Мгновенное испарение (или частичное испарение ) — это частичное испарение, которое возникает, когда поток насыщенной жидкости подвергается снижению давления при прохождении через дроссельный клапан или другое дросселирующее устройство. Этот процесс является одной из простейших единичных операций . Если дроссельный клапан или устройство расположено на входе в сосуд высокого давления , так что мгновенное испарение происходит внутри сосуда, то сосуд часто называют испарительным барабаном . [1] [2]
Если насыщенная жидкость представляет собой однокомпонентную жидкость (например, пропан или жидкий аммиак ), часть жидкости сразу же «вспыхивает» в пар. И пар, и остаточная жидкость охлаждаются до температуры насыщения жидкости при пониженном давлении. Это часто называют «автоматическим охлаждением», и оно является основой большинства традиционных парокомпрессионных холодильных систем.
Если насыщенная жидкость представляет собой многокомпонентную жидкость (например, смесь пропана , изобутана и нормального бутана ), вспыхнувший пар богаче более летучими компонентами, чем оставшаяся жидкость.
Неконтролируемое мгновенное испарение может привести к взрыву расширяющегося пара кипящей жидкости ( BLEVE ).
Мгновенное испарение однокомпонентной жидкости представляет собой изоэнтальпический процесс, и его часто называют адиабатической вспышкой . Следующее уравнение, полученное на основе простого теплового баланса вокруг дроссельного клапана или устройства, используется для прогнозирования того, сколько однокомпонентной жидкости испаряется.
Если данные по энтальпии, необходимые для приведенного выше уравнения, недоступны, можно использовать следующее уравнение.
Здесь слова «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к до и после того, как жидкость проходит через дросселирующий клапан или устройство.
Этот тип мгновенного испарения используется при опреснении солоноватой воды или океанской воды с помощью « многоступенчатой мгновенной дистилляции». Вода нагревается, а затем направляется на «стадию» мгновенного испарения при пониженном давлении, где часть воды превращается в пар. Этот пар впоследствии конденсируется в бессолевую воду. Остаточная соленая жидкость из этой первой ступени вводится во вторую ступень мгновенного испарения при давлении ниже давления первой ступени. Больше воды превращается в пар, который впоследствии конденсируется в воду, не содержащую солей. Такое последовательное использование нескольких стадий мгновенного испарения продолжается до тех пор, пока не будут достигнуты проектные цели системы. Большая часть установленных в мире мощностей по опреснению воды использует многоступенчатую мгновенную дистилляцию. Обычно такие установки имеют 24 или более последовательных стадий мгновенного испарения.
Равновесную вспышку многокомпонентной жидкости можно представить как простой процесс дистилляции с использованием одной равновесной стадии . Это совсем другое и более сложное явление, чем мгновенное испарение однокомпонентной жидкости. Для многокомпонентной жидкости расчет количества вспыхнувшего пара и остаточной жидкости, находящихся в равновесии друг с другом при заданной температуре и давлении, требует итерационного решения методом проб и ошибок. Такой расчет обычно называют расчетом равновесной вспышки. Он включает в себя решение уравнения Рэчфорда-Райса : [4] [5] [6] [7]
где:
Константы равновесия K i, как правило, являются функциями многих параметров, хотя наиболее важным, возможно, является температура; они определяются как:
где:
После решения уравнения Рэчфорда-Райса для β составы x i и y i можно сразу рассчитать как:
Уравнение Рэчфорда-Райса может иметь несколько решений для β , не более одного из которых гарантирует, что все x i и y i будут положительными. В частности, если существует только один β , для которого:
тогда это β — решение; если таких β несколько , это означает, что либо K max <1, либо K min >1, что указывает соответственно на то, что газовая фаза не может поддерживаться (и, следовательно, β = 0), или, наоборот, что жидкая фаза не может существовать (и, следовательно, β =1).
Для решения приведенного выше уравнения воды можно использовать метод Ньютона , но существует риск сходимости к неправильному значению β ; важно инициализировать решатель разумным начальным значением, например ( β max + β min )/2 (чего, однако, недостаточно: метод Ньютона не дает гарантий стабильности) или, альтернативно, использовать решатель с брекетированием, такой как метод деления пополам или метод Брента , которые гарантированно сходятся, но могут быть медленнее.
Равновесная вспышка многокомпонентных жидкостей очень широко применяется на нефтеперерабатывающих , нефтехимических и химических предприятиях , а также предприятиях по переработке природного газа .
Распылительную сушку иногда рассматривают как форму мгновенного испарения. Однако, хотя это форма испарения жидкости, она сильно отличается от мгновенного испарения.
При распылительной сушке суспензия очень мелких твердых частиц быстро высушивается путем суспендирования в горячем газе. Сначала суспензия распыляется на очень мелкие капли жидкости, которые затем распыляются в потоке горячего сухого воздуха. Жидкость быстро испаряется, оставляя после себя сухой порошок или сухие твердые гранулы. Сухой порошок или твердые гранулы извлекаются из отработанного воздуха с помощью циклонов , рукавных фильтров или электростатических осадителей .
Естественное мгновенное испарение или мгновенное отложение может происходить во время землетрясений, что приводит к отложению минералов, содержащихся в пересыщенных растворах , а иногда даже ценной руды в случае золотоносных золотосодержащих вод. Это происходит, когда глыбы породы быстро растягиваются и отталкиваются друг от друга из-за разломов . [8]
