸留ではグラフから低沸点組成を計算することが違いといえます。

 

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フラッシュ蒸留の式と気液平衡図の読み取り方 フラッシュ蒸留問題の求め方

 

先にものべた式を用いて、ydやxwを求めることがフラッシュ蒸留の問題といえます。

 

ここで、まず、対角線(直線)中の赤丸に着目しましょう。ここで、原料供給分中の低沸点成分xfの値をプロットします。

 

そして、この赤丸から傾き - W/Dの直線を引き、曲線部(気液平衡の線)との交点の赤丸に着目しましょう。
すると、この交点における液組成(X)が塔底中の低沸点成分の組成、蒸気組成(y)が留出液中の低沸点成分の組成となっています。

 

各々の値を上の連立方程式の解に代入することで、各種情報を得ることが可能です。

 

 
これがフラッシュ蒸留問題の求め方といえます。

 

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